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Einrichtung zur Optimierung des Energieverbrauches und der
Walzzeit bei elektrisch angetriebenen Umkehrwalzgerüsten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Optimierung des Walzvorganges bei elektrisch angetriebenen Umkehrwalzgerüsten.
Optimal wird gewalzt, wenn die kleinsten Verluste auftreten. Wird von dem optimalen Vorgang abgewichen, so erhöhen sich die Verluste. Der Zeitaufwand wird dabei entweder grösser oder kleiner. Im Interesse der Beschleunigung des Walzprozesses kommt natürlich nur eine gegenüber dem optimalen Walzvorgangverkürzte Zeitdauer des einzelnen Stiches in Betracht. Man darf sich daher von einer als optimal anerkannten Drehzahl nur durch Wahl einer etwas höher liegenden Geschwindigkeit entfernen. Die Grenze der möglichen Entfernung vom optimalen Vorgang wird erreicht, wenn die gestiegenen Verluste, geteilt durch die verringerte Zeit, die zulässige Verlustleistung ergeben und die Anlage die Grenzerwärmung annimmt.
Zur Verbesserung des Walzvorganges ist bereits ein Verfahren zur selbsttätigen Ableitung des Bremskommandos bei Umkehrwalzwerken bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bremskommando aus der während des jeweiligen Stiches vorhandenen Restwalzgutlänge und der erwarteten, auf die Eintrittsseite des Walzgerüstes bezogenen Bremsweglänge abgeleitet sowie bei einem bestimmten Differenzbetrag beider Grössen das Bremskommando gegeben wird. Bei diesem Verfahren ist es auch bereits bekannt, Rechengeräte zur Ermittlung des'Bremsweges zu verwenden.
In der Praxis wird bisher nicht optimal gewalzt. Der Zeitaufwand ist höher als der beim verlustarmen Walzen und damit erst recht grösser als beim verkürzten Walzen mit etwas höheren als optimalen Verlu- sten. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Massnahmen zu treffen, deren Anwendung ein praktisch optimales Walzen ermöglicht.
Dies sei anHand des Diagrammes nach Fig. 1 näher veranschaulicht. Auf der Abszisse sind die Stichnummern aufgetragen, auf der Ordinate die Ankerverluste. Die obere ausgezogene Linie veranschaulicht die gemessene elektrische Verlustarbeit bei einer von Hand gesteuerten Blockbrammenstrasse. Der obere gestrichelte Linienzug veranschaulicht die Grenze der Verluste für den Fall des optimalen Walzens, bei dem aufVorbeschleunigungenverzichtet wurde also mit der Drehzahl Null angestochen worden ist und der Vorgang bei Stillstand endet. Die untere strichpunktierte Grenze kann erreicht werden, wenn die Strasse erst auf eine ôetriebstechnisch vertretbare Anstichdrehzahl leer vorbeschleunigt, dann erst das Walzgut gefasst, beschleunigt und zur optimalen, vom Stich abhängigen Höchstdrehzahl gefahren wird.
Auch hier beendet das Bremsen auf das Walzgut den Vorgang.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die erreichbaren Verluste zum Teil bei nur einemViertel der gemessenen Beträge liegen.
Für das optimale Walzen sind narürliche Grenzen gesetzt :
Die Grunddrehzahl darf im Bereich des normalen Feldes nicht überschritten werden.
Die Anstichdrehzahl muss bei einer betrieblich mit Sicherheit vertretbaren Drehzahl liegen.
Die als optimal anerkannte Stromspitze muss unter der zulässigen Grenzstromstärke bleiben.
Die Gesamtzeit zum Vorbeschleunigen und die ihr oft vorausgehende Zeit zum elektrischen Still- setzen (von möglichst kleiner Enddrehzahl des vorhergehenden Stiches auf Stillstand) muss unter dem
Zeitbedarf für die Betätigung der Hilfsantriebe liegen.
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Bei Berücksichtigung dieser Bedingungen hängt der optimale Verlauf der Drehzahl und der Stromstärke und der sehr wichtige genaue Zeitpunkt des Walzbeginns im wesentlichen von folgenden drei Grössen abs
1. Vom Schwungmoment des Antriebes GD
2. vom mittleren Spindelmoment M. p,
3. von der Walzgutlänge L nach Austritt aus dem Spalt.
Da bei gegebener Anlage die Summe der Schwungmoment der Antriebsmotoren, Spindeln, Kupplungen, Zahnräder und Walzen bekannt ist, braucht das GD2 nur einmal bei Programmieren berücksichtigt zu werden. Die träge Masse des Walzgutes spielt praktisch keine Rolle, weil sie nur mit 1-2 li zur Erhöhung des Schwungmomentes der umlaufenden Teile beträgt.
Der Stichplan liefert :
1. Spindelmoment Msp und
2. Walzgutlänge L.
Die Optimierung ergibt :
1. Stromstärke Jb zum Beschleunigen des Antriebes auf die optirnaleanstichdrehzahl na,
2. Stromstärke J = f (t) nach Fassen des Walzgutes,
3. Drehzahlverlauf n (t), wo t die während des Walzvorganges verlaufende Zeit ist.
DieGesamtzeitdauer T = Tb+Tw für VorbeschleunigenundWalzenunddieoptimalen Verlustesind das erwünschte Ergebnis. Notwendige Änderungen können entstehen, falls die Grenzstromstärke oder die Höchstdrehzahl z. B. aus betrieblichen Gründen stellenweise der rechnerisch ermitteltenoptimalenFüh- rung entgegenstehen.
Wenn das Spindeldrehmoment Msp auf Grund eines Stichplanes festliegt, kann das. Programm für die Steuerung des Motorstromes vorher festgelegt werden. Wenn dagegen die Höhe des Spindeldrehmomentes Ms unbekannt oder veränderlich ist, was z. B. der Fall sein kann, wenn eine etwaige Kegelform des Walzgutes oder ungleiche Erwärmung oder Vollaufen des Profils innerhalb des Stiches der Verformung einen ungleichen Widerstand entgegensetzen, muss von dem wirklich auftretenden Istwert des Spindeldrehmomentes ausgegangen werden.
Die Erfindung bezieht sich dementsprechend auf eine Einrichtung zur Optimierung des Energieverbrauches und der Walzzeit bei elektrisch angetriebenen Umkehrwalzgerüsten durch Steuerung des Motorstromes und/oder der Drehzahl, die dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Durchlaufens des Walz -
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te Werte im Sinne der Optimierung als Steuergrössen den jeweiligen optimalen (normalerweise veränderlichen) Sollwert des Stromes und/oder der Drehzahl bestimmen bzw. beeinflussen.
Der Istwert der Last kann jederzeit rasch während des Stiches bestimmt werden, wenn man nur über hinreichend schnell arbeitende Messgeräte und Einrichtungen zur Messung der beiden GrössenAnkerstrom dn I (bei voller Felderregung) und Drehzahländerung dt verfügt. Mit diesen beiden Werten ergibt sich der Istwert des Spindeldrehmomentes Msp wie folgt.
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man von aussen her nichts ändern. Es wird nur vom Walzgut und der Stichabnahme bestimmt, wenn man von extrem langsamen Walzvorgängen absieht. Die augenblickliche Drehzahl n kann nicht sprunghaft geändert werden, da bereits mässige Schwungmassen dies unmöglich machen.
Nahezu zeitlos vergrössert oder verringert werden können nur der Ankerstrom I bzw. i und als Folge davon die Beschleunigung n'= dn/dt, insbesondere, wenn die Stromversorgung durch Stromrichter geschieht.
Will man also, nachdem die erste Messung möglichst unmittelbar nach dem Fassen des Walzgutes
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vorliegt, anschliessend durch eine stich3erechte Steuerung optimal weiterwalzen, so muss man das Lastmoment und die Drehzahl als vorgegeben betrachten und versuchen, durch unverzögerte Änderung des angetroffenen Spornes iisr auf den erforderlichen Strom isoll den optimalen Vorgang erfolgreich einzuleiten. Ebenfalls vermag man sehr schnell den Betrag der augenblicklich vorhandenen Beschleunigung oder Verzögerung (dn/dt) ist = n'ist auf einen für richtig erkannten Betrag (dn/dt) soll = n'sOll zu ändern, indem man den erforderlichen Sprung in der Stromaufnahme vollzieht.
Da bei optimalen Walzen niemals negative Ströme im Ankerkreis auftreten, ausser, wenn nach Ende des Stiches von der kleinen Enddrehzahl ne auf Null abgebremst werden muss, stören die sonst auftretenden Wartezeiten bei Anker-oder Feldumkehr nicht mehr.
Das Problem des optimalen Steuerns zu allen Zeitpunkten innerhalb ein und desselben Stiches besteht darin, die Istwerte der Drehzahl nist und des Spindeldrehmomentes mist zu bestimmen, und das zugehörige optimale i,ll statt des vorhandenen iist auszusteuern, um damit die augenblickliche Beschleunigung n'ist auf den optimalen Betrag n'gon zu bringen. Stimmt igoii mit iist überein, unterbleibt der steuernde Eingriff. Wird die Messung hinreichend oft wiederholt und jedes neu ermittelte isoll schnell genug gesteuert, so verläuft der Vorgang von jedem Messpunkt aus gesehen optimal.
Er wird besonders gut gesteuert, wenn man ausser isola auch noch die optimale Stromänderung (di/dt) goii bestimmt und einregelt. Bei wenig veränderlichem Spindeldrehmoment braucht dann kein dauerndes Eingreifen der Steuerung vollzogen zu werden, weil die erste Messung das Ergebnis der späteren vorwegnimmt.
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die'noch abzuwalzendeüberein. Beim optimalen Walzen nimmt or dauernd ab und is am Ende des Stiches gleich Null. Die augenblickliche Grösse von Lr muss von einem Zählwerk ermittelt werden, das, ausgehendvonder gespeicherten Ziffer der Länge des letzten Stiches, die beim Walzen zurückgelegte Länge abzieht und solcherart die noch zu walzende Länge jederzeit anzugeben vermag.
Man bildet dementsprechend
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Die Länge des vorhergegangenen Stiches ist mit der beabsichtigten Streckung malzunehmen, um dem Längenwachstum Rechnung zu tragen.
Die Restlänge L und die augenblicklich vorhandene Drehzahl n, welche für den anschliessen- den Zeitraum optimalen Walzens jeweils die zugehörige Anfangsdrehzahl ng darstellt, hängen mit der Zeitbasis T und dem Teilverh ltnis Cl der zu benutzenden optimalen Kurve n (t) - einer Parabel - über die Gleichungen
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zusammen, wo jetzt gesucht sind :
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während durch Messungen gegeben sind :
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Das Teilverhältnis ex hat folgende Bedeutung :
Die hohen Ströme zu Beginn des Walzvorganges treten bei noch sehr kleinen Drehzahlen auf und sind von entsprechend geringen Ankerspannungen begleitet/Die von der Spannungsquelle bezogene elektrische Leistung deckt fast nur die Verlustleistung im Ankerkreis der Motoren.
Die mechanische Leistungsabgabe an der Welle und der Wirkungsgrad sind nahezu Null.
Erst bei zunehmender Drehzahl und bei gleichzeitig wachsender Spannung wird ein nennenswerter
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Teil der elektrischen Aufnahme in mechanischeSpindelleistung umgeformt und nutzbar dem Walzgut zugeführt. Es ist daher von besonderem Interesse, zu prüfen, in welchem Masse die gesamte an die Spindeln abgssgebeneArbeit gesteigert werden kann, wenn bei völlig unverändertem Stromverlauf das Walzgut erst später in den Walzspalt gelangt. Bezeichnet man die gesamte unveränderliche Zeit mit T, so soll also zuerst die anteilige Zeit Tb = T (l- < x) verstreichen, in der der Strom ausschliesslich der Vorbeschleu- nigung der Walzenstrasse auf die Anstichdrehzahl dient. Erst dann soll der Walzvorgang beginnen, der in der restlichen Zeit Tw = ct. T abläuft.
Der Spindelmoment soll jeweils so hoch sein, dass am Ende des Walzens die Drehzahl wieder zu Null
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stichdrehzahl wächst bei kleinen Werten von l- < x schnell an, da in diesem Bereich die vollen Stromspitzen zur Beschleunigung zur Verfügung stehen.
Aus walztechnischen oder aus betrieblichen Gründen darf die Anstichdrehzahl die halbe Grunddrehzahl kaum überschreiten. Diese Geschwindigkeit wird meistens schon nach 1/10 - 1/6 der Gesamtzeit T erreicht, so dass cx zwischen 0, 9 und 0, 83 liegen wird. Die Stromkurve zerfällt bei α < 1 in einen Teil,
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die höchste Walzdrehzahl.
Durch Eliminieren von T (in den obigen Gleichungen) findet man :
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Auf der linken Seite steht das Verhältnis der augenblicklich in den Schwungmassen gespeicherten kinetischen Energie zur dreifachen, noch zu leistenden Walzarbeit. Es soll kurz mit e bezeichnet werden und lautet in ausführlicher Schreibweise :
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worin Asp, die restliche Spindeiarbeit bezeichnet.
Der geringste Betrag von e ist Mull, wenn nämlich die Strasse stillsteht und keine kinetische Energie vorhanden ist. Hiezu gehört α= 1, d.h., es muss auf dem ungeteilten Bogen einer Parabel gefah- ren werden. Der höchste Betrag von e ist 1/3. Dann ist die kinetische Energie gleich der noch zu lieferndenWalzarbeit. et wird Null. Das bedeutet aber, dass der allerletzte, gerade Teileeiner unendlich gross gewordenen Parabel benutzt werden muss, dass also stromlos mit linear fallender Drehzahl gewalzt werden soll.
Für Zwischenwert ergibt sich
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Der Sollwert des (relativen) Stromes wird nun :
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Berücksichtigt man obige Formel für e, so findet man endgültig :
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Dieser Strom isola muss sich bei optimalem Walzen innerhalb der Walzzeit Tw linear bis auf
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Null ändern, d. h., er muss immer abnehmen, sofern das Spindeldrehmoment nicht etwa ansteigt. Würde man ihn durch entsprechendes Verändern der zugeführten Spannung zum Fliessen bringen, ohne ihn linear abnehmen zu lassen, so müsste eine etwa 1/4 oder 1/2 Sekunde später vollzogene erneute Messung von n, i und n'einen neuen Betrag isoll ergeben. Der Strom würde in diesem Fall treppenförmig nach unten gesteuert werden müssen.
Man erleichtert die Arbeit der Steuerung und verbessert die Annäherung an das ideale Walzen, wenn man nicht nur isoll, sondern auch noch seine zeitliche Änderung, also disoll/dt steuert. Der Strom muss bei konstantem Spindelmoment linear mit der Zeit bis auf Null abnehmen, u. zw. in der Walzzeit Tw - (x. T, die man aus der beim Eingriff der Steuerung gerade vorhandenen Drehzahl na und aus or. bestimmen kann.
Aus den obigen Gleichungen ist ersichtlich, dass für die Berechnung der Sollwert des Stromes, seinlst-
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verarbeitet werden muss. Die Messung von Strom und Drehzahl ist ohne Schwierigkeiten möglich. Die Verarbeitung dieser Werte erfolgt in einem Rechengerät, wie dies an Hand des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2 näher veranschaulicht ist.
Die Drehzahl n wird beispielsweise von einer Tachometermaschine aus in Form einer Spannung über einen Verstärker dem Teil 2 des Rechengerätes 1 zugeführt. In diesem Teil 2 wird auch die
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Ferner wird dem Teil 2 die Länge 1 zugeführt und in ihm die Restlänge L. = l-. f n. dt gebildet.
Weiter wird noch im Teil 2 die kinetische Energie Ekin errechnet, da insbesondere der Zeitpunkt interessiert, wo die kinetische Energie ausreicht, um den Block stromlos zu Ende zu walzen. Der der Restlänge lj. entsprechende Wert wird dem Teil 4 zugeführt, der eine dem bezogenen Moment m entsprechende Spannung von 3 aus erhält, so dass der Teil 4 in der Lage ist, die Spindelrestar-
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Asp,delrestarbeit entsprechender Anteil von 4 aus zugeführt und auf diese Weise der Sollwert isoll gebildet. isoll wird dann über Leitung 6 einem Regler 7 zugeführt, der über Leitung 8 den Istwert des Stromes erhält. Im Regler 7 wird dann der Soll-Ist-Vergleich vorgenommen und die erforderliche Steuerung des Motorstromes veranlasst.
Die Drehzahl wird dem Rechner nur solange zugeführt bzw. in diesem verarbeitet, wie der Block sich im Walzspalt befindet, um das Integral der Drehzahl nur dann zu bilden, wenn tatsächlich die Blocklänge abgewalzt wird. Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung, z. B. eine Photozelle oder ein Walzdruck relais vorgesehen, die einen Kontakt schliesst, wenn der Block in den Spalt gelangt.
Bei den obigen Ausführungen ist davon ausgegangen, dass mit voller Felderregung gefahren wurde, was für die ersten Stiche auch zutrifft. Da bei den letzten Stichen im allgemeinen das Feld geschwächt wird, muss diesem Umstände auch bei der Ermittlung der oben angegebenen Werte Rechnung getragen werden. Dies lässt sich dadurch herbeiführen, dass bei der Ermittlung des Walzmomentes im Teil 3 des Rechners R, auch noch der magnetische Fluss g ? des Motorfeldes berücksichtigt wird, wie dies durch die gestrichelt dargestellte Anordnung in der Fig. 2 veranschaulicht ist.
Wenn, wie eingangs erwähnt, der Spindelmoment und die Blocklänge durch den Stichplan festgelegt sind, können die durch Messung und mittels des Rechners gewonnenen Steuergrössen zur Korrektur des vorgeschriebenen Programmablaufes dienen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird ein Soll-Ist-Vergleich vorgenommen, um die erforder- liche Steuerung des Motorstromes zu veranlassen. Der optimale Walzvorgang ist noch auf eine andere Weise durchzuführen, nämlich in der Weise, dass die aus dem bezogenen Spindeldrehmoment m und der bezogenen Restlänge Ir ermittelte Spindelrestarbeit mit der aus der Drehzahl und dem Schwung.moment ermittelten kinetischen Energie verglichen wird.
Bei Erreichen eines bestimmten Differenzwertes wird der Sollwert der Drehzahl auf einen Wert herabgesetzt, dem die Istdrehzahl lediglich infolge Bremsen auf den Block zustrebt und der ein sicheres Zuen dewalzen und Ausbringen des Blockes aus dem Gerüst gewährleistet. Der erwähnte Sollwert der Drehzahl
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wird zweckmässig zu etwa 20 - 250/0 der Drehzahl des Motors bei voller Felderregung gewählt, dann ist sichergestellt, dass der Block auch wirklich den Walzspalt verlässt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Optimierung des Energieverbauches und der Walzzeit bei elektrisch angetriebenen Umkehrwalzgerüsten durch Steuerung des Motorstromes und/oder der Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchlaufens des Walzgutes durch das Gerüst über Messwertumformer erfasste Messgrössen für das von der Kupplung zwischen Antriebsmotor und Antriebsspindel für die Walzen übertragene Moment (Spindeldrehmoment) und gegebenenfalls für weitere, die elektrischen Grössen des Antriebsmotors festlegende, durch den Walzvorgang bedingte Werte im Sinne der Optimierung als Steuergrössen den jeweiligen optimalen (normalerweise veränderlichen) Sollwert des Stromes und/oder der Dreh- zahl bestimmen bzw. beeinflussen.
2. Einrichtung nachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dasszurBeeinflussungdesStrom- verlaufes zusätzlich zum Spindeldrehmoment die Ausgangsgrösse eines Messwertumformers für die jeweils noch vor dem Walzspalt befindliche Restlänge ( lu) des zu walzenden Blockes dient.