Перевод электроприводов намоточных устройств волочильных станов на систему преобразователь частоты - асинхронный двигатель Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621 313 333 621 778 27 001 76

ПЕРЕВОД ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАМОТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ВОЛОЧИЛЬНЫХ СТАНОВ НА СИСТЕМУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

А.С. САРВАРОВ, Е.Я. ОМЕЛЬЧЕНКО

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова Магнитогорский филиал ООО НТЦ «Приводная техника» (г. Челябинск)

Рассмотрены основные способы регулирования натяжения стальной проволоки намоточных устройств волочильных станов в зависимости от радиуса намотки. Для системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель рассчитаны токи статора при изменении передаточного отношения редуктора. Рассмотрены особенности поведения тока и момента при работе двигателя во второй зоне регулирования. Приведены соотношения для выбора мощности двигателя. Предложены три варианта модернизации.

Ключевые слова: электропривод, намоточное устройство волочильного стана, система ПЧ-АД, выбор мощности двигателя, вторая зона регулирования скорости.

Метизная промышленность России перерабатывает до 2 млн. тонн в год стальной проволоки на станах грубого, мокрого и тонкого волочения. Съем готовой проволоки на каждом стане производится с помощью намоточных устройств (НУ), от качества работы которых зависит конечное качество готовой продукции [1]. Мощности приводных электродвигателей лежат в пределах от 1,5 до 15 кВт. Для НУ применяются следующие системы электроприводов: тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока независимого возбуждения; трехфазный асинхронный двигатель с реостатным регулированием в роторной цепи; трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель с электромагнитной муфтой скольжения; преобразователь частоты - асинхронный короткозамкнутый двигатель (ПЧ-АД). Из перечисленных только система ПЧ-АД обладает лучшими регулировочными и эксплуатационными показателями и является предпочтительной при замене старых систем электропривода.

Модернизация систем электропривода (ЭП) в производственных условиях обычно связывается с заменой старых схем на схемы с преобразователями частоты. Двигатели и механическое оборудование обычно остаются старыми. У асинхронных двигателей с фазным ротором роторную обмотку шунтируют. Регулирование скорости двигателя остается в первой зоне регулирования. Однако при замене системы электропривода необходимо решать заново вопросы выбора мощности электродвигателя в зависимости от особенностей механического оборудования и известных способов регулирования скорости.

Кинематическая схема НУ включает в себя приводной двигатель, клиноременную передачу, редуктор с переключаемым передаточным отношением (на станах грубого волочения), крепежное устройство для установки и снятия катушки, саму катушку. Намоточное устройство предназначено для равномерной намотки проволоки на катушку, и к его электроприводу предъявляются следующие основные требования:

© А. С. Сарваров, Е.Я. Омельченко Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

1. Поддержание натяжения проволоки в заданных пределах в основных режимах работы.

2. Регулирование натяжения проволоки в процессе намотки.

3. Обеспечение равномерной укладки проволоки по слоям.

На рис. 1, а представлены применяемые на практике зависимости относительного натяжения от относительного радиуса, где Го - начальное натяжение, когда радиус намотки Лн равен радиусу катушки Лк. Зависимости регулирования натяжения: пост - постоянное натяжение; лин - линейное уменьшение натяжения; сброс - большое натяжение в начале намотки с последующим сбросом до малого значения; гиперб - уменьшение натяжения, обратно-пропорциональное радиусу намотки.

Момент натяжения, приведенный к валу двигателя, определяется натяжением проволоки и радиусом намотки:

где г'к , г'р - передаточные коэффициенты клиноременной передачи и редуктора, соответственно. В исходном варианте г'к =1.

На рис. 1, б приведены зависимости относительного значения момента натяжения от относительного радиуса намотки, где М0 - начальный момент натяжения при относительном радиусе намотки гн = Лн/Лк= 1. Следует выделить, что для поддержания постоянного натяжения момент натяжения должен линейно увеличиваться, а при гиперболическом спадании натяжения момент остается постоянным.

Угловая скорость вращения двигателя определяется линейной скоростью намотки и радиусом намотки:

На рис. 1, в показаны зависимости относительного значения скорости двигателя в функции относительного момента натяжения (механические характеристики НУ) при различных радиусах намотки, где ш0 - угловая скорость двигателя в начале намотки. При этом следует заметить, что при гиперболическом спадании натяжения механическая характеристика НУ вырождается в вертикальную линию. Наибольшая загрузка электропривода получается при поддержании постоянного натяжения и постоянной мощности намотки, когда Лн = Лнм. Номинальные параметры двигателя при этом должны выбираться из условий:

где Бн - диапазон изменения радиуса намотки (Бн = Лнм/Лк = гнм).

Времена пуска и торможения волочильного стана измеряются десятками секунд, время намотки одной катушки превышает 40 минут, время съема и установки новой катушки не превышает 5 минут, поэтому двигатели выбираются для длительного режима работы Б1. Номинальная мощность двигателя при этом

МнЛн ) = Гн(Лн )Лн/(г'к г'р),

(1)

ш = г'к г'р^н/Лн.

(2)

рм = ммш N ^ БНМошо.

(3)

т/тп

0,8 0,6 0,4 0,2 О

М/М0 3 2,5 2 1.5 1

0,5 0

'N

-- -*- Поет ■■■ Лин Сброс Гнперб -1-

1,4

1,6 1,8 R/Rk

а)

2,2 2,4

2,6

1 1 -*- Пост -■-Лин -*- Cfipoc -*- Гнперб

1,2 1,4

1,6 1,8 R!Rk б)

2,2 2,4 2,6

whvn

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

♦ Пост -«-Лин * Сброс ■*■ 1 ннкрб

г

0,2

0,6

1,8

2,2

2,6

1 1,4

М/М0

в)

Рис. 1. Зависимости ГН/Г0(йН/йк) (а), M/M0(RH/RK) (б) и w/w0(M/M0) (в) Обычно гнм= 1,8+2,2. Таким образом, в 1,8+2,2 раза завышается номинальная мощность по сравнению с мощностью намотки /Н= МоШо, двигатель работает в первой зоне регулирования, характерной для М = const. © Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

Изменение скоростного режима проще всего выполнить за счет увеличения передаточного отношения клиноременной передачи г'к и/или выбора двигателя с

большим числом пар полюсов. Двигатель переходит во вторую зону регулирования, характеризующуюся постоянством мощности. При этом увеличивается рабочая скорость двигателя, за счет самовентиляции улучшаются условия охлаждения, уменьшаются приведенные к валу двигателя момент намотки и момент инерции катушки. Однако во второй зоне регулирования увеличение скорости происходит за счет увеличения частоты при постоянстве питающего напряжения или ЭДС статорной обмотки, что приводит к уменьшению главного магнитного потока обратно-пропорционально скорости. Для создания того же самого момента должен увеличиваться активный ток ротора. В монографии [2] приведены приближенные формулы для расчета токов и моментов во второй зоне регулирования, однако, чтобы точно ответить на вопрос о целесообразности модернизации, получающиеся изменения в работе необходимо оценивать по минимуму потерь или по минимуму тока статора [3]. Для этого по заданным механическим характеристикам НУ при изменении радиуса намотки необходимо рассчитать скоростные характеристики (зависимость тока статора от скорости вращения) для конкретной системы электропривода, а критерием должен быть минимум эквивалентного среднеквадратичного тока статора с учетом времени работы и изменений условий охлаждения.

В табл. 1 на примере волочильных станов грубого, мокрого и тонкого волочения (ВС) ЗАО «Уралкорд» (г. Магнитогорск) приведены номинальные данные асинхронных двигателей, применяемых в электроприводах НУ по системе ПЧ-АД. Двигатели выбраны с самовентиляцией на номинальное фазное напряжение и*=220 В, частоту /N=50 Гц с номинальной синхронной скоростью вращения 1500 об/мин. Ротор допускает максимальную скорость вращения до 3000 об/мин, т.е. возможно увеличение частоты и передаточного отношения в два раза.

Таблица 1

Номинальные данные асинхронных двигателей

Наименование \ тип стана Обозначение ВС 2500/7 НУ 1 ВС 650/12 НУ 2 ВС 80/21 НУ 3

Тип - 4А16084У3 4А13284У3 4А100Ь4У3

Мощность, кВт Р* 15 7,5 4

Скольжение, % 2,3 2,9 4,4

Скорость, об/мин NN 1465,5 1456,5 1434

КПД, % П* 88,5 85,5 84

Коэфф. мощности созфдг 0,88 0,86 0,84

Ток, А I* 27,91 14,78 8,22

Момент, Нм М* 97,95 49,28 26,69

Момент инерции, кг*м2 ¿дв 0,1 0,028 0,011

Сопротивление, Ом Хт 33,0 46,7 67,2

Сопротивление, Ом Ъ 0,387 0,747 1,876

Сопротивление, Ом Х1 0,684 1,323 1,960

Сопротивление, Ом Яг1 0,206 0,513 1,484

Сопротивление, Ом Хг1 1,071 2,023 3,919

Сопротивление, Ом Яс 423,2 705,3 991,9

Статический момент сопротивления, приведенный к валу двигателя, складывается из момента холостого хода Мхх и момента натяжения Мн :

Мс = М хх + Мн .

Момент холостого хода НА, приведенный к валу двигателя, складывается из момента потерь клиноременной передачи АМк, момента потерь механизма намотки АМн и момента потерь двигателя АМ, который складывается, в свою очередь, из потерь на трение и потерь на вентиляцию:

М хх = АМк/г'к + АМН/(г'к гр) + АМ(1 + vЛ2)/2, (4)

где V - относительное значение скорости вращения двигателя.

На основании экспертного опроса инженеров-механиков исходные относительные значения АМ, АМк/'к и АМн/(г'к'р) принимаются равными 5, 10 и 10 % от номинального, соответственно. Диапазон принимается равным 2.

На рис. 2 показаны механические характеристики НУ при различных относительных радиусах намотки гц = Лд/Лк и передаточных отношениях г'к =1, 1.5, 1,75 и 2, рассчитанные по уравнениям (1) - (4). Изменение радиуса намотки разбито на 10 интервалов с шагом 10 %. В процессе намотки с увеличением радиуса уменьшается угловая скорость вращения катушки с увеличением статического момента. Если при г'к = 1 относительный статический момент в процессе намотки изменяется от 0,585 до 1,0, то при г'к = 2 он изменяется от 0,393 до 0,535. Характеристики с индексом т (максимальные) отличаются от характеристик с индексом с (статические) динамическим моментом 0,5МN, добавляемым к статическому моменту при пуске.

2.0

1,8

1.6

56 1,4

£

^ 1.2

и е а 1.0

с

О 0,8

0,6

0,4 -

0,2 -

0.0

¡V п \ —— 1с * 1т —■— 1,5 с -»■■ 1,5 т

О 1 \ 1 1 \

И \ V ь \ ^

V \ Л 1,75 С * 1,75 т 2 с —о—. 2 гп Л м п

\\ ч \ ■ \ 1 \ I N

р Ч

А-

А --•= ^1

0,2

0,4

0,6

0,8 1,0 Момент М!М„

1,2

1,4

1,6

Рис. 2. Зависимости относительного момента сопротивления от относительной скорости при значениях передаточного отношения |'к=1; 1,5; 1,75; 2

Традиционный расчет механических и скоростных характеристик в системе ПЧ-АД выполняется при заданных частоте и ЭДС статорной обмотки и варьировании величины абсолютного скольжения. Особенность расчета скоростных характеристик по заданным механическим НУ состоит в том, что по величине момента и угловой частоте вращения двигателя необходимо рассчитать

просадку скорости и частоту питающего напряжения, а далее ЭДС, токи схемы замещения и полный ток статорной обмотки.

В основу расчета положена Г-образная схема замещения с параллельным контуром потерь в стали [3]. Номинальная ЭДС статорной обмотки

En =^[un - IN (X1 sin Ф N + R1cos Ф N )]2 + I%(Xx cos Ф N - Rxsin Ф N )2 ,

где cos ФN - номинальный коэффициент мощности двигателя.

Номинальный приведенный активный ток роторной обмотки

т =_enr2__(5)

т2 AN =-г-г-ТГТ, (5)

РпАю N Й N| ¿2 + [и2/(РпАю N )]2 j

где рп - число пар полюсов обмотки статора; Ашм - номинальная просадка скорости, рад/с; йм = 314 рад/с - номинальная угловая частота питающего напряжения.

Номинальный электромагнитный момент Мэм = 3рпТN^2ЛМ, (6)

где Т м = Ем /(2п/мКоб ) - номинальный главный магнитный поток.

Системы векторного управления в первой зоне регулирования на всем диапазоне изменения момента и скорости обеспечивают стабилизацию главного магнитного потока на уровне номинального, поэтому расчет электромагнитного момента с учетом (5) и (6) можно выполнить по формуле

М = 3Т Мк ОБ *2/Аш . (7)

¿2 +1

[и2/(Лю ■ РП )

По уравнению (3) рассчитывается просадка скорости: 3Т Nk об r -J (3Y %Коб r2)2 - (2ML2 л2/рП )2

Аш = ^ ^^ - "" ----* ' " . (8)

2МЬ2

Расчет частоты питающего напряжения выполняется по уравнению

Й = (ш + Аш)рп. (9)

ЭДС статорной обмотки равна

Е1 = ЙЕМ /Й М . (10)

Во второй зоне регулирования система векторного управления обеспечивает стабилизацию ЭДС статорной обмотки на уровне номинальной, что приводит к ослаблению магнитного потока с ростом частоты. Для этого режима расчет момента можно выполнить по формуле

М = 3ЕМ *2/(Аш• КОБ) . (11)

Й 2 |L22 +

[[/(АЮ ■ рп )]2 ]

По уравнению (11), с учетом (9) и пренебрежением Ь2, по сравнению с й2/Аш/рп , рассчитывается просадка скорости во второй зоне регулирования:

Аш =

3E2N ~ 2шМКОБ-у19ЕN - 12шМЯ2КОБ

2 МК об Я2

Далее рассчитываются токи схемы замещения и полный ток статора: _ Е1 Я^Крп • Аш)

12Л =

(12)

11?2&2 + [[/(рп • Аш N )]2 ] Е1Ь20.

1?2&2 + [[/(рп • Аш N )]2 ]

12 X =

1С = Е1/Яс;

1ш = Е1^шй);

11 = >/(12Л + 1С)2 + (12X + 1ш)2 -

(13)

У

На рис. 3 показаны скоростные характеристики НУ1 волочильного стана 2500/7 (двигатель 4А16084У3), рассчитанные по формулам (5)-(13) для передаточных отношений г'к= 1; 1,5; 1,75 и 2. С увеличением передаточного отношения токи уменьшаются по отношению к варианту с Iк = 1. При скоростях, меньших номинальной, токи статора уменьшаются с увеличением скорости, так как уменьшается момент. При скоростях, больших номинальной, наоборот, с увеличением скорости токи растут из-за ослабления потока с одновременным уменьшением момента.

Рис. 3. Скоростные характеристики НУ1 при изменении радиуса намотки и различных

передаточных отношениях

Дополнительно на рис. 3 приведены предельные скоростные характеристики двигателя с самовентиляцией, соответствующие длительному номинальному тепловому режиму. Участок ЛN описывается параболой и

соответствует режиму ухудшения охлаждения при снижении скорости вращения. Участок N3 описывается линейной зависимостью и соответствует режиму улучшения охлаждения при повышении скорости вращения по отношению к номинальной.

По предельным скоростным характеристикам при заданных законах изменения магнитного потока от частоты можно рассчитать предельные механические характеристики. На рис. 2 участок AN (первая зона регулирования) описывает предельную механическую характеристику, которая характеризуется постоянством главного магнитного потока при изменении частоты. Участок N3 (вторая зона регулирования) соответствует предельной механической характеристике, которая определяется постоянством ЭДС статорной обмотки, а главный магнитный поток изменяется обратно пропорционально частоте. Предельный момент практически линейно уменьшается с увеличением скорости.

В табл. 2 сведены значения относительных токов статора, приведенных на рис. 3, где: г*1Н = /щ/IN - начальный ток намотки (гнн = 1); г1М1К - минимальный ток намотки; г\к - конечный ток намотки (гнк = 2). Тепловое действие тока зависит от

времени его действия и степени охлаждения двигателя. Количество тепла, выделяемое в двигателе, можно считать пропорциональным квадрату тока статора и времени протекания этого тока. Время намотки каждого слоя проволоки пропорционально радиусу намотки. Степень охлаждения двигателя можно считать пропорциональной скорости вращения ротора. Поэтому эквивалентное значение тока статора за время намотки можно рассчитать по формуле

/Эк//У =

г'2н +(;'|22/'"2• •+гк *Нк =т/ег (^ г № Е:>н, ). (14)

гь-(I + ч-----ч )

гК(1 + ГН2 +••• + ГНК) Относительные значения токов статора при г'К=1,5, 1,75 и 2

Таблица 2

Передаточное отношение г'к /1я//у /1МЕ\//¥ I1K/IN

1,5 0,605 0,558 0,662

1,75 0,643 0,549 0,595

2 0,697 0,544 0,549

В табл. 3 сведены результаты расчета по формуле (14) относительных эквивалентных токов для НУ1, НУ2 и НУ3 при различных передаточных отношениях. При г'к =1 все НУ по эквивалентному току загружены на 100 %. При других К эквивалентные токи снижаются с увеличением передаточного отношения. Следует отметить, что полученные значения относительных эквивалентных токов для одних и тех же г'к и разных НУ мало отличаются друг от друга, хотя мощности двигателей существенно отличаются друг от друга. Средняя квадратичная ошибка от среднего значения /ср//у равна 5,3 %.

Таблица 3

Относительные эквивалентные значения токов статора при г'К =1,5, 1,75 и 2

Передаточное отношение 'к /эк//у /ср//у 1/г'к

НУ1 НУ2 НУ3

1 0,996 1,033 1,094 1,041 1,000

1,5 0,619 0,655 0,709 0,661 0,667

1,75 0,543 0,575 0,622 0,580 0,571

2 0,504 0,530 0,569 0,534 0,500

Дополнительно необходимо подчеркнуть, что величина /cр//N мало отличается от значения, обратно пропорционального «к. Средняя квадратичная ошибка при этой замене не превышает 4 %.

Для выбора приводного двигателя могут быть рекомендованы соотношения:

PN > 1,2 • 70 Ун;

ШN я ®0/^И; MN > М0 Бн ; ш 0 ^ ш М,

(15)

где коэффициент 1, 2 учитывает потери в механическом оборудовании.

Соотношения (15) позволяют выбирать преобразователи частоты и двигатели меньшей мощности на 1-2 габарита по сравнению с условием (3) при синхронной скорости 1500 об/мин. Результаты выбора двигателей НУ с разными синхронными скоростями представлены в табл. 4. При выборе учитывались двигатели серий 4А и 5А (АИР). Первая строка относится к существующим двигателям. Вторая, третья и четвертая строки (1, 2 и 3 варианты) относятся к двигателям, выбранным по соотношениям (15) при синхронных скоростях 1500, 1000 и 750 об/мин, соответственно.

Таблица 4

Варианты выбора двигателей НУ

Наименование «к Рн, кВт N0, Об/мин NMAX, Об/мин Тип двигателя 4А / 5А (АИР) Масса, кг

1 15 1500 1500 4А16084У3 135

5А16084 127

2 11 1500 3000 4А132М4 93

НУ1 АИРМ132М4 83,5

1,33 11 1000 2000 4А16086У3 135

АИР16086 122

1 11 750 1500 4А160М8У3 160

5А160М8 145

1 7,5 1500 1500 4А13284У3 77

АИРМ13284 70

2 5,5 1500 3000 4А112М4У3 56

НУ2 5АМ112М4 56,5

1,33 5,5 1000 2000 4А13286У3 77

АИРМ13286 68,5

1 5,5 750 1500 4А132М8У3 93

АИРМ132М8 82

1 4 1500 1500 4А100Ь4У3 42

- -

2 3 1500 3000 4А10084У3 36

НУ3 - -

1,33 3 1000 2000 4А112МА6У3 56

5АМ112МА6 50,5

1 3 750 1500 4А112МВ8У3 56

5АМ112МВ8 54,5

Первый вариант замены (N0=1500 об/мин) приводит к уменьшению мощности и габарита (веса) двигателей, требует изменения передаточного отношения до 2 и работы двигателей на максимальных оборотах до 3000 об/мин.

Второй вариант замены (N0=1000 об/мин) приводит к уменьшению мощности и

сохранению габаритов двигателей (затрат), требует изменения передаточного отношения до 1,33 и работы двигателей на максимальных оборотах до 2000 об/мин. Третий вариант (N0 =750 об/мин) приводит к уменьшению мощности, но увеличиваются габариты двигателей, хотя не требуется изменение кинематической схемы, а максимальные обороты не превышают 1500 об/мин.

Выводы

1. При переводе асинхронного двигателя намоточного устройства во вторую зону регулирования улучшаются условия охлаждения, уменьшаются приведенные к валу двигателя момент намотки и момент инерции катушки.

2. Эквивалентный ток статорной обмотки, с учетом времени намотки на каждом радиусе и изменений условий охлаждения, изменяется обратно пропорционально передаточному отношению передачи.

3. Увеличение передаточного отношения позволяет на 20-30 % снизить установленную мощность двигателя и преобразователя частоты при сохранении качества намотки.

Работа выполняется по государственному контракту № 232 от 23.07.09 г. на выполнение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в рамках мероприятия 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук».

Summary

In the article the principal modes of steel wire tension control are examined in winding mechanisms of drawing mills in dependence of winding radius. Stator currents are calculated for the frequency changer—induction motor unit under changing gear ratio. There are analyzed characteristics of current behavior and torque under motor running in the second control zone. Correlations for motor power option are also given in the article. Three ways of changeover are proposed.

Key words: electric drive, winding mechanism, drawing mill, frequency changer— induction motor unit, motor power option, second control zone of speed.

Литература

1. Радионов А.А. Автоматизированный электропривод станов для производства стальной проволоки. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. 311 с.

2. Лимонов Л.Г. Автоматизированный электропривод промышленных механизмов. Харьков: Изд-во «ФОРТ», 2009. 272 с.

3. Шрейнер Р.Т. и др. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления: учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2008. 361 с.

Поступила в редакцию 15 ноября 2010 г.

Сарваров Анвар Сабулханович - д-р техн. наук, профессор ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Тел.: 8 (3519) 23-57-50. E-mail: [email protected].

Омельченко Евгений Яковлевич - канд. техн. наук, доцент. Директор Магнитогорского филиала ООО НТЦ «Приводная техника» (г. Челябинск). Тел.: 8-951-240-3229; 8 (3519) 34-19-70. E-mail: momentum2@yandex. ru.