（机械设计及理论专业论文）连铸拉矫机动负荷分配模型与控制系统的研究与开发.pdf

东北大学硕士学住论文 摘要 连铸拉矫机动负荷分配模型与控制系统的研究与开发 摘要 本论文结合“宝钢梅山钢铁公司2 炼钢2 号连铸机动负荷分配及参数优化”横向课 题，针对梅山2 号连铸机拉矫辊列驱动电机动负荷分配不均的实际问题进行研究，建立 电机动负荷分配控制系统，以实现驱动电机负载的均布，解决了某些驱动电机长期工作 于过载状态下的问题，减小了铸机的故障率，改善了板坯表面质量，节省了电能，提高 了经济性，有重大的理论和现实意义。 论文针对梅山2 号连铸机的生产实际，通过理论分析的方法建立了各台驱动电机负 载的数学模型，通过现场调研验证了该模型的正确性；基于该模型对电机负载的分布和 影响因素进行了研究，以此选择了对原有驱动控制系统进行二次开发的电机动负荷分配 控制系统的方案，并搭建了以西门子p l c $ 7 - - 4 0 0 为核心的硬件平台；论文针对原有驱 动控制系统采用西门子异步电机p w m 变频调速矢量控制的方式，对交流异步电机变频 调速矢量控制技术进行了研究，找到了控制参量，并建立电机动负荷分配控制系统的数 学模型；根据控制模型利用s t e p 7 软件开发了电机动负荷分配的p l c 控制程序。 论文通过现场实验证明各台驱动电机负载的数学模型是切合梅山2 号连铸机的生产 实际的，可以用来指导生产。通过系统开发后的生产调试看到，利用异步电动机变频调 速进行的动负荷分配控制系统可以较好的均布各台驱动电机的转矩，并且使各电机的功 率大体相等，较好的解决了现场的问题。 论文通过对异步电机矢量控制技术的研究建立了西门子6 s e 7 0 系列矢量控制变频器 的控制模型，对先进技术的国产化也起到了一定作用。 关键词：连铸：拉矫辊列；动负荷分配：异步电动机：交流调速；矢量控制：p l c i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no f l o a ds h a r i n g m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h ec o n t i n u o u sc a s t e rw i t h d r a w a l & s t r a i g h t e n i n gu n i t a b s t r a c t t h i ss t u d yi sc o m b i n e dw i t ht h ec r o s s w i s et o p i co f ”d y n a m i cl o a ds h a r i n ga n dt h e p a r a m e t e ro p t i m i z i n go fm e i s h a nn o 2c o n t i n u o u sc a s t e r ”t h er e s e a r c hi nv i e wo ft h e a c t u a lp r o b l e mt h a tt h el o a df o ri n d u c t i o nm o t o ro fc o n t i n u o u sc a s t e rw i t h d r a w a l & s t r a i g h t e n i n gu n i ta r eu n e v e n ，e s t a b l i s h e st h ed y n a m i cl o a ds h a r i n gc o n t r o l ( l s c ) s y s t e mt o a v e r a g et h et o r q u e so fe v e r yi n d u c t i o nm o t o r s i ts o l v e st h eq u e s t i o no fc e r t a i ni n d u c t i o n m o t o r sl o n gl a s t i n gw o r ku n d e rt h eo v e r l o a dc o n d i t i o n ，r e d u c e st h ec a s t e r sf a i l u r er a t e ， i m p r o v e dt h ee a s tb i l l e t ss u r f a c eq u a l i t y , s a v e st h ee l e c t r i c a le n e r g y , e n h a n c e st h ee c o n o m i c p e r f o r m a n c e i th a st h es i g n i f i c a n ta c a d e m i ca n d a c t u a ls i g n i f i c a n c e t h es t u d yi nv i e wo f t h em e i s h a nn o 2c o n t i n u o u sc a s t e r sp r o d u c t i o np r a c t i c e ，u s e st h e m e t h o do ft h et h e o r ya n a l y s i st oe s t a b l i s ht h et o r q u em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c hi n d u c t i o n m o t o r , c o n f i r m st h a tt h i sm o d e li sr i g h tt h r o u g ht h ep r a c t i c a li n v e s t i g a t i o na n ds t u d y ；b a s e d o nt h a t ，i tr e s e a r c h e sd i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h ei n d u c t i o nm o t o r st o r q u e ， c h o o s e st h ep l a no ft h ed y n a m i cl o a ds h a r i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to ft h eo r i g i n a ld r i v ec o n t r o ls y s t e m ，a n db u i l d st h eh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c h b a s e so ns i m e n sp l cs 7 4 0 0 ；i nv i e wo f t h eo r i i g i n a ld r i v ec o n t r o ls y s t e ma d o p t i n gs i m e n s i n d u c t i o nm o t o r sp w mv a r i a b l e f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e d sv e c t o rc o n t r o l ，t h es t u d y r e s e a r c h e st h et e c h n o l o g yo fa ci n d u c t i o nm o t o r sp w mv a r i a b l e f r e q u e n c yr e g u l a t i n g s p e e d 7 sv e c t o rc o n t r o l ，i tf i n d sl s c sp a r a m e t e r sa n de s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ei n d u c t i o nm o t o r sd y n a m i cl o a ds h a r i n gc o n t r o ls y s t e m ；a c c o r d i n gt ot h i sm o d e ld e v e l o p s t h ep l cp r o c e d u r eo f t h el o a ds h a r i n gc o n t r o ls y s t e mu s i n gs t e p 7s o f t w a r e t h r o u g ht h ep r a c t i c a le x p e r i m e n tt h ep a p e rp r o v e st h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c h i n d u c t i o nm o t o r st o r q u es u i t sm e i s h a nn o 2c o n t i n u o u sc a s t e r sp r o d u c t i o np r a c t i c e ，i tc a n b eu s e dt oi n s t r u c tt h ep r o d u c t i o n s e e i n gf r o mt h ep r o d u c t i o nd e b u g g i n ga f t e rt h es y s t e m d e v e l o p m e n t ，t h ed y n a m i cl o a ds h a r i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c hu t i l i z ea ci n d u c t i o nm o t o r s v a r i a b l e 一疗e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e dm a yb eb o r e rt oa v e r a g et h et o r q u eo f e a c hd r i v em o t o r , a n di ta l s oc a u s e st h ep o w e ro fe a c hd r i v em o t o rt ob er o u g h l ye q u a l ，s ot h i sr e s e a r c hd o e s w e l lt os o l v et h ep r a c t i c a lm a t t e r t h es t u d ye s t a b l i s h e st h ec o n t r o lm o d e lo fs i m e n s6 s e 7 0s e r i e sv e c t o rc o n t r o l s i i i 东北大学硕士学住论文 a b s t r a c t f r e q u e n c yc o n v e r t e rt h r o u g ht h er e s e a r c ho fa ci n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o l st e c h n o l o g y s ot h a tp l a yac e r t a i ne f f e c tt om a d et h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yh o m e m a d e k e yw o r d ：c o n t i n u o u sc a s t e r ；w i t h d r a w a l & s t r a i g h t e n i n gu n i t ；d y n a m i cl o a ds h a r i n g i n d u c t i o nm o t o r ；v a r i a b l e - f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e d ；v e c t o rc o n t r o l ；p l c i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我- - l 司z 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：磷 日期：“ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题背景 第一章引言 连续铸造是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇铸成一定断面形 状的铸坯的过程。与传统的模铸相比，连铸不但简化了生产工艺流程，提高了生产率和 产品质量，而且金属收缩率较高，能耗和生产成本也大大低于模铸。连铸是衔接炼钢与 轧钢之间的一项特殊作业，它是炼钢生产流程中非常重要的环节。连铸机按照机型分为 立式、立弯式、垂直多点弯曲式、弧型以及水平型等，其中弧型连铸机占6 0 以上。按 照铸坯形状又可分为板坯连铸机、大方坯连铸机、小方坯连铸机和圆坯连铸机等，其中 小方坯连铸机约占5 0 左右。随着计算机技术和自动化技术的迅速发展和在连铸生产中 的广泛应用，连铸开始向近终型连铸、多炉连浇、热送、热轧以及炼钢连铸一连轧短流 程联合生产的方向发展。 连铸过程的自动化技术也是近年来连铸技术的发展热点，目前大型连铸机的自动控 制系统多为三级控制：基础自动化系统完成对设备的控制；过程自动化系统用于对生产 的调度；厂级自动化系统用于各厂房各车间的协调生产，编排生产计划。目前，自动控 制技术已经应用于设备驱动、仪表、传感检测、生产管理、设备监控等连铸的各个主要 环节。随着技术的不断发展，低温浇铸技术、电磁搅拌技术、凝固末端强冷技术、二冷 配水控制，铸坯轻压下控制技术、电磁搅拌技术等新技术也不断涌现 1 。9 1 。 由于连铸生产是通过拉矫辊列将铸坯从结晶器中拉出，拉坯速度是连铸生产的一个 重要参数，因此对拉速的控制是连铸生产的一项核心技术。目前对拉坯速度的控制一般 均采用对电机调速的方法。然而调速的方法及控制手段比较多，目前国内广泛采用直流 调速技术、交流变转差率调速技术、简单的交流变频调速技术等。随着国际连铸控制领 域新技术的不断发展，目前，国内由外国引进的比较先进的大型连铸机都采用异步电动 机的变频调速技术，电机通过变频器供电，p l c 控制变频器实现调整拉速的功能。其控 制方式也采用了国际目前比较先进的异步电动机的交流矢量控制技术。 1 2 问题的提出 本文的研究工作结合“宝钢梅山钢铁公司2 炼钢2 号连铸机动负荷分配及参数优化” 这个具体的横向课题，以梅山2 炼钢2 号连铸杌在生产过程中出现的问题为研究对象， 并以解决该问题为最终目的。 梅山2 号连铸机是一台一机一流立弯式高效板坯连铸机。连铸机主体部分由奥钢联 和西门子公司设计，是一台连续弯曲、连续矫直、全过程密排辊细辊、分节辊的垂直弯 东北大学硕士学位论文第一章引言 血型板坯连铸机，其关键设备由国外引进，是目前国内外较先进的一流板坯连铸机。铸 机冶金长度4 1 3 0 0 m m ，基本半径8 0 0 0 m m 。有效垂直长度2 5 0 0 m m 。铸机工作拉速o _ 8 2 4 m r a i n 。设计生产能力为1 4 0 万吨年。该铸机配备了钢包下渣检测、结晶器自动开浇、 结晶器电磁制动、结晶器自动调宽、结晶器液压振动、结晶器液位自动控制、结晶器漏 钢预报、动态控制气雾冷却( d y n a c s ) 、动态轻压下等国际上较为先进的技术。 梅山2 号板坯连铸机的拉矫辊列由奥钢联开发的独特的s m a r t 段组装而成，可实 现全程轻压下功能。西门子1 l a 系列异步电动机通过减速器、万向轴与s m a r t 段上的 驱动辊子相连，使驱动辊子拖动铸坯在辊道内运行实现拉坯功能。驱动辊控制系统由西 门子s 7 4 0 0 系列p l c 、西门子6 s e 7 0 2 1 8 t b 6 i z 矢量控制变频器、增量式脉冲编 码器组成，以适应连铸生产中对拉速根据生产情况进行调节的要求i l “。 梅山2 号板坯连铸机2 0 0 3 年投产使用，经过一段时间的使用，发现驱动辊列2 4 台 电机的负载不均：有的电机负载较大，甚至处于过载状态下运行；有的电机负载较小， 基本处于空载或再生发电状态下运行，这就说明整个拉矫辊列的2 4 台电机出力不等。 这种状况长期运行下去一定会使负载大的电机提前损坏，造成设备停机维修，由此造成 的经济损失是巨大的。另外，由于电机驱动辊在整个铸坯表面提供的拉坯力不等，对铸 坯的表面质量造成了影响。论文正是基于这个问题来进行研究和实践工作的。 1 3 论文的目的及意义 本论文就是针对梅山2 号板坯连铸机在生产中负荷不均的实际问题，建立拉矫辊列 驱动电机负载的数学模型，使该模型可以用来指导实际生产。通过对模型的分析，设计 电机动负荷分配控制系统以解决电机负载不均的问题。论文就是以解决该问题为最终目 的的。 通过电机动负荷分配控制系统的建立，使各台电机的出力大体相等，使长期处于过 载状态下的电机不再过载，提高了电机的使用寿命；通过该系统的建立使各驱动辊给铸 坯的力大体相等，改善了铸坯的表面质量；同时，电机的动负荷分配提高了电机使用效 率，节省了电能。 另外，异步电动机的变频调速矢量控制技术是一项比较先进的技术，目前国外还在 不断的研究，对关键技术不断完善。西门子6 s e 7 0 2 1 - - 8 t b 6 1 一z 矢量控制变频器就是 这项技术的产物，由于目前国内还无法制造这种变频器，故该变频器对国人来说是一个 技术上的黑匣子，文章通过研究异步电机的矢量控制理论，建立该变频器控制的数学模 型，对先进技术的国产化也起到一定意义。 2 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 4 相关技术的文献综述 141 连铸工艺过程简介 连铸生产过程比较复杂，设计的设备和工艺比较繁多，以下为连铸工艺的大体过程， 可参考图2 1 。 ( 1 1 钢水准备：转炉出钢后，钢包车运送到钢水接受跨，经炉外处理后由起重机将钢 包吊运到钢包回转台上，回转过跨。 f 2 ) 浇注前的准备：根据所浇注的钢种工艺要求，调整好一次、二次冷却水：所有连 铸机主体及相关设施准备就绪。主控室发出上引锭杆的指令，将引锭杆直至送入结晶器， 封堵引锭头。再将己烘烤好的巾间罐开到浇注位置，水口对中结晶器。 ( 3 ) 浇注操作：开启钢包滑动水口，钢水进入中间罐，液面而达到要求高度时，按先 远后近顺序开启塞棒，钢流进入结晶器。结晶器内钢液面上升到规定位置时加入保护渣。 钢液面继续上升到拉坯位置时，启动悬臂操作箱上的按钮开始浇铸。手动控制拉坯速度 上升为工作拉速时，结晶器液面控制投入运行转为自动浇铸。铸坯进入二冷导向段，通 过拉矫机的铸坯被矫直。当铸坯头部到达脱引锭装置时，跟踪系统发出脱引锭信号，引 锭杆移至存放位置备用。坯头到达火切机的切割点时，手动操作切割坯头，随后火切机 由定尺发出的指令自动投入定尺火切。铸坯由输出辊道送至冷床前，翻钢机将铸坯翻转 至上方滑轨，横向移钢机移至辊道回转台车上，由热送辊道运送到高线轧机加热炉前步 工序。当轧机作业与连铸机作业配合不当时，少量的铸坯通过翻钢机，双向横移机，u v 冷床，收集台架进行冷坯出坯作业，由吊车将铸坯存放到堆垛架中。 ( 4 ) 浇注结束：移去钢水包，开出中间罐至停放位后换上待用中间罐，清理结晶器， 重新安装引锭头等，为下次浇注做好准备【1 2 j 。 1 4 2 国内外连铸技术发展概况 液体金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已经提出。】8 4 0 年美国塞勒斯获得连 铸铅管专利。1 8 4 6 年转炉的发明者贝氏卖使用水冷旋转取辊式连铸机生产锡箔和玻璃 板。1 8 7 2 年美国戴维尔提出移动结晶器连续浇注的概念。1 9 2 1 年皮尔逊提出结晶器振 动概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对运动。1 9 3 3 年，连铸的先驱者德国人容汉斯建 设了第一台1 7 0 0 吨月立式带振动结晶器的连铸机，首先浇注铜铝合金获得成功，使有 色金属连续浇注于3 0 年代就应用于生产。 从5 0 年代开始，连续铸钢进入工业应用阶段，有多台连铸机相继建成。其中有代 表性的钢厂有：1 9 5 1 年在前苏联的红十月冶金厂建立勒第一台不锈钢板坯连铸机。1 9 5 2 表性的钢厂有：1 9 5 1 年在前苏联的红十月冶金厂建立勒第一台不锈钢板坯连铸机。1 9 5 2 3 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 4 相关技术的文献综述 1 4 1 连铸工艺过程简介 连铸生产过程比较复杂，设计的设备和工艺比较繁多，以下为连铸工艺的大体过程， 可参考图2 1 。 ( 1 ) 钢水准备：转炉出钢后，钢包车运送到钢水接受跨，经炉外处理后由起重机将钢 包吊运到钢包回转台上，回转过跨。 ( 2 ) 浇注前的准备：根据所浇注的钢种工艺要求，调整好一次、二次冷却水；所有连 铸机主体及相关设施准备就绪。主控室发出上引锭杆的指令，将引锭杆直至送入结晶器， 封堵引锭头。再将己烘烤好的中间罐开到浇注位置，水口对中结晶器。 ( 3 ) 浇注操作：开启钢包滑动水口，钢水进入中间罐，液面而达到要求高度时，按先 远后近顺序开启塞棒，钢流进入结晶器。结晶器内钢液面上升到规定位置时加入保护渣。 钢液面继续上升到拉坯位置时，启动悬臂操作箱上的按钮开始浇铸。手动控制拉坯速度 上升为工作拉速时，结晶器液面控制投入运行转为自动浇铸。铸坯进入二冷导向段，通 过拉矫机的铸坯被矫直。当铸坯头部到达脱引锭装置时，跟踪系统发出脱引锭信号，引 锭杆移至存放位置备用。坯头到达火切机的切割点时，手动操作切割坯头，随后火切机 由定尺发出的指令自动投入定尺火切。铸坯由输出辊道送至冷床前，翻钢机将铸坯翻转 至上方滑轨，横向移钢机移至辊道回转台车上，由热送辊道运送到高线轧机加热炉前步 工序。当轧机作业与连铸机作业配合不当时，少量的铸坯通过翻钢机，双向横移机，u v 冷床，收集台架进行冷坯出坯作业，由吊车将铸坯存放到堆垛架中。 ( 4 ) 浇注结束：移去钢水包，开出中间罐至停放位后换上待用中间罐，清理结晶器， 重新安装引锭头等，为下次浇注做好准备【l 2 1 。 1 4 ，2 国内外连铸技术发展概况 液体金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已经提出。1 8 4 0 年美国塞勒斯获得连 铸铅管专利。1 8 4 6 年转炉的发明者贝氏卖使用水冷旋转双辊式连铸机生产锡箔和玻璃 板。1 8 7 2 年美国戴维尔提出移动结晶器连续浇注的概念。1 9 2 1 年皮尔逊提出结晶器振 动概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对运动。1 9 3 3 年，连铸的先驱者德国人容汉斯建 设了第一台1 7 0 0 吨月立式带振动结晶器的连铸机，首先浇注铜铝合金获得成功，使有 色金属连续浇注于3 0 年代就应用于生产。 从5 0 年代开始，连续铸钢进入工业应用阶段，有多台连铸机相继建成。其中有代 表性的钢厂有：1 9 5 1 年在前苏联的红十月冶金厂建立勒第一台不锈钢板坯连铸机。1 9 5 2 3 东北大学硕士学位论文 第一章引言 年在英国的巴罗工厂，建成第一台小方坯连铸机，浇注碳钢和低合金钢。与此同时，德 国人斯莎贝尔提出了弧形连铸机的专利。容汉斯和斯莎贝尔提出了连铸电磁搅拌的设 计。1 9 5 6 年在英国的巴罗钢厂建成了立弯式连铸机，大大降低了立式铸机的高度。瑞 士的金获弧形结晶器专利。1 9 6 4 年第一台弧形板坯连铸机在德国梯林根钢厂投产，与立 式连铸机比较，弧形连铸机高度降低了5 0 。7 0 年代以后为连铸大发展时期。连铸机 已具备与大型氧气转炉相配合进行工业生产的可能性。连铸设备和工艺技术日益完善， 促进了连铸的迅速发展。从8 0 年代以来，世界各产钢国家连铸技术的发展非常迅速。 到1 9 9 0 年全世界有1 3 6 0 台连铸机，生产能力5 5 8 亿妇。 从世界主要产钢国家发展连铸的历程来看，前苏联在连铸技术的研究方面起步较 早，对连铸理论、工艺、设备和品种质量等进行了大量研究工作，在7 0 年代以前居世 界领先地位。在7 0 年代后，日本、美国、法国、德国等工业发达国家后来居上。尤其 是日本，在6 0 年代后期才从前苏联等国引进连铸技术，由于重视消化和开发研究促 进了连铸技术的应用。到1 9 9 1 年日本四家最大钢铁公司连铸比达到：新日铁9 8 9 ； 日本钢管9 8 7 ；川崎9 7 7 ；住友9 4 9 ，基本上实现了全连铸。美国的连铸技术是 与瑞士康卡斯特公司和日本厂家合作发展起来的。8 0 年以后，增加了连铸投资，才出现 了全连铸工厂。 近几年接近与成品尺寸的薄板坯连铸连轧工艺技术有了重大突破，人们认为这是当 前钢铁工业发展中的一项重大高新技术。与传统工艺相比，这种新工艺流程短、设备简 化，建设投资低，成才率高、能耗降低，生产成本大幅度下降，经济效益十分明显。国 外现在己经友多家公司竟相研究开发。美国的纽柯公司，意大利的阿维第公司已经采用 此中新工艺建成了完整的生产线，取得很好的效果。人们预计采用熔融还原、超高功率 电炉、炉外精练、薄板坯连铸和紧凑式热轧机组的新型的钢厂将在世界上不断涌现。 我国对连铸技术的研究起步比较晚，1 9 5 8 年在重钢三厂建成了立式双流连铸机，并 首先采用5 0 0 t 飞剪剪切铸坯。1 9 6 4 年6 月2 4 日在重庆第三钢厂建成第一台弧形板坯和 方坯兼用连铸机，这是世界上最早用于工业生产的弧形连铸机之一。从1 9 8 0 年以来， 新建或扩建钢铁厂在炼钢生产流程中一律采用连续铸钢工艺取代钢锭模浇注工艺。如上 海宝山建成了现代化的钢铁厂，有3 3 0 0 顶底复吹转炉、有铁水三脱处理、钢水精练 和喷粉等现代化的装备。有2 台4 流大型板坯连铸机，年产板坯4 0 0 万吨，连铸机采用 多点娇直、电磁搅拌、结晶器在线调宽和高频率小振幅的振动。对漏钢预报、二冷配水、 定尺长度、压缩浇铸、质量异常及判定等均由计算机控制，可生产无缺陷铸坯实现热送。 首钢二炼钢厂建成与2 2 0 吨氧气转炉相匹配的8 流小方坯连铸机，创造了大转炉配小方 坯连铸机的生产经验，取得了很好的效果。目前，我国主要的大型连铸机还是主要通过 进口，并努力学习国外的先进技术【l ”。 正 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 4 3 交流调速的发展概况 交流变频调速的优越性早在2 0 年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，未能推 广。交流调速系统大致经历过以下几个阶段： ( 1 ) 异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电 抗器，或在定予侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送 任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发 脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但 由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压 波形，因此产生了成分复杂的谐波。 ( 2 ) 串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经 济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不 同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不 平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低。自大功率器件问世后，人们采用在转 子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸 管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改 变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流 电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低。采用强迫换流、改进型三相四线 逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。 ( 3 ) 变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最 有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从5 0 年代提出的电压源 型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要 方案有：交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，丁f 弦波脉宽调常r j ( s i w m ) ，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日 益成熟。许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控 制等，与这些控制方式相结合。大大提高了变频器调速系统的控制效果 1 4 - 1 6 j 。 1 4 4 电机负荷分配系统的应用情况 电机负荷分配的应用领域也十分广泛，目前主要应用发电行业，用于解决发电机组 发电量的分配。它的另一个主要应用领域就是造纸行业，由于造纸行业与连铸有相似的 地方，都是拖动负载前进。不过在造纸行业，外界负载的大小是由驱动电机的电磁转矩 决定的，因此，只需要使各电机的负载率相同，其实质就是使各电机的功率相等，是一 种对驱动电机功率的均布。 5 - 东北大学硕士学位论文第一章引言 连铸生产与造纸行业的电机负荷的形式并不相同，它的外界负载形式复杂，而要实 现电机负载的均布，其原理和实现方法都与造纸行业的电机负荷分配有一定差别。虽然 目前国外的很多连铸机都采用了电机动负荷分配技术，然而对于国人来讲，该项技术还 不是透明的。因此更有必要立足本国的实际情况，研究连铸机驱动电机动负荷分配控制 技术。 1 5 论文的主要研究工作及内容 论文针对梅山2 号连铸机拉矫辊列驱动电机动负荷分配不均的实际问题进行研究， 建立电机动负荷分配控制系统，以实现各台驱动电机负载的均布。论文的主要研究工作 为以下几个方面： ( 1 ) 建立连铸拉矫机电机负载模型，通过对各台电机负载数学模型的分析找出影响各 电机载荷变化的因素。 ( 2 ) 通过对电机负载数学模型的分析选择动负荷分配控制系统的方案，并说明硬件组 成和连接方式。 ( 3 ) 通过对异步电动机矢量控制技术的研究，建立了西门子6 s e 7 0 系列变频器的矢 量控制模型，基于此找到控制参量，建立电机动负荷分配的控制系统数学模型。 ( 4 ) 根据电机动负荷分配控制系统的数学模型利用s t e p 7 软件开发p l c 控制程序， 实现控制功能。 全文以理论研究为基础，并结合现场进行数据采集和实验，验证模型的正确性和控 制系统的可行性。 6 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 现代连铸生产中，拉矫辊在拉矫机构的不同位置处所受载荷的形式和大小都不完全 相同，能否准确的分析出拉矫辊在各段所受载荷的形式、定量的计算拉矫辊在各段所受 载荷的大小对实现连铸机电机负载的均布有重要的意义。定量的给出驱动辊子在各段所 受载荷的大小可以为驱动电机的选择提供依据：可以分析造成电机负荷分配不均的原 因；可以在整个辊列中找到电机负载较高的l 部位；通过对电机负载数学模型的分析，可 以找到使电机负载发生变化的因素，从而通过控制手段实现各个驱动电机负荷的动态分 配。因此，在进行电机动负荷分配的控制系统设计之前，必须准确计算出各段驱动辊所 受负载的大小。 由于连铸机的种类和形式多种多样，各段的形式千差万别，其产品的种类繁多。故 很难建立一个连铸机各段驱动辊受力的统的、通用的数学模型。而且由于现场的生产 状况、环境温度、操作水平等因素的影响，针对性的数学模型计算出的结果均与现场数 据有或大或小的差距。基于这种原因，有必要针对梅山2 号连铸机的具体形式、现场的 生产情况、环境温度等因素，建立连铸机驱动辊负载的数学模型。 2 1 梅山2 号连铸机拉矫辊列结构简介 梅山2 号连铸机的拉矫系统由奥钢联( i ) 开发的s m a r t 扇形段组成，其驱动系统主 要由万向连轴器、行星减速器、异步电动机和机架组成。其控制系统采用西门子s 7 4 0 0 系列p l c 、s i m o v e r t m a s t e r d r i v e s v e c t o r c o n 仃o l 系列变频器，可以在不同生产条 件下出色的完成拉坯任务。 2 1 1 v a i 特色s m a r t 扇形段 梅山2 号连铸机拉矫辊列采用吊装结构，由一个个独立的互换性较强的 s m a r t ( s i n g m i n u t e a d j u s t m e n t d u r i n g w i t h o u t r e s 谢i l i n g ) 扇形段组合而成。这种独立的 扇形段是奥钢联( v ：f i ) 开发的具有独特结构的扇形段。它由带有横梁和拉杆的上下框架 两部分构成，其中包括7 对辊子，中间的一对辊子为3 节辊并用电机驱动，其余的各个 辊子为2 节的自由辊。扇形段的下框架在支撑框架( 底座) 上自动定位并卡紧固定，上 框架通过配有内装式位置变送器的4 个位置液压缸与下框架夹持固定在一起，液压系统 的备压可以保持扇形段的开口度和铸坯通道的形状。上驱动辊单独配置一个传动液压 缸，以实现驱动辊对铸坯的压紧并完成上驱动辊的升降。s m a r t 扇形段带有远程控制 7 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 装置，4 个位置调整液压缸对扇形段的开口度和辊缝进行远程设定，可以按照希望的辊 缝形状( 平行的、锥形的或局部锥形的) 浇铸铸坯。它按照生产铸坯的厚度的不同和工艺 要求，实时的改变各个s m a r t 扇形段的开口度，使铸坯在出坯过程中带有一定锥度， 并实时调整锥度大小，最终使铸坯的厚度达到要求。 2 1 2 梅山2 号连铸机拉矫辊列结构 图2 1 为梅山2 号连铸机辊列分布图，按照连铸生产中铸坯的状态将整个辊列分为： 垂直段、扇形段、矫直段、水平段。以下详细说明各段的具体结构和工艺特点。 ( 1 ) 垂直段：该段辊列垂直布置，无电机驱动，辊子半径较小，不采用独立的s m a r t 扇 ( 2 ) 扇形段： ( 3 ) 矫直段： ( 4 ) 水平段： 形段，主要保持铸坯在结晶器中的形状，并通过强冷却条件使铸坯快速冷却。 又称二冷段，此段采用5 组独立的s m a r t 扇形段组成，分别为第1 、2 、3 、 4 、5 段，各个辊子曲率半径相同，形成圆弧形辊道。铸坯在该段由垂直弯曲 成弧形并继续采用水气冷却。每个s m a r t 段有2 组驱动电机，第1 、2 、3 段由于考虑到铸坯冷却的坯壳较薄，上驱动辊压下容易造成漏钢事故，故没 有压紧铸坯。第4 、5 段上驱动辊通过液压缸压下，主要起拉坯作用。电机 驱动辊通过液压缸对铸坯有一定的压下量，并提供一定的拉坯力。 该段采用奥钢联特有的渐进矫直技术，采用2 组独立的s m a r t 扇形段，分 别为第6 、7 段。辊列的形状经过精心设计使带液芯的铸坯在该段进行等曲 率的弯曲矫直由圆弧形变为水平。该段辊子受力较大，辊子半径较大。电机 驱动辊通过上液压缸对铸坯有一定的压下量，提供主要的拉坯力和矫直力。 该段主要对铸坯进行平整，采用l o 组独立的s m a r t 段，分别为第8 1 7 段。辊道水平，在水平段每个s m a r t 段只有1 组驱动电机，布置在上辊， 电机驱动辊通过液压缸为拉坯提供辅助和备用的拉坯力。 8 东北大学硕士学位论文第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 磊 一一垂 工 ， 动态s m 聩 吲 ； 7 i 扇形段，由t 1 6 皤；纠 | 1 4 个辊子、 一t 一个驱动液 压缸组成、4 l 11 _ 个压下液压” 一il 碍；i 缸组成。 嚣 一垂 ，甏 董捌r 嚣 。”1 当拉坯速度为1 4 m s 时， ” ”“垂螂 在该段进行动态轻压下 求乎段8 1 7 段 | l l 吲蛩 。l _ - “f l 盛_ t | e c 卜一 l ti ，i_ 醛 瑚 盛 e il l 瓣 o l 卜中 一i -冒 引 主；i丽i k c + o 羞三 | 一除浏晰j j ，一b 卜 孽 堍、。、彳i ! l 雪 l 置澎乳| j 孝 刈 * 辜 耋 尉 ；：1l - 。 r 一； j ，p 。 、 1 圆弧扃形段1 5 段 ”1 目p 9 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 2 1 3 驱动辊液压系统 这里有必要说明一下这种 s m a r t 段上驱动辊的液压控 制系统，由于驱动电机的负载主 要就是由液压缸提供的压力产 生的，而液压系统压力的变化直 接影响电机的负载。梅山2 号连 铸机上驱动辊的液压系统如图 2 2 所示。 由图中可以看到，整个液压 系统由换向阀、溢流阀、单向阀、 液压缸、压力继电器和蓄压装置 组成。在液压缸的进口和出口都 安装了单向阀。液压缸内的压力 是根据拉坯阻力设定的，各个驱 动辊的液压缸尺寸相同，且由同 一个液压站供油，各个液压缸内 的压力初始设定值相同，且保证 能够拉出铸坯，并使辊子对铸坯 的力不至于压破铸坯，造成漏钢 事故。当外界负载小于系统压力 设定值时，液压缸内的压力为系 统设定压力：但当外界负载大于 系统压力设定值时，进油口的单 图2 2 梅山2 炼钢2 号连铸机驱动辊液压系统图 向阀封闭，液压缸内的压力随外界 8 g _ 2 _ 2t h 8h y d “l i e8 y s 把”o f t h ed 。i ”。o l l 80 f n o2 c o n t i n u o u s0 a s t e fo f m e i s h a ns t e e lc o 负载的变化而变化且液压缸通过蓄势系 统补压，以保证上辊子不会因外界负载过大而弹起，使辊道形状发生变化。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 2 2 电机驱动辊负载的形式 为了实现连铸生产，将铸坯从结晶器中拉出，拉坯过程中必须克服拉坯阻力。故电 机的总负载就是拉坯阻力。由前面的论述知，驱动辊通过液压缸紧压在铸坯表面，当驱 动辊做纯滚动时，由受力分析图2 3 知，铸坯与驱动辊之间的静滑动摩擦力对于铸坯而 i 看糟量f 图2 , 3 辊子受力分析 f i g ，2 。3t h ed y n a m i ca n a l y s e so f t h er o l l s 言起到主要的拉坯作用，而驱动电机负载主要是由静滑动摩擦力产生的负载转矩和滚动 摩阻组成。在图2 3 中，取驱动辊1 为研究对象，在x 方向上受静滑动摩擦力( 方向与 铸坯走行方向相反) 、轴承反力的作用；在y 向上受铸坯反力、液压缸压下力的作用； 同时，驱动辊还受驱动力矩和滚动摩阻的作用。取自由辊2 为研究对象，在x 方向上受 静滑动摩擦力( 方向与铸坯走行方向相同) 、轴承反力的作用；在y 向上受铸坯反力、 液压缸力的作用；同时，自由辊还受滚动摩阻的作用。由此可以看出，驱动辊和自由辊 所受的静滑动摩擦力方向相反，对于驱动辊，该摩擦力主要起到阻力作用：对于自由辊 静滑动摩擦力主要起到驱动作用，并可以由滚动摩阻求出。但是，驱动辊的静滑动摩擦 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 力的大小在0 到最大静滑动摩擦力之间变化，并不能利用理论力学的知识求出每个辊的 静摩擦力，但由于驱动辊处拉坯力较大，基本接近最大静摩擦力，故可以用法向力与静 滑动摩擦系数的乘积来近似代替，故取驱动辊1 为研究对象，对0 点取矩得驱动电机的 负载转矩为： l = 只i + m ，= 只t 地+ 崩) ( 2 i ) 式中：f 第i 段电机驱动辊的扭矩，n m ； 尸第i 段电机驱动辊在铸坯法向上的合力，n ； u 。铸坯与辊子的静滑动摩擦系数，由文献【1 7 知，肌= o 3 ； “铸坯与辊子的滚动摩阻系数，由文献【1 8 知，滚动摩阻系数为在连铸各段 为一个变量，然而由于其变化范围比较小、且本身较小，故取- 6 = 0 0 0 3 m ； r 第i 段驱动辊子的半径，n l 。 由式( 2 1 ) 失f i ，在辊子半径固定、辊子转速固定的条件下，各段电机的负载由沿铸坯 法向方向的力决定。而法向力在各段由设定的液压力和负载的反力中较大的决定，液压 缸的设定压力为： 只= a p = 三 d 2 ( d 2 - d 2 ) 】p = 詈d 2 p( 2 2 ) 式中：乞液压缸的设定压下力，n ； a 液压缸的面积，m 2 ； d 液压缸外径，m ： d 柱塞的直径，m ； p 液压缸内设定压强，m p a 。 故电机驱动棍子法向力为： f m a x f , ，b ，( 2 3 ) 式中：f 铸坯对第i 个驱动辊子沿铸坯法向上的反力，n 。 由于系统液压力设定值不变，而铸坯对驱动辊子的反力随铸坯所在的位置而异。为 了研究各段电机负载的数学模型，有必要研究拉矫辊列各驱动辊子所受铸坯反力情况， 由此确定各段电机的负载。下面分段建立拉矫辊列驱动电机负载的数学模型。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章驱动电机负载的数学模型及功率计算 2 3 扇形段电机驱动辊负载的数学模型 带液芯的铸坯在进入圆弧形二冷段时，由于二次冷却条件，坯壳进一步加厚，高温 坯壳在钢液静压力作用下，在两撑辊之间发生的鼓胀成凸面的现象，称为鼓肚