Демпфирование колебаний натяжения электромеханических систем непрерывного действия с петленакопителями

G.P. Kornilov1, ,

B.M. Loginov1, 2, ,

A.A. Bochkarev1, ,

Компоновка непрерывных агрегатов, таких как травильные линии, агрегаты цинкования, отжига, полимерных покрытий и др., как правило, имеет одинаковую структуру, состоящую из трёх секций: это входная секция, где происходит загрузка нового рулона в линию и сварка его с полосой, находящейся в агрегате, затем – технологическая зона, где идёт обработка материала – травление, цинкование, отжиг, покрытие полимерами, и выходная секция, где производится смотка полосы и выдача готового рулона. Для обеспечения заданного технологического процесса обработки отдельные секции соединены между собой накопителями полосы, которые обеспечивают непрерывность и постоянство скорости процесса обработки и, в конечном итоге, определяют производительность агрегата. Практика эксплуатации подобных линий показала, что привод накопителя полосы оказывается наиболее уязвимым звеном; там возникают упругие взаимосвязи через полосу между электроприводами смежных участков, что приводит к нестабильности поведения полосы в агрегате. Для стабилизации процесса обработки обычно снижают скорость всей технологической секции, что соответственно приводит к снижению производительности.

Анализ причин возникновения упругих колебаний в многомассовых электромеханических системах металлургических агрегатов и способы их устранения рассмотрены во многих работах [1–10].

Так, на непрерывных линиях горячего цинкования предложен способ демпфирования колебаний натяжения на участке между входным накопителем и натяжной станцией [4, 8], что позволило исключить прохождение этих возмущений в нагревательную печь.

Наиболее склонны к колебаниям электромеханические системы петленакопителей с косвенным регулированием натяжения [9–14]. Причиной их возникновения являются два обстоятельства: во-первых, наличие упругих связей в многомассовой системе, во-вторых, некорректная настройка САР электроприводов накопителей.

В работе проанализированы причины, по которым электропривод накопителей оказывается не чувствителен к изменениям скорости полосы и поэтому не способен демпфировать колебания натяжения, возникающие в результате этих изменений.

Постановка и решение проблемы

Рассмотрим решение поставленной задачи на примере непрерывного травильного агрегата, технологическая схема которого приведена на рис. 1.

Здесь присутствуют два петленакопителя полосы: входной и выходной. Электроприводы на входе входного накопителя – НС № 1 и на выходе – изгибо-растяжная машина (ИРМ) выполнены с пропроционально-интегральными (ПИ) РС. НС № 5 работает в режиме прямого регулирования натяжения полосы в травильных ваннах. В качестве

От разматывателя

НС№1

Изгибо-растяжная машина

Ванны травления

Входной накопитель

Рис. 1. Схема расположения основных транспортных приводов НТА

Fig. 1. Layout of the main transport drives of the CPU

обратной связи используется сигнал датчика натяжения, установленного на выходе из травильных ванн.

В рассматриваемом проекте НТА системы управления электроприводами выполнены в преобразователях частоты; они имеют одинаковую структуру, куда входят РС с управляемым ограничением, дополнительные сумматоры и блоки ограничения ОМ для формирования заданий момента М з.1 , М з.2 .

Остальная часть системы управления транспортными приводами расположена в управляющем контроллере, который формирует задания скоростей зон V вх и ускорений а вх , динамическую составляющую момента М _дин, пересчёт линейной скорости в угловую, преобразование заданного натяжения в ограничение момента и другие функции.

Ниже отмечены изменения, внесённые в системы управления приводов НС и накопителей, способствующие стабилизации натяжения полосы на всех участках непрерывной травильной линии.

Структура САР двухроликовой НС № 1 показана на рис. 2. Каждый ролик имеет свой двигатель с преобразователем частоты. Ведущий ролик (№ 1) работает с ПИ-РС (РС1), ведомый (№ 2) – с пропорциональным (П) регулятором (РС2). Выход регулятора скорости первого ролика используется как добавка к выходу регулятора скорости второго ролика. Таким образом, реализована схема деления нагрузок между приводами. Предложенный способ позволяет отказаться от дополнительного регулятора, как это выполнено, например в [5], что упрощает систему управления и исключает необходимость настройки регуляторов деления нагрузок.

В технологической зоне скорость задаёт главный привод ИРМ, работающий с ПИ-РС. Под- робно ИРМ и её система управления, применяемая на рассматриваемом агрегате, описаны в работах [6, 7].

Перед травильными ваннами расположена НС № 4, обеспечивающая заданный технологический режим полосы после ИРМ. Регулирование реализовано косвенным способом путем ввода РС в режим насыщения и заданием моментов, пропорциональных желаемому натяжению, в виде ограничения регуляторов скорости.

Регулирование в травильных ваннах осуществляется приводами НС № 5, система управления которыми показана на рис. 3. Для исключения провисания полосы, что неминуемо сопровождается ухудшением её качества, реализовано прямое регулирование натяжения. САР в данном случае является трёхконтурной в составе регулятора натяжения (РН), РС, регулятора момента двигателя (на схемах не указан).

Развязка технологических функций, обеспечивающая различные скорости полосы в зонах агрегата, непрерывность её движения в технологической зоне во время сварки или же съёма рулона с моталок, осуществляется петленакопителями. Петленакопитель работает в режиме поддержания натяжения. Наиболее простым и надёжным с точки зрения состава и защищённости оборудования является способ косвенного регулирования натяжения. В этом случае привод работает в режиме поддержания момента с учётом заданного натяжения, компенсации динамического момента, изгиба полосы и трения.

САР петленакопителя при косвенном регулировании показана на рис. 4. Регулятор скорости вводится в режим насыщения путем добавки величины n _з.0 – задания начальной скорости к заданной разнице скоростей на входе и выходе из накопителя. Динамический момент М _дин вычисляется как величина, пропорциональная разнице заданных

Рис. 2. Структура САР электропривода НС № 1

Fig. 2. Structure of the TS No. 1 electric drive ACS

Рис. 3. Структура САР электропривода НС № 5

Fig. 3. Structure of the TS No. 5 electric drive ACS

Рис. 4. Структура САР привода петленакопителя с внесёнными изменениями (показаны красным цветом)

Fig. 4. Structure of the loop accumulator electric drive ACS with the changes (shown in red)

ускорений технологических зон на входе а _вх и выходе а _вых из накопителя. Величина ограничения выхода РС определяется моментом М _огр, который необходим для заданного натяжения полосы Т _з с учетом кинематики механизма. Расчёт моментов приведен в работах [3, 4].

При таком построении САР основной регулятор (РС1) в нормальном режиме находится в неактивном состоянии, поэтому электропривод накопителя оказывается не чувствителен к изменениям скорости, возникающим при колебаниях упругой системы, и не оказывает демпфирующего воздействия на эти колебания.

При анализе работы агрегата по осциллограммам выявлены колебания скорости приводов как входного, так и выходного накопителей. Для демпфирования колебаний в САР накопителей внесены изменения, показанные на рис. 4 красной линией. Они заключаются в установке дополнительного регулятора (РС2), работающего по отклонению фактической скорости привода от заданной.

Результаты снижения колебательности электромеханической системы входного накопителя при реализации предложенных изменений структуры САР показаны на рис. 5. Скорость двигателя петленакопителя с дополнительным регулятором имеет менее колебательный характер по сравнению с исходным вариантом системы. На осциллограмме рассмотрено возмущение в системе при торможении входной зоны НТА, когда заканчивается рулон на разматывателе.

Кроме этого, применение дополнительного РС в САР петленакопителя оказывает положительное влияние на качество регулирования натяжения в травильных ваннах (рис. 6).

4000300020001000-1

0 -1000

b)

Рис. 5. Осциллограммы скорости двигателя входного петленакопителя НТА: а – система без коррекции момента по отклонению скорости; b – система с коррекцией момента по отклонению скорости

Fig. 5. Oscillograms of the CPU input loop accumulator motor speed: a – a system without torque correction by speed deviation; b – a system with torque correction by speed deviation

b)

Рис. 6. Осциллограммы натяжения полосы в травильных ваннах: а – система без коррекции момента по отклонению скорости; b – система с коррекцией момента по отклонению скорости

Fig. 6. Oscillograms of strip tension in etching baths: a – a system without torque correction by speed deviation; b – a system with torque correction by speed deviation

Выводы

В процессе модернизации основных электроприводов НТА внесены изменения в системы регулирования скорости и натяжения НС, роликов травильной ванны и петленакопителей:

• 1)    реализована система деления нагрузок между приводами двухроликовой НС;

• 2)    для приводов травильной ванны выполнено прямое регулирование натяжения для исключения провисания полосы с контролем ско-

• рости и поддержанием момента приводных роликов;

• 3)    в САР скорости электроприводов накопителей для демпфирования колебаний скорости и натяжений введён дополнительный регулятор, работающий по отклонению фактической скорости от заданной.

Осциллографирование на действующем оборудовании подтвердило эффективность проведённых мероприятий.