CC BY
15
УДК 62-523.2
РАЗРАБОТКА ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ТОКА СТАТОРА УСТРОЙСТВА ПОДАЧИ
СМЕСИ
К.В. Лицин
Рассмотрено устройство подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. Представлено описание системы автоматизации разработанного устройства, позволяющее осуществлять непрерывную равномерную подачу шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. Разработан способ скалярного управления приводом шнекового дозатора, основанный на вычислении активной составляющей тока статора. Разработана модель частотного электропривода шнекового дозатора в программе Ма^аЪ $1ши11пк.
Ключевые слова: шлакообразующая смесь, электропривод, скалярное управление, модель, дозатор.
В настоящее время смеси подаются в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) №2, который расположен в электросталеплавильном цехе (ЭСПЦ) АО "Уральская Сталь", вручную. Очевидно, что скорость выполнения представленной операции достаточно низкая, к тому же сама по себе операция ещё и физически тяжёлой, монотонной и опасной. Как следствие, влияние ручного выполнения операции приводит к недостаткам, которые перечислены ниже [1 - 3]:
- недостаток смеси на поверхности металла приводит к тому, что образуется низкий уровень гарнисажа, возрастает носик шлака, образуются местные зоны захолаживания стали, сталь окисляется вторично;
- если смеси содержится достаточно много, то происходит процесс поглощения, как следствие деформируется мениск, металл получает переи-зобыток углерода, попадают твёрдые частицы смеси на стенки кристаллизатора, образуются металлические прорывы;
- если смесь подаётся неравномерно, то образуется неустойчивость процесса плавления шлака, переменному составу смеси за счёт поглощения неметаллических включений, образованию "жгута" и неоднородного мениска, приводящего к колебаниям свойств гарнисажа, пригоранию и прорывам заготовки, переменному тепловому режиму.
По указанным недостаткам можно судить о том, что за счёт обеспечения равномерной подачи смеси можно добиться необходимого качестве производимого продукта. Поэтому актуальным является направление автоматизации данного процесса, применимого для конкретного предприятия.
Целью данной работы является частотного электропривода с активной составляющей тока статора устройства подачи смеси
602
Достигнуть поставленную цель предлагается за счёт решения следующих задач:
- разработка системы автоматизации устройства подачи шлакооб-разующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок;
- разработка модели электропривода устройства подачи смеси на основе скалярного управления по активной составляющей тока статора.
Кроме того, что на указанном объекте подача смеси производится вручную, что приводит к высокой опасности, представляемой для работника, данная операция выполняется с низкой скоростью, что отрицательно сказывается на производстве цеха в целом [4]. Более того, ручная подача не позволяет добиться равномерности распределения смеси [5]. Отсутствует анализ необходимого объема подаваемой ШОС, что приводит к её перерасходу [6 - 8].
В электросталеплавильном цехе АО "Уральская Сталь" изготавливаются слябы, сечение которых составляет 190*1200 мм и 270*1200 мм. Согласно проведенному обзору и анализу месторасположения установки была разработана конструкция, представленная на рис. 1 [9].
з 1
Рис. 1. Разработанное устройство подачи смеси: 1 - бункера; 2 - дозаторы со шнеком; 3 - насадки с выходными отверстиями; 4 - тележка; 5 - механизм передвижения; 6 - рама;
7 - датчики ограничения хода
Шнековые дозаторы 2 располагаются горизонтально и устанавливаются в нижней части бункеров 1. Смесь подаётся через шнеки и выходит через отверстия насадок 3. Механизм передвижения тележки 4 включает в себя трансмиссию и четыре двухребордных колеса, два из которых приводные. Тележка опирается на раму 6, а последующее её ограничение движение будет выполняться с помощью датчиков 7.
Дозирование материала происходит двумя однозаходными шнеками с диаметром наружного витка 40 мм. Вал шнекового дозатора изготовлен из стали марки 40Х [10].
Требования к приводу шнекового дозатора:
- поддержание скорости на заданном уровне;
- диапазон изменения скорости не более 1:4;
- высокая надежность по причине работы в условиях повышенной температуры и запыленности.
Управление всей системой предлагается осуществить с помощью контроллера и трёх частотных приводов. Два электропривода для управления шнеками, ещё один для механизма перемещения тележки. Регулирование подачи ШОС в кристаллизатор предлагается осуществить на основе разности температур жидкого металла и шлака. Величины температур будут получены за счёт использования двух термопар [11]. Перемещение тележки также реализуется автоматически, поэтому необходимы два оптических датчика положения. Функциональная схема системы автоматизации представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема системы автоматической подачи ШОС
в кристаллизатор МНЛЗ
Предполагается, что измерение температуры будет проводиться с помощью термопар, обозначенных на рис. 2: Д1 (датчик для измерения температуры стали) и Д2 (датчик для измерения температуры шлака).
Автоматическое перемещение тележки предлагается обеспечить за счёт установки на раме двух оптических (концевых) датчиков Д3 и Д4. Сигналы с контроллера будут поступать через частотные преобразователи (ПЧ1 и ПЧ2) к двигателям шнеков (АД1 и АД2). Кроме того, перемещение тележки реализуется с помощью системы "частотный преобразователь -асинхронный двигатель" (ПЧ3 и АД3).
В данной статье рассматривается только электропривод дозаторов. С учётом представленных в работе [13] замечаний, а также необходимостью подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор с разными скоро-
604
стями на разных участках, шнековые дозаторы оснащены индивидуальным электроприводом. В настоящее время широкое распространение получил частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем. Именно он пришёл на замену системам электроприводов на основе двигателей постоянного тока [13-16]. С учётом представленных к электроприводу устройства дозатора требований, выбирается система скалярного управления. Момент и скорость в таких системах регулируются на основании двух каналов:
- канал управления частотой;
- канал управления амплитудой напряжения;
Канал регулирования частоты состоит из устройства задания сигнала, датчика и регулятора скорости. На выходе регулятора скорости формируется задание для момента двигателя. Одной из особенностей асинхронного двигателя является то, что при возрастании электромагнитного момента происходит увеличение скольжения. Линейный участок механической характеристики отражает прямо пропорциональную зависимость между моментом и скольжением. С целью компенсации скольжения нужно к заданной частоте прибавлять вычисленное значение частоты скольжения.
На рис. 3 представлена схема замещения фазы статора асинхронного двигателя.
Ьз
(Ж)
Ь'г
ГШ!
Из
Ьц
(
Я'г/в
Рис. 3. Схема замещения фазы статора асинхронного двигателя
Момент асинхронного двигателя напрямую зависит от магнитного потока и составляющей тока статора. За счёт регулирования последней возможен рост перегрузочной способности электродвигателя во всем диапазоне рабочих частот электропривода.
Любая нагрузка имеет в соответствии определенное напряжение. Это напряжение равно номинальному уровню КПД. С целью минимизации потерь на различных частотах статора необходимо варьировать напряжение согласно моменту нагрузки так, чтобы скольжение имело критическое значение. Момент двигателя может быть найден из выражения [18]
триI
Яг
Мэ =
5
(1)
,2 -
Я 2
[(Я 5 +^ )2 + (X 5 + хг) ]
5
где р - число пар полюсов; К^Я^х^хГ - параметры схемы замещения; б - скольжение.
По условию равенства мощности двигателя получим выражение
М э ■ сг = 3 ■ и8 ■ 18 ц- собф, (2)
где Мэ - электромагнитный момент двигателя; ^^ - скорость вала двигателя; И , - напряжение и ток фазы статора; собф - коэффициент мощности.
Величина активной части тока может быть определена выражения-
ми
1 акт 1- С0ф,
I = I ■42
1 2Ш 1 2 ^ ^ •
Подставим выражения (3) и (2) в (1), получим уравнение
(3)
2 К Г
ш ■ р ■ и2 ■ —^ ■ сг -V 2
3 ■ Us ■ Ь Л =
К. О ' о
ws ■ [(^ +^ )2 + (х 2 + хг) ] (4)
рсг
Известно [17], что-- »1.
Следовательно, выражение (4) примет вид
I
К 2 ' 2
I акт Л^ [(К +—) + (Х2 + хг) ]
Us =-^-. (5)
42 ■ ^
Величина критического скольжения может быть определена из уравнений [17]
I
Кг
2 к
а/к2 + )2' (6)
Ь^к
^к = ^2 + ^г
Подставляя (6) в (5), получим выражение
2 2
и = !акт ■Л^ [(с2 • ^к ) + (с2 • ^к ) ] (7)
42 ■ с2 ■ ^к
Приняв К за коэффициент пропорциональности, получим уравнение
US = К ■1 акт Л (8)
Формула (8) позволяет сформировать эффективное управления напряжением для скалярного регулирования. Величина активного тока вычисляется на основании следующих данных:
2
углового положении вектора напряжения; фазных токов статора.
Активная составляющая тока статора, таким образом, рассчитывается по выражению
1 акт = ISa ■ со§У + • Y, (9)
где у - угловое положение обобщающего вектора напряжения, формируемого системой управления; 1за, ^р - проекции обобщающего вектора тока статора в неподвижной системе координат.
На основании приведённых выражений может быть собран канал управления напряжением, представленный на рис. 4.
АВС Ю аб
Тэактг
—►
Регулятор X —► К-Фильтр
Рис. 4. Канал управления напряжением
В качестве задания выступает величина необходимой скорости. Учитывается скольжение, которое, как было отмечено выше, имеет прямую зависимость с моментом на линейном участке механической характеристики. Величины токов 1а,1Ь, 1с снимаются с двигателя, переводятся в систему координат, связанную со статором двигателя на основании известных преобразований.
На основании представленных расчётов и предлагаемой схемы скалярного управления по активной составляющей тока статора была разработана модель электропривода шнекового дозатора в программе МаНаЬ 81шиНпк (рис. 5).
Величины фазных токов проходят через блок преобразования координат "АВС1оА1ГаВейа". Полученные значения позволяют определить активную составляющую тока статора в блоке "ЬасГ.
Коэффициент пропорциональность К вычисляется, исходя из выражения
к = 72 ^ • ьк. (10)
Параметры электродвигателя были рассчитаны по методике, изложенной в [19].
ч
Рис. 5. Модель электропривода шнекового дозатора в программе
МаИаЬ ЗЬтиНпк
В качестве регулятора скорости используется ПИ-регулятор, передаточная функция которого описывается выражением
Жрс (р) —
3 ■ ■ w0 ■ Як
8■ Тс ■%■ Кин ■ Кс ■ Мк
4 ■ Тс ■ р +1 4 ■ Тс ■ р '
(11)
где I - момент инерции двигателя; ^^ - синхронная частота вращения ротора, с-1. /р - число пар полюсов; КИН - коэффициент передачи инвертора; Кс - коэффициент передачи цепи обратной связи по скорости; Тс - суммарная малая постоянная времени контура скорости, с.
Коэффициент передачи инвертора определяется выражением
К - и н
Кин -
9 ,.■ (12) 2 ■%■ /
Суммарная малая постоянная времени контура скорости рассчиты-
вается на основе выражения
Тс - Тин + Тэ :
(13)
где Тин - постоянная времени запаздывания инвертора напряжения, равная 0,0002 с; Тэ - электромагнитная постоянная времени обмоток статора и ротора, с.
Электромагнитная постоянная времени обмоток статора и ротора вычисляется по формуле
т — + ^г Т э ■
я1 + яг
(14)
На основании представленных выражений вычисляем передаточную функцию регулятора скорости:
На рис. 5 представлен переходный процесс скорости.
Рис. 5. Переходный процесс скорости
Полученный переходный процесс скорости обладает необходимыми показателями качества, что свидетельствует о правильно разработанной математической модели асинхронного электропривода со скалярным управлением по активной составляющей тока статора. Предложенная система управления частотным электроприводом позволяет получить параметры, практически приближённые к векторной системе управления, затрачивая при этом минимум вычислительной мощности.
Список литературы
1. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали: учебник. Донецк: ДонНТУ, 2011. 482 с.
2. Вдовин К.Н. Непрерывная разливка стали: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск.гос. техн. ун-та, 2012. 540 с.
3. Бровман М.Я. Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов. М.: Теплотехник, 2011. 432 с.
4. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. М.: ЭЛИЗ, 2002. 208 с.
5. Ганин Д.Р., Лицин К.В., Шевченко Е.А. Обзор и анализ устройств для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок // Черная металлургия: бюл. ин-та «Черметин-формация». 2018. № 1. С. 58-65.
6. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. М.: ЭЛИЗ, 2002. 208 с.
7. Еронько С.П., Ошовская С.В., Ющенко Б.И. Экспериментальные исследования рабочих параметров спиральных шнеков для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы МНЛЗ // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 2014. № 9. Том 57. С. 33-39.
8. Куклев А.В. Практика непрерывной разливки стали. М: Метал-лургиздат, 2011. 432 с.
9. Ганин Д.Р., Нефедов А.В., Мурзич М.И. Механизация подачи шлакообразующих смесей в кристаллизатор МНЛЗ - 2 АО «Уральская Сталь» // Механическое оборудование металлургических заводов. № 1 (8). 2017. С. 34 - 41.
10. Разработка системы автоматизированного электропривода для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизатор МНЛЗ-2 АО «Уральская Сталь» / Д.Р. Ганин, К.В. Лицин, А. А. Гусев, Т.В. Ковальчук // Наука и производство Урала. Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС». 2018. № 14. С. 51-54.
11. Ковальчук Т.В., Гусев А.А., Лицин К.В. Исследование электропривода системы подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т.61, № 5. С. 38-43.
12. Ляпушкин С.В. Повышение эффективности управления электроприводом автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материалов: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2015. 146 с.
13. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1998.
311 с.
14. Бурулько Л.К., Дементьев Ю.Н. Электрооборудование промышленности. Электроприводы промышленных механизмов и устройств: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 180 с.
15. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учебное пособие для студентов вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 256 с.
16. Басков С.Н., Лицин К.В., Радионов А.А. Определение углового положения ротора синхронного двигателя в режиме векторно-импульсного пуска // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2014. № 4. С. 3-8.
17. Робканов Д.В., Дементьев Ю.Н., Кладиев С.Н. Прямое управление моментом в асинхронном электроприводе шнека дозатора // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 3. С. 140 - 143.
18. Емельянов, А.П., Чуркин, Б. А. Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора. Вестник ЮУрГУ. Сер. «Энергетика». 2014. Т. 14, № 3. С. 85-90.
19. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. М.:ДМК Пресс, 2008. 288 с.
Лицин Константин Владимирович, канд. техн. наук, k. litsin@rambler. ru, Россия, Новотроицк, НИТУ "Московский институт стали и сплавов" (Новотроицкий филиал)
DEVELOPMENT OF A FREQUENCY ELECTRIC DRIVE WITH AN ACTIVE
COMPONENT OF THE CURRENT STATOR OF THE MIXTURE FEEDING
DEVICE
K.V. Litsin 610
A device for feeding a slag-forming mixture into a mold of a continuous casting machine is considered. A description of the automation system of the developed device is presented, which allows for continuous uniform supply of slag-forming mixture into the mold of the continuous casting machine. A methodfor scalar control of a screw feeder drive has been developed, based on the calculation of the active component of the stator current. A model of the frequency electric drive of the screw batcher in the program Matlab Simulink is developed.
Key words: slag-forming mixture, electric drive, scalar control, model, dispenser.
Litsin Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, k. litsinarambler. ru, Russia, Novotroitsk, "National Research Technological University "MISiS" (Novotroitsk branch)
УДК 621.311.16
К ВОПРОСУ ОПЛАТЫ ПРЕДПРИЯТИЯМИ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ НАЛИЧИИ ИСКАЖЕНИЙ В СЕТИ
Я.Э. Шклярский, Т.В. Пудкова, Е.О. Замятин
Существующий подход к учету электроэнергии, который лежит в основе формирования оплаты за потребляемую электроэнергию, имеет существенный недостаток. Он может быть корректно использован в системах с синусоидальным симметричным режимом, но нуждается в усовершенствовании в остальных режимах сети. Определены показатели, численно отражающие влияние искажений на режимы распределительных электрических сетей, а также показатели, учитывающие потребляемую неактивную мощность (по аналогии с реактивной в синусоидальном режиме) при расчете за электроэнергию с поставщиком электроэнергии.
Ключевые слова: оплата электроэнергии; электросчетчики; коммерческий учет электроэнергии; высшие гармоники.
Практически во всех развитых странах мира согласно применяемым в них регулирующим документам [1 - 6], оплата за потребляемую электроэнергию подразделяется на две части:
оплата за активную мощность;
оплата за реактивную мощность.
Оплата за реактивную энергию всегда обуславливалась наличием реактивной составляющей тока и при отсутствии высших гармоник. В этом случае равенство нулю реактивной составляющей позволяло, во-первых, уменьшить ток, потребляемый от генератора до оптимально низкого значения, а во-вторых - увеличить пропускную способность линии передачи.
В случае полной компенсации реактивного тока один из основных показателей, а именно коэффициент мощности КМ равен единице. При этом следует отметить, что в синусоидальном режиме понятия коэффициента мощности и еоБф совпадают.
