CC BY
96
УДК 621.771.3
B.А. Бондаренко, асп., (3519) 29-85-29, [email protected],
C.А. Линьков, канд. техн. наук, доц., (3519) 22-45-87, [email protected],
О.С. Малахов, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-85-29, [email protected],
А. А. Радионов, д-р техн. наук, зав. кафедрой, (3519) 29-85-29, [email protected],
Д.В. Ульянов, студент, (3519) 22-45-87, [email protected] (Россия, Магнитогорск, МГТУ)
ОПЫТ РЕКОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВОЛОЧИЛЬНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ СТАНОВ
Приведен опыт реконструкции автоматизированных электроприводов волочильных проволочных станов. Сформулированы технологические требования. Описаны предлагаемые системы управления электроприводами блоков и намоточных аппаратов.
Ключевые слова: прямоточный волочильный стан, групповыми электроприводами постоянного тока, автоматизированный электропривод.
Доля производства длинномерных изделий, таких, как проволока, сорт и т.п., в общем объеме выпуска стального проката составляет 10.. .12 % (или в целом по России до 10 млн тонн/год). Металлическая проволока, являясь основной продукцией метизного передела, находит применение практически во всех отраслях промышленности и хозяйственной деятельности. Основным способом ее производства является волочение через монолитные, либо роликовые волоки, реже холодная, либо теплая прокатка в двух- и многовалковых калибрах.
В настоящее время оборудование волочильного передела на большинстве метизных предприятий России выработало свой ресурс, находится в изношенном состоянии и требует комплексной реконструкции. Исследования технико-экономических показателей различных станов метизных заводов показали, что коэффициент технического использования оборудования волочильных станов составляет менее 0,5 [1]. Основными факторами, снижающими производительность станов являются обрывность проволоки и большие затраты времени на проведение вспомогательных операций.
Большинство прямоточных волочильных станов оснащено групповыми электроприводами постоянного тока с последовательным либо параллельным соединением якорей с устаревшими системами регулирования (в большинстве случаев по цепи возбуждения двигателей). Авторами доклада проведена комплексная работа по разработке и совершенствованию теории и практики автоматизированных электроприводов волочильных
станов. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, даны рекомендации по модернизации волочильного оборудования, которые нашли практическую реализацию на метизно-металлургических предприятиях Уральского региона.
На основе анализа технологического процесса волочения проволоки были уточнены требования к электроприводам стана [2]. Общими для всех электроприводов являются следующие требования: обеспечение заправочного и толчкового режимов работы; обеспечение постоянного ускорения при пусках и торможениях; совместное и раздельное управление электроприводами; обеспечение режимов рабочего, экстренного и аварийного торможения с рекуперацией энергии в сеть. При этом электроприводы вытяжных блоков должны обеспечивать как регулирование скорости волочения в диапазоне 50:1 и с ошибкой, как в статических, так и в динамических режимах работы, не превышающей ± 2 %, так и регулирования величин противонатяжения в пределах 10:1 с ошибкой, не превышающей ± 15 %. Для электроприводов намоточных устройств, обеспечивающих съем проволоки со стана и ее смотку на катушки, определены следующие технологические требования: обеспечение регулирования натяжения смотки по заданному закону с точностью не менее ± 15 %; диапазон регулирования натяжения до 5:1; диапазон изменения скорости в пределах 50:1. Кроме того, при проектировании систем электропривода волочильных станов необходимо учитывать загрязненные условия их работы, а потому следует использовать двигатели защищенного исполнения, а всю аппаратуру размещать в пыленепроницаемых шкафах и пультах управления.
Анализ требований позволил предложить к реализации в качестве исполнительных приводов автоматизированный электропривод, построенный по системе преобразователь частоты - асинхронный короткозамкну-тый двигатель, система автоматического регулирования которого выполнена по принципу подчиненного регулирования координат [3]. На рис. 1 приведена укрупненная функциональная схема разработанной системы автоматизированного электропривода блоков прямоточного волочильного стана.
Реализацию противоречивых требований по точности регулирования скорости волочения и противонатяжений в каждом межбарабанном промежутке предложено выполнить распределением задач между электроприводами блоков - разделение их на одного ведущего и остальные ведомые.
Система управления работает следующим образом. С помощью блоков задания противонатяжений и скорости последовательно задаются величины противонатяжений проволоки в соответствии с маршрутом волочения при этом задание на скорость равно нулю. После установки про-тивонатяжений во всех межбарабанных промежутках формируется сигнал на разгон стана. Стан разгоняется до рабочей скорости. При отклонении
противонатяжения от заданной величины, например увеличении во втором межбарабанном промежутке, сигнал с датчика противонатяжения уменьшается, увеличивая тем самым разность сигналов на входе регулятора противонатяжения. Сигнал на выходе регулятора противонатяжения увеличивается, а, следовательно, последовательно увеличиваются задание на скорость (входной сигнал регулятора скорости), ток (входной сигнал регулятора тока) и сигнал задания на входе преобразователя частоты. Это приводит к увеличению момента двигателя, который в свою очередь кратковременно увеличивает скорость, а поскольку мощность деформации не изменяется, то происходит уменьшение величины противонатяжения. Таким образом, величина противонатяжения во втором межбарабанном промежутке принимает свое исходное значение. Кроме того, в режимах изменения скорости волочения блок задания противонатяжений и скорости формирует дополнительные компенсирующие сигналы задания на входах систем регулирования противонатяжения, величина которого пропорциональная ускорению и тем самым исключает динамическую ошибку в регулировании противонатяжения.
Рис. 1. Укрупненная функциональная схема автоматизированного электропривода блоков прямоточного волочильного стана
Синтезированы двухконтурная система регулирования скорости ведущего блока и трехконтурная система регулирования противонатяжения ведомых блоков. Настройку контуров регулирования тока и скорости в обеих системах электропривода (как ведущего, так и ведомого) следует выполнять на модульный (технический) оптимум. Синтез регулятора про-
тивонатяжения осуществлен методом логарифмических частотных характеристик. Определено, что регулятор противонатяжения должен иметь интегральную структуру. С целью обеспечения заданной точности стабилизации противонатяжения по возмущающему воздействию в виде изменения скорости волочения рекомендовано введение дополнительного сигнала задания, пропорционального ускорению, подобно тому, как это делается в системах косвенного регулирования натяжения.
При реконструкции намоточных аппаратов станов среднего и грубого волочения положительно себя зарекомендовали системы электропривода, обобщенный вид структурных схем которых приведен на рис. 2. Промышленно опробованы как косвенное, так и прямое регулирование натяжения.
Рис. 2. Обобщенный вид структурных схем автоматизированного электропривода намоточного аппарата стана
среднего и грубого волочения
Разработаны комбинированные системы управления электропривода катушки намоточного аппарата, обеспечивающие в соответствии с технологическими требованиями два режима работы. Первый, основной режим - смотка проволоки с регулированием натяжения. Второй, вспомогательный - обеспечение заправочного и толчкового режимов рабо-
153
ты; режимов экстренного и аварийного торможения с регулированием скорости двигателя катушки.
Система прямого регулирования является трехконтурной системой с подчиненным регулированием координат с внутренними контурами тока, скорости и внешним контуром натяжения. Переключение режимов регулирования осуществляется автоматически за счет воздействия на уставку блока ограничения регулятора натяжения. Введенное на выход регулятора скорости множительно-делительное устройство обеспечивает инвариантность настройки контура скорости при работе с ослаблением магнитного потока, а также при изменении суммарного момента инерции привода, приведенного к валу электродвигателя.
Система косвенного регулирования натяжения, по сути, представляет собой систему стабилизации момента на валу двигателя. При формировании сигнала задания на ток в ней учитывается компенсация момента потерь и динамического момента. Переключение режимов работы (регулирования натяжения или скорости) осуществляется управляемым блок ограничения, который установлен на регуляторе скорости. Для перехода из режима регулирования натяжения уровень ограничения регулятора скорости увеличивается до максимального значения, и контур регулирования тока становится подчиненным контуру регулирования скорости.
В обеих системах необходимый закон изменения натяжения формируется с помощью блока корректировки задания на натяжение (БКЗН), представляющий собой пропорциональный регулятор. Посредством этого блока организована система с компенсацией возмущения, каковым и является изменение скорости вращения шпули для системы стабилизации момента на её валу.
Обе системы показали высокую надежность в работе, но поскольку косвенная система наиболее проста в реализации, то при реконструкции волочильных станов предпочтение следует отдавать именно этой системе.
Намоточные аппараты станов тонкого волочения представляют собой сложные мехатронные системы, выполненные в едином конструктивном исполнении со станом и приводимые во вращение через редуктор от главного электропривода. В качестве примера на рис. 3 приведена кинематическая схема намоточного аппарата стана мокрого волочения 160/21. В первоначальном исполнении электродвигатель волочильного стана соединен с катушкой намоточного аппарата посредством асинхронной муфты скольжения, обеспечивающей согласование скорости, регулирование момента, а следовательно и натяжения в проволоке на участке смотки. Управление асинхронной муфтой скольжения осуществляется через регулировочный трансформатор, механически связанный посредством зубчатой передачи с рычагом управляющего маятника.
1-1У - стягивающие диски; V, VI - ролики маятника;
VII - раскладочный ролик; VIII - катушка; IX - груз маятника
Простота реализации такой системы электропривода сопровождается низкой энергетической эффективностью его работы (к.п.д. муфты скольжения до 0,44) и существенной избыточностью механических узлов. Кроме того, существенным недостатком конструкции такого намоточного аппарата является сложность заправки проволоки, большое количество перегибов на стягивающих дисках и роликах, неоднозначно сказывающихся на качестве готовой проволоки. Имеющаяся большая инерционность механизма вносит в переходных режимах запаздывание и колебательность, а также снижает скорость волочения в целом.
При реконструкции намоточных аппаратов таких волочильных станов авторами доклада рекомендуется устанавливать индивидуальные электроприводы катушек по системе ПЧ-АД. В промышленных условиях были опробованы два принципиально различных способа построения системы управления электроприводом. Первая реализует принцип регулирования скорости - двухконтурная система с внутренним контуром регулирования тока и внешним контуром регулирования скорости. Реализация поддержания постоянного натяжения смотки в ней выполнена регулированием скорости намотки шпули. Заданная величина натяжения обеспечивается совместной работой маятника и полиспаста (см. рис. 3). В качестве источника сигнала задания на скорость в такой системе использован сиг-
нал, пропорциональный углу поворота маятника. При отклонении линейной скорости намотки происходит отклонение маятника, изменяется сигнал задания на скорость и далее скорость вращения двигателя. Направление воздействие компенсирует отклонение - увеличивая скорость намотки при ослаблении натяжения и, наоборот, снижая скорость при его увеличении.
Вторая система управления электроприводом обеспечивает косвенное регулирование натяжения проволоки при смотке - система прямого регулирования момента двигателя. В этом случае из конструкции намоточного аппарата исключаются полиспаст и маятник, проволока передается напрямую через диск I и раскладочный ролик VII на катушку VIII (см. рис. 3). Сигнал задания на момент в такой системе формируется с учетом необходимости задания таких составляющих, как момент от натяжения проволоки и динамического момента при изменении скорости намотки
Анализ эффективности проведенных реконструкций волочильных станов выявил возможность: повышения производительности волочильных станов за счет снижения обрывности проволоки до 15 %; снижения затрат электроэнергии до 25 %; увеличения скорости волочения до 20 %; исключения из конструкций намоточных аппаратов станов тонкого волочения редуктора и электромеханической муфты, тем самым повышения надежности работы оборудования; повышения качества смотки проволоки за счет стабилизации натяжения, отсутствия обрывов и снижения упругих колебаний натяжения в ней.
Список литературы
1. Радионов А. А. Автоматизированный электропривод совмещенного прокатно-волочильного проволочного стана: дисс. ... д-ра техн. наук. Магнитогорск, 2009. 333 с.
2. Радионов А. А. Автоматизированный электропривод станов для производства стальной проволоки: монография. Магнитогорск: МГТУ, 2007. 311 с.
3. Линьков С.А. Разработка автоматизированного электропривода энергоэффективного волочильного стана: дисс. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2006. 120 с.
V. Bondarenko, S. Linkov, O. Malahov, A. Radionov, D. Uliyanov
Reconstruction of electric drives of wire draw benches
The reconstruction experience of the drawing mills automatic electric drives is produced. The technological requirements are formulated and the proposed control systems of electric blocks and winding machines are described.
Keywords: direct-flow draw bench, group electric drive of direct current, automatic electric drive.
Получено 06.07.10
