Разработка и исследование мехатронной системы машины центробежного литья валков

Тема ВКР « Разработка и исследование мехатронной системы машины центробежного литья валков»

Введение

    В условиях конкуренции на рынке сбыта проката постоянное внимание уделяется качеству маталлопроката и экономичности производства. Немаловажную роль в достижении наилучших показателей производства в этой отрасли главный инструмент прокатного производства – прокатные валки. В настоящее время многие крупные металлургические предприятия, которые не удовлетворены показателями цена-качество валков, поставляемых заводами металлургического машиностроения России и ближнего зарубежья, пошли по пути создания собственного производства валков. Это потребовало разработки новых технологий изготовления валков, внедрения опыта специализированных предприятий по выпуску валков, а также привлечения зарубежного опыта [1].
    Требования к прокатным валкам в настоящее время  постоянно возрастают. При этом особое внимание уделяется повышению их эксплуатационных свойств, которые в основном определяются показателями твердости, прочности и термостойкости (для валков станов горячей прокатки). 
    Сложность изготовления валков состоит в том, что в них должны сочетаться противоположные свойства, такие как высокая твердость рабочего (поверхностного) слоя и достаточно прочная сердцевина с высокими пластическими характеристиками. Технологически обоснованным методом изготовления производства подобных изделий с разнородными по химическому составу металлами является последовательная заливка металлов в форму.
    Используемый в настоящее время способ изготовления прокатных валков в стационарной форме путем так называемой «промывки» или «полупромывки» характеризуется низкой эффективностью процесса и нестабильными качественными характеристиками изделия.
    Избежать недостатков стационарного способа заливки и обеспечить высокое качество валков с дифференцированными по сечению физико-механическими свойствами возможно, используя современный способ изготовления – центробежное литье.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАТРОННЫХ  СИСТЕМ МАШИН ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ВАЛКОВ
    
    
1.1. Особенности технологического процесса центробежного литья
    
     Технология центробежного литья заключается в том, что жидкий металл заливают во вращающуюся с определенной скоростью литейную форму. Она вращается в течение всего времени кристаллизации металла отливки. При этом металл за счет действия центробежной силы прижимается к стенкам формы и, застывая, приобретает конфигурацию, точно соответствующую внутренним ее очертаниям [2]. Что обеспечивает получение плотных, с повышенной прочностью отливок, так как газы и шлак, обладающие меньшей плотностью в результате сепарации, вытесняются во внутренние полости отливки. Данный способ литья широко распространён в промышленности и применяется для получения отливок со свободной поверхностью – листопрокатных валков, чугунных и стальных труб, колец, втулок и т. п. [3].
    Литейные центробежные машины, как правило, бывают двух основных типов: с горизонтальной и вертикальной осями вращения (рис. 1.1 а, б). Если диаметр отливки значительно меньше ее длины (трубы, гильзы, втулки), то ось вращения формы размещают горизонтально (рис. 1.1, а). Если же диаметр отливки больше, чем ее высота (колеса, шкивы, шестерни), то ось вращения располагают вертикально (рис. 1.1, б). В обоих случаях ось отливки совпадает с осью вращения формы, и внутренняя полость получается без стержней, а толщина стенки отливки определяется количеством заливаемого металла. Для отливки валков наиболее оптимальными являются машины горизонтального типа [7].
    Схематическое изображение горизонтальной (а) и вертикальной (б) литейных центробежных машин показано на рис. 1.1, где:
1. ковш;
2. заливочное устройство;
3. форма для заливки металла (изложница);
4. металл рабочего слоя.
   
Рис. 1.1 Схематическое изображение горизонтальной (а) и вертикальной (б) литейных центробежных машин

    Основной фактор, определяющий качество отливки – частота вращения формы. От нее зависит плотность отливки, ее механическая прочность, однородность состава по радиальному сечению, степень удаления шлаковых включений от наружной поверхности к внутренней и правильность формы свободной поверхности отливки. Чрезмерное увеличение частоты вращения нежелательно из-за возможности образования продольных трещин на наружной поверхности отливки и разрушения формы под давлением залитого металла. Слишком низкая частота вращения формы приводит к ухудшению качества микроструктуры отливки [8].
    Температура нагрева формы перед заливкой металлом и нанесение теплоизоляционного покрытия на ее внутреннюю поверхность также оказывают влияние на формирование центробежных отливок и их качество. Предварительный подогрев формы снижает тепловой удар при заливке металла, способствует лучшему распределению металла по диаметру и длине, а также повышению качества наружной поверхности отливок и снижению брака по отбелу при литье чугуна. Теплоизоляционное покрытие с одной стороны, уменьшает скорость и степень нагрева формы при заливке, а также снижает скорость охлаждения отливок, что предотвращает образование трещин, отбела и других дефектов, с другой, – предохраняет форму от преждевременного износа.
    Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах литья:
* равномерная твердость по всей поверхности отливки;
* высокая плотность и мелкозернистое строение отливок;
* отсутствие шлаковых и неметаллических включений;
* высокая производительность;
* возможность получения тонкостенных отливок.
* высокий выход годного (90-95%);
    Следует отметить, что центробежное литье обладает также и недостатками:
* химическая неоднородность в толстостенных отливках;
* повышенная вероятность образования трещин;
* деформация формы под давлением жидкого металла.
    Теоретическая база центробежного литья за последние годы заметно расширилась, что позволило улучшить качество получаемых отливок. Например, можно отметить, что тридцать лет назад в качестве теплоизоляционного материала на рабочей поверхности формы широко применялся сухой кварцевый песок толщиной слоя 4-6 мм и более, что приводило к появлению сильного пригара на поверхности отливок, высокие припуски на механообработку и т.д. Сегодня же, цирконовая краска толщиной слоя ?1 мм позволяет полностью избежать указанных недостатков и получить чистую поверхность отливки.
    Центробежное литье – динамично развивающееся производство. Только за последние десятилетия производство центробежнолитых заготовок в России выросло по массе отливки от нескольких сотен килограммов до 50 тонн, а по размерам – от 200 до 1500 мм в диаметре, по длине – до 9000 мм [9].
    В последние годы широкое распространение этот способ литья для производства валков получил в Европе и Северной Америке, а 30-40 % валков из быстрорежущей стали изготавливают этим способом в Японии [1].
    Накопленный теоретический и практический опыт позволит в ближайшие 10-15 лет идти по пути увеличения объемов производства центробежнолитых заготовок и совершенствования оборудования для получения отливок ответственного назначения, востребованных промышленностью, таких как:
* Листопрокатные валки массой до 75 тонн;
* Валки для сортовых и трубных станов;
* Валки для пищевой промышленности;
* Длинномерные трубы (до 8000 мм);
* Трубы большого диаметра (до 2000 мм).
    В целом следует подчеркнуть, что совершенствование технологий получения металлопродукции  на основе центробежного литья приобретает особую значимость. При этом немаловажная роль в её реализации отводится электрическому приводу машин центробежного литья. 
    
1.2. Производство центробежнолитых валков в условиях ПОАО «ММК»
    
    Практика прокатного производства показывает, что с введением в эксплуатацию новых высокопроизводительных станов по выпуску листового и сортового проката из легированных марок сталей резко возросли требования к качественным характеристикам валков, являющихся основным рабочим инструментом прокатного оборудования [10].
    В связи с этим к материалу валков предъявляются повышенные требования, такие как прочность, термостойкость, хорошая обрабатываемость, но главные требования – это высокие твердость и износостойкость.
    Сложность изготовления прокатных валков заключается в сочетании в одном изделии двух противоположных свойств, таких как высокая твердость рабочего (поверхностного) слоя и «мягкая» сердцевина с высокими пластическими характеристиками. Таким требованиям соответствует двухслойный (биметаллический) валок, т.е. валок, полученный из двух различных по химсоставу металлов.
    Изготовление подобных двухслойных валков широко известным способом литья в стационарную форму путем «промывки» или «полупромывки» характеризуется низкой эффективностью процесса и нестабильными качественными характеристиками изделия [11].
    До 2005 г. производство прокатных валков на ОАО «ММК» осуществлялось исключительно статическим способом. Однако, интенсификация производственных процессов на прокатных станах, связанная с увеличением скоростных параметров прокатки, термических и динамических нагрузок, была вызвана ростом доли тонкого проката, а также проката из специальных и легированных сталей, усложнением их сортамента и ужесточением требований к раскату привела к необходимости использования центробежнолитых валков [12].
    Преимущества прокатных валков с дифференцированными по сечению физико-механическими свойствами, изготовленных способом центробежного литья по сравнению со стационарным очевидны [10]:
* равномерная по длине и сечению бочки валка толщина рабочего слоя;
* возможность получения заданной в широких пределах толщины рабочего слоя, регулируя ее количеством залитого металла;
* практически одинаковая по длине и сечению валка структура и твердость рабочего слоя;
* возможность использования перспективных высоколегированных материалов для рабочего слоя валков, например, с содержанием хрома 12-20%;
* регулируемая ширину переходной зоны рабочего слоя бочки валка и сердцевины;
* предотвращение перехода легирующих элементов из рабочего слоя в сердцевину валка;
* стабильное качество сваривания двух разнородных слоев металла.
    Особенно ярко преимущество цетробежнолитых валков проявляется во второй половине их эксплуатации, так как они по мере износа рабочего слоя, сохраняют постоянство уровня износостойкости [12].
    Кроме того, установлено, что эксплуатационная стойкость центробежнолитых прокатных валков на 40-50% выше по сравнению со стойкостью валков, полученных стационарным методом. Общий расход металла, в том числе легирующих элементов (хрома, никеля, молибдена) сокращается в 2-2,5 раза. Отпадает потребность в площадях для формовки, смесях, связующих материалах для стержней, в оборудовании для сушки форм и стержней. Производительность труда повышается в 3-5 раз, при этом значительно улучшаются условия труда и экологические характеристики производства [11].
    В марте 2005 года в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» была построена и запущена в эксплуатацию горизонтальная машина центробежного литья валков для листопрокатных станов горячей прокатки. Работы производились совместно со словенской фирмой VALJI  GROUP d.o.o., успешно занимающейся внедрением подобных технологий на протяжении нескольких лет.
    На данном этапе заливки осуществляются с использованием 17 кокилей двух типоразмеров:
* Тип 1 – применяется для отливки двухслойных «индефинитных» валков, с размером 710?2576 мм.
* Тип 2 – применяется для отливки двухслойных «индефинитных» валков, с размером 808?2000 мм, а так же для отливки валков с высоким содержанием хрома – 858?2000 мм.
    Подготовка плавки производится в индукционных тигельных печах ИЧТ–10 по существующей плавильной технологии. Специализированным погрузочным термоэлементом осуществляется контроль температуры. Перед каждой заливкой рабочего слоя (плаща) экспериментально определяется температура «liquidus» – начало процесса кристаллизации и «solidus» – завершающая стадия процесса кристаллизации (формирование кристаллической решетки металла). На плавильных печах для этого установлена специальная стойка, на которую устанавливается термоизмерительный стакан (термопара). Емкость данного стакана служит для набора пробы плавки по мере готовности металла, которая берется непосредственно из печи. Температура «liquidus» определяется требованиями технологического процесса в зависимости от структуры изготавливаемого валка. Если это условие выполняется, то готовый расплав используется для заливки. В противном случае, химический состав металла доводится до заданного, и через некоторое время аналогичные измерения повторяются.
    Перед заливкой кокиль предварительно нагревается и зачищается (продувка) при помощи специальной зачистной машины. После этого производится его окраска (нанесение теплоизоляционного покрытия) в несколько проходов до обеспечения требуемой толщины слоя.
    Процесс заливки проходит в два этапа: отливка рабочего слоя валка (плаща) и отливка сердцевины (ядра) – в случае изготовления «индефинитных» валков. При изготовлении валков с повышенным содержанием хрома заливка плаща проводится последовательно в два слоя [2].
    На первом этапе металл заливается в горизонтально вращающуюся изложницу при помощи «Г» – образного заливочного устройства (см. рис. 1.1, а). Для предотвращения окисления и рафинирования в металл рабочего слоя после заливки добавляют порошкообразный флюс. Кокиль вращают до начала полного затвердевания металла – конечной стадии кристаллизации «solidus» формирования его кристаллической решетки.
    На втором этапе после остановки изложница в вертикальном положении помещается в специальный литейный кессон на подготовленную для формирования шейки валка нижнюю опоку. На верхнюю часть изложницы устанавливают опоку для формирования верхней шейки валка с прибыльной надставкой, после чего заливают металл сердцевины и шеек валка. Указанной процедурой можно достаточно просто достичь требуемой толщины рабочего слоя и химического состава ядра, потому что расплавленные массы в течение процесса литья не смешиваются.
    Установлено, что при обеспечении перерыва между окончанием затвердевания рабочего слоя и заливкой сердцевины до 8-10 минут, который определяется продолжительностью крановых операций связанных с подъемом и опусканием в кессон изложницы, установкой опоки для верхней шейки валка на изложницу и других процессов, позволяет получать удовлетворительное сваривание двух слоев металла. На качество сваривания влияют температура и скорость заливки металла, которые оптимизированы в зависимости от материала и размера валков.
    После заливки сердцевины форма с отливкой охлаждается в литейном кессоне в течение 72-80 часов. По истечении этого времени валок извлекается из изложницы и подвергается последующей термической обработке для снятия внутренних механических напряжений в металле. На завершающем этапе продукция поступает в вальцетокарное отделение (ВТО), где по специальной технологии согласно заказам проходит обработку на станках и комплектуется для продажи.
    Технология изготовления двухслойных валков предусматривает заливку металла рабочего слоя из хромоникелевого, хромистого и других типов чугуна. Сердцевина валка обычно изготавливается из серого чугуна. Толщина наружного слоя, колеблется от 15 до 35 мм, однако имеется возможность изготовления валков и с большей толщиной наружного слоя. Твердость наружного слоя валка по шкале Шора составляет от 50 до 55 HSD или от 46 до 50 HSD, однако значение твердости может быть и выше. Следует также отметить, что падение твердости у изготовленных центробежнолитых валков составляет 2-3 HSD на глубине 35 мм от поверхности бочки валка, в то время как на валках отлитых стационарным способом спад твердости в 2 раза больше [13].
    С момента пуска центробежной машины ЗАО «МРК» поставило ОАО «ММК» около 1000 валков для листопрокатных станов «2000» и «2500». В ходе эксплуатации которых, ни один валок не вышел из строя по причине поломок, по отслоениям и выкрошкам. Показатель стойкости примерно на 15-30 % выше, чем у валков, отлитых стационарным способом [14].
    
1.3. Особенности электрооборудования центробежной машины, действующего в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК»
    
    Изготовление листопрокатных валков для станов горячей прокатки в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» производится на центробежной машине с горизонтальной осью вращения. Обобщенное схематическое изображение литейной установки в совокупности с изложницей (кокилем) для заливки металла представлено на рис. 1.2, где:
     – радиус кокиля;
     – радиус бочки кокиля;
     – радиус шейки кокиля;
     – радиус ролика;
     – длина бочки кокиля;
     – общая длина кокиля;
     – длина ролика;
     – расстояние между роликами;
     – расстояние между центрами роликов.

Рис. 1.2. Схематическое изображение кокиля и роликов центробежной машины

    В состав машины входят четыре ролика, два из которых являются приводными, а два – опорными.
    Массогабаритные параметры кокилей и роликов приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Массогабаритные показатели кокилей и роликов
Параметр
Тип 1
Тип 2
, кг
18643
20435
, м
0,6
0,65
, м
0,368
0,42
, м
0,24
0,29
, м
3,5
, м
2,8
, кг
650
, м
0,29
, м
0,3
, м
3
, м
1,33
    
    Вращение приводных роликов центробежной машины осуществляется двумя гидравлическими двигателями, которые питаются от одной гидросистемы. Давление в ней создается гидронасосом, электропривод которого реализован на базе асинхронного двигателя мощностью 250 кВт (номинальное напряжение 0,4 кВ, ток статора 350 A). Следует отметить, что практически вся потребляемая из сети электроэнергия в технологическом цикле преобразуется на данной установке в кинетическую энергию вращающихся масс (опорные ролики, кокиль и металл, заливаемый в него), а также на поддержание давления в гидросистеме.
    Гидравлический тяговый агрегат состоит из масляного резервуара, выполненный из листовой стали объемом 400 литров. Технические данные и характеристика гидравлического агрегата представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Технические данные гидравлического агрегата
Объем резервуара
400 дм3
Аксиальный непоршневой насос индустриального типа
A4VSG250EM1/30R-PPB10H02 9F
Максимальный поток насоса
360 дм3/мин
Рабочее давление насоса
350 бар
Время разгона (остановки)
Задается в процессе эксплуатации
Аксиально-поршневой гидромотор
A2FM125/61W–VBB027
Электрические характеристики электромотора насоса
кВт; В; А; об/мин.
Электрические характеристики управляющего электромотора на насосе (регулирование наклонной пластины)
кВт; В; А; об/мин.
Электрические характеристики электромотора вентилятора охлаждения
кВт; В; об/мин.
Гидравлическое масло
Минеральное масло ISO VG 46
Рабочая температура масла
40-71 °C
Фильтрация
Минимальный класс по ISO 4406 (с) 20/18/15 (9 по N AS 1638)
Охлаждение
Воздушное
    
    Регулировка давления в системе – электромоторная. Электромотор на регуляторе через редуктор и шпиндель изменяет поворот наклонной пластины, тем самым, изменяя объем гидравлической жидкости, подводимой к гидромоторам, а, следовательно, и частоту вращения роликов установки. В процентном соотношении углу поворота регуляционной пластины, составляющему 27 %, соответствует частота вращения роликов 400 об/мин, а для 75 % – 1200 об/мин.
    При проведении ремонтных работ допускается использование только оригинальных запасных частей. Все запчасти и уплотнители поставляются фирмой LA&CO. d.o.o., представительство BOSH REXROTH AG.
    В состав центробежной машины в качестве дополнительного оборудования включены следующие электропривода, технические характеристики которых представленные в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Технические характеристики электроприводов, входящих в состав центробежной машины
Привод литейной тележки
Асинхронный электродвигатель кВт; В
Привод копья для покраски
Асинхронный электродвигатель кВт; В
Привод смесителя для покраски
Асинхронный электродвигатель кВт; В
Привод вентилятора для
устранения газов
Асинхронный электродвигатель кВт; В
Привод защитной крышки
Асинхронный электродвигатель кВт; В
Привод электрической щетки для зачистки кокилей
Асинхронный электродвигатель кВт; В
   
    Для управления электродвигателем покрасочного копья применяется частотный преобразователь Micromaster 440 на 1,5 кВт фирмы Siemens, а для электродвигателя зачистной машины – частотный преобразователь Siemens Micromaster 420 на 5,5 кВт.
    
1.4. Уточнение требований к электроприводу центробежной машины

    Основные требования, предъявляемые к электроприводу машины центробежного литья валков, определяются особенностями технологического процесса. Они были сформулированы в [15] и являются исходной предпосылкой для разработки электропривода центробежной машины. Целесообразно произвести анализ этих требований с целью определения ключевых факторов, непосредственно влияющих на параметры и характеристики разрабатываемого электропривода.
    Центробежная машина обладает высоким моментом инерции и имеет реактивный характер нагрузки типа «сухое трение». Процесс пуска такого рода механизмов носит затяжной характер и может привести к перегреву изоляции обмоток приводных двигателей и как следствие преждевременному выходу их из строя.
    К достоинствам существующей на данный момент системы гидропривода следует отнести плавный пуск и торможение машины, возможность регулирования частоты вращения исполнительных механизмов, а также низкие шумовые показатели в виду отсутствия распределительных механизмов (редукторы, шестерни и т.д.).
    В качестве недостатков, обслуживающий персонал отмечает относительно длительное время разгона и торможения кокиля, необходимость охлаждения (подогрева) гидравлической жидкости перед запуском машины и высокие эксплуатационные затраты на обслуживание гидравлической системы (смена масляных фильтров, контроль давления и уровня жидкости и др.). Необходимо отметить, что наиболее существенным недостатком является значительное потребление электроэнергии, а также отсутствие возможности рекуперации запасенной кинетической энергии в режиме торможения обратно в сеть.
    Следует отметить, что только переход к управляемому электрическому приводу может обеспечить рекуперативное торможение кокиля после заливки металла рабочего слоя. Ожидаемая энергетическая эффективность центробежной машины с электрическим приводом оценивается достаточно высокой, так как установка с кокилем и залитым металлом обладает значительным моментом инерции, а, следовательно, довольно большим запасом кинетической энергии. В этой связи на кафедре «Электроники и микроэлектроники» Магнитогорского государственного технического университета совместно с ЗАО «МРК» ОАО «ММК» ведутся работы по модернизации центробежной машины с целью перехода от существующей системы гидропривода к электрическому приводу переменного тока.
    На этапе разработки электропривода центробежной машины возникла необходимость решить в первую очередь такие вопросы, как выбор двигателя по мощности и типа управляемого электропривода, реализующего основные технологические требования, включая возможность рекуперации кинетической энергии данного технологического агрегата. Кроме этого, необходимо обосновать длительность процесса пуска, так как основная нагрузка на двигатели прикладывается именно на интервалах разгона установки центробежного литья. В конечном итоге принятый темп разгона будет определяющим при выборе приводных двигателей по мощности. Следует принять во внимание имеющиеся ограничения по темпу разгона кокиля, обусловленные особенностями фрикционной связи между кокилем и приводными роликами. Чрезмерно высокий темп разгона может привести к пробуксовкам и срыву механического контакта в данной системе. Особое внимание этому вопросу уделяется во второй главе настоящей работы.
    Для того чтобы сформулировать требования, предъявляемые к электроприводу центробежной машины, необходимо обратиться к эксплуатационной тахограмме представленной на рис. 1.3, где показаны основные режимы работы литейной установки.

Рис. 1.3. Тахограмма работы центробежной машины

    Согласно технологии центробежного литья первоначально производится нагрев и зачистка кокиля (продувка), а также тестирование изложницы на предмет ее пригодности к последующей заливке. Частота вращения роликов литейной машины на данном этапе составляет обычно 400 об/мин.
    Затем производится нанесение теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность кокиля (покраска), которое осуществляется в несколько проходов. Это условие необходимо для того, чтобы точно определить толщину покраски. Для обеспечения необходимой толщины слоя обычно требуется 3-4 прохода. Частота вращения роликов при покраске также составляет 400 об/мин. Если теплоизоляционное покрытие наносится засыпным путем, то, как правило, ролики разгоняют до частоты вращения равной 800 об/мин. Процесса засыпки производится в один проход.
    Следующим этапом работы центробежной машины является заливка рабочего слоя валка. При этом происходит увеличение момента инерции механизма, поскольку вследствие заливки расплавленного металла в кокиль, масса последнего будет увеличиваться. Частота вращения роликов при заливке «индефинитных» валков составляет 1200 об/мин, для валков с повышенным содержанием хрома – 1250 об/мин.
    В результате анализа тахограммы можно сделать следующие выводы:
* продувка и покраска кокиля с позиции режима работы электропривода являются идентичными;
* технологический процесс сопровождается многократными пусками и остановками для осуществления подготовительных операций;
* наибольшие нагрузки на электродвигатели центробежной машины возникают при разгоне кокиля перед заливкой металла, а также при торможении изложницы с залитым рабочем слоем.
    Следует также отметить, что со стороны технологии к электроприводу установки не предъявляются особо «жесткие» требования по формированию тахограммы. Основной задачей всего технологического процесса является минимизация временного интервала между окончанием затвердевания рабочего слоя и заливкой металла сердцевины для обеспечения их прочного сваривания. Вследствие чего, процесс торможения изложницы до полной остановки должен составлять не более 4-5 минут. Длительность пускового режима на этапе заливки не является технологическим требованием и находится в пределах 3-4 минут. Длительность пуско-тормозных режимов на этапах подготовительных операций (продувка, покраска) также не ограничивается требованиями технологии и составляет 1-2 минуты.
    Таким образом, с учетом особенностей технологического процесса можно уточнить основные требования, предъявляемые к электроприводу центробежной машины и сформулировать их в следующем виде:
1. плавный пуск электродвигателей с технически обоснованным темпом разгона;
2. наличие промежуточных ступеней частоты вращения;
3. устойчивая работа машины в условиях постоянно растущего момента инерции в процессе заливки металла в кокиль;
4. синхронная работа двух электродвигателей, механически связанных через кокиль;
5. возможность осуществления рекуперативного торможения;
6. длительность торможения изложницы на этапе заливки не должна превышать 4-5 минут;
7. погрешность регулирования частоты вращения роликов не более 5 %.
    
1.5. Сравнительная оценка вариантов системы электропривода
    
    До недавнего времени для привода механизма вращения центробежных машин, практически повсеместно, применялся электропривод постоянного тока [4]. На производстве можно увидеть системы, когда приводной двигатель получает питание от мощных выпрямителей, работающих на шины постоянного тока, или от тиристорного преобразователя. В качестве приводного наиболее широко используют двигатель смешанного возбуждения типа Д808. Учитывая то обстоятельство, что двигатель постоянного тока в несколько раз дороже асинхронного двигателя, требует текущего контроля состояния коллектора и щёточного аппарата, сложен в эксплуатации, наиболее оптимальным для привода механизма вращения центробежных машин является электропривод переменного тока.
    В качестве примера можно привести такие мощные металлургические предприятия, как ОАО «Кушвинский завод прокатных валков», ОАО «Лутугинский завод прокатных валков», ОАО «Днепропетровский завод прокатных валков», ЗАО «Магнитогорский завод прокатных валков», ОАО «Уральский завод центробежного литья», ОАО «Уралмаш».
    В качестве приводных обычно используются асинхронные короткозамкнутые, реже синхронные, электродвигатели, диапазон мощностей которых лежит в пределах от 50 до 200 кВт [11]. Применение синхронных двигателей связано с необходимостью поддержания постоянной скорости вращения приводных роликов центробежной машины при изменении технологической нагрузки [16].
    Для подобных механизмов наиболее актуальными являются вопросы, связанные с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть, особенно, если речь идет о мощных литейных агрегатах, обладающих большим моментом инерции [17].
    При разработке системы электропривода приводных роликов центробежной машины были рассмотрены следующие варианты построения силовой части:
1. На основе АД с фазным ротором по системе асинхронный вентильный каскад (АВК);
2. На основе короткозамкнутых АД с управлением от:
* Преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока;
* Преобразователя частоты с непосредственной связью (НПЧ);
* Тиристорного преобразователя напряжения (ТПН).
    Система АВК предназначена для регулирования частоты вращения и момента АД при управлении по цепи ротора [18]. Одним из преимуществ этой системы электропривода является простота реализации силовой части (рис. 1.4). В состав АВК входят роторный выпрямитель, инвертор ведомый сетью и согласующий трансформатор. Система АВК обеспечивает плавное и экономичное регулирование частоты вращения АД с рекуперацией энергии скольжения в питающую сеть, как в двигательном режиме, так и при торможении противовключением [19]. Кроме того, на ее основе можно получить механические характеристики АД близкие к характеристикам двигателей постоянного тока. Данный вариант электропривода является относительно дорогостоящим, так как АД с фазным ротором в 1,5-2 раза дороже короткозамкнутого АД той же мощности. Необходимо также отметить, что наличие скользящего контакта ухудшает эксплуатационные показатели электродвигателя.

Рис. 1.4. Силовая схема АВК

    В настоящее время большинство разработок в области регулируемого электропривода посвящено теории и практике системы ПЧ–АД [20, 21]. В современных частотно-регулируемых асинхронных электроприводах наибольшее развитие получили ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока [21]. На рис. 1.5. показаны варианты силовых схем 2-х основных типов таких преобразователей: с автономным инвертором напряжения (АИН) и с автономным инвертором тока (АИТ). 
    

а)

б)
Рис. 1.5. Схема силовой части ПЧ на основе АИН (а) и АИТ (б)

    Основными элементами таких преобразователей являются выпрямитель, фильтр промежуточного звена постоянного тока и автономный инвертор. В качестве управляемых силовых ключей в настоящее время широко применяются IGBT-транзисторы и двухоперационные GTO-тиристоры.
    Главные достоинства ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока [22]:
* широкий диапазон частоты выходного напряжения, не зависимо от частоты питающей сети;
* низкий уровень гармонических составляющих напряжения или тока статора двигателя и тока, потребляемого из сети питания;
* высокий коэффициент мощности (до 0,95–0,98) в преобразователях с неуправляемым выпрямителем. В случае применения управляемого выпрямителя коэффициент мощности меньше и близок коэффициенту мощности в системах тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока;
* для АИТ возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу.
    Основные недостатки ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока [22]:
* двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;
* наличие в звене постоянного тока силового фильтра: конденсатора значительной емкости либо реактора большой индуктивности, что увеличивает массу и габариты преобразователя;
* для АИН отсутствие рекуперации энергии в питающую сеть преобразователя, что ограничивает быстродействие регулирования скорости АД в его тормозных режимах. Для обеспечения рекуперативного торможения входной выпрямитель должен быть реверсивным и управляемым. Поэтому стоимость четырехквадрантных ПЧ в 1,5-2 раза выше, чем обычных (с неуправляемым выпрямителем);
* для АИТ невозможность работы на групповую нагрузку.
    Кроме того, расширенный ряд регулировочных возможностей современных ПЧ часто остаются невостребованным, когда (применительно к литейному агрегату) достаточно реализовать плавный пуск двигателя и несколько ступеней частоты выходного напряжения. Такими возможностями, как известно, обладают преобразователи частоты с непосредственной связью [23]. Основу НПЧ составляют управляемые реверсивные выпрямители в каждой из фаз АД [24]. На рис. 1.6 представлена силовая схема простейшего варианта 6-пульсного НПЧ, реализованного на базе нулевых схем.


Рис. 1.6. Трехфазная нулевая схема 6–пульсного НПЧ

    Основными достоинствами НПЧ являются:
* однократное преобразование энергии и, следовательно, относительно высокий КПД (? 0,95–0,97);
* возможность двустороннего обмена энергией между питающей сетью и двигателем. Благодаря чему, обеспечиваются все возможные энергетические режимы работы машин переменного тока, включая и режим рекуперативного торможения;
* естественная коммутация вентилей определяет высокую надежность и перегрузочную способность преобразователя;
* возможность реализации сколь угодно низких частот выходного напряжения и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых оборотах;
* практически неограниченная мощность НПЧ, за счет параллельного соединения вентильных групп.
    Главными недостатками НПЧ являются:
* ограничение максимального значения выходной частоты на уровне 25 Гц;
* достаточно большое число силовых вентилей и цепей управления;
* низкий коэффициент мощности и несинусоидальность входных токов;
    В связи с этим НПЧ получили применение в регулируемых тихоходных синхронных и асинхронных электроприводах средней и большой мощности.
    Необходимость в сравнительно надежных и дешевых устройствах для регулирования частоты вращения АД привела к широкому распространению тиристорных преобразователей напряжения [6, 25]. Наиболее распространенная силовая схема электропривода по системе ТПН–АД, представленная на рис. 4, а, состоит из шести тиристоров, включенных попарно встречно-параллельно в статорные цепи трехфазного АД. Если количество тиристоров увеличить до десяти (рис. 1.7, б), то получим реверсивный преобразователь, позволяющий наряду с пуском изменять направление вращения двигателя. ТПН предназначен для регулирования величины основной гармоники питающего двигатель напряжения изменением угла открытия тиристоров [26]. 
    К достоинствам тиристорных преобразова.......................