автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему: Снижение динамических нагрузок системы электропривода толкателя слябов нагревательной печи

Автореферат диссертации по теме "Снижение динамических нагрузок системы электропривода толкателя слябов нагревательной печи"

На правах рукописи

Сайфутдинов Антон Валерьевич

СНИЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТОЛКАТЕЛЯ СЛЯБОВ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Теличко Леонид Яковлевич.

доктор технических наук, профессор Микитченко Анатолий Яковлевич

кандидат технических наук Аргентов Сергей Геннадьевич

Ведущая организация ОАО «Липецкий металлургический завод «Свободный Сокол »»(г Липецк)

Защита состоится 24 июня 2005 года в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу 398600 г Липецк, ул. Московская 30, административный корпус, ауд. 601

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « Л » мая 2005г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сравнительно большая мощность системы электропривода толкателя нагревательной печи, наличие значительного количества упругих элементов и зазоров в системе приводит к тому, что динамические нагрузки на ее элементы в несколько раз превышают номинальные Под их действием происходит разрушение элементов каркаса печи, элементов ' электромеханической системы (ЭМС) толкателя, коммуникаций, прилегаю-

щих или проходящих в зоне работы агрегата При этом наблюдается вибрация постов управления механизмами, что в значительной мере затрудняет работу операторов. В силу того, что электромеханическая система толкателя имеет ряд особенностей, таких, как использование группового привода, наличие элементов с большим количеством масс и зазоров, малые соотношения инерционных масс, действие на привод толкателя динамических нагрузок оказывают особенно заметное влияние В связи с этим весьма актуальной является задача ограничения и снижения динамических нагрузок на систему электропривода толкателя, решение которой позволит добиться более эффективного его использования в металлургическом производстве

Целью работы является разработка систем управления электроприводом толкателя нагревательной печи, позволяющих снижать вредное воздействие динамических нагрузок на агрегат и повышать долговечность работы оборудования в условиях металлургического производства

Идея работы основана на применении комплекса мероприятий, учитывающих особенности работы печного толкателя, путем увязки декремента затухания, коэффициента динамичности и угловой скорости агрегата таким образом, чтобы получить оптимальные динамические характеристики с целью снижения динамических нагрузок на его электромеханическую систему

Научная новизна заключается в:

- предложенной модели 35-ти массовой электромеханической системы | привода печного толкателя, построенной с учетом сил трения покоя и распределения температуры в рабочей зоне печи, позволяющей исследовать работу системы при отсутствии возможности реального экспериментирования;

- обосновании применения комплексного подхода, позволяющего наиболее эффективно использовать способы снижения динамических нагрузок на электромеханическую систему печного толкателя;

- разработанной методике определения оптимальной жесткости вала двигатель-механизм, дающей возможно

теавддекмюииямяф показатели БИБЛИОТЕКА |

логарифмического декремента затухания системы, угловой скорости вращения двигателя, коэффициента динамичности привода,

- разработанных системах синхронизации работы двигателей электропривода печного толкателя, отличающихся от известных систем возможностью максимально снизить рассогласование скоростей двигателей (до значения менее 0 5%), а также простотой и минимальными экономическими затратами

Практическая ценность состоит в том, что:

- применение комплексного подхода к решению задачи снижения динамических нагрузок на систему электропривода печного толкателя позволяет снизить отрицательные последствия их влияния на работу агрегата, уменьшить время простоев электрооборудования по причине ремонтных работ, повысить эффективность использования электропривода толкателя в производстве,

- разработанная методика нахождения оптимальной жесткости дает возможность определять значение параметров системы, при которых показатели динамики привода наилучшие;

- использование обобщенной модели позволяет исследовать динамику системы электропривода толкателя без его вывода из работы и нарушения технологического процесса;

- разработан цифровой датчик рассинхронизации вращения двигателей, обладающий преимуществами перед индукционными датчиками

Методы исследования. При проведении исследований, анализа и реализации поставленных задач использовались аналитические и графоаналитические методы, методы математического и компьютерного моделирования динамических систем, основные методы и положения теории электропривода, теоретические основы электротехники, основы теории электрических машин, численные методы математического анализа, теоретической механики и деталей машин Для построения датчика рассинхронизации испэльзойз-лись методы разработки и построения цифровой, импульсной и вычислительной техники.

Достоверность результатов подтверждена математическим обоснованием разработанных зависимостей; представленной выборкой экспериментальных данных, полученных в реальных условиях, сопоставимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными (относительная погрешность не превышает 5%).

Реализация работы Результаты исследований, содержащихся в работе, использованы на участке методических нагревательных печей стана «2000» ОАО «НЛМК», что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на' ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ, Липецк, 2002 г ; ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ, Липецк, 2003 г; научно-технической конференции кафедры электропривода ЛГТУ, Липецк, 2004 г

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и содержит 192 страницы основного машинописного текста, 92 рисунка, 7 таблиц Список использованных источников состоит из 105 наименований Приложение на одной странице Общий объем работы составляет 193 страницы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе сделан обзор научно-технической литературы по современному состоянию вопросов, связанных со способами снижения динамических нагрузок и синхронизацией вращения двигателей, работающих на один механизм

Рассмотрены стандартные типы датчиков взаимного положения двух двигателей и указаны их недостатки Проведенный обзор публикаций показал, что математическое описание сложных электромеханических систем довольно трудоемкое, поэтому приходится принимать некоторые допущения, позволяющие значительно упростить составление дифференциальных уравнений. Решение задачи снижения динамических нагрузок в системах сводилось к дифференцированному использованию способов ограничения нагрузок.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

выявить причины высоких динамических нагрузок во вспомогательных приводах, в частности приводе печного толкателя; обосновать структурную схему механической части системы электропривода толкателя;

провести анализ влияния динамических нагрузок на электромеханическую систему толкателя,

создать математическую модель электромеханической системы исследуемой группы приводов и провести анализ их динамических нагрузок,

обосновать способы снижения динамических нагрузок исследуемой группы приводов и определить их эффективность; разработать способы синхронизации вращения валов двигателей в многодвигательном приводе толкателя, учитывая его особенности Во второй главе определены и проанализированы особенности динамических нагрузок печного толкателя

Механическая часть ЭМС включает в себя все связанные движущиеся массы двигателя, передаточного устройства и исполнительного механизма машины К ротору двигателя при скорости со приложен электромагнитный момент М, под действием которого механика приводится в движение рабочим органом машины, и совершается механическая работа Совершая механическую работу, привод воздействует на всю конструкцию механизма Под действием различного рода сил в движение приходят элементы конструкций систем, фундаменты и связанные с ним части агрегата В связи с этим, особое внимание уделено механической части системы, при более подробном рассмотрении динамики данной части Соотношение инерционных масс привода лежит в пределах 1,53 - 2, в зависимости от величины посада слябов в печь

Механическая часть такого привода имеет ряд отличительных особенностей Во-первых, как было сказано выше, соотношение инерционных масс у системы непостоянное. Оно меняется в зависимости от режима работы привода. При этом в любом режиме соотношение масс остается ниже 2 Такое значение является небольшим, и динамические свойства систем с таким соотношением имеют ряд особенностей Во-вторых, система является многомассовой, включая в себя до 30 различных масс, имеющих в связях между собой зазоры и упругости В связи с этим силы, действующие на эти массы со стороны других, носят колебательный характер В-третьих, привод является многодвигательным, работающим на один механизм, что накладывает определенные требования на двигатели и систему управления. Это означает, что двигатели должны иметь практически идентичные механические характеристики, а элементы системы управления должны быть прецизионными. Причем в некоторых случаях полностью исключается выход из строя одного из двигателей Для исключения

рассогласования в скоростях двигателей, работающих на один механизм, из-за невозможности выполнения условия идентичности элементов привода, должна быть применена система синхронизации скоростей двигателей Самым простым способом синхронизации является применяемый на толкателях - синхронизирующий вал.

Для данного привода стандартные последовательные расчетные схемы являются условными Лишь при определенных условиях (например абсолютная идентичность двигателей, отсутствие упругих связей между приводами и т д) такую расчетную схему можно использовать применительно к данному механизму С учетом вышеприведенных особенностей механической части расчетная схема не имеет вид простой последовательной схемы Она является последовательно-параллельной разветвленной (рис 1) Данная расчетная схема построена на основании того, что системы являются многодвигательными с упругими связями между приводами (двигателями), работающими на один механизм Таким образом, задача исследования сводится к анализу этой расчетной схемы, наиболее полно отражающей суть работы исследуемых ЭМС.

Рис 1 Расчетная схема электромеханической системы толкателя

При проведенном анализе динамических нагрузок данного механизма выяснилось, что заметное влияние на систему оказывает сила трения в движущихся частях ЭМС В многодвигательном приводе обычно используются двигатели одного типа и, соответственно, системы управления для них выбираются одинаковыми Однако реальные значения параметров автоматизированных приводов часто различаются между собой, а, следовательно, будут различаться и их механические характеристики Так как двигатели работают на один исполнительный механизм, может получиться так, что один двигатель будет брать нагрузку другого и тянуть его за собой А при достаточно больших различиях в характеристиках ведомый двигатель переходит в генераторный режим и полностью отдает свою нагрузку ведущему двигателю Учитывая, что механизм содержит упругие звенья, колебательность системы может достигнуть достаточно больших значений Так как двигатели механизма толкателя достаточно мощные, то и различия в их механических характеристиках достаточно заметные, а значит именно в таких приводах, могут возникнуть недопустимые механические нагрузки, и, следовательно, именно для этих приводов решение задачи синхронизации является актуальной

Третья глава посвящена математическому описанию и моделированию электромеханической системы печного толкателя

В связи со сложностью анализа электромеханической системы в натуральном виде, отсутствии современных систем диагностики, невозможности вывода толкателя из работы, а также с отсутствием возможности более детального исследования реальной системы, т к механизм является действующим, появляется необходимость построения модели электромеханической системы Сложность построения модели заключается в особенностях кине-матческой и расчетной схем механизмов разветвленная поелсдовательно-параллельная расчетная схема, наличие большого количества инерционных масс, наличие упругостей и зазоров

Расчетной схеме (рис 1.) соответствуют уравнения движения (1), которые справедливы для любого количества масс электромеханической системы

Здесь М нМ'- соответственно моменты на валу первого и второго двигателя; Мсв - момент рассинхронизации двигателей; М]2 и М(2 - упругие моменты для первого и второго двигателей, М^М^,. М(п_|)п - упругие моменты, действующие со стороны слябов, М 3,М М - моменты тре-

ния слябов, ф,, ф^ - угловые перемещения валов двигателей; ф2, ф2 - приве-

денные перемещения механизмов, ф3, фп- приведенные перемещения слябов; Дф1 .Афп - приведенные изменения длины слябов, -I], У- моменты

инерции двигателей; .Т2, .Т^ - приведенные моменты инерции механизмов ^з> > •1п- приведенные моменты инерции слябов