CC BY
61
Electrical facilities and systems
Диденко Е. Е. БМв^о E. E.
аспирант кафедры электропривода, ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», г. Липецк, Российская Федерация
Мещеряков В. Н. Mecherykov V. N.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электропривода, ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», г. Липецк, Российская Федерация
УДК 621.313.333
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕТЛЕДЕРЖАТЕЛЯ
ПРИ ВХОДЕ ПОЛОСЫ В МЕЖКЛЕТЕВОЙ ПРОМЕЖУТОК ЧИСТОВОЙ ГРУППЫ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
В предлагаемой статье описывается способ управления электроприводом электромеханического петледержателя в момент входа металла в межклетевой промежуток непрерывного широкополосного стана горячей прокатки при заправке новой полосы. В статье уделено внимание общему описанию работы системы автоматического регулирования натяжения (САРН) для одного межклетевого промежутка, физике процесса поддержания заданного натяжения в промежутке, а также математическому описанию нагрузки, действующей на электропривод петледержателя в процессе прокатки. Приведены соответствующие обобщённые структурные и функциональные схемы. В статье приводятся обоснование использования и описание разработки управления с помощью математического моделирования дополнительной составляющей тока (форсировка момента) петледержателя для его ускоренного подъёма при заполнении металлом межклетевого промежутка. Метод позволяет обеспечить форсированный подъём, сокращающий время выхода петледержателя на заданный угол и переходного процесса установления фактического натяжения равным заданному, реализует подъём петледержателя без значительного петлеобразования, что позволяет обеспечить более устойчивое начало прокатки. Также в статье описаны результаты математического моделирования с помощью пакета MatLab Simulink работы электромеханической системы одного (первого) межклетевого промежутка стана горячей прокатки, содержащей электроприводы петледержателя и двух смежных прокатных клетей, связанных прокатываемой полосой в момент первоначального заполнения металлом межклетевого промежутка. Проведён анализ поведения электропривода петледержателя в момент заправки полосы по предлагаемому методу форсировки и без него. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов моделирования, а именно графиков переходных процессов электромеханической системы одного межклетевого промежутка. Для моделирования процесса использовались фактические характеристики и данные существующего оборудования, а также реальные технологические параметры непрерывного широкополосного стана горячей прокатки. Рассматриваемый способ касается работы системы автоматического регулирования натяжения полосы, построенной по косвенному принципу без применения специализированных датчиков измерения регулируемого параметра (натяжения).
Ключевые слова: вращающий момент, система автоматического регулирования натяжения, петледержатель, натяжение полосы, регулятор петли, регулятор позиции, форсирование крутящего момента электропривода.
CONTROL OF THE ELECTRIC DRIVE OF LOOPER AT THE STRIP ENTRANCE TO THE GAP BETWEEN TWO STAND OF FINISHING GROUP OF THE HOT ROLLING MILL
This article describes a method for controlling electric electromechanical looper at the time of entry the metal into the gap between of stands of continuous wide-strip hot rolling mill at entry a new strip. The article paid attention to the general description of the automatic tension control system (SARN) for an one gap between two stands, of physics of the process of maintaining a predetermined tension in the stands gap, as well as of the mathematical description of the load acting on the drive of looper during rolling. There are showed generalized structural and functional schemes. The article provides a description of the rationale for the use and development control by means of mathematical modeling of the additional component of the current (torque forcing) looper for its fast rise at filling metal the gap of stands. The method allows to provide for the forced rising of looper, reduces the time of reach of looper a predetermined angle and transition process of setting of tension equal to the target tension, implement rise of looper without significant looping, which allows for a more stable start rolling. The article describes the results of mathematical modeling (at using MatLab Simulink package) of work of electromechanical system of the (first) gap between two stands of rolling mill comprising the electric looper and two adjacent rolling stands of the rolled strip at the time of the initial filling of the metal the gap between rolling stands. There is described analysis of the behavior of the drive of looper at the time of filling by strip with the proposed method and without forcing There is comparatived analysis of the simulation results, namely graphs transient electromechanical system of one gap between two stands. To simulate the process used the actual specifications of existing equipment, as well as real technological parameters of continuous hot-strip rolling mill. Viewed way to con-serns the system of automatic control of the tension strip built on the indirect princip, without the use of specialized sensors measure the process variable (tension).
Key words: torque, system of automatic control of tension, looper, tension of strip, regulator of loop, regulator of position, forcing of torque of electric drive.
ов с мех ^ '
Поведение электропривода электромеханического петледержателя, являющегося составной частью системы автоматического регулирования натяжения (САРН), описывается известным уравнением движения [1, 2]:
(1)
где Мдв — момент движения; 7мех — суммарный момент инерции механизма петледержателя; мс — момент статической нагрузки; М = М — момент нагрузки на валу петле-
с нагр 1
держателя; а — скорость.
Данное уравнение справедливо для всех режимов работы петледержателя: при его подъёме в момент заполнения полосой межклетевого промежутка, в процессе прокатки и регулирования натяжения САРН и при его опускании при выходе металла из чистовой группы.
В то же время момент нагрузки на вал петледержателя определяется выражением [1, 3]: М = М + М + М + М , (2)
нагр неур вес нат изг1 4 '
где Мнеур — момент от неуравновешанных частей при горизонтальном положении петледержателя; Мвес — момент нагрузки на валу петледержателя от веса полосы; Мнат— момент нагрузки на валу петледержателя от натяжения; Мизг — момент нагрузки на валу петледержателя от изгиба.
Каждая из составляющих выражения (2) является функцией угла поворота рамы петледержателя, поэтому можно заключить, что и общий момент нагрузки петледержателя является функцией угла поворота его рамы
те. Мнагр = /(а) [3 4].
САРН чистовой группы непрерывного стана горячей прокатки (см. рисунок 1), построенная по принципу «косвенного» регулирования натяжения с применением электромеханических «безразличных» петле-держателей, обеспечивает регулирование натяжения, исходя из требования равенства рассчитываемого момента двигателя петледержателя и момента нагрузки на его валу.
Electrical facilities and systems
tOm)
Рисунок 1. Упрощённая структурная схема САРН с применением «безразличного» электромеханического петледержателя для одного межклетевого промежутка
Это означает, что если рассчитать задание на ток / электропривода петледержателя таким образом, чтобы он развивал такой же момент на валу, как и момент прилагаемой нагрузки, то будет наблюдаться некое статическое состояние, при котором принимается, что фактическое натяжение будет равняться расчётному (в составе рассчитываемого задания на ток). Возмущения в электромеханической системе межклетевого промежутка приводят к изменению фактического натяжения по сравнению с заданным, баланс моментов нарушается, и петледержатель движется в ту или иную сторону, при этом в электроприводы соседних с петледержателем прокатных клетей (в рассматриваемом случае на рисунке 1 — для электропривода клети /) выдаётся
корректирующее задание на скорость, чтобы скорректировать натяжение и вернуть петледержатель в «равновесное» состояние при рабочем угле. Система должна стремиться поддерживать петледержатель в покое при рабочем угле араб от 16° до 20°, при этом обеспечивается запас по пути движения петледержателя, чем облегчается условие работы системы, т.е. САРН рассчитывает, исходя из заданных значений натяжений полосы в межклетевых промежутках, момент электропривода, который должен соответствовать моменту нагрузки и является также функцией угла поворота рамы петледержателя Мдв = f (а). При этом в статическом режиме моменты равны, и считается, что фактическое натяжение полосы равно заданному.
Более подробно работа САРН совместно с системой управления электроприводом петледержателя отражена на схеме рисунка 2 [5].
В данном случае управление моментом электропривода петледержателя осуществляется путём расчёта соответствующим образом ограничения задания на ток для контура регулирования тока 1*огр. Расчёт ограничения производится блоком расчёта момента (БРМ), далее преобразуется в формат тока и задания на ток. Магнитный поток электродвигателя петледержателя Фн постоянен. В свою очередь коррекция задания на скорость системы управления электроприводом прокатной клети до петлетержателя крпт (формирует значение œ*i) формируется по результатам работы регулятора петли.
Однако при подъёме петледержателя в момент входа полосы в межклетевой проме-
ДП, ДС — датчики позиции, скорости петледержателя; ДТ
— датчик тока; ТР — трансформатор; ТП — тиристорный преобразователь; М — двигатель постоянного тока; СИФУ
— система импульсно-фазово-го управления; ОВД — обмотка возбуждения двигателя; БД
— блок деления; БУ — блок умножения; БО — блок ограничения; ЗИ — задатчик интенсивности; РС — регулятор скорости; РПТ — регулятор петли; БРМ — блок расчёта момента двигателя; k — коэффициент рабочего угла; крпт — коэффициент регулятора петли
Рисунок 2. Функциональная схема управления электроприводом петледержателя 28 -
Рисунок 3. Графики ДНМ, а, V, V+1, араб, а без дополнительной составляющей задания на ток
Рисунок 4. Графики ДНМ, а, V, Vi+1, а равной 100 А
"раб'
а с дополнительной составляющей задания на ток,
жуток, если расчётный момент петледержа-теля будет равен моменту нагрузки на его валу, то в соответствии с выражением (2) движения электропривода петледержателя не произойдёт. В то же время необходимо как можно быстрее вывести петледержатель на угол а ,.
раб
Без дополнительных специальных воздействий со стороны САРН движение электропривода произойдёт только тогда, когда регулятор петли выдаст такую коррекцию задания на скорость (в данном случае) предыдущей по ходу прокатки клети, при которой вращающий момент, развиваемый электроприводом петледержателя на валу, станет
больше реальной нагрузки, при этом натяжение, естественно, будет меньше заданного, а фактически будет образована «петля» металла в межклетевом промежутке. Такой тип прокатки недопустим, так как при потере натяжения в межклетевом промежутке полоса теряет устойчивость в валках, а это может привести к «забуриванию», простою стана и браку продукции. Естественно, для быстрейшего подъёма петледержателя (не дожидаясь отработки рассогласования углов регулятором петли и выдачи положительного значения к в задание на скорость клети /,
рпт г
т.е. не дожидаясь ситуации, описанной выше) требуется определённый форсированный
Electrical facilmes and systems
момент, развиваемым электроприводом сразу же при входе полосы в клеть /+1. Самым простым способом форсировки момента электропривода петледержателя является добавление постоянной составляющей к заданию на ток — Га (см. рисунок 2). Естественно, после достижения рамой петледержателя рабочего угла требуется отключить Г, т.е. данная составляющая «работает» только при первоначальном подъёме петледержателя, в противном случае общий момент двигателя петледержателя Мдв не будет соответствовать моменту нагрузки, коррекция задания на скорость предыдущей клети k рпт будет рассчитана неверно, а это негативно скажется на натяжении металла в межклетевом промежутке, т.е. оно не будет соответствовать заданному. Вопрос о величине Га является открытым, т.к. значение данной составляющей, с одной стороны, должно быть достаточным для скорейшего подъёма петледержа-теля, но, с другой стороны, не должно быть слишком велико, чтобы не получить «утяжек» полосы на голове из-за превышения натяжением полосы на участке предела текучести прокатываемого металла. Как правило, значение Г'ё подбирают опытным путём.
С помощью программного пакета MathLab 6.0 авторами было проведено математическое моделирование поведения электромеханической системы одного межклетевого промежутка с САРН косвенного типа, состоящей из электроприводов соседних прокатных клетей чистовой группы многоклетевого стана горячей прокатки, петледержателя (с системами подчинённого регулирования), связанных прокатываемой полосой при заполнении ею межклетевого промежутка, т.е. последовательного входа полосы в клети / и /+1.
Параметрами для моделирования были приняты следующие.
Основные параметры прокатываемой полосы: марка 08Ю, ширина В=1600 мм, толщина металла в межклетевом промежутке к =24,57 мм, заданное удельное натяжение а + = 3,166 МПа, температура прокатываемого металла I = 850 С, заправочная линейная скорость рабочих валков клети ¥= 2,64 м/с, линейная заправочная скорость рабочих валков клети ¡+1 равна У++1 = 3,93 м/с.
Основные параметры клетей и петледержателя: длина межклетевого промежутка L = 6 м; радиус рабочих валков R = 0,4 м; радиус опорных валков Ron = 0,8 м; длина рычага петледержателя r = 0,6 м. Заданный темп подъёма петледержателя при входе металла в клеть i+1 по задатчику интенсивности (рисунок 2) составляет 90 °/с.
В математической модели использовались следующие параметры электропривода петледержателя:
1. Электродвигатель МПС-75-25У4 (независимого возбуждения). P = 75 кВт, U = 220 В, I = 475А, n = 25 об./мин; (R +R" +R ) =
ян н v я дп ко
=0,0975 Ом; Jd = 1100 кгм2;
2. Реверсивный преобразователь Simoreg DC Master 6RA70 (Ud = 230 В; Id = 800 А).
Данные электроприводов клетей i и i+1: Двухякорный электродвигатель постоянного тока типа 2МП-16000-65УЗ-М независимого возбуждения.
Паспортные данные электродвигателя:
ин: = ин2 = 930 В; 1н1=1н2=9100 А;
(^RA^ = 0,002755 °м;
(R,+R + R 1 = 0,002655 Ом; n = 66 об./мин;
4 я2 дп2 кэ2у15° 5 ' н 5
n = 100 об./мин; I = I = 425 А;
мах 7 вн1 вн2 3
R 1(15_ = 0,249 Ом; R ,(1__ = 0,248 Ом;
ов1(15°) 5 ' ов2(15°) 5 5
Ф = Ф = 0,868 Вб.
н1 н2
Соединённые параллельно, работающие на один якорь (реверсивный и нереверсивный) преобразователи Simoreg DCC-S 930V/7100A c электроникой CM (SW 2.26): реверсивный — группа вперёд/назад (Udn = 1050 В; Ida = 7100/7100 А) и нереверсивный преобразователь группа вперёд (UdH = 1050 В; I = 7100 А);
Тиристорный возбудитель Simoreg DCC-S 380V/500A с мастером DC (SW 2.25) (Uc = 380 В; ин = 400 В; Ida = 500 а).
Результаты моделирования отображены на рисунках 3 и 4. В результате математического моделирования, исходя из принятых параметров прокатки и оборудования, выяснилось, что оптимальный переходный процесс при подъёме петледержателя обеспечивается при Г =100 А. Из графиков видно, что подъём петледержателя при I*d=0 А, время переходного процесса составляет порядка 3 с, выход на рабочий угол петледержателя сопровождается большим перерегулированием (фактический угол достигает значения 27° при
заданном рабочем угле 16°), отклонение удельного натяжения а.. достигает -20 МПа (прокатка с петлёй) при заданном значении а..+1 = 3,166МПа. Соответственно, характеристики переходного процесса при I* = 100 А
следующие: время процесса ~ 2,3 с, (отклонение угла подъёма от заданного около 2°), отклонение удельного натяжения при переходном процессе от -4 МПа до 8 МПа.
Список литературы
1. Стефанович В.Л. Автоматизация непрерывных и полунепрерывных широкополосных станов горячей прокатки. М.: Металлургия, 1975. 208 с.
2. Мещеряков В.Н., Диденко Е.Е. Математическое описание сил и моментов нагрузки петледержателя // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. № 4. С. 18-23.
3. Дружинин Н.Н. Непрерывные станы как объект автоматизации. М.: Металлургия, 1975. 336 с.
4. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1998. 704 с.
5. Мещеряков В.Н., Диденко Е.Е. Математическая модель системы управления электроприводом петледержателя // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2011. № 5. С. 73-82.
References
1. Stefanovich V.L. Avtomatizacija nepreryvnyh i polunepreryvnyh shirokopolosnyh stanov gorjachej prokatki. M.: Metallurgija, 1975. 208 s.
2. Meshherjakov V.N., Didenko E.E. Matematicheskoe opisanie sil i mo-mentov nagruzki petlederzhatelja // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. 2010. № 4. S. 18-23.
3. Druzhinin N.N. Nepreryvnye stany kak obyekt avtomatizacii. M.: Metallurgija, 1975. 336 s.
4. Kljuchev V.I. Teorija jelektroprivoda: uchebnik dlja vuzov. 2-e izd. pererab. i dop. M.: Jenergoatomizdat, 1998. 704 s.
5. Meshherjakov V.N., Didenko E.E. Matematicheskaja model' sistemy upravlenija jelektroprivodom petlederzhatelja // Zhurnal nauchnyh publikacij aspirantov i doktorantov. 2011. № 5. S. 73-82.
