Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»

УДК 621.771.22

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Покращення динамічних показників головного електроприводу стана гарячої прокатки

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Задорожня Інна Миколаївна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі комп'ютерних інформаційних технологій Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тарасов Олександр Федорович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри комп'ютерних інформаційних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузнецов Борис Іванович, Науково-технічний центр магнетизму технічних об'єктів НАН України, завідувач відділом проблем управління магнітним полем;

кандидат технічних наук, доцент Борисенко Володимир Пилипович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок.

Захист відбудеться «4» березня 2010 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий «29» січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осичев О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Близько 90 % прокатних станів на Україні експлуатується з перевищенням встановленого строку служби, що призводить до високої аварійності з розтрощенням деталей механічних передач металургійних машин. Надійність та безвідмовність експлуатації головних електроприводів прокатних станів, зокрема станів гарячої прокатки, визначається роботоспроможністю клітей.

На динаміку процесів в головних електроприводах клітей станів гарячої прокатки значний вплив спричиняє наявність пружних механічних ланок передачі «двигун - валки». При захваті металу валками в передачах з пружними механічними ланками збуджуються коливання координат електроприводу з відхиленням параметрів прокатки від заданих технологічним процесом і зростанням додаткових динамічних навантажень в елементах електричного і механічного обладнання.

Основною задачею сучасного електроприводу є обмеження динамічних навантажень шляхом активного демпфування пружних коливань і забезпечення заданої точності руху робочого механізму. Засоби систем керування і електромашинобудування дозволяють використовувати здатність електроприводу демпфувати пружні коливання для виявлення якісно нових можливостей демпфування з отриманням гарантованого результату по зниженню динамічних навантажень.

Таким чином, актуальним є дослідження головних електроприводів клітей станів гарячої прокатки з обмеженням динамічних навантажень шляхом активного демпфування пружних коливань, що визначило напрямок досліджень дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі комп'ютерних інформаційних технологій Донбаської державної машинобудівної академії (ДДМА) відповідно до тематичних планів держбюджетних науково-дослідних робіт МОН України «Динаміка та діагностика складних електромеханічних систем на основі електроприводів змінного струму» (№ ДР 0209U006950) і «Підвищення інтелектуальності систем інформаційного забезпечення процесів проектування складних об'єктів» (№ ДР 0207U002288), в яких здобувач була виконавцем окремих розділів.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики синтезу параметрів головного електроприводу клітей станів гарячої прокатки для зниження динамічних навантажень за рахунок активного демпфування пружних коливань.

Для рішення поставленої мети вирішені наступні задачі:

– дослідження динаміки електромеханічної системи головного приводу в режимах ударного характеру навантаження;

– аналіз і оцінка ступеня впливу параметрів електромагнітної і механічної підсистем на демпфуючу здатність електроприводу з урахуванням особливостей вимог технологічного процесу;

– визначення співвідношень взаємозв'язку параметрів електромагнітної і механічної підсистем електроприводу, які забезпечать реалізацію оптимальних по критерію загасання пружних коливань перехідних процесів в електромеханічній системі головного приводу кліті;

– розробка на прикладі безперервного стана методики синтезу параметрів електромеханічної системи головного електроприводу клітей з системою підлеглого регулювання і системою модального керування для визначення оптимальних варіантів реалізації способів демпфування пружних коливань при проектуванні і модернізації прокатного обладнання.

Об'єктом дослідження є перехідні процеси в електромеханічній системі головного електроприводу клітей стана гарячої прокатки.

Предметом дослідження є методи синтезу параметрів системи автоматичного керування головним електроприводом клітей станів гарячої прокатки з урахуванням пружності та втрат на в'язке тертя в механічній передачі.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертаційної роботи засновані на фундаментальних положеннях теорії автоматичного керування. Побудова математичних моделей динаміки об'єкта керування здійснювалася на основі теорії електроприводу. Аналіз і синтез систем керування проводилися на базі основних положень і розділів теорії оптимального керування. Методи імітаційного і фізичного моделювання дозволили проаналізувати якість функціонування системи і підтвердили ефективність отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

– на основі узагальнених показників електромеханічного взаємозв'язку в електромеханічній системі (ЕМС) отримана аналітична залежність, що дозволяє оцінити ступінь впливу параметрів електромагнітної (ЕМП) та механічної (МП) підсистем і на демпфуючу дію електроприводу;

– отримано співвідношення взаємозв'язку параметрів ЕМС, що забезпечують граничний ступінь демпфування пружних механічних коливань як в МП (пружний момент у валах), так і в ЕМП (струм в електричних ланцюгах);

– розроблено методику синтезу параметрів ЕМС приводу валів кліті станів гарячої прокатки на основі критерію мінімуму коливальності з компенсацією сил пружного зв'язку силами інерційного зв'язку. Методика дозволяє для даного класу приводів реалізувати граничний ступінь демпфування в ЕМС з урахуванням дисипації в МП;

– отримали подальший розвиток методи синтезу систем підлеглого регулювання і модального керування з оптимальними настроюваннями регуляторів, що забезпечують мінімальні динамічні навантажень.

Практичне значення отриманих результатів для електромеханічної і електротехнічної галузей полягає в розробці систем керування головним електроприводом клітей станів гарячої прокатки, що забезпечують підвищення терміну служби вузлів механічної передачі в 1,95 рази шляхом зниження перерегулювання на 20 % за рахунок використання демпфуючої дії електроприводу.

Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки рекомендуються для практичного використання в науково-дослідних і проектних інститутах, які займаються проектуванням систем керування станів гарячої прокатки, і на металургійних заводах та комбінатах для підвищення техніко-економічних показників процесу гарячої прокатки.

Результати дисертаційної роботи у вигляді рекомендацій до проектування і модернізації прокатних станів, розрахунку демпфуючих пристроїв головних електроприводів клітей станів гарячої прокатки впроваджені на ЗАТ «НКМЗ» (м. Краматорськ) та використані у навчальному процесі на кафедрі електромеханічних систем автоматизації ДДМА в рамках викладання дисциплін «Спеціальні глави електроприводу», «Спеціальні глави теорії автоматичного керування», «Теорія автоматичного керування».

Особистий внесок здобувача. Положення і результати, що виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані здобувачем особисто. Серед них: теоретичні дослідження перехідних процесів в головному електроприводі станів гарячої прокатки; оцінка впливу електротехнічних, механічних і конструктивних параметрів на демпфуючу здатність електромагнітної підсистеми головного електроприводу клітей станів гарячої прокатки; розробка методики синтезу параметрів головного електроприводу клітей; розрахунок і моделювання оптимальних електромеханічних систем з оптимальними регуляторами; розробка технічних рішень зі зниження динамічності в головних електроприводах клітей прокатних станів; обробка і узагальнення результатів; участь в підготовці і проведенні експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи обговорювались на: XII - XV міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» (Алушта, 2005р.; Одеса, 2006р.; Миколаївка, 2007-2008рр.); XIII науково-технічній конференції «Машинобудування і техносфера на рубежі XXI сторіччя» (Севастополь, 2007р.); науково-практичній конференції «Нові досягнення та перспективи розвитку процесів та машин обробки тиском» (Краматорськ, 2005р.); I науково-практичній конференції «Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском» (Краматорськ, 2007р.); щорічних науково-технічних семінарах та конференціях професорсько-викладацького складу ДДМА (Краматорськ, 2004 - 2009рр.).

Публікації. Основні наукові положення роботи викладені в 12 наукових працях, з них 9 у фахових наукових виданнях ВАК України

Структура и обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, додатків і списку використаних літературних джерел. Повний обсяг дисертації становить 230 сторінок, з них: 43 рисунка за текстом, 16 рисунків на 25 окремих сторінках; 8 таблиць за текстом; 1 таблиця на 1 сторінці; 6 додатків на 22 сторінках; список літературних джерел з 160 найменувань на 18 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність дисертаційної роботи, показаний зв'язок з науковими програмами, темами, сформульовано мету і задачі наукового дослідження. Відзначений особистий внесок здобувача, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про їх апробацію, публікацію та впровадження.

В першому розділі виконано огляд робіт, присвячених дослідженню динамічних режимів роботи прокатних станів, особливостям впливу пружних механічних ланок на динаміку головного електроприводу клітей прокатного стана, методам зниження коливальних навантажень в електроприводах прокатних станів. Аналіз існуючих способів зниження динамічних навантажень в приводах металургійних машин та машин різного призначення показав, що питання реалізації електротехнічних, механічних, конструктивних рішень з мінімізації динамічних перехідних процесів є актуальними і вимагають подальшого удосконалення.

Рівень розвитку обладнання та технологій процесу гарячої прокатки визначаються наявністю теоретичних основ дослідження динамічних явищ, у створення та розвиток котрих значний внесок зроблено С.М. Кожевніковим, І.І. Артоболевським, О.М. Динником, О.І. Целіковим, М.М. Дружиніним, П.І. Полухіним, В.І. Большаковим, Р.Ш. Адамія, О.П. Чекмарьовим, Ф.К. Іванченком, О.С. Леховим, В.А. Красношапкою, В.І. Соколовським.

Аналіз рекомендацій зі зниження коливальних явищ в електроприводі показує, що кожний із запропонованих способів дозволяє вирішити задачі для конкретних випадків, тобто локально. Огляд та узагальнення опублікованих теоретичних робіт і досліджень практичного застосування методів обмеження динамічних навантажень свідчать про те, що пріоритетним слід вважати напрямок удосконалення динаміки машин за рахунок використання демфуючої дії електроприводу. Значні результати з дослідження вказаного напрямку отримані в роботах А.А. Сиротіна, Л.І. Цехновича, Б.В. Квартальнова, В.І. Ключева, Ю.А. Борцова, Г.Г. Соколовського, Б.Ш. Бургіна, Г.М. Іванова, В.М. Шестакова, Г.Я. П'ятибратова, В.Б. Клепікова, Л.В. Акімова, В.Д. Землякова, Р.П. Герасимяка, Б.І. Кузнецова, О.І. Толочко, О. В. Осичева, закордонних вчених В. Шпеча, Э. Раатца, У. Ріфеншталя та інших авторів.

Сучасні методи та засоби демпфування коливань у той або іншій мірі реалізують задачі, поставлені розроблювачами, однак актуальним є подальший розвиток напрямку обмеження динамічних навантажень у приводах шляхом підсилення демпфуючих властивостей електромеханічного зв'язку. Рішення задач оптимізації динаміки ЕМС за критерієм мінімуму коливальності дозволить одержати узагальнені показники використання демфуючих властивостей електроприводу при збереженні високої швидкодії та гарантованого терміну служби механічних передач.

В другому розділі виконано аналіз методів дослідження динамічних процесів в електромеханічних системах та розроблено математичну модель динаміки об'єкта керування головним електроприводом щодо нереверсивних станів гарячої прокатки.

Для дослідження групи головних електроприводів клітей була розглянута двомасова розрахункова схема ЕМС, що відтворює достовірні результати при оцінці динамічних навантажень на валу двигуна. На базі двомасової ЕМС електроприводу валків клітей прокатного стана на підставі диференційних рівнянь, що описують елементи системи керування приводу з двигуном постійного струму, складено структурну схему ЕМС головного електроприводу клітей стана гарячої прокатки. Згідно зі структурною схемою прийнято наступні визначення: щ₁, щ₂ - кутова швидкість якоря двигуна та валків відповідно; M_пр - пружний момент механічної передачі; M_С - момент статичного опору, що приведено до валу двигуна; М - момент на валу двигуна; М_ВТ - момент в'язкого тертя; J₁ - момент інерції якоря двигуна; J₂ - момент інерції механізму та елементів передачі, що приведено до валу двигуна; С₁₂ - коефіцієнт жорсткості пружної ланки; В₁₂ - коефіцієнт в'язкого тертя в елементах валопроводу; Т_Е - електромагнітна стала часу; R_Е - еквівалентний активний опір; кФ - коефіцієнт пропорційності ЕРС двигуна за щ₁; К_ТП - статичний коефіцієнт підсилення тиристорного перетворювача; Т_м - некомпенсована стала часу тиристорного перетворювача; Т₁, Т₂ - сталі часу регулятора струму; К_ДС - коефіцієнт пропорційності датчика струму; К_ДШ - коефіцієнт пропорційності датчика швидкості; Т_ф - стала часу фільтра; Т - стала часу задавача інтенсивності; ±д - величина зазору; Дц₁₂ - різниця кутів закручування дискретних мас двигуна і механізму; I_Я - струм в ланцюзі обмотки якоря; Е_d - ЕРС тиристорного перетворювача; u_y - напруга керуючого сигналу; u_рш - напруга регулятора швидкості; u_зш - напруга в каналі зворотного зв'язку за швидкістю; u_зс - напруга в каналі зворотного зв'язку за струмом; U_зш - напруга завдання швидкості.

На основі ідентифікації параметрів та експериментальних даних встановлено, що процеси моделювання адекватні реальним перехідним процесам в ЕМС головного приводу кліті за основними показниками якості регулювання щодо клітей безперервного заготівельного стана 850/700/500 КМК (м. Кривий Ріг). Розроблена модель дозволяє дослідити способи обмеження динамічних навантажень в головних електроприводах станів гарячої прокатки, оцінити вплив параметрів ЕМС на демпфуючу дію електроприводу.

В третьому розділі проаналізовано процеси взаємодії в ЕМП та МП головного електроприводу кліті прокатного стана на базі узагальненої моделі ЕМС в абсолютних одиницях параметрів, що отримана шляхом лінеарізації характеристик ЕМС.

ЕМП визначається передавальною функцією аперіодичної ланки першого порядку

,

де в_З - модуль динаміч-ної жорсткості механічної характеристики електроприводу в межах середніх частот; Т_ЕЗ - еквівалентна електромагнітна стала часу у ланцюзі формування моменту двигуна.

Запропоноване представлення справедливо для отримання необхідної якості регулювання: формуванням наближеної передавальної функції системи з параметрами коливальної ланки або за рахунок синтезу системи регулювання з оптимізацією методом послідовної корекції. При використанні методу модального керування синтез замкненої системи здійснюється як для «еквівалентного» двигуна.

В результаті аналізу існуючих методик дослідження ЕМС з пружними зв'язками для виділення основних параметрів - динамічних інваріант - обрана форма нормування рівнянь динаміки у вигляді показників електромеханічного взаємозв'язку (г, К_В, о).

При перетворенні лінеарізованої структурної схеми отримані передавальні функції по основних координатах ЕМС. Демпфуючі властивості ЕМС ГП описуються характеристичним поліномом (ХП), який у формі узагальнених показників має наступний вигляд

, (1)

де

г = (J₁+J₂)/J₁ - коефіцієнт розподілу інерційних мас;

- коефіцієнт демпфування ЕМП;

- коефіцієнт демпфування МП;

Т_у = 1/Щ₁₂ - стала часу пружних коливань

- коефіцієнт електромеханічного взаємозв'язку.

Перевага використання запропонованої форми (1) полягає в можливості дослідження ЕМС в замкненій і розімкненій системі автоматичного регулювання. Фізичний зміст узагальнених показників є незмінним незалежно від структури, а чисельне значення залежить від способів формування динамічних властивостей системи і методів корекції параметрів.

ХП (1) характеризує коливальний процес ЕМС з частотою и загасанням, що залежить від демпфування в ЕМП (о_Е) та МП (о_М) за умов близькості парціальних частот з коефіцієнтом К_В, для заданого коефіцієнта г. На підставі теоретичних досліджень отримано умови досягнення граничного ступеня демпфуючої дії електроприводу при наявності пружних механічних коливань для узагальнених показників:

; (2)

, при ; (3)

, при . (4)

Умови (2), (3), (4) представляють міру при оцінці істотності електромеханічної взаємодії процесів, що використовують для порівняння з фактичними значеннями показників ЕМС та свідчать, що обмін енергією між підсистемами при граничному електромеханічному взаємозв'язку можливий тільки при коливальному характері процесів, так як

о_Е.ОПТ. < 1.0 і о_М.ОПТ. < 1.0

для будь-яких значень г. Аналіз та оцінка ступеня демпфування пружних коливань за узагальненими параметрами показали, що прямий ефект дії ЕМП на МП в точності кількісно відповідає зворотному ефекту дії МП на ЕМП. Цим підтверджується дотримання принципу взаємності в двохмасових ЕМС.

Оптимізацією параметрів ЕМС при дотриманні умов (2), (3) і (4) досягається граничний ступінь демпфування пружних механічних коливань, і ХП ЕМС четвертого порядку (1) вироджується в ХП у вигляді добутку тричленів одного вигляду при ідентичності процесів в ЕМП і МП. При цьому логарифмічний декремент загасання приймає екстремальне (максимальне) значення

. (5)

Перевірка аналітичних співвідношень і оцінка можливих екстремальних значень демпфування проведена шляхом чисельного розрахунку розподілу коренів поліному Q(p) та побудови графічної залежності логарифмічного декремента загасання л від узагальнених показників К_В, о_Е для різних значень коефіцієнта г.

В четвертому розділі виконано дослідження впливу виду механічної характеристики головного електроприводу кліті стана гарячої прокатки з двигуном постійного струму і з синхронним двигуном на динамічні навантаження пружної передачі на підставі узагальнених показників процесів електромеханічного взаємозв'язку.

Здійснено оптимізацію параметрів демпфуючої дії електроприводу системи підлеглого керування за критерієм мінімуму коливальності при дії сил тертя пружної передачі і запропоновано варіанти реалізації демпфування коливань в механічній підсистемі електроприводу з нереверсивним тиристорним перетворювачем.

Для аналізу демпфуючої дії власне електроприводу і оцінки динамічних властивостей ЕМС розглянуто структурну схему (рис. 2) при значенні коефіцієнта в'язкого тертя В₁₂ = 0. При дотриманні умов (2), (3) в ЕМС досягається граничний ступінь демпфуючої дії з оптимальними процесами (5). Параметри, що відповідають граничному ступеню демпфуючої дії, визначаються як оптимальні з еквівалентними характеристиками динамічної жорсткості замкненої системи електроприводу:

; (6)

, (7)

При певних значеннях г та Щ₁₂ залежність л = f(в_З) має максимум, що визначається оптимальним значенням в_З (6), причому граничне значення демпфування для механічної підсистеми з більшою частотою власних коливань Щ₁₂ досягається при зростанні оптимального значення в_З. Графіки залежності 1, 2, 4 рис. 3 показують, що при г = 1.5 граничний ступінь демпфування для великих значень частоти власних коливань МП досягається і при більшій жорсткості механічної характеристики. Подальше збільшення коефіцієнта жорсткості в_З спричиняє за собою зниження демпфуючої здатності ЕП. Графік 3 (рис. 3) показує, що для меншого значення коефіцієнта співвідношення інерційних мас г = 1.4 потрібно буде для однієї і тієї ж частоти власних коливань МП обирати більше значення коефіцієнта жорсткості в_З при реалізації граничного ступеня демпфування пружних механічних коливань. Граничне (максимальне) значення може бути також визначено аналітично за коренями з рішення складових ХП (1) рівнянь.

При граничному ступені демпфуючої дії електроприводу корені ХП є кратними, і логарифмічний декремент загасання приймає граничне значення (5), яке визначається коефіцієнтом співвідношення інерційних мас г, що свідчить про закономірність процесів взаємодії.

В головних електроприводах чорнових клітей та окалиноломателів прокатних станів в якості приводних застосовуються синхронні двигуни. Синхронний двигун в межах перевантажувальної здатності має абсолютно жорстку статичну механічну характеристику, тому навіть в режимах малого обтиску при захваті металу валками в ЕМС виникають коливання моменту значної амплітуди і малого загасання.

Реалізація показників динамічних процесів в синхронному приводі з граничним демпфуванням здійснюється шляхом вибору параметрів за співвідношеннями (8), (9), що забезпечують мінімум коливальності процесів:

; (8)

, (9)

де Т_А - стала часу демпфування ЕМП; Т_m1 - механічна стала часу двигуна.

Крупні синхронні двигуни для прокатних станів при коливаннях в межах синхронної швидкості мають мале демпфування через ослаблену дію асинхронної обмотки (о_Е ? 0). На практиці в умовах виробництва для синхронних двигунів клітей безперервних СГП з метою погашування коливань часто застосовують додаткові механічні демпфуючі пристрої.

Для граничного випадку демпфуючої здатності електроприводу з синхронним двигуном і погашуванням коливань з боку МП характеристичний поліном представляється у вигляді добутку тричленів одного вигляду, що визначає мінімальну коливальність процесів при дотриманні умов (2), (4). Реалізувати демпфування в ЕМС з граничним показником (5) можна за рахунок вибору демпфуючого механічного пристрою з розрахунковим значенням сталої часу, коли виконуються наступні умови:

; (10)

, (11)

де - коефіцієнт жорсткості пружного електромагнітного зв'язку двигуна.

Отримані аналітично співвідношення дозволяють при проектуванні ЕМС СГП обирати параметри ЕМП і МП з урахуванням властивостей спричиняти демпфуючу дію на коливання пружного моменту.

На підставі встановлених закономірностей електромеханічного взаємозв'язку також здійснюється практично вибір параметрів регуляторів струму і швидкості системи підлеглого регулювання (СПР) з мінімальною коливальністю процесів.

Умови досягнення граничного ступеня демпфуючої дії в електроприводі із СПР та урахуванні втрат в МП мають наступний вигляд:

;

,

де о - коефіцієнт демпфування коливань граничного ефекту перетворення енергії в ЕМП та МП.

Параметри ЕМС головного електроприводу стана гарячої прокатки з оптимальним демпфуванням пружних коливань визначаються із співвідношень взаємозв'язку параметрів ЕМП та МП:

електромеханічний головний привод демпфуючий

;

,

де Т_С - стала часу інтегрування регулятора струму; К_РШ - коефіцієнт підсилення регулятора швидкості.

Розрахунок і побудова графічної залежності для логарифмічного декремента загасання л підтверджує результати аналітичного розрахунку параметрів при співпадінні екстремумів в контрольних точках. На рис. 4 наведено графіки перехідних процесів в головному електро-приводі стана гарячої прокатки з параметрами граничного демпфування та для типового настрою-вання регуляторів.

В п'ятому розділі розроблено методику синтезу параметрів головного електроприводу клітей станів гарячої прокатки з підлеглим керуванням, що враховує властивості електроприводу, системи керування і механічної передачі. Також запропоновано методику оптимізації, що забезпечує граничний ступінь демпфування пружних коливань в електроприводі з двократноінтегруючою СПР.

Для систем модального керування з ХП четвертого і п'ятого порядку синтезовано параметри за критерієм мінімуму коливальності. Мінімізувати динамічні навантаження коливального характеру можна згідно методики синтезу параметрів регуляторів САК, що враховує властивості пружних зв'язків об'єкта.

Аналіз та синтез параметрів ЕМС головного електроприводу кліті прокатного стана з уніфікованою системою регуляторів здійснювалися на базі лінеарізованої структурної схеми для відносних одиниць параметрів, отриманої з урахуванням дисипації енергії в механічній підсистемі, як еквівалента в'язкого тертя. ХП (1) повної ЕМС для граничного (оптимального) ступеня демпфування пружних механічних коливань при виконанні умов (12), (13) приймає вигляд

. (14)

В практиці проектування головних електроприводів прокатних станів, що склалася для забезпечення необхідного терміну служби і гарантії резерву міцності, задаються коефіцієнтом демпфуванням о₀ та частотою коливань системи Щ₀, значення яких обираються з компромісних міркувань згідно необхідного ступеня стійкості і виконання показників технологічного процесу.

Отримані необхідні співвідношення між демпфуванням в ЕМП та МП і коефіцієнт демпфування в електромагнітній підсистемі повинен мати значення, згідно наступному співвідношенню

, (15)

коефіцієнт демпфування в МП за умов реалізації граничного ступеня демпфування не перевищує наступної величини

. (16)

Максимальне значення демпфування пружних коливань в ЕМП та ЕП при заданих о₀ и Щ₀ досягається вибором наступних параметрів ЕМП

, (17)

базове значення некомпенсованої сталої часу для контуру регулювання швидкості повинно відповідати значенню за виразом

. (18)

В механічній підсистемі, в залежності від значень о₀ та г необхідно забезпечити демпфування додатковими пристроями (тертя, електродинамічними) з постійними часу демпфування:

. (19)

Результати настроювання ЕМС згідно запропонованим співвідношенням були перевірені та підтверджені дослідженням перехідних процесів на математичній моделі.

Динамічні властивості електроприводу з двократноінтегруючою системою регулювання описуються характеристичним поліномом

, (20)

де коефіцієнти рівняння визначаються, як:

а₀ = гT_M1T_СфT_y²;

а₁ = гT_M1фT_y²; а₂ = гф(T_M1T_С + K_РШT_y²);

а₃ =г(T_M1ф + K_РШT_y²); а₄ = K_РШф; а₅ = K_РШ.

В процесі оптимізації змінними параметрами виступали сталі інтегрування регулятора швидкості ф і струму Т_С, коефіцієнт підсилення регулятора швидкості К_РШ. В загальному випадку для заданого значення коефіцієнта демпфування повної ЕМС о₀ обмеження накладаються коефіцієнтом співвідношення інерційних мас г та сталою часу пружних коливань Т_у.

Беручи до уваги умови граничного електромеханічного демпфування пружних коливань, ХП (20) представляємо у вигляді добутку співмножників:

, (21)

З умов забезпечення сумісності рівнянь (20) та (21) для усіх можливих форм представлення ХП і способів нормування встановлено, що між параметрами ЕМС повинні бути наступні співвідношення:

; ; (22)

; . (23)

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості в абсолютних одиницях

,

де К_об = К_ДШ?R_Е/кФ?К_ДС - коефіцієнт передачі об'єкта; щ₀ = 1/Т₀ - частота вільних коливань повної ЕМС.

Параметри пропорційно-інтегрального регулятора струму обираються за умов компенсації електромагнітної сталої часу та вибору сталої інтегрування Т_С за співвідношенням (22).

Для малих значень коефіцієнтів співвідношень інерційних мас г = 1.1-1.5 в межах поставлених задач досліджувалась можливість використання в головних електроприводах клітей станів гарячої прокатки систем модального керування (СМК). Формування ланцюгів зворотних зв'язків СМК здійснюється за наперед обраним розташуванням коренів характеристичного рівняння.

Для встановлення закономірностей процесів електромеханічного взаємозв'язку досліджувалася лінеарізована ЕМС модальної структури. На підставі прийнятої форми нормування, що отримана за структурною схемою ЕМС, ХП представляється у вигляді

, (24)

де - приведене значення коефіцієнта зворотного зв'язку за пружним моментом; - коефіцієнт співвідношення зворотного зв'язку за швидкістю двигуна і механізму (валків).

Отримані співвідношення для синтезу параметрів регуляторів і ланцюгів зворотних зв'язків, які забезпечують граничний ступінь демпфування з коефіцієнтом демпфування о₀

, (25)

та мінімальною коливальністю м₀

. (26)

Також було здійснено аналіз та синтез складної СМК електроприводу з урахуванням інерційності ЕП та керованого перетворювача, що описується характеристичним поліномом п'ятого порядку за умов приведення ХП (21) до стандартного вигляду:

, (27)

де в загальному випадку для заданого значення коефіцієнта демпфування 0 < о₀ < 1.0 коефіцієнти полінома мають вигляд:

; ; ;

; .

Розподіл коренів ЕМС з СМК згідно умовам максимальної взаємодії ЕМП та МП забезпечує процеси з максимальним коефіцієнтом демпфування о₀ і частотою вільних коливань щ₀. На основі аналітичного рішення системи алгебраїчних рівнянь визначені оптимальні параметри коефіцієнтів зворотних зв'язків ЕМС:

; ; (29)

; ; (30)

, (31)

де К₁ - коефіцієнт зворотного зв'язку за струмом; К₂ - коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю першої маси (двигуна); К₃ - коефіцієнт зворотного зв'язку за пружним моментом; К₄ - коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю другої маси (механізму).

Для спрощення запису добуток коефіцієнта підсилення регулятора К_Р, керованого перетворювача

К = К_Р•К_ТП

та коефіцієнта передачі кола якоря К_i визначається одним коефіцієнтом

К₀ = К_Р•К_ТП•К_i = К•К_i.

Результати розрахунку коренів ХП підтвердили, що для заданих значень коефіцієнта г та оптимального (бажаного) коефіцієнта демпфування о₀ власні частоти повної ЕМС дорівнюють парціальним. Складові процесів окремих підсистем, коли уявні частини коренів ХП однакові (рівність парціальних частот), адекватні динамічним процесам без проявлення ефекту двомасовості та з компенсацією дії сил пружного зв'язку.

Для ілюстрації ефективності запропонованої методики за розрахунковими співвідношеннями для певних значень параметрів заготівельного використано перехідні процеси в ЕМС з мінімальною коливальністю, що отримані розрахунком та імітаційним моделюванням.

Фізичний зміст і обґрунтована оцінка процесів електромеханічного взаємозв'язку перевірялися на лабораторному стенді. Експериментальні дослідження підтвердили можливість підсилення демпфуючої дії електроприводу з настроюванням регуляторів згідно запропонованим в роботі оптимальним співвідношенням за методикою синтезу параметрів головного електроприводу клітей стана гарячої прокатки.

При експериментальних дослідженнях в промислових умовах на безперервному заготівельному стані 850/700/500 КМК при захваті метала валками на осцилограмах зафіксовані динамічні процеси з пружними механічними коливаннями за рахунок формування оптимальної жорсткості механічної характеристики електроприводу забезпечується демпфування пружних механічних коливань.

Виконані експериментальні дослідження підтвердили правильність аналітичних залежності та зроблених на їх основі висновків і рекомендацій.

Висновки

В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу обмеження динамічних навантажень в електромеханічній системі головного приводу клітей станів гарячої прокатки за рахунок зниження її коливальності. Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Для дослідження динаміки головних електроприводів станів гарячої прокатки запропоновано використовувати форму нормування у вигляді узагальнених показників електромеханічної взаємодії (г, К_В, о), які дозволяють кількісно оцінити коливальність, загасання та час дії перехідних процесів.

2. Отримані аналітичні співвідношення взаємозв'язку параметрів механічної і електромагнітної підсистем головного електроприводу клітей станів гарячої прокатки, що забезпечують оптимальні за критерієм загасання коливань процеси в електромеханічній системі з урахуванням пружних зв'язків та втрат на в'язке тертя.

3. Визначено умови досягнення граничного ступеня демпфування пружних механічних коливань в електромеханічній системі головного приводу клітей стана гарячої прокатки та межі співвідношень параметрів механічної підсистеми для заданого оптимального демпфування. Отримано аналітичні залежності для вибору параметрів оптимальної динамічної жорсткості електроприводу.

4. Розроблено методику синтезу електромеханічної системи головних приводів клітей станів гарячої прокатки, що дозволяє обирати оптимальні параметри механічної і електромагнітної підсистем для забезпечення перехідних процесів з мінімальною тривалістю коливань при заданому коефіцієнті демпфування та з компенсацією дії сил пружного зв'язку.

5. Для головних електроприводів з одно- і двократноінтегруючою системою підлеглого регулювання отримано розрахункові співвідношення для вибору настроювань контурних регуляторів струму та швидкості системи автоматичного керування, за рахунок яких досягається максимальне демпфування пружних коливань з боку електромагнітної підсистеми.

6. Синтезовано параметри системи модального керування головним електроприводом для забезпечення максимальне згасання пружних механічних коливань з дотриманням вимог технології процесу гарячої прокатки.

7. Достовірність результатів застосування запропонованих методик синтезу параметрів електромеханічної системи головного приводу клітей станів гарячої прокатки підтверджено дослідженням перехідних процесів шляхом математичного моделювання на ПЕОМ, а також експериментально в промислових та лабораторних умовах.

8. Результати дисертаційної роботи впроваджені та знайшли практичне застосування при проектуванні систем автоматичного керування та модернізації прокатного обладнання на ЗАТ «НКМЗ» (м. Краматорськ) і використані в навчальному процесі кафедри електромеханічних систем автоматизації ДДМА.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Задорожняя И.Н. Описание динамических процессов в главных приводах прокатных станов на основе электромеханических аналогий / И.Н. Задорожняя // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - Краматорськ: ДДМА. - 2005. - №1. - С. 84 -87.

2. Задорожняя И.Н. Оценка влияния механического демпфирования на динамику электропривода с упругими связями / И.Н. Задорожняя, Н.А. Задорожний, А.Ф. Тарасов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2005. - Вип. 45. - С. 176 - 179.

Здобувачем визначено оцінку впливу демпфування механічної підсистеми на динаміку електроприводу з пружними зв'язками, отримані залежності для визначення оптимальних за критерієм мінімуму коливальності параметрів електроприводу з урахуванням механічного демпфування.

3. Задорожняя И.Н. Повышение ресурса элементов приводов металлургических машин на основе оптимизации процессов электромеханического взаимодействия [Електронний ресурс] / И.Н. Задорожняя, А.Ф. Тарасов // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - Краматорськ: ДДМА. - 2006. - №1Е(6). - С. 190 - 195. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/VDDMA/2006-1e6/06TAFIO.pdf.

Здобувачем виконано аналіз впливу динамічних параметрів на ресурс прокатного обладнання, отримано аналітичні співвідношення впливу частоти механічних коливань та демпфування на строк служби елементів приводів металургійних машин.

4. Задорожняя И.Н. Анализ влияния механического демпфирования на степень устойчивости электромеханической системы в приводах металлургических машин / И.Н. Задорожняя // Електромашинобудування та електрообладнання. - Київ: Техніка. - 2006. - Вип. 66. - С. 103 - 106.

5. Задорожняя И.Н. Способы снижения динамических нагрузок в главных линиях приводов непрерывных прокатных станов / И.Н. Задорожняя // Вісник Криворізького технічного університету. - Кривий Ріг: КТУ. - 2007. - Вип. 18. - С. 141 - 144.

6. Задорожняя И.Н. Электромеханическое демпфирование упругих колебаний в приводах клетей непрерывных прокатных станов с синхронным двигателем / И.Н. Задорожняя // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - Ч. 1, № 3(44). - С. 48 - 50.

7. Задорожняя И.Н. Синтез параметров электромеханической системы главной линии клетей непрерывных прокатных станов с минимальными динамическими нагрузками / И.Н. Задорожняя // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2007. - С. 226 - 229.

8. Задорожняя И.Н. Оценка влияния показателей демпфирования упругих колебаний на прогнозируемый ресурс механического оборудования электропривода валков клетей непрерывных станов горячей прокатки / И.Н. Задорожняя // Вісник Криворізького технічного університету. - Кривий Ріг: КТУ. - 2008. - Вип. 21. - С. 197 - 201.

9. Задорожняя И.Н. Оптимизация демпфирующего действия электропривода главной линии клетей непрерывных заготовочных станов с системой модального управления / И.Н. Задорожняя // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічних інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - Вип. 30. - С. 251 - 254.

10. Задорожняя И.Н. Исследование динамических нагрузок в главной линии привода валков клетей непрерывного прокатного стана на математической модели / И.Н. Задорожняя, А.Ф. Тарасов // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском: зб. текстів виступів на наук.-практ. конф., 21-23 січня 2007 р. / М-во освіти і науки України, Донбаська державна машинобудівна академія. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 11.

Здобувачем виконано математичне моделювання перехідних процесів в головній лінії прокатного стана.

11. Задорожняя И.Н. Обобщенные оценки влияния упругих механических звеньев на динамику привода металлургических машин // Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій та обладнання процесів обробки металів тиском: зб. текстів виступів на наук.-практ. конф., 21-23 січня 2007 р. / М-во освіти і науки України, Донбаська державна машинобудівна академія. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 41.

12. Задорожняя И.Н. Влияние механической характеристики электродвигателя на динамические нагрузки в приводах металлургических машин // Машиностроение и техносфера ХХI века: сб. трудов по материалам междунар. науч.-техн. конф., 17-22 сент. 2007 г. / Донецкий национальный технический университет. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - Т. 2. - С. 61 - 67.

Анотації

Задорожня І. М. Покращення динамічних показників головного електроприводу стана гарячої прокатки. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2010.

Дисертація присвячена питанням зниження динамічних навантажень головних електроприводів станів гарячої прокатки засобами електроприводу по критерію компенсації пружного зв'язку. Це дозволить підвищити термін служби електричного і механічного обладнання, надійність роботи головних електроприводів, інтенсифікувати технологічний процес прокатки.

Встановлено співвідношення взаємозв'язку параметрів електромагнітної і механічної підсистем, що підтверджують принцип взаємності та дозволяють реалізувати максимально можливе значення демпфування пружних механічних коливань, як засобами механічної дії, так і активним гасінням силами електромагнітної природи.

Розроблено методику синтезу параметрів електромеханічних систем з підлеглим регулюванням та модальним керуванням, що враховує вимоги технологічного процесу і властивості електроприводу, систем керування і пружної механічної передачі.

Експериментально підтверджено зниження рівня динамічних навантажень в головному електроприводі кліті в умовах прокатного цеху при погашенні пружних коливань за рахунок формування оптимальної жорсткості механічної характеристики електроприводу.

Ключові слова: електромеханічні системи, регульований електропривод, системи автоматичного керування, стан гарячої прокатки, пружний зв'язок, синтез параметрів, принцип електромеханічної взаємодії, оптимальні регулятори.

Задорожняя И. Н. Улучшение динамических показателей главного электропривода стана горячей прокатки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, 2010.

Диссертация посвящена вопросам снижения динамических нагрузок в главных электроприводах клетей станов горячей прокатки средствами электропривода по критерию компенсации действия сил упругой связи. Это позволит увеличить срок службы электрического и механического оборудования, повысить надежность работы главных электроприводов, интенсифицировать технологический процесс прокатки.

На базе обобщенной линеаризованной модели электромеханической системы привода валков клети прокатного стана произведен анализ процессов взаимодействия в электромагнитной и механической подсистемах главного привода. Установлены соотношения взаимосвязи параметров электромагнитной и механической подсистем, позволяющие реализовать предельную степень демпфирования упругих механических колебаний, как средствами механического воздействия, так и активным гашением силами электромагнитной природы.

Показано, что в электромеханической системе с упругими связями соблюдается принцип взаимности и оптимизацией электромеханической системы по соотношениям взаимосвязи параметров достигается компенсация сил упругой связи силами инерционной связи.

На основании обобщенных показателей процессов электромеханического взаимодействия получены зависимости для выбора параметров оптимальной динамической жесткости электропривода.

Получены аналитически соотношения для выбора параметров в электроприводах с синхронным двигателем, обеспечивающие минимум колебательности процессов. Предложенный вариант выбора параметров может быть использован при проектировании главных приводов черновых клетей станов горячей прокатки.

Разработана методика синтеза параметров электромеханических систем с подчиненным регулированием, учитывающая требования технологического процесса и свойства электропривода, систем управления и упругой механической передачи. Согласно установленным зависимостям взаимосвязи параметров предложена методика оптимизации, обеспечивающая предельную степень демпфирования упругих колебаний в электроприводе с двухкратноинтегрирующей системой подчиненного регулирования.

Для систем модального управления, описываемых характеристическим полиномом четвертого и пятого порядка, синтезированы оптимальные по критерию минимума колебательности параметры ЭМС. Предлагаемая методика синтеза ЭМС позволяет получить переходные процессы с минимальной длительностью колебательных процессов при заданном коэффициенте демпфирования и с компенсацией действия сил упругой связи силами инерционной связи.

Экспериментально подтверждено снижение уровня динамических нагрузок в главном приводе клети в условиях прокатного цеха при подавлении упругих колебаний за счет формирования оптимальной жесткости механической характеристики электропривода.

Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций к проектированию новых и модернизации действующих прокатных станов и расчету демпфирующих устройств главных электроприводов клетей внедрены на ЗАО «НКМЗ» и использованы в учебном процессе.

Ключевые слова: электромеханические системы, регулированный электропривод, системы автоматического управления, оптимальные регуляторы, стан горячей прокатки, упругая связь, синтез параметров, принцип электромеханического взаимодействия.

Zadorozhniaia I. N. Improvement of dynamic loading of main electrical drive of the hot rolling mills. Manuscript.

Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in speciality 05.09.03 - Electrical engineering complexes and systems. - National Technical University the «Kharkiv Politechnical Institute», Kharkiv, 2010.

The thesis is devoted to the questions of decline of the dynamic loading of main electrical drive of cage of the hot rolling by facilities of electrical drive on the criterion of compensation of resilient communication. It will allow to promote a term of service of electric and mechanical equipment, reliability of work of main electrical drive, to intensify a technological process of rolling.

A method of synthesis of parameters of the electrical drive mechanics systems with the inferior adjusting and modal management, taking into account requirements of technological process and property of electrical drive, systems of management and mechanical transmission is developed.

Experimentally a decline of level of the dynamic loading in the main drive of cage in the conditions of rental workshop in case of suppression of resilient vibrations due to forming optimum inflexibility of mechanical description of electrical drive is confirmed.

Keywords: electromechanical systems, regulated electrical drive, systems of automatic control, optimum regulators, resilient communication, synthesis of parameters, principle of electromechanical intercommunication, hot rolling mill.

Підп. до друку 20.12.09. Формат 6090/16 Гарнітура Times.

Обсяг 0,9 авт. арк. Тираж 100 прим. Зам. № 24.

Видавець і виготівник «Донбаська державна машинобудівна академія» 84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72

Свідоцтво про внесення суб'єкта видавничої справи до Державного реєстру серія ДК № 1633 від 24.12.2003 р.

Размещено на Allbest.ru

...