Современный прокатный цех представляет собой сложный комплекс механического и электрического оборудования. Следует отметить, что прокатные цеха содержат наибольшее количество электроприводов. Так, например, на непрерывном широкополосном стане 2000 горячей прокатки установлено около 2000 электродвигателей.

Правильный выбор типа и мощностей двигателей механизмов прокатных станов обеспечивает надежную и экономичную работу электропривода, следовательно, и всего цеха. К электроприводу прокатных станов предъявляются высокое требования, связанные с особенностями работы привода этих станов.

К основным особенностям работы электропривода валков прокатных станов относятся: большое число включений (до 1000 включений в час для реверсивных станов), ударный характер нагрузки, превышающий номинальную нагрузку двигателей, а также разгон и торможение двигателя с металлом в валках, обеспечение высокой производительности прокатных станов.

Соответственно этим особенностям к электроприводу предъявляются следующие требования:

• широкие пределы регулирования скорости;
• высокая перегрузочная способность по моменту;
• хорошая эксплуатационная надежность;
• минимальный маховый момент;
• большой пусковой момент;
• жесткие механические характеристики.

На основании требований, предъявляемых к электроприводу, производится выбор типа электродвигателя. Широкие пределы регулирования, большую перегрузочную способность, высокий КПД., минимальный маховый момент и высокую надежность имеют двигатели постоянного тока с независимым возбуждением.

Поэтому для привода валков прокатных станов применяют в основном двигатели постоянного тока с независимым возбуждением типа МП, П, ПБК, ДПП, ( двигатели типа ПБК и ДПП сняты с производства).

Например, двигатель постоянного тока типа МП-9000-60 имеет следующие характеристики:

• номинальная мощность, Рн = 9000 кВт;
• номинальное напряжение, Ин = 930 В;
• номинальная сила тока якоря, Iн = 10300 А;
• к.п.д. двигателя, h = 94 %;
• номинальная скорость вращения, n_н = 60 об/мин;
• максимальная скорость вращения, n_m = 90 об/мин;
• допустимая перегрузка по моменту:

• маховый момент RD² = 350 тм².

В старых двигателях мощность обозначалась в лошадиных силах, например, МП-7500-60, мощность Рн=7500 л.с.=5520 кВт. Для повышения предельной мощности машин и уменьшения махового момента выпускаются двух - и трехякорные двигатели. Двигатель 2МП-2000-330-двухякорный, Рн = 2× 1000 кВт; n = 330/800 об/мин.

Привод реверсивных станов должен иметь минимальное время переходных процессов. Это требование обусловило применение безредукторной передачи вращательного движения валков.

Электропривод валков прокатного стана может быть групповой и индивидуальный. Групповой привод валков осуществляется от одного двигателя через шестеренную клеть и универсальные шпиндели. При индивидуальном приводе каждый валок приводится во вращение своим двигателем.

Уравнение механической характеристики двигателя [7]:

, об/мин, или n = n₀ - n . (20)

Номинальный момент двигателя , Нм (21)

, В/об/мин (22)

,при Ф = const ; С_м = 9.55С_ен , Нм/А ; (23)

где Км - коэффициент, определяемыq конструктивными параметрами двигателя.

Сопротивление якоря R_я можно ориентировочно определить, приняв, что половина всех потерь в двигателе при номинальной нагрузке связана с потерями в меди якоря [7]. Поэтому , отсюда

, Ом (24)

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке без учета потерь в обмотке возбуждения

(25) при М=0 , , об/мин.

По этим данным строится естественная механическая характеристика (рис. 9).

Рис.9.Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока

Для прокатного двигателя, работающего в тяжелых условиях с большими перегрузками, характерными являются не только номинальные данные, но также данные, которые характеризуют его перегрузочную способность при различных скоростях.

При регулировании скорости двигателя от 0 до номинальной изменением напряжения на якоре при постоянном потоке двигателя номинальный ток и момент остаются постоянными, мощность двигателя растет пропорционально скорости, и при мощность .

При скорости выше номинальной длительно допустимый момент двигателя будет уменьшаться, т.к.

, (26)

а мощность двигателя окажется постоянной,

. (27)

Рассчитываем момент для трех значений скорости

(рис.10.).

Максимально допустимый ток и момент при изменении скорости от 0 до номинальной остаются постоянными:

(28) где - допустимая перегрузка двигателя при .

Рис.10.Эксплуатационные характеристики двигателя постоянного тока:

1 - зависимость номинальных величин от скорости;

2 - зависимость максимально допустимых величин от скорости.

С увеличением скорости выше номинальной I_max снижается вследствие ухудшения условий коммутации:

n = n_max , M_max = l _maxMн , (29)

где l _max - допустимая перегрузка двигателя при n=n_max .

Номинальный момент :

М_Н =С_МН I_н . (30)

Максимальный момент :

Мmax =С_Мmax I_max . (31)

Делим максимальный момент на номинальный:

Допустимая перегрузка двигателя по току при n_max

. (34).

По формуле (34) определяют допустимую перегрузку по току при n=n_max и строят характеристику I/I_H = f(n) (линейная зависимость). По этой характеристике определяют значение I/I_H для двух значений скоростей n₁ и n₂ ( l _i1 ; l _{i2 ,} см. рис. 8.).

Рассчитывают допустимую перегрузку двигателя по моменту для этих скоростей по формуле:

. (35)

По расчетным значениям допустимой перегрузки двигателя строят максимальную эксплуатационную характеристику двигателя М/М_н = f(n) (см. рис.10.).

Расчет двигателей главного привода прокатных станов является всегда проверочным, т.е. двигатель должен быть предварительно выбран, затем по его параметрам выполняют расчет. Обычно новый двигатель предварительно выбирают на основе графика статических моментов. В общем случае:

Мст=Мпр+Мхх+Мтр, Нм, (36)

где Мпр - момент прокатки, Нм;

Мхх - момент холостого хода, Нм;

Мрт - момент трения, Нм.

Проверочный расчет мощности двигателя проводится на основании графика скоростей и нагрузочной диаграммы моментов.

3.3.1. Расчет и построение графика скоростей.

1. Прокатка по трапецеидальному графику скорости (рис.11.).

Для построения этого графика должны быть заданы величины ускорения ( a = dn/dt ) и замедления ( b = dn/dt ) привода, скорость захвата n_з и выброса n_b металла, постоянная скорость прокатки время паузы между пропусками t_n.

Когда постоянная скорость прокатки не известна, ее можно определить по формуле (47). Если при этом n_max будет больше максимальной скорости двигателя, то следует взять установившуюся скорость прокатки меньше максимальной скорости двигателя; если же n_max будет меньше максимальной скорости двигателя , то переходят к треугольному графику скоростей [8].

По данным технологического процесса рассчитывают график скоростей для каждого прохода:

а) Время разгона до скорости захвата

, с . (37)

б) Время разгона привода с металлом в валках

, с. (38)

в) Время торможения привода на холостом ходу

, с . (39)

г) Время торможения привода с металлом в валках

, с . (40)

д) Время работы на скорости захвата .

где D_ki - катающий диаметр валков для i - ого прохода.

Длина полосы ,прокатанная за время торможения ,

, м . (42)

ж) Время работы привода на установившейся скорости

, с , (43)

где l_i - длина полосы после каждого прохода, определяется по формуле:

, м , (44)

где m - масса слитка, т;

g - плотность материала, в первом проходе можно принять плотность 7.3 для спокойной и 6.9 для кипящей стали с повышением ее к пятому проходу до 7.8 т/м³ [9];

h_i , b _i - толщина и ширина полосы , м.

з) Время прокатки полосы за один проход

, с . (45)

Характерным для этого графика является отсутствие периода прокатки с постоянным числом оборотов. Для обеспечения наибольшей производительности стана скорость вращения валков при выбросе полосы в предыдущем проходе принимают равной скорости вращения при захвате полосы в последующем проходе [8]. Скорость вращения при захвате и выбросе рассчитывают по формуле [8] : ,

Рис. 11. Трапецеидальный график скорости и нагрузочная диаграмма реверсивного привода стана.

Скорость захвата ограничивается допустимым углом захвата полосы, поэтому принимают скорость захвата меньше скорости выброса. Максимальную скорость прокатки определяют по видоизмененной формуле Тягунова :

, об/мин . (47)

Рис.12. Треугольный график скорости реверсивного привода прокатного стана

В последних проходах максимальная скорость прокатки может быть больше максимальной скорости двигателя n _max , поэтому график скорости будет иметь трапецеидальную форму.

В первом проходе и в проходе после первой кантовки угол захвата не ограничивает скорость валков при захвате, т.к. слиток имеет конусность и задается в валки более тонким концом. Поэтому скорость валков при захвате можно принять равной максимальной скорости, n_з=n_max,,

При прокатке на блюминге имеются проходы, после которых следует кантовка полосы ( на рис.10. после 2-го прохода). В этом случае скорость выброса полосы принимают максимально возможной, чтобы отбросить полосу к кантовальным крючкам и сократить паузу. Поэтому выброс полосы на втором проходе производится на максимальной скорости, n_в=n_max,. Максимальную скорость прокатки в этом случае определяют по формуле (48). В третьем проходе после первой кантовки слиток имеет конусность, а скорость захвата принята равной максимальной скорости.

3.3.2.Расчет и построение нагрузочных диаграмм электродвигателя.

Момент, развиваемый электродвигателем прокатного стана, состоит из четырех основных величин:

где М_{ПР -} момент прокатки; Нм ;

М_ТР- момент добавочных сил трения, возникающих в подшипниках валков, в передаточном механизме и в других частях стана при прокатке, Нм;

М_g- -динамический момент, необходимый для преодоления момента инерции при изменении скорости вращения двигателя, Нм.

Для построения нагрузочной диаграммы рассчитывают момент двигателя в соответствии с графиком скоростей.

М = М_ХХ +М_g1 (50)

При индивидуальном приводе: GD²=2GD²_дв+GD²_ст ,

где GD²_дв - маховой момент двигателя,

GD²_ст - маховой момент стана.

M=M_c+M_g2, Hм, (52)

где М_с - приведенный статический момент:

где η ₁ - КПД шестеренной клетки , η ₁ =0,92-0,96;

М_g2=(GD² + GD²_сл)× а/375, Нм, (54)

где GD²_сл - маховый момент поступательно движущегося слитка,

GD²_сл=3600m(V_ц/n_ц)², Нм, (55)

где m - масса слитка, кг;

При прокатке на скорости выше номинальной скорости двигателя определяют скорректированный момент:

M"_c=M_c(n/n_н), Нм ; М"_g=M_g(n/n_н), Нм , (57)

где М"_с , М"_g - скорректированный статический и динамический момент ;

n - действительная скорость вращения двигателя, об/мин;

n_н - номинальная скорость вращения двигателя, об/мин .

М=М_с, Нм , (58)

если n_у'n_н, то М=М"_с.

М=М_с+М_д2т, Нм,

где М_д2т=-(GD²+GD²_cл)× b/375, Нм (59)

- динамический момент привода при торможении;

b- замедление , об/мин/с.

Если n>n_н, то М"_с+М"_д2т=М.

М=М_хх+М_д1т, Нм, (60)

где М_д1т=-GD²b/375, Нм- динамический момент привода на холостом ходу.

На основании рассчитанных моментов двигателя строят нагрузочные диаграммы моментов. График скорости и нагрузочные диаграммы моментов строят в одном масштабе времени (см. рис.11)

3.3.3 Проверка двигателя по нагреву.

Определяют эквивалентный (среднеквадратичный) момент на основании нагрузочной диаграммы моментов.

, Нм, (61)

где t_ц -время цикла прокатки, с.

При изменении момента по линейному закону (см. рис. 11)

. (62)

Если М_экв<=М_н, то двигатель по нагреву выбран правильно. Если же М_экв>М_н , то двигатель выбран неправильно . В этом случае следует выбрать двигатель большей мощности или уменьшить величину обжатия и установившуюся скорость прокатки по проходам.

3.3.4. Проверка двигателя на перегрузочную способность.

По нагрузочной диаграмме МS =f(t) (рис. 11) выбирают максимальный момент двигателя.

где λ_н- перегрузочная способность двигателя, взятая из паспортных данных или из справочника.

Если перегрузка двигателя по моменту окажется больше λ_н , то следует уменьшить скорость или обжатие в этом проходе.