ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОКАТНОГО СТАНА Российский патент 2014 года по МПК H02P7/14 H02P7/285 

Изобретение относится к автоматизированному электроприводу и предназначено для использования в составе промышленных технологических комплексов прокатного производства.

Известны электроприводы прокатных станов, содержащие электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик угловой скорости двигателя, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, и датчик напряжения, подключенный к якорной обмотке двигателя (патент РФ №2065660. Опубл. 20.08.96, Бюл. №23, МПК H02P 5/06; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г.Иванов и др. - Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3; Пiвняк Г.Г., Бешта О.С., Фiлькiн М.П. Автоматизировании електропривод у прокатному виробництвi. - Днiпропетровськ, Нацiональний гiрничий унiверситет. - 2008, с.121, рис.4.11).

В известных электроприводах прокатных станов осуществляется регулирование скорости и подчиненное регулирование тока двигателя. При работе электропривода в составе прокатного стана в результате пластической деформации металла происходит изменение нагрузки, приводящее к нарушению устойчивой работы электропривода и возникновению колебаний.

Следовательно, недостатком известных технических решений является низкое качество регулирования скорости при прокатке металлов.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является электропривод прокатного стана, содержащий двигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного первым суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, выходы задатчика и датчика угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения, выход которого через блок ограничения подключен к первому суммирующему входу регулятора скорости и непосредственно соединен с первым входом нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию

где ε, u₂ - первый и второй входные сигналы; U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы, второй вход которого через масштабирующий усилитель подключен к выходу задатчика скорости, а выход соединен с управляющим входом управляемого ключа, присоединенного между суммирующим входом регулятора скорости и выходом второго элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика скорости, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке двигателя (патент РФ №2254665, МПК 02P 5/06. - Опубл. 20.06.2005, Бюл. №17).

В известном электроприводе осуществляется регулирование скорости и напряжения на якорной обмотке и подчиненное регулирование тока двигателя. При работе электропривода в составе прокатного стана в результате пластической деформации металла происходит изменение нагрузки, приводящее к нарушению устойчивой работы электропривода и возникновению колебаний.

Следовательно, недостатком известного технического решения является низкое качество регулирования скорости при прокатке металлов.

Цель предлагаемого изобретения - повышение качества регулирования скорости электропривода путем повышения устойчивости и демпфирования колебаний при прокатке металлов.

Поставленная цель достигается тем, что в известный электропривод прокатного стана, содержащий двигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, выходы задатчика и датчика угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения, выход которого соединен с объединенными входом блока ограничения и первым входом нелинейного функционального преобразователя, второй вход которого подключен через масштабирующий усилитель к выходу задатчика, суммирующий и вычитающий входы второго элемента сравнения подключены к выходам соответственно задатчика скорости и датчика напряжения, а выход через управляемый ключ соединен с одним из входов сумматора, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения, а выход соединен с входом регулятора скорости, управляющий вход управляемого ключа соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя; вход датчика напряжения подключен к якорной обмотке двигателя, дополнительно введены датчик скорости прокатки и второй нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

где Ω - входной сигнал датчика скорости; Ω₀ и Ω₁ - границы диапазона критических угловых скоростей, на которых возникают колебания, U₀ - напряжение смещения, V_п - скорость прокатки, а регулятор тока оснащен вторым суммирующим входом, при этом первый и второй входы нелинейного функционального преобразователя подключены к выходам соответственно датчика угловой скорости двигателя и датчика скорости прокатки, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора тока.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый электропривод прокатного стана имеет следующие новые признаки:

- датчик скорости прокатки.

- второй нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

- регулятор тока оснащен вторым суммирующим входом.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения обеспечивается повышение качества регулирования скорости путем демпфирования колебаний, вызванных нелинейной зависимостью момента прокатки от угловой скорости электропривода, смещением рабочей точки электропривода в область устойчивой работы. Смещение рабочей точки при критических угловых скоростях вращения двигателя, на которых появляются колебания, осуществляется путем подключения к входному сигналу регулятора тока постоянного сигнала U₀, обеспечивающего контролируемое изменение скорости и, таким образом, перевод соответствующей рабочей точки на устойчивый участок.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Известны регуляторы тока, оснащенные несколькими входами (суммирующими и вычитающими) в электроприводах (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г.Иванов и др. - Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3).

В известных технических решениях и предлагаемом устройстве регуляторы с несколькими входами выполняют аналогичные функции.

Датчики скорости прокатки и нелинейные функциональные преобразователи, реализующие функцию

$$F\left(\Omega \right)=\{\begin{array}{l}{U}_0при|\Omega |\in \left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right];\\ 0при|\Omega |\notin \left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right],\end{array}$$

в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема электропривода, на фиг.2 приведены диаграммы зависимости относительного момента прокатки от линейной скорости валков, на фиг.3 показаны процессы при прокатке металлов в предлагаемом электроприводе с коррекцией и без корректирующего воздействия.

Электропривод прокатного стана (фиг.1) содержит задатчик 1 угловой скорости двигателя, масштабирующий усилитель 2, первый 3 и второй 4 элементы сравнения, первый нелинейный функциональный преобразователь 5, реализующий функцию

$$F\left(\epsilon ,u_2\right)=\{\begin{array}{l}{U}_eпри|\epsilon |\ge |u_2|;\\ 0при|\epsilon |<|u_2|,\end{array}$$

второй нелинейный функциональный преобразователь 6, реализующий функцию

$$F\left(\Omega \right)=\{\begin{array}{l}{U}_0при|\Omega |\in \left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right];\\ 0при|\Omega |\notin \left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right],\end{array}$$

управляемый ключ 7, блок ограничения 8, регулятор скорости 9, регулятор тока 10, усилитель мощности 11, датчик тока 12, двигатель постоянного тока независимого возбуждения 13, датчик напряжения 14, датчик угловой скорости двигателя 15, датчик скорости прокатки 16.

В предлагаемом электроприводе якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 13 через датчик тока 12 подключена к выходу усилителя мощности 11, вход которого соединен с выходом регулятора тока 10, подключенного первым суммирующим входом к выходу регулятора скорости 9 и вторым суммирующим входом к выходу второго нелинейного функционального преобразователя 6, а вычитающим входом к выходу датчика тока 12, выходы задатчика 1 угловой скорости двигателя и датчика 15 угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения 3, выход которого через блок ограничения 8 подключен к первому суммирующему входу регулятора скорости 9 и непосредственно соединен с первым входом нелинейного функционального преобразователя 5, второй вход которого через масштабирующий усилитель 2 подключен к выходу задатчика 1 угловой скорости двигателя, а выход соединен с управляющим входом управляемого ключа 7, присоединенного между суммирующим входом регулятора скорости 9 и выходом второго элемента сравнения 4, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика 1 угловой скорости двигателя, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения 14, подключенного к якорной обмотке двигателя постоянного тока независимого возбуждения 13, выход второго нелинейного функционального преобразователя 6 первым и вторым входом подключен к выходам соответственно датчика 15 угловой скорости двигателя и датчика скорости прокатки 16, а выходом подключен к второму суммирующему входу регулятора тока 10.

Электропривод прокатного стана работает следующим образом. Якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 13 подключена к выходу усилителя мощности 11. Регулирование скорости Ω двигателя осуществляется изменением напряжения на якорной обмотке. Угловая скорость двигателя 13 измеряется датчиком 15 угловой скорости двигателя, например тахогенератором. Ток двигателя 13 измеряется с помощью датчика тока 12, например шунта. Измерение напряжения на якорной обмотке двигателя 13 производится датчиком напряжения 14.

На суммирующий вход первого элемента сравнения 3 с выхода задатчика 1 угловой скорости двигателя поступает сигнал u₃, пропорциональный требуемому значению скорости двигателя 13. На вычитающий вход первого элемента сравнения 3 поступает выходной сигнал u₁₅ датчика 15 угловой скорости двигателя, пропорциональный скорости Ω вращения ротора двигателя 13. В элементе сравнения производится вычисление ошибки регулирования ε=u₁-u₁₅. Сигнал ε с выхода элемента сравнения 3 поступает на объединенные первый вход нелинейного функционального преобразователя 5 и вход блока ограничения 8. На втором входе нелинейного функционального преобразователя 5 действует сигнал u₂ с выхода масштабирующего усилителя 2, пропорциональный сигналу задания u₃. На выходе нелинейного функционального преобразователя 5 формируется сигнал

$$F\left(\epsilon ,u_2\right)=\{\begin{array}{l}{U}_eпри|\epsilon |\ge |u_2|;\\ 0при|\epsilon |<|u_2|,\end{array}$$

где ε, u₂ - первый и второй входные сигналы;

U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Выходной сигнал блока ограничения 8 имеет вид

$$u_8=\{\begin{array}{l}\epsilon при|\epsilon |<{\epsilon }_{м};\\ \pm |{\epsilon }_{м}|при|\epsilon |\ge {\epsilon }_{м}\end{array}(5)$$

где ε_м - максимальное значение выходного сигнала блока ограничения.

Второй элемент сравнения 4, на суммирующий и вычитающий входы которого поступают сигналы с выходов соответственно задатчика 1 угловой скорости двигателя и датчика напряжения 14, вычисляет рассогласование u₄=γ=u₁-u₁₄. В электроприводе постоянного тока скорость двигателя прямо пропорциональна напряжению u на якорной обмотке и моменту сопротивления нагрузки M_c:

$${\Omega }_c=\frac{U}{c}-\frac{r{M}_c}{c^2}$$ ;

где с - конструктивная постоянная двигателя,

r - сопротивление якорной обмотки.

Поэтому

$$\gamma =\epsilon +\frac{r{M}_c}{c^2}$$ ,

следовательно, рассогласование по напряжению в системе электропривода отличается от рассогласования по скорости на величину, пропорциональную моменту нагрузки М_c.

Сигнал u₄ с выхода второго элемента сравнения 4 через управляемый ключ 7 поступает на один из входов сумматора, на втором входе которого действует выходной сигнал блока ограничения 8. Управляемый ключ 7 в соответствии с алгоритмом (1) работы нелинейного функционального преобразователя 5 замкнут при $$|\epsilon |\ge |u_2|$$ и разомкнут при $$\epsilon |<|u_2|$$ . Это означает, что при большой ошибке системы электропривода по скорости ε, величина этой ошибки на первом суммирующем входе регулятора скорости 9 ограничивается значением ε_M, а на другом суммирующем входе регулятора скорости 9 действует сигнал, пропорциональный рассогласованию по напряжению. Регулятор скорости 9 преобразует входной сигнал в соответствии с законом регулирования, например пропорционально-интегральным, и формирует сигнал задания для подчиненного контура регулирования тока 10, который в свою очередь формирует сигнал управления для усилителя мощности 11. Работа системы управления происходит таким образом, что величина суммарной ошибки u₄+u₈ уменьшается, а следовательно, уменьшаются ε и γ. При достижении рассогласованием системы по скорости ε значения u₂ происходит изменение выходного сигнала нелинейного функционального преобразователя 5 и размыкание управляемого ключа 7. Далее электропривод функционирует как двухконтурная система регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования тока. Рассогласование ε электропривода при этом достигает значения, величина которого определяется структурой электропривода и погрешностью датчика скорости.

При прокатке металлов момент нагрузки на валу двигателя нелинейным образом зависит от скорости валков и скорости прокатки. На фиг.2 приведены типичные зависимости момента прокатки от скорости валков. В диапазонах линейных скоростей валков $$\left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right]$$ момент прокатки уменьшается при увеличении скорости. Это означает, что в электроприводе действует положительная обратная связь по скорости. Действие этой связи вызывает колебания скорости и нарушение устойчивой работы электропривода. Диапазоны критических скоростей $$\left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right]$$ при различных скоростях прокатки V_П на фиг.2 показаны штриховкой. Устойчивость электропривода может быть достигнута исключением его работы в диапазоне указанных критических скоростей. При возникновении колебаний в электроприводе прокатного стана, происходящих на частотах вращения $$\left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right]$$ , требуется либо уменьшение скорости ниже Ω₀, либо ее увеличение выше Ω₁,. Увеличение сигнала задания для главных контуров скорости и напряжения воздействием на задатчик скорости 1, во-первых, не обеспечивает требуемого быстродействия, а во-вторых, при большой амплитуде колебаний в электроприводе возникают дополнительные переключения порогового элемента 5 и управляемого ключа 7.

В предлагаемом электроприводе при критических угловых скоростях вращения электродвигателя 13, находящихся в диапазоне $$\left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right]$$ , на выходе нелинейного функционального преобразователя 6 формируется сигнал U₀, который действует на суммирующем входе регулятора тока 10. Это приводит к росту сигнала задания для подчиненного контура регулирования тока 10 и, таким образом, возрастанию угловой скорости вращения двигателя.

Таким образом, в предлагаемом электроприводе осуществляется регулирование скорости с помощью двух главных обратных связей - по напряжению, которая обеспечивает грубое регулирование скорости с погрешностью, зависящей от момента нагрузки, и по скорости, обеспечивающей точное регулирование скорости. При возникновении колебаний в электроприводе прокатного стана, при угловых скоростях вращения $$\left[{\Omega }_0\left(V_{П}\right);{\Omega }_1\left(V_{П}\right)\right]$$ , на выходе нелинейного функционального преобразователя 6 формируется сигнал U₀, который действует на суммирующем входе регулятора тока 10. Это приводит к росту сигнала задания для подчиненного контура регулирования тока 10 и, таким образом, увеличению угловой скорости вращения двигателя.

Благодаря введению сигнала смещения, воздействующего на сигнал задания подчиненного контура тока, обеспечивается стабильная работа электропривода прокатного стана без аварийных остановок.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено компьютерное моделирование электропривода, реализованного по схеме, изображенной на фиг.1. Параметры системы имели следующие значения.

Двигатель постоянного тока: активное сопротивление якоря r=0,0244 Ом; индуктивность якорной цепи L=0,0046 Гн; конструктивная постоянная c=1 В·с/рад; приведенный момент инерции J=130 кг·м²; усилитель мощности: коэффициент передачи k_y=132; ПИ-регулятор тока: коэффициент передачи k_рт=0,0244; постоянная времени T_рт=5,3043 с; ПИ-регулятор скорости: коэффициент передачи регулятора k_рс=80; постоянная времени T_рс=0,7 с; масштабирующий усилитель с коэффициентом передачи k=2.

Результаты имитационного моделирования приведены на фиг.2 и фиг.3. На фиг.2 представлена зависимость относительного момента нагрузки (по отношению к номинальному значению) от линейной скорости валков. Связь между линейной скоростью валков и угловой скоростью двигателя

где Ω - угловая скорость вращения двигателя, рад/с, V - линейная скорость валков, м/с, R - радиус валков, м. При попадании рабочей точки на участок с отрицательным наклоном (фиг.2) в электроприводе прокатного стана возникают колебания фиг.3. Диаграммы процессов в электроприводе без коррекции и при использовании предлагаемой коррекции представлены на фиг.3.

Таким образом, использование в известном электроприводе прокатного стана, содержащем двигатель постоянного тока, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного первым суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, выходы задатчика и датчика угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения, выход которого через блок ограничения подключен к первому суммирующему входу регулятора скорости и непосредственно соединен с первым входом нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию

где ε, u₂ - первый и второй входные сигналы; U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы,

второй вход которого через масштабирующий усилитель подключен к выходу задатчика угловой скорости двигателя, а выход соединен с управляющим входом управляемого ключа, присоединенного между суммирующим входом регулятора скорости и выходом второго элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика угловой скорости двигателя, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке двигателя, дополнительно датчика скорости прокатки и второго нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию

где Ω - входной сигнал датчика скорости; Ω₀ и Ω₁ - границы диапазона критических угловых скоростей, на которых возникают колебания, U₀ - напряжение смещения, V_п - скорость прокатки, и оснащение регулятора тока вторым суммирующим входом, при этом первый и второй входы второго нелинейного функционального преобразователя подключены к выходам соответственно датчика угловой скорости двигателя и датчика скорости прокатки, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора тока, позволяет повысить качество регулирования скорости электропривода путем повышения устойчивости и демпфирования колебаний при прокатке металлов.

Использование предлагаемого устройства в промышленных системах управления прокаткой металлов позволит повысить технический уровень оборудования и качество технологического процесса.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматизированном электроприводе, предназначенном для промышленных технологических комплексов прокатного производства. Техническим результатом является повышение качества регулирования скорости в электроприводе. Технический результат в электроприводе прокатного стана, содержащем задатчик (1) угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения (13), масштабирующий усилитель (2), два элемента сравнения (3, 4), два нелинейных функциональных преобразователя (5, 6), реализующих функции, указанные в изобретении, управляемый ключ (7), блок ограничения (8), регуляторы скорости и тока (9, 10), усилитель мощности (11), датчики (12, 14) тока и напряжения, датчики (15, 16) угловой скорости двигателя и скорости прокатки, обеспечивается путем демпфирования колебаний, вызванных нелинейной зависимостью момента прокатки от угловой скорости электропривода, смещением рабочей точки электропривода в область устойчивой работы, которое при критических угловых скоростях вращения двигателя, на которых появляются колебания, осуществляется путем подключения к входному сигналу регулятора тока постоянного сигнала U₀, обеспечивающего контролируемое изменение скорости и соответственно перевод соответствующей рабочей точки на устойчивый участок. 3 ил.

Электропривод прокатного стана, содержащий двигатель постоянного тока, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного первым суммирующим входом к выходу регулятора угловой скорости двигателя, а вычитающим входом к выходу датчика тока, выходы задатчика и датчика угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения, выход которого через блок ограничения подключен к первому суммирующему входу регулятора скорости и непосредственно соединен с первым входом нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию

где ε, u₂ - первый и второй входные сигналы; U_e - напряжение, соответствующее уровню логической единицы,
второй вход которого через масштабирующий усилитель подключен к выходу задатчика скорости, а выход соединен с управляющим входом управляемого ключа, присоединенного между суммирующим входом регулятора скорости и выходом второго элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика скорости, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к якорной обмотке двигателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик скорости прокатки и второй нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

где Ω - входной сигнал датчика скорости; Ω₀ и Ω₁ - границы диапазона критических угловых скоростей, на которых возникают колебания, U₀ - напряжение смещения, V_п - скорость прокатки, а регулятор тока оснащен вторым суммирующим входом, при этом первый и второй входы нелинейного функционального преобразователя подключены к выходам соответственно датчика угловой скорости двигателя и датчика скорости прокатки, а выход подключен к второму суммирующему входу регулятора тока.