Электрооборудование цехов ОМД. Часть.2. Электропривод прокатных станов и вспомогательных механизмов цехов ОМД

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение. Классификация прокатных и трубных станов по 
режиму работы главного электропривода 
5 

1. Электропривод реверсивных прокатных станов 
7 

1.1. Особенности работы привода реверсивных станов горячей 
прокатки 
7 

1.2. Требования к электроприводу реверсивных станов и 
выбор типа привода 
8 

1.3. Эксплуатационные характеристики машин главного 
привода 
10 

1.4. Система управления групповым приводом валков 
12 

1.5. Особенности управления индивидуальным приводом 
валков 
14 

1.6. Система управления индивидуальным приводом валков 
15 

1.7. Электропривод реверсивной клети с синхронными 
двигателями 
17 

1.8. Электрооборудование реверсивных станов холодной 
прокатки листа 
18 

1.9. Расчет мощности двигателей главных приводов 
22 

1.9.1. Рекомендации по выбору параметров прокатки 
22 

1.9.2. Расчет и построение графика скоростей 
24 

1.9.3. Расчет и построение нагрузочных диаграмм 
электродвигателя 
26 

1.9.4. Проверка двигателя по нагреву 
29 

1.9.5. Проверка двигателя по перегрузочной способности 
29 

1.9.6. Пример расчета привода реверсивного стана 
30 

2. Электропривод нереверсивных регулируемых станов 
34 

2.1. Краткая характеристика нереверсивных регулируемых 
станов 
34 

2.2. Особенности непрерывной прокатки 
34 

2.3. Динамическое падение скорости при ударном характере 
нагрузки 
36 

2.4. Переходные процессы в электроприводе непрерывного стана... 39 
2.5. Электропривод непрерывных заготовочных станов 
40 

2.6. Электропривод сортовых станов 
45 

2.6.1. Пазначение и конструкция сортовых станов 
45 

2.6.2. Режимы работы и выбор мощности двигателей 
46 

2.6.3. Требования к электроприводу и выбор типа привода ПСС... 48 

3 

2.6.4. Система управления скоростным режимом НСС с 
электроприводом постоянного тока 
49 

2.6.5. Частотнорегулируемый асинхронный электропривод 
проволочного стана 
52 

2.7. Электропривод непрерывных листовых станов горячей 
прокатки 
55 

2.7.1. Листовой стан горячей прокатки как объект 
управления 
55 

2.7.2. Требования к электроприводу и выбор типа привода 
58 

2.7.3. Тиристорный электропривод чистовой группы клетей ....61 
2.7.4. Электропривод как одна из локальных систем АСУ 
ТП 
63 

2.7.5. Расчет мощности главного привода непрерывного 
стана горячей прокатки листа 
65 

2.8. Электропривод непрерывных листовых станов холодной 
прокатки 
72 

2.8.1. Особенности холодной прокатки листа 
72 

2.8.2. НСХП как объект управления 
73 

2.8.3. Требования к электроприводу и выбор типа привода 
77 

2.8.4. Система управления скоростным режимом НСХП 
80 

2.8.5. Расчет мощности главного привода непрерывного 
стана холодной прокатки листа 
82 

3. Электрооборудование вспомогательных механизмов 
прокатных станов 
89 

3.1. Назначение и классификация вспомогательных 
механизмов 
89 

3.2. Выбор типа и мощности двигателей вспомогательных 
механизмов 
89 

3.3. Позиционные системы управления электроприводами 
91 

3.4. Электропривод моталок и разматывателей станов 
холодной прокатки 
93 

3.4.1. Назначение моталок и разматывателей 
93 

3.4.2. Режим работы разматывателя 
93 

3.4.3. Режим работы моталки 
94 

3.4.4. Требования к электроприводу намоточных устройств 
96 

3.4.5. Принципы построения систем управления приводом 
моталок и разматывателей 
98 

3.5. Электропривод нажимных устройств 
101 

3.6. Электропривод летучих ножниц 
105 

3.7. Рольганги 
111 

Библиографический список 
118 

4 

ВВЕДЕНИЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОКАТНЫХ 
И ТРУБНЫХ СТАНОВ ПО РЕЖИМУ 
РАБОТЫ ГЛАВНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 

Современные цехи по обработке металлов давлением (ОМД) 
представляют сложный комплекс механического и электрического 
оборудования. Электрооборудование участвует в выполнении различных функций, начиная от простейших операций по перемещению 
металла, кончая сложнейшими функциями оптимального управления 
технологическим процессом. В основном электрооборудование прокатных, трубных, волочильных и др. цехов состоит из электродвигателей и элементов управления ими. 

Технологическими особенностями работы станов определяются 
требования к главному электроприводу. Самые различные по конструктивному исполнению и по сортаменту прокатываемого металла 
станы имеют одинаковый электропривод с типовыми схемами 
управления, если режим работы их одинаковый. Поэтому для правильного выбора электропривода важное значение имеет классификация прокатных станов по скоростному режиму работы. В соостветствии с последним все прокатные станы можно разделить на три основные группы: 

1) реверсивные станы горячей и холодной прокатки; 
2) нереверсивные регулируемые станы; 
3) нереверсивные нерегулируемые станы. 
Режим работы реверсивных станов характеризуется тем, что направление вращения валков меняется после каждого прохода, и прокатка металла осуществляется в прямом и обратном направлениях. К 
реверсивным станам относятся: обжимные станы, двухвалковые и 
четырехвалковые клети толстолистовых станов, реверсивные клети 
заготовочных, рельсобалочных, сортовых, полунепрерывных листовых станов и реверсивные станы холодной прокатки листа. 

На нереверсивных регулируемых и нерегулируемых станах прокатка ведется только в одном направлении. Реверс привода производится на холостом ходу. На нереверсивных регулируемых станах регулирование скорости прокатки производится при обработке полос 
разного сортамента. Все станы, относящиеся к этой группе, можно 
разделить на две подгруппы: 

1) станы, на которых прокатка полос одного сортамента ведется на 
постоянной скорости V (рис. В1), тонкие профили прокатываются на 

5 

более высоких скоростях; к этой группе относятся непрерывные заготовочные, сортовые станы, листовые станы горячей прокатки с рабочей скоростью прокатки до 10 м/с и непрерывные трубные станы; 

2) станы, привод которых работает с ускорением при прокатке 
одной полосы (рис. В2); это - непрерывные тонколистовые станы 
горячей и холодной прокатки. 

А 

Vi 

V2 

^
V Д 

Рис. В1. График работы привода 
без ускорения 

Рис. В2. График работы привода 
с ускорением 

На непрерывных нерегулируемых станах прокатка всегда ведется 
на постоянной скорости. К этим станам относятся черновые группы 
клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки, некоторые прошивные станы и станы холодной прокатки труб. 

ЭЛЕКТРОПРИВОД РЕВЕРСИВНЫХ 
ПРОКАТНЫХ СТАНОВ 

1.1. Особенности работы привода 
реверсивных станов горячей прокатки 

Все реверсивные станы горячей прокатки и реверсивные обжимные 
клети полунепрерывных станов работают примерно в одинаковых условиях. Их работа характеризуется частым включением, наличием ударной нагрузки и значительным увеличением тока в момент захвата металла валками, необходимостью регулирования скорости прокатки в 
широких пределах и т.д. В связи с этим требования к электроприводу 
всех реверсивных станов горячей прокатки примерно одинаковы. 

На реверсивных станах прокатываются слитки массой от одной до 
тридцати тонн. Обжатие слитка происходит за большое количество 
проходов, часто применяются кантовки. Прокатка производится в 
прямом и обратном направлении, число реверсов составляет 15 ...20 
в минуту. В первых проходах прокатка обычно ведется по треугольному графику (рис. 1.1, первый (n 1), второй (n 2) и третий (n 3) проходы); когда скорость прокатки достигает значения максимальной скорости двигателя, переходят на прокатку по трапецеидальному графику (см. рис. 1.1, n y4). Если слиток имеет конусность, то захват полосы 
в первом проходе производится на максимальной скорости. После 
второго прохода слиток кантуется, поэтому выброс полосы происходит на максимальной скорости. Захват и выброс полосы в следующих проходах производится на пониженной скорости. Скорость захвата составляет 15...30 об/мин, скорость выброса - 25...40 об/мин. 
Максимальная скорость прокатки достигает 100... 120 об/мин. Разгон 
и торможение привода осуществляется с постоянным ускорением. 

n, об/ми н А 
nmax 

n1 
n^^ 

\ / 

n2 
n3 

А 

n у4 

.' 

/ 
К 

t 

Рис. 1.1. Графики скоростного режима работа привода 
реверсивного прокатного стана 

Время прокатки (заштрихованные участки на рис. 1.1) за цикл обработки слитка превышает время пауз (ПВ > 60 %), т.е. двигатель 
главного привода работает в продолжительном режиме. Электропривод реверсивных станов большую часть времени работает в динамическом режиме. Длительность переходных режимов определяет производительность цеха. 

В главном приводе реверсивных станов применяется групповой 
или индивидуальный привод валков. Групповой привод валков выполняется от одного двигателя через шестеренную клеть, в индивидуальном приводе каждый валок приводится в движение своим двигателем через универсальные шпинделя. 

Индивидуальный привод имеет ряд преимуществ: 
1) увеличение предельной мощности, прикладываемой к каждому 
валку, что позволяет повысить ускорение привода и производительность стана; 

2) повышение КПД установки; 
3) отпадает необходимость в точном подборе диаметра валков; 
4) уменьшение габаритов двигателя, что облегчает его монтаж и 
транспортировку. 

К недостаткам индивидуального провода можно отнести увеличение количества электрооборудования и усложнение системы управления. Угол наклона шпинделей не должен превышать 8... 10°, поэтому приходится устанавливать двигатели на большем расстоянии 
от клети и, как следствие, увеличивать длину машинного зала. 

Реверсивные станы характеризуются высоким потреблением 
электроэнергии, удельное потребление электроэнергии на одну тонну выпускаемой продукции составляет до 25 кВт ч. Энергетический 
КПД (отношение энергии деформации к энергии, потребляемой из 
сети) обычно не превышает 65 %. Достижение более высокого КПД 
может быть достигнуто в результате улучшения технико-экономических 
показателей электропривода. 

1.2. Требования к электроприводу 
реверсивных станов и выбор типа привода 

Требования к электроприводу формулируются на основании особенностей его работы. К основным особенностям работы электропривода реверсивного стана относятся: большое число включений 
(до 1500 в час); ударный характер нагрузки, превышающей номинальную нагрузку двигателя; разгон и торможение двигателя с ме
8 

таллом в валках; большую часть цикла привод работает в переходных режимах. 

Соответственно этим особенностям к электроприводу предъявляются следующие требования 

1. Широкие пределы регулирования скорости (в диапазоне 
(10…20) : 1). 

2. Разгон, торможение и реверс двигателя с любой скорости до 
скорости, определяемой положением командоаппарата. 

3. Высокая перегрузочная способность {X > 2,5). 
4. Минимальное время переходных процессов. 
5. Ограничение тока якоря двигателя при перегрузках в соответствии с эксплуатационной характеристикой. 

6. Большое число включений в час. 
7. Постоянство величины ускорения привода до достижения номинальной скорости. 

8. Высокая эксплуатационная надежность. 
Широкими пределами регулирования скорости, большой перегрузочной способностью, высоким КПД и большим числом включений 
характеризуются двигатели постоянного тока независимого возбуждения специального исполнения и особой прочности. В реверсивных 
станах горячей прокатки применяются тихоходные двигатели, поэтому используется безредукторный привод. Па действующих станах 
работают двигатели постоянного тока типа МП, П и П2. Например, 
двигатель типа МП-5000-65 имеет номинальную мощность 5000 кВт 
и номинальную частоту вращения 65 об/мин. 

Па мощных станах используются двигатели предельной мощности (предельная мощность - это максимальная мощность, в расчете 
на которую может быть изготовлена машина постоянного тока в одноякорном исполнении). Увеличение предельной мощности и одновременно снижение махового момента достигается применением 
двухъякорных двигателей, например, типа 2МП-11000-70 с номинальной мощностью PH = 2 X 5500 кВт и маховым моментом 
mD = 296 т • м . Аналогичный одноякорный двигатель с Pн^ 11500 кВт 
имеет маховой момент 500 т • м2. Однако установка двухъякорных 
двигателей требует увеличения ширины машинного зала. Поэтому 
двигатели постоянно совершенствуются с целью увеличения предельной мощности машин в одноякорном исполнении. 

Важной характеристикой двигателя прокатного стана является 
динамический показатель а = mD2 / M^, характеризующий динамические свойства привода. Для двигателей устаревших моделей этот по
9 

казатель составлял 4...5, например для двигателя типа МП-24-7000 
выпуска 1934 г. (P^ = 7000 л.с). Совершенствование конструкции 
двигателей способствует снижению значенния а (табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Техническая характеристика двигателей реверсивных станов 

Тип двигателя 

МП-24-7000 
МП-7500-60 
МП-12500-63 
П2-26/150-10 
П2-9700/61 
МПС-7100-63 

Pн, кВт 

5170 
5520 
12500 
10000 
9700 
7100 

Us, в 
750 
900 
930 
930 
930 
930 

nн, об/мин 

50 
60 
63 
50 
61 
63 

mD2, т • м 2 

385 
275 
500 
495 
370 
160 

а, м 
3,93 
3,15 
2,58 
2,47 
2,4 
1,45 

Качественный скачок в повышении предельной мощности и технико-экономических показателей прокатных двигателей может быть 
получен при использовании явления сверхпроводимости проводников. В первую очередь разрабатываются двигатели со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. 

Начиная с 1980 г. зарубежные фирмы (ФРГ, Япония) стали применять в приводе реверсивных станов синхронные двигатели. Фирма 
«Сименс» (Германия) провела технико-экономическое сравнение 
созданных ею двигателей постоянного тока (8000 кВт, 50/100 об/мин) 
и синхронных двигателей (10920 кВт, 59/112 об/мин). При увеличении значения номинального момента на 16,7 % потери в двигателе 
уменьшаются на 34,1 %, а момент инерции на 11,2 %. 

Ресурс двигателя главного привода реверсивного стана в основном определяется количеством ударов при захвате полосы. Опыт 
эксплуатации двигателей прокатных станов, изготовленных в 60-х 
годах прошлого века, показал, что ресурсом около 100 млн включений исчерпывается работоспособность двигателя. Когда этот ресурс 
исчерпан, начинает разрушаться якорь, иногда с внезапным выходом 
двигателя из строя. 

1.3. Эксплуатационные характеристики 
машин главного привода 

Эксплуатационные характеристики - это зависимость момента 
M, мощности P и тока I двигателя от частоты вращения n (рис. 1.2). С 
целью полного использования во всем диапазоне регулирования скорости двигатель должен быть загружен так, чтобы его ток был равен 
номинальной величине. 

10 

к 

1 

^ыкл 

^
^ 
^ 
^ 
^ 
^ 
^ 

1 ^ 
^ — 

*\^ 

*ч^ 

'ч 

" ' ^ • - — _ 

--^.^ 

'^ i max 

'max 

nH 
nmax 

Рис. 1.2. Эксплуатационные характеристики ДПТ: 
- график I / I^; 
график М/М^; 
график P / P^ 

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока до 
номинального значения производится изменением напряжения при 
постоянном магнитном потоке Ф, поэтому M /М^ = 1 (M = kmФI) (см. 
рис. 1.2). 

Мощность, потребляемая двигателем из сети, растет пропорционально напряжению: P = UI. 

Увеличение частоты вращения выше номинального значения производится снижением магнитного потока при U = const, поэтому момент двигателя уменьшается, а мощность остается постоянной. 

Допускается кратковременная перегрузка двигателей как по момен
остается постоянной при Ф = const. При ослаблении магнитного потока вследствие ухудшения условий коммутации на коллекторе снижают максимально допустимый ток двигателя, что в свою очередь 

XJ. и xU. n 
n m a x / * 
XtlVv^ 1- \J LJoJ-t' w v D и tlVLt'XiXioJ.t' J_LJ3 xU.X tX X ^JXXu. Xu.lVXt'XV' X XX v^w X v^yXXiXi у XxJ 

перегрузочную способность по току во всем диапазоне регулирования скорости (например, двигатели типа МП-11500-63). 

Максимальный перегрузочный ток, при котором двигатель отключается от сети устройствами максимальной защиты, называется 
выключающим током I,^^. Выключающее значение перегрузочной 

11 

0 

способности ?1выкл (Iыкл / Iн) на 15...20 % выше максимально допустимого тока при значении частоты вращения от нуля до nн. 

Фи 

^ min 

0 
njj 
n max 

Рис. 1.3. Изменение статического тока 
при регулировании скорости магнитным потоком 

Статический момент нагрузки М, при прокатке на реверсивном 
стане не зависит от скорости прокатки (рис. 1.3). В статическом режиме момент двигателя равен статическому моменту, поэтому при 
регулировании скорости магнитным потоком происходит увеличение 
статического тока I^. 

1.4. Система управления 
групповым приводом валков 

Для питания двигателей постоянного тока главных приводов реверсивных станов применяется как система питания Г - Д, так и система ТП - Д. Наилучшие технико-экономические показатели имеет 
система ТП - Д. Однако в мощных приводах применяются электромашинные преобразователи (генератор постоянного тока G с приводным синхронным двигателем Ml (рис. 1.4)), что позволяет сглаживать пики нагрузок, снижать номинальную мощность привода и 
повышать коэффициент мощности по цеху. 

Электромашинный преобразователь состоит из генератора постоянного тока G и синхронного двигателя Ml. Синхронный двигатель 
(СД) потребляет электрическую энергию из сети переменного напряжения 10(6) кВ, преобразует её в механическую энергию и приводит во вращение генератор G. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую постоянного напряжения, которое 
подводится к двигателю М главного привода с помощью автомати
12 

ческого выключателя QF2. ЭДС генератора EG зависит от магнитного 
потока ФG, так как частота вращения СД n„i = const: 

E =k г^ФGn 1 . 

G 
e(j 
( 
M 

CKA 

Рис. 1.4. Функциональная схема системы управления 
грунновым приводом валков 

Магнитный поток ФG создается постоянным током в обмотке возбуждения LG, который регулируется реверсивным тиристорным преобразователем ТПР. Напряжение на якоре двигателя М меньше ЭДС 
генератора на величину падения напряжения в якоре генератора: 

U =E 
RGI. 

Система управления приводом обеспечивает двухзонное регулирование скорости и построена по принципу подчиненного регулирования параметров. От нуля до номинального значения частота вращения регулируется напряжением на якоре двигателя М (см. рис. 1.4) 
при постоянном магнитном потоке, и от номинального до максимального значения - изменением магнитного потока двигателя при 
постоянном напряжении. Поэтому всю систему можно разделить на 
две составляющие: система регулирования напряжения и система 
управления возбуждением. 

Объектом регулирования для первой системы являются обмотка 
возбуждения генератора LG и якори генератора G и двигателя M. 
Данный объект содержит три постоянные времени, которые необходимо компенсировать: две электромагнитные постоянные времени 
13 

двигателя, а также электромеханическую постоянную времени двигателя. В соответствии с этим объект регулирования разбивается на 
три звена. На выходе каждого звена имеется один регулируемый параметр: на входе первого звена - напряжение, второго звена - ток, 
третьего звена - частота вращения (скорость). Поэтому система 
управления состоит из трех контуров: контур регулирования напряжения с регулятором напряжения РН, контур регулирования тока с 
регулятором тока РТ, контур регулирования скорости с регулятором 
скорости PC. 

В цепь обратной связи регулятора PC включен регулятор мощности РМ, который ограничивает максимальный ток двигателя в соответствии с его эксплуатационной характеристикой (см. рис. 1.2). 

1.5. Особенности управления индивидуальным 
приводом валков 

При использовании группового привода скорости вращения верхнего и нижнего валков обычно равны. Если при этом диаметры валков подобраны неточно и диаметр верхнего валка больше диаметра 
нижнего, то полоса при выходе из валков будет изгибаться вниз, что 
может вызвать поломку рольганга. 

Индивидуальный привод позволяет регулировать соотношение 
скоростей валков. В этом случае, выбирая скорость нижнего валка 
более высокой, добиваются изгиба металла вверх, что способствует 
лучшему прохождению металла по рольгангу. 

В результате экспериментальных исследований установлено, что 
в процессе прокатки нагрузка между двумя двигателями распределяется обычно неравномерно. Это объясняется рядом технологических 
и кинематических причин: 1) неравенством диаметров и окружных 
скоростей валков; 2) неравномерностью прогрева слитка по высоте; 
3) различными условиями трения (неодинаковая обработка поверхностей волков, неравномерное распределение окалины на нижней и 
верхней сторонах металла); 4) массой слитка; 5) высотой расположения нижнего валка относительно уровня рабочего рольганга (металл 
входит в валки под углом к горизонтали). По этим причинам нижний 
двигатель оказывается нагруженным в среднем на 15 % больше, чем 
верхний. 

В связи с перечисленными особенностями к системам управления индивидуальным приводом предъявляются дополнительные требования: 

14