Тяжпромэлектропривод

Регулируемый электропривод переменного тока машины нового типа для непрерывного литья заготовок

АЛЬШИЦ В.М., БАЖИН Б.Г., ЗЕЛЕНЦОВ В

Приводятся основные решения и результаты внедрения регулируемых электроприводов переменного тока машины нового типа для непрерывного литья заготовок, пущенной в эксплуатацию в ОАО "Магнитогорский меткомбинат". Рассмотрены особенности наладки электроприводов с преобразователями частоты с векторным управлением без датчика скорости.

The main solutions and results of the introduction of controlled-velocity alternating current electric drive of the continuous billet casting new machine at "Magnitogorsk Iron and Steel Works". Open Joint Stock Co, is given. The setting up features of drives based on frequency convertus with sensorless vector contol are considered.


Новая высокопроизводительная двухручь-евая машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) для производства слябов введена в эксплуатацию в августе 2006 г. в ОАО "Магнитогорский меткомбинат". Машина разработана фирмой ООО "Уралмаш - металлургическое оборудование", проект электроприводов выполнен ООО "ПФ Тяжпромэлектропривод" и ООО "Уралмаш - металлургическое оборудование", наладочные работы проведены Центральной электротехнической лабораторией комбината.

Впервые отечественная МНЛЗ полностью оснащена регулируемыми электроприводами переменного тока. Суммарная установленная мощность двигателей около 1500 кВт. Асинхронные короткозамкнутые двигатели российского производства, в основном краново-металлургических серий, питаются от 156 преобразователей частоты Micromaster 440 фирмы "Siemens" с микропроцессорным управлением.

Разработанные системы управления программно реализованы в преобразователях частоты с использованием BICO-техники параметрирования, которая позволяет соответствующим соединением переменных, бинекторов (выбор параметров) и коннекторов (значения параметров) модифицировать "стандартную" схему управления в соответствии с конкретными требованиями. При смене режимов управления или числа подключаемых двигателей необходимое изменение параметров преобразователей осуществляется путём смены запара-метрированных комплектов.

Цель настоящей работы - обобщение опыта разработки и внедрения регулируемых элек­троприводов переменного тока мощной МНЛЗ. Общее требование к электроприводам - повышенная надёжность для обеспечения бесперебойной работы агрегата. Наиболее сложными системами электропривода с учётом требований технологии оснащены роликовый аппарат и машина газовой резки, которым в статье уделено основное внимание.


Электроприводы роликового аппарата

Роликовый аппарат (зона вторичного охлаждения) выполняет функции тянуще-правильного устройства, формируя усилия, прикладываемые к слитку.

В отличие от большинства отечественных МНЛЗ с питанием двигателей роликов от групповых тиристорных преобразователей со смягчением механических характеристик приводов за счёт включения резисторов в якорные цепи двигателей в МНЛЗ ОАО "ММК" применено индивидуальное питание двигателей роликов, что позволяет полностью реализовать требования технологии по скоростному режиму разливки и распределению тянущих усилий, прикладываемых к слитку. Электроприводы 64 роликов каждого ручья должны обеспечить достаточно точное поддержание скорости (±2%) [1,2]. Нарушение скоростного режима приводит к прорыву металла с многочасовым простоем МНЛЗ. Диапазон рабочей скорости разливки составляет 0,2-1,2 м/мин.

Для привода роликов применены двигатели ДМТКН-112-6У1, работающие в длительном режиме. Параметры двигателя по данным завода-изготовителя при ПВ 100%: 3,2 кВт, 900 об/мин, 9,3 А, cos = 0,66, КПД = 72%. Двигатели самовентилируемые, с обдувом от вентилятора на валу.

Выбор преобразователей частоты. При выборе типа преобразователей частоты учитывались их функциональные возможности по удовлетворению требований технологии и стоимость. Последнее существенно с учётом большого числа приводных роликов.

Рассмотрены возможные варианты преобразователей частоты фирмы "Siemens" с инверторами напряжения:

1. Simovert Master Drive с выпрямителем в звене постоянного напряжения и инвертором для каждого двигателя.

2. Simovert Master Drive с общим выпрямителем для группы инверторов.

3. Micromaster 440 (выпрямитель и инвертор) для каждого двигателя.

Преобразователи Simovert отличаются более развитым программным обеспечением в части свободных функциональных модулей, но значительно дороже преобразователей Micromaster. Во втором варианте при определении оптимальной по стоимости конфигурации силовой схемы электропривода, отличающейся числом инверторов в группах и, соответственно, количеством групп, учтена стоимость дополнительного выпрямителя, подключаемого вместо штатного при аварийном отключении ("горячий" резерв). С увеличением числа инверторов в группе растут мощность и стоимость штатного и резервного выпрямителя, но уменьшается их число. Для первого и третьего вариантов не требуется резервный преобразователь, а для второго варианта - резервный инвертор, так как выход из строя привода одного ролика не приводит к нарушению технологического процесса. Расчёты показали, что наименьшие затраты по второму варианту имеют место при восьми инверторах в группе, но стоимости первого и второго вариантов оказались достаточно близкими. В результате выбран преобразователь частоты Micromaster 440. При этом учитывалось, что некоторые функции по управлению приводами могут быть реализованы в программируемом контроллере управления МНЛЗ.

Функциональная схема привода ролика (рис.1). В преобразователях частоты Micro-master 440 с векторным управлением без датчика скорости программно реализованы задат-чик интенсивности ЗИ, регулятор скорости РС с обратной связью по вычисляемой угловой скорости вращения двигателя, также вычисляется задание динамической составляющей момента, кроме того возможен ввод задания момента холостого хода привода. Предусмотрено ограничение задания полного момента двигателя


М*доп , соответствующее максимально

допустимому по механооборудованию. При векторном управлении формируются компоненты тока статора: ток намагничивания Id , определяющий поток двигателя, и активный ток Iq для необходимого момента. Скольжение и угловая скорость вращения двигателя вычисляются с использованием модели наблюдателя и других адаптационных устройств. На рис. 1 переменные с индексом "*" означают задание соответствующего параметра.

В штатных режимaах работы МНЛЗ управление преобразователями частоты приводов роликов осуществляется по сети Profibus-DP от программируемого контроллера. В контроллере формируется задание угловой скорости вращения двигателей в соответствии с заданной скоростью слитка. При этом темп изменения выходного сигнала ЗИ преобразователей частоты выше темпа ЗИ контроллера. Предусмотрены "мягкий" и "жёсткий" режимы работы приводов роликов [3].

В "мягком" режиме в каждом преобразователе частоты ПИ-регулятор угловой скорости вращения охвачен отрицательной обратной связью по заданию момента двигателя для смягчения характеристики привода (коэффициент Ксм на рис.1).

В "жёстком" режиме управление приводами всех роликов осуществляет ПИ-регулятор скорости ручья, который реализован программно в контроллере. Выходной сигнал этого регулятора при компенсации динамического момента и момента XX приводов определяет задание суммарного тянущего момента М , прикладываемого к слитку. Задание тянущего момента для привода каждого ролика вычисляется с использованием коэффициента долевого участия в соответствии с требованиями технологии. В контроллере суммируются все составляющие задания момента для приводов роликов. Вычисленные задания моментов передаются в преобразователи частоты и определяют значение ограничения регуляторов угловой скорости вращения. Для привода i-го ролика задание момента двигателя

Mi = MУki + MXXi ± Mдинi ,

где ki - коэффициент долевого участия; МХХi -момент холостого хода; Mдинi – динамический момент, знак плюс соответствует режиму разгона, знак минус - режиму торможения.

Функциональная схема привода ролика


Рис.1. Функциональная схема привода ролика


При переходе в "жёсткий" режим в процессе разливки отрицательная связь по заданию момента на входе регуляторов скорости приводов роликов отключается контроллером по сети Profibus посредством изменения значения соответствующего бинарного параметра в телеграмме циклической передачи данных от контроллера (механизм программирования PKW), так как это переключение в преобразователе Micromaster не охвачено ВIСО-параметрирова-нием. При сцеплении роликов со слитком регуляторы угловой скорости вращения выводятся на ограничение за счёт подачи на их входы задания, несколько увеличенного (до 5%) относительно требуемой скорости слитка. Тем самым в "жёстком" режиме привод каждого ролика переводится в режим регулирования момента, значение которого, как описано выше, задаётся из контроллера. При буксовке ролика регулятор скорости привода переходит в линейную часть характеристики, ограничивая угловую скорость вращения двигателя.

В ходе внедрения выявлена необходимость достаточно точного учёта в "жёстком" режиме значения момента XX приводов роликов. Момент XX двигателей с механизмом по данным, полученным при мониторинге преобразователей частоты на скорости 0,8 м/мин, составляет 8-10% номинального момента двигателя, т.е. соизмерим с полезным моментом, прикладываемым отдельными роликами к слитку. В этом значении доля момента XX собственно двигателя равна 40-50%. В перспективе, при применении двигателей с охлаждением от вентиляторов с индивидуальным приводом и, соответственно, меньшей мощности, улучшатся энергетические показатели и уменьшится значение момента XX.

После пуска МНЛЗ до накопления опыта технологами приводы роликового аппарата работают в "мягком" режиме. Однако кроме реализации заданного распределения моментов, прикладываемых к слитку, в "жёстком" режиме обеспечивается более высокая, чем в "мягком", точность поддержания заданной скорости благодаря ПИ-регулятору скорости ручья.

Режим местного управления. В преобразователях частоты также реализовано синхронное управление приводами роликов в случае отказа программируемого контроллера или при нарушении связи по сети Profibus. Управление осуществляется по дискретным входам преобразователей и включает выбор направления и значения угловой скорости вращения двигателей (две ступени фиксированной скорости), пуск и останов роликов. ПИ-регуляторы угловой скорости вращения переводятся в "мягкий" режим. Задание регуляторам поступает от внутренних ЗИ, параметры которых для всех приводов одинаковы, но темп изменения их выходных сигналов снижен по сравнению с настройкой в штатном режиме.

Местное управление может быть включено обслуживающим персоналом после аварийной остановки агрегата только при нарушениях в работе контроллера, что фиксируется сигналом аварии "Ошибка передачи по сети". Этот сигнал формируется при превышении уставки времени отсутствия очередной телеграммы по сети - 50 мс и инициализирует переход на комплект параметров местного управления. При использовании местного управления существенно сокращается время извлечения слитка из МНЛЗ.

Электроприводы машины газовой резки (МГР)

МГР выполняет рез на мерные слябы движущегося слитка, выходящего из роликового аппарата. Для питания асинхронных двигателей электроприводов механизма передвижения МГР и механизма перемещения левого и правого суппортов с резаками используются индивидуальные преобразователи частоты Micromaster 440. С учётом повышенного диапазона регулирования скорости применены преобразователи частоты с векторным управлением с датчиком скорости (импульсный датчик на валу двигателя).

Системы регулирования приводов запара-метрированы с ПИ-регуляторами угловой скорости вращения. С целью выравнивания моментов двигателей приводов катков механизма передвижения МГР в преобразователях частоты введена отрицательная связь по заданию момента на вход регулятора угловой скорости вращения. Для приводов каждого механизма МГР предусмотрен резервный преобразователь частоты.

Алгоритмы управления преобразователями Micromaster 440 позволили обеспечить бесперебойную работу МГР и в случае отказа в работе датчика скорости при резе слитка. При сигнале аварии "Потеря информации датчика" без остановки механизма инициализируется автоматический переход на структуру векторного управления без датчика скорости. После завершения цикла реза и останова привода для нового запуска механизма сигнал аварии программно сбрасывается из контроллера, и привод работает в режиме управления без датчика. После установки исправного датчика скорости и ввода в преобразователь с пульта оператора соответствующей информации привод функционирует в штатном режиме векторного управления с датчиком скорости.

Особенности наладки частотно-регулируемых электроприводов

1. Фирма "Siemens" в документации на преобразователи Micromaster 440 [4] рекомендует при применении двигателей "чужих" производителей оценивать и при необходимости корректировать значение тока намагничивания, который вычисляется в преобразователе по введённым типовым параметрам двигателя, но с использованием модели (схемы замещения) для стандартных двигателей серии 1LН7 фирмы. Такой подход особенно актуален для приводов с векторным управлением без датчика скорости. Для МНЛЗ это относится к приводам роликового аппарата с двигателями краново-металлургической серии, которые отличаются повышенными воздушным зазором и током намагничивания.

Оценка тока намагничивания выполнена по значению тока XX двигателя ролика, отсоеди­нённого от механизма, с питанием от преобразователя частоты на угловой скорости вращения 80% номинального значения. На рис.2 приведены кривые тока и момента двигателя (IXX и Мхх - ток и момент XX; IH и МH - номинальные ток и момент) в функции частоты напряжения преобразователя при вращении на XX.

Ток XX близок по значению к току намагничивания. Как показали измерения, значение тока XX при линейном скалярном управлении преобразователем частоты, характеризующимся постоянством отношения выходного напряжения инвертора к частоте этого напряжения, приближается к току XX при питании от сети 3x380 В, 50 Гц и составляет 80% номинального тока двигателя. С учётом этого ток намаг-

Кривые токов и моментов ХХ
Рис.2. Кривые токов и моментов XX двигателя ДМТКН-112-6У1:

1 - момент при векторном управлении; 2 — ток при векторном управлении; 3 - ток при линейном скалярном управлении; 4 - ток при скалярном управлении с увеличением напряжения в зоне низких частот; 5 - ток при питании двигателя от сети

ничивания (номинальное значение) при векторном управлении увеличен по сравнению с вычисленным в преобразователе примерно на 20% и составляет 65% номинального тока двигателя.

2. При опробовании механизмов роликового аппарата наблюдались удары в редукторах в зоне низких скоростей. Отсоединённый от механизма двигатель при входе в эту зону тормозился с заметно уменьшенным моментом или реверсировался. Подобные нарушения в динамике привода обусловлены пониженной устойчивостью контура регулирования в зоне низких скоростей при векторном управлении без датчика скорости из-за расхождения реальных параметров двигателя и его модели. В материалах фирмы по преобразователям Micromaster для улучшения динамики привода при входе в эту зону предусмотрена возможность (учитывается при параметрировании) перехода от системы регулирования с замкнутой обратной связью по вычисленной угловой скорости вращения к системе управления с отключенной обратной связью от модели наблюдателя. При этом выходная частота инвертора определяется задатчиком интенсивности с учётом скольжения, а ток намагничивания устанавливается параметрически с возможностью повышения при разгоне для увеличения момента двигателя в этой зоне скоростей. Структурно такое управление близко к скалярному с увеличенным выходным напряжением преобразователя при низких частотах.

Переключение на структуру управления с отключенной обратной связью по вычисленной скорости при частоте преобразователя 3,5 Гц обеспечило нормальный останов приводов роликов.

3. Для частотно-регулируемых электроприводов со скалярным управлением степень дополнительного повышения выходного напряжения инвертора с целью обеспечения постоянства тока намагничивания в зоне низких скоростей (компенсация влияния активного сопротивления обмотки статора) может быть оценена при наладке по кривой тока XX двигателя (кривая 4 на рис.2).

Выводы

1. Внедрённые системы частотно-регулируемых асинхронных электроприводов с микропроцессорным управлением, разработанные с учётом обеспечения повышенной эксплуатационной надёжности и безаварийной работы МНЛЗ, позволяют реализовать требования технологии по получению качественной литой заготовки для тонколистового производства.

2. Получен положительный опыт применения преобразователей частоты с векторным управлением без датчика скорости для индивидуального питания электродвигателей приводов роликового аппарата, что особенно перспективно при большом числе приводных роликов и тяжелых условиях эксплуатации электрооборудования в этой зоне.

3. Выбор оптимального варианта конфигурации силовой схемы частотно регулируемого электропривода с общим выпрямителем для группы инверторов требует учёта дополнительного выпрямителя для "горячего" резерва.

4. При реализации задаваемого распределения тянущих усилий по участкам зоны вторичного охлаждения требуется учёт моментов XX приводов роликов.

5. Повышение энергетических показателей, надёжности и улучшения динамики приводов делает актуальным разработку специальных асинхронных двигателей для частотно-регулируемых приводов с учётом особенностей эксплуатации на металлургическом производстве.


Список литературы
1. Марголин Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок.

М.: Металлургия, 1987.

2. Лукьянов С.И., Васильев А.Е., Швидченко Д.В. и др. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного устройства машины непрерывного литья // Труды IV международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. Ч.2. Магнитогорск, 2004. С.5-8.

3. Мазнев С.А., Милаков В.Г., Кошло В.П. и др. Реконструкция электроприводов роликового аппарата установки непрерывной разливки стали (УНРС) №2 ОАО "Северсталь" // Труды IV международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. 4.2. Магнитогорск, 2004. С.9-12.

4. Siemens. Micromaster 440. Operating Instructions (Compact). Issue 07/05. С.1-70.


Альшиц Виктор Миронович - главный специалист ООО "ПФ Тяжпромэлектропривод"

(г. Екатеринбург), канд. техн. наук. Окончил энергетический факультет Уральского политехнического института им. С.М. Кирова в 1955 г. Защитил диссертацию по теме "Исследование динамики и разработка систем управления электропроводами моталок широкополосных прокатных станов" в 1971 г.


Бажин Борис Григорьевич - главный конструктор проекта ООО "Уралмаш - металлургическое оборудование" (г. Екатеринбург). Окончил электротехнический факультет Уральского политехнического института им. С.М. Кирова в 1975 г.


Зеленцов Валерий Иванович - генеральный директор ООО "ПФ Тяжпромэлектропривод" (г. Екатеринбург), канд. техн. наук. Окончил электротехнический факультет Уральского политехнического института им. С.М. Кирова в 1969 г. Защитил диссертацию по теме "Повышение точности регулирования натяжения в электроприводах намоточно-размоточных механизмов станов холодной прокатки" в 1986 г.

Категория: Проекты | 19.06.2005 Просмотров: 2092 | Теги: Проект, частотное регулирование, литья заготовок, АСУ ТП, непрерывного, электропривод | Рейтинг: 5.0/1