Подводящий рольганг ТЛС5000.

Подводящий рольганг ТЛС5000.

Реферат

Пояснительная записка содержит: 85 страницы 25 иллюстраций, 15 таблиц, 11использованных источников.

Ключевые слова: преобразователь частоты, асинхронный двигатель, выпрямитель, инвертор, управляющий модуль, сетевой фильтр, сетевой дроссель, векторное управление. В ниже описанной ВКР был спроектирован электропривод подводящего рольганга ТЛС 5000. В пояснительной записке описаны: технология работы и требования к электроприводу механизма, также расчет упрощенной нагрузочной диаграммы. Опираясь на полученные в расчетах данные, произведена, проверка электродвигателя по нагреву иперегрузке, показан выбор основного электрооборудования, также представлена защита электропривода. Смоделирована система автоматического регулирования электропривода, показаны ее структурная и функциональная схемы. В связи с тем, что в качестве приводного двигателя выбран асинхронный электродвигатель, то в полученной системе автоматического регулирования применяется векторное управление. Для созданной системы управления выполняется расчет параметров объекта регулирования и САР. Для полученной системы автоматического регулирования использовалась математическая модель электропривода в базе математического пакета MathLAB Simulink, согласно которой смоделированы переходные процессы.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 9

1 Технологическая часть. 12

1.1 Назначение, состав и техническая характеристика устройства. 12

1.2 Параметры подводящего рольганга. 12

1.3 Технология. 15

2 Требования, предъявляемые к электроприводу. 17

2.1 Предварительный выбор двигателя. 17

2.2 Расчет и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы.. 19

2.3 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности. 25

3 Выбор силового оборудования. 28

3.1 Выбор преобразователя частоты и его основных элементов. 28

3.2 Выбор автономного инвертора. 29

3.3 Выбор блока выпрямления. 34

3.4 Выбор управляющего модуля. 37

3.5 Выбор сетевого дросселя. 38

3.6 Выбор сетевого фильтра. 39

4 Защита электропривода. 40

4.1 Защита от перегрузок и коротких замыканий. 40

4.2 Защита, осуществляемая средствами преобразователя. 41

4.3 Защита на стороне питающей сети. 42

4.4 Защита на стороне двигателя. 43

5 Выбор и разработка функциональной схемы САР. 44

5.1 Расчет параметров выбранного приводного двигателя. 48

5.2 Составление структурной схемы.. 49

6 Расчет и анализ переходных процессов. 62

7 Оптимизация работы приводов. 65

7.1 Сокращение времени холостого хода. 66

7.2 Уменьшение тока холостого хода. 76

7.3 Суммарная годовая разница. 82

Заключение. 85

Список использованных источников. 86

Введение

На прокатном стане используется исходный материал в виде непрерывно литых слябов. Непрерывно-литые слябы получаются на установке непрерывной разливки стали в слябы. Они передаются на склад слябов прокатного стана железнодорожным или автотранспортом. Холодные слябы транспортируются на подающий рольганг печи, а затем на загрузочный рольганг печи - к одной из нагревательных печей. Слябы загружаются в печь загрузочным устройством и подогреваются до требуемой температуры, которая зависит от сорта стали: для углеродистых сталей - до 1150-1250°С, а для высокопрочных низколегированных сталей (HSLA) с последующей термомеханической прокаткой - до 1100-1150°С.

По истечении соответствующего времени нагрева слябы выгружаются машиной выгрузки. После того, как слябы сгружены, рольганги перемещают их на первичный окалиноломатель. После данной очистки от окалины слиток попадает на подводящий рольганг, который находится от окалиноломателя, до чистовой клети, имеющую поворотный стол и боковые направляющие на входе и выходе.

Теперь сляб находится в линии стана. Стан состоит из 4-валковой реверсивной клети, вертикального эджера, расположенного за клетью и поворотного стола с боковыми линейками перед и позади клети. В зависимости от режима прокатки, сляб можно развернуть перед и/или за клетью.

Система рольганга выполняет свойство конвейера, доставляет слябы или листы прокатанного метала между секциями. Рольганги распространяются по всему цеху, они значительно упрощают работу, ведь достаточно задать скорость вращения и следить затем как металл пересекает весь цех.

Сам рольганг – вспомогательное устройство прокатного производства, но которое имеет колоссальную важность в технологических процессах, ведь от них зависит как быстро металл будет доставлен к следующему аппарату, например маркировщику. Подводящий рольганг по технологии прокатки требует регулирования скорости и оснащается регулируемым электроприводом. Рольганг может иметь как групповой, так и индивидуальный приводы роликов.

Подводящий рольганг расположен перед передним поворотным столом клети. Предназначается для передачи слябов/листов на чистовую клеть, может реверсироваться и действовать синхронно с чистовой клетью в обоих направлениях. Ролики с наружным водяным охлаждением. Подшипники подключены к центральной системе консистентной смазки.

Подводящие и отводящие рольганги служат для подачи металла к нагревательным печам или к стану, для отвода метала от стана и подачи его к вспомогательным машинам (ножницам, правильным машинам, и  т.д.) Один и тот же рольганг иногда может быть одновременно отводящим (например от стана) и подводящим (например, к ножницам за станом).

Рисунок 1 – Описание технологического процесса и установок

1 Технологическая часть

1.1 Назначение, состав и техническая характеристика устройства

Подводящий рольганг - вспомогательное устройство прокатного производства, предназначенное для транспортирования металла. Подводящий рольганг по технологии прокатки требует регулирования скорости и оснащается регулируемым электроприводом. Рольганг может иметь как групповой, так и индивидуальный приводы роликов.

В рольгангах с индивидуальным приводом каждый ролик имеет свой двигатель, все двигатели секции рольганга подключены параллельно к одному источнику питания и управляются одним командоаппаратом.

Подводящий рольганг расположен между рольгангом системы удаления окалины и поворотным столом чистовой клети. Он состоит из двух частей. Рольганг используется для транспортировки листа к группе чистовых клетей. Для каждой части используется один тип роликов. Скорость секции 1 ограничивается 4,0 м/с и состоит из 40 роликов, разделенных на 5 групп. Скорость секции 2 ограничивается 7,3 м/с и состоит из 63 роликов, разделенных на 13 групп.

Каждый ролик приводится в движение асинхронным трехфазным двигателем переменного тока через карданный вал. Питание на каждую группу подается от преобразователя частоты.

1.2 Параметры подводящего рольганга

Основными размерными параметрами рольгангов являются: диаметр, длина бочки, шаг роликов.

Диаметр роликов должен быть как можно меньше с целью снижения веса и махового момента, резко влияющего на мощность привода. Предел уменьшения диаметра роликов обусловлено прочностью, а в случае бокового перемещения метала - также габаритом подшипников и привода.

Рисунок 2 - Подводящий рольганг. Общий вид

У транспортных рольгангов длина бочки должна превышать максимальную ширину по­лосы (или пачки полос в случае транспорти­ровки одновременно нескольких полос) на 150—250 мм. Больший зазор относится к бо­лее широким полосам. Причем в случае транспортировки раскаленных слитков длина бочки роликов должна быть примерно на 300— 500 мм больше максимальной ширины слитка с целью предохранения роликовых подшипни­ков от нагревания.

Шаг роликов, из условий нахождения прокатываемого металла одновременно не ме­нее чем на двух роликах, должен быть не больше половины минимальной длины полосы, а при транспортировке слитков не должен пре­вышать расстояния от центра тяжести слитка до широкого торца. При несоблюдении этого условия движущаяся полоса будет ударять по роликам, ускоряя их износ и разбивая подшипники.

С этой же целью на этих рольгангах между приводными роликами иногда устанавливают холостые ролики меньшего диаметра.

Скорости рольгангов, работающих в режиме запусков, могут сильно отличаться от номинальных скоростей, соответствующих номинальному числу оборотов  двигателя, особенно для реверсивных рольгангов, скорость которых, как правило, выше номинальной, При длительном режиме работы рольганга с применением асинхронного двигателя его рабочая скорость практически совпадает с но­минальной скоростью.

У рабочих рольгангов рабочая скорость обычно берется согласно скорости про­катки, причем в случае тонких длинных полос скорость рольганга за станом должна быть на5—10% выше скорости прокатки с целью исключения смещения полосы вбок и образования складок.

 У транспортных рольгангов скорости устанавливают согласно требуемой производительности. У рольгангов, подводя­щих металл к печам или к стану, обычно до­статочна скорость 1,5—2,5 м/сек

В таблице 1 рассмотрены технические характеристики рольганга с прямым индивидуальным приводом.

Таблица 1 - Технические характеристики подводящего рольганга

1.3 Технология

Подводящий рольганг должен обеспечить высокую скорость подачи сляба от окалиноломателя к прокатной клети. Если требуется охлаждение, то и остывание сляба на рольганге.

Ролики испытывают серьезную нагрузку, поскольку масса сляба может достигать 30000 кг, а длина варьируется от 2000-5000 мм.

Рисунок 3 – Кинематическая схема индивидуального привода ролика
рольгангагде: 1 - ролик, 2 - подшипники, 3 - универсальный вал,
4 - муфта,5 - электродвигатель.

Подводящие и отводящие рольганги служат для подачи метала к нагревательным печам или к стану, для отвода метала от стана и подачи его к вспомогательным машинам(ножницам, правильным машинам, и  т.д.) Один и тот же рольганг иногда может быть одновременно отводящим (например от стана) и подводящим (например, к ножницам за станом).

2 Требования, предъявляемые к электроприводу

Металлургическиекомпаниисчитаютсяколоссальнымипотребителямиэлектроэнергии. Более 70% потребляемой ими электроэнергии требует электропривод, он в свою очередь, является основой двигательной энергии. Обязательно нужно безошибочно подобрать электропривод, для конкретной цели.

Исходя из этого, кэлектроприводу подводящего рольганга предъявляются следующие требования:

а) диапазон изменения скорости 0- 7,3 м/с;

б)   обеспечение заданных ускорении при пуске и торможении 0-2,94 м/с²;

в)   схема управления должна обеспечивать аварийную и экстренную остановку с сохранением параметров;

г) обеспечение защиты силового электрооборудования;

д)   электрооборудование должно соответствовать климатическим условиям, иметь высокую надёжность в условиях повышенной температуры, влажности и запылённости.

2.1 Предварительный выбор двигателя

Двигатель должен удовлетворять условию:

, (1)

где   P_н – номинальная мощность асинхронного двигателя ARC 355 MX8, установленного на данном механизме (70 кВт);

К_з= 1,1 - коэффициент, учитывающий отличие нагрузочной диаграммы механизма от нагрузочной диаграммы двигателя.

Следовательно,

   (2)

  (3)

Необходимое условие выполнено, что означает, что выбор остановлен на асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором ARC355MX8 со следующими данными (таблица 2).

Таблица 2 – Технические данные двигателя типа ARC355MX8

2.2 Расчет и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы

Так как система осуществляет прямолинейное передвижение со скоростью v_сляб, угловая скоростьролика находится:

, (4)

где   v_сляб– линейная скорость передвижения сляба;

 – радиус ролика.

Принимаем номинальную скоростью двигателя n_нравной 310 об/мин.

рад/с,   (5)

Момент инерции ролика:

, (6)

где    – масса ролика

Момент инерции сляба, приведенный к валу двигателя:

,  (7)

где    – масса передвигаемого сляба

Момент инерции на валу двигателя при холостом ходе (без сляба):

,   (8)

где  

Суммарный момент инерции на валу двигателя (со слябом):

,   (9)

где    – количество роликов, одновременно находящихся под передвигаемым слябом.

Динамический момент одного двигателя для разгона сляба на 2,94 м/с²:

,   (10)

где    – предписываемое технологическим процессов ускорение сляба для достижения предписанной скорости сляба

Динамический момент разгона двигателя с роликом:

 (11)

Суммарный динамический момент:

  (12)

Момент холостого хода ролика:

где    – сила притяжения,

 – диаметр цапфы подшипника вращения ролика,

 – коэффициент трения в подшипнике ролика,

 – КПД вала передачи момента от двигателя к ролику.

Момент транспортирования металла по одному ролику:

где   f–коэффициент трения металла по ролику

Момент двигателя при разгоне со слябом:

Момент двигателя с постоянной скоростью со слябом:

Момент двигателя при разгоне без сляба:

Момент торможения ролика без сляба:

Момент торможения ролика со слябом:

Мощность привода при транспортировке сляба с постоянной скоростью 4 м/с:

Мощность привода при разгоне сляба:

Мощность привода при торможении сляба:

Мощность привода при торможении ролика без сляба:

На рисунке 4 представлены графики мощности и расхода энергииусловного двигателя, передвигающего сляб со скоростью V, представленную на том же графике.

Рисунок 4 – График мощности и расхода энергии, действующего на сляб ролик при разгоне и торможении сляба

Время разгона сляба с нулевой скорости до номинальной:

где    – определенная технологическим процессом постоянная скорость передвижения сляба по рольгангу.

Путь, пройденный слябом за время разгона:

Расстояние от конца сляба, до первого ролика:

где    – расстояние между роликами рольганга.

2.3 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности

Согласно нагрузочнойдиаграмме,обуславливаетсяфактическаядлительностьвключения ПВф:

,   (27)

где   ;... - время включения.

 (28)

Согласно фактической ПВ_ф,есть возможность оценить режим работы двигателя.

Если ПВ_ф? 60%, в таком случае данный режим - повторно-кратковременный.

По нагрузочной диаграмме устанавливают эквивалентный момент М_э для ПВ_ф.

Чтобы проверить двигатель по нагреву необходимо выполнение условия:

(29)

где  

  (30)

t₁,t₂,..., t_n - время этих участков;

  (31)

Исходя из того, что Мэ, равный 950 Нм, меньше Мн, равного 2150 Нм, можно сделать вывод,что выбранный двигатель проходит по нагреву.

Из условий примем значение ПВ_стравное 15%.

ПересчитываютМ_э,соответствующийПВ_фнамоментМ_ст,чтобудетотвечатьподобранному ПВ_ст.

Теперь можемопределить расчётную мощность:

(33)

Коэффициент (1,1?1,3) предусматривает дополнительное нагревание двигателя за цикл переходных процессов, который. Режим работы двигателя мало усиленный, поэтому можно принимать коэффициент 1,1.

  (34)

Согласно каталогу, принимая ПВ_ст выбирают двигатель такой, чтобы Р_н ? Р_расч, и скорость имела соответствие сw_н.

70000?64913 (35)

Для проверки по перегрузочной способности должно выполняться условие:

где   Мmax- максимальный момент на нагрузочной диаграмме, равный Мп;

?-перегрузочная способность двигателя по моменту.

Используемый двигатель не противоречит условиям нагрева и возможной нагрузки.

3 Выбор силового оборудования

3.1 Выбор преобразователя частоты и его основных элементов

Преобразователь частоты S120 – это модульный преобразователь, гарантирующий обширныемногофункциональныевозможности.Модульныеэлементыимеютвсешансылегкосочетатьсясцельюпредоставленияразличныхусловийкфункциональностиисилыконцепцииэлектропривода.

Принципиальная электрическая схема разрабатываемого электропривода механизма подводящего рольганга представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема механизма подводящего рольганга

3.2 Выбор автономного инвертора

Силовая часть выбирается исходя из требуемой мощности двигателя, напряжения питания.

Расчет силовой части осуществляется следующим образом:

Инверторы и выпрямителичастотных преобразователейхарактеризуютсямаленьким диапазономперегрузочнойспособности.Поэтому преобразователь частоты следует выбирать в соответствии с действующей нагрузкой технологического процесса. Кроме того,автономныеинверторыопределяются следующими параметрами:

а) номинальный ток, имеющий зависимость от температуры окружающей среды;

б) максимальный допустимый ток, определенный термической стабильностьюполупроводников;

в) предельный ток коммутации.

АвтономныеинверторыиПЧ такжеопределяютсяследующими значениями мощности:

а) номинальная мощность, т.е. максимальная длительная мощность;

б) предельная кратковременная мощность, достигаемая на выходе преобразователя частоты при номинальном токе;

в)коммутационнаямощность, определяемая:

, (37)

(38)

Еслимощностькоммутациинеприведена,принимаемеё значение равнымкратковременной мощностипреобразователячастоты. Эта мощность относительно невелика и намного меньше мощности электродвигателей. При прямом пуске с номинальным напряжением и частотой сети пусковые токи асинхронных двигателей в 4-7 раз превышают номинальный ток двигателя.Тогда номинальный ток инвертора должен быть в том же диапазоне, что приведет к увеличению мощности как инвертора, так и ПЧ.

Данные о оптимальной номинальной частоте преобразователя могут быть получены путем ограничения пускового тока двигателя или пуска путем изменения частоты с минимального значения на номинальное значение. Это замедлит процесс запуска двигателя, поскольку будет уменьшен крутящий момент.

Если двигатели запускаются отдельно, кратковременный ток инвертора должен превышать сумму начальных токов пусковых двигателей вместе с номинальными токами других двигателей.

При расчете мощности преобразователя частоты необходимо также учитывать влияние высших гармоник, которые увеличивают максимальные и текущие значения токов преобразователя, которые зависят от индукционного сопротивления обмоток двигателя.

  (39)

где    – номинальный ток двигателя, А;

– пусковой ток двигателя, А.

Показано, что для шести ступенчатой кривой выходного напря­жения при номинальной нагрузке, действующее значение токов равно:

,   (40)

При определении параметров и выборе преобразователя частоты необходимо учитывать реактивную мощность двигателя, поскольку асинхронные двигатели работают с учетом коэффициента мощности.В этомслучаеинверторы рассчитывают пополной мощности, а выпрямителипоактивной.

Обычно ток статора остается постоянным на всех частотах, а напряжение статора изменяется линейно из-за того, что асинхронные двигатели работают с постоянным моментом нагрузки. Следовательно, при f_max полная мощность преобразователя будет наибольшей.Посколькупри больших частотахпотери накоммутацию инвертора, а также в стали двигателя,существенно увеличиваютсяу двигателей обычного исполнения, нужно учесть максимальнуюмощность.

Номинально длительно-допустимая мощность инвертора

, (41)

где   – номинальное напряжение сети, В.

При протекании максимального мгновенного значения тока инвертора,нужная достаточная мощность коммутации:

при t_p= 1 мин:

,   (42)

при t_p = 0,5c

,. (43)

Для обеспечения пускового режима двигателя кратковременная мощность инвертора считается достаточной:

(44)

Исходя из следующих данных, выбираем преобразователь частоты:

; (45)

  (46)

  (47)

,  (48)

где   К_з, равный 1,25, – коэффициент запаса мощности.

Учтя перегрузочную способность ПЧ, его максимальный ток равен:

(49)

где    – коэффициент перегрузки преобразователя частоты.

Пуск двигателя осуществляется за несколько секунд, но полученное значение тока должно быть обеспечено продолжительностью этой нагрузки в течение60 секунд. Также увеличивается коэффициент перегрузки инвертора при небольшой продолжительности приложения максимальной нагрузки. Поэтому выбирая инвертор используем значения номинального тока и допустимой перегрузки.

SinamicsS120, на нем останавливаем свой выбор, учитываяполученные условия, его технические данные приведены в таблице3.

Таблица 3 - Данные автономного инвертора напряжения.

Следует иметь в виду, что цикл нагрузки с переменной нагрузкой является основой работы подводящего рольганга. Допустимая перегрузка в этом режиме составляет: 1,3 I_H (т.е. перегрузка 130%), в течение 3 секунд 1,16 I_H (т.е. перегрузка 116%).

На рисунке 6 представлена схема силового модуля PM240.

Рисунок6 - Схемаподключения инвертора

3.3 Выбор блока выпрямления

Рассчитываются параметры выпрямителя на входе инвертора.

Требуемое напряжение на входе инвертора:

  (50)

где   Uфн-фазное напряжение питающей сети, В.

Максимальное выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя:

 (51)

где   U_с – линейное напряжение питающей сети, В.

Номинальный угол регулирования выпрямителя:

(52)

  (53)

Средний ток, потребляемый инвертором, определится:

 (54)

где   I₁ – модуль первой гармоники фазного тока двигателя, А.

Средний ток через ключ автономного инвертора равен:

 (55)

Средний ток через обратный диод автономного инвертора равен:

(56)

Активная мощность на выходе инвертора определится:

кВт.   (57)

Активная мощность на входе инвертора равна:

.   (58)

Выпрямленный ток источника напряжения определится из выражения:

  (59)

На основании вышесказанного выбирается активные модуль питания, который может работать и в двигательном и в генераторном режиме, генераторная энергия в свою очередь отдается в сеть. При отключении сетевого питания - без возможности рекуперации - потребуется управляемое торможение приводов, тогда используется модуль торможения и тормозные резисторы.

Изготовленный фирмой «Siemens» типа 6SL3330-7TE41-4AA0, активный модуль питания потребляет из сети почти синусоидальный ток и не генерируют вредные высшие гармоники тока. Технические данные выпрямителя представлены в таблице4.

Таблица 4 - Технические параметры выпрямителя 6SL3330-7TE41-4AA0

Рисунок7 - Схемаподключения выпрямителя

3.4 Выбор управляющего модуля

Исходя из числа возможно необходимых функций сначала выбирается оптимальный управляющий модуль. Опции коммуникации уже интегрированы и их отдельного заказа или подключения не требуется.

Управляющие модули CU310 могут использоваться во множестве приложений в общем машиностроении, как то ленточные транспортеры, мешалки и экструдеры, являются стандартными управляющими модулями для всех распространенных U/F или векторным управлением и идеально подходит для данного механизма подающих рольгангов.

Основные характеристики выбранного управляющего модуля представлены в таблице6.

На рисунке 8 представлена схема соединений управляющего модуля CU310 DP.

Рисунок 8 - Схема управляющего модуля серии CU310 DP

3.5 Выбор сетевого дросселя

Сетевые дроссели сглаживают потребляемый преобразователем ток, уменьшая тем самым его гармоническую составляющую. За счет сокращения доли высших гармоник тока уменьшается тепловая нагрузка на силовые компоненты в выпрямителе, а также конденсаторы промежуточного контура, и обратные воздействия на сеть.

При использовании сетевого дросселя срок службы преобразователя увеличивается. Выбирается сетевой дроссель, технические данные которого представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Данные сетевого дросселя

3.6 Выбор сетевого фильтра

Сетевые фильтры предназначены для ограничения влияния исходящих от работы преобразователя радиопомех на уровне допустимых значений. С помощьюсетевого фильтра можно увеличить класс помехоподавления силового модуля.

Активные выпрямители стандартно оснащаются активным интерфейсным модулем, который содержитдатчик напряжения сети и датчики контроля, схему предварительной зарядки, фильтр с помехозащищенностью.

Технические данные активного интерфейсного модуля представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Данные активного интерфейсного модуля.

4 Защита электропривода

4.1 Защита от перегрузок и коротких замыканий

Для защиты преобразователей от внешних коротких замыка­ний и длительных перегрузок по току применяются автоматические выключатели, которые выполняют функцию защиты, которые в свою очередь еще и многократного действия, что позволит в дальнейшем сэкономить, а также быть уверенным, что выключатель будет выполнять свои основные функции.

Для защиты преобразователя частоты выбираем автоматический выключатель из следующих условий:

а)Тепловой расцепитель автомата защищает электроустановку от длительной перегрузки по току. Ток уставки теплового расцепителя принимается равным на 15—20% больше рабочего тока:

где   Iр – рабочий ток преобразователя частоты.

б)Электромагнитный расцепитель автомата защищает электроустановку от коротких замыканий. Ток уставки электромагнитного расцепителя определяется из следующих соображений: ток срабатывания электромагнитного расцепителя Iэмр выбирается кратным току срабатывания теплового расцепителя:

где   К=4,5-10 – коэффициент кратности тока срабатывания электромагнитного расцепителя.

Из этих условий принимаем автоматический выключатель фирмы Siemens, технические данные которого приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Технические данные выключателя фирмы Siemens

Также в качестве защиты электродвигателя от перегрузок и токов короткого замыкания применяются плавкие предохранители. Плавкий предохранитель является самым слабым участком защищаемой электрической цепи, срабатывающим в аварийном режиме, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи. Примем плавкий предохранитель их следующего условия:

Исходя из этого условия плавки плавкий предохранитель фирмы Siemens серии 3NA, технические данные которого приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Технические данные предохранителя фирмы Siemens 3NA

4.2 Защита, осуществляемая средствами преобразователя

Производителем предусмотрены следующие встроенные элементы защиты:

а) Электронная тепловая защита двигателя от перегрузки;

б)   Контроль температуры радиатора;

в)   Защита преобразователя от КЗ на клеммах;

г) Защита от отцепления фазы;

д)   Непрерывный контроль напряжения промежуточной цепи постоянного тока;

е) Защита от неисправности заземления на клеммах двигателя;

ж)   Защита от потери фазы отключением преобразователя при подаче нагрузки на двигатель.

Когда в цепи транзисторов инвертора протекают аварийные токи, они значительно уязвимы для тока перегрузки, тут практически невозможно защитить транзисторы IGBT с помощью применения защиты цепи.Ситуация усугубляется большойэнергией мощного конденсатора фильтра в цепи постоянного тока. Здесь возможно лишь быстродействующее (1-3 мкс) выключение транзисторов по цепям управления. Для этих целей в цепь силового канала электроприводаустанавливаются датчики тока. Также, транзисторы можно отключать с помощью специальных управляемых генераторов сигналов - интеллектуальных контроллеров с защитной функцией.

4.3 Защита на стороне питающей сети

Со стороны сети ставится главный выключатель - разъединитель с держателями под предохранитель, предохранитель, главный контактор, входной фильтр, коммутационный дроссель. Автоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты вентильных преобразователей от внешних коротких замыкании и перегрузок потоку.

Положение выключателей в цепи вентильного преобразователя определяется аварийным срабатыванием большинства вентилей, от которых предусмотрена защита. В этом случае необходимо учитывать особенности работы преобразователя, требования к защите полупроводников и селективность изоляции поврежденной цепи.

4.4 Защита на стороне двигателя

На выходе преобразователя ставится следующая защита:

Выходной дроссель фирмы Siemens серии 6SL3000-2AE41-4AA0 с PV max равной 1054 Вт.

Автоматические выключатели SINAMICS 3WL.

Все защитные устройства взяты из каталога SINAMICS и рекомендованы компанией для данного преобразователя частоты.

5 Выбор и разработка функциональной схемы САР

Стандартное программное обеспечение платы управления содержит различные разомкнутые и замкнутые структуры управления для различных применений. Среди них есть:

- Разомкнутая система скалярного управления по U/f характеристике для простых электроприводов;

- Замкнутая система скалярного управления по U/f характеристике с внешней обратной связью по скорости для случая, когда компенсация скольжения не обеспечивает необходимой точности поддержания скорости;

- Векторное управление для приводов с высокой динамикой.

По требованиям, предъявляемым к электроприводу необходимы ограничения скорости и момента, как в динамике, так и в статике. Это может обеспечить только векторное управление. При таком управлении достигаются динамические характеристики близкие к двигателю постоянного тока. Это достигается путем раздельного управления составляющими тока статора, отвечающими за момент и за поле. Таким образом становится возможным точное управление моментом.

Векторное управление бывает трех типов:

а) Векторное управление скоростью без датчика скорости. Обычно используется для одноприводныхмеханизмов с асинхронными двигателями с требуемым диапазоном регулирования 1:10, то есть для многих промышленных реализаций, таких как прессы и вентиляторы, центрифуги, некритические механизмы транспортировки и выравнивания;

б) Векторное управление скоростью с датчиком скорости. Он используется для однодвигательных асинхронных приводов с повышенными требованиями к динамике даже на низких скоростях с высокой точностью регулирования:выравнивающих механизмов, крановых двигателей с точным позиционированием. Тахогенератор постоянного тока в этом случае не подходит по требованиям точности, поэтому следует использовать, например, инкрементальный датчик;

в) Векторное управление моментом с датчиком скорости. В случае если необходимо поддержать постоянный момент на валу двигателя, например привода моталок, система приводов ведущий – ведомый, системы регулирования натяжения.

При выборе между векторным управлением скоростью без датчика скорости или с датчиком скорости необходимо рассмотреть следующие факторы. Датчик скорости необходим если

-   необходима наивысшая точность регулирования скорости;

-   необходимо удовлетворить повышенным требованиям к динамике;

-   требуется точное управление моментом при скорости меньше 10% от номинальной скорости двигателя.

Информация о фактических значениях и пространственном расположении векторов переменных АД может быть получена как прямым измерением с использованием соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяется техническими требованиями привода. В целом системы с косвенным управлением координатами электропривода имеют более низкие статические и динамические характеристики, чем системы с прямым векторным управлением, из-за нестабильности и сложной взаимосвязи параметров АД. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом преимущество косвенно управляемых систем заключается в простоте технических решений и, следовательно, в практической надежности.

Исходя из вышеизложенного, система векторного управления выбирается на основе микроконтроллера с датчиком скорости и косвенного управления координатами, реализуемого программно, где информация о векторах магнитного потока АД получается косвенно на основе математических моделей. При этом базовой является структура управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора и модульного принципа построения системы управления.

На рисунке 9 представлена функциональная схема системы управления электроприводом серии Sinamics S120 с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД. Система имеет два основных канала управления - угловой скоростью w и модулем потокосцепления ротора  cY2c АД, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I1xи  I1у в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью w0эл  магнитного поля двигателя.

Развернутая функциональная схема системы управления электроприводом серии Sinamics S120 с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД представлена ниже.

Рисунок 9 – Функциональная схема векторной системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

5.1 Расчет параметров выбранного приводного двигателя

Индуктивность рассеяния статорной обмотки двигателя:

где   – индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора;

– номинальная электрическая угловая частота тока статора;

– номинальная частота напряжения питания двигателя;

Полная индуктивность обмотки статора:

где:

Индуктивность рассеяния роторной обмотки двигателя:

где    – индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора.

Полная индуктивность обмотки ротора:

Коэффициент электромагнитной связи ротора:

Коэффициент электромагнитной связи статора:

Электромагнитная постоянная времени статорной цепи:

Электромагнитная постоянная времени роторной цепи:

5.2 Составление структурной схемы

Принцип векторного управления асинхронным двигателем основан на преобразовании координат двигателя (напряжения, тока, магнитного потока и т.д.), которые измеряются в неподвижном положении относительно вращающейся системы координат x, y. В результате этого преобразования выбираются компоненты соответствующих обобщенных векторов во вращающейся системе координат, которые имеют постоянные значения. Их управление позволяет раздельно управлять скоростью и переключением потока асинхронного двигателя.

Использование условий, которые компенсируют основные нелинейности асинхронного двигателя в системе управления как элемента САУ, позволяет математически описать динамические состояния АД с помощью векторной системы управления, соответствующей математическим элементам описания таких режимов для двигателя постоянного тока с двузонным регулированием скорости. Это позволяет применять принципы управления ведомым устройством к асинхронному приводу.

В системе координат x, y, связанной с вектором потокосцепления ротора, электромагнитный момент АД определяется:

,   (73)

где    - количество пар полюсов асинхронного двигателя;

 - коэффициент электромагнитной связи ротора;

 - вектор потокосцепления ротора, Вб;

 - составляющая тока статора на оси y, А.

Таким образом, из выражения (73) следует, что путем стабилизации потокосцепления ротора,  управление электромагнитным моментом сводится к управлению составляющей тока , как управление двигателем постоянного тока с неизменным током возбуждения.

Вектор обобщенного потокосцепления ротора определяется:

,   (74)

где    - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора, Гн;

 - постоянная времени контура ротора, с.

Из выражения следует, что стабилизация или регулирование потокосцепления ротора может быть достигнута путем стабилизации или управления проекцией тока.

На основе системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы асинхронного двигателя и структурной схемы асинхронного двигателя как объекта управления, структурная схема системы векторного управления представлена в виде модуля потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора. Структурная схема системы автоматического регулирования с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора представлена на рисунке 10.

Потокосцепление ротора не зависит напрямую от составляющей . Канал регулирования потокосцепления содержит два апериодических звена с передаточными функциями:

 и ,   (75)

Следовательно, была построена двухконтурная система подчиненного регулирования с внутренним контуром управления по току статора  и с внешней, по модулю потокосцепления ротора.

Канал управления скоростью содержит два контура регулирования: внутренний - по току статора, внешний - по угловой скорости ротора.

В схеме СУЭП сформированы два канала регулирования, параметры регуляторов которых рассчитываются так:

Передаточная функция примет вид:

, (76)

где    - активное сопротивление статора, Ом;

 - электромагнитная постоянная времени статорной цепи, с.

Передаточная функция примет вид:

,   (77)

где    - взаимная индуктивность, Гн;

 - электромагнитная постоянная времени роторной цепи, с

Рисунок 10 - Структурная схема системы автоматического регулирования с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора

Динамические свойства преобразователя частоты с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно представлены передаточной функцией инерционного звена:

,   (78)

где    - коэффициент усиления преобразователя частоты;

 - постоянная времени преобразователя частоты (с).

Поскольку максимальное напряжение на выходе преобразователя частоты составляет 400 В, то коэффициент усиления преобразователя частоты определится по формуле:

,(79)

где    - максимальное напряжение на выходе преобразователя частоты, В;

 - максимальное напряжение управления, В.

По формуле определим передаточную функцию преобразователя частоты:

(80)

Согласно методу расчета подчиненных систем управления, каждый контур канала рассчитывается на модульный оптимум с помощью ПИ-регуляторов, которые компенсируют возмущения соответствующих апериодическихзвеньев.

Внутренний контур регулирования составляющие тока  содержит ПИ-регулятор тока с передаточной функцией:

, (81)

где    - электромагнитная постоянная времени статорной цепи, с;

 - постоянная времени контура регулирования составляющей тока, с.

Постоянная времени контура регулирования составляющей тока  определится по формуле:

, (82)

где    - постоянная времени преобразователя частоты, с;

 - коэффициент усиления преобразователя частоты;

 - коэффициент обратной связи по току;

 - активное сопротивление статора, Ом.

Коэффициент обратной связи по току определится по формуле:

,(83)

где   - напряжение обратной связи по току, В.

Тогда передаточная функция внутреннего контура регулирования составляющей тока  примет вид:

(84)

Постоянная времени интегратора ЗИТ определяется соотношением:

,(85)

где    – допустимая скорость изменения тока

Номинальное значение потокосцепления определится по формуле:

Вб,(86)

где    - номинальный момент эквивалентного двигателя;

,   (87)

где    - число пар полюсов двигателя;

 - коэффициент роторной цепи;

 - моментная составляющая номинального тока статора, А.

Коэффициент цепи обратной связи контура регулирования потокосцепления ротора асинхронного двигателя определится по формуле:

,(88)

где    - напряжение обратной связи по потокосцеплению, В;

 - номинальное значение потокосцепления, Вб.

Постоянная времени интегрирования контура регулирования потокосцепления ротора асинхронного двигателя определится по формуле:

с, (89)

где    - постоянная времени преобразователя частоты, с;

 - взаимная индуктивность, Гн;

 - коэффициент цепи обратной связи контура регулирования потокосцепления ротора асинхронного двигателя;

- коэффициент обратной связи по току.

Внешний контур регулирования потокосцепления содержит ПИ-регулятор потока с передаточной функцией:

,(90)

где    - электромагнитная постоянная времени роторной цепи, с;

 - постоянная времени интегрирования контура регулирования потокосцепления ротора, с.

Канал регулирования тока I_sy и момента содержит одно апериодическое звено, настроенное на модульный оптимум, имеющее вид:

 , (91)

где    - активное сопротивление статора, Ом;

 - электромагнитная постоянная времени статорной цепи, с.

Следовательно, внутренний контур регулирования тока  имеет ПИ-регулятор тока с той же передаточной функцией, что и в контуре регулирования тока , имеющий вид:

,   (92)

где    - электромагнитная постоянная времени статорной цепи, с;

 - постоянная времени контура регулирования составляющей тока , с.

Коэффициент обратной связи по скорости считается по формуле:

,(93)

где    - напряжение обратной связи по скорости, В;

 - номинальная угловая скорость двигателя, с^-1.

На входе регулятора скорости должен быть включен блок деления, аналогично с системами двузонного регулирования скорости двигателя постоянного тока.

Тогда передаточная функция регулятора скорости примет вид:

,   (94)

где    - суммарный момент инерции двигателя;

, (95)

где    - масса ролика;

 - диаметр ролика;

 - коэффициент обратной связи по току;

 - номинальное значение потокосцепления, Вб;

 - постоянная времени преобразователя частоты, с;

 - число пар полюсов двигателя;

 - коэффициент обратной связи по скорости

Если ввести компенсирующиевоздействияU_кх и U_ку, которые позволяютнивелироватьвлияние перекрестных обратных связей, качество регулирования улучшится.

При наличии компенсирующих сигналов объект регулирования можно описать следующими функциями:

 = ; (96)

 = ;   (97)

=; (98)

; (99)

=.   (100)

В соответствии с уравнениями можно получить упрощеннуюСАР АД, представленную на рисунке 11.

Рисунок 11 - Упрощенная структурная схема объекта регулирования с векторным управлением

Эта система имеет канал регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования тока  и локальную систему стабилизации потокосцепления ротора, в которой применяется подчиненный контур регулирования тока .

Если использовать компенсационные обратные связи, в системе обеспечивается условие автономии для стабилизации потокосцепления ротора.

Это условие, в свою очередь, позволяет выполнять синтез регулятора потока (РП) и тока РТХ независимо от координат системы стабилизации скорости. Указанные условия автономности применимы также к регуляторам скорости РС и тока РТУ. Также упрощен синтез система, за счёт того, что контуры регулирования токов одинаковы.

Последовательно с регулятором скорости устанавливается блок деления, который нивелирует влияние узла умножения при задании электромагнитного момента.Приизменениипотокосцепленияротораобеспечиваетсяпостоянныйпередаточный коэффициент разомкнутой системыпо скорости.

При таком построении системы регулирования динамические характеристики системы векторного управления частотно-регулируемым электроприводом аналогичны динамическим характеристикам систем управления электроприводами постоянного тока.

Кроме того, использование таких систем связано с использованием сложного ПЧ. Такой ПЧ, как правило, содержит АИ с ШИМ, в котором вентили работают при повышенной частоте коммутации.

Упрощенная схема САР с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора представлена на рисунке 12.

Рисунок 12– Упрощенная структурная схема системы автоматического регулирования с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора

6 Расчет и анализ переходных процессов

Моделируется математическая модель системы автоматического регулирования, по которойпроизводилсярасчетпереходныхпроцессов,такжеоценивалисьстатическиеидинамическиехарактеристик.

Данная модель разработана на основе функциональной и структурной схемы системы автоматического регулирования и продемонстрирована в виде динамической модели в средеMatlab.

Используяэтумодель,проводилсяанализстатическихидинамическихсвойств системы для различных переходных режимов,продемонстрированы кривые переходных процессов w = f(t) и M = f(t).

С помощью пакета Matlab, были спроектированы переходные процессы электропривода, основываясь на структурную схему.

Подведя итог, основное требование, которое заключалось в том, чтобы обеспечить минимальные ошибки регулирования скорости, было выполнено, что говорит о том, что смоделированная система электропривода нам подходит.

Рисунок 13 – Математическая модель САР

Рисунок 14 – График переходных процессов намагничивающей составляющей тока статора (Uотп), потокосцепления (Uоп), скорости (Uос) и моментной составляющей статора (Uот) приведённые к напряжению обратной связи (10В) при трапецеидальном законе задания скорости с реактивной нагрузкой.

7 Оптимизация работы приводов

Текущая реализация работы рольганга осуществляется управлением одним инвертором восемью двигателями (секцией) одновременно (рисунок 15).

Рисунок 15 – Секционное управление двигателей

Такой подход ограничивает возможность оптимизации работы двигателей как по заданию скорости работы, так и оптимизации по току холостого хода.

Реализация независимого управления двигателями предполагает индивидуальный инвертор для каждого отдельно работающего двигателя, питающихся, от одного выпрямителя (рисунок 16).

Рисунок 16 – Независимое управление двигателей

7.1 Сокращение времени холостого хода

Время прокатывания сляба по i-му ролику во время разгона:

Время прокатывания сляба по i-му ролику после разгона:

Полученное время прокатывания по каждому слябу первой секции представлено в таблице 9.

Таблица 9 – Время полезной работы ролика первой секции

На рисунках 17 – 24 представлены диаграммы работы двигателей первых двух секций двигателей рольганга при секционном и независимом управлении двигателями.

Рисунок 17 – Тахограмма двигателей первой секции (w1 – w8) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 18 – Тахограмма двигателей второй секции (w9 – w16) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 19 – Диаграмма моментов двигателей первой секции (М1 – М8) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 20 – Диаграмма моментов двигателей второй секции (М9 – М16) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 21 – Диаграмма мощностей двигателей первой секции (P1 – P8) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 22 – Диаграмма мощностей двигателей второй секции (P9 – P16) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 23 – Диаграмма затрат энергии двигателей первой секции (E1 – E8) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

Рисунок 24 – Диаграмма затрат энергии двигателей второй секции (E9 – E16) при секционном управлении (пунктирная линия) и независимом (сплошная линия)

7.2 Уменьшение тока холостого хода

Активный номинальный ток статорной обмотки:

где    – номинальный статорный ток двигателя,

 – коэффициент мощности двигателя при номинальной нагрузке.

Активный при различных моментах определяется:

где    – номинальный момент двигателя

Значения активного тока для каждого режима представлены в таблице 10.

Таблица 10 – Моменты и активные токи для всех режимов технологического процесса

Полный ток статорной обмотки, в соответствии с Т-образной схемой замещения (рисунок 25), определяется:

где    – ток холостого хода двигателя.

Рисунок 25 – Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

Мощность, теряемая в контуре статорной обмотки, определяется:

где   – падение напряжения на диоде выпрямителя (0,6 В),

 – падение напряжения на транзисторе инвертора (2,1 В),

 – ток, протекающий через выпрямитель,

 – сопротивление контура статорной обмотки:

где  – удельное сопротивление кабеля инвертор–двигатель,

 – длина кабеля.

Полученные значения полного тока статорной обмотки и потери мощности на её сопротивлении п преобразователе частоты для каждого режима работы при токе холостого хода равного 110 А и 55 А представлены в таблице 11.

Таблица 11 – Ток и потеря мощности на статорной обмотке и преобразователе частоты

Потеря соответствующей энергии определяется:

где    – время работы двигателя в соответствующем режиме.

Полученные значения для всех режимов работы представлены в
таблице12.

Таблица 12 – Потеря энергии в контуре статорной обмотки на одном проходе сляба

Экономия энергии определяется:

Энергия по каждому двигателю и разница межу этими значениями при разных I₀представлена в таблице 13.

Таблица 13 – Потери энергии на статорной обмотке и
ПЧ и разница при разных токах: