Момот В.Е.*, Усенко А.В.**, Бутенко В.И.***, Мельник А.С.*

*Криворожский технический университет

**ОАО «Миттал Стил Кривой Рог»

***Национальная металлургическая академия Украины

Система управления производительностью вентилятора методической печи

Рассматривая цель управления прокатным станом как ресурсо-энергосберегающую технологию производства металла заданного качества и высокой производительности, следует отметить важную роль в этой технологии печного участка для предварительного нагрева слитков перед прокаткой. С точки зрения энергопотребления и технологических требований поддержания температуры слитков можно выделить такой ответственный объект управления как вентилятор подачи воздуха в томильную и сварочную зону печи.

Анализ способов управления температурным режимом позволяет указать на двухуровневую иерархическую систему, нижний уровень которой представляет собой автоматическую систему регулирования производительности вентилятора, а верхний – экстремальную систему, реализующую цель управления, сформулированную выше, путём изменения задающего воздействия в системе нижнего уровня.

В связи с появлением в последнее время надёжных преобразователей частоты со сравнительно низкой стоимостью, срок окупаемости которых за счёт энергосбережения составляет около года, способ частотного регулирования производительности вентиляторов, оснащённых асинхронным электроприводом, оказался наиболее предпочтительным.

В настоящей статье обоснована структура системы частотного регулирования скоростью асинхронного двигателя, а следовательно и производительностью вентилятора печи, выполнен расчёт и анализ режимов работы системы регулирования производительности с учётом объекта регулирования – вентилятора и участка воздухопровода. Преобразователь частоты с микропроцессорной реализацией системы регулирования будет получать задание от системы верхнего уровня управления режимами нагрева печи.

Система электропривода ТПЧ-АД с векторным управлением обеспечивает стабилизацию потокосцепления ротора, момента и скорости ротора двигателя. Информацией для управления являются сигналы о мгновенных значениях и пространственном положении вектора потокосцепления ротора в воздушном зазоре двигателя, а также мгновенных значений напряжения, тока статора и скорости двигателя.

Исходя из принципа векторного управления и математического описания АД в ортогональной системе координат x,y исходные дифференциальные уравнения в операторной форме могут быть представлены в виде [1]:

(1)

где ψ_{2x ,} ψ_{2y –} проекции вектора ψ₂ на ось x,y;

,-электромагнитные постоянные обмоток статора и ротора;

– коэффициент электромагнитной связи ротора;

– эквивалентная индуктивность рассеяния двигателя;

- взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора;

– индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора.

R₁' =R₁+K²₂ R₂ – эквивалентное активное сопротивление двигателя;

R_1, R_2, L_1, L_2, – активные сопротивления индуктивности фазных обмоток статора и ротора;

ω, ω₀ – скорость вращения координат ротора, и координат x,y относительно координат статора.

р_n– число пар полюсов машины;

М – электромагнитный момент машины.

Принимая во внимание пропорциональность момента двигателя магнитному потоку (потокосцеплению ψ₂) и току статора, можно синтезировать систему регулирования АД аналогично двигателю постоянного тока, однако управлять не реальными переменными двигателя, а преобразованными к вращающимся осям, ориентированными по магнитному полю ротора двигателя. Это дает возможность раздельно управлять магнитными потоком, моментом и скоростью двигателя.

В соответствии с уравнениями (1) на рис.1. приведена структура системы регулирования ТПЧ-АД с векторным управлением.

Рис.1. Структура системы регулирования ТПЧ-АД с векторным управлением в элементах Simulink Matlab 6.5.

В системе регулирования компенсированы все перекрестные и нелинейные связи, которые имеют место в объекте управления.

Используя паспортные данные и расчётные параметры асинхронного двигателя мощностью 500 кВт фирмы АВВ определены необходимые коэффициенты, которые введены в модель системы: коэффициент обратной связи по току К_от = 0,006; коэффициент обратной связи по скорости К_ос = 0,0641; коэффициент обратной связи по потокосцеплению К_ψ = 7,463; потокосцепление ψ = 1,34; Т₁' = 0,0234; Т₂ = 0,583; R₁' = 0,00836; L₁' = 0,0001964; К₂ = 0,964; коэффициент передачи преобразователя К_П = 38. За некомпенсированную постоянную времени преобразователя принимаем Т_μ=0,005с.

Для расчета динамических показателей системы регулирования по технологическому параметру представим объект регулирования в виде двух последовательно соединенных звеньев – вентилятора и системы воздухопровода с датчиком производительности. Передаточную функцию вентилятора можно представить усилительным звеном а систему воздухопровода – инерционным [3]:

. ;

где Т₀ – постоянная времени воздухопровода, зависящая от геометрических размеров и для данных условий находится в пределах 3÷5 с.

= 0.108 – коэффициент передачи вентилятора.

Были исследованы тёх- и двухконтурные САР с подчиненным регулированием параметров.

При исследовании двухконтурной САР замкнутой по технологическому параметру и настроенной на технический оптимум, была определенна передаточная функция регулятора производительности в виде пропорционально-дифференциального звена:

где =1 – коэффициент обратной связи по поизводительности вентилятора;

- суммарный момент инерции системы.

Как показали исследования на модели (рис.1.) применение ПД-регулятора вызывает появление статической по технологическому параметру ошибки более 6%. С целью устранения ошибки регулирования в работе исследована система с ПИД-регулятором со следующими параметрами: пропорциональная часть – 0,49∙J , интегральная часть - 2∙Т₀, дифференциальная составляющая - 0,49∙Т₀J

Для улучшения динамических свойств системы в цепь задания введено инерционное звено с постоянной времени Т₀

На рис.2. приведена осциллограммы переходных процессов из которых следует соответствие производительности вентилятора заданным значениям.

Рис.2. Осциллограммы переходных процессов.

Таким образом, исследованиями установлено, что для инерционных объектов, характеризующихся большими электромеханическими постоянными времени и не требующие большого быстродействия более рациональной является двухконтурная система замкнутая по технологическому параметру. Исключение обратной связи по скорости, увеличивает надёжность работы системы в целом, не снижая динамических качеств САР принадлежащем выборе параметров регулятора.

Расчетный годовой экономический эффект на базе ПЧ-АД вентилятора методической печи в условиях мелкосортного стана составляет 906186 грн.

Литература:

1. Системы подчиненного регулирования электроприводами переменного тока вентильными преобразователями/О.В.Слежановский, Л.Х.Дацковский и др.- М.:Энергоатомиздат,1983г.-256с.

2. Власов К.П., Аникин М.К. Система управления разрежением в газовом тракте конверторного передела.//Вестник ХГПУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Харьков:2004.с.235-238.