Модернизация электропривода нажимных винтов

ВВЕДЕНИЕ

Данный дипломный проект является работой по изучению электропривода нажимных винтов, установленных на клети 1300 цеха прокатка широкополочных балок ОАО НТМК. Цех был пущен в работу в декабре 1977 года. И на данном механизме были установлены 2 двигателя постоянного тока (двухдвигательный привод) МПС — 640 — 700 и комплектный тиристорный привод КТЭУ — 1600/750 — 22 181 — УХЛ4.

Тема дипломного проекта — модернизация электропривода нажимных винтов. электропривод нажимной винт двутавр Здесь будет рассмотрена идея замены провода постоянного тока, существующего в настоящее время, на электропривод переменного тока. Дело в том, что при проектировании данной установки (1977 год) преобразователи частоты не достигали такого технического уровня, как преобразователи постоянного тока, и не устанавливались на таких ответственных механизмах. Они применялись для нерегулируемых приводов или приводов с небольшим (ступенчатым) регулированием.

Современные преобразователи частоты по своим техническим характеристикам ничуть не уступают преобразователям постоянного тока, а двигатели переменного тока имеют лучшие технико-экономические показатели. Применение частотных преобразователей в настоящее время является более перспективным.

На последующих страницах будут произведены необходимые расчеты механической части, выбран двигатель, преобразователь, построена тахограмма и нагрузочная диаграмма, проверки привода на перегрузку и нагрев, разработка системы регулирования. В программе Matlab будет создана модель привода, изучены его характеристики в динамике. В экономических расчетах определен срок окупаемости и величина капитальных затрат. Будут рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности.

Цель всего проекта — показать актуальность темы замены приводов постоянного тока переменным.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ Для многих прокатных станов имеется необходимость изменять по условиям технологического процесса расстояние между рабочими валками. У одних прокатных станков изменение расстояния между валками производится часто, после каждого пропуска (у блюмингов, слябингов, толстолистовых станов, реверсивных станов холодной прокатки), у других — редко, лишь в процессе настройки, при переходе от одного прокатного профиля к другому или при износе калибров, подшипников. Для изменения расстояния между валками можно перемещать верхний или нижний рабочие валки в двухвалковом стане, или один из валков трехвалкового стана. В большинстве случаев перемещается верхний рабочий валок.

Механизм, с помощью которого изменяется положение рабочего валка, называется нажимным устройством. Большое влияние на конструкцию нажимного устройства оказывает скорость, с которой перемещается рабочий валок. В зависимости от скорости перемещения валка нажимные устройства можно разбить на три группы:

Нажимные устройства с ручным приводом, применяемые в сортовых станах, у которых калибровка рассчитана на определенный, неизменный раствор валков, а также в старых конструкциях небольших станах горячей и холодной прокатки листов.

Тихоходные нажимные устройства с электроприводом для листовых станов горячей и холодной прокатки, у которых высота подъемов невелика, порядка 100−200мм. При этом скорость перемещения очень мала, что вызывается необходимостью иметь малые перемещения и точную остановку.

Быстроходные нажимные устройства с электроприводом, предназначаемые для станов с относительно большой высотой подъема верхнего рабочего валка, доходящего до 1500 мм и выше. Такие устройства применяются для блюмингов, слябингов, толстолистовых станов и т. п.

На практике применяются следующие скорости перемещения верхнего валка (табл.1.1)

Таблица 1.1

Виды нажимных устройств

При отсутствии металла в валках под влиянием веса валка между концом винта и пятой и в резьбе гайки нажимного винта образуется зазоры. В этом случае при захвате металла валками будут возникать сильные удары, которые вызовут повышенный износ и быстрое разрушение механизма. Для предохранения нажимного устройства от ударов при захвате металла необходимо устранить зазоры, что выполняется с помощью уравновешивающих устройств. На современных прокатных станах встречаются четыре способа уравновешивания:

Пружинное, при котором пружины упираются на станину. Такой способ применяется только в тех случаях, когда высота подъема не превышает 50−100мм (для сортовых станов с постоянным расположением калибров.)

Грузовое, осуществляется при помощи контргрузов, расположенных под рабочей клетью. Оно широко применяется для быстроходных нажимных устройств при значительных перемещениях верхнего валка.

Гидравлическое, производящееся при помощи гидравлических цилиндров. Плунжеры гидравлических цилиндров соединены с траверсой, которая тягами связаны с подушкой верхнего валка. Развиваемое плунжером усилие преодолевает вес уравновешиваемых деталей. Гидравлическое уравновешивание применяется у станов с относительно небольшим перемещением верхнего валка.

Пружинное уравновешивание с обратными винтами, при котором пружины опираются не на станину, как в первом случае, а на подвижные опорные гайки, движущиеся со скоростью, равной скорости перемещения валка.

Недостатком уравновешивания с обратным винтом является:

1) дополнительные потери на трение в обратном винте;

2) большая высота;

3) отсутствие независимого перемещения верхнего валка от нажимных винтов.

В связи с указанными недостатками эта система уравновешивания применяется сравнительно редко.

Во всех уравновешивающих устройствах усилия уравновешивания выбирают с таким расчетом, чтобы они были больше веса уравновешивания на 20−40%.

Значительное количество нажимных устройств работают в повторнократковременном режиме с большой частотой включения (обжимных, толстолистовых, среднелистовых станов). Так, число перемещений верхнего валка блюминга в час составляет по расчету 1100−1300. На практике эта величина еще выше и доходит до 1600−2000 перемещений в час. У непрерывных листовых станов горячей прокатки, сортовых, заготовочных и проволочных станов нажимное устройство работает в кратковременном режиме. Верхний рабочий валок перемещается лишь при настройке стана. У непрерывных и реверсивных станов холодной прокатки частота включения нажимных устройств — величина очень небольшая. В непрерывных листовых станах с автоматическим регулированием толщины полосы нажимные устройства работают с чистотой, доходящей до 1800 включений в час.

В соответствии с указанным для привода нажимных устройств блюмингов, слябингов, толстолистовых и среднелистовых станов, а также непрерывных тонколистовых станов горячей и холодной прокатки с автоматически регулированием толщины полосы применяются двигатели постоянного тока.

Для привода непрерывных станов обычно используются двигатели переменного тока.

Система автоматизации выдает для таких механизмов, как нажимные винты, манипуляторы, сталкиватели, всего один параметр — заданное положение. При отсутствии позиционной системы для управления этими механизмами необходимо было бы задать величину скорости привода, темп торможения, момент его начала и окончания. Все это существенно усложнило бы систему управления. В приводах с позиционным управлением, как правило, задается лишь конечное значение координат положения, при этом задание изменяется скачком. Минимальное возможное задание на перемещение составляет 0,01−0,1% полного хода механизма. Желаемая точность отработки — основной параметр, определяющий как структуру позиционного САУ, так и состав элементов.

Система управления нажимными устройствами реверсивных станов является весьма сложной. В реверсивном стане металл прокатывается по заданной программе обжатий, которые определяются положением верхнего валка в каждом пропуске. Качество готового проката во многих случаях определяется точностью установки валков, за которой оператор должен непрерывно наблюдать.

Таким образом, изучив техническую литературу, сделаем следующие выводы. В связи с большой частотой включений механизма необходимо уменьшить момент инерции привода. По этой причине применяем двухдвигательный привод. По этой же причине на обжимных станах существует тенденция к снижению передаточного отношения редуктора нажимного устройства с заменой червячной передачи цилиндрической и с применением двигателей вертикального исполнения.

Тип системы управления — векторная, выбор связан с требованиями к приводу, регулятор положения — параболический, что позволит отработать все виды перемещений с точным позиционированием.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Краткое описание цеха прокатки широкополочных балок Универсальный балочный стан предназначается для производства двутавровых балок с параллельными гранями полок из углеродистых и низколегированных сталей по ТУ-14−2-24−72 и отдельных крупногабаритных спецпрофилей в пределах предусмотренной проектом характеристики оборудования.

Техническая характеристика:

Состав цеха. В состав оборудования цеха входят пять укрупнённых участков:

* нагревательные печи

* рабочая линия стана

* участок сборки и перевалки клетей

* пилы горячей резки

* холодильники

* балкоотделка Участок нагревательных печей оборудован загрузочными стеллажами, рольгангами, печными толкателями, устройствами для выдачи нагретых заготовок, стеллажом недокатов со сталкивателем и одной установкой сбива окалины. Участок обеспечивает приём заготовок с адьюстажа машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), транспортировку заготовок к нагревательным печам, посад заготовок в печи, нагрев в соответствии с температурным режимом, выдачу заготовок из печей, сбив окалины гидросбивом, подачу нагретых заготовок к рабочим линиям стана, а также возврат недогретых заготовок, либо недокатов в пролёт адьюстажа МНЛЗ.

Участок рабочих линий стана включает в себя обжимную реверсивную клеть «1300» с манипуляторами, кантователями, рабочими и раскатными рольгангами, промежуточную и предчистовую группы клетей в составе универсальной и вспомогательной клетей каждая, чистовую универсальную клеть, подъёмные столы с направляющими линейками, транспортные рольганги и установки сбива окалины. Участок обеспечивает прокатку нагретых заготовок по утверждённым схемам прокатки до получения требуемого двутавра или колонного профиля в соответствии с ГОСТом, с периодическим сбивом с них окалины водой высокого давления.

Участок сборки и перевалки клетей включает в себя: плитовины рабочего участка клетей, промежуточные плитовины, плитовины и балки участка разборки и сборки участка разборки и сборки клетей, эстакаду, устройство для перевалки клетей, передаточную и перевалочную тележки, выдвижные и переходные мостики, площадки для обслуживания и траверсы для смены горизонтальных и вертикальных валков. Участок сборки и перевалки клетей служит для установки универсальных и вспомогательных клетей в линии прокатки стана, для смены, обслуживания, разборки и сборки.

Участок пил горячей резки состоит из двух стационарных и четырех передвижных пил, передвижных рольганговых секций с управляемыми бортами, скипового подъёмника, устройства для подачи обрезков в скип, клеймителя и стационарных рольгангов перед и за пилами. Участок обеспечивает порезку раскатов на штанги мерной или нормальной длины согласно заказам, клеймение и маркировку штанг и удаление обрези в вагоны.

Участок холодильников включает в себя три двухсекционных стеллажа-холодильника, оборудованные шлепперами и кантователями, подводящими и отводящими рольгангами. Участок обеспечивает приём поступающих с пил горячей резки порезанных раскатов, охлаждение их в положении «стоя на полке» и выдачу холодных балок в положении «лежа на боку» на рольганги балкоотделки.

Участок балкоотделки включает в себя правильные машины с горизонтальными и вертикальными роликами, линии осмотра балок в потоке, горизонтально-правильные прессы, пилы холодной резки, рольганги, стеллажи, и другое вспомогательное оборудование. Участок обеспечивает правку проката, осмотр, доотделку и выдачу балок на склад для складирования или погрузки в вагоны.

Спецификация к рис. 2.1 приведена в табл.2.1.

Таблица 2.1

Технологический состав цеха

2.2 Краткая технология прокатки и отделки двутавров Заготовки с МНЛЗ кранами, оборудованными захватами или магнитами, укладываются на загрузочные стеллажи, с которых передаются на рольганги и транспортируются к трём нагревательным печам с шагающим подом.

Заготовки длиной от 3,6 до 5,6 м садятся в печи в два ряда, свыше 5,6 до 11,4 м — в один ряд. Остановленные рольгангом в требуемом, относительно окон печей положении, заготовки задаются в печи, нагреваются в соответствии с технологией нагрева, перемещаются вдоль печей шагающими балками и выдаются при помощи специального устройства на рольганги выдачи заготовок, которыми транспортируются к обжимной клети «1300».

Случайно выданные из печей недогретые заготовки или получившиеся по какой-либо причине в обжимной клети недокаты могут быть возвращены в пролёт адьюстажа для последующего их использования по назначению.

Заготовки, нагретые до 1250оС в методических печах, выдаются по одной на рольганг обжимной клети «1300». Прокатка на обжимной клети производится согласно утвержденным схемам прокатки и режимам обжатий для каждого профиля за 5−15 пропусков, с температурой окончания прокатки не ниже 11 500. Дальнейшая прокатка полосы производится за 8−12 пропусков в двух реверсивных универсально-балочных группах клетей и за один пропуск — в нереверсивной чистовой клети.

Калибровка валков должна обеспечивать максимальную производительность стана, равномерную загрузку двигателей стана, высокое качество поверхности прокатываемого металла и полученные профиля согласно требованиям стандартов и технических условий.

Для получения готового проката перед обжимной клетью, а также перед каждой универсально-балочной группой и перед чистовой клетью с полосы производится сбив окалины водой высокого давления. Минимальная температура конца прокатки рекомендуется в пределах 800−8500С.

Окончательно прокатанные в чистовой клети полосы подаются рольгангами на участок пил горячей резки, порезка полос которых производится на длины согласно заказам. Отрезаемые на стационарных пилах концы сбрасываются сталкивателями на передвижные тележки, которые поочерёдно передаются в скип наклонного подъёмника, и последним грузятся в железнодорожные вагоны.

Пробы для контроля профиля вырезаются на первой пиле, сталкиваются с рольганга и после ручной перекладки, транспортной тележкой, перемещающейся вдоль оси колонн станового пролета, доставляются к чистовой клети.

Температура раскатов при порезке зависит от толщины стенки двутавров.

После порезки на пилах весь прокатываемый металл клеймится с помощью клеймовочных машин, которые расположены перед холодильником. Клеймение производится накаткой клеймовочных знаков по шейке двутавровых профилей по всей раската. На каждой штанге выбиваются: товарный знак завода-изготовителя, марка стали и номер плавки, номер и тип профиля.

Для разделения плавок в потоке перед холодильником производится маркировка двутавров путём нанесения на боковую поверхность (полки) движущихся по рольгангу штанг, окрасочных полос. Маркируется первая штанга каждой плавки с переднего и заднего концов.

После резки на пилах, клеймения и маркировки штанги, рольгангами в соответствии с заданной программой раскладки подаются к соответствующим секциям холодильников. На холодильниках балки сначала раскантовываются в вертикальные положения, затем набираются загрузочным шлеппером с определённым интервалом в пакет и последовательными ходами главного подъёмного шлеппера с шагом, соответствующим величине пакета, проходят через зону охлаждения. Интервал расстановки балок, их количество в пакете и величина шага перемещения главного шлеппера задаются оператором в зависимости от типа размера охлаждаемых профилей. В конце зоны охлаждения балки, по мере их поступления, разгрузочным шлеппером непосредственно, либо через промежуточный рольганг, выдаются на концевые стеллажи крайних холодильников, где раскантовываются в горизонтальное положение.

Далее балки по двум потокам направляются на операцию правки в двух взаимноперпендикулярных плоскостях на роликоправильных машинах.

После правки, балки проходят инспекторский осмотр в потоке и в зависимости от результатов контроля, либо выдаются по стеллажам прямо на склад, либо поступают на участки балкоотделки, где проходят по необходимости доправку на горизонтальных прессах, вырезку дефектных мест, дополнительную разрезку на заказные мерные длины, зачистку и повторный контроль на инспекторских стеллажах.

Готовый прокат с концевых участков стеллажей на складе убирается магнитными кранами, складируется или грузится непосредственно в вагоны. Большие партии проката, требующие доправки, по возвратным стеллажам могут направляться на повторный пропуск через роликоправильные машины и линии инспекторского осмотра с последующей расстановкой аналогично потокам основного производства.

Рабочая обжимная клеть «1300» предназначена для прокатки фасонных заготовок в подкат для последующего передела в универсальных балочных клетях из заготовки, идущей с машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ или УНРС — установка непрерывной разливки стали).

2.3 Нажимное устройство Нажимное устройство (рис. 2.2) представляет собой цилиндрический редуктор с вертикальным расположением осей шестерён, привод которого осуществляется от двух вертикальных электродвигателей.

Ступица венцовой шестерни имеет квадратное отверстие, в которое закладываются четыре бронзовых планки, охватывающие квадратный хвостик нажимного винта. Привод венцевых шестерён осуществляется непосредственно от электродвигателя. Моторная шестерня консольно крепится на конусном конце электродвигателя.

Для синхронизации вращения нажимных винтов, венцовые шестерни связаны между собой паразитными шестернями, одна из которых, при необходимости раздельного вращения нажимных винтов, выводится из зацепления с помощью гидроцилиндра, соединённого с осью шестерни.

Устройство нажимного механизма

1- шестерня переключения; 2- паразитная шестерня; 3- редуктор указателя раствора валков; 4- двигатель; 5- моторная шестерня; 6- тихоходная венцовая шестерня; 7- нажимной винт; 8- нажимная гайка; 9- узел подпятника рис. 2.2

Нажимная гайка выполнена из бронзы Бр АЖМц 10−3-1,5. Напрессованным кольцом из кованной стали образуется водяная рубашка, по которой циркулирует вода, охлаждающая гайку. Гайка размещается в расточке верхней поперечены станины и фиксируется от поворота двумя шпонками. Тело нажимного винта закрыто от попадания окалины и пыли телескопическим кожухом, который одновременно является маслосборником. Нижний конец нажимного винта опирается на подпятник, собственно подпятник выполнен из бронзы, а опорные диски из стали.

Указатель раствора валков. Привод указателя раствора валков, включающий в себя распределительный редуктор автоматики, осуществляется через коническую передачу от шестерни, находящейся в зацеплении с венцовой шестерней нажимного устройства. Собственно коническая передача вмонтирована в промежуточный редуктор, соединённый с редуктором указателя раствора валков координатным соединением. Привод обеспечивает вращение большой и малой стрелок указателя, при этом большая стрелка фиксирует на циферблате ход нажимных винтов от 0 до 100 мм, малая стрелка — от 0 до 1200 мм.

Для перевода стрелок с пульта при перевалке валков или износе текстолитовых подшипников в редуктор встроен дифференциал, имеющий привод через червячную передачу от отдельного двигателя, образующий независимую от нажимного устройства кинематическую цепь.

Уравновешивание верхнего валка гидравлическое. Особенностью механизма уравновешивания верхнего валка является наличие только одного гидроцилиндра плунжерного типа, который установлен в расточке оси центральной (паразитной) шестерни нажимного устройства. Конструкция компактна и не затрудняет обслуживание механизмов клети. Плунжер гидроцилиндра шарнирно соединён с траверсой, а последняя с балками при помощи двух тяг. Тяги механизма пропущены через отверстия в корпусе нажимного устройства, а длина тяг при необходимости может регулироваться.

Особенностью рабочей клети «1300» по сравнению с клетями блюмингов является необходимость установки проводковой арматуры для надёжного захода и выхода из калибров полосы при её прокате. Кроме двух проводковых брусьев, закреплённых на станинах, в пазах корпусов подушек нижнего вала установлены ещё два бруса, на которые монтируется проводковая арматура, при этом последняя не выходит за габариты окна станины. Проводковая арматура может быть без затруднения заменена при смене валков.

Данная конструкция вызвала увеличение ширины окна станин до 2100 мм и повлияла на конструкцию подушек рабочих валков, которые выполнены составными, состоящими из корпуса подушек и собственно подушки.

Подушки валков. Корпуса подушек нижнего валка связаны между собой траверсой и снизу имеют по две бронзовые планки, необходимые для передвижения комплекта валков с подушками по направляющим станин, и рамы устройства для перевалки валков. Осевая регулировка верхнего валка производится за счёт перемещения корпусов подушек относительно станин клети с помощью прижимных планок, закреплённых на станине и оборудованных гидроцилиндра прижима и сдвижки. Осевая регулировка нижнего валка осуществляется иначе: корпусы подушек при этом зафиксированы упорами относительно станин, а с помощью других упоров, закреплённых на корпусах подушек нижнего валка относительно соответствующих корпусов. В корпусах верхних подушек выполнены расточки, в которых устанавливаются узлы подпятников нажимных винтов.

Кроме этого сквозь корпусы верхних подушек пропущены тяги, которые соединяются шарнирно с балками механизма уравновешивания верхнего вала. Снизу в тягах выполнены по два паза, в которые вставляется чека: в нижний паз — для захвата бугелей при рабочем перемещении верхнего валка; в верхний паздля подъёма корпусов верхних подушек перед перевалкой валков, так как при перевалке эти корпуса остаются в клети.

Особенности эксплуатации:

При работе стана должны устанавливаться сетчатые щиты со стороны перевалочного устройства. При настройке нижнего валка по высоте пользоваться подкладками, количество которых не должно превышать трёх.

Периодически производить чистку отверстий для подвода воды в клиньях подушек, вывернув для этого пробки.

Периодически контролировать состояние трущихся поверхностей нажимных винтов, при появлении сетки разгара или налипании бронзы необходимо произвести смену винтовой пары и прошлифовать поверхности деталей до выведения дефектов.

Поскольку нажимной винт не связан с подушкой верхнего валка и не имеет жестокого упора в крайнем нижнем положении, во избежание поломок венцовой шестерни нажимного устройства, на нажимной винт установлено предохранительное устройство, которое в аварийных случаях обеспечивает упор нажимного винта в гайку. Для освобождения винта от заклинивания предохранительное кольцо разрезается огнём, для чего предварительно раскрепляется верхнее звено телескопического кожуха. Категорически запрещается включение и выключение шестерни переключения нажимного устройства при работе двигателей нажимного устройства.

2.4 Техническая характеристика нажимного устройства Техническая характеристика, согласно [13], представлена в табл.2.2.

Таблица 2.2

Техническая характеристика нажимного устройства

2.5 Исходные данные для проектирования Технологическая карта прокатки для профиля 25Б представлена в табл.2.3, перемещение нажимного винта — табл.2.4.

Таблица 2.3

Технологическая карта прокатки. Профиль 25Б.

Таблица 2.4

Перемещение нажимного устройства

Вес верхнего валка с подушками — 80,5 т, вес движущихся частей нажимного винта — 8 т.

2.6 Кинематическая схема механизма Кинематическая схема механизма представлена на рис. 2.3

1- двигатель; 2- выдвижная шестерня с приводом подъема; 3- силовой редуктор; 4- нажимной винт; 5- гайка; 6- уравновешивающее устройство; 7- рабочий валок рис. 2.3

2.7 Требования к электроприводу Требования к электроприводу предъявляются, исходя из технологического процесса, а также условий работы привода. К ним относятся:

1. Возможность ручного и полуавтоматического управления.

2. Высокая точность позиционирования.

3. Реверсирование электропривода.

4. Обеспечение работы в двигательном и тормозном режиме.

5. Ограничение ускорения.

6. Частота ускорений до 720 в час.

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Выбор двигателя В настоящий момент на механизме установлен двигатель МПС-640−700, мощностью 640 кВт и скоростью 700 об/мин, с вертикальным расположением вала. Выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с аналогичными параметрами. Предварительный расчет мощности производиться не будет, так как при проектировании данной установки был заложен запас по мощности, который является необходимым для таких ответственных механизмов.

Данные двигателя представлены в табл.3.1.

Таблица 3.1

Технические данные двигателя

3.2 Расчет момента сопротивления

Перемещение верхнего валка осуществляется только во время пауз между пропусками, в это время на нажимное устройство действует только усилие со стороны механизма уравновешивания верхнего валка, действующее по поверхности пяты нажимного винта.

Все данные для расчета содержатся в разделе 2.4 и 2.5 и табл.3.1.

Статический момент:

где = 0,1 — коэффициент трения в пяте нажимного винта; dn — диаметр пяты нажимного винта, м; dcp — средний диаметр резьбы нажимного винта, м; сугол трения в резьбе нажимного винта, град.; - угол подъема линии резьбы, град.; - при движении вниз (+), вверх (-); i = 3,08 — передаточное число редуктора; з= 0,97 — коэффициент полезного действия редуктора; PY — усилие со стороны устройства уравновешивания, кг; Gвв — вес верхнего валка с подушками, кг; Gнв — вес движущихся частей нажимного винта, кг Средний диаметр резьбы нажимного винта:

dcp = d — 0,75· s ,

где d — наружный диаметр резьбы, м; s — шаг резьбы нажимного винта, м

dcp = 0,56 — 0,75· 0,048 = 0,524 м

Угол трения в резьбе нажимного винта:

где — коэффициент трения в резьбе нажимного винта Усилие со стороны устройства уравновешивания:

PY = (p · р· (dц2- dш2) /4 ,

где р — давление масла в гидроцилиндре, кг/см2; dц — диаметр гидроцилиндра, м; dш — диаметр штока, м

PY = (1,6?106 · р· (0,362- 0,172) /4 = 126 500 кг

Получаем:

Среднее значение cтатического момента:

Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя:

где — отношение угловых скоростей двигателя и механизма; Jм — момент инерции механизма, кг· м2; J1 — момент инерции моторной шестерни, кг· м2; Jдв — момент инерции двигателя, кг•м2

Момент инерции механизма:

где — маховый момент механизма, кг· м2

Определяем максимальное линейное ускорение перемещения верхнего валка при пуске и торможении, а также критическое перемещение (максимальное при работе двигателя в режиме «Пуск-торможение»). Данные расчета в табл.3.2

Момент при пуске, торможении:

Мп = Мт = лм• Мном ,

где лм — перегрузочная способность двигателя по моменту

Таблица 3.2

Определение ускорений и критического пути

Из расчетных ускорений выбираем среднее по величине и принимаем его в качестве заданного при построении тахограммы:

Расчет времени работы электродвигателя:

Время работы для участков с треугольной тахограммой :

где siвеличина перемещения, мм; табл.2.4

Время работы для участков с трапецеидальной тахограммой (si >sкр):

ti = tn+tm+ty ,

где tnвремя работы при пуске, с; tmвремя работы при торможении, с; ty — время работы с установившейся скоростью, с

tn+tm = ,

Так как S6 < Sкр, то тахограмма при возврате будет треугольной Расчет тахограммы сводим в табл.3.3.

Таблица 3.3

Данные расчета тахограммы

3.3 Предварительная оценка работоспособности электропривода по перегрузке и нагреву Эквивалентный момент в повторно-кратковременном режиме :

где Мп — момент при пуске; Мт — момент при торможении; Му — момент при движении с установившейся скоростью, Н•м Определим моменты пуска и торможения при заданном ускорении

Мэ.S3 = 3805 Н•м Проверим работоспособность двигателя режима S1, работающего в режиме S3.

где Мэ — эквивалентный момент для режима S1, Н•м; г — коэффициент постоянных потерь двигателя; tр — время работы двигателя в режиме S3, с; t0 — время в течение которого двигатель не работает, с Коэффициент постоянных потерь определяется:

где — коэффициент полезного действия двигателя номинальный; зм — максимальный коэффициент полезного действия двигателя (примем зм =+0,04);

— для двигателей с самовентиляцией приближенно принимается; примем, а =0,3

tр =? ti

t0 = tц —? ti,

где tц — время цикла, с (по технологической карте — 50 сек)

t0 =50 — 10,479 = 39,521 с Эквивалентный момент составляет 0,13Мн, что исключает перегрев двигателя.

Относительная продолжительность работы привода:

3.4 Выбор преобразователя На ОАО НТМК в последнее время широко внедряются преобразователи фирмы «Сименс». Поэтому для данного привода будет выбран преобразователь этой фирмы. Исходя из требований, предъявляемых к приводу нажимных винтов, выбираем преобразователь частоты с векторным управлением.

Преобразователь SIMOVERT MV: 6 SE 80 10 — 1 D, А 0 1 — L02

Расшифровка:

6 SE 80 — конструктивный ряд

10 — Мощность в 100 кВА

1 — тип охлаждения — воздушное

D — номинальное напряжение подключения — 6 кВ, А — преобразователь с 12-пульсным диодным входом

0 — функциональный уровень

1 — SIMOVERT MV c максимальной выходной частотой 66 Гц (стандарт)

L02 — дополнительная опция — активный выпрямитель Номинальное напряжение — 6 кВ, номинальный ток — 95 А Общие технические данные:

Силовые элементы — диоды и транзисторы HV-IGBT

Выпрямитель со стороны сети — активный реверсивный выпрямитель Active Front End (AFE)

Инвертор со стороны двигателя — трехточечный инвертор Регулированиерегулятор TRANSVEKTOR, полноцифровой с RISC-процессором (32 бит) Квадранты привода — ?AFE -2 направления вращения в движении и торможении (4 квадрант) Вспомогательное электропитание 3Ч380 В ± 10%, 50/60 Гц ± 3%

Коэффициент мощности основной гармоники > 0,96

КПД — 97,6%

Диапазон регулирования частоты и скорости вращения -1:1000.

Регулятор TRANSVEKTOR достигает динамических качеств, присущих приводу постоянного тока. Это становится возможным благодаря тому, что токовые составляющие, отображаемые моментом и потоком, регулируются точно и независимо друг от друга. С помощью такого векторного регулирования можно очень точно поддерживать и ограничивать заданный момент. В среднем диапазоне регулирования скорости ориентированное на поле регулирование преобразователя SIMOVERT MV не требует датчика скорости и полностью независимо от параметров мотора. Датчик скорости требуются в перечисленных ниже случаях использования: высокие требования к динамике; регулирование момента или поддержание постоянного момента в диапазоне регулирования > 1:10; малые скорости вращения; высокая точность по скорости.

Принимаем к установке преобразователь без датчика скорости.

Конструкция силовой части:

Силовая часть преобразователя SIMOVERT MV состоит в стандартном исполнении из:

Силового выключателя Выключатель высокого напряжения, управляется преобразователем.

Входного трансформатора — для приведения сетевого напряжения к среднему напряжению.

Активного выпрямителя Трех точечного промежуточного контура с конденсаторами и устройством короткого замыкания для разрядки. Необслуживаемые и самовосстанавливающиеся конденсаторы МКК в параллельном подключении для сглаживания напряжения промежуточного контура.

Трехточечного инвертора с тремя фазными элементами (состоят каждый из HV-IGBT и диодной силовой платы.)

Фильтр IHV создает из импульсного выходного напряжения инвертора синусное напряжение.

Комбинированный измерительный преобразователь тока и напряжения

Служит для регистрации выходного напряжения и тока двигателя (текущих значений). Прецизионный регистратор тока двигателя и выходных напряжений по специальной патентованной методике Sigma-Delta.

Конструкция силовой части в трехточечной технике имеет много преимуществ: HV-IGBT нагружает только половину промежуточного контура. Частота переключения составляет при одинаковом качестве выходного тока только около ј необходимой при двухточечной технике частоты; поэтому потери в HVIGBТ малы, К.П.Д. высок. Лучшая форма кривой выходного тока (рис. 3.1) по сравнению с двухточечной техникой: потери в двигателе и уровень шума малы.

Форма выходного тока преобразователя рис. 3.1

Преобразователь осуществляет диагностику неисправностей.

Силовой выключатель Повышенное и пониженное напряжение сети Контроль состояния трансформатора Выход из строя вентилятора Контроль двигателя. Термисторный прибор 3RN1011−1CB00 для защиты двигателя. Оценивает температуру двигателя для предупреждения и дальнейшего отключения. Выходные контакты встроены во внутреннюю цепь отключения выключателя.

Контроль IGBT транзисторов Напряжение промежуточного контура Контроль замыкания фазы на землю Контроль напряжения управления

3.5 Синтез системы регулирования

3.5.1 Расчет параметров двигателя

1. Номинальное скольжение

где — угловая скорость вращения поля, рад/с

— угловая скорость вращения ротора, рад/с

где — число пар полюсов

2. Критическое скольжение

3. Полное сопротивление короткого замыкания где — фазное номинальное напряжение, В

— фазный номинальный ток, А

4. Активное сопротивление короткого замыкания

где cosц — коэффициент мощности двигателя

5. Активное сопротивление обмотки статора

6. Активное сопротивление обмотки ротора

7. Реактивное сопротивление короткого замыкания где mчисло фаз

Ммахмаксимальный момент двигателя, Н•м

8. Реактивное сопротивление обмотки статора

9. Реактивное сопротивление обмотки ротора

10. Взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора

где Iон — ток холостого хода, А

Iон= 0,35•Iн

Iон= 0,35•77 =26,95А

11. Индуктивность рассеяния обмотки статора

12. Индуктивность рассеяния обмотки ротора

13. Собственная индуктивность обмотки статора

14. Собственная индуктивность обмотки ротора

15. Модуль вектора потокосцепления ротора номинальный

где Кс — коэффициент связи между трех и двухфазной системой; Кс=

16. Общее активное сопротивление цепей двигателя

17. Электромагнитная постоянная времени статора

11. Электромагнитная постоянная времени ротора

3.5.2 Расчет коэффициентов обратных связей Коэффициент обратной связи по скорости:

где: — напряжение задания по скорости (в САУ), В

— номинальная угловая скорость, рад/с Коэффициент обратной связи по току:

где: — напряжение задания по току (в САУ), В

— максимальный ток, А

где — перегрузочная способность по току Коэффициент обратной связи по потоку:

В/Вб где: — напряжение задания по потоку (в САУ), В

— магнитный поток ротора, Вб Коэффициент обратной связи по положению:

где Uз. s — напряжение задания по положению (в САУ), В

Smax — максимальное перемещение винтов, мм; табл.2.2

3.5.2 Синтез регуляторов Динамические свойства ПЧ совместно с блоками измерения и преобразования координат могут быть учтены введением инерционного звена с передаточной функцией:

где Kп коэффициент передачи преобразователя; Тмпостоянная времени преобразователя.

Передаточные функции, характеризующие динамические процессы в асинхронном электродвигателе при векторном управлении:

Структурная схема АД.

Строим упрощенную структурную схему электропривода, составленную на основе выше приведенных уравнений. Структурная схема системы электропривода переменного тока при векторном управлении аналогична структурной схеме системе электропривода постоянного тока при двухзонном регулировании скорости. Ввиду этого и система регулирования электроприводами выполняются аналогичными.

Упрощенная структурная схема системы электропривода переменного тока при векторном управлении рис. 3.2

Синтез регуляторов тока:

Контуры активного и реактивного тока настроим на модульный оптимум.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура тока:

где — коэффициент обратной связи по току, В/А

за малую некомпенсируемую постоянную времени примем постоянную времени преобразователя, равную 0,001 с.

Передаточная функция разомкнутого контура тока:

где — напряжение питающей сети, В

— напряжение САУ, В Отсюда передаточная функция регуляторов тока:

Синтез регулятора потокосцепления:

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура потокосцепления:

где — некомпенсируемая постоянная времени контура потокосцепления Передаточная функция разомкнутого контура потокосцепления:

Отсюда передаточная функция регулятора потокосцепления:

Синтез регулятора скорости:

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости, настроенного на симметричный оптимум.

Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Синтез регулятора положения:

Принимаем к установке параболический регулятор. Выход регулятора:

где Крп — коэффициент регулятора положения;

— рассогласование сигналов задания на перемещение и сигнала с датчика обратной связи, рад

Пояснения к функциональной схеме, изображенной на рис. 3.3:

П1- определяет управление приводом в ручном режиме (от КА), либо в полуавтоматическом с пульта.

П2 — определяет раздельную работу левым или правым винтом.

П3 — замкнут — шунтировка «ноль органа» сработала защита «работа одним двигателем «управление совместное.

П4 — замкнут, П5 — разомкнут — совместное управление винтами.

П4 — разомкнут, П5- замкнут — остановка привода «ограничение хода винтов «.

П6 — совместное управление винтами от регулятора скорости первого винта.

П7 — ограничение хода винтов вниз — вверх.

На рис. 3.4 изображена модель двигателя для вычисления параметров обратных связей.

На рис. 3.5 изображена структура формирования флагов защит.

Реализовано две группы защит: быстродействующие, срабатывание которых мгновенно блокирует привод, сбрасывает флаг состояния «Готовность 1», отключает силовое питание преобразователя, и медленнодействующие, мгновенно сбрасывающие флаг состояния «Готовность 2» при достижении порога перегрузки (перегрева) и блокирующие привод с выдержкой времени в случае, если нагрузка (температура) не снижается.

К 1 — ой группе защит относятся:

* максимально-токовая защита преобразователя;

* защита от превышения максимально допустимой температуры транзисторов;

* защита от недопустимых отклонений питающего напряжения;

* защиты от ошибок системы управления;

* защита от несоответствия скорости заданной;

* защита от превышения максимального уровня скорости.

Максимально-токовая защита инвертора — двухуровневая. Первый уровень срабатывания защиты выполняется программно, путем сравнения мгновенных значений тока в выходных фазах с максимально допустимым для установленного в преобразователе IGBT-модуля. Срабатывание первого уровня защиты диагностируется установкой флага X в строке состояния пульта ручного управления. Второй уровень защиты — контроль насыщения IGBT, выполняется аппаратными средствами драйвера при возникновении режима короткого замыкания выходных фаз между собой или на «землю». Диагностируется установкой флага O в строке состояния.

Защита от превышения максимально допустимой температуры кристаллов IGBT реализуется на основе динамической тепловой модели. Модель, работающая в масштабе реального времени, выполняет расчет статических и динамических потерь и мгновенных значений перегрева кристаллов каждого из IGBT-ключей инвертора относительно корпуса модуля. Входными переменными модели являются мгновенные значения токов выходных фаз, выпрямленного напряжения Udc, и температуры корпуса IGBT-модуля и сигналы управления, формируемые векторным модулятором. Срабатывание защиты при достижении расчетного значения температуры любого из IGBT предельно допустимой величины 125єС диагностируется флагом W в строке состояния.

Защиты от недопустимого повышения и понижения напряжения выполняются по сигналу датчика в звене постоянного напряжения. Порог срабатывания защиты от понижения напряжения и обрыва фазы составляет -15% от номинального значения напряжения питающей сети. Срабатывание диагностируется соответственно флагами H и L.

Защиты от ошибок системы управления диагностируются следующими флагами:

— отклонение напряжений питания цепей управления сверх допустимых пределов — флагом P;

— сбой в процессорном ядре — флагом C;

— ошибка аналого-цифрового преобразователя — флагом A;

— ошибка энергонезависимой памяти — флагом M;

— ошибка тестирования датчиков тока — флагом S;

— ошибка тестирования датчика напряжения — флагом U;

— ошибка управления по сети (превышено время ожидания кадра) — флагом F;

— потеря сигнала токовой петли (I<4mA) — флагом N;

— неисправность (отсутствие) микросхемы часов реального времени — флагом Z;

— разряд батарейки питания микросхемы часов реального времени — флагом G.

Защита от несоответствия вычисленной и заданной скорости диагностируется установкой флага D. При превышении уровня максимально допустимой скорости устанавливается флаг E.

Ко 2 — ой группе защит относятся:

* температурная защита преобразователя;

* температурная защита двигателя;

* время-токовая защита двигателя.

Температурная защита преобразователя выполняется по сигналам датчиков, установленных в силовых модулях инвертора и выпрямителя, и настроена на максимально допустимую рабочую температуру. При достижении температуры корпуса любого из модулей 80єС сбрасывается флаг «Готовность 2», в строке состояния пульта ручного управления отображается мигающий символ T. При температуре 85єС привод блокируется, сбрасывается флаг «Готовность 1», отключается силовое питание преобразователя, в строке состояния отображается немигающий символ T. При достижении температурой двигателя порогового значения сбрасывается сигнал «Готовность 2», в строке состояния пульта ручного управления отображается мигающий символ Q. Если температура продолжает расти, то через время сбрасывается сигнал «Готовность1», в строке состояния отображается немигающий символ Q. Порог активизации защиты задается в процентах от номинального тока двигателя I ном. При достижении током установленного значения сбрасывается сигнал «Готовность 2» и отображается мигающий символ I. Если нагрузка не снижается, то преобразователь блокируется с выдержкой времени.

Разблокирование привода и сброс флагов защит выполняется входным логическим сигналом «Сброс защит» или отключением питания. Флаги срабатывания защит второй группы могут быть сброшены только при снижении температуры преобразователя (двигателя) до установленного значения или с выдержкой времени, эквивалентной остыванию двигателя после перегрузки.

4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ В исследовательской части данного дипломного проекта будет разработана модель привода нажимного устройства. Программа для моделирования — Matlab 6.5 Simulink. Цель данного раздела — подтвердить правильность расчетов, произведенных в конструкторской части.

4.1 Моделирование в MATLAB

Модель асинхронного двигателя представлена на рис. 4.1

Модель асинхронного двигателя в неподвижной системе координат рис. 4.1

В неподвижной комплексной системе координат вещественная ось обозначается через б, а мнимая через в. Пространственные векторы в этом случае раскладываются по осям:

Системы уравнений двигателя имеет вид:

Результаты моделирования в неподвижной и во вращающейся системе координат являются полностью идентичными. Для анализа собственно электрической машины выбор системы координат не играет роли.

Так как структурная схема системы управления — во вращающейся системе координат, то для преобразования координат из вращающихся в неподвижные служит блок, представленный на рис. 4.2.

Блок преобразования координат x, y — б, в рис. 4.2

На вход поданы напряжения во вращающейся системе координат Ux, Uy, представляющие постоянные величины, а также величина щt — скорость вращения координат. На выходе блока формируются синусоидальные напряжения, управляющие моделью АКЗ в неподвижной системе координат.

;

Для подачи сигнала обратной связи по току в систему управления служит блок преобразования б, в — x, y, представленный на рис. 4.3.

Блок преобразования б, в — x, y

рис. 4.3

Реактивный момент нагрузки реализуется схемой, представленной на рис. 4.4.

Реактивный момент нагрузки рис. 4.4

Вычисление модуля потока реализуется схемой, представленной на рис. 4.5.

Вычисление модуля потока рис. 4.5

Вычисление скорости вращения координат реализуется схемой, представленной на рис. 4.6.

Вычисление скорости вращения координат рис. 4.6

Задатчик интенсивности представлен на рис. 4.7.

Задатчик интенсивности рис. 4.7

Регуляторы системы управления построены на основе блока PID-контроллер, в котором задаются коэффициенты пропорционального, интегрального и дифференциального звеньев; ограничения выходных параметров регуляторов — блок Saturation; апериодическое звено — преобразователь — представлено блоком Transfer fcn. Задание на контур положения — выполнено блоком Timer, в котором в одной строке задаются значения времени, в другой — амплитуда сигнала в данный момент времени.

4.2 Анализ переходных процессов Модель привода представлена на рис. 4.8.

Из рис. 4.9 видно, что тахограмма аналогична заданной, на нагрузочной диаграмме имеются пиковые броски моментов в конце режимов пуска и торможения.

На рис. 4.10 изображены моменты каждого двигателя и эквивалентный момент.

Как видно из рис. 4.11, где изображено перемещение винтов, за счет установки параболического регулятора перерегулирование отсутствует, привод отрабатывает перемещение точно, без ошибки. Время регулирования соответствует рассчитанной тахограмме и не превышает допустимое (табл.2.4).

На рис. 4.12 и рис. 4.14 — синусоидальные напряжения Uб, Uв, управляющие моделью АКЗ в неподвижной системе координат, на рис. 4.13 — напряжения во вращающейся системе координат Ux, Uy .

рис. 4.9

рис. 4.10

рис. 4.11

рис. 4.12

рис. 4.13

рис. 4.14

5. ОРГАНИЗАЦИОННО — ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Модернизация (в данном проекте замена электропривода постоянного тока переменным) связана с дополнительными инвестициями. Целесообразность модернизации заключается в замене физически и морально устаревшего оборудования с целью повышения энергетических показателей и снижением эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт.

Перед нами стоит задача оценить экономическую эффективность на основе оценки капитальных затрат, эксплуатационных расходов и срока окупаемости

5.1 Расчет капитальных затрат В табл. 5.1. сведены расчеты затрат на покупку оборудования. Стоимость двигателя и преобразователя определяется ценой за 1 кВт,