Разработка методов расчета и повышения эффективности управления электромеханическими системами прядильного оборудования

Общая характеристика работы. Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов в текстильной промышленности связано со спецификой работы автоматизированных электроприводов постоянного и переменного тока, являющихся основными элементами управляемых электромеханических систем сложных технологических комплексов.

Повышение эффективности текстильного производства путем создания современных электромеханических систем требует разработки объективных научно-обоснованных методов выбора оптимальных параметров технологических процессов и скоростных режимов рабочих органов оборудования, учитывающих показатели качества сырья и готовой продукции, — и. разработки на их основе новой технологии и автоматизированных систем управления энергоемкими объектами.

В текстильной промышленности имеется большое количество технологического и вспомогательного оборудования, в котором требуется создать оптимальный скоростной режим при осуществлении заданных технологических процессов. В одних случаях необходимы поддержание или синхронизация скоростей узлов и механизмов, в других — изменение частоты вращения по заданному закону или регулирование ее в широких пределах.

В текстильных производствах преимущественное применение находят асинхронные короткозамкнутые двигатели как наиболее простые по конструкции, экономичные и надежные в работе.

Снижение потерь электроэнергии как в самих асинхронных двигателях (АД), так и в питающих сетях можно достичь за счет:

• оптимального проектирования и улучшения технологии при изготовлении.

АД;

• разработки комплектных электронных и микропроцессорных устройств для управления АД;

• рационального выбора, анализа и расчета энергосберегающих режимов управляемых электромеханических систем текстильного оборудования.

Первые два способа снижения потерь электроэнергии требуют дорогостоящих исследований и конструкторских разработок. Появление и развитие третьего способа обусловлено тем, что эксплуатационные режимы асинхронных приводов характеризуются отклонением реальной нагрузки АД от нагрузки, на которую рассчитан двигатель, и которой соответствуют оптимальные значения его энергетических показателей. Существование таких режимов определяется завышенным по мощности выбором двигателя, а также переменным по времени характером нагрузки технологического оборудования. Завышение по мощности АД для привода объясняется, с одной стороны, несовершенством методик выбора двигателей, с другой — запасом по надежности с учетом тяжелых динамических режимов работы электромеханических систем текстильного оборудования. Переменный во времени характер нагрузки диктуется особенностями технологического цикла машин, аппаратов и механизмов. Указанные эксплуатационные режимы асинхронного привода характеризуются низкими значениями энергетических показателей АД — коэффициента мощности (cos ф) и коэффициента полезного действия (КПД).

Снижение энергозатрат в эксплуатации достигается выбором рациональных (в отдельных случаях оптимальных) скоростных режимов электромеханических систем технологического оборудования, определяемых энергетическими показателями и требованиями к технологическим процессам.

В настоящее время не сформулированы в полном объеме научно обоснованные требования к приводу рабочих органов чесальных аппаратов (ЧА) и рогульчатых ровничных машин (РМ), не выявлена их оптимальная структура, не разработано в достаточной степени устройств и систем, обеспечивающих оптимальное управление и энергосберегающие режимы.

Исследование вопросов повышения эффективности эксплуатации работы электромеханических систем прядильного оборудования, разработку технических решений на базе современных комплексных энергосберегающих электроприводов постоянного и переменного тока с микропроцессорным управлением, оптимизацию процессов и скоростных режимов рабочих органов узлов формирования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта следует считать актуальными задачами, требующими своего дальнейшего решения.

Цели и задачи работы. Целью диссертации является разработка методики расчета и повышения эффективности управляемых электромеханических систем текстильного оборудования.

В работе исследуются следующие перспективные направления. Первое из них относится к анализу технических средств, обеспечивающих в нерегулируемом электроприводе минимизацию вредного влияния на энергетические показатели отклонений нагрузки и качественных показателей электроэнергии от номинальных значений. Второе относится к разработке, научной концепции перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому для отдельных видов технологического оборудования. Этот объективный процесс, обусловленный повышением технического уровня текстильного оборудования, в котором используется электропривод, часто дает возможность рационального и оптимального решения задач управления скоростными режимами.

В текстильных производствах при переходе к регулируемому электроприводу экономия энергии достигается как за счет собственного привода, так и за счет технологического процесса, который привод обслуживает.

Основными этапами исследований являются следующие:

• классификация прядильного оборудования по характерным режимам эксплуатации и энергопотребления;

• постановка задач повышения эффективности энергоресурсосбережения за счет управления скоростными режимами;

• определение технологических особенностей эксплуатации сложных электромеханических систем прядильного оборудования;

• анализ энергетических характеристик и технологических параметров оборудования как объектов автоматического управления скоростными режимами;

• повышение эффективности энергоресурсосбережения за счет оптимизации скоростных режимов электромеханических систем, исследования способов повышения энергетических показателей асинхронных электроприводов с микропроцессорным управлением;

• разработка технических решений повышения эффективности эксплуатации управляемых электромеханических систем энергоемкого технологического оборудования.

На защиту выносятся:

1. Концепция построения структуры и исследования автоматизированных электромеханических систем прядильного оборудования странспортирующими и крутильно-мотальными механизмами (Рис. 1).

2. Методики выбора и расчета рациональных скоростных режимов энергоемкого текстильного оборудования и оптимальных алгоритмов управления.

3. Система автоматического выравнивания линейной плотности чесальной'' ленты и управления процессом наматывания ровницы на паковки.

4. Математическая модель формирования волокнистого продукта на чесальном аппарате CR-24.

5. Алгоритмы управления скоростными режимами ЧА и РМ.

6. Технические решения системы управления скоростными режимами сложных электромеханических систем на базе микропроцессорного регулятора напряжения (МРН — ООО) и комплектных параметрических электроприводов постоянного (ЭПУ2) и переменного тока (КПЭ).

7. Результаты моделирования и экспериментов.

Методика проведения исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Теоретические исследования основывались на классических методах теории автоматического управления и теории автоматизированного электропривода. При построении математических моделей процессов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием аппроксимирующих уравнений.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления проводились с использованием ПЭВМ по стандартным и разработанным автором программам.

Научная новизна работы состоит в разработке новых структур систем автоматического выравнивания линейной плотности чесальной ленты и автоматического управления процессом наматывания ровницы на РМ, реализующих связанное регулирование технологических параметров формирования волокнистого продукта на базе микропроцессорной технике и современных комплектных параметрических электроприводов постоянного и переменного тока.

Предложена математическая модель формирования волокнистого продукта на ЧА CR-24 в виде электрической цепи, имитирующей зону деформации вытяжного прибора.

Разработаны функциональная и структурная схемы, и физическая модель многодвигательной электромеханической системы с крутильно-мотальным механизмом. Получено математическое описание специальных режимов, происходящих в многодвигательной электромеханической системе с крутильно-мотальным механизмом, позволяющее анализировать статические и динамические характеристики рабочих органов рогульчатой ровничной машины для гребенного прядения шерсти при различных стадиях наматывания паковки и колебаниях питающего напряжения.

Разработана методика использования микропроцессорных регуляторов напряжения МРН ООО для низковольтных АД, которые кроме функций энергосбережения управляют режимами пуска, торможения, в отдельных случаях регулируют частоту вращения и момент, а также осуществляют защиту и диагностику, то есть повышают технический уровень привода в целом, увеличивают его надежность. С учетом многофункциональности применения такое решение оказывается экономически целесообразным для электромеханических систем с переменной нагрузкой даже при относительно высокой цене энергосберегающего устройства.

Достоверностьрезультатовработы подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом физического и математического моделирования, а также результатами испытаний систем управления процессом наматывания ровницы на ровничной машине и формирования волокнистых материалов на ЧА в условиях производства текстильной фирмы «Купавна». Научные решения диссертации обоснованы и аргументированы в рамках принятых допущений с математической точки зрения и практической эксплуатации электромеханических систем.

Практическая ценность работы. Предложенные методы анализа и расчета рациональных энергетических и технологических режимов, реализуемых энергосберегающими комплектными электроприводами постоянного тока типа ЭПУ2 и переменного тока типа КПЭ и многофункциональным микропроцессорным регулятором напряжениям типа МРН ООО, обеспечивают заданный технологический регламент текстильного оборудования.

Реализация рациональных скоростных режимов оборудования позволит осуществить повышение производительности, улучшение качественных показателей продуктов прядения, рациональное использование и экономию энергоресурсов в процессе ее потребления энергоемким технологическим оборудованием.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на III Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение — теория и практика» (г.Москва, МЭИ, 2006 г.) — на международной научно-технической конференции «Экологические и ресурсосберегающие технологии промышленного производства» (г.Витебск, 2006 г.) — на международной научно-технической конференции «Лен — 2006» (г.Кострома, 2006 г.) — на международной научно-технической конференции.

Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности" (г.Иваново, 2007 г.) — на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2007), г. Иваново, 2007 г.- на Всероссийской научно-технической конференции «Дни науки — 2007» (г.Санкт-Петербург) — на межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству» (г.Кострома, 2007 г.) — на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2006, 2007), г. Москвана Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (Техтекстиль — 2007), г. Димитровград, 2007.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 научно-технических статей.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 78 наименований, 12 таблиц, 51 иллюстраций, приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведенный анализ научно-технической литературы, посвященный исследованию режимов работы технологического оборудования прядильного производства, показал, что к настоящему времени недостаточно изучены вопросы комплексного влияния скоростных режимов рабочих органов на производительность, качественные показатели продуктов прядения, рациональное потребление сырьевых и энергетических ресурсов.

Предложена концепция построения структуры и исследования автоматизированных электротехнических систем прядильного оборудования с транспортирующими и крутильно-мотальными механизмами.

Проведена классификация оборудования прядильного производства по характерным режимам эксплуатации, электропотребления и нагрузки на рабочие органы и механизмы.

Экспериментально определены технологические параметры и энергетические характеристики исследуемых машин и аппаратов.

Определены технологические особенности и критерии оценки качественных показателей продуктов прядения и их взаимосвязь со скоростными режимами работы оборудования, осуществляющего процессы формирования и наматывания волокнистого материала.

Установлено, что одним из направлений разработки энергосберегающих решений является использование энергетических и технологических характеристик текстильных объектов для проведения комплексного анализа и оптимизации режимов работы, которые дают возможность научно обоснованно подойти к решению указанной проблемы как при использовании существующего, так и нового оборудования.

2. Поставлены и решены задачи повышения эффективности энергоресурсосбережения и их реализация за счет управления скоростными режимами электромеханической системы чесального аппарата.

Разработана математическая модель формирования волокнистого продукта на чесальном аппарате CR-24 как объекта автоматического управления. Предложена структура механической модели волокнистого продукта и проведен анализ зоны деформации на основе метода электромеханических аналогий.

Проведено исследование зоны вытягивания на устойчивость и наличие автоколебаний. Осуществлена параметрическая оптимизация режима вытягивания волокнистого продукта с целью получения удовлетворительного качества переходного процесса.

Реализована задача повышения производительности чесального аппарата. С этой целью предложены функциональная и структурная схемы усовершенствованного способа управления процессом выравнивания линейной плотности волокнистого продукта.

Дано математическое описание и проведено моделирование двухканальной системы управления скоростными режимами, обеспечивающими заданный регламент технологического процесса. Осуществлены анализ переходных процессов и расчет устойчивости системы автоматического управления. Проведенная параметрическая оптимизация системы автоматического регулирования позволила определить оптимальные параметры скоростных режимов исследуемой системы. Полученные переходные функции, характеризующие сигнал управления и выходную величину (вытяжку), позволяют оценить качество системы автоматического регулирования при управляющих и возмущающих воздействиях.

3. С целью детального исследования сложных электромеханических систем с крутильно-мотальным механизмом систематизировано и уточнено описание взаимосвязи известных условий наматывания ровницы на паковки со скоростными режимами рабочих органов крутильно-мотального механизма.

Экспериментально для различных ассортиментов ровницы определены зависимости частоты вращения катушек от диаметра наматывания, передаточных отношений коноидного вариатора скорости, от номера наматываемого слоя. Получена теоретическая зависимость управления крутильно-мотальным механизмом при обеспечении условий равенства скоростных режимов выпуска и наматывания волокнистого материала.

Исследована модель кинематической схемы рогульчатой ровничной машины с крутильно-мотальным механизмом, дифференциальным приводом и коноидным вариатором скорости. Осуществлен расчет устойчивости и показателей качества процесса регулирования по каналу управления частотой вращения катушек. Качество переходного процесса позиционирования храпового механизма замка исследовалось при подаче и снятии ступенчатого управляющего воздействия в периоды перехода к намотке очередного слоя ровницы. Переходная функция регулируемого параметра (вытяжки ровницы) имеет колебательный характер, оказывающий существенное влияние на физико-механические свойства наматываемого материала.

Для совершенствования процесса наматывания волокнистого материала на паковки и модернизации централизованного электропривода ровничной машины автором разработаны функциональная и структурная схемы многодвигательного электропривода, обеспечивающего повышение статической и динамической точности регулирования скоростных режимов крутильно-мотального механизма.

Проведено математическое описание специальных режимов, происходящих в многодвигательной электромеханической системе с крутильно-мотальным механизмом, позволяющее анализировать статистические и динамические характеристики рабочих органов рогульчатой ровничной машины для гребенного прядения шерсти при различных стадиях наматывания паковки и колебаниях питающей сети.

Лабораторные испытания комплектного асинхронного электропривода КПЭ с микропроцессорным регулятором напряжения МРНООО, подтвердили целесообразность управления энергосберегающими и специальными режимами сложных электротехнических систем прядильного оборудования.

Разработан лабораторный стенд, моделирующий работу электромеханической системы рогульчатой ровничной машины с многодвигательным электроприводом.

Для исследования статических и динамических режимов многодвигательного привода крутильно-мотального механизма составлена система алгебраических и дифференциальных уравнений первого порядка с учетом деформации гибких звеньев передач и электромагнитной инерции асинхронного электропривода. Полученная система уравнений является замкнутой, нелинейной и позволяет исследовать динамические свойства сложной электромеханической системы.