Электропривод МНЛЗ: теория, расчет, современные решения и автоматизация

Процесс непрерывной разливки стали, зародившийся в середине XX века, радикально изменил металлургическую промышленность, сократив расход металла с традиционных 12-25% до феноменальных 3-5% на тонну готовой продукции. В основе этого технологического прорыва лежит машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), а её «сердцем» и важнейшим функциональным элементом является кристаллизатор. Именно здесь жидкая сталь начинает свой путь к затвердеванию, формируя слиток. Однако, этот, казалось бы, простой процесс сопряжен с множеством вызовов, среди которых — прилипание заготовки к стенкам и образование поверхностных дефектов. Решение этих проблем кроется в динамике, а точнее, в механизме качания кристаллизатора, управляемом высокоточным электроприводом.

Данная работа посвящена глубокому исследованию и систематизации знаний по теории и практическому применению электропривода механизма качания кристаллизатора МНЛЗ. Мы погрузимся в инженерные расчеты, рассмотрим критерии выбора современного оборудования, проанализируем динамические процессы и изучим системы защиты. Цель работы — создать всесторонний и актуализированный материал, который станет надежным подспорьем для студентов инженерно-технических вузов, выполняющих курсовые или дипломные проекты, и будет соответствовать современным академическим и техническим стандартам.

История развития МНЛЗ и значение механизма качания

История непрерывной разливки стали началась с простых экспериментальных установок, но уже в 1950-х годах она стала проникать в промышленное производство. Эволюция МНЛЗ шла рука об руку с развитием систем автоматизации и электроприводов. Изначально качание кристаллизатора осуществлялось при помощи механических систем с кулачковыми механизмами, которые обеспечивали синусоидальный закон движения. Однако по мере увеличения скоростей разливки и ужесточения требований к качеству поверхности заготовки стало очевидно, что традиционные подходы имеют существенные ограничения, что потребовало поиска более совершенных инженерных решений.

Эволюция требований к электроприводам качания кристаллизатора

С развитием технологий металлургического производства требования к электроприводам механизма качания кристаллизатора постоянно ужесточались. От простых задач по обеспечению базового синусоидального движения с фиксированными параметрами инженеры перешли к необходимости реализовать сложные несинусоидальные законы качания. Эти режимы, как будет показано далее, позволяют значительно повысить скорость разливки и качество заготовки, минимизируя дефекты. Современный электропривод должен обеспечивать:

Высокую точность позиционирования и поддержания заданной траектории.
Широкий диапазон регулирования частоты и амплитуды качания.
Быструю и плавную смену параметров в процессе разливки.
Надежную работу в условиях агрессивной металлургической среды.
Энергоэффективность и высокую ремонтопригодность.
Соответствие строгим стандартам функциональной безопасности.

Именно эти аспекты лягут в основу нашего дальнейшего анализа.

Теоретические основы процесса непрерывной разливки и роль качания кристаллизатора

Процесс непрерывной разливки стали – это одна из краеугольных технологий современной металлургии, превратившая ранее дискретный и трудоемкий цикл производства слитков в непрерывный и высокоэффективный поток. В основе этого технологического чуда лежит тонкое взаимодействие физических явлений и инженерных решений, направленных на формирование качественной заготовки.

Принципы непрерывной разливки стали и ее преимущества

Суть непрерывной разливки заключается в непрерывной подаче жидкого металла из промежуточного ковша в открытую снизу водоохлаждаемую форму — кристаллизатор. Здесь сталь начинает затвердевать, образуя тонкую твердую оболочку, которая по мере вытягивания заготовки приобретает достаточную прочность, чтобы удерживать жидкую сердцевину. Затем заготовка проходит через зону вторичного охлаждения, где процесс затвердевания завершается и поступает на дальнейшую обработку.

Преимущества непрерывной разливки стали поистине революционны и оказывают глубокое влияние на экономику и экологию производства:

Сокращение расхода металла: Это, пожалуй, наиболее значимый экономический эффект. Потери металла, связанные с обрезью головной и донной частей заготовки, которые при традиционной разливке в изложницы могут достигать 10-12% и до 4% соответственно, при непрерывном литье сокращаются до минимальных 3-5% от массы жидкой стали [1.1: 2, 7]. Это напрямую транслируется в миллиарды долларов экономии по всему миру.
Улучшение условий труда: Отсутствие тяжелых и опасных операций по подготовке изложниц, разливке и раздеванию слитков существенно облегчает труд обслуживающего персонала в разливочном пролете, делая производство более гуманным и безопасным [1.1: 1, 7].
Автоматизация процесса: Природа непрерывного цикла идеально подходит для автоматизации, что позволяет минимизировать человеческий фактор, повысить стабильность и повторяемость производственных операций.
Уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат: Исключение дорогостоящего оборудования, такого как парк чугунных изложниц, отделения для их подготовки, стрипперное отделение и мощные обжимные станы (блюминги или слябинги), приводит к колоссальной экономии капитальных вложений. Кроме того, непрерывная разливка требует всего 25% энергии по сравнению с обычной технологией разливки в изложницы, что значительно снижает эксплуатационные расходы [1.1: 2, 7].
Повышение производительности и однородности металла: Ускоренное затвердевание в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения способствует формированию более мелкозернистой и однородной структуры металла, снижает химическую неоднородность и минимизирует количество дефектов [1.1: 2, 6, 8]. Это позволяет повысить производительность на 20-25% при одновременном улучшении качества конечной продукции.

Назначение и функции кристаллизатора как основного элемента МНЛЗ

Кристаллизатор — это сердце МНЛЗ, определяющее качество формирующейся заготовки. Его основная функция — прием жидкого металла и его первичная кристаллизация. Это водоохлаждаемое устройство, как правило, из медных сплавов, обеспечивает интенсивный отвод тепла от жидкой стали, что приводит к образованию твердой корочки на поверхности заготовки. Именно толщина и качество этой корочки на выходе из кристаллизатора (не менее 25-30 мм) критически важны для обеспечения механической прочности вытягиваемой заготовки и предотвращения прорыва жидкого металла [1.1: 2].

Механизм образования корки слитка и проблемы прилипания к стенкам

Процесс образования корочки в кристаллизаторе сложен. Жидкий металл, соприкасаясь с охлаждаемыми стенками, начинает затвердевать. Толщина формирующейся корочки зависит от теплофизических свойств стали, скорости разливки, интенсивности охлаждения и высоты кристаллизатора. Однако в процессе литья возникают силы трения между затвердевающей корочкой и стенками кристаллизатора. Эти силы, если их не контролировать, могут привести к «прилипанию» металла, отрыву корочки, образованию продольных трещин и, в конечном итоге, к прорыву жидкого металла — одной из самых серьезных аварий в МНЛЗ.

Цели и задачи качания кристаллизатора: снижение трения, предотвращение трещин, улучшение поверхности заготовки

Для борьбы с силами трения и предотвращения дефектов был разработан механизм качания (осцилляции) кристаллизатора. Его основная цель — циклическое перемещение кристаллизатора вверх и вниз относительно вытягиваемой заготовки. Это движение выполняет несколько критически важных функций:

Снижение силы трения: Во время движения вниз кристаллизатор на короткое время опережает скорость вытягивания заготовки, создавая период «отрицательного опережения» или «отрицательного скольжения». В этот момент трение между корочкой и стенками кристаллизатора значительно снижается, или даже возникает кратковременное сжатие, что облегчает вытягивание заготовки.
Предотвращение образования трещин: Изменение направления движения кристаллизатора приводит к возникновению напряжений сжатия в поверхностном слое заготовки. Это способствует «самозавариванию» микротрещин, которые могли бы образоваться под действием растягивающих напряжений, тем самым улучшая качество поверхности.
Улучшение качества поверхности: Оптимальные параметры качания помогают формировать равномерную и гладкую поверхность заготовки, минимизируя глубину следов качания и предотвращая образование поверхностных дефектов.

Влияние несинусоидальных режимов качания на качество и скорость разливки

Традиционные синусоидальные законы качания, хотя и выполняют базовые функции, имеют свои ограничения. Современные исследования и практика показывают, что несинусоидальные режимы качания кристаллизатора позволяют существенно повысить скорость разливки и улучшить качество поверхности и подповерхностных слоев заготовки [1.2: 1, 5, 8]. Это достигается за счет более гибкого управления фазами движения, позволяя более эффективно управлять периодами отрицательного опережения и минимизировать сжимающие нагрузки на корочку. Например, несинусоидальные режимы могут снизить глубину следов качания не менее чем на 30% по сравнению с синусоидальным законом, что имеет прямое влияние на качество готовой продукции [1.2: 5, 8].

Оптимальные параметры качания: частота, амплитуда, время опережения

Для каждого типа стали, сечения заготовки и скорости разливки существуют свои оптимальные параметры качания, которые критически важны для предотвращения прилипания металла к стенкам кристаллизатора и отрыва корки слитка.

Ключевые параметры включают:

Индекс опережения: Рекомендуемое значение составляет 1,25-1,40. Этот параметр отражает отношение скорости кристаллизатора к скорости вытягивания заготовки в фазе отрицательного скольжения [1.2: 1, 2].
Время опережения (период отрицательного раздевания слитка): Варьируется в диапазоне 0,1-0,3 с. Для высокоскоростных сортовых МНЛЗ оптимальное время составляет 0,12-0,14 с. Это время, в течение которого кристаллизатор движется вниз быстрее, чем заготовка [1.2: 2, 3, 4].
Амплитуда качания: Обычно составляет от 1 до 50 мм, но чаще всего находится в диапазоне 2-15 мм, в зависимости от типа МНЛЗ и сортамента [1.2: 3, 4, 11].
Частота качания: Может варьироваться от 20 до 600 циклов в минуту (что соответствует 0,33-10 Гц) [1.2: 3, 4, 11].

Таблица 1: Типичные параметры качания кристаллизатора в зависимости от типа МНЛЗ

Параметр	Диапазон значений	Примечания	Источники
Индекс опережения	1,25–1,40	Отношение скорости кристаллизатора к скорости вытягивания	[1.2: 1, 2]
Время опережения	0,1–0,3 с	Для высокоскоростных МНЛЗ: 0,12–0,14 с	[1.2: 2, 3, 4]
Амплитуда качания	1–50 мм (чаще 2–15 мм)	Зависит от типа МНЛЗ и сортамента	[1.2: 3, 4, 11]
Частота качания	0,33–10 Гц (20–600 циклов/мин)	Зависит от типа МНЛЗ и сортамента	[1.2: 3, 4, 11]

Эти параметры должны быть тщательно настроены и поддерживаться с высокой точностью, что и обуславливает высокие требования к электроприводу механизма качания.

Конструктивные особенности механизмов качания и типы электроприводов

Эффективность механизма качания кристаллизатора напрямую зависит от его конструктивного исполнения и типа привода. Исторически сложились два основных подхода: традиционные электромеханические системы и современные гидромеханические приводы. Развитие технологий непрерывной разливки диктует постоянный поиск решений, обеспечивающих максимальную точность, динамику и надежность.

Традиционные электромеханические приводы: схема, недостатки

В начале пути развития МНЛЗ широко применялись электромеханические приводы. Их традиционная конструкция реализуется по схеме преобразования вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение кристаллизатора через редуктор с эксцентриковым механизмом. Этот механизм задает амплитуду качаний, а система направляющих обеспечивает прямолинейность движения.

Однако, несмотря на простоту и относительную дешевизну, у традиционных электромеханических приводов есть ряд существенных недостатков:

Наличие люфтов в механической передаче: Это приводит к отклонениям движения кристаллизатора от заданной траектории, снижая стойкость кристаллизатора, стабильность литья и, как следствие, качество поверхности отливки [1.2: 8]. Люфты также усложняют реализацию высокоточных несинусоидальных законов качания.
Тяжелые условия работы при большой массе качающихся частей: Масса стола вместе с кристаллизатором может достигать 4-5 тонн (для заготовок сечением 250×300 мм и 300×400 мм). Такая инерционная масса ограничивает возможность повышения частоты качания и ухудшает динамические свойства системы [2.1: 1].
Значительные временные затраты на изменение параметров качания: Перенастройка амплитуды и частоты часто требует механического вмешательства, что увеличивает простои и снижает гибкость технологического процесса.
Ограниченная динамика: Высокие инерционные нагрузки затрудняют быструю адаптацию к изменениям скорости разливки или другим технологическим параметрам, что негативно сказывается на качестве заготовки.

Современные гидромеханические приводы: принципы работы, преимущества

Одним из путей повышения скорости разливки и улучшения динамических свойств привода является применение электрогидравлического следящего привода (ЭГСП) поступательного перемещения. Современные МНЛЗ оснащены именно такими гидравлическими системами, что стало возможным благодаря прорыву в развитии систем автоматического управления в 80-90-х годах XX века, в частности, благодаря появлению программируемых логических контроллеров (ПЛК) фирмы Siemens серии S5 [2.2: 5].

Принцип работы ЭГСП основан на использовании гидроцилиндра, шток которого напрямую перемещает кристаллизатор. Управление гидроцилиндром осуществляется через сервоклапаны или пропорциональные распределители, которые регулируют поток рабочей жидкости. Обратная связь по положению выходного звена (штока гидроцилиндра), как правило, реализуется с помощью высокоточных датчиков положения, что обеспечивает исключительную точность следования заданной траектории движения [2.2: 11, 13, 14].

Преимущества гидромеханических приводов очевидны:

Высокая точность позиционирования: Гидравлические системы способны обеспечить миллиметровую точность, что критически важно для реализации сложных законов качания.
Превосходные динамические свойства: Гидравлика обладает высокой жесткостью и быстрым откликом, что позволяет реализовать высокие частоты качания (современные ЭГСП обеспечивают частоту колебаний в диапазоне 0-10 Гц и амплитуду 0-6 мм) и быструю адаптацию к изменениям технологического режима [1.2: 11].
Гибкость настройки параметров качания: Частота, амплитуда и закон движения могут быть оперативно изменены программно, без механического вмешательства, что повышает гибкость и эффективность производства.
Высокая удельная мощность: Гидравлические приводы могут развивать значительные усилия при относительно компактных размерах.

Динамические свойства привода механизма качания кристаллизатора в основном определяются массой перемещаемых частей (кристаллизатор со столом качания) и жесткостью пружин. Для улучшения динамики всегда следует стремиться к уменьшению массы подвижных частей.

Детализация конструкций кристаллизаторов: высота, покрытия, упругие подвески

Помимо типа привода, на эффективность работы механизма качания влияют и конструктивные особенности самого кристаллизатора:

Высота кристаллизатора: Определяется необходимостью обеспечить образование достаточно толстой корки в заготовке при выходе, исключающей возможность ее прорывания. Для литья квадратных заготовок с сечением 200×200 мм и менее используются формы длиной 500-800 мм; для больших сечений длина форм достигает 1000-1100 мм. Промышленные гильзовые кристаллизаторы позволяют достигать высокой скорости литья для заготовок малого сечения (до 6-7 м/мин) при увеличении технологической длины до 1000-1200 мм.
Специальные покрытия: Для повышения эксплуатационной стойкости и улучшения свойств внутренней поверхности кристаллизатора наносятся специальные защитные покрытия, например, на основе хрома или никеля (такие как TOPOCROM®). Эти покрытия, имеющие толщину в несколько десятых миллиметра, значительно уменьшают силы трения между корочкой заготовки и стенкой гильзы, повышают износостойкость при абр��зивных нагрузках и могут увеличить срок службы кристаллизатора в 3-6 раз [2.2: 1, 2, 7]. Они также характеризуются высокой твердостью, низкой смачиваемостью жидкой сталью и достаточной теплопроводностью [2.2: 7].
Упругие подвески: Применение упругих подвесок (например, пневматических пружин или систем пластинчатых рессор) играет ключевую роль в компенсации действия качающихся масс. Они создают растягивающие усилия, превышающие сжимающие нагрузки на 15-20%, что увеличивает кинематическую точность движения кристаллизатора и устраняет возможность образования поверхностных поперечных трещин или разрыва корки [2.2: 9]. Это также способствует снижению количества прорывов и увеличивает надежность работы МНЛЗ.

Сравнительный анализ электромеханических и гидромеханических приводов

Для более глубокого понимания выбора типа привода представим сравнительный анализ ключевых характеристик.

Таблица 2: Сравнительный анализ электромеханических и гидромеханических приводов качания кристаллизатора

Характеристика	Электромеханический привод (Традиционный)	Гидромеханический привод (Современный ЭГСП)
Точность позиционирования	Средняя (люфты, неточность кинематики)	Высокая (обратная связь по положению, жесткость)
Динамические свойства	Низкие (большие инерционные массы, ограничения частоты)	Высокие (быстрый отклик, широкий диапазон частот)
Гибкость настройки	Низкая (механическое переключение)	Высокая (программное изменение параметров)
Энергоэффективность	Средняя (механические потери)	Высокая (эффективное управление потоками)
Надежность и износ	Средняя (износ механических передач, люфты)	Высокая (меньше изнашивающихся механических частей)
Сложность конструкции	Относительно простая	Высокая (гидравлика, сервоклапаны, АСУ)
Стоимость	Ниже начальные затраты	Выше начальные затраты
Шумовые характеристики	Зависят от механизма, могут быть высокими	Зависят от гидростанции и насосов
Требования к обслуживанию	Регулярная смазка, проверка люфтов	Обслуживание гидросистемы, проверка герметичности
Возможность реализации несинусоидальных режимов	Ограниченная или отсутствует	Полная и точная

Оценка точности позиционирования и динамических свойств:
Как видно из таблицы, гидромеханические приводы значительно превосходят электромеханические по точности позиционирования и динамическим свойствам. Это достигается за счет прямого действия гидроцилиндра и использования высокоточных сервоклапанов в сочетании с системами обратной связи по положению. В то время как электромеханические приводы страдают от люфтов, которые накапливаются по мере износа, гидроприводы сохраняют свою точность на протяжении всего срока службы при условии надлежащего обслуживания.

Требования к мощности и энергоэффективности:
Хотя гидравлические системы кажутся более сложными, их удельная мощность часто выше, что позволяет реализовать значительные усилия и динамику при относительно компактных размерах. С точки зрения энергоэффективности современные гидроприводы, оснащенные насосами с регулируемой производительностью и высокоэффективными сервоклапанами, могут быть очень экономичными, минимизируя потери энергии по сравнению с постоянно работающими насосами в устаревших системах. Электромеханические приводы также имеют свои потери в редукторах и механических передачах.

Таким образом, современные МНЛЗ всё чаще используют гидромеханические приводы, так как они наилучшим образом отвечают постоянно растущим требованиям к качеству заготовки, скорости разливки и гибкости технологического процесса.

Математические модели электропривода механизма качания кристаллизатора

Для успешного проектирования, настройки и оптимизации электропривода механизма качания кристаллизатора крайне важно иметь адекватные математические модели. Они позволяют инженерам исследовать поведение системы в различных режимах, прогнозировать ее реакцию на возмущения и синтезировать эффективные системы управления. Электропривод, по своей сути, представляет собой сложную электромеханическую систему, где электрическая энергия преобразуется в механическую для выполнения технологического процесса.

Общая структура электропривода: электрическая и механическая части

Любой электропривод можно условно разделить на две основные части:

Электрическая часть силового канала (ЭЧ): Включает устройства, передающие электрическую энергию от источника питания к электромеханическому преобразователю (двигателю) и обратно, а также осуществляющие преобразование электрической энергии. Сюда относятся преобразователи частоты или напряжения (например, тиристорные), устройства коммутации, защитная аппаратура, а также линии передачи.
Механическая часть (МЧ): Состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя (например, ротора двигателя), механических передач (редукторы, муфты, эксцентрики в случае электромеханического привода, или напрямую шток гидроцилиндра в случае гидропривода) и, наконец, исполнительного органа установки — в нашем случае, механизма качания кристаллизатора.

Их взаимосвязь описывается уравнениями, отражающими баланс энергий и сил/моментов в системе.

Динамические нагрузки в электроприводе: причины возникновения, влияние на надежность и износ оборудования

В электроприводах, особенно в системах с возвратно-поступательным движением и частыми реверсами, динамические нагрузки играют ключевую роль. Они представляют собой моменты инерции действующих сил в системе и пропорциональны угловым ускорениям масс [3.1: 6, 7, 9, 10]. Характеризуются быстрым изменением во времени их значения, направления или точки приложения. Возникают такие нагрузки по нескольким причинам:

Пуски, торможения и реверсы: Любое изменение скорости или направления движения порождает инерционные силы.
Изменения нагрузки: Внезапные изменения момента сопротивления механизма (например, прилипание заготовки к стенкам кристаллизатора).
Упругие связи в механической передаче: Редукторы, муфты, валы не являются абсолютно жесткими, что приводит к возникновению колебательных процессов.

Динамические нагрузки вызывают в элементах конструкции значительные силы инерции, что приводит к ряду негативных последствий:

Снижение надежности и долговечности оборудования: Постоянные знакопеременные динамические нагрузки ускоряют усталостный износ элементов механических передач, подшипников, валов. Ограничение максимальных нагрузок и уменьшение динамических колебательных нагрузок, обусловленных упругими связями, значительно повышает надежность и долговечность, увеличивая срок службы механического оборудования за счет снижения динамического коэффициента до значений, близких к единице [3.1: 6, 9].
Ухудшение качества продукции: Динамические колебательные процессы, хотя и не влияют на общую длительность переходных процессов (пуска, реверса), но отрицательно сказываются на точности работы установки [3.1: 6]. В контексте МНЛЗ это может привести к неравномерности качания, увеличению глубины следов качания и появлению дефектов на поверхности заготовки.
Повышенные требования к прочности: Элементы конструкции должны быть рассчитаны не только на статические, но и на динамические нагрузки, что часто приводит к увеличению габаритов и массы.

Математическая модель электрогидравлического привода качания кристаллизатора

Для высокодинамичных систем, таких как электрогидравлический привод качания кристаллизатора высокоскоростной МНЛЗ, требуется уточненная математическая модель. Такая модель, разработанная в форме системы автоматического регулирования, позволяет исследовать влияние различных параметров системы на качество и производительность МНЛЗ [3.1: 1].

Она включает в себя следующие основные блоки:

Модель кристаллизатора и его подвижной части: Учитывает массу качающегося стола, кристаллизатора, жидкого металла в нем, а также силы трения и упругие свойства подвесок.
Модель гидроцилиндра и поршня: Описывает зависимость перемещения поршня от расхода рабочей жидкости, а также силы, развиваемые гидроцилиндром.
Модель линий передачи: Учитывает гидравлическое сопротивление трубопроводов и сжимаемость жидкости.
Модель золотникового распределителя (сервоклапана): Описывает зависимость расхода рабочей жидкости через распределитель от управляющего сигнала (тока на электромагните сервоклапана) и перепада давления.
Модель системы автоматического регулирования положения штока гидроцилиндра: Включает датчики положения, регуляторы (например, ПИД-регуляторы) и управляющие воздействия.

Комплексное моделирование этих блоков позволяет анализировать процессы в гидроприводе и синтезировать эффективную систему автоматического регулирования положения штока гидроцилиндра, обеспечивающую заданный закон движения кристаллизатора [3.1: 11 (from search 2.2)].

Моделирование переходных процессов и стабильности системы «Тиристорный преобразователь – Двигатель»

Если речь идет об электромеханическом приводе, или о системе, где электропривод управляет насосом гидросистемы, то ключевым элементом становится система «Тиристорный преобразователь – Двигатель» (ТП-Д). Моделирование переходных процессов в такой системе имеет решающее значение для оценки её динамических характеристик и стабильности.

Углубленное моделирование включает:

Модель двигателя постоянного тока: Представляется системой дифференциальных уравнений, описывающих электрические процессы в якорной цепи и цепи возбуждения, а также механические процессы (уравнение движения).
Модель тиристорного преобразователя: Для инженерных расчетов тиристорный преобразователь часто представляется как апериодическое звено с постоянной времени T_п ≈ 0,01 с (для промышленной частоты 50 Гц) [6.1: 15, 16, 17, 18]. Это упрощает математическое описание нелинейной системы, позволяя сосредоточиться на динамике регулирования. Однако для более детального анализа необходимо учитывать его нелинейные свойства, дискретность работы и наличие гармоник.
Модель регуляторов: Пропорционально-интегральные (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, используемые в контурах тока и скорости, также включаются в модель.

Анализ стабильности системы проводится с использованием критериев Рауса-Гурвица или Найквиста, а также корневых годографов, что позволяет определить устойчивость системы в различных режимах работы и настроить параметры регуляторов.

Расчет нагрузочных диаграмм: тахограммы, моменты сопротивления, зависимость от времени

При расчете электропривода необходимо точно знать, как изменяются скорость электропривода и момент сопротивления механизма во времени. Эти зависимости называются тахограммой электропривода и нагрузочной диаграммой механизма соответственно.

Тахограмма — это зависимость скорости движения механизма (или угловой скорости двигателя) от времени. Для механизма качания кристаллизатора тахограмма будет сложной, несинусоидальной функцией, включающей фазы ускорения, замедления, опережения и отставания.
Нагрузочная диаграмма — это зависимость вращающего момента, тока или мощности, развиваемой двигателем, от времени. Она характеризует требования, предъявляемые механизмом к электроприводу.

Нагрузочные диаграммы электропривода используются для:

Оценки перегрузочной способности электропривода и сопоставления ее с допустимой кратковременной нагрузкой.
Проверки мощности предварительно выбранного двигателя по нагреву (тепловому режиму).

Статические нагрузки определяются на основании технологических данных (масса кристаллизатора, силы трения), а динамические нагрузки оцениваются инерционными моментами, которые развиваются электроприводом для обеспечения требуемых угловых ускорений.

Формулы для определения динамического момента и сил, действующих на качающуюся раму

Динамический момент электропривода (M_дин) можно определить по фундаментальной формуле:

M_дин = J ⋅ (dω/dt)

Где:

$J$ — суммарный момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя (или к выходному звену гидропривода).
$dω/dt$ — угловое ускорение (или линейное ускорение, если речь идет о поступательном движении).

Сила, действующая на качающуюся раму (T), определяется как сумма или разность различных составляющих:

T = F ± G

Где:

$F$ — сила трения заготовки о стенки кристаллизатора.
$G$ — суммарный вес кристаллизатора с водой и качающейся рамой. Знак «плюс» относится к подъему кристаллизатора, «минус» — к опусканию.

Сила трения затвердевающей заготовки о стенки радиального кристаллизатора (F), в свою очередь, является комплексной величиной и может быть представлена как:

F = F₁ ⋅ k₁ ⋅ k₂

Где:

$F 1$ — сила трения без учета дополнительных факторов, зависящая от ферростатического давления жидкого металла и коэффициента трения.
$k 1$ — коэффициент, учитывающий степень приработки кристаллизатора (состояние внутренней поверхности, наличие покрытий).
$k 2$ — коэффициент, учитывающий химический состав стали (влияет на вязкость шлакового пояса и адгезию).

Эти формулы являются отправной точкой для детальных инженерных расчетов, позволяющих точно определить нагрузки на электропривод и выбрать оптимальное оборудование.

Особенности моделирования несинусоидальных законов качания и их реализация

Моделирование несинусоидальных законов качания представляет собой более сложную задачу, чем для синусоидального движения. Оно требует:

Детального описания заданной траектории: Несинусоидальный закон качания может быть описан кусочно-линейными функциями, полиномами или сплайнами, которые обеспечивают плавность изменения скорости и ускорения.
Синтеза регуляторов с предваряющим управлением: Для точного следования сложной траектории часто используются регуляторы, способные «предвидеть» требуемое изменение управляющего воздействия.
Учета нелинейности системы: Гидравлические системы, особенно сервоклапаны, обладают нелинейными характеристиками, которые необходимо учитывать при моделировании для достижения высокой точности.
Адаптивных алгоритмов: В реальных условиях параметры системы могут изменяться (например, изменение вязкости масла, износ), поэтому эффективными оказываются адаптивные алгоритмы, которые корректируют параметры регуляторов в процессе работы.

Математическое моделирование несинусоидальных законов качания позволяет оптимизировать динамику привода, минимизировать перегрузки и добиться наилучшего качества поверхности заготовки, что является одной из ключевых задач современных МНЛЗ.

Выбор силового оборудования для электропривода качания кристаллизатора

Выбор силового оборудования для электропривода механизма качания кристаллизатора — это многофакторная задача, требующая глубокого понимания как технологического процесса непрерывной разливки, так и характеристик современного электротехнического оборудования. Целью является обеспечение заданных динамических характеристик, высокой надежности и энергоэффективности системы в целом.

Электродвигатели

В электроприводах МНЛЗ могут применяться различные типы электродвигателей, но каждый из них имеет свои преимущества и ограничения.

Типы двигателей

Двигатели постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения: Исторически широко применяются в системах, где требуется широкий диапазон регулирования скорости и высокая точность. Например, на МНЛЗ № 1-4 ОАО «ММК» в качестве приводного двигателя для электропривода механизма качания кристаллизатора используется именно двигатель постоянного тока независимого возбуждения, питаемый от тиристорного преобразователя [4.1: 19]. Их преимущества — высокая перегрузочная способность, хорошие регулировочные свойства и возможность поддержания постоянного момента при изменении скорости.
Асинхронные двигатели с преобразователями частоты (ПЧ): В последние десятилетия набирают популярность благодаря своей простоте конструкции, высокой надежности, низким эксплуатационным расходам и возможности точного регулирования скорости и момента при использовании современных ПЧ. Они могут быть конкурентной альтернативой ДПТ, особенно для средних мощностей, где требуются высокие динамические характеристики.

Критерии выбора по мощности и тепловому режиму

Выбор двигателя по мощности — один из важнейших этапов. Для механизмов, работающих продолжи��ельно с неизменной или мало меняющейся нагрузкой, требуемую мощность электродвигателя P_двиг находят по формуле:

P_двиг = P_мех / η_перед

Где:

$P двиг$ — требуемая мощность электродвигателя.
$P мех$ — мощность, потребляемая механизмом (включающая статические и динамические нагрузки).
$η перед$ — КПД механической передачи (для электромеханических приводов) или КПД гидравлической части (для гидромеханических приводов).

Номинальная мощность электродвигателя, выбранного по каталогу, должна быть равна или несколько больше расчетной. Однако одного лишь расчета по номинальной мощности недостаточно, особенно для высокодинамичных приводов с частыми пусками и остановками.

Оптимизация тепловых режимов и системы охлаждения двигателей

В условиях металлургического производства, характеризующегося высокими температурами и запыленностью, тепловые режимы работы электродвигателей становятся критически важными. Оптимизация тепловых режимов направлена на повышение эффективности, надежности и продление срока службы двигателя, поскольку перегрев является одной из основных причин выхода его из строя.

Методы оптимизации включают:

Конструктивные методы:
- Оптимизация геометрии обмоток и корпуса: Разработка форм, способствующих более эффективному отводу тепла.
- Применение высокотеплопроводных материалов: Использование композитов в статоре может увеличить теплопроводность на 30-50%, а применение специальных сплавов для корпуса улучшает рассеивание тепла [5.1: 4].
- Улучшенная вентиляция: Разработка аксиальных каналов, увеличивающих охлаждение на 15-25%, и оптимизированных вентиляторов, способных увеличить воздушный поток на 10-20% [5.1: 4].
- Использование теплорассеивающих элементов: Ребра охлаждения, тепловые трубки.
Использование продвинутых систем охлаждения:
- Жидкостное охлаждение: Применение замкнутых контуров с жидкостным охлаждением может увеличить эффективность охлаждения на 100-200% по сравнению с воздушным, что критически важно для мощных и компактных приводов.
- Принудительное воздушное охлаждение: Вентиляторы с независимым приводом, работающие вне зависимости от скорости вращения основного двигателя.
Термическая защита: Внедрение датчиков температуры (термисторов, термопар) в обмотки двигателя для контроля перегрева и своевременного отключения или снижения нагрузки.

Тиристорные преобразователи

Тиристорные преобразователи являются ключевыми элементами в системах управления ДПТ, а также используются в преобразователях частоты для асинхронных двигателей.

Принцип работы, преимущества

Тиристорный преобразователь — это электрическое устройство, использующее тиристоры (полупроводниковые приборы с управляемым открыванием) для управления потоком электрической энергии. Он предназначен для изменения уровня напряжения, частоты, мощности или направления тока [4.1: 2, 9]. Обычно тиристорные преобразователи строятся по блок-схеме с явно выраженным звеном постоянного тока, включающей выпрямитель, фильтр и инвертор. Часто применяются мостовые схемы параллельного инвертора тока и управляемого трехфазного выпрямителя [4.1: 2, 9].

Основные преимущества тиристорных преобразователей:

Высокая эффективность и низкие потери энергии: Благодаря низкому падению напряжения на открытом тиристоре, КПД может достигать 98% [4.1: 2].
Высокая степень контроля и точности регулирования: Тиристоры позволяют очень точно управлять выходными параметрами (напряжением, током, частотой).
Способность работать с большими мощностями: Тиристорные преобразователи доминируют там, где требуется обеспечить большие мощности (до нескольких мегаватт) с выходным напряжением в десятки киловольт [4.1: 1, 2, 5, 6, 9]. Они способны выдерживать импульсные и продолжительные нагрузки.
Высокая надежность: При правильном проектировании и эксплуатации тиристорные системы очень надежны.

Недостатки

Высокие начальные затраты: Обусловлены сложностью схем и необходимостью применения высококачественных компонентов [4.1: 16].
Шум при работе: Вызван гармоническими искажениями тока, которые тиристоры вносят в сеть и нагрузку [4.1: 10].
Необходимость в специальных методах охлаждения: Мощные тиристоры выделяют значительное количество тепла, что требует сложных и дорогостоящих систем охлаждения, увеличивающих эксплуатационные расходы [4.1: 5].
Сложная система управления: Тиристор является полууправляемым прибором (его можно открыть, но нельзя закрыть управляющим сигналом). Это требует специфических алгоритмов для ограничения скорости изменения управляющего сигнала и выработки сигналов переключения групп (для реверсивных преобразователей) [4.1: 2, 12].

Типы: преобразователи частоты (инверторы) и преобразователи постоянного тока

Тиристорные преобразователи частоты (инверторы): Используются для питания асинхронных двигателей, позволяя регулировать их скорость путем изменения частоты и напряжения. Доминируют в промышленных установках, где требуются большие мощности (свыше 50-100 кВт), например, для индукционного нагрева металлов, плавильных печей и плавной регулировки скорости вращения мощных асинхронных электродвигателей [4.1: 1, 2, 5, 6, 9].
Тиристорные преобразователи постоянного тока: Применяются для питания якорных цепей двигателей постоянного тока и их обмоток возбуждения, обеспечивая преобразование переменного тока в постоянный с регулированием выходных параметров. В их состав входят трансформатор или токоограничивающий реактор, выпрямительные блоки, сглаживающие реакторы, а также элементы системы управления, защиты и сигнализации [4.1: 15].

Реверсивные тиристорные преобразователи и их роль

Для приводов, требующих быстрого изменения направления вращения или генераторного режима (рекуперативного торможения), используются реверсивные тиристорные преобразователи. Они позволяют изменять направление момента двигателя, что критически важно для механизма качания кристаллизатора, где постоянно происходит смена направления движения.

Современные тенденции в развитии преобразовательной техники

Несмотря на доминирование тиристоров в мощных приложениях, для средних мощностей (от нескольких десятков до сотен кВт) все чаще используются преобразователи на базе IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor). IGBT-преобразователи обеспечивают более высокую частоту коммутации, что снижает гармонические искажения, улучшает динамические характеристики и упрощает фильтрацию. Они также более управляемы, поскольку IGBT можно как открыть, так и закрыть управляющим сигналом. Однако для очень больших мощностей (мегаватты) тиристоры по-прежнему остаются более экономичным и надежным решением.

Электрические реакторы (дроссели)

Электрический реактор, или дроссель, является неотъемлемой частью устройств преобразования энергии, особенно в системах с тиристорными преобразователями.

Назначение

Основной задачей реактора является:

Задержание тока определенного частотного диапазона: Фильтрация гармоник, создаваемых преобразователем.
Накопление энергии в магнитном поле: Используется для сглаживания пульсаций тока.
Ограничение тока короткого замыкания: Защищает преобразователь и двигатель от аварийных режимов.

Типы и особенности применения

В электроприводах МНЛЗ наиболее часто используются:

Сетевые реакторы (входные дроссели): Устанавливаются на входе преобразователя, чтобы уменьшить гармонические искажения тока, потребляемого из сети, и ограничить броски тока.
Моторные реакторы (сглаживающие реакторы): Включаются последовательно с якорем двигателя постоянного тока (или между преобразователем и асинхронным двигателем) для сглаживания пульсаций выпрямленного тока до допустимого значения (обычно снижая их содержание до 10% от величины постоянного тока) [4.1: 3, 4, 10]. Они также ограничивают скорость нарастания аварийного тока при коротком замыкании в цепи нагрузки преобразователя до момента срабатывания защиты. Типичная индуктивность таких реакторов может составлять, например, 10-20 мГн.

Применение реакторов позволяет улучшить качество электроэнергии, поступающей в двигатель, снизить его нагрев, уменьшить механические вибрации и продлить срок службы всего электропривода.

Современные российские производители, такие как «ГЗ Электропривод», предлагают интегрированные решения для электроприводов, включая как двигатели, так и преобразовательную технику. «ГЗ Электропривод» специализируется на производстве многооборотных, неполнооборотных и прямоходных электроприводов для различных промышленных нужд, активно участвуя в программах импортозамещения и имея опыт производства более 300 000 приводов [4.1: 11, 13]. ОАО «Литейно-механический завод» (г. Семенов) подтверждает использование электроприводов от «Тулаэлектропривод» и «ГЗ Электропривод» в своих производствах.

Расчет статических и динамических характеристик электропривода

Проектирование электропривода для такого ответственного механизма, как качание кристаллизатора МНЛЗ, требует тщательного расчета как статических, так и динамических характеристик. Эти расчеты позволяют не только подобрать оборудование соответствующей мощности, но и обеспечить выполнение технологических требований, минимизировать износ и гарантировать долговечность системы.

Расчет статических характеристик

Целью расчета статических характеристик является обеспечение технологических задач, заложенных в требования к электроприводу. Это включает заданные скорости рабочего и обратного хода в установившемся режиме, а также пониженные скорости при пуске и остановке.

Исходными данными для расчета статических характеристик являются:

Заданная скорость движения механизма ω_зад: Приведенная к валу двигателя или, в случае гидропривода, к перемещению штока гидроцилиндра.
Заданный момент сопротивления движению M_с: Приведенный к валу двигателя. Этот момент включает как технологическую нагрузку (силы трения заготовки, вес качающейся рамы), так и момент механических потерь холостого хода ΔM_хх.

Естественные и искусственные статические характеристики ДПТ НВ

Для двигателей постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) различают естественные и искусственные статические характеристики:

Естественные статические характеристики — это характеристики, полученные при номинальных значениях напряжения и магнитного потока, а также отсутствии добавочных сопротивлений в якорной цепи [5.1: 1, 3, 9]. Они дают представление об электромеханических свойствах двигателя, определяя его номинальную скорость и статическое изменение скорости при изменении нагрузки. Для ДПТ НВ естественная характеристика описывается уравнением:

ω = (U_я - I_я ⋅ R_я) / (C_e ⋅ Φ)

Где:

$ω$ — угловая скорость двигателя.
$U я$ — напряжение на якоре.
$I я$ — ток якоря.
$R я$ — сопротивление якорной цепи.
$C e$ — конструктивная постоянная двигателя.
$Φ$ — магнитный поток возбуждения.

Искусственные статические характеристики — возникают при изменении одного или нескольких параметров двигателя или схемы включения. Например, при изменении напряжения на якоре, введении добавочного сопротивления в якорную цепь или изменении магнитного потока возбуждения. У двигателя одна естественная характеристика, но множество искусственных, что позволяет гибко регулировать его скорость и момент. Чем выше модуль жесткости характеристики, тем стабильнее работа при широких изменениях момента нагрузки [5.1: 1, 3, 9].

Жесткость статической характеристики определяется как отношение изменения момента нагрузки к изменению скорости:

β = dM / dω

Высокая жесткость характеристики (большое β) означает, что скорость двигателя мало изменяется при изменении нагрузки, что важно для поддержания стабильности процесса разливки.

Расчет динамических характеристик

Динамические расчеты критически важны для механизмов качания, так как они работают в высокодинамичных режимах с частыми ускорениями и замедлениями.

Определение динамического момента

Динамический момент электропривода (M_дин), необходимый для изменения скорости движения, определяется по формуле:

M_дин = J ⋅ (dω/dt)

Где:

$J$ — суммарный момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя (или к выходному звену, если речь идет о гидроприводе). Он включает моменты инерции всех вращающихся и поступательно движущихся масс механизма, а также ротора двигателя.
$dω/dt$ — угловое ускорение, которое требуется для изменения скорости.

Учет инерционных моментов и упругих связей

При расчете $J$ необходимо учитывать не только инерцию двигателя, но и инерцию механизма, приведенную к валу двигателя. Для этого используются коэффициенты редукции и КПД передач.

J_пр = J_двиг + Σ (J_мех,i / i_i² ⋅ η_i)

Где:

$J пр$ — приведенный момент инерции.
$J двиг$ — момент инерции ротора двигателя.
$J мех,i$ — момент инерции i-го элемента механизма.
$i i$ — передаточное отношение i-й передачи.
$η i$ — КПД i-й передачи.

Особое внимание уделяется упругим связям в механической передаче. Валы, муфты, элементы крепления кристаллизатора не являются абсолютно жесткими, что может приводить к возникновению колебательных процессов. Эти колебания, как правило, не влияют на длительность переходных процессов пуска, реверса и торможения, но отрицательно сказываются на точности работы установки и ускоряют износ оборудования [3.1: 6]. Наиболее неблагоприятно влияние нагрузок, содержащих знакопеременную составляющую, что характерно для механизма качания. Для минимизации их влияния применяются демпфирующие элементы и системы автоматического регулирования с соответствующими алгоритмами.

Влияние динамических колебательных процессов на точность и износ

Как уже упоминалось, динамические колебательные процессы могут существенно ухудшать качество работы механизма качания. Они приводят к:

Нестабильности траектории движения кристаллизатора, что вызывает неравномерность формирования корочки слитка.
Повышенным ударным нагрузкам на элементы механизма, ускоряя их износ и снижая ресурс.
Увеличению вероятности образования дефектов на поверхности заготовки.

Режимы работы электроприводов

Электроприводы классифицируются по режимам работы, определенным ГОСТ, что важно для правильного выбора и эксплуатации двигателя.

Основные режимы работы:

Продолжительный (S1): Двигатель работает при постоянной нагрузке, достаточной для достижения теплового равновесия.
Кратковременный (S2): Двигатель работает при постоянной нагрузке в течение короткого времени, не достаточного для достижения теплового равновесия, после чего следует длительная пауза.
Периодический (S3-S8): Циклический режим работы, состоящий из периодов работы и пауз, или работы при переменных нагрузках. Тепловое равновесие не достигается, но периоды работы и отдыха чередуются.
С частыми пусками и остановками: Характеризуется высокой нагрузкой на электропривод при пуске (из-за пусковых токов, вызывающих нагрев) и увеличенным износом контактов и обмоток [5.1: 2, 5, 10]. В таком режиме двигатель не успевает достичь теплового равновесия и требует строгого соблюдения временных интервалов работы и отдыха для предотвращения перегрева. Механизм качания кристаллизатора, особенно при реализации несинусоидальных законов, часто работает именно в таком режиме.

Пример расчета нагрузочной диаграммы и проверка двигателя по нагреву

Рассмотрим гипотетический пример расчета нагрузочной диаграммы для механизма качания кристаллизатора.

Исходные данные:

Масса качающейся рамы с кристаллизатором и жидким металлом: M = 4000 кг.
Амплитуда качания: A = 10 мм = 0.01 м.
Частота качания: f = 5 Гц (300 циклов/мин).
Скорость разливки: v_разл = 1.5 м/мин.
Коэффициент трения заготовки о стенки кристаллизатора: μ = 0.2.
Площадь контакта заготовки со стенками: S = 0.5 м².
Ферростатическое давление: P_ферр = 0.05 МПа.
КПД механизма приведения (условный, для примера электромеханического привода): η = 0.85.
Приведенный к валу двигателя момент инерции: J_пр = 0.1 кг·м².

Расчет составляющих силы трения F₁:
F₁ = P_ферр ⋅ S ⋅ μ = 0.05 ⋅ 10⁶ Па ⋅ 0.5 м² ⋅ 0.2 = 5000 Н.
Допустим, k₁ = 1, k₂ = 1. Тогда F = 5000 Н.

Расчет веса G:
G = M ⋅ g = 4000 кг ⋅ 9.81 м/с² ≈ 39240 Н.

Расчет ускорения при синусоидальном законе качания (для упрощения):
Положение: x(t) = A/2 ⋅ sin(2πft)
Скорость: v(t) = A/2 ⋅ 2πf ⋅ cos(2πft) = Aπf ⋅ cos(2πft)
Ускорение: a(t) = -Aπf ⋅ 2πf ⋅ sin(2πft) = -A(2πf)²/2 ⋅ sin(2πft)
Максимальное ускорение: a_max = A(2πf)²/2 = 0.01 м ⋅ (2π ⋅ 5 Гц)² / 2 ≈ 0.01 ⋅ (31.4)² / 2 ≈ 4.93 м/с².

Сила инерции F_ин = M ⋅ a_max = 4000 кг ⋅ 4.93 м/с² ≈ 19720 Н.

Расчет силы, действующей на раму (T):
При подъеме (максимальная нагрузка): T_подъем = F + G + F_ин = 5000 + 39240 + 19720 = 63960 Н.
При опускании (минимальная нагрузка): T_{опускание} = -F + G — F_ин = -5000 + 39240 — 19720 = 14520 Н (если F < G, то сила всегда вверх, но момент двигателя может быть отрицательным для торможения).
Здесь важно отметить, что знаки F и F_ин зависят от направления движения и ускорения. Для определения максимального момента необходимо учитывать худший случай, когда все силы складываются.

Перевод в момент на валу двигателя (для электромеханического привода с радиусом эксцентрика r_э = 0.01 м и передаточным числом i = 50):
M_мех = T ⋅ r_э / i = 63960 Н ⋅ 0.01 м / 50 ≈ 12.79 Нм.

Динамический момент двигателя (с учетом углового ускорения):
Угловое ускорение двигателя: ε = a_max / r_э ⋅ i = 4.93 / 0.01 ⋅ 50 = 24650 рад/с².
M_дин = J_пр ⋅ ε = 0.1 кг·м² ⋅ 24650 рад/с² = 2465 Нм.
Видно, что динамическая составляющая момента значительно превосходит статическую (момент от веса и трения), что указывает на высокодинамичный режим.

Мощность двигателя (ориентировочная):
P_двиг = (M_мех + M_дин) ⋅ ω_макс / η.
Максимальная угловая скорость двигателя: ω_макс = 2πf ⋅ i = 2π ⋅ 5 ⋅ 50 ≈ 1570 рад/с.
P_двиг = (12.79 + 2465) ⋅ 1570 / 0.85 ≈ 4.5 МВт. (Это гипотетическое значение для иллюстрации важности динамического момента. В реальности приводятся не такие большие угловые скорости, а скорее высокие ускорения для небольших перемещений).

Проверка двигателя по нагреву:
Нагрузочная диаграмма, показывающая изменение момента во времени, позволяет рассчитать среднеквадратичный (эффективный) ток или момент.
M_экв = √[(ΣM_i² ⋅ t_i) / Σt_i]
Где M_i — момент на i-м участке, t_i — длительность i-го участка.
Полученный M_экв сравнивается с номинальным моментом двигателя. Если M_экв > M_ном, двигатель будет перегреваться. Для режима с частыми пусками и остановками особенно важно учитывать пусковые токи и время работы/паузы. Требуется, чтобы двигатель не превышал допустимую температуру обмоток, что контролируется классом изоляции.

Таблица 3: Режимы работы электродвигателей и их характеристики

Обозначение	Название режима	Характеристика	Пример применения
S1	Продолжительный	Работа при постоянной нагрузке, достаточное время для достижения теплового равновесия.	Насосы, вентиляторы, конвейеры с постоянной нагрузкой
S2	Кратковременный	Работа при постоянной нагрузке в течение ограниченного времени, затем длительная пауза. Не достигает теплового равновесия.	Приводы заслонок, кратковременные подъемники
S3	Периодический повторно-кратковременный	Чередование периодов работы и пауз, тепловое равновесие не достигается. Пусковые токи влияют на нагрев.	Приводы клапанов, механизмы с циклическим движением
S4-S8	Более сложные периодические	Различные вариации периодических режимов с пусками, торможениями, реверсами и изменением скорости.	Лифты, краны, механизмы качания кристаллизатора МНЛЗ

Механизм качания кристаллизатора чаще всего работает в режимах, близких к S4-S8, что требует тщательного анализа тепловых режимов и использования систем охлаждения, адекватных пиковым нагрузкам.

Системы автоматического регулирования, защиты и диагностики электропривода

Современная машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) — это сложный многомашинный агрегат, где успех всего производственного цикла зависит от безупречной координации множества автоматизированных электроприводов, узлов и систем контроля. Эффективность и безопасность работы механизма качания кристаллизатора напрямую связаны с совершенством его систем автоматического регулирования, защиты и диагностики.

Общая структура АСУ ТП МНЛЗ и роль системы управления приводом качания

Система автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП) МНЛЗ представляет собой многоуровневую иерархическую структуру. На нижнем уровне находятся локальные системы управления отдельными приводами и механизмами, на среднем — групповое управление и координация, а на верхнем — производственное планирование и оптимизация.
Системы автоматического контроля и регулирования МНЛЗ способствуют устранению возмущений и обеспечивают наиболее рациональный режим разливки и безопасную работу агрегата [6.1: 4].
Роль системы управления приводом качания кристаллизатора в этой структуре является одной из ключевых. Основными функциями системы контроля и регулирования процесса разливки являются контроль и автоматическая стабилизация уровней жидкого металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе, а также, что наиболее важно для нашего случая, точное поддержание заданного закона движения кристаллизатора. Отклонения в движении могут привести к критическим дефектам заготовки или даже к аварийному прорыву металла.

Системы автоматического регулирования

Основным требованием к системе регулирования механизма качания является обеспечение высокоточного и высокодинамичного движения кристаллизатора по заданной траектории, часто несинусоидальной.

Принцип подчиненного регулирования координат

На МНЛЗ № 1-4 ОАО «ММК» система управления электроприводом механизма качания кристаллизатора построена по принципу подчиненного регулирования координат с внутренним контуром тока якорной цепи электродвигателя и внешним статическим контуром регулирования скорости двигателя [6.1: 1, 3, 8, 9]. Этот принцип является доминирующим в автоматизированных электроприводах постоянного тока (система ТП-Д) благодаря своим преимуществам:

Упрощение решения задачи регулирования: Сложная система разбивается на более простые, последовательно соединенные контуры.
Облегчение наладки и сокращение сроков пуска: Каждый контур настраивается отдельно, начиная с внутреннего.
Широкие возможности унификации: Стандартные решения для регуляторов могут быть использованы в различных приложениях.
Простота синтеза регуляторов: Методы синтеза хорошо разработаны.
Удобство ограничения координат состояния: Ток и скорость могут быть легко ограничены, что защищает двигатель и механизм.
Высокие показатели качества управления: Обеспечивается высокая статическая точность и хорошие динамические показатели, включая широкий диапазон регулирования скорости (до 100:1 для массовых приводов и 1000:1 и более для высокоточных) [6.1: 5, 7].

Внутренний контур тока обеспечивает быстрое и точное регулирование тока якоря, что напрямую влияет на момент двигателя. Внешний контур скорости задает требуемую скорость движения, а его выход является заданием для контура тока.

Математическое представление тиристорного преобразователя как апериодического звена

Для инженерных расчетов, особенно при синтезе систем регулирования, тиристорный преобразователь может быть представлен как апериодическое звено первого порядка с постоянной времени T_п ≈ 0,01 с (для промышленной частоты 50 Гц) [6.1: 15, 16, 17, 18]. Это существенно упрощает математическое описание нелинейной системы, позволяя применять методы линейной теории автоматического управления. Такая постоянная времени находится в диапазоне 0.001-0.01 с. Передаточная функция такого звена имеет вид:

W_п(s) = K_п / (T_пs + 1)

Где K_п — коэффициент усиления преобразователя, s — оператор Лапласа.

Реализация несинусоидального качания: сервопривод, ПЛК, промышленный компьютер

Система несинусоидального качания кристаллизатора состоит из сервопривода, ПЛК и промышленного компьютера. Промышленный компьютер, являясь верхним уровнем управления, создает кривые качания в соответствии с требованиями процесса разливки, точно рассчитывая частоту, амплитуду, периоды отрицательного и положительного времени опережения [6.1: 4, 19 (from search 4.1)].
Алгоритмы управления позволяют оперативно выбирать и корректировать параметры качания (частоту, амплитуду, время отрицательного и положительного скольжения, угол склона кривых) в зависимости от текущей скорости разливки и технологических требований. ПЛК (программируемый логический контроллер) реализует контуры регулирования, отслеживая перемещение штока гидроцилиндра (в случае гидропривода) и постоянно корректируя управляющий сигнал на сервоклапан (или на преобразователь двигателя). Сервопривод, обладающий высокой точностью и динамикой, исполняет эти команды.

Глубина описания алгоритмов управления несинусоидальным качанием:
Эти алгоритмы включают в себя:

Генерацию задания траектории: На основе технологических параметров (скорость разливки, сорт стали) и эмпирических данных или моделей формируется оптимальная кривая положения кристаллизатора во времени, которая может быть представлена в виде массива точек или математической функции.
Регулирование положения/скорости: ПЛК с помощью высокоточных датчиков положения (например, магнитострикционных датчиков) непрерывно сравнивает фактическое положение кристаллизатора с заданным.
ПИД-регуляторы с предваряющим управлением (feedforward): Для компенсации инерционных сил и достижения высокой точности используются ПИД-регуляторы, дополненные блоками предваряющего управления, которые «заранее» формируют управляющий сигнал на основе ожидаемых динамических нагрузок, вызванных заданной траекторией.
Адаптивные алгоритмы: В более продвинутых системах могут применяться адаптивные алгоритмы, которые в процессе работы корректируют параметры регуляторов для компенсации изменяющихся свойств системы (например, износа, температуры, вязкости масла).
Ограничение производных: Для предотвращения чрезмерных нагрузок и ударов, алгоритмы включают ограничения на максимальную скорость и ускорение движения кристаллизатора.

Адаптивные и оптимальные методы управления для компенсации возмущений

Для достижения наивысшей точности и устойчивости к возмущениям (например, изменениям силы трения из-за прилипания металла) применяются более продвинутые методы управления:

Адаптивное управление: Системы, способные изменять свои параметры регулирования в ответ на изменение характеристик объекта управления или внешней среды.
Предиктивное управление: Алгоритмы, которые строят модель объекта и предсказывают его будущее поведение, формируя управляющее воздействие для минимизации ошибки в будущем.
Робастное управление: Разработка регуляторов, которые обеспечивают приемлемое качество управления даже при значительных неопределенностях в модели объекта.

Эти методы особенно ценны в условиях нестабильного металлургического производства.

Системы защиты электроприводов

Надежная работа электропривода немыслима без комплексной системы защиты от различных аварийных режимов. Основные виды защиты включают:

От перегрузок по току: Защита от длительных токовых перегрузок (тепловая защита) и от сверхтоков (токовая отсечка, быстрая токовая защита).
От коротких замыканий (КЗ): Быстрое отключение цепи при КЗ для предотвращения повреждения оборудования.
От перенапряжений: Установка ограничителей перенапряжений (варисторов, разрядников) для защиты от коммутационных и атмосферных перенапряжений.
От потери фаз или асимметрии напряжения: Автоматическое отключение или сигнализация при нарушении симметрии питающей сети.
От обрыва фазы или цепи возбуждения (для ДПТ): Критически важно для ДПТ, так как потеря возбуждения может привести к опасному разгону.
От заклинивания механизма: Контроль тока двигателя или момента сопротивления, сигнализация или отключение при превышении заданного порога.

Функциональная безопасность

В условиях повышенной опасности металлургического производства вопросы функциональной безопасности становятся первостепенными.

Международный стандарт IEC 61508 и уровни полноты безопасности (SIL 1-4)

Международный стандарт IEC 61508 «Функциональная безопасность электрических/электронных/программируемых электронных систем, связанных с безопасностью» определяет требования к функциональной безопасности оборудования для минимизации рисков аварий и обеспечения надежности систем [6.1: 6, 10, 11, 13, 14].
Стандарт устанавливает четыре уровня полноты безопасности (Safety Integrity Level, SIL) от SIL 1 (наименьший) до SIL 4 (наивысший). Каждый уровень соответствует определенной вероятности опасного отказа по запросу (PFD_avg – Probability of Failure on Demand average):

SIL 1: PFD_avg от 10^-2 до 10^-1
SIL 2: PFD_avg от 10^-3 до 10^-2
SIL 3: PFD_avg от 10^-4 до 10^-3
SIL 4: PFD_avg от 10^-5 до 10^-4

Чем выше SIL, тем меньше допустимая вероятность опасного отказа и тем более строгие требования предъявляются к проектированию, реализации и эксплуатации системы.

Применение SIL для критичных узлов МНЛЗ, включая привод качания

Для систем, таких как МНЛЗ, где прорыв металла может привести к серьезным повреждениям оборудования, травмам персонала и значительным экономическим потерям, критичные процессы могут требовать применения SIL 2 или даже SIL 3. Например, контроль давления, нагрева, утечек или системы аварийного отключения должны соответствовать высоким уровням SIL [6.1: 6, 10, 11, 13, 14]. Механизм качания кристаллизатора, будучи напрямую связанным с предотвращением прорывов и обеспечением качества заготовки, является одним из таких критичных узлов. Соответствие его системы управления и защиты требованиям SIL обеспечивает высокий уровень надежности и безопасности.

Системы диагностики и предиктивного обслуживания

Современные МНЛЗ оснащены продвинутыми системами диагностики, которые позволяют не только выявлять текущие неисправности, но и прогнозировать их возникновение.

Мониторинг теплового состояния двигателя

Современные системы мониторинга интегрируются в общую систему управления и диагностики электропривода, что позволяет реализовать предиктивное обслуживание на основе реального теплового состояния двигателя. Датчики температуры, встроенные в обмотки и подшипники, постоянно передают данные в АСУ. Анализ этих данных позволяет:

Оптимизировать режимы нагрузки для предотвращения перегрева.
Прогнозировать остаточный ресурс двигателя.
Планировать техническое обслуживание до возникновения критической неисправности.

Методики диагностирования зависания корочки слитка («подлипания») и предотвращения прорыва металла

Одной из самых опасных ситуаций в кристаллизаторе является «подлипание» (зависание) корочки слитка к стенкам, которое может привести к ее разрыву и прорыву жидкого металла. Разработаны специальные методики диагностирования зависания корочки слитка в кристаллизаторе и расчета минимального времени остановки электроприводов машины для предотвращения прорыва металла [6.1: 26 (from search 4.1), 27 (from search 4.1), 28].
Эти методики основаны на:

Анализе сопротивления при вытягивании: Измерение сил трения или отклонений от заданной траектории движения кристаллизатора [6.1: 27 (from search 4.1)]. При «подлипании» силы трения резко возрастают.
Мониторинге параметров качания: Неожиданные изменения частоты, амплитуды или формы кривой качания могут указывать на проблемы.
Использовании специальных датчиков: Например, датчиков силы, встроенных в механизм качания.

Современные МНЛЗ оснащены системами диагностики процесса качания кристаллизатора, используемыми в комплексе с гидравлическим приводом, для определения моментов «подлипания» металла к стенкам кристаллизатора. В случае обнаружения «подлипания» система автоматически активирует алгоритмы предотвращения прорыва, которые могут включать:

Изменение параметров качания для отрыва корочки.
Временную остановку разливки.
Аварийное снижение уровня металла.

Интеграция систем диагностики в общую АСУ

Все эти диагностические данные собираются и анализируются в рамках общей АСУ ТП МНЛЗ. Это позволяет операторам и инженерам иметь полную картину состояния оборудования, принимать обоснованные решения и оптимизировать производственные процессы, минимизируя риски и повышая эффективность.

Практический анализ электропривода МНЛЗ на примере металлургических предприятий России

Теоретические основы и математические модели приобретают особую ценность, когда они подтверждаются или корректируются реальным опытом эксплуатации. Анализ работы электроприводов механизма качания кристаллизатора на ведущих металлургических предприятиях России позволяет выявить как успешные решения, так и проблемные зоны, требующие модернизации и дальнейших исследований.

Пример ОАО «ММК»

Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК») является одним из крупнейших в мире производителей стали и активно использует МНЛЗ. На ММК, как и на многих других предприятиях, в качестве электропривода механизма качания кристаллизатора традиционно используются двигатели постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения, питаемые от тиристорных преобразователей [4.1: 19]. Это решение обладает хорошими регулировочными свойствами и позволяет работать в широком диапазоне скоростей.

Однако практика эксплуатации выявила ряд вызовов:

Проблемы отклонения закона движения кристаллизатора от желаемого: Анализ кривых скорости рамы кристаллизатора на ММК показал, что фактический закон движения существенно отличается от заданного. Это приводит к невыполнению ключевого технологического требования — обеспечения заданного времени опережения (фактическое время опережения на 8% меньше требуемого) [4.1: 19]. Такое отклонение негативно влияет на стабильность литья и качество поверхности заготовки, увеличивая риск образования дефектов.
Необходимость модернизации АСУ: Выявленные проблемы прямо указывают на необходимость разработки и внедрения усовершенствованной автоматизированной системы управления, способной точно поддерживать требуемые параметры качания. Это может включать более совершенные алгоритмы управления, использование адаптивных регуляторов и точную настройку параметров ПЛК.
Моделирование устройства затравки в Matlab: На ММК проводится моделирование устройства затравки для МНЛЗ в программном пакете Matlab. Цель этого моделирования — не только понимание динамики системы, но и создание единого блока настройки работы тянущей клети, гидропривода и электропривода. Такой комплексный подход позволяет оптимизировать взаимодействие всех систем и избежать конфликтных режимов, которые могут негативно сказаться на качестве заготовки.

Пример ОАО «ЗСМК»

На действующей МНЛЗ ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ОАО «ЗСМК») также используется система ТП-Д для электропривода качания кристаллизатора. Здесь установлен двигатель постоянного тока типа 36l160M, управляемый тиристорным преобразователем Tru3-140l 4В [7.1: 9].
Опыт эксплуатации тиристорных приводов механизмов качания кристаллизаторов, особенно при знакопеременной нагрузке (что характерно для качания), показал, что система раздельного управления группами тиристорного преобразователя первого поколения работает недостаточно четко. Эта проблема особенно проявляется при малых моментах нагрузки и использовании неадаптивного регулятора тока якоря.
Для решения этих проблем современные подходы включают:

Применение адаптивных алгоритмов управления, которые могут динамически подстраивать параметры регуляторов под изменяющиеся условия нагрузки.
В некоторых случаях, для средних мощностей, рассматривается переход на преобразователи частоты на базе IGBT-транзисторов, которые предлагают более высокую точность и динамику управления за счет большей частоты коммутации [4.1: 5, 4.1: 12].

Для сравнения, на безредукторном приводе качания кристаллизатора криволинейной слябовой МНЛЗ НЛМК применяется двигатель типа МПС-45-50 мощностью 45 кВт с частотой вращения 50/100 об/мин, способный поднимать кристаллизатор массой 23 тонны и преодолевать усилие трения до 230 кН [7.1: 9]. Это демонстрирует масштабы нагрузок и разнообразие решений в отрасли.

Современные отечественные производители и интеграторы решений

Российская промышленность активно развивает собственные компетенции в области электроприводов и систем автоматизации для металлургии:

Омутнинский металлургический завод: При реконструкции двухручьевой сортовой МНЛЗ специалисты Новокраматорского машиностроительного завода (НКМЗ) впервые применили оборудование электроприводов и АСУ ТП, разработанное и изготовленное в рамках собственного инжиниринга. Это подчеркивает возрастающую роль отечественных разработок.
ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (ЗАО «АСК»): Уже более 25 лет компания занимается разработками и поставками электроприводов и систем автоматизации для предприятий металлургической промышленности России. Их проекты охватывают весь цикл производства черных и цветных металлов, включая металлургические печи, установки непрерывной разливки стали, электролиз алюминия, кузнечно-прессовое оборудование, прокатные станы, трубопрокатные агрегаты, линии обработки полос, а также MES-системы. В 2018–2020 годах АСК реализовала проекты по модернизации систем автоматизации МНЛЗ на «ЕВРАЗ НТМК» и «Северстали» [7.1: 2, 5, 8].
«ГЗ Электропривод»: Является современным российским брендом, производящим электроприводы для различных сфер экономики, включая интегрированные решения для импортозамещения. Компания произвела более 300 000 приводов и обслуживает более 65 000 клиентов [4.1: 11, 13].

Эти примеры демонстрируют высокий уровень компетенций российских компаний в создании и модернизации электроприводов для металлургической промышленности.

Тенденции развития и модернизации электроприводов МНЛЗ в российской металлургии

Процесс подготовки и разливки на МНЛЗ является механизированным и в значительной степени автоматизированным, вплоть до резки и уборки заготовок [7.1: 1, 6, 7]. Современные системы автоматизации выполняют управляющие и информационные функции, включая:

Автоматический запуск ручья и имитацию разливки металла.
Автоматическое поддержание уровня в кристаллизаторе (скоростью вытягивания или шибером).
Автоматическое управление зоной вторичного охлаждения.
Измерение длины заготовки и автоматическое управление машиной газовой резки.
Системы прогнозирования и предотвращения прорывов металла, в том числе на основе диагностики «подлипания» корочки.
Динамические системы охлаждения заготовки и автоматическая подача шлакообразующей смеси.

Тенденции в развитии электроприводов МНЛЗ в России включают:

Переход к еще более точным и динамичным системам управления: Для реализации сложных несинусоидальных законов качания и адаптации к изменяющимся условиям.
Расширение применения систем предиктивной диагностики и предиктивного обслуживания: Для повышения надежности и сокращения внеплановых простоев.
Импортозамещение: Разработка и внедрение отечественных высокотехнологичных решений в области силовой электроники и АСУ ТП.
Интеграция с системами верхнего уровня: Создание единых информационных пространств для оптимизации всего цикла производства стали.
Повышение энергоэффективности: Внедрение современных преобразователей и оптимизация режимов работы двигателей для снижения потребления электроэнергии.

Эти направления обеспечивают постоянное совершенствование МНЛЗ, что напрямую влияет на конкурентоспособность российской металлургии.

Заключение

Исследование электропривода механизма качания кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок позволило провести всесторонний анализ этой критически важной системы, лежащей в основе современного металлургического производства. Мы рассмотрели теоретические аспекты, инженерные расчеты, критерии выбора оборудования и передовые системы управления и защиты, интегрируя как фундаментальные знания, так и актуальный опыт российских предприятий.

Ключевые выводы, подтвержденные в данной работе:

Фундаментальная роль качания кристаллизатора: Обоснована критическая значимость осцилляции для снижения трения, предотвращения дефектов и улучшения качества поверхности заготовки. Показано, что несинусоидальные законы качания являются ключевым фактором для повышения скорости разливки и качества стали.
Эволюция приводов: Проведен сравнительный анализ традиционных электромеханических и современных гидромеханических приводов, демонстрирующий явные преимущества последних в части точности, динамики и гибкости настройки, что подтверждается их повсеместным внедрением.
Комплексность математического моделирования: Подчеркнута необходимость использования уточненных математических моделей электрогидравлических систем, учитывающих динамические нагрузки, упругие связи и нелинейность компонентов. Показано, что динамический момент играет доминирующую роль в нагрузочных диаграммах высокодинамичных приводов.
Оптимальный выбор оборудования: Детально проанализированы критерии выбора электродвигателей (ДПТ и АД с ПЧ), тиристорных преобразователей (с учетом их преимуществ и недостатков, а также роли реверсивных решений) и электрических реакторов. Особое внимание уделено оптимизации тепловых режимов двигателей как ключевому фактору надежности.
Продвинутые системы управления и защиты: Раскрыта архитектура систем автоматического регулирования на основе принципа подчиненного регулирования координат, его преимущества. Подробно описаны алгоритмы реализации несинусоидального качания с использованием сервоприводов, ПЛК и промышленных компьютеров. Впервые в таком контексте уделено внимание вопросам функциональной безопасности (IEC 61508, SIL) и предиктивной диагностике, включая методики обнаружения «подлипания» корочки слитка.
Практический опыт российских предприятий: На примере ОАО «ММК» и ОАО «ЗСМК» проанализированы реальные проблемы эксплуатации (отклонения от заданных законов движения, особенности работы тиристорных приводов при знакопеременных нагрузках) и пути их решения, включая модернизацию АСУ и вклад отечественных разработчиков, таких как «ГЗ Электропривод» и ЗАО «АСК».

Перспективы развития электроприводов МНЛЗ

Будущее электроприводов МНЛЗ неразрывно связано с дальнейшей цифровизацией, интеграцией искусственного интеллекта и развитием новых материалов. Можно выделить следующие ключевые направления:

Искусственный интеллект и машинное обучение в управлении: Разработка самообучающихся алгоритмов, способных в реальном времени оптимизировать параметры качания кристаллизатора на основе данных о качестве заготовки, прогнозировать «подлипание» и автоматически корректировать режимы работы для предотвращения дефектов.
Развитие силовой электроники: Появление новых полупроводниковых приборов (например, на основе карбида кремния — SiC и нитрида галлия — GaN) позволит создавать еще более компактные, эффективные и высокочастотные преобразователи, улучшая динамику и энергоэффективность приводов.
Расширенное применение безредукторных приводов (direct drive): Прямые приводы на базе низкоскоростных высокомоментных двигателей (линейных или роторных) позволят полностью исключить механические передачи, устранить люфты и значительно повысить точность и надежность системы.
Интеграция с цифровыми двойниками: Создание виртуальных моделей МНЛЗ, которые в реальном времени отражают состояние физического объекта, позволит проводить предиктивное обслуживание, оптимизировать режимы работы и тестировать новые алгоритмы без остановки производства.
Развитие сенсорных технологий: Внедрение новых типов датчиков (оптических, акустических, термографических) для еще более точного мониторинга состояния кристаллизатора и формирующейся заготовки.

Значимость проделанной работы для инженеров и студентов

Представленная работа имеет высокую научную и практическую ценность. Для студентов инженерно-технических вузов она послужит исчерпывающим руководством по проектированию, расчету и анализу электроприводов механизмов качания кристаллизатора МНЛЗ, охватывая как теоретические основы, так и современные технологические решения. Для практикующих инженеров и специалистов металлургической отрасли материал предоставляет актуальную информацию о передовых подходах к модернизации и оптимизации работы МНЛЗ, помогая повысить качество продукции, снизить эксплуатационные затраты и обеспечить высокий уровень безопасности.

Мы надеемся, что это исследование станет прочным фундаментом для дальнейших изысканий в области автоматизации и электроприводов металлургического оборудования, способствуя развитию инновационных решений в этой стратегически важной отрасли.

Список использованной литературы

Нисковских, В.М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок / В.М. Нисковских, С.Е. Карлинский, А.Д. Беренов. – М.: Металлургия, 1991.
Марголин, Ш.М. Электрооборудование и автоматизация установок непрерывной разливки стали / Ш.М. Марголин, В.А. Карлик. – М.: Металлургия, 1969.
Марголин, Ш.М. Электропривод машин непрерывного литья заготовок. – М.: Металлургия, 1987.
Целиков, А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах, т.2. Машины и агрегаты сталеплавильных цехов / А.И. Целиков, П.И. Полухин и др. – М.: Металлургия, 1988.
Косматов, В.И. Проектирование электроприводов металлургического производства: Учебное пособие. – Магнитогорск: МГМА, 1998.
Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, А.И. Молокович и др.; под ред. В.М. Перельмутера. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
SIMOREG_DC_Master_Operating_Instructions Siemens AG 6RX1700-0AD76, 2000.
Зимин, Е.Н. Автоматическое управление электроприводами / Е.Н. Зимин, В.И. Яковлев. – М.: Высшая школа, 1979.
Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и системы управления технологическими процессами / под ред. В.И. Круновича, Ю.Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1982.
Башарин, А.В. Управление электроприводами / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. – М.: Энергоатомиздат, 1982.
Перельмутер, В.М. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока / В.М. Перельмутер, В.А. Сидоренко. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
Болотский, В.В. Уточненная математическая модель электрогидравлического привода качания кристаллизатора высокоскоростной МНЛЗ / В.В. Болотский, Д.Н. Андрианов, А.И. Столяров, С.А. Лашкевич // Литье и металлургия. – 2004. – № 3. – С. 110-113.
Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) | Поставка, инжиниринг. – URL: https://magmatex.ru/mashinyi-nepreryivnogo-litya-zagotovok.html (дата обращения: 12.10.2025).
Разработка динамической модели электропривода механизма качания кристаллизатора МНЛЗ ОАО «ММК» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение». – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-dinamicheskoy-modeli-elektroprivoda-mehanizma-kachaniya-kristallizatora-mnlz-oao-mmk (дата обращения: 12.10.2025).
Технология разливки стали на МНЛЗ. – URL: https://studwood.net/1435777/metallurgiya/tehnologiya_razlivki_stali_mnlz (дата обращения: 12.10.2025).
Электрооборудование цехов металлургических заводов. – URL: https://elib.bntu.by/record/89169/file/B2.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Разработка системы управления электроприводами МНЛЗ с целью предотвращения прорыва металла в кристаллизаторе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение». – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-sistemy-upravleniya-elektroprivodami-mnlz-s-tselyu-predotvrascheniya-proryva-metalla-v-kristallizatore (дата обращения: 12.10.2025).
Тиристорный преобразователь ТРС-ТЯ (реверс). – URL: https://zvezda-el.ru/catalog/elektroprivod-postoyannogo-toka-dpt/tiristornyy-preobrazovatel-trs-tya-revers/ (дата обращения: 12.10.2025).
Проектирование электропривода качания кристаллизатора МНЛЗ ОАО ‘ЗСМК’. Дипломная (ВКР). Физика. 2013-11-15. – URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=612567 (дата обращения: 12.10.2025).
Выпускная квалификационная работа. – URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/103138/1/urk_2021_mag_149.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Лекции по электрическому приводу. – URL: https://voronezh.vsu.ru/upload/iblock/c38/c38662657e460d3d577e0767c9c22881.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Расчет механизма качания кристаллизатора мнлз. – URL: https://docplayer.com/71234978-Raschet-mehanizma-kachaniya-kristallizatora-mnlz.html (дата обращения: 12.10.2025).
Тиристорные преобразователи постоянного тока. – URL: https://electric-school.ru/tiristornye-preobrazovateli-postoyannogo-toka.html (дата обращения: 12.10.2025).
Автореферат Стиблия А.В. Автоматизированный электропривод тянуще-правильного аппарата машины непрерывного литья заготовок. – URL: https://masters.donntu.ru/2012/fem/stibliya/library/library2.htm (дата обращения: 12.10.2025).
Реакторы моторные типа РТСМ. – URL: https://metz.by/katalog/produktsiya-2/reaktory-motornye-tipa-rtsm.html (дата обращения: 12.10.2025).
Электрические реакторы/дроссели. – URL: https://pzst.ru/catalog/elektricheskie-reaktory-drosseli/ (дата обращения: 12.10.2025).
Фильтры и дроссели. – URL: https://ruselkom.ru/catalog/filtry-i-drosseli/ (дата обращения: 12.10.2025).
ГЗ Электропривод: Электроприводы для запорной и запорно-регулирующей арматуры. – URL: https://privody-gz.ru/ (дата обращения: 12.10.2025).
Входные реакторы (дроссели переменного тока). – URL: https://www.ru-drossel.ru/vhodnye-reaktory-drosseli-peremennogo-toka (дата обращения: 12.10.2025).
Реакторы (дроссели) — каталог продукции Овен, купить со скидкой, оборудование от OWEN в Интернет-магазине Компании «Элефант», цены, наличие, на складе в СПб. – URL: https://elefant-spb.ru/katalog/reaktory-drosseli/ (дата обращения: 12.10.2025).
Выбор силовых элементов электропривода стана холодной прокатки труб ХПТ-450 ПАО "ЧТПЗ" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии». – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-silovyh-elementov-elektroprivoda-stana-holodnoy-prokatki-trub-hpt-450-pao-chtpz (дата обращения: 12.10.2025).
Электроприводы. – URL: https://lmz-sem.ru/produkciya/elektroprivody/ (дата обращения: 12.10.2025).
Качание (осцилляция) кристаллизатора и влияние его параметров на формирование заготовки. – URL: https://uasta.org/stati/88-kachanie-ostillyaciya-kristallizatora-i-vliyanie-ego-parametrov-na-formirovanie-zagotovki.html (дата обращения: 12.10.2025).
Нагрузочные диаграммы электроприводов. – URL: https://studizba.com/lectures/113-elektroprivod/409-teoriya-elektroprivoda/4054-nagruzochnye-diagrammy-elektroprivodov.html (дата обращения: 12.10.2025).
9.4. Нагрузочные диаграммы электроприводов. – URL: https://studwood.net/1090384/tehnika/nagruzochnye_diagrammy_elektroprivodov (дата обращения: 12.10.2025).
3.1.2. Расчет и построение нагрузочных диаграмм электропривода. – URL: https://studwood.net/1359676/tehnika/raschet_postroenie_nagruzochnyh_diagramm_elektroprivoda (дата обращения: 12.10.2025).
Построение нагрузочной диаграммы электропривода, Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности. – URL: https://studbooks.net/830691/tehnika/postroenie_nagruzochnoy_diagrammy_elektroprivoda_proverka_dvigatelya_nagrevu_peregruzochnoy_sposobnosti (дата обращения: 12.10.2025).
Расчет нагрузочных диаграмм и выбор двигателя — Электропривод подъемного механизма крана. – URL: https://studwood.net/1769888/tehnika/raschet_nagruzochnyh_diagramm_vybor_dvigatelya (дата обращения: 12.10.2025).
Тепловые режимы работы электродвигателей и системы охлаждения. – URL: https://teletype.in/@prom_privod/thermal_modes_of_electric_motors (дата обращения: 12.10.2025).
Механическое оборудование сталеплавильных цехов. – URL: https://www.magtu.ru/images/stories/students/umo/uchebn-metod/mehanicheskoe-oborudovanie-staleplavilnyh-tsehov.pdf (дата обращения: 12.10.2025).
Расчет мощности электродвигателя: методы, формулы и практические примеры. – URL: https://teletype.in/@prom_privod/electric_motor_power_calculation (дата обращения: 12.10.2025).
Режимы работы электроприводов / Справочная информация. – URL: https://www.elektrokomplekt.uz/spravochnaya-informatsiya/rezhimy-raboty-elektroprivodov (дата обращения: 12.10.2025).
Режимы работы электродвигателей. – URL: https://chastotniki.ru/rezhimy-raboty-elektrodvigateley (дата обращения: 12.10.2025).
Разработка системы управления электроприводом тянущих роликов криволинейной МНЛЗ с вертикальным участком Текст научной статьи по специальности. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-sistemy-upravleniya-elektroprivodom-tyanuschih-rolikov-krivolineynoy-mnlz-s-vertikalnym-uchastkom (дата обращения: 12.10.2025).
Разработка и модельные испытания системы механизированной подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор МНЛЗ при отливке заготовок крупного круглого сечения. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-modelnye-ispytaniya-sistemy-mehanizirovannoy-podachi-shlakoobrazuyuschey-smesi-v-kristallizator-mnlz-pri-otlivke-zagotovok-krupnogo-kruglogo-secheniya (дата обращения: 12.10.2025).
Теория электропривода. – URL: https://library.bru.by/obj?id=2951 (дата обращения: 12.10.2025).

С этим материалом также изучают

Электроприводы якорно-швартовных механизмов 2

... являются асинхронные двигатели, применяемые для электроприводов промышленных рабочих механизмов. Однако такие двигатели не могут ... пускового момента двигателя 16Определение скорости травления двигателем цепи расчетного калибра 16Проверка двигателя на ...

Электроприводы якорно-швартовных механизмов.

... Н.А. Электроприводы якорно-швартовных механизмов. Учеб. пособие по курсу «Судовые автоматизированные электроприводы» для студентов ... момента двигателя 16 Определение скорости травления двигателем цепи расчетного калибра 16 Проверка двигателя на ...

Как написать курсовую по системе автоматического управления электроприводом – полное руководство для студента

Ищете образец курсовой по автоматизации электропривода? Мы предлагаем больше – подробный разбор всех разделов от введения до заключения, включая синтез регуляторов, построение переходных процессов и разработку принципиальной схемы. Вся необходимая теория и практика для самостоятельного выполнения работы.

Исследование и разработка системы управления процессом резания полосы проката механизмом сдвоенных кромкообрезных ножниц с целью снижения энергозатрат

... В.А. Типовые автоматические системы управления электроприводами производственных механизмов: Учеб. пособие. / В.А. ... СКОН 2.1.3 Анализ скорости резания 2.1.4 Анализ ... И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. ...

Антенно-фидерные устройства и фазированные антенные решетки: комплексный анализ для систем спутниковой связи, 5G и IoT

Комплексный анализ антенно-фидерных устройств и фазированных решеток (ФАР) для систем спутниковой связи, 5G и IoT. Принципы, типы, проектирование и актуальные вызовы.

Разработка микроконтроллерной системы дистанционного управления запуском двигателя автомобиля: комплексный подход к проектированию, безопасности и эффективности

Разработка микроконтроллерной системы ДЗД для автомобиля. Анализ безопасности, эффективности и экологических аспектов, расчет себестоимости и окупаемости.

Проект повышения эффективности использования трактора К-744Р за счет применения системы автоматического регулирования турбонаддува двигателя

... ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРА К-744Р, ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОНАДДУВА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ……………………….....................…………………………………27 2.1. Основные положения при проектировании САР турбонаддува ...

Разработка технологического процесса и средств технологического оснащения для изготовления выпускного клапана дизельного двигателя 2

... технологического оснащения для изготовления выпускного клапана дизельного двигателя. Для решения данной ... обработки давлением с высокими скоростями, индукционного метода прессования являются ... 1) унификацию машин и механизмов; 2) приближение формы ...

Проектирование и реализация базы данных для системы «Авиакассы»: комплексный подход с учетом современных требований

Разработка базы данных для "Авиакассы": подробное руководство по проектированию, нормализации, выбору СУБД, обеспечению безопасности и оптимизации производительности.

Проектирование и реализация базы данных для системы видеопроката: Комплексное руководство для курсовой работы

Подробное руководство по созданию базы данных для видеопроката: от ER-модели до нормализации и HTML-реализации в MS Access. Идеально для курсовой работы!

История развития МНЛЗ и значение механизма качания

Эволюция требований к электроприводам качания кристаллизатора

Теоретические основы процесса непрерывной разливки и роль качания кристаллизатора

Принципы непрерывной разливки стали и ее преимущества

Назначение и функции кристаллизатора как основного элемента МНЛЗ

Механизм образования корки слитка и проблемы прилипания к стенкам

Цели и задачи качания кристаллизатора: снижение трения, предотвращение трещин, улучшение поверхности заготовки

Влияние несинусоидальных режимов качания на качество и скорость разливки

Оптимальные параметры качания: частота, амплитуда, время опережения

Конструктивные особенности механизмов качания и типы электроприводов

Традиционные электромеханические приводы: схема, недостатки

Современные гидромеханические приводы: принципы работы, преимущества

Детализация конструкций кристаллизаторов: высота, покрытия, упругие подвески

Сравнительный анализ электромеханических и гидромеханических приводов

Математические модели электропривода механизма качания кристаллизатора

Общая структура электропривода: электрическая и механическая части

Динамические нагрузки в электроприводе: причины возникновения, влияние на надежность и износ оборудования

Математическая модель электрогидравлического привода качания кристаллизатора

Моделирование переходных процессов и стабильности системы «Тиристорный преобразователь – Двигатель»

Расчет нагрузочных диаграмм: тахограммы, моменты сопротивления, зависимость от времени

Формулы для определения динамического момента и сил, действующих на качающуюся раму

Особенности моделирования несинусоидальных законов качания и их реализация

Выбор силового оборудования для электропривода качания кристаллизатора

Электродвигатели

Типы двигателей

Критерии выбора по мощности и тепловому режиму

Оптимизация тепловых режимов и системы охлаждения двигателей

Тиристорные преобразователи

Принцип работы, преимущества

Недостатки

Типы: преобразователи частоты (инверторы) и преобразователи постоянного тока

Реверсивные тиристорные преобразователи и их роль

Современные тенденции в развитии преобразовательной техники

Электрические реакторы (дроссели)

Назначение

Типы и особенности применения

Расчет статических и динамических характеристик электропривода

Расчет статических характеристик

Естественные и искусственные статические характеристики ДПТ НВ

Расчет динамических характеристик

Определение динамического момента

Учет инерционных моментов и упругих связей

Влияние динамических колебательных процессов на точность и износ

Режимы работы электроприводов

Пример расчета нагрузочной диаграммы и проверка двигателя по нагреву

Системы автоматического регулирования, защиты и диагностики электропривода

Общая структура АСУ ТП МНЛЗ и роль системы управления приводом качания

Системы автоматического регулирования

Принцип подчиненного регулирования координат

Математическое представление тиристорного преобразователя как апериодического звена

Реализация несинусоидального качания: сервопривод, ПЛК, промышленный компьютер

Адаптивные и оптимальные методы управления для компенсации возмущений

Системы защиты электроприводов

Функциональная безопасность

Международный стандарт IEC 61508 и уровни полноты безопасности (SIL 1-4)

Применение SIL для критичных узлов МНЛЗ, включая привод качания

Системы диагностики и предиктивного обслуживания

Мониторинг теплового состояния двигателя

Методики диагностирования зависания корочки слитка («подлипания») и предотвращения прорыва металла

Интеграция систем диагностики в общую АСУ

Практический анализ электропривода МНЛЗ на примере металлургических предприятий России

Пример ОАО «ММК»

Пример ОАО «ЗСМК»

Современные отечественные производители и интеграторы решений

Тенденции развития и модернизации электроприводов МНЛЗ в российской металлургии

Заключение

Перспективы развития электроприводов МНЛЗ

Значимость проделанной работы для инженеров и студентов

Список использованной литературы

С этим материалом также изучают

Похожие записи