REKONSTRUKCE REGULOVANÝCH POHONŮ VÁLCOVACÍ LINKY TANDEM NA VŠB-TU FMMI OSTRAVA Václav Sládeček, Pavel Hlisnikovský, Petr Bernat *, Ivo Schindler **, VŠB TU Ostrava FEI, Katedra výkonové elektroniky a elektrických pohonů, Katedra elektrických strojů a přístrojů *, VŠB TU Ostrava FMMI, Katedra tváření materiálu ** Příspěvek se zabývá rekonstrukcí a modernizací regulovaných pohonů u laboratorní válcovací tratě Tandem, provozovanou na Ústavu modelovaní a řízení tvářecích procesů na FMMI VŠB-TU. V příspěvku jsou prezentovány výsledky získané při rekonstrukci hlavního duo pohonu za použití stejnosměrných měničů napětí Simoreg DC Master, které nahrazují původní měniče Forrmic, které svými parametry již nevyhovovaly požadavkům obsluhy. Uvedená rekonstrukce přispěla ke zvýšení dynamiky pohonu a zvýšení jeho spolehlivosti. 1. POPIS VÝCHOZÍHO STAVU POHONŮ VÁLCOVACÍ LINKY Válcovací trať tandem je vybavená dvěma reverzními stolicemi typu duo je určená přednostně k modelovému tváření plochých vývalků za tepla. Její předností je možnost tvářet poměrně velkými (sdruženými) úběry a značnými tvářecími rychlostmi. Spolu s ohřívacími pecemi na obou koncích tratě napodobuje mj. dvoustolicovou trať typu Steckel pro válcování pásu za tepla. Parametry: celková délka tratě včetně válečkových dopravníků 4.6 m vzdálenost os válců obou stolic 630 mm jmenovité průměry pracovních válců cca 158 mm délka těla válců 150 mm stavění horních válců dvěma elektromotory (inkrementálních snímače měří nastavení s přesností 0.01 mm) každá stolice poháněna samostatně stejnosměrným motorem (17 KW) rychlost otáčení válců plynule regulovatelná v rozsahu 1 až cca 480 ot/min Trať je ovládána z řídicího pultu nebo (častěji) pracuje automaticky za pomoci průmyslového počítače se 3 měřicími kartami a speciálního software vyvinutého pod grafickým programovacím prostředím LabVIEW. Řízení typu off-line zajišťuje stavění válců, jejich otáčení zadanou rychlostí v požadovaném směru, činnost válečkových dopravníků a případný opakovaný ostřik provalku vodou. Všechny tři úseky válečkového dopravníku jsou poháněny samostatnými motory. Lze proto válcovat na obou stolicích průběžně, případně pouze na jedné ze stolic vratným způsobem při využití jedné dopravníkové sekce jako by-passu (řízené válcování). 2. DŮVOD REKONSTRUKCE NAPÁJENÍ HLAVNÍHO DUO POHONU A POHONŮ VÁLEČKOVÝCH DOPRAVNÍKŮ. Jak již bylo uvedeno v předcházejícím textu, je každá ze stolic poháněna stejnosměrným, cize buzeným motorem, konkrétně jde o typ V 132 L s dále uvedenými parametry: P N = 17,2/15,1 kw U AN = 375 V I AN = 52,5/45 A n n = 1170/4500 min -1 1
Na výstupní hřídeli těchto motorů je umístěna převodovka s celkovým převodovým poměrem i =8,2, s výstupem na vlastní válce pohonu. Vzhledem k rozsahu výstupních otáček je nutno provést regulaci otáček uváděných motorů v obou rozsazích, tzn. v kotevním i budícím obvodu. V původním řešení byl stejnosměrný motor napájen z tyristorového měniče FORMIC typu K1S3-V6 pro obvod kotvy a z měniče typu K1D1-B0 pro obvod buzení. Obr. 1 Původní zapojení rozvaděče s měniči Na obr.1 je uvedeno původní zapojení rozvaděče s měniči FORMIC. Vzhledem k tomu, že jde o ve dnešní době již relativně zastaralou koncepci analogových měničů a zejména proto, že jejich provoz je omezen pouze na několik hodin týdně, docházelo při delších odstávkách pohonu k časově závislým změnám parametrů regulátorů v měničích (pravděpodobně vlivem nestabilit kondenzátorů, používaných v regulačních obvodech). Tyto nestability měly za příčinu nespolehlivý chod zejména proudového regulátoru, kdy při válcování s většími úběry docházelo k relativně značnému poklesu otáček, případně i k zastavení celého pohonu během válcování. Navíc zde vzhledem k relativně malému možnému proudovému přetížení měniče docházelo ke stavům, kdy při větších úběrech válcovaného materiálu dochází k aktivaci proudového omezení měniče. Jeden z průběhů získaný při válcování s původním napájením pohonu je uveden na obr.2. Na uvedeném průběhu je vidět znatelný pokles otáček během válcování měnič pracuje v režimu proudového omezení. 2
200 150 n [1/min] ; F [kpa] 100 Síla BL [kn] Síla BP [kn] Otáčky B [1/min] 50 0 49,27 49,32 49,37 49,42 49,47 t [s] Obr. 2 Pokles otáček při napájení z původního měniče 3. INOVACE REGULOVANÉHO POHONU 3.1. POHON S MĚNIČEM SIEMENS DC MASTER Vzhledem ke stavu uvedeného zařízení, které již nesplňovalo platné požadavky na bezporuchový provoz, bylo rozhodnuto o výměně původních řízených usměrňovačů. Protože na Katedře výkonové elektroniky a elektrických pohonů se již dlouhodobě zabýváme praktickým využitím měničů firmy SIEMENS a mimo jiné i vzhledem k situaci na trhu byl jako optimální typ vybrán řízený usměrňovač firmy SIEMENS, konkrétně typ DC Master 6RA7028-6DV62 s níže uvedenými parametry. U 1N = 3 x 400 V/50 Hz I 1N = 75 A U A = 420 V DC I A = 90 A DC I B = 10 A DC P N = 38 kw Z uvedených parametrů vyplývá, že výkon měniče je proti výkonu použitého motoru více než dvojnásobný, nicméně toto řešení má své značné opodstatnění. Vzhledem k průběhům, prezentovaným na obr. 2, je vidět, že doba válcování trvá cca 200 ms, což vyžaduje použití pohonu s velkou dynamikou. Bylo tedy výhodné použít měnič s dostatečně velkou proudovou rezervou, navíc s možností krátkodobého proudového přetížení. Velikost proudového omezení měniče je v tomto konkrétním případu omezena na 220 % jmenovitého proudu motoru, tj. 115 A. V souladu s tímto nastavením je určena i doba rozběhu pohonu prostřednictvím omezení strmosti nárůstu žádané hodnoty, s uvažováním celkového momentu setrvačnosti pohonu, takže pohon se vlastně rozbíhá s proudem nastaveným těsně pod úroveň proudového omezení. Průběhy žádaných a skutečných hodnot proudů a otáček jsou uvedeny na obr. 3 5. K uvedeným průběhům je třeba poznamenat, že jde o rozběh a reverzaci nezatíženého pohonu. 3
Obr. 3 Průběh žádané a skutečné hodnoty otáček motoru hlavního pohonu Obr. 4 Průběh žádané hodnoty proudu a skutečné hodnoty otáček hlavního pohonu 4
Obr. 5 Průběh skutečné hodnoty proudu a skutečné hodnoty otáček hlavního pohonu Z uvedených průběhů je patrné, že jak při rozběhu, tak i brzdění je kladen požadavek na velkou dynamiku pohonu a zejména v přechodných stavech při reverzaci dochází k uplatnění vlivu proudového omezení motoru, což již fakticky neumožňuje zkrátit dobu rozjezdu a brzdění pohonu. Je nutno poznamenat, že doladění parametrů bylo provedeno individuálně pro každý pohon. Základní nastavení s automatickou optimalizací parametrů měniče totiž vykazovalo téměř dvojnásobné dopravní zpožděni oproti prezentovaným výsledkům. 3.2. VÝSLEDKY DOSAŽENÉ S INOVOVANÝM POHONEM Jak již bylo uvedeno, je vlastní doba válcování velice krátká, s tím souvisí i obtížné doladění regulátorů měniče při plném zatížení. Proto byly výsledky, uvedené v bodu 3.1 použity pro finální nastavení měniče. Praktický výstup je pak zřejmý z průběhů uvedených na obr. 6. 200 150 n [1/min] ; F [kpa] 100 Síla BL [kn] Síla BP [kn] Otáčky B [1/min] 50 0 86,4 86,45 86,5 86,55 86,6 86,65 86,7 86,75 86,8 86,85 86,9 t [s] Obr. 6 Průběh otáček při napájení z měniče SIEMENS 5
Z uvedeného průběhu je zřejmé, že v tomto případě je měnič ještě schopen reagovat a po ukončení prvotního rázu (opět částečný vliv proudového omezení a tím pokles otáček), dochází k regulaci otáček na žádanou hodnotu. Navíc je třeba si uvědomit, že velikost zatížení je v tomto případě cca o 20 % větší, ve srovnání s průběhy, uvedenými na obr. 2. 4. ZÁVĚR Na základě provedených měření lze konstatovat, že uvedené řešení umožnilo modernizaci válcovací tratě s relativně nízkými náklady. Hlavní část z celkové ceny byla tvořena náklady na zakoupení dvou měničů SIEMENS, které vzhledem ke svým rozměrům umožnily využití původního rozváděče, většiny kabeláže a kompatibilitu s původním řídicím systémem. Navíc tato koncepce umožňuje případnou další modernizaci v oblasti řízení, případně vizualice měřených parametrů. Umístění měniče v rozvaděči je uvedeno na obr. 7. Obr. 7 Umístění nového měniče v rozvaděči Příspěvek vznikl za podpory projektů: GAČR: 102/05/H525 MSM:6198910015 Ing. Václav Sládeček VŠB-TU Ostrava FEI Katedra výkonové elektroniky a elektrických pohonů tel: 59 732 3166 e-mail: vaclav.sladecek@vsb.cz 6
Ing. Pavel Hlisnikovský VŠB-TU Ostrava FEI Katedra výkonové elektroniky a elektrických pohonů tel: 59 732 1428 e-mail: pavel.hlisnikovsky.fei@vsb.cz Ing. Petr Bernat VŠB-TU Ostrava FEI Katedra elektrických strojů a přístrojů tel: 59 732 4468 e-mail: petr.bernat@vsb.cz Prof. Ing. Ivo Schindler, CSc. VŠB-TU Ostrava FMMI Katedra tváření materiálu, Ústav modelování a řízení tvářecích pochodů tel: 59 732 5215 e-mail: ivo.schindler@vsb.cz 7