Разработка электропривода машины центробежного литья валков по системе асинхронного вентильного каскада

Мировая практика показывает, что за последнее десятилетие в связи с введением в производство высокопроизводительных прокатных станов для выпуска качественного листового и сортового проката из легированных марок стали резко возросли требования к характеристикам валков. Для энергоемких металлургических предприятий проблемы, связанные с повышением качества отливаемых валков, сроком их службы, а также экономией энергоресурсов и дорогостоящих материалов являются наиболее актуальными на сегодняшний день, поскольку характеризуют конкурентоспособность последних на мировом рынке [1].

Годовой объём литейного производства в мире превышает 80 млн. т., из которых около 25% приходится на Россию [2]. Из всех производимых литых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность — 20%, производство санитарно-технического оборудования — 10%. Литые детали используют в металлообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, сельскохозяйственных машинах, автомобилях, тракторах, локомотивах и вагонах. Значительный объём литых изделий, особенно из цветных сплавов, потребляют авиация, оборонная промышленность, приборостроение.

Широкое применение ошшок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовых изделий, чем форму заготовок, производимых другими способами, например ковкой [3]. Это значительно уменьшает расход металла, сокращает затраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могут быть изготовлены изделия практически любой массы, со стенками толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких метров. Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий и легированный чугун (до 75% всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) и цветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталей непрерывно расширяется.

Большинство металлургических предприятий, таких как ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», наряду с обычной методикой статического литья заготовок, применяют технологию центробежного литья [3, 4]. Отливки, полученные подобным методом, по сравнению с отливками, полученными другими способами, обладают повышенной плотностью во внешнем слое. Этот способ литья широко распространён в промышленности при получении прочных и высококачественных отливок со свободной поверхностью — листопрокатных валков, чугунных и стальных труб, колец, втулок и т. п. В зависимости от положения оси вращения форм различают горизонтальные и вертикальные литейные центробежные машины. Для отливки листопрокатных валков наиболее оптимальными являются машины горизонтального типа [5].

До настоящего времени, практически монопольно, для привода механизма вращения центробежных машин применялся электропривод постоянного тока, который по своим стоимостным и массогабаритным показателям, а также эксплуатационным характеристикам уступает электроприводу переменного тока [6]. Ввиду ограниченных регулировочных возможностей электродвигателей переменного тока, в электроприводах центробежных машин они практически не применялись. Только в настоящее время, когда началось массовое внедрение современной преобразовательной техники для регулирования в электроприводах переменного тока, появилась возможность реализации электроприводов центробежных машин для литья валков на переменном токе.

Как промежуточный вариант, достаточно широкое применение на этих установках имеет гидропривод [7]. Данный тип привода, являясь высокотехнологичным, имеет ряд недостатков, среди которых следует отметить такие, как повышенный расход электроэнергии в системе гидропривода и отсутствие возможности рекуперации запасенной кинетической энергии обратно «сеть. Переход к управляемому электроприводу переменною тока позволит существенно повысить энергетическую эффективность производства валков. Кроме того, данный тип привода, полностью отвечая всем требованиям технологического процесса, является более простым и надежным, а, следовательно, менее затратным при внедрении и обслуживании [8].

В этой связи на кафедре «Электроника и микроэлектроника» Магнитогорского государственного технического университета совместно с ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» с учетом технологических требований, предъявляемым к приводу установки, ведутся работы по реконструкции механизма вращения приводных роликов центробежной машины с целью перехода от существующей гидросистемы к электроприводу переменною юка на базе двух асинхронных двигателей с фазным ротором, но схеме асинхронный вентильный каскад [9]. Наряду с другими способами реализации частотного управления, схем машин двойного питания, а также вентильных двигателей система АВК является наиболее простой и легко реализуемой, обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости [10]. Теория асинхронных вентильных каскадов достаточно глубоко разработана, значительный вклад в ее развитие внесли в свое время такие ученые как Ф. И. Бутаев, Е. JL Эттингер, Д. Н. Завалишин, А. С. Сандлер, Г Б. Онищенко и др. Принципы построения вентильных электроприводов подробно рассмотрены в работах А. С. Сарварова на примере скиповых подъемников.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих на сегодняшний день способов реализации приводов центробежных машин горизонтального типа, а также на основе технологии центробежного литья [4] сформулированы основные требования, предъявляемые к подобным установкам. Представлены основные положения по реконструкции центробежной машины, действующей в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК», с целыо перехода от существующей гидросистемы к электроприводу переменного тока. В завершении этой главы определены основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика расчета инерционных параметров системы, в частности, суммарного момента инерции, прикладываемого к электродвигателям. Также определены основные динамические показатели привода установки при работе в режимах покраски кокиля и заливке металла рабочего слом. Разработана инженерная методика расчета и выбора"мощности электродвигателей с учетом их перегрузочной способности. В данной главе уделяется внимание вопросам фрикционной связи между роликами и кокилем, а также выбору оптимального теплового режима работы электродвигателей, исключая возможность их перегрева и выхода из строя при длительных циклах работы, например, на этапе заливки.

В третьей главе подробно рассмотрены и экономически обоснованы варианты реализации электропривода центробежной машины, с точки зрения рационального электропотребления и возможности рекуперации энергии при торможении противовключением. Представлена оригинальная силовая схема двух-двигательного привода по схеме АВК, позволяющая повысить энергетическую эффективность производства валков, а также обеспечить синхронную работу механизма вращения приводных роликов центробежной машины. На основе анализа произведен выбор энергетических режимов работы литейного агрегата, а, следовательно, и алгоритмов управления преобразователем. Установлено, что наиболее оптимальными для привода центробежной машины являются алгоритмы несимметричного управления, позволяющие значительно уменьшить величину потребляемой из сети реактивной мощности [11]. Выполнен расчет по определению основных энергетических соотношений АВК, а также механических характеристик двигателей при различных углах управления инвертором, ведомым сетью.

Четвертая глава посвящена моделированию системы электропривода центробежной машины в среде MatLab версии 6.5. На основании математических уравнений разработаны структурные схемы двухдвигательного АВК, как для режима разгона, так и для торможения противовключением. Получены расчетные осциллограммы для динамических, а также установившихся процессов работы установки за весь технологический цикл. Установлено, что разработанная система электропривода позволит снизить электропотребление центробежной машины на 35%, тем самым, подтверждая актуальность реконструкции литейного агрегата в условиях действующего производства.

Практическое внедрение результатов диссертационной работы осуществлено в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» на центробежной машине горизонтального типа для отливки листопрокатных валков (Приложение 1).

Выводы.

1. Разработана математическая модель системы двух-двигательного АВК для механизма вращения приводных роликов машины центробежного литья валков, и в результате исследований определена реализуемость технологических требований к приводу установки.

2. На основе исследований режима прямого пуска электроприводов приводных роликов получено, что длительность пускового режима составляет 2,5 мин. при кратности тока статора 6,5 от номинального значения, что является недопустимым с позиции обеспечения надежности эксплуатации.

3. На основании расчетных осциллограмм установлено, что в режиме разгона АД по системе АВК за время tpajl=300c. перегрузка по току кратна 1, а при торможении противовключением за тоже время — 1,2.

4. Установлено, что при реализации привода установки по системе двух-двигательного АВК достигается снижение электропотребления центробежной машины в технологическом цикле на 35%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе анализа требований к приводу центробежной машины и эксплуатационных свойств существующей системы гидропривода обоснована технико-экономическая целесообразность перехода в центробежных машинах на электрический привод переменного тока.

2. С учетом технически обоснованных темпов разгона и торможения электропривода центробежной машины разработана инженерная методика расчета и выбора по мощности электродвигателей приводных роликов. Установлено, что при темпах разгона, обеспечивающих длительность пуско-тормозных режимов t > 15 с. достигается надежная фрикционная связь между роликами и кокилем.

3. На основании технико-экономического анализа вариантов построения систем электропривода и требований, предъявляемых к ним, установлена целесообразность применения системы АВК, по сравнению с частотно-регулируемым приводом.

4. Предложена оригинальная силовая схема двухдвигательного АВК, позволяющая реализовать торможение противовключением с рекуперацией энергии в питающую сеть и одновременно синхронизировать вращение приводных двигателей.

5. Установлено, что при переключении на последовательное соединение статорных обмоток АД в режиме противовключения обеспечивается эффективное торможение изложницы на заданном по требованиям технологического процесса интервале времени t = 300 с без завышения мощности инвертора в роторной цепи.

6. На основании математического моделирования системы двухдвигательного АВК установлено, что на интервалах пуска и торможения электродвигателей центробежной машины кратность токов лежит в пределах К 1,2 от номинального значения.

7. В результате исследований доказано, что при реализации привода установки по системе двух-двигательного АВК достигается снижение электропотребления центробежной машины в технологическом цикле на 35% по сравнению с гидроприводом.