"Электропривод БЗМ"

 

содержание

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Металлургия является одной из ведущих отраслей народного хозяйства. Производительность металлургических агрегатов и качество продукции весьма сильно зависят от совершенства электрического привода. Поэтому систематическому улучшению силовой части привода, средствам и методам управления и автоматизации следует уделять должное внимание. Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили широко использовать в металлургии источники питания на базе тиристоров с бесконтактными системами автоматического управления.

В промышленности происходит переход  от аналоговых систем управления к  цифровым. Можно выделить целый ряд  преимуществ цифровых систем управления:

• высокая точность обработки сигнала;
• надежность;
• независимость от параметров окружающей среды;
• гибкость структуры;
• упрощение процесса наладки;
• возможность сопряжения с другими устройствами, создание иерархических систем;
• возможность постоянного контроля любых параметров и их вывода в любом виде;
• быстрота определения неисправностей;
• возможность учета аварийных и непредвиденных ситуаций и реакции на них;

Очевидно, что в ближайшее  время цифровые системы управления вытеснят непрерывные аналоговые, особенно на ответственных участках со сложной структурой управления.

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Краткое описание технологического процесса

Заготовки размером 300х360 мм подаются в нагревательную методическую печь фирмы  Techint с шагающими балками. Из печи нагретые заготовки транспортным рольгангом подаются на раскатной и рабочий рольганги реверсивной клети «дуо» 900. За 5 – 7 пропусков, в соответствие со схемами прокатки, производится обжатие заготовки до необходимых размеров.

Раскатанная заготовка рабочим  рольгангом передается на двойной рольганг линии 800, последовательно прокатывается в двух промежуточных клетях «трио» 800. Подъемно-качающиеся столы являются продолжением двойного рольганга, применяются в составе вспомогательного оборудования рабочих 3-х валковых клетей и предназначены для приемки раската из калибров между нижними и средними валками, последующего подъема его для задачи в калибры между средними и верхними валками. После прокатки заготовки на линии 800 раскат по транспортному, подводящему рольгангу передается на чистовую клеть 850, где за один пропуск получают профиль, соответствующий ГОСТу.

Раскат, прошедший чистовую линию 850, пильным рольгангом транспортируется на участок пил, где происходит процесс  порезки металла на мерные длины  в соответствие с заказами.

Порезанные раскаты  клеймятся в горячем состоянии механическим способом в соответствие с требованиями стандартов и технических условий. Клейменые рельсы подаются на горячие стеллажи. Горячий стеллаж предназначен для приемки, закалки концов рельсов после прокатки и передачи их на стеллажи коробов замедленного охлаждения.

Выданные на отводящие рольганги  рельсы подаются к правильным машинам  в отделение длинномерного проката, где установлены параллельно  две роликоправильные машины. Роликоправильная машина не обеспечивает правку всех рельсов  до требуемой ГОСТом кривизны, поэтому рельсы подвергаются дополнительной правке на вертикально-правильных прессах.

После обработки рельсы передаются на отводящий рольганг и транспортируются на инспекторские стеллажи, где они  подвергаются инспекции, маркируются и выдаются в пролет склада для штабелирования, либо непосредственно для погрузки в железнодорожные вагоны. Рельсы, требующие вырезки бракованных участков и дополнительной фрезеровки подаются на пилу холодной резки и далее проходят обработку на доделочной поточной линии.

Рельсы, предназначенные для термической  обработки, после осмотра на инспекторских  стеллажах или со склада рельсоотделки  подаются на загрузочный стеллаж  перед закалочной печью. Нагретые рельсы по одному выдаются из печи, на стеллаже кантуются на 90⁰ и подаются к прессам для правки в горячем состоянии. Одновременно включается клеймовочная машина для нанесения условного знака. Далее рельсы транспортируются в закалочную машину, где они находятся в масле в течение 5 минут.

После закалки рельсы проходят отпуск в печах при температуре 450⁰С, затем охлажденные они правятся и подаются на участок ультразвукового контроля. Прошедшие дефектоскопию и инспекцию рельсы принимаются ОТК, пакетируются и направляются в склад готовой продукции или на отгрузку.

1.2 Назначение механизма описание работы

Рельсозакалочная машина является конечным звеном в процессе производства рельсов. От ее работы зависит качество выпускаемых рельсов. Закалочная машина предназначена для закалки в масле рельсов, нагретых до t=850°-880° С.

Закалочная машина состоит из следующих основных узлов:

1. Закалочного блока, наполненного  маслом;

2. Вращающегося барабана с подвешенными к лучам его звездочек двенадцатью группами кареток.

Каретки представляют собой устройства, предназначенные для приема и удержания рельса в барабане в положении «стоя на подошве». Рельс, как заходящий в барабан, так и выходящий из него, катится по роликам каретки как по направляющим. На секции каретки, расположенные на концах барабана (т.е. на 1-ю и 5-ю). Приварены опорные пяты. В эти пяты упираются шатуны толкателей, направляющих устройств, и приводит каретки, находящиеся на линии выдачи после поворота барабана, в вертикальное положение.

3. Направляющих устройств, предназначенных для удержания концов закаленного рельса на линии выдачи.

Нагретый до нужной температуры  рельс задающими роликами подается в барабан (1-ю каретку).

После того, как задний конец рельса минует ролики, доталкиватель доводит  рельс до упора. Затем после поворота барабана передний конец находящегося в 11-й каретке закалочной машины выталкивается до выдающих роликов. Эти ролики выдают рельсы барабана на рольганг.

1.3 Кинематическая схема механизма

Кинематическая схема механизма  представлена на рисунке 1.

1 - Двигатель, приводящий в движение механизм рельсозакалочной машины;

2 - Электромагнитный тормоз, предназначенный для фиксирования положения машины;

3 - редуктор, червячный глобоидный;

4 - муфта;

5 - зубчатые шестерни;

6 - бак закалочной машины;

7 - барабан;

8 - каретка.

 

Рисунок 1 — Кинематическая схема механизма рельсозакалочной машины

1.4. Требования, предъявляемые технологическим процессом к электроприводу

Требования, предъявляемые  к электроприводу со стороны технологического процесса:

• Точность позиционирования - . Система ЭП должна обеспечить точность остановки барабана, равную
• Максимальное ускорение - . Ускорение на тихоходном валу при пуске и торможении не должно превышать
• Время цикла - Время перемещения барабана на (разгон, установившийся режим, торможение) не должно превышать
• Аварийная защита - установка защит от перегрузки двигателя при возникновении аварии со стороны ТП

 

 

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет статических и динамических моментов

Нагрузочная диаграмма, предоставленная заводом изготовителем, представлена ниже на рисунке 2:

Рисунок 2 - Нагрузочная  диаграмма

Механизм приводится в действие двигателем постоянного тока Д812, проверим техническое соответствие данного двигателя.

Параметры двигателя, предоставленные  заводом изготовителем в таблице  1.

Таблица 1 - Параметры электродвигателя типа Д812

Тип электродвигателя	Д812	Единица измерения	Численное значение
Номинальная мощность		кВт	70
Номинальная частота  вращения		об/мин	520
Номинальный момент двигателя			134,61
Номинальное напряжение якоря		В	440
Напряжение обмотки возбуждения		В	220
Номинальный ток якоря		А	176
Номинальный ток обмотки  возбуждения		А	5,3
Сопротивление обмотки  якоря		Ом	0,065
Сопротивление обмотки добавочного полюса		Ом	0,034
Сопротивление обмотки  возбуждения		Ом	34
Число пар полюсов	2р	-	2

2.1.1 Определение среднего статического  момента

Определим средние статические  моменты наиболее сложных участков нагрузочной диаграммы (рисунок 2) период заполнения барабана рельсами от 1 до 10 и (рисунок 3) период разгрузки барабана.

На участке 10 нагрузочной диаграммы (разгрузка барабана) (рисунок 2.а) привод испытывает максимальную нагрузку, его  средний статический момент определяется как:

  .    (1)

Участок 10 нагрузочной диаграммы (рисунок 2.б) нагрузочная диаграмма ЭП БМЗ (загрузка барабана), на этом участке  привод испытывает максимальную нагрузку, его средний статический момент определяется как:

  .     (2)

Наибольшим является средний статический  момент при загрузке барабана.

2.1.2 Определение динамического  момента

Частота вращения двигателя:

  .       (3)

Момент инерции барабана определим  как момент инерции цилиндра:

,           (4)

где – масса барабана;

d – диаметр (1,5 м);

ρ –  плотность стали (7,9 т·м³);

- объем барабана,        (5)

где l – длина барабана (25 м).

Найдем момент инерции барабана:

 кг·м².      (6)

J_пр — приведенный момент механизма к двигателю

 кг·м².       (7)

Момент инерции системы электродвигатель - БМЗ, приведенный к валу двигателя равен:

  .      (8)

Угловое ускорение барабана на тихоходном валу редуктора не должно превышать: .

Тогда угловое ускорение двигателя определится:

  .        (9)

Динамический момент ЭП определим  по формуле:

  .       (10)

Где - суммарный момент инерции двигателя, редуктора и барабана [1, cтр 31].

2.1.3 Проверка двигателя по максимальной  нагрузке

Суммарный момент двигателя определится  по формуле:

  .    (11)

Максимально допустимый момент определится по формуле:

  ,       (12)

 - двигатель по максимальной нагрузке проходит.

2.2 Диаграмма работы электропривода

Согласно уравнению движения привода:

.       (13)

Определим время  - время пуска двигателя:

 с.       (14)

За  время  барабан равноускоренно разворачивается на угол :

  .      (15)

 - время торможения электропривода барабана, с учетом режима точной остановки, увеличиваем на 20%;

.

За  время торможения барабан разворачивается на угол :

  .      (16)

 - время разворота барабана с установившейся номинальной скоростью двигателя 520 об/мин.

 с,     (17)

где - угол поворота с установившейся скоростью двигателя, равной номинальной.

Полное рабочее время барабана:

 с.       (18)

Рабочее время равно 2,88 с, что меньше заданного времени 4 сек, это указывает на то, что электропривод барабана имеет запас по быстродействию и не сдерживает заданного темпа закалки рельсов.

Диаграмма работы рельсозакалочной машины представлена ниже на рисунке 3.

Рисунок 3 - Диаграмма работы рельсозакалочной машины

 

2.3 Выбор функциональной схемы САУ электроприводом

Рисунок 4 - Функциональная схема САУ

 

Регулирование положения осуществляется подачей сигнала задания на задатчик положения. С регулятора положения поступает сигнал на задатчик интенсивности, сигнал задания с задатчика интенсивности поступает до тех пор, пока на него поступает сигнал с регулятора положения. На входе регулятора скорости сравниваются постоянное значение задающего напряжения с напряжением датчика скорости.

Регулятор тока РТ получает на входе  сигнал с выхода регулятора скорости и сигнал обратной связи с ДТ, снимаемый с шунтов силовых мостов. С выхода регулятора тока сигнал управления подается на входы соответствующих систем управления силовых мостов тиристорного преобразователя.

2.4 Выбор комплектного электропривода

Для управления двигателем будем использовать микропроцессорный тиристорный  преобразователь фирмы Siemens. Модель SIMOREG DC MASTER 6RA70 78-6FS22

Технические характеристики представлены ниже в  таблице - 2.

Таблица 2 - Технические характеристики преобразователя SIMOREG DC MASTER 6RA70 78-6FS22

Номинальное входное  напряжение якоря	Единица измерения	Численное значение
Номинальное входное  напряжение якоря	В	460(+15%-20%)
Номинальный входной  ток якоря	А	233
Номинальное входное  напряжение возбуждения	В	460(+15%-20%)
Номинальный входной ток возбуждения	А	15
Номинальная частота	Гц	(45…65)
Номинальная мощность	кВт	154

 

К достоинствам данного преобразователя  можно отнести:

• Цифровая система импульсно-фазового управления (СИФУ) реверсивного тиристорного преобразователя цепи тока якоря;
• Цифровая СИФУ нереверсивного тиристорного преобразователя цепи тока возбуждения;
• Цифровой контур тока якоря;
• Цифровой контур скорости;
• Цифровой контур тока возбуждения;
• Цифровой контур ЭДС;
• Цифровой контур положения;
• все функции управления и регулирования, а также контрольные и вспомогательные функции выполняются под управлением одной микропроцессорной системы. Ввод заданного и текущего значения может производиться по выбору в цифровом или в аналоговом виде;
• развитая система функций токоограничения. Контроль силовой части по I²t: при всех значениях тока рассчитывается тепловое состояние тиристоров. При достижении граничной температуры для тиристоров в зависимости от параметрирования либо постоянный ток понижается до номинального, либо преобразователь выключается с выдачей сообщения о неисправности;
• контроль температуры двигателя;
• контроль длины щеток производится через свободный от потенциала микропереключатель, при этом оценивается наименьшая длина щеток. Если щетка изношена, микропереключатель размыкается, при этом возникает предупреждение или сообщение о неисправности;
• контроль потока воздуха через вентилятор двигателя

Далее произведен выбор необходимых цифровых датчиков, выбранные датчики и их характеристики представлены ниже:

Характеристики датчиков основных координат представлены ниже в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристики датчиков основных координат

Характеристика	Значение
1. Датчик положения	ENP-111-360-1
Максимальная частота отклика, кГц	20
Напряжение питания, В	10-15
Разрешение, делений	360
Максимальное количество оборотов, об/мин	3600
2. Датчик тока	HAS600-S/SP1:
Диапазон измеряемого тока, А	±600
Точность, %	± 1
Рабочая частота, кГц	0...25
Напряжение питания, В	± 10...15
Рабочая температура, °С	-50...+70
3. Датчик напряжения	LV25-P/ SP5:
Напряжение входное номинальное, В	0-1500
Точность, %	1

 

Продолжение таблицы 3

Характеристика	Значение
Время задержки, мс	40
Рабочая частота, кГц	0…25
Напряжение питания, В	10…15
Рабочая температура, °С	-40…+85
4. Датчик тока возбуждения	LAS50-TP:
Диапазон измеряемого тока, А	±50
Точность, %	± 1
Рабочая частота,  кГц	0...100
Напряжение питания, В	± 10...15
Рабочая температура, °С	-40...+85

 

ТП подключен к сети 380 В через  реакторы типа, параметры которых представлены ниже в таблице 4.

Таблица 4 - Характеристики датчиков основных координат

Характеристика	Значение
Сглаживающие реакторы	ФРОС -65/05у3
Номинальный ток	20 А
Индуктивность	Гн
Сопротивление	Ом

 

Произведем выбор тормозного устройства.

Максимальный момент удержания (рисунок 2, участок 9) .

Определим коэффициент запаса [6, c. 85, таблица.5.1] тормоза .

Определим тормозной момент [6, c. 107] тормоза:

  .      (19)

В существующей системе ЭП БМЗ имеется  тормоз ТКП 400.

Технические характеристики данного  тормоза представлены ниже в таблице 5:

Таблица 5 - Характеристики датчиков основных координат

Характеристика	Значение
Номинальный тормозной момент	125
Добавочное сопротивление тормоза	20 Ом
Время включения тормоза	0,5 с
Время отпадания тормоза	0,6 с

 

Тормозной момент тормоза ТКП 400 больше расчетного, следовательно, тормоз удовлетворяет  условия технологического процесса.

2.5 Проектирование установки преобразователя в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС)

Правила ЭМС созданы для «электромагнитной  совместимости» и описывают способность  прибора полноценно работать в электромагнитной окружающей среде, при этом, не создавая помех для других приборов, работающих в этой же среде. Различные приборы не должны оказывать взаимных помех.

ЭМС зависит от двух свойств рассматриваемых  приборов: излучение помех и помехоустойчивость. Электрический прибор может излучать помехи (передатчик) и/или воспринимать помехи (приемник).

Электромагнитная совместимость  выполняется, когда имеющийся источник помех не оказывает влияния на функционирование прибора, находящегося в зоне воздействия этих помех.

Прибор может быть одновременно и источником и приемником помех. Так, например, силовая часть преобразователя тока выступает в роли источника помех, а блок управления — в роли приемника. Так как управление БЗМ осуществляется с помощью цифрового преобразователя фильтр для снижения излучения помех необходим.

Для обеспечения электромагнитной совместимости при проектировании привода необходимо выполнить следующие  требования:

Все металлические части электрошкафа необходимо выполнить плоскими и  хорошо прилегающими друг к другу для обеспечения проводимости (не допускается контакта с лаком!). В противном случае использовать контактные шайбы или шайбы, процарапывающие лакокрасочное покрытие. Дверцы шкафа связываются по возможности короткими проводниками (вверху, в середине, внизу) с массой шкафа.

Пускатели, реле, магнитные вентили  и пр. в шкафу (или альтернативно  в соседнем шкафу) необходимо обвязать гасящими элементами, например, RC-цепочками, варисторами, диодами. Обвязка должна производится непосредственно на катушке того или иного реле (пускателя и т.д.)

Сигнальные кабели (цифровые кабели - кабели для связи импульсных датчиков, последовательных интерфейсов или  аналоговые кабели - задание ± 10 V) прокладывать в шкафу только на одном уровне.

Неэкранированные  кабели одинаковых токовых цепей (подводящие и отводящие кабели) должны быть по возможности свиты или поверхность между этими кабелями должна быть по возможности малой, чтобы исключить возникновение «рамочной» антенны.

Резервные жилы на обоих концах кабеля необходимо связать с массой шкафа или другие металлические токопроводящие части, которые могут быть связаны с защитным проводником, например, корпус двигателя, заземляющие элементы фундамента. Благодаря этому достигается дополнительное экранирование.

Экран цифровых сигнальных кабелей присоединяется к заземлению с обеих сторон кабеля (у источника и у цели) с большой площадью контакта и хорошей проводимостью. При плохом выравнивании потенциалов между подводами экранов необходимо для понижения тока экрана проложить дополнительный выравнивающий провод с минимальным сечением 10 мм. Предпочтительно экран должен быть многократно связан с корпусом шкафа (заземлением). За пределами шкафа экран также должен быть наложен многократно.

Экран аналоговых сигнальных кабелей может  быть присоединен при хорошем выравнивании потенциалов также с двух сторон к земле (большой площадью контакта и при хорошей проводимости). Хорошего выравнивания потенциалов можно достичь, когда все металлические части хорошо связаны между собой и раздельные электрические компоненты питаются от одного блока питания. Необходимо разместить фильтр радиопомех вблизи предполагаемого источника помех. Фильтр плоско крепится к корпусу шкафа, монтажному листу и т.д. Входные и выходные кабели должны быть пространственно разделены.

Кабели  двигателя можно проложить при  применении SIMOREG неэкранированными. Сетевой кабель должен быть проложен от кабелей двигателя (возбуждение, якорь) на расстоянии не менее 20 см. В противном случае использовать разделяющий металлический лист.

Пример  возможного подключения преобразователя SIMOREG и основных компонентов преобразователя представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Пример конструкции шкафа с одним преобразователем SIMOREG

 

3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРОВ  САУ

3.1 Расчет динамических параметров САУ

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке:

.       (20)

Коммутационное сопротивление  преобразователя:

  ,       (21)

где ,    (22)

- реактивное сопротивление реактора;

- фазность мостового выпрямителя.

Сопротивление якоря и ДП при 75⁰ С рассчитаем по формуле:

,  (23)

где коэффициент, учитывающий изменение сопротивления обмоток при нагреве на .

Сопротивление якорной цепи:

  .   (24)

Индуктивность якоря определим  из формулы:

  .  (25)

Индуктивность якорной цепи:

  .    (26)

Электромагнитная  постоянная двигателя определится:

  .       (27)

Произведение  конструктивного коэффициента на магнитный  поток определится по формуле:

  .    (28)

Электромеханическая постоянная двигателя определяется по формуле:

.       (29)

Рассчитаем  коэффициенты обратных связей:

;       (30)

.       (31)

Для расчета  контура скорости необходимо применить  тахометрический мост:

Рисунок 6 - Схема замещения тахометрического моста

 

Согласно алгоритму, приведенному в [10, с 191] рассчитаем параметры датчика скорости.

Зададим значением емкостей конденсаторов:

С1 = 1,05 мкФ, С2 = 1,05 мкФ типа КСО - 11 рассчитанные на 500 В;

 

Произведем  расчет сопротивлений:

.       (32)

Принимаем резистор типа С5-16М-25.

; (33)

.     (34)

Принимаем R1=1кОм типа С5-16М-25.

ЭДС двигателя:

 В.      (35)

Ток через шунт:

 А.     (36)

Выберем шунт типа 400ШСМ на ток 0,4 А.

Выходное напряжение датчика скорости 10 В.

Напряжение шунта 4 В, найдем коэффициент обратной связи:

;        (37)

.     (38)

Тиристорный преобразователь опишем передаточной функцией:

,      (39)

где постоянная времени 0.01 с.

Коэффициент передачи преобразователя определим по формуле:

.        (40)

3.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема системы, предназначенная  для определения структуры и  параметров регуляторов и для  расчета переходных процессов, приведена на рисунке - 7.

Рисунок 7 - Структурная схема электропривода

3.3 Расчет параметров регуляторов

Произведем настройку контура  тока якоря на модульный оптимум.

Согласно настройке по модульному оптимуму передаточная функция ИП - регулятора тока определяется по формуле:

.   (41)

ИП – регулятор скорости, которой делает систему астатической по нагрузке.

Передаточная функция регулятора:

;        (42)

;    (43)

.         (44)

 

 

Тогда передаточная функция регулятора скорости:

.    (45)

В качестве регулятора положения используем П - регулятор и настройку на модульный  оптимум:

;        (46)

.    (47)

Тогда передаточная функция регулятора положения примет вид:

.         (48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАЗРАБОТАКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ  САУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Система питается от трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц. На входе системы находится трехфазный автоматический выключатель с тепловым расцепителем QF.

Далее находится токоограничивающий реактор LF типа ФРОС-65/05у3 защищающий от бросков тока. Параллельность работы выпрямителей обеспечивается реакторами L1, L2.

Два моста преобразовательного агрегата («вперед» и «назад») соединены параллельно. Все тиристоры имеют защитную R-C цепочку.

Измерительные шунты RS1-RS4 (75ШСМ 4000А 75мВ), соединенные с датчиками тока ДТ1-ДТ4, подающими сигналы в блок управления SIMOREG, включены в каждый мост выпрямителя для упрощения схемы измерения токов. Якорная цепь защищена однополюсным выключателем QF типа ВАТ-42.

Принципиальная схема силовой части электропривода представлена на рисунке 8.

Структура блока управления комплектного электропривода изображена на рисунке 9. Внешние сигналы поступают в блок управления через модули ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов. Сигналы со всех датчиков поступают в систему управления, где они обрабатываются и выдаются управляющие сигналы.

Для защиты от перенапряжений в обмотке возбуждения создана защитная цепочка, состоящая из разрядного резистора R_P и диода VD.

 

Рисунок 8 - Принципиальная схема силовой части электропривода

 

Контроллер обрабатывает информацию от внешних источников и выполняет  функцию управления.

Пульт управления состоит из блоков индикации (дисплей), светодиодов, кнопок для ввода управляющих команд.

Через последовательный интерфейс  к электроприводу может быть подключен  ПК, значительно расширяющий возможности  управления работой электропривода.

В цифровом электроприводе Simoreg DC Masters сигналы с датчиков обрабатываются и подаются в базовую плату управления CUD1 – C98043-A7001 Simoreg DC Masters (Control Unit / Direct Current).