Главная >> Диссертации - все темы

Pages: |

| 2 |

«СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

Белоусов Евгений Викторович

УДК 62-83::621.313.3

ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А.

Челябинск –

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ПОДАЧИ СТАНА ХПТ

1.1. Особенности технологического процесса получения тонкостенных труб методом холодной прокатки

1.2. Скоростные и нагрузочные режимы работы электропривода стана ХПТ 16 1.3. Связь показателей регулирования электропривода с качеством проката трубы

1.4. Оценка предельных показателей регулирования в системе электропривода с непосредственными преобразователями частоты............... 25 1.5. Постановка задачи исследований

1.6. Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА

«ЭЛЕКТРОПРИВОД – СТАН ХПТ»

2.1. Основные допущения, принятые для разрабатываемой математической модели

2.2. Обобщенная математическая модель комплекса “Электропривод – стан ХПТ”

2.2.1. Модель электромеханического преобразователя

2.2.2. Модель полупроводникового преобразователя

2.2.3. Модель электропривода механизма подачи

2.2.4. Модель главного электропривода прокатной клети

2.3. Оценка адекватности разработанной математической модели......... 53 2.4. Учет влияния главного электропривода на работу привода подачи 54 2.5. Уточнение формы фазного тока ЭМП

2.6. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА............ 59 3.1. Общая методика выбора силового оборудования и законов управления электропривода подачи

3.2. Оптимальная траектория движения электропривода подачи............ 61 3.3. Параметрическая оптимизация электропривода подачи

3.3.1. Постановка задачи параметрической оптимизации

3.3.2. Выбор оптимального передаточного числа редуктора................ 72 3.3.3. Оптимизация геометрии электрической машины по критерию минимума перерегулирования

3.4. Оценка величины перергулирования с учетом дискретного режима работы электропривода

3.4.1. Уточнение параметров силового оборудования при работе электропривода на пониженных скоростях

3.4.2. Выбор числа пар полюсов машины

3.4.3. Оценка потерь, обусловленных зубцовыми пульсациями момента

3.5. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С МАКСИМАЛЬНЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ

КОНТУРА МОМЕНТА

4.1. Синтез структуры и параметров КРМ

4.1.1. Постановка задачи синтеза КРМ

4.1.2. Выбор упрощенной математической модели

4.1.3. Выбор структуры управления по принятой системе критериев. 94 4.1.4. Синтез параметров корректирующих связей КРМ

4.2. Сопоставление показателей регулирования в структурах с подчиненным и модальным управлением

4.2.1. Особенности синтеза структур управления с подчиненным регулированием координат

4.2.2. Особенности синтеза структур управления с модальным управлением

4.2.3. Анализ показателей регулирования в схемах с подчиненным регулированием и модальным управлением

4.3. Синтез корректирующих связей системы управления электроприводом, работающим при повышенных скоростях

4.4. Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Литература

Приложение 1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Производство тонкой и сверхтонкой трубы с минимальной разнотолщинностью востребовано в атомной, автомобильной промышленности и вертолетостроении. Получить трубы со сверхтонкой стенкой и высоким качеством поверхности можно на станах холодной прокатки труб (ХПТ), при этом сечение заготовки уменьшается на 75–85 %, а прочность трубы получается заметно выше по сравнению с продукцией, полученной при горячей прокатке. Дальнейшее повышение качества холодного проката позволит снизить процент отбраковки дорогостоящей трубы и даст экономический эффект.

Анализ работы станов холодной прокатки показал, что наиболее “слабым” звеном в технологическом процессе является механизм подачи, к которому предъявляются наиболее высокие требования по быстродействию и точности позиционирования, перегрузкам по моменту и условиям эксплуатации.

Указанные требования могут быть достигнуты только при системном подходе, который заключается в учете совместной работы узлов электропривода: рабочего механизма, механического преобразователя, двигателя, электрического преобразователя и системы управления. Такой подход стал возможен не только за счет развития силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных систем управления, но и обусловлен возможностями, которые дают электромеханические преобразователи. Отказ от традиционных подходов к проектированию двигателя переменного тока в пользу несинусоидального возбуждения многофазной электрической машины переменного тока позволяет реализовать в ней новые привлекательные качества: большие перегрузочные моменты при простоте конструкции машины.

Таким образом, научно-техническая задача создания нового электропривода с использованием системного подхода, который позволит снизить разнотолщинность холоднокатаной трубы, повысит ее качество – является актуальной.

Степень научной разработанности проблемы Большой вклад в общую теорию современного металлургического электропривода постоянного тока внесли ученые Бычков В.П., Дружинин Н.Н., Дралюк Б.Н., Лукьянов С.И., Усынин Ю.С., Филатов А.С. Развитие теории приводов переменного тока для объектов металлургического производства связано с трудами Осипова О.И., Сарапулова Ф.Н., Lipo T. и др. Существенный вклад в теорию модального и адаптивного управления технологическими объектами с регулированием положения получено в научных трудах Путова В.В., Поляхова Н.Д.

Долгое время регулирование скорости и положения рабочего органа в механизмах пилигримовой группы выполнялось механическим способом. В 1986 г.

Вейнгером А.М. был впервые теоретически обоснован и практически реализован регулируемый электропривод переменного тока на механизме подачи стана ХПТ.

В 2008 г. Остроуховым В.В. решена научно-техническая задача замены информационно-управляющей системы при сохранении силовой части полупроводникового преобразователя. Григорьевым М.А. в 2013 г. теоретически показаны новые возможности по увеличению быстродействия электропривода, которые могут быть получены в системе на базе синхронного реактивного электропривода с независимым управлением по каналу возбуждения (СРМНВ).

Между тем, если рассматриваемую задачу решать с позиции повышения точности позиционирования трубы, то эта проблема далека от завершения, так как требует рассматривать стан ХПТ как многосвязную систему.

Объект исследования – синхронный реактивный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения механизма подачи стана ХПТ-450.

Предмет исследования – переходные процессы в контурах скорости и момента при использовании в качестве электромеханического преобразователя синхронной реактивной машины с различными способами управления.

Целью диссертационной работы является создание электропривода подачи стана ХПТ с улучшенными точностными показателями позиционирования рабочего органа при сохранении заданного быстродействия системы.

Идея работы. Выбор силовых элементов электропривода подачи нужно вести с учетом взаимного влияния главного привода клети, а при выборе структур управления необходимо еще и ориентироваться на соотношение динамических показателей “неизменяемой” части и наиболее быстродействующего контура регулирования.

Методы исследований. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследований.

Теоретические методы исследования: теория электропривода и полупроводниковой преобразовательной техники, метод конечных элементов, частотные методы теории регулирования, методы математического моделирования с использованием суперкомпьютерных технологий, статистические методы исследований.

Методы экспериментального исследования: наблюдения, измерения, которые производились как непосредственно на работающем стане, так и в лабораторных условиях, где в качестве объекта исследований выступал макет электропривода, наиболее близкий по своей структуре производственному.

Достоверность полученных методов определялась обоснованностью принятых допущений, корректностью использования математического аппарата и экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель электропривода подачи стана ХПТ, в которой механическая часть представлена как двухмассовая, преобразователь частоты аппроксимирован непрерывным динамическим звеном, электродвигатель – системой с распределенными параметрами, отличающаяся тем, что в расчетной модели выполнен учет влияния работы главного привода клети на механизм подачи.

2. Предложена методика выбора силового электротехнического оборудования и законов управления электроприводом подачи стана ХПТ, представленного в виде многосвязной системы по критерию минимума ошибки позиционирования рабочего органа, отличающаяся тем, что выбор структуры управления определяется соотношением частот среза одного из контуров “неизменяемой” части электропривода и контура регулирования электромагнитного момента.

Практическое значение работы заключается в следующем:

– предложенная математическая модель может быть положена в основу построения расчетной методики высокоточных электроприводов, работающих с широким диапазоном регулирования скорости;

– методика синтеза силовой части и системы управления электропривода была использована при разработке этапов наладки позиционных электроприводов и успешно применяется на производственных предприятиях, что подтверждается актами о внедрении.

Результаты диссертационной работы нашли применение:

– и были приняты к внедрению: в пятом цехе ОАО “ЧТПЗ” (г. Челябинск) при модернизации электропривода подачи стана ХПТ; в ООО НТЦ “Приводная техника” (г. Челябинск) при разработке тяговых электроприводов;

– в учебном процессе на кафедре электропривода ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет”;

– при выполнении Гранта Президента РФ (Соглашение №14.124.13.1403-МК от 04.02.2013).

Апробация работы.

В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенных заседаниях кафедр:

– “Электропривод и автоматизация промышленных установок” ФГБОУ ВПО “Южно-Уральский государственный университет”, г. Челябинск;

– “Электропривод и электрооборудование” ФГБОУ ВПО “Национальный исследовательский Томский политехнический университет”.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на: XV научно-технической Международной конференции “Электроприводы переменного тока”, Екатеринбург, 2012 г.; Отраслевой конференции “ANSYS в энергетике”, Санкт-Петербург, 2012 г.; VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, Иваново, 2012 г.; Пользовательской конференции “ANSYS 2013: направления развития инженерного анализа”, Москва, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных статей (из них – 6 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 4 доклада на конференциях, 1 патент РФ на изобретение, 5 свидетельств РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке методов исследований, в формулировании и доказательстве научных положений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 7 таблиц, список используемой литературы из наименований.

Соответствие научной специальности: исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, полностью соответствует формуле и пп. 1 и 3 области исследования, приведённой в паспорте специальности 05.09.03.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные положения, их новизна, практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ существующих проблем, сформулированы требования к электроприводу подачи, что позволило построить зависимость разнотолщинности s от величин перерегулирования и ошибки подачи h рабочего органа. Дана оценка требований к разрабатываемому электроприводу.

Во второй главе сформулировано первое научное положение, определены основные допущения для разрабатываемой математической модели, статистическими методами сопоставлены результаты моделирования с экспериментальными данными. Выполнен анализ влияния главной клети на электропривод подачи.

В третьей главе сформулировано второе научное положение, перечислены и обоснованы основные этапы методики синтеза силовой части и системы управления электроприводом. На примере электропривода подачи детально рассмотрены этапы: параметрического синтеза электропривода, оценки разнотолщинности s с учетом дискретного режима работы электропривода.

В четвертой главе рассмотрены этапы синтеза системы управления электроприводом. Дана оценка предельных значений частоты среза контура регулирования момента в системах с векторным и релейно-векторным управлением.

Сформулирован критерий выбора структуры управления.

В заключении сформулированы основные выводы, и даны результаты исследований в соответствии с целью и задачами исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ПОДАЧИ СТАНА ХПТ

1.1. Особенности технологического процесса получения тонкостенных труб методом холодной прокатки Холодная прокатка позволяет достичь уменьшения сечения заготовки на 75– 85 % и получить полосы, листы и трубы толщиной менее 0,4 мм, вплоть до нескольких микрон, что практически недостижимо при горячей прокатке. Конкурентоспособность данной технологии определяется также тем, что она является безотходным способом обработки металлов давлением. При этом равномерность толщины, повышенная прочность и высокое качество поверхности изделия делают такую прокатку наиболее прогрессивной, что обуславливает её широкое распространение. Трубы, полученные с помощью холодной прокатки, используются в атомной промышленности, для лопастей вертолетов (лонжеронов) и при изготовлении гидроцилиндров. Трубы со сверхтонкой стенкой получили применение при изготовлении котлов.

На сегодняшний день в мире работает более 700 станов холодной прокатки, более 200 станов в России. В пятом цехе ОАО “Челябинский трубопрокатный завод” эксплуатируется два стана ХПТ-450, которые позволяют выпускать трубы широкого сортамента с постоянным или переменным сечением готового изделия диаметром от 150 до 450 мм. Трубные заготовки могут быть бесшовные или сварные, из углеродистых, легированных или высоколегированных сталей высокой прочности, а также из цветных металлов и их сплавов.

Технология прокатки остается практически неизменной с 60-х годов прошлого века. Наибольший эффект можно достигнуть, если совершенствовать электрическую часть, позволяющая улучшить точностные показатели при сохранении производительности стана.

Для уточнения режимов работы стана ХПТ-450 была создана визуальная модель механической части в масштабе 400:1 (рис.1.1). Данное макетирование производилось в CAD-системе SolidWorks (лицензия на программу ЮУрГУ SolidWorks Education Edition).

Прокатка трубы осуществляется частями по всей её длине. Основная клеть приводится в движение посредством кривошипно-шатунного механизма главным электроприводом и совершает возвратно-поступательное движение. Вращение валков 2 производится механически через зацепление шестерни 3 на валке и зубчатой рейки 4, закрепленной на станине. Валки представляют собой металлические диски повышенной прочности, имеющие по окружности ручей переменного сечения. Исходный размер ручья соответствует наружному диаметру заготовки, конечный размер – наружному диаметру готовой трубы. Внутренний диаметр трубы регулируется положением конической оправки 5. В случае постоянного диаметра положение рабочего конуса во время прокатки остается неизменным. Если же требуется изготовление трубы, например, конической формы, во время хода клети производится сдвиг рабочего конуса в зоне деформации по требуемому закону.

Рис. 1.1. Макет стана ХПТ: 1 – клеть, 2 – валки, 3 – шестерня, 4 – зубчатая рейка, 5 – коническая оправка, 6 – толкатель, 7 – винтовая передача, 8 – заготовка, 9 – редуктор, 10 – механизм поворота трубы, 11 – механизм поворота оправки, 12 – механизм Задний конец заготовки закреплен и неподвижен в осевом направлении. В начальный момент толкатель 6 посредством винтовой передачи 7 производит перемещение заготовки 8 в направлении клети. Такое перемещение называется подачей. При движении рабочей клети вперед происходит редуцирование поданного участка заготовки. Редуцирование – это процесс обжатия трубной заготовки для получения заданного диаметра и толщины стенки готовой трубы. При ходе вперед происходит обжатие трубы, придание металлу требуемой формы. Затем производится реверс (обратный ход). Данный цикл называется двойным ходом.

В крайнем переднем положении, т.е. после каждого двойного хода рабочей клети, происходит поворот прокатываемой заготовки на 60–90°. Это делается для того, чтобы металл, заполнивший в предыдущем рабочем ходе выпуски калибра, раскатывался в круглом участке калибра при последующем рабочем ходе.

Для стана холодной прокатки труб ХПТ-450 способность оперативно отработать срыв трубы с оправки, обеспечив (3–4) МН, а также позиционировать заготовку за заданное время позволит исключить аварийные режимы. Для того чтобы пояснить эту ситуацию, рассмотрим более подробно технологию прокатки. Основная клеть приводится в движение посредством кривошипно-шатунного механизма главным электроприводом и совершает возвратно-поступательное движение. Главный привод работает непрерывно, из-за чего клеть находится в положении, когда возможно осуществлять подачу или поворот трубной заготовки менее 5% от времени цикла. На калибрах в начале и в конце ручья имеются выточки, называемые зевами, исключающие соприкосновение заготовки и трубы с калибрами при подаче и повороте. В тот момент, когда труба находится в пределах зоны работы зева, необходимо произвести подачу трубы или её поворот.

Очевидно, что наибольшие неприятности возможны в приводе подачи, т.к. в случае его длительного режима работы при уже зажатой валками трубе возможны её деформация (скручивание или изгиб). Избежать данный режим можно двумя способами. Первый – увеличить возможное время позиционирования, снизив скорость главного привода, что приведет к снижению производительности всего стана, второй – увеличить точность позиционирования рабочего органа при сохранении быстродействия системы.

В табл. 1.1 приведены основные технические характеристики и технологические требования к элементам и узлам стана. Долгое время регулирование координат механизмов стана (скорости, положения) выполнялась механическим способом. В 1986 г. Вейнгером А.М. впервые теоретически обоснован и практически реализован регулируемый электропривод переменного тока на механизме подачи. До недавнего времени значительные простои стана были обусловлены надежностными показателями элементами электрооборудования, которое управлялось аналоговыми устройствами. Решить указанную проблему удалось отказом от аналоговых устройств управления и переходом к “электронной ванне” – заменой аналоговой системы управления на цифровую при сохранении силовых элементов полупроводниковых преобразователей [82].

производительности Анализ работы и выходной продукции стана ХПТ, а также экспертный опрос показали, что существенное улучшение технико-экономических показателей возможно за счет повышения качества холодного проката. Основным требованием, предъявляемым к готовой трубе является равномерность стенки. Изучение технических требований, которые были уточнены методом экспертной оценки (на основе опроса технологического и административно-технологического персонала цеха №5 ОАО “ЧТПЗ”), были установлены требования к качеству разнотолщинности трубы. В табл. 1.2 приведены требования к разностенности готовой продукции для основных категорий выпускаемого сортамента. Этот сортамент распределяется следующим образом: порядка 55% продукции производится для изготовления гидроцилиндров, 15% – для атомной промышленности (в основном ТВЭЛы), 25% – лонжероны для сверхтяжелого вертолета МИ-28, 5% – остальная продукция. Очевидно, что чем выше требования к качеству выпускаемой продукции, тем выше стоимость готовой трубы. Так, более 30% всей выходной продукции имеет очень высокую себестоимость, при этом стоимость одной трубы составляет более 1,1 млн.руб., поэтому снижение отбраковки трубы позволит дать экономический эффект.

Анализ режимов работы и взаимодействий элементов стана на разработанном виртуальном макете рис. 1.1 показал, что наиболее “слабым” звеном в технологическом процессе является механизм подачи, к которому предъявляются наиболее высокие требования по точности позиционирования при сохранении быстродействия (время цикла не более 400 мс) и высокой перегрузочной способности (до 4Мн). Ошибка при работе привода подачи, влияющая на разнотолщинность трубы s, может быть обусловлена как статической ошибкой h, так и величиной перерегулирования. Перед оценкой связи показателей регулирования и качества проката полезно проанализировать участки нагрузочной диаграммы в существующей системе электропривода, полученной по критерию минимума времени позиционирования.

1.2. Скоростные и нагрузочные режимы работы электропривода Анализ нагрузочных диаграмм, который выполнялся статистическими методами, позволил оценить возможные резервы по увеличению быстродействия системы, а также обратить внимание на те участки, которые определяют точность позиционирования трубы. Исходные данные были предоставлены ОАО ЧТПЗ, а также были частично получены из материалов диссертации Остроухова В.В. [82].

Анализ проводился для максимально широкого диапазона режимов работы стана и включал: прокатку максимально податливой трубы (длиной 25 м, диаметром 140 мм, толщиной стенки 2,5 мм), прокатку максимально жесткой трубы (длиной 6 м, диаметром 450 мм, толщиной стенки 50 мм), работу с наивысшей скоростью 40 двойных ходов в минуту и с наименьшей производительностью 10 двойных ходов в минуту. Одна из наиболее характерных осциллограмм представлена на рис. 1.2. Здесь же обозначены наиболее значимые участки работы.

Существующая система электропривода подачи работает в позиционном режим и выполнена по схеме подчиненного регулирования с контурами регулирования тока, скорости и положения. Электромеханический преобразователь (синхронный двигатель) запитан непосредственного преобразователя частоты. Задаw I Рис 1.2. Осциллограммы тока (1) и скорости (2) привода подачи ние на ток поступает с выхода регулятора скорости. Перемещение осуществляется по траектории 2, показанной на рис. 1.2. Анализ осциллограммы активной составляющей тока 1 обмотки статора синхронного двигателя (рис. 1.2) показывает, что при разгоне привода регулятор скорости работает сначала в линейном режиме, а затем происходит его насыщение. “Просадка” тока в данном случае обусловлена наличием бестоковой паузы при раздельном управлении вентильными группами. Увеличение быстродействия контура тока позволит осуществлять разгон с максимальным ускорением, что обеспечит увеличение производительности стана.

Для дальнейшего анализа была проведена статистическая обработка осциллограмм тока, полученных экспериментально (рис. 1.3). Эти исследования проводились в следующей последовательности: определялись повторяющиеся режимы работы электропривода подачи; из большого количества повторяющихся кривых методом случайного отбора выбирались 10, т.к. процесс снятия осциллограмм на работающем объекте является довольно затруднительным. В качестве метода статистической обработки был выбран критерий Стьюдента. Сначала методом регрессионного анализа была получена усредненная кривая 1 (рис. 1.3).

Эта кривая сопоставлялась с экспериментальными 2–9 (рис. 1.3). При этом для Рис. 1.3. Экспериментальные осциллограммы тока электропривода подачи: 1 – кривая, полученная методом регрессии; 2, 3, …, 10 – кривые, 1,83 (вероятность 95%). В качестве ожидаемой величины Tож выбиравен лось среднее значение доли времени нарастания тока. Разность наблюдаемого и ожидаемого значений d и её квадрат использовались при вычислении стандартного отклонение sd и квантиля Стьюдента (табл. 1.3).

Результаты статистической обработки осциллограмм активной Кривая 1 активной составляющей тока (рис. 1.2) была разделана на несколько участков 1 – 33,5%; участок 2 – 28,5%; участок 3 – 7%; участок 4 – 5%;

участок 5 – 6%; участок 6 – 20%.

Рассмотрим участок нарастания активной составляющей тока 1, полученной методом регрессии (рис. 1.3). Доля времени нарастания составляет более 50% от общего времени участка 1. Столь низкий темп обусловлен задержкой переключения вентильных групп непосредственного преобразователя частоты, реализованного на базе реверсивного преобразователя постоянного тока с раздельным управлением вентильными группами.

На втором участке регулятор скорости насыщается, и электропривод работает с максимальным ускорением. Данное ограничение необходимо для того, чтобы механические усилия, в частности в зубчатых передачах, не превышали допустимые. Кроме того, это ограничение обусловлено перегрузочной способностью работающего электромеханического преобразователя.

Третий участок – участок спадания тока до нуля – ограничен лишь индуктивностью обмотки и быстродействием контура скорости. На четвертом участке привод работает с постоянной максимальной скоростью, которая ограничена максимумом сигнала на выходе регулятора положения. Пятый и шестой участки аналогичны участкам 1 и 2 соответственно с той лишь разницей, что при торможении электроприводу необходимо развивать меньший момент за счет активного характера момента сопротивления (силы трения трубы).

С учетом произведенного анализа рассмотрим пути уменьшения времени позиционирования трубы. Для обеспечения высоких энергетических и производственных показателей стана ХПТ с точки зрения электропривода подачи необходимо обеспечить оптимальную кривую переходного процесса, ограничив при этом ускорения частей механизмов в пределах допустимых значений. Чаще всего таковыми узлами являются зубцы шестерни редуктора. Традиционно для уменьшения динамических нагрузок в кинематических цепях стремятся увеличить добротность электромеханического преобразователя M/J, уменьшить маховые массы и минимизировать люфты. Это позволяет уменьшить долю динамических нагрузок в общей нагрузке с 90…95% до 55…65%. Для ограничения усилий в пределах допуска используют программно-реализуемые блоки ограничения.

Оптимальность кривой переходного процесса рассматривается с позиции наибольшей величины подачи при минимальном моменте сил упругости в элементах механизма. Обеспечить данную кривую можно с помощью постоянства ускорения электропривода. Другими словами, траектория скорости во времени имеет треугольную форму. В [60] говорится о том, что наиболее выгодно распределить время разгона и торможения двигателя таким образом, чтобы на разгон отводилось 2/3 общего времени подачи, а на торможение – оставшаяся 1/3. Учитывая постоянство данного соотношения, попытаемся уменьшить время позиционирования трубы. Очевидно, что это возможно осуществить, только увеличив максимальную скорость.

Наиболее сложным участком для электропривода является режим срыва трубы с оправки. В работе Остроухова В.В. [82] утверждается, что удар механизма подачи о трубу при срыве имеет неупругий характер. Автор рассуждает следующим образом. При упругом ударе вся энергия сжатых винтов передается трубе, при этом вся накопленная энергия переходит в кинетическую энергию движения трубы в виде импульса силы за бесконечно малое время. Тогда по закону сохранения энергии путь, пройденный трубой после соударения, составит где mT – масса трубы, v2 – начальная скорость, Fтр – сила трения.

Начальная скорость зависит от усилия срыва трубы с оправки и определяется как При неупругом ударе механическая энергия системы переходит во внутреннюю энергию трубы, что приводит к её нагреву. После соударения все элементы механизма движутся как одно целое. Тогда скорость после соударения будет равна где mП – эквивалентная сосредоточенная масса электропривода, представляющая собой приведенные к поступательному движению механизма моменты инерции двигателя и редуктора.

После неупругого соударения обе сосредоточенные массы mП и mТ двигаются равнозамедленно под действием силы трения. Путь, пройденный кареткой и трубой, согласно закону сохранения энергии равен Далее автор приходит к выводу о том, что при упругом ударе труба переместится после удара на значительно большее расстояние, чем при неупругом. На основании сравнения двух моделей с экспериментом делается заключение о том, что удар является неупругим, т.к. величина перемещения, полученного экспериментально, имеет тот же порядок, что и вычисленное перемещение при упругом ударе.

Позиция Острохова В.В. может быть существенно прокомментирована.

Предположим, что меньшее перемещение трубы обусловлено не упругим характером удара, а очередным попаданием её в валки прокатной клети. В [60] приведены диаграммы скорости, подтверждающие данное утверждение (рис. 1.4). Как Рис. 1.4. Диаграмма скорости привода подачи при срыве трубы с оправки видно из рисунка, время, за которое происходит равнозамедленное движение трубы под действием силы трения, в два раза больше времени, за которое труба проходит путь до остановки под действием попадания в валки прокатной клети.

Указанные обстоятельства требуют иначе ставить и решать задачу поиска оптимальной траектории движения электропривода.

Таким образом, анализ нагрузочных диаграмм позволил выявить неиспользуемые резервы повышения быстродействия работы электропривода, реализуемые за счет пересмотра схем силовых цепей полупроводникового преобразователя.

1.3. Связь показателей регулирования электропривода К производимой на стане холодной прокатки труб продукции предъявляются высокие требования по метрологическим показателям. Так, согласно [15], к обсадным трубам предъявляются жесткие требования, их разнотолщинность должна находиться в пределе 0,1 мм.

Увеличение быстродействия системы приводит к перерегулированию переменной положения рабочего органа, а следовательно, и влияет на качество выходного проката. При настройке и наладке системы приходится учитывать изменение параметров “неизменяемой” части. Так, в зависимости от размеров, массы и податливости трубы существенно могут изменяться статический момент на валу двигателя, а также приведенный к нему момент инерции масс всей системы.

Для постановки задачи синтеза системы электропривода необходимо установить связь между регулировочными показателями электропривода подачи и качеством проката. Расчет этих показателей удобно вести, если задана структура электропривода. Поэтому сначала будет описана упрощенная модель электропривода подачи, затем на основании технологических данных можно установить связь между координатой подачи, сортаментом прокатываемой трубы и её разнотолщинностью.

Комплекс “Электропривод – механизм подачи трубы” в общем случае может рассматриваться как многомассовая структура, но как установлено методом декомпозиции в [106], эту систему можно представить двухмассовой (рис 1.5).

Обобщенную структуру привода подачи содержит нескольких контуров: 1 – контур регулирования скорости, характеризующийся частотой среза

РМ РС ДС

, 2 – контур, учитывающий упругость винтовой передачи, характеризуРО тромеханической связи, обобщенным параметром для которого является его поРМ РС ДС Для начала определим соотношение между вышеуказанными частотами и на основании полученных результатов анализа воспользуемся рекомендациями по настройке, приведенными в [142].

В первую очередь рассмотрим контур упругости, поскольку именно здесь практически нет возможности воздействовать на его параметры. По данным завода-изготовителя, жесткость винта составляет С1 = 26·107 Н/м. Масса трубы, в зависимости от её возможных параметров, приведенных в табл. 1.1, может варьироваться от 180 до 3000 кг. Тогда приведенный к валу момент инерции трубы, эффициент передачи винтовой пары, – передаточное число редуктора; будет лежать в пределах от 0,02 до 0,3 кг·м2 [82]. Жесткость трубы находится в диапазоне (9…275) ·107 Н/м. Используя вышеуказанные данные, можно рассчитать диапазон частоты резонансного максимума 2 = 30…80 рад/с. Следует отметить, что амплитуда данного резонанса может достигать Ам = 3…5, что заметно усложняет настройку системы и значительно влияет на качество переходных процессов, в частности на точность позиционирования.

Рис. 1.5. Упрощенная структурная схема электропривода подачи 30 кг м. Настройку регулятора скорости рекомендуется производить тадв ким образом, чтобы частота среза 1 получалась порядка 100…120 рад/с.

Воздействуя на передаточное число редуктора j, можно изменять контурный коэффициент первой “массы”. Данное воздействие, согласно методике, предложенной профессором Усыниным Ю.С., может значительно уменьшить величину вышеуказанного резонансного максимума, что позволит повысить устойчивость системы, улучшить динамические показатели электропривода в целом.

Так, например, для случая, когда 2 < 1/TМ, рекомендуется подбирать передаточное число редуктора таким образом, чтобы частота 3 была максимально приближена к 2. В этом случае резонансный характер результирующей частотной характеристики переходит в монотонный.

Исходя из требований, приведенных в табл. 1.3, допустимая разнотолщинность изделия составляет 7% от размера стенки. Параметры прокатки ТВЭЛа позволяют аналитически вычислить разнотолщинность получаемой трубы.

Относительную продольную разнотолщинность можно определить по выражению где – максимальная толщина стенки участка трубы, получаемого за цикл прок катки;

– толщина стенки готовой трубы.

где tg – угол наклона образующей конуса оправки;

tg п – угол наклона образующей конуса предготового участка ручья;

– удельный объем подачи – толщина заготовки;

и – наружный и внутренний радиусы заготовки;

и – наружный и внутренний радиусы рабочего конуса в рассматриваемом сечении;

Рис. 1.6. Зависимость разнотолщинности перерегулирования и от ошибки потрубы s от перерегулирования допустимой разнотолщинности (2) шей степени на величину разнотолщинности влияет перерегулирование в системе. При этом следует отметить, что перерегулирование увеличивает величину подачи, т.к. обратного хода трубы не происходит, и труба, попадая в прокатные валки перемещается обратно, что значительно влияет на получаемую толщину трубы. Статическая ошибка подачи h влияет в меньшей степени и объясняется это ее стабильной величиной. Таким образом, статическая ошибка подачи h приводит к изменению толщины проката, но практически не влияет на величину разнотолщинности s.

1.4. Оценка предельных показателей регулирования в системе электропривода с непосредственными преобразователями Высокие показатели регулирования координаты положения могут быть достигнуты только при очень быстродействующем контуре регулирования электромагнитного момента. Ниже сопоставим предельные возможности существующей системы электропривода, выполненной на базе непосредственных преобразователей частоты с требуемыми показателями качества регулирования.

Рассматриваемый электропривод реализован по системе частотно-токового управления [145]. Каждая фаза двигателя в этом случае запитана от индивидуального преобразователя, выполненного по мостовой схеме выпрямления. Управляющие импульсы поступают на ключи таким образом, чтобы ток фазы соответствовал заданному. Реализуется это обычным охватом преобразователя обратной связью по току.

Синхронная машина электропривода подачи, выполнена в корпусе асинхронного двигателя с фазным ротором (рис 1.7), при этом обмотка статора запитана от источника постоянного тока и создает поле возбуждения, а по роторной обмотке протекает переменный ток синусоидальной формы, коммутация которого осуществляется в функции положения ротора.

Существующее техническое решение имеет ряд недостатков. Анализ нагрузочных диаграмм электропривода показал, что время нарастания тока составляет порядка 30% от времени разгона, и обусловлено:

наличием постоянной времени задержки тиристорного преобразователя;

бестоковой паузой при раздельном управлении вентильными группами;

ограниченностью полосы равномерного пропускания частот канала АЦП-ЦАП, тактируемом в “фоновом” режиме микропроцессорным ограниченной полосой равномерного пропускания частот силовой части тиристорного преобразователя;

наличием люфтов в механической системе.

Ниже дадим анализ влияния каждого фактора на быстродействие контура регулирования момента.

Зависимость постоянной времени задержки от угла отпирания тиристоров, предложенная Р. Шёндфельдом и основанная на среднестатистических значениях, имеет линейный характер.

При изменении знака тока в непосредственном преобразователе частоты, ток не может прекратиться мгновенно, при этом, на участке коммутации ток протекает по вентилям двух групп одновременно. Для того, чтобы исключить такой режим, в современных тиристорных преобразователях реализуют раздельное управлении вентильными группами. Это приводит к снижению действующего значения тока и момента (рис. 1.2). В электрической машине электромагнитный момент создается только первой гармоникой тока. Она и определяет частоту вращения ротора. Большая часть высших гармоник, относительно которых ротор вращается с наибольшими скольжениями, не создают электромагнитный момент [7].

Оценить несинусоидальность тока можно по формуле где – действующее значение n-ой гармоники первичного тока.

Наличие бестоковой паузы значительно изменяет гармонический состав тока. Доля первой гармоники может существенно снижаться, что, как было сказано выше, приведет к ухудшению удельных и регулировочных показателей электропривода, в частности отношения М/I.

Рис. 1.7. Функциональная схема электропривода до модернизации Количественно время бестоковой паузы может существенно варьироваться и зависит в первую очередь от скорости электропривода и, соответственно, частоты питающего напряжения. Переключение вентильных групп происходит в функции сигнала датчика тока в цепи нагрузки. Чувствительность таких датчиков на примере хорошо зарекомендовавшей себя на рынке компании LEM может составлять 1…10%. Срабатывание датчика в зоне нечувствительности делает необходимым увеличение времени бестоковой паузы. Дело в том, что после отключения импульсов управления ток нагрузки, протекающий через оставшийся в работе тиристор, под действием отрицательной полуволны анодного напряжения должен спасть до нуля раньше, чем знак анодного напряжения вновь изменится на положительный. Иначе ток, который по факту еще не уменьшился до нуля, начинает вновь возрастать. Система управления при этом, получив сигнал с датчика нулевого тока, формирует отпирающие импульсы другой вентильной группы, что приводит к аварийной ситуации.

Для того чтобы обезопасить себя от таких режимов, время бестоковой паузы увеличивают до такого значения, при котором ток гарантированно уменьшится до нуля. В [43] предлагается рассчитывать уменьшение мгновенного значения тока i от уставки I0 до нуля по формуле где – начальная фаза, отсчитываемая от момента изменения знака анодного напряжения преобразователя с плюса на минус до момента равенства тока нагрузки уставке, н Однако, данная формула справедлива лишь в пределах работы преобразователя в зоне непрерывных токов. На рис. 1.8 представлена зависимость времени задержки в функции индуктивности нагрузки и тока уставки. Ток, при котором непрерывный режим работы вентилей сменяется на прерывистый, называется граничным и зависит от угла отпирания тиристоров и индуктивности нагрузки:

где коэффициент B зависит от схемы преобразователя, B = 0,22 для m = 6.

На рис. 1.8 зона граничных токов обозначена для случая, когда sin 1, при увеличении угла отпирания данная граница будет смещаться “к нам”.

Для оценки влияния времени бестоковой паузы и угла отпирания тиристоров на коэффициент несинусоидальности воспользуемся формулой (1.1). Как видно из рис. 1.9, в большей степени наличие высших гармоник зависит от времени бестоковой паузы. При работе вентилей в непрерывном режиме угол отпирания практически не искажает синусоидальную форму тока.

Особенностью работы тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью является невозможность увеличения частоты фазного напряжения выше частоты сети fc = 50 Гц. Однако при работе на частотах выше 25 Гц наблюдается заметное уменьшение первой гармоники тока, и как следствие – уменьшение действующего момента. Таким образом, можно сделать вывод о том, что без ухудшения динамических и удельных показателей M/I увеличение скорости электропривода подачи возможно только до частоты питающего тока порядка 25 Гц.

Рис. 1.8. Зависимость бестоковой паузы t от индуктивности нагрузки и тока уставки (1) Еще одной причиной низкого быстродействия контура тока существующей системы является ограниченность полосы равномерного пропускания частот блока АЦП. Как говорилось ранее, частота среза контура тока тиристорного преобразователя может достигать в пределе 200 рад/с. Однако сигнал задания, формирующийся посредством микропроцессорной техники, проходит преобразование из аналоговой формы в цифровую. В существующей системе такое преобразование происходит с определенной задержкой. Частота среза всей системы будет ограничена частотой среза контура, включающего АЦП. Дело в том, что управление ключами преобразователя частоты с непосредственной связью, выполненного на базе тиристорного преобразователя Mentor II компании Control Techniques, производится посредством микропроцессорной системы управления.

Аналого-цифровое преобразование сигнала задания на микроконтроллер происходит в фоновом режиме. Аналитически оценить время задержки на эту процедуру становится достаточно затруднительно. Такая оценка была дана на основании экспериментально снятых частотных характеристик, полученных с помощью прибора “Вектор” [66]. Поскольку на работающем объекте проведение такого эксперимента является затруднительным, частотные характеристики снимались на аналогичном оборудовании в лаборатории “Электропривод и автоматизация промышленных установок” Южно-Уральского государственного университета.

На рис. 1.10, а представлена функциональная структура эксперимента. Как видно из рис. 1.10, б, частота среда контура тока (2) составляет порядка 200 рад/с, что в 2 раза больше частоты среза контура (1), содержащего АЦП и микропроцессорную систему.

Рис. 1.9. Зависимость коэффициента несинусоидальности тока от его частоты и угла Проведенный анализ позволил выявить “слабые” места в аппаратной и силовой частях существующей системы. Однако, большую роль в увеличении быстродействия контура тока играет программная часть или система управления.

MENTOR II

Рис. 1.10. Структурная схема эксперимента (а) и частотные характеристики (б) канала В ходе анализа требований технологического процесса могут быть сформулированы следующие задачи для достижения поставленной цели работы – повышения точностных показателей электропривода подачи при сохранении быстродействия:

– разработка математической модели электропривода подачи;

– оценка адекватности математической модели;

– разработка методики синтеза силовой части и системы управления силовой части электропривода подачи по критерию минимума ошибки позиционирования;

– оценка возможностей структур с подчиненным регулированием и системы с модальным управлением для электропривода подачи.

Разрабатываемая математическая модель должна иметь наиболее простую форму, иметь модульное представление для возможности проверки адекватности на каждом из этапов её разработки и описывать работу механизма с обобщенным электромеханическим преобразователем. Т.к. анализ нагрузочных диаграмм электропривода подачи показал, что необходим учет влияния главного электропривода прокатной клети на работу привода подачи, что ранее не делалось и требует учета в разрабатываемой математической модели.

Методика синтеза силовой части электропривода и системы управления должна отвечать требованиям простоты и при этом однозначно приводить к результату. Этому требованию соответствует алгоритм, состоящий из ряда законченных этапов.

При разработке методики необходимо учитывать возможности, которые дают электроприводы, выполненные на базе нетрадиционных типах электромеханических преобразователей. Так, электроприводы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ) позволяют достигать высоких регулировочных показателей и имеют большую перегрузочную способность, что может быть успешно использовано на любом из этапов синтеза электропривода (параметрическом или при синтезе системы управления).

1. Анализ требований технологического процесса к электроприводу подачи позволил определить связь показателей регулирования с качеством прокатанной трубы. Установлено, что величина разнотолщинности s в большей степени зависит от перерегулирования положения электропривода подачи и в меньшей степени – от абсолютной ошибки подачи h. Это обусловлено тем, что каретка привода подачи может перемещать трубу только вперед, и когда она возвращается в заданное положение, обратного хода трубы не происходит. При прокатке труба, попадая в валки, не заторможена и движется обратно до позиции каретки, что приводит к изменению сечения прокатанной трубы вдоль её оси (разнотолщинности). Статическая же ошибка подачи h влияет в меньшей степени на толщину получаемой трубы, так как при прокатке труба постоянно упирается в каретку, и обратного движения трубы при её обжатии прокатной клетью не происходит.

2. Выполнена оценка предельных показателей комплекса “Непосредственный преобразователь – синхронный двигатель” для привода подачи стана ХПТ, которая определяется быстродействием контура регулирования момента. Показано, что частота среза контура момента в системе “Непосредственный преобразователь частоты – синхронный двигатель” не превышает (100–120) рад/с и ограничена полосой пропускания канала “ЦАП – Сигнал задания на электромагнитный момент – АЦП”, тактируемого цифровым сигнальным процессором в “фоновом” режиме. Переход к непосредственному цифровому заданию позволит увеличить полосу равномерного пропускания частот в контуре момента до (200– 400) рад/с, однако требуемая частота по условиям настройки контуров скорости и положения позиционного электропривода должна быть не меньше (500–600) рад/с.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА

Как правило, при описании электропривода объектов металлургического производства принимают ряд допущений. Во-первых, электромеханический преобразователь представляют в виде системы с сосредоточенными параметрами и при разработке модели большее внимание уделяют полупроводниковому преобразователю и системе управления. Однако, при проектировании электроприводов с новыми типами электромеханических преобразователей, например с СРМНВ, требуется обязательный учет характера распределения линий магнитной индукции в зазоре. Этот учет необходимо выполнять и для традиционных электроприводов, если привод работает со сверхвысоким диапазоном регулирования скорости, когда приходится учитывать зубцовые пульсации индукции в зазоре. Вовторых, электропривод рассматривают как многосвязную систему только в длинных технологических цепочках. Между тем позиционирование трубы может частично осуществляться и после попадания трубы в валки прокатной клети, что требует рассматривать электропривод подачи и главный привод прокатной клети в виде многосвязной системы, в которой связь элементов осуществляется через прокатываемую трубу.

Существующие математические модели электропривода не позволяют оценивать возможности электротехнического комплекса с позиции их предельных возможностей. С другой стороны, значительное усложнение математического аппарата (с учетом распределенного характера параметров системы) ведет к существенному усложнению математического описания и не позволяет в инженерной практике использовать предлагаемые математические модели.

2.1. Основные допущения, принятые для разрабатываемой В модели электропривода стана ХПТ был принят ряд допущений.

1. Многомассовая система была аппроксимирована двухмассовой, что было доказано методом декомпозиции в работах Коффа З.А., Остроухова В.В. Так, в [82] для каждого из локальных контуров были сняты логарифмические частотные характеристики. Под локальным понимается контур без перекрестных обратных связей, т.е. не учитывающий влияния соседних контуров. В системе было выделено пять локальных контуров: первый контур учитывал свойства вращающихся механических масс двигателя и редуктора, второй контур учитывал отрицательную обратную связь по реакции винта, третий был образован упругостью и массой винта, четвертый и пятый были образованы упругостями винта, трубы и сосредоточенными массами. В результате автор получил значения частоты среза для каждого из локальных контуров. В силу того, что частота среза пятого контура трубы получилась порядка 200…1000 рад/с, что значительно превышает границу диапазона частот электропривода, равную 20 рад/с, упругие свойства трубы в дальнейшем не учитывались. Другими словами, так как частота собственных колебаний трубы гораздо выше частоты среза контура электропривода, при работе стана упругость трубы, вне зависимости от её массы, может создавать лишь вибрацию, что несущественно влияет на характер переходного процесса. Таким образом, система вырождалась в двухмассовую, где первая “масса” включала вращающиеся части двигателя и конического редуктора, вторая – перемещаемую трубу, а винтовая передача являлась упругим элементом, связывающим эти массы.

2. В начале прокатки усилие, направленное вдоль трубы при ее позиционировании, передается “жестко” (доказано Коффом З.А). На калибрах валков имеются зевы, предотвращающие деформацию заготовки в момент подачи. Соответственно, при неточном позиционировании усилие передается только в направлении прокатки, а поскольку упругостью трубы в первом допущении было решено пренебречь, данное усилие передается “жестко”.

3. При расчете электромагнитного момента методом конечных элементов в работах Сарапулова Ф.Н. доказано, что влиянием индукционных токов можно пренебречь.

4. В диапазоне частот тестового сигнала от нуля до половины несущей частоты широтно-импульсного модулятора (ШИМ) преобразователь частоты был представлен линейным звеном, инерционные свойства которого определялись временем выполнения одного скана программы микропроцессорной системы управления. Такая аппроксимация вполне допустима, так как частота среза контура регулирования тока, как правило, не превышает 10% от несущей частоты ШИМ сигнала.

2.2. Обобщенная математическая модель комплекса Разрабатываемая математическая модель содержит следующие узлы: механический преобразователь (конический редуктор и винтовую передачу), СРМНВ, многофазный полупроводниковый преобразователь, узел формирования фазных токов (модуль 1, рис. 2.1) и главный электропривод прокатной клети (модуль 2, рис. 2.1).

В модели электропривод подачи (модуль 1) был выполнен по подчиненной схеме регулирования положения h на базе СРМНВ и содержал несколько блоков:

“неизменяемую” часть (контур II), включающую упругое звено С/p, рабочий орган 1/J2p, охваченные единичной отрицательной обратной связью по скорости рабочего органа; электромеханический преобразователь (ЭМП) – СРМНВ (многофазную синхронную реактивную машину с пассивным явнополюсным ротором, управляемую в функции положения ротора током несинусоидальной формы, в большинстве случаев прямоугольной); узла формирования фазных токов (СУ и B). Контуры регулирования фазных токов СРМНВ I совместно с блоком “Модель магнитной системы” образовывали контур косвенного регулирования электромагнитного момента. Система работает как многоконтурная структура управления с внешним контуром регулирования положения, настраиваемым регулятором РП. Блоком ограничения (БО) выставлялись максимальные значения статорных токов. Контуры регулирования фазных токов включали полупроводниковый преобразователь WПП(p), якорную цепь с активным сопротивлением каждой фазы r и настраивались регуляторами тока WРТ(p).

Рис. 2.1. Структурная схема электропривода подачи (модуль 1) с учетом работы главного электропривода прокатной клети (модуль 2) Расчет промежуточных координат модели электропривода подачи выполнялся для блока “Модель магнитной системы” в среде ANSYS Maxwell, а для остальных модулей – в среде ANSYS Simplorer в следующей последовательности:

по сигналам и фазных токов I рассчитывалась матрица М, в ячейках которой находились составляющие электромагнитного момента от каждой фазы. Блок выполнял операцию суммирования всех элементов матрицы, в результате чего рассчитывался электромагнитный момент М. Матрицей B, в которой выполнялось смещение пространственного результирующего тока относительно углового положения ротора, выполнялась настройка системы электропривода.

Дадим более подробное описание каждому из перечисленных блоков.

2.2.1. Модель электромеханического преобразователя В ряде работ показано, что новые типы электромеханических преобразователей и традиционные электрические машины, работающие в режимах перегрузки, требуют представлять модель с учетом детального распределения магнитных полей вдоль всего магнитопровода электрической машины [35,65,120].

Так, в классических асинхронных двигателях, работающих в зоне критических и закритических скольжений линии магнитной индукции существенно искажаются по сравнению с номинальными режимами работы, поэтому расчеты электромагнитного момента в этой зоне, выполненные классическими методами с сосредоточенными параметрами, расходятся с теми результатами, которые дают модели электромеханических преобразователей, представленные в виде системы с распределенными параметрами. В нетрадиционных электромеханических преобразователях (реактивных машины, вентильно-индукторных электроприводах) учет характера распределения линий магнитной индукции является обязательным не только в зоне перегрузок, но и при номинальных нагрузках.

Для учета распределенного характера параметров электромеханического преобразователя магнитопровод электродвигателя разбивается на ряд участков.

Для каждого участка записывается система дифференциальных уравнений электромагнитного поля на основании уравнений Максвелла. Расчет системы дифференциальных уравнений с распределенными параметрами можно выполнять методом конечных разностей, методом конечных элементов (МКЭ) в вариационной постановке и МКЭ в сочетании с методом Галеркина [129]. В [67] обращается внимание на сложности учета граничных условий в среде “Воздушный зазор – зубцы магнитопровода” методом конечных разностей. Поэтому, при выборе алгоритмов расчета будем ориентироваться на программные продукты, в которых реализован расчет систем уравнений МКЭ.

Существует множество программных продуктов, позволяющих пользователю производить расчет электромагнитной системы методом конечных элементов (ANSYS, ELCUT, MATLAB, FEMLAB и др.). Все программные продукты имеют готовые алгоритмы расчета, поэтому задача разработчика математической модели сводится к заданию геометрии электродвигателя, выбору и установке граничных условий, определению вида и количества конечных элементов. Задача значительно усложняется, если приходится рассчитывать переменные состояния (токи, напряжения, момент), которые являются не только функциями состояния электромеханического преобразователя, но и определяются системой управляющих воздействий. Наиболее подробно этапы расчета описаны в [117] и содержат:

задание геометрической модели для плоскопараллельного или пространственного случаев; выбор свойств материалов; задания системы управляющих токов (напряжений); определяются граничные условия и параметры конечно-элементной сетки. Далее производится непосредственно расчет, результатом которого являются: картина полей для каждой точки модели и интегральные показатели (потока, электромагнитного момента, параметров электрической машины).

При выборе “программной среды” разработки математической модели учитывались:

– наличие программного модуля расчета электромагнитного момента методом тензора напряжений Максвелла [67]. Преимуществом описанной методики является то, что при повороте ротора нет необходимости перестраивать КЭ сетку всей модели, т.к. зазор вручную разделяется на три “слоя”, крайние из них прилегают к статору и ротору, а после поворота сетка генерируется заново только для среднего “слоя”.

– наличие программных узлов, позволяющих выполнять оптимизацию расчетов на этапе генерации конечно-элементной сетки. Критерием оптимизации расчетов электромагнитного момента является отклонение электромагнитного момента, вычисляемого в 2-D моделях методом тензора напряжения Максвелла относительно оси z:

где {B} – магнитная индукция;

{z} – единичный вектор вдоль оси z;

{r} – радиус-вектор в глобальной декартовой системе координат;

– нормаль к поверхности.

Поскольку этот интеграл берется по исследуемой поверхности, в данном случае ротора, критичным здесь было точно разбить зазор. В нашем случае точность разбиения воздушного зазора выбрана в 10 раз больше точности разбиения ротора. На рис. 2.2 приведена конечно-элементная сетка расчета двухмерной модели.

Важным в применении данного метода является принятие нескольких допущений. Так, мы не учитываем изменение магнитных и электрических свойств материалов при нагреве машины во время работы. Обмотку принимаем идеально уложенной в паз с учетом коэффициента заполнения. При расчете задачи в плоскопараллельной постановке не учитываются краевые эффекты, поля рассеивания учитываются только в радиусе 0,5 м от внешней границы статора.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных Оценка адекватности модели производилась в два этапа. Сначала сопоставлялись расчетные кривые, полученные на математической модели с данными, полученными на физическом образце электропривода с СРМНВ. Эти результаты сравнивались с полученными ранее в трудах Копылова И.П., Кононенко Е.В. [59,104]. При проектировании электрической машины одним из главных является ограничение индукции. Принято, что индукция в зубцах не должна превышать 1,9 Тл, в спинке 1,6 Тл, в зазоре 2,1 Тл и в роторе 1,4 Тл. Это эмпирические данные, полученные Копыловым И.П. из условий нагрева машины. Расчет машины в номинальном режиме показал, что величина индукции лежит в допустимых пределах.

Так или иначе, все вопросы оптимизации параметров электрической машины сводятся к максимальному увеличению отношения Ld/Lq. В нашем случае На рис. 2.3, а показана картина индукции в поперечном разрезе машины и её распределение вдоль зазора.

Без учета “просадок” над пазами индукция имеет прямоугольную форму. Теперь будем пропускать ток только по обмотке якоря, т.е. только в обмотке, расположенной над полюсом (рис 2.3, б).

В данном случае индукция B взята по модулю, однако, как видно из рисунка, над одной половиной полюса вектор B направлен к ротору, а над другой половиной – к зубцам статора. Относительно нуля данный график также симметричен.

По сути, именно реакция якоря вносит поперечную составляющую потока.

При нормальном режиме работы индукция в зазоре суммируется, как это показано на рис. 2.4, что также было подтверждено при моделировании методом конечных элементов. Картина индукции в зазоре для рабочего режима приведена на рис. 2.3, в.

проницаемостью µ, близкой к 1, то наличие таких вставок вдоль продольной оси магнитного контура препятствует изменению его направления.

Актуальным в этом случае остается вопрос оптимизации числа, положения и ширины таких вставок, т.к. их избыток может привести к повышению индукции в роторе выше допустимых пределов, а недостаток необоснованно усложнит конструкцию ротора. На рис. 2.5 приведен оптимальный вариант их расположения.

На втором этапе оценка адекватности модели производилась посредством сравнения экспериментальных угловых и моментных характеристик электрических машин в диапазоне мощностей 2…150 кВт и аналогичных зависимостей, полученных на модели. Под угловой характеристикой мы понимаем зависимость электромагнитного момента на валу двигателя от угла поворота ротора при постоянстве тока статора. Под моментной – зависимость среднего электромагнитного момента, создаваемого машиной от тока.

а) возбуждение, б) реакция якоря, нем рычага измерялось усилие на расстоянии l от вала посредством динамометра.

Сходимость экспериментальных данных с данными, полученными в результате моделирования, составила 95%.

нагрузки, варьировалось действующее значение постоянного тока, протекающего по обмоткам статора. При этом аналогично тому, как это производилось в Рис. 2.6. Моментные характеристики проведении эксперимента точно фиксироСРМНВ: 1 – экспериментальная, 2 – экспериментальная, 4– расчетная На рис. 2.7 приведены угловые характеристики асинхронного двигателя при варьировании отношения диаметра ротора к диаметру статора при постоянстве внешних габаритов машины. Оптимальным получилось соотношение DР/DС = 0, (рис. 2.7). Аналогичные рекомендации дает Копылов И.П. при проектировании асинхронного двигателя [104]. При большем значении данного соотношения индукция в спинке статора превышает допустимые пределы. Следует отметить, что и в случае традиционных машин принято бороться с насыщением спинки, в случае СРМНВ это обстоятельство получается положительным. По сравнению, например, с машинами постоянного тока, приходится создавать большой ток возбуждения, но напряжение электропривода с СРМНВ при: 1 – DР/DС = 0,5, Еще одним критерием адекватности математической модели может быть определение оптимальной составляющей ширины полюсного деления. На рис.2. приведена картина магнитного поля для случая отношения ширины межполюсного промежутка к полюсной дуге, равного 0,5. Если теперь будем делать полюс более широким, это приведет к тому, что поле, созданное якорной обмоткой, будет замыкаться в роторе точно так, как это происходит в спинке. В крайнем случае, когда ротор представляет собой сплошной круг, момент не создается вовсе, т.к. поля возбуждения и якоря уравновешивают друг друга. Чрезмерное сужение полюса сделает неэффективным использование пазов якорной обмотки, расположенных у краев полюса. Оптимальным является соотношение полюсной дуги к полюсу, равное 0,4. На рис. 2.8 приведены результаты оптимизации в характерных точках. В работе Кононенко Е.В. аналитическим методом был получен аналогичный результат.

Другим аспектом при проектировании электрической машины является технологичность и прочность ротора. Предполагается, что ротор будет делаться шихтованным. С точки зрения прочности целесообразно выполнить “скругление” межполюсного промежутка, как это показано на рис.2.9.

В работах [188,212] утверждается, что оптимальной глубиной межполюсного промежутка является величина, равная 20 воздушным зазорам машины. Методом конечных элементов был проведен эксперимент варьирования высоты полюса от 80 до 1 воздушного зазора (рис.2.10).

Уменьшение глубины межполюсного промежутка ведет к увеличению Рис. 2.8. Угловая моментная характеристика при:

[59,104].

2.2.2. Модель полупроводникового преобразователя Современные транзисторные преобразователи, как правило, работают в ШИМ-режиме с несущей частотой 1,5…16 кГц. Комплексный подход к проектированию электропривода с учетом совместной работы ЭМП и преобразователя частоты требует детального моделирования процессов, подробного исследования картины магнитного поля. При этом минимальный шаг расчета модели ПЧ-ЭМП, содержащей около 800 тыс. конечных элементов, составляет 0,005 с. Такая модель требует значительных вычислительных ресурсов и является объемной даже для современных кластеров. По этой причине в модели преобразователь заменялся идеальным источником питания, при этом были определены границы возможности такой замены. Для модели полупроводникового преобразователя были приняты следующие допущения:

полупроводниковый преобразователь описывается линейными непрерывными звеньями;

падение напряжения на ключах отсутствует;

время включения и отключения ключа равно нулю.

Моделирование объектов при дискретном управлении производилось в разных работах [49,63,36,48]. В большинстве исследований для этого использовался аппарат z-преобразования и его модификации. Однако усложнение математического описания объектов, невозможность применения традиционных методов анализа и синтеза таких систем зачастую приводят к тому, что при проектировании цифровых систем применяются упрощенные модели, основанные на принципах синтеза непрерывных объектов.

В диссертации Григорьева М.А. [25] проводилось сравнение свойств линейной и импульсной моделей полупроводникового преобразователя. В первом случае преобразователь аппроксимировался апериодическим звеном третьего порядка:

Реализация импульсной модели производилась посредством последовательного включения на вход линейного звена импульсного элемента с частотой следования ШИМ. Свойства такой системы были приближены к свойствам реального преобразователя.

Было доказано, что граница возможности такой замены зависит не только от частоты коммутации импульсного элемента, но и от величины амплитудного максимума частотной характеристики линейного звена, который обусловлен порядком системы, превышающим 1.

Воспользовавшись приведенными в данной работе зависимостями, была дана количественная оценка возможности замены импульсного источника питания на непрерывный. В модели электропривода подачи такую замену правомерно производить только при работе на несущей частоте, не превышающей 2,5 кГц.

Для серийных преобразователей режим работы на данной частоте является нормальным.

2.2.3. Модель электропривода механизма подачи Модель электропривода подачи, структурная схема которого приведена на рис. 2.1, модуль 1, выполнена по принципу подчиненного регулирования. Структура представлена в виде двухмассовой, где первая “масса” учитывает инерцию вращающихся частей электродвигателя и редуктора, вторая “масса” учитывает инерционность рабочего органа и упругость винтовой передачи. Электромеханическая связь по моменту упругости МУ учитывает передаточное число редуктора.

Статический момент содержит следующие составляющие: силу трения трубы и сопротивление движению за счет попадания трубы в валки клети. В первом случае момент силы трения влияет при условии, что МУ > МТР. Когда валки клети находятся в крайнем положении, что вычисляется в модели главного привода, и определяется углом поворота валков В, дополнительно появляется вторая составляющая момента сопротивления, обусловленная влиянием главного привода.

Данная составляющая пропорциональна моменту главного привода и зависит от параметров клети, которые учитываются коэффициентом k3 [60].

Конечно-элементная модель электрической машины, разработанная в программном продукте ANSYS Maxwell, интегрируется в модель системы управления, расчет обоих моделей происходит одновременно (рис. 2.11). Питание машины производится от шести независимых источников тока ИТ1…ИТ6, сигнал управления на которые приходит с узла формирования фазных токов УФФТ. Амплитуда этого сигнала зависит от выхода регулятора скорости РС, а частота переключения – от скорости вращения ротора, текущее положение которого фиксируется датчиком положения ДП. Кроме того, модель позволяет имитировать статическую нагрузку на валу и варьировать момент инерции ротора.

Синтез структуры управления в установившихся режимах сводится к оптимизации зоны коммутации тока посредством корректировки сигнала, поступающего с датчика положения. Дело в том, что для обеспечения наилучших энергетических показателей необходимо, чтобы машина работала в зоне максимума угловой характеристики. При увеличении скорости за счет инерционности источников тока этот максимум будет смещаться. Корректирующий угол подбирается таким образом, чтобы среднеквадратичный фазный ток за период был минимальным. Более подробно решение данной проблемы будет рассмотрено в главе 4. На рис. 2.12 представлена математическая модель электропривода с СРМНВ в системе ANSYS Simplorer. Модель Рис. 2.11. Функциональная схема модели ANSYS обратной связью по току посредством датчиков AM1…AM6. Текущие координаты привода можно наблюдать посредством датчиков скорости “speed sensor” и положения “position sensor”, благодаря чему реализована обратная связь по скорости.

Работа узла формирования фазных токов, выполненного на элементах TV1…TV6 и TA1…TA6, осуществляется в функции текущего положения ротора. Угол поворота ротора, измеренный в радианах, переводится в градусы, а затем производится его преобразование таким образом, чтобы его формат был более удобен для работы, точнее, чтобы значение этого угла всегда находилось в диапазоне от 0 до 360 градусов. В функции этого сигнала происходит работа УФФТ. В результате задания на мгновенное значение тока в каждой фазе Isum1…Isum6 подаются на вход источников питания.

На рис. 2.13 даны идеальные осциллограммы заданий токов, которые формируются на выходе узла формирования фазных токов. Уровнями “1” и “-1” показаны зоны работы в секторах возбуждения и якоря. Дополнительно на эти сигналы модулируются сигналы задания, поступающие с выхода регулятора скорости “RS” и “ABS” (на задание якоря и возбуждения соответственно). Кроме приведенной на рисунке формы сигнала в виде прямоугольника также были реализованы формы сигнала модуляции в виде синусоидальной и трапецеидальной формы. С целью обеспечения реверса модулируемый сигнал по каналу возбуждения всегда подавался по модулю.

Отладка системы и настройка параметров регуляторов позволили добиться результатов, показанных на рис. 2.14. В данном случае на скоростях вращения 1000 и 1500 об/мин производится наброс нагрузки от 0,5 до 4 МН. Как видно из осциллограммы скорости, привод идеально отрабатывает такое возмущение, и просадок скорости не наблюдается.

2.2.4. Модель главного электропривода прокатной клети На обобщенной модели в качестве нагрузки выступает как приведенный момент силы трения трубы, который подается при условии, что МC > МУ, так и момент сопротивления, обусловленный попаданием трубы в валки прокатной клети.

Последнее условие реализовано посредством математического описания главного электропривода, который также выполнен по подчиненному принципу на базе машины постоянного тока. Тиристорный преобразователь главного привода представлен апериодическим звеном первого порядка. Аналогичная замена выполнена для якорной цепи. Зная скорость главного привода, вычисляются линейная скорость клети и угол поворота калибров в текущий момент по формулам:

Зная данные координаты главного электропривода, можно на каждом шаге расчета получить момент сопротивления его движению и уточнить суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции за счет переменной составляющей, равной п

CONST I GAIN

DIS NPG

NPG GAIN

UЗ UЗ UЗ UЗ UЗ UЗ Рис. 2.13. Принцип работы узла формирования фазных токов Рис. 2.14. Нагрузочные диаграммы работы СРМНВ:

2.3. Оценка адекватности разработанной математической модели Оценка адекватности математической модели выполнялась сопоставлением расчетных и экспериментальных данных статистическими методами, и проводилась она для участка торможения электропривода подачи, так как именно на нём происходит взаимодействие главного электропривода и привода подачи.

Действующий электропривод подачи стана ХПТ реализован на базе традиционной синхронной машины с возбужденным ротором. Поэтому для корректного сопоставления в разработанной модели блок ЭМП, описывающий СРМНВ, был заменен на блок трехфазного синхронного двигателя с обмоткой возбуждения на роторе. Оценка проводилась в два этапа.

Сначала на основании выборки из 10 экспериментальных осциллограмм активной составляющей тока электропривода подачи, полученных на действующем объекте, была построена регрессионная зависимость, описывающая переходный процесс тока на участке торможения:

Затем результаты математического моделирования сопоставлялась с экспериментальными данными, полученными на регрессионной зависимости. Результаты приведены в табл. 2.1, где – расчетное значение тока, полученное в ходе моделирования; – экспериментальное значение тока, полученное, исходя из регрессионной зависимости;, – соответственно разность и квадрат разности между экспериментальными и расчетными величинами тока электропривода;

– квантиль Стьюдента; математическое ожидание значений. При сопоставлении расчетных и экспене выходит за пределы риментальных данных коэффициент Стьюдента критического значения ( КРИТ об адекватности предложенной математической модели.

2.4. Учет влияния главного электропривода на работу привода Для учета влияния конечного быстродействия главного электропривода на нагрев электропривода подачи по разработанной математической модели оценивалась зависимость среднеквадратичного электромагнитного момента МСР.КВ.

привода подачи от времени начала приложения усилия tМс и частоты среза контура скорости С электропривода прокатной клети (см. рис. 3.6). При этом базовое значение частоты среза принималось равным 100 рад/с. Диапазон изменения tМс выбран на основе статистической обработки и может изменяться от 1 до 1,5 с при общей продолжительности цикла 2 с. Как видно из рис. 3, среднеквадратичный момент возрастает по мере уменьшения частоты среза контура скорости главного привода на 10…20 %. Обусловлено это увеличением времени переходного процесса наброса нагрузки и изменением его характера с монотонного на апериодический, а в некоторых случаях и колебательный, вызывающий дополнительные вибрации. Плоскостью 2 (рис. 2.15) показана зона допустимого изменения частоты среза контура регулирования скорости, в которой перегрев находится в допустимых пределах.

Задача уточнения нагрева электропривода особенно актуальна при выборе нового электропривода, так как приближенные методики расчета электропривода по мощности требуют выбирать двигатель с запасом. Электропривод, работающий в пуско-тормозных режимах и выбранный с запасом по мощности, может иметь не самый лучший показатель М/J, где М – номинальный момент двигателя, а J – момент инерции ротора.

Разработанная математическая модель электропривода позволила уточнить расчетную методику выбора электропривода по нагреву. Конечное быстродействие контура регулирования скорости в главном электроприводе прокатной клети приводит к изменению графика момента сопротивления МС, при этом изменяется форма кривой осциллограммы электромагнитного момента, а следовательно, и нагрев двигателя. Изменение графика момента сопротивления обусловлено тем, что при позиционировании трубы приводом подачи на участке торможения в момент времени tMc включается главный привод. В момент начала прокатки главный привод создает дополнительный тормозной момент для электропривода подачи. При ограниченной полосе равномерного пропускания частот ного электропривода момент сопротивления МС на валу электропривода подачи изменяет свою форму со ступенчатой на криволинейную.

Рис. 2.15. Зависимость МСР.КВ.

электропривода подачи от С контура прокатной клети и от времени начала проводниковой техники и микропроприложения нагрузки tМс полупроводникового преобразователя и двигателя. Так, в работах [24,29] показано, что отказ от трехфазности и синусоидальной формы тока позволяет улучшить удельные массогабаритные показатели электромеханической части электропривода. Разработанная математическая модель электропривода, содержащая узел ЭМП (рис. 2.1) позволила уточнить форму фазного тока двигателя, при которой достигается максимальное отношение М/J, что актуально для электроприводов, работающих в пуско-тормозных режимах.

Наилучшие энергетические показатели удалось получить в шестифазном электроприводе с трапецеидальной формой фазного тока. Другими словами, в этом случае при постоянстве момента статической нагрузки привод потребляет наименьший ток из сети. На рис. 2.16 представлен сравнительный анализ различных форм фазного тока и различного числа фаз питания машины.

Переход к прямоугольной форме тока улучшает энергетические показатели электропривода, однако при этом появляются коммутационные пульсации момента, вызванные мгновенным переключением обмоток, и как следствие, переходом работы электропривода с одной угловой характеристики на другую (рис. 2.17). Соответственно, чем меньше число фаз, тем дальше ротор отклоняется от оптимальной точки угловой характеристики.

В этой связи оптимальным, с нашей точки зрения, является число фаз, равное 6. При увеличении числа фаз схема значительно усложняется, и как следствие, удорожается. При меньшем Рис. 2.16. Сравнительный анализ форм фазного тока машины:

при прямоугольной (1), при трапецеидальной (2) –7, Рис. 2.17. Угловая характеристика СРМНВ (а): 1 – электромагнитный момент, создаваемый одной фазой, 2 – результирующий момент; зависимость амплитуды коммутационных равно бесконечности, оптимальной формой тока является прямоугольник. Однако в реальном случае ток не может мгновенно изменить направление, т.к. это станет причиной перенапряжений. Особенно заметно это проявится на большей частоте коммутации. В этом случае актуальным становится переход к трапецеидальной форме фазного тока.

В шестифазном электроприводе с СРМНВ такой переход дает эффект порядка 10%.

Таким образом, полученные данные позволили сделать вывод о том, что оптимизация формы тока дает тот же эффект, что и усложнение конструкции ротора (табл. 2.2).

Питание машины 1. На основании анализа режимов работы электропривода подачи и обзора существующих математических моделей сформулированы основные допущения и требования к разрабатываемой математической модели: многомассовая система была аппроксимирована двухмассовой; принято, что усилие при прокатке передается трубе “жестко”; при расчете электромагнитного момента влиянием индукционных токов пренебрегалось. Отдельно обосновано, что в диапазоне частот тестового сигнала от нуля до половины несущей частоты ШИМ преобразователь частоты может быть аппроксимирован линейной передаточной функцией, при этом установлена зависимость границы допустимости такой замены от частоты и амплитуды резонансного максимума “линейной части” системы.

2. Разработана математическая модель электропривода подачи стана ХПТ, в которой механическая часть представлена как двухмассовая, преобразователь частоты аппроксимирован непрерывным динамическим звеном, электродвигатель – системой с распределенными параметрами, отличающаяся тем, что в расчетной модели выполнен учет влияния работы главного привода клети на механизм подачи. Этот учет выполнен на структурной схеме подачей сигнала переменной электромагнитного момента главного электропривода на вход сумматора момента сопротивления привода подачи. При этом автоматически учитывается влияние привода подачи на главный электропривод прокатной клети.

Адекватность математической модели проверялась путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных статистическими методами и проводилась для участка торможения электропривода подачи. Результаты сопоставления 3. Полученная модель электропривода позволила учесть влияние работы главного привода клети на механизм подачи. При этом была скорректирована традиционная расчетная методика выбора электропривода по нагреву, и сформулирован алгоритм уточнения траектории движения электропривода подачи.

Так, показано, что снижение быстродействия контура регулирования скорости главного привода прокатной клети приводит к повышению нагрева электропривода подачи, при этом среднеквадратичный момент электропривода подачи возрастает на 10…20% при уменьшении частоты среза контура регулирования скорости главного привода от 100 до 20 рад/с. Объяснено это увеличением времени переходного процесса наброса нагрузки и изменением его характера с монотонного на апериодический, а в некоторых случаях и колебательный.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Возможности системного подхода при разработке позиционного электропривода, заключающиеся в совместном учете при проектировании механической части и системы управления, показаны в работах Терехова В.М., Усынина Ю.С.

[135,142]. Дополнительные потребительские качества могут быть получены, если учесть возможности, которые дают новые типы электромеханических преобразователей, например СРМНВ: большую механическую жесткость вала в осевом направлении, широкую полосу равномерного пропускания частот в контуре регулирования момента, большие перегрузки по моменту, линейную зависимость между моментом и током в зоне перегрузки. Так, если при проектировании электропривода обеспечить определенное соотношение между частотами среза контуров регулирования электромагнитного момента I и “неизменяемой” части II (рис. 2.13, модуль 1), то в некоторых случаях можно обеспечить заданные показатели качества регулирования в более простой и наиболее распространенной схеме подчиненного регулирования, отказавшись от системы с модальным управлением, требующей при настройке большего количества исходных данных.

Как было отмечено в первой главе, основным требованием, предъявляемыми к электроприводу подачи являются точность. Ранее для данного объекта эти задачи решались в работах Вейнгера А.М. [18], Боровика А.А. [8], Остроухова В.В.

[82], и частично вопросы увеличения быстродействия с целью показать возможности новых типов электромеханических преобразователей рассматривались в докторской диссертации Григорьева М.А.[25]. Изначально задача повышения точности позиционирования решалась с помощью модернизации механической части. Впервые Вейнгер А.М. показал условия и возможности применения регулируемого электропривода переменного тока. Электропривод был выполнен на базе аналоговой системы управления с совместным управлением вентильными группами. Такое решение позволило добиться точности позиционирования заготовки в пределах 10 мм. Боровик А.А. предложил бесступенчатое регулирование величины подачи. В работе был произведен синтез регуляторов координат, позволяющий обеспечить желаемые показатели качества подачи (статическая ошибка не превышала 5% при подаче до 10 мм). Наконец, в работе Остроухова В.В. была предложена идея модернизации электропривода с использованием современной микропроцессорной системы управления. Такое решение в незначительной степени снизило быстродействие системы, однако позволило увеличить надежность. В данной работе ставится задача выбора силового оборудования, и синтеза системы управления, с целью увеличения точности позиционирования.

3.1. Общая методика выбора силового оборудования и законов управления электропривода подачи На рис. 3.1 представлена общая структура методики синтеза электропривода. Так как полупроводниковый преобразователь аппроксимируется линейной передаточной функцией, а СРМНВ имеет линейную моментную характеристику даже в зоне перегрузок, то вполне оправдано при синтезе системы использование частотных методов. Первый этап, на котором определялась оптимальная форма кривой переходного процесса скорости, может рассматриваться как исходное задание для всех последующих. На втором этапе допустимая величина перерегулирования ограничивалась параметрическими средствами (выбором оптимального передаточного числа редуктора j и параметров двигателя – отношения активных частей диметра ротора DР к его длине l), и тем самым облегчались условия настройки на последующих этапах. На третьем этапе выполнялась оценка составляющей величины перерегулирования, которая связана с дискретным режимом работы электрической машины в зоне низких частот вращения. Ошибка регулирования ограничивалась на этом этапе выбором параметров электромеханического преобразователя. Четвертый этап был разделен на промежуточные. Сначала обеспечивалось максимальное быстродействие контура регулирования момента (КРМ) выбором структуры регулирования П и параметров корректирующих связей WРКМ(p) (рис. 3.1), что значительно облегчало условия настройки системы управления СУ в подчиненной структуре управления и являлось необходимым условием высокого качества регулирования выходной координаты в модальных системах. Далее сопоставлялись значения перерегулирования в схемах с подчиненным регулированием и модального управления. Очевидно, что если частота среза контура “неизменяемой части” II будет стремиться к бесконечности, а частота среза КРМ I (рис. 2.1) уменьшаться до минимального значения, то показатели регулирования, достигаемые в структурах с подчиненным регулированием и модальным управлением, становятся близкими.

Выбор оптимальной траектории движения Рис. 3.1. Методика выбора силового оборудования и структуры системы 3.2. Оптимальная траектория движения электропривода подачи При проектировании электропривода одной из главных целей в большинстве случаев является повышение производительности механизма. Однако, ограничения, обусловленные возможностями силового, механического и электромеханического оборудования, например, по току, максимальной скорости, нагреву, делают актуальной задачу оптимального управления электроприводом.

Поэтому на первом этапе решалась задача поиска оптимальной кривой скорости рабочего органа. Критерием расчета принимался минимум электрических потерь в электроприводе зависели только от тока и активного сопротивления обмотки, которое не изменяется при нагреве машины.

В [98] методом вариационного исчисления доказывается, что для случая, когда единственным ограничением при проектировании электропривода является ограничение по нагреву, оптимальными являются параболическая диаграмма скорости и линейная диаграмма тока. Однако, при учете ограничения по току вид оптимальных диаграмм меняется. В случае, когда где –максимальное значение тока, T– время цикла, длина линейного участка оптимальной диаграммы обращается в ноль. Оптимальной становится прямоугольная форма, при которой ток меняется от + до -. Диаграмма скорости, приобретает «треугольный» характер с изломом в момент времени tП (рис 3.2).

В этом случае время пуска и торможения равны соответственно:

Рис. 3.2. Оптимальные нагрузочные диаграммы тока ограничений по нагреву и где – суммарные потери, h – перемещение исполнительного механизма.

Таким образом форма нагрузочных диаграмм была определена однозначно.

Однако, величину участков пуска и торможения следовало уточнить с учетом непостоянного характера момента статической нагрузки, обусловленного влиянием главного привода.

Данная задача в вариационном исчислении относится к классу изопериметрических. Расчет оптимальной формы кривой скорости выполнялся методом наискорейшего спуска, который представляет собой усовершенствованный градиентный метод. Отличительной особенностью его является отсутствие необходимости частого вычисления производной от исследуемой функции за счет применения переменного шага H поиска экстремума по направлению. Классический градиентный метод требует вычисления градиента с постоянным шагом. Таким образом применение метода наискорейшего спуска вдали от оптимума дает значительный эффект, поиск оптимума производится гораздо быстрее. В окрестностях точки экстремума время его поиска обоими методами практически совпадает.

Алгоритм поиска минимума функции потерь Q при фиксированной форме нагрузочных диаграмм состоял из следующих этапов.

В начальной точке определялся градиент где. Далее вычислялись координаты следующей точки:

В данном случае величина шага H была переменной и при каждом цикле расчета уточнялась из условия Осциллограмму скорости позиционирования заготовки во временной области можно условно разделить на несколько участков (рис. 1.2):

1 – выборка зазора. Данный участок обусловлен наличием люфтов в механической системе и реализован в модели на основании экспериментальных данных;

2 – преодоление момента статической нагрузки. На данном участке момент сил упругости меньше МС, обусловленного трением трубы;

3 – разгон трубы при возрастании скорости двигателя;

4 – торможение ведущей массы при продолжающемся разгоне трубы.

5 – торможение ведомой массы при торможении двигателя.

Особым режимом работы привода подачи является срыв трубы с оправки. В этом случае на 4 и 5 этапах происходит отрыв каретки с трубой от оправки, после чего труба сначала движется равнозамедленно под действием силы трения, а затем резко останавливается за счет попадания в валки. При этом график переходного процесса в точности соответствует рис 1.4.

Ранее решалась задача поиска оптимальной кривой переходного процесса для общего случая позиционного электропривода металлургического механизма [25]. Отличительной особенностью приведенного подхода является то, что задача оптимизации траектории движения решалась не только формализованными математическими процедурами поиска экстремума, но и учитывала возможность качественных изменений свойств описываемого объекта за счет применения тех или иных электротехнических решений.

Существующие схемы замещения двигателя (например, Т- и Г-образная) удовлетворяют требованиям приближенного исследования. Однако, данные модели не учитывают нелинейность кривой намагничивания электротехнической стали, реального распределения полей и, вследствие этого, для исследования работы двигателя в режимах перегрузки, которые, как показал анализ, являются актуальными для привода подачи, нуждаются в уточнении.

Рассмотрим возможные пути уменьшения времени подачи на каждом из участков, описанных выше. На участках 1 и 2 увеличение быстродействия возМ М можно за счет увеличения показателей и. Увеличение максимума скорости возможно в пределах, допустимых механической прочностью узлов, за счет изменения передаточного числа редуктора.

Наконец, на 4 и 5 участках на первый план выходит задача увеличения точности позиционирования. Данное требование ограничивает диапазон изменения передаточного числа редуктора, что заставляет нас вновь возвращаться к 1 и этапам и пересматривать оптимум данного соотношения с учетом полученных ограничений. Также здесь важно учесть зону нечувствительности из-за наличия зубцовых пульсаций момента на малых скоростях.

Оптимальная кривая по критерию минимума потерь Описанная методика позволила автору произвести синтез системы с максимальным быстродействием. Однако при этом не учитывался график изменения нагрузки на валу двигателя. Между тем в [60] показано, что оптимальным соотношением времени разгона к времени торможения является 2:1. Оптимизируется данное соотношение по критерию минимума потребляемого из сети тока при максимальном перемещении. В [145] доказывается, что оптимальной кривой скорости позиционного электропривода является равнобедренный треугольник или трапеция, т.е. оптимальным является соотношение времени разгона к времени торможения 1:1.

Однако критерием оптимизации является не само перемещение, а отношение среднеквадратичного момента двигателя за время позиционирования к перемещению трубы Mср.кв./s, где В ходе исследования выяснилось, что весовой коэффициент среднеквадратичного момента на много больше, чем весовой коэффициент перемещения. Другими словами, минимальное значение Mср.кв./s будет при равном соотношении времени нарастания скорости и торможения.

В силу отсутствия обоснования данного явления в [60], выскажем ряд гипотез, объясняющих это утверждение. Предполоw, M М1 w труба переместится на меньшее расстояние.

Будем сдвигать во времени сигнал на торможение, увеличивая тем самым время разгона (рис.

3.3). Тогда при постоянстве модуля ускорения Перемещение s трубы в системе с бесконечной жесткостью винта С, которую в общем случае можно считать одномассовой, будет равно В случае идеально быстродействующего контура момента график скорости во времени будет иметь треугольную форму. Тогда перемещение можно рассчитать как площадь данного треугольника. Очевидно, что она не будет зависеть от доли времени разгона, т.к.

Pages: |

| 2 |

Главная >> Диссертации - все темы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«ТИМОФЕЕВА Валентина Владимировна МЕТОДОЛОГИЯ И ПРАКТИКА МЕЖКОРПОРАТИВНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ТУРИСТСКИХ КАДРОВ 13.00.08 – теория и методика профессионального образования ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора педагогических наук Научный консультант : доктор педагогических наук, профессор Пельменев Виктор Константинович Калининград ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение......»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Лупеев, Дмитрий Евгеньевич 1. Традиции эпический жанров русского фольклора в творчестве Велимира Хлебникова 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2005 Лупеев, Дмитрий Евгеньевич Традиции эпический жанров русского фольклора в творчестве Велимира Хлебникова [Электронный ресурс]: Дис.. канд. филол наук : 10.01.01.-М.: РГЕ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Филологические науки — Художественная литература....»

«Паршина Татьяна Юрьевна Морфофункциональная характеристика черепа как индикатора адаптогенеза наземных беличьих в условиях Южного Приуралья Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук 06.02.01 – диагностика болезней и терапия животных, патология, онкология и морфология животных Научный...»

«Иванова Ольга Анатольевна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРКА АВТОПОЕЗДОВ ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук,...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Костина, Анна Владимировна 1. Массовая культура как феномен постиндустриального оБтцества 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2005 Костина, Лнна Владимировна Массовая культура как феномен постиндустриального общества [Электронный ресурс]: Дис.. д-ра филос. наук : 24.00.01.-М.: РГБ, 2005 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Социология — Социальные институты — Социология средств массовык коммуникаций, массовой...»

«РУСАКОВА Ирина Борисовна КОНЦЕПТЫ СЧАСТЬЕ – НЕСЧАСТЬЕ В ЛИНГВОКУЛЬТУРНОМ СОДЕРЖАНИИ РУССКИХ ПОСЛОВИЦ Специальность 10.02.01 – русский язык диссертация на соискание ученой степени кандидата филологических наук Научный руководитель – кандидат филологических наук, доцент Л.Н. Шердакова Москва – Содержание Введение Глава I. О проблеме...»

«Шувалов Геннадий Николаевич Фотофорез и ванны пантогематогена в комплексном лечении псориаза 14.00.11 кожные и венерические болезни. 14.00.51 “восстановительная медицина, лечебная физкультура и спортивная медицина, курортология и физиотерапия”. Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук по...»

«Трифонова Зоя Алексеевна СОЦИОКУЛЬТУРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ГОРОДОВ РОССИИ (НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРОВ НАЦИОНАЛЬНЫХ СУБЪЕКТОВ ФЕДЕРАЦИИ) Специальность 25.00.24. Экономическая, социальная, политическая и рекреационная география диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук Научный консультант Рубцов Владимир Анатольевич д.г.н., профессор...»

«Алехин Сергей Геннадиевич ТОЛЩИНОМЕТРИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель –д.т.н. Самокрутов А.А. Москва – 2013 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. 1. ГЛАВА 1 Анализ методов и средств ЭМА толщинометрии. 1.1....»

«Сикорская Светлана Вадимовна ПРОГНОЗ ЗОН НЕФТЕГАЗОНАКОПЛЕНИЯ С ВОСПОЛНЯЕМЫМИ ЗАПАСАМИ В ПАЛЕОЗОЙСКИХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОЛГОГРАДСКОГО ПОВОЛЖЬЯ Специальность: 25.00.12 – геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«Мазуров Сергей Федорович КОМПЛЕКСНОЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АДМИНИСТРАТИВНЫХ И ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И ИХ СТРУКТУР (НА ПРИМЕРЕ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА) 25.00.33 – Картография Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«Вакуленко Диана Александровна ФРАЗЕОСИНТАКСИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ОПОРНЫМ КОМПОНЕНТОМ-СОЮЗОМ: ЯЗЫК И РЕЧЬ (на материале русского языка) Специальность: 10.02.19 – теория языка Диссертация на соискание учёной степени кандидата филологических наук Научный руководитель – доктор филологических наук, профессор В. Ю. Меликян Ростов-на-Дону – ОГЛАВЛЕНИЕ Введение.. Глава...»

«Меньшикова Галина Яковлевна ЗРИТЕЛЬНЫЕ ИЛЛЮЗИИ: ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И МОДЕЛИ 19.00.02—Психофизиология (психологические наук и) Диссертация на соискание ученой степени доктора психологических наук Москва – 2013 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ВОСПРИЯТИЯ ЗРИТЕЛЬНЫХ ИЛЛЮЗИЙ §1.1 Проблема восприятия зрительных иллюзий. §1.2 Определение феномена зрительных иллюзий....»

«ГЛАЗУНОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗЫВАНИЯ ГРЕБНЕЙ КОЛЕС ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И РЕЛЬСОВ Специальность 05.02.04 – Трение и износ в машинах ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор...»

«Лубенец Мария Юрьевна ФОРМИРОВАНИЕ КОНВЕНЦИОНАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ У МЕНЕДЖЕРОВ СОЦИАЛЬНО-КУЛЬТУРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ В ВУЗЕ 13.00.08 – теория и методика профессионального образования Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор Яфальян...»

«Петренко Дмитрий Владимирович Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах Специальность 03.02.08 - экология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Белюченко Иван Степанович Москва – 2014 г. Содержание Введение Глава 1. Состояние изученности вопроса и цель работы 1.1...»

«Спиридонова Ольга Игоревна Влияние правил торговли на стимулы к сговору на взаимосвязанных форвардном и спотовом рынках 08.00.01 Экономическая теория Диссертация на соискание научной степени кандидата экономических наук Научный руководитель Авдашева Светлана Борисовна, д. э. н.. Москва - 2012 Введение Глава...»

«Шопырин Данил Геннадьевич Методы объектно-ориентированного проектирования и реализации программного обеспечения реактивных систем Специальность 05.13.13 – Телекоммуникационные системы и компьютерные сети Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Шалыто А.А. Санкт-Петербург Оглавление ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1....»

«Гунькина Татьяна Александровна КРИТЕРИИ СОХРАННОСТИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА В УСЛОВИЯХ ПЕСКОПРОЯВЛЕНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ГАЗА Специальность 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений Диссертация на соискание...»

«ИВАНОВА Юлия Валентиновна УДК 1МИ ТРАДИЦИИ И ИХ РОЛЬ В ПОЛИТИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ ОБЩЕСТВА Специальность 09.00.11 – социальная философия ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель доктор философских наук, профессор Павлов Ю.М. Москва – 1994 Содержание ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА РАЗРАБОТКА КАТЕГОРИИ 1. ТРАДИЦИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ЛИТЕРАТУРЕ. ГЛАВА...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

«СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ...»

ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С МАКСИМАЛЬНЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ПОДАЧИ СТАНА ХПТ

РМ РС ДС

MENTOR II

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА

CONST I GAIN

DIS NPG

NPG GAIN

NPG GAIN

NPG GAIN

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)