книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

Приведено краткое описание технологического процесса чесания шерсти на многопрочесных чесальных аппаратах. Составлена виртуальная модель существующего электропривода чесального аппарата в пакете прикладных программ MatLab. Получены различные режимы работы электродвигателей в системе синхронного вращения с существующим электроприводом и электроприводом с применением преобразователейчастоты.

This article provides a brief description of the technological process of wool carding on multi-times combing machines. A virtual model of the existing electric drive of combing machine was programmed on MatLab. Various modes of operation of electric drives were derived: in the system of synchronous rotation with the existing electric drive and as well as with the use of frequency inverters.

Ключевые слова: чесальный аппарат, электрический рабочий вал, виртуальная модель, многодвигательный асинхронный электропривод, преобразователь частоты.

Keywords: carding machine, operational electric shaft, virtual model, multi-drive asynchronous electric drive, frequency inverter.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из ведущих отраслей легкой промышленности является текстильная промышленность. Развитие других отраслей легкой промышленности во многом зависит от других отраслей промышленности.

К одному из наиболее важных процессов прядильного производства легкой промышленности можно отнести также чесание шерсти, осуществляемое на чесальных аппаратах (ЧА). Чесальные аппараты в большинстве случаев состоят из войлочных чесальных машин, соединенных между собой лентообразователями и лентоукладчиками. Технологический процесс войлочных чесальных машин обеспечивает перемещение волокнистого материала вдоль движения потока про-

дукции, не перемешивая его в поперечном направлении (недостаток процесса). Восполнение недостатка в чесальном аппарате осуществляется лентообразователем и лентоукладчиком, которые осуществляют поперечное сложение потока волокнистого материала. Благодаря этому достигаются ровницы. Последняя чесальная машина чесального аппарата соединена с ровничной кареткой, где чесаная ватка разделяется в продольном направлении на равные по ширине ленточки. В процессе скручивания ленточки ей придается соответствующая прочность, при этом полученный материал преобразуется в ровницу, которая, в свою очередь, наматывается в бобину в виде кружков как конечный продукт чесания в аппаратном прядении [1]. Ровница, поступающая на прядильную машину, должна быть высокого качества для получения хорошей пряжи, т.е. она должна обладать необходимой ровностью, толщиной (номер), волокна ее должны быть перемешаны, очищены, хорошо расчесаны и скручены. Кроме этого, ровница не должна иметь шишек и должна быть плотно намотана на бобину.

В текстильной промышленности Республики Казахстан (РК) и РФ широко распространены двух- и трехпрочесные чесальные аппараты [2].

Трехпрочесные чесальные аппараты предназначены для производства малой и средней линейной плотности ровницы (Ч-31-Ш и Ч-31-Ш4, Россия; CR-24 и CR-33,

Польша). Двухпрочесные аппараты предназначены для выработки грубой и полугрубой смеси, шерсти с большой линейной плотностью (Ш-22, Россия). Из этих чесальных аппаратов наибольшее распространение получили трехпрочесные односъемные, двухпрочесные двухсъемныеаппараты.

Неравномерность ровниц зависит от нарушения синхронности вращения приводных двигателей при соблюдении всех других требований технологического процес-

са. Неравномерное вращение рабочего валика, осуществляющего съем смеси с главного барабана, приводит к периодическому изменению толщины ровницы.

Для получения более высокого качества ровницы вращение главных барабанов аппарата должно быть равномерным, синхронным. Электроприводы главных барабанов чесальных аппаратов фирмы BEFAMA завода «Орелтехмаш» имеют систему электрического вала, работающего на пониженных скоростях, обусловленных наличием общего сопротивления в цепях ротора приводных асинхронных двигателей с фазным ротором.

Общеизвестно, что многодвигательные асинхронные электроприводы синхронного вращения на базе электрического рабочего вала в чесальных аппаратах имеют следующие особенности [3]:

– на валах двигателей имеются большие инерционные массы, в сотни раз превышающие массу роторов самих двигателей;

–разные нагрузки на двигателях каждого прочеса, обусловленные кинематически и технологически;

–приводные двигатели чесальных машин аппарата расположены на значительном расстоянии друг от друга.

Виртуальная модель электропривода чесального аппарата приведена на рис. 1. Пуск произведен в три ступени с оставлением не выводящей части общего сопротивления 0,2 Ом.

Осциллограммы, полученные на виртуальной модели, приведены на рис. 2. На рис. 3 приведена схема подключения сопротивления в общей роторной цепи двигателей. Как видно из осциллограммы, наличие общего роторного сопротивления подвергает систему колебаниям. Уменьшение невыводящейся части общего роторного сопротивления приводит систему МАЭП СВ к автоколебательному режиму работы, что отрицательно влияет на качество выходной продукции.

На данном этапе развития силовой электроники и средств автоматизации есть возможность существенно улучшить технико-экономические показатели электропривода чесальных аппаратов, позволяющие повысить качество прочеса шерсти, энергоэффективность и управляемость электропривода ЧА.

Следует отметить, что система электрического вала в полной мере обеспечивает синхронизацию скорости двигателей [4]. В связи с этим была поставлена задача исследования режимов работы существующего электропривода чесального аппарата. В результате аналитического и экспериментального исследования определены следующие основные требования к разрабатываемому многодвигательному асинхронному электроприводу [3]:

Рис. 5. Осциллограммы моментов и скоростей трехдвигательной системы МАЭП СВ ПЧ

Рассматривается понятие объективной потребности в электроэнергии. Описываются факторы, влияющие на потребление электроэнергии. На основе анализа функционирования действующих объектов делаются выводы отно- сительносинтезапроектируемыхсистемэлектро-снабжения.

In article reveals concept of objective requirement for the electric power, the factors influencing electricity consumption reveal. Analyzing functioning of the operating objects, conclusions concerning synthesis of the designed systems of power supply are drawn.

Ключевые слова: энергоемкость, объективная потребность в электроэнергии, использование электроэнергии, электроснабжение.

Keywords: power consumption, objective need for the electric power, use of the electric power, power supply.

Электрификация производства определяет его науч- но-технический прогресс и эффективность. В нынешний век дорогой электроэнергии дальнейшее развитие производства будет осуществляться в условиях ограниченных энергетических ресурсов. Именно поэтому в последнее десятилетие резко возросли требования к рациональному, сберегающему расходованию ресурсов и прежде всего к электроэнергии. Это определяет новые условия развития методов анализа и синтеза электрических систем промышленной электроэнергетики, которые, помимо обеспечения энергетической базы производства, должны определять экономическую передачу, распределение и использование электроэнергии [1]. Резко возросла и необходимость ее экономии при преобразовании.

Рост грузооборота водного транспорта неизбежно требует развития портов исходя из их места в транспортном процессе. Нарастание грузооборота портов планируется, регулируется и определяет развитие перегрузочной техники, увеличение перерабатывающей способности причалов и обеспечения ее резерва для оптимизации перегрузочных работ и всего транспорт-

ного процесса [2]. Вместе с этим происходит изменение состава электроприемников и электропотребления порта. Однако если рост грузооборота носит плановый, предопределенный характер, то соответствующее изменение электрических нагрузок не планируется. И, как следствие, развитие энергетической базы отстает от развития парка перегрузочных машин порта.

В связи с этим естественно желание предсказать изменение нагрузок и выяснить потребность в электроэнергии для проведения необходимых мероприятий по реконструкции (модернизации) системы электроснабжения.

Потребность в электроэнергии возникает как необходимость выполнения работы на электрифицированной технологической установке (производстве).

Увеличиваясь за счет потерь при преобразовании, распределении и передаче, а также за счет избыточности параметров электроустановок и технологического оборудования, исходная потребность превращается в конечном итоге спрос на электроэнергию от энергосистемы [3]. Следовательно, для обоснованного определения потребности в электроэнергии и параметров электроустановок, удовлетворяющих эту потребность, необходимо рассмотреть особенности техники, технологии и применяемых электроустановок на каждом конкретном производстве. С этой целью вводится понятие объективной потребности в электроэнергии в противовес фактической потребности. Смысл вводимого понятия заключается в следующей выдвигаемой идее.

Каждому виду техники, технологии и организации производства должна соответствовать объективная потребность в электроэнергии, определяющая энергоемкость производства [4].

Иначе говоря, объективная потребность в электроэнергии – это потребность, объективно обусловленная факторами, характеризующими применяемую технику и технологию, принятую организацию производства.

Помимо характеристики энергоемкости производства, объективная потребность в электроэнергии есть решение единой энергетической задачи, имеющей, однако, три положения: она определяет удельные расходы электроэнергии, электрические нагрузки элементов системы электроснабжения, показатели режимов электропотребления. На рисунке представлены связи

иотношения различных входов и выходов рассматриваемого понятия, помогающие уяснить как постановку задачи, так и возможные способы ее решения.

Таким образом, объективную потребность в электроэнергии определяют три группы факторов:

–физико-технические, связанные с закономерностями преобразования электроэнергии в установке определенной;

–конструкции (эти факторы могут быть определены аналитически);

–технологические, в основу которых могут быть положены прежде всего регламенты по производству работ, их оснастке, а также нормативы труда;

–организационные, определяемые в первую очередь организацией производственного процесса, а затем и организацией эксплуатации технологического оборудования

иэлектроустановок (это обычно показатели временного использованияоборудования).

Формулировка подобной задачи имеет главной целью связать параметры производства с его энергоемкостью таким образом, чтобы по изменению первых можно было определить изменение вторых.

Разница между фактической и объективной потребностью в электроэнергии есть избыточный расход, или расточительность в расходовании ресурсов.

Подобная трактовка приведенных понятий позволит обоснованно нормировать расходы, объективно оценивать эффективность использования электроэнергии на различных производствах, планировать мероприятия по энергосбережению, а разработка методов определения объективной потребности в электроэнергии – по-ново-

му построить проектирование и эксплуатацию систем электроснабжения.

Взаимоотношения между проектированием и эксплуатацией аналогичны взаимосвязи гипотезы с результатами эксперимента, анализа и синтеза. На основе анализа функционирования действующих объектов делаются выводы относительно синтеза проектируемых систем. Этот процесс, как и познание, – процесс непрерывного обновления информации о действии объекта и совершенствования методологии его проектирования.

Принятие системной точки зрения на формирование системы электроснабжения промышленных объектов позволяет сформулировать следующие исходные идеи и задачи анализа и синтеза названных систем.

Для заданных технологических и производственных условий и применяемой техники существует объективно обусловленная перечисленными исходными данными потребность в электроэнергии. Следовательно, первой задачей является обоснование общих и прикладных методов анализа, позволяющих достоверно определять эту потребность и ее зависимость от соответствующих факторов: интенсификации производства, научно-техничес- кого прогресса в технике и технологии, научной организации производства. Решение этой задачи предлагается строить на следующих принципах:

1)рассмотрение потребности в электроэнергии осуществляется на системной основе, т.е. электрохозяйство рассматривается как целостность [5], а окончательное решение по каждому из уравнений системы электроснабжения достигается при компромиссе между подходами: от общего к частному и от частного к общему;

2)единственной объективной реальностью признается непрерывный график потребления мощности (энергии) технологической установкой, процессом или объектом в целом, эквивалентирование этого графика для получения расчетных величин должно осуществляться по строгим критериям;

3) основой в определении энергоемкости являются электроустановки машин и механизмов, потребность в электроэнергии которых должна определяться аналитически или с помощью моделирования на ЭВМ;

4)расчетные электрические нагрузки, удельные расходы электроэнергии и показатели режима потребления рассматриваются как единая энергетическая задача проектирования и эксплуатации электроустановок.

Постановка второй задачи исходит из того, что для каждого значения потребности в электроэнергии, ориентированной во времени и пространстве, должна существовать определенная система электроснабжения, которая должна отвечать минимуму затрат на создание, эксплуатацию и развитие в соответствии с изменяющейся потребностью в электроэнергии. Задача синтеза, следовательно, состоит в строгом, объективном определении параметров этой системы и основывается на следующих принципах:

1)методы должны реализовать системный подход

всмысле обоснования части системы с учетом целого;

2)главным системообразующим свойством является объективная потребность в электроэнергии, ориентированная во времени и пространстве; преобразование этой потребности в расчетные нагрузки по ступеням иерархии системы определяют ее параметры с учетом технических ограничений;

3)процесс принятия решений должен быть формализуем на базе экономико-математических моделей;

4)свойства системы должны отвечать минимуму приведенныхзатратзаопределенныйрасчетныйпериод;

5)система должна быть приспособлена к изменению режима и параметров электропотребления и оптимальному развитию.

Таким образом, формальное описание потребности вэлектроэнергии составляет основу проектирования технических средств системы электроснабжения, являясь характеристикой как функционирования системы, так иее устройства. При этом способ удовлетворения потребности становится определяющим фактором совершенства техники, технологии и организации производства, атакже характеристикэксплуатационнойсистемы.

Библиографический список

1.Шошмин В.А. Теория и методы анализа электропотребления перегрузочных процессов и оптимизация электроснабжения портов: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.09.03 / Лен. гос. мор.

техн. ун-т. Л., 1991. 39 с.

2.Понятовский В.В. Основные технологические требования к морским портам. М.: ТРАНСЛИТ, 2014. 288 с.

3.Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. М.: Наука, 1988. 208 с.

4.Шошмин В.А. Развитие методов проектирования и эксплуатационного анализа электрооборудования: отчет о НИР / ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова. СПб., 2013. 69 с.

5.Александров А.Э. Расчет и оптимизация транспортных систем с использованием моделей: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2008. 50 с.

Произведено сравнение векторного управления и прямого управления моментом (ПУМ) электропривода механизма поворота ротора роторного вагоноопрокидывателя.

To make comparison of vector management and direct torque control (DTC) of the electric drive of the mechanism of turn of a rotor of a rotor car dumper.

Ключевые слова: электропривод, вагоноопрокидыватель, система управления.

Keywords: electric drive, car dumper, control system.

Вагоноопрокидыватель является высокоэффективным средством разгрузки из подвижного состава таких навалочных грузов, как уголь и железная руда. Он используется в морских портах, электростанциях, металлургических комбинатах. По функциональному назначению различают передвижные и стационарные вагоноопрокидыватели. По способу разгрузки вагоноопрокидыватели бывают боковые, роторные и торцевые. Наибольшее распространение получили роторные стационарные вагоноопрокидыватели. Роторные вагоноопрокидыватели, в свою очередь, делятся на вагоноопрокидыватели с приводным валом и без него.

Задачей данной работы является выбор структуры системы управления электроприводом вагоноопрокидывателя с учетом его конструктивных особенностей.

Если в прошлом веке в электроприводах вагоноопрокидывателей применялись в основном системы управления с асинхронным двигателем с фазным ротором, то сейчас широко распространены системы управления с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. В вагоноопрокидывателе без приводного вала для управления двухдвигательным электроприводом механизма поворота ротора применяется система векторного управления, изображенная на рис. 1.

В данной системе управления вначале выбирается один из четырех режимов работы, два из которых являются ручным управлением, а два других – автоматическим. Каждый режим содержит по восемь параметров электропривода. Задатчик скорости (ЗС) включает в себя регулятор угла поворота ротора. Система управления каждого из двигателей имеет контур тока, контур скорости и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Эта система управления обладает следующими особенностями. Ведущим является асинхронный двигатель АД1, асинхронный двигатель АД2 следит за ним по моменту. Момент каждого из электродвигателей формируется с использованием математической модели. Математическая модель учитывает только момент инерции ротора двигателя.

Для вагоноопрокидывателя без приводного вала перспективно векторное адаптивное управление электропривода, представленное на рис. 2. Асинхронный двигатель (М) питается от преобразователя частоты (ПЧ). На вход преобразователя подаются переменные

задающие напряжения u1 A , u1 B , u1 C. Во вращающейся системе координат α–β вещественная ось α ориенти-

Рис. 1. Структурная схема векторного управления, применяемого в электроприводе вагоноопрокидывателя без приводного вала

Рис. 2. Векторное адаптивное управление для электропривода вагоноопрокидывателя без приводного вала

рована по вектору потокосцепления ротора ψ2 . В преоб-

разователе канала обратной связи ПКО трехфазная система переменных токов i1А , i1B , i1C превращается бло-

ком 3/2 в двухфазную систему проекций вектора переменного тока статора i1x , i1y в неподвижной системе

координат x–y, связанной со статорной обмоткой, а затем двухфазная система переменных токов i1x , i1y превраща-

ется в проекции i1α , i1β пространственного вектора рота-

тором e− jθс на оси вращающейся системы координат α–β, являющиеся сигналами постоянного тока, где θс –

угол поворота системы координат α–β относительно системы x–y, получающийся на выходе блока «Модель потока». В преобразователе прямого канала ПКП из сигна-

лов постоянного напряжения u1α , u1β ротатором e jθс получается двухфазная система проекций вектора переменного напряжения статора u1x , u1y в системе координат x–y, затем она преобразуется блоком 3/2 в трехфазную систему напряжений u1A , u1B , u1C . Система подчи-

с регуляторами РТα и РТβ. Внешними по отношению к подчиненным контурам являются контуры регулирования потокосцепления ротора с регулятором потока РПт и скорости с регулятором скорости РС. Первый из контуров замкнут по потокосцеплению ротора, полученному на выходе блока «Модель потока», второй – по скорости с датчика скорости. Потокосцепление ротора

ψ2 вычитается из сигнала задания ψ2зад на входе регу-

лятора потока РПт, а скорость асинхронного электропривода – из сигнала задания ω1зад на входе регулятора

скорости (РС). В качестве регуляторов используются пропорциональные регуляторы (П-регуляторы).

Специфика описанной системы заключается в том, что математическая модель системы управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими

свойствами и подчиненным регулированием при ориентации вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора описывается системой дифференциальных уравнений шестого порядка с мажорирующими функциями в правых частях. Степенные функции сопоставляются с классом функций бесконечного роста, обладающих мажорирующими свойствами. В данной модели используется математический аппарат теории групп. Функциональная схема изображена на рис. 2. Достоинствами описанной системы являются подавление упругих колебаний, которые возникают в упругих связях, повышение быстродействия и точность управления. К ее недостаткам относится сложное математическое описание.

В вагоноопрокидывателях с приводным валом применяется прямое управление моментом (ПУМ), изображенное на рис. 3, где 1 – регулятор потокосцепления статора, 2 – регулятор электромагнитного момента, 3 – блок выбора состояния ключей инвертора, 4 – вычислитель момента и потокосцепления статора, ДН –

датчики напряжения статора, ψ1з – заданное значение потокосцепления статора, ψ1 – вычисленное значение

потокосцепления статора, Mз – заданное значение электромагнитного момента, M – вычисленное значе-

→

ние электромагнитного момента, U уск – вектор управления состоянием ключей преобразователя частоты ПЧ,

uab , ubc , ia , ib – измеряемые напряжения и токи стато-

→

ра, δ – угол вектора потокосцепления статора ψ1 по

→

отношению к вектору U1 напряжения статора.

В системе управления этим электроприводом управляющими воздействиями являются модуль потокосцепления статора и электромагнитный момент [1]. Задачей, осложняющей разработку систем ПУМ, является определение значений потокосцепления, момента

ичастоты вращения ротора при отсутствии датчиков на валу двигателя. Обычные способы нахождения параметров электродвигателя здесь не осуществимы, поэтому появляется проблема создания адаптивного наблюдателя потокосцепления, момента и скорости для системы ПУМ.

Принципиальным отличием систем векторного управления от системы ПУМ электродвигателя является применение линейных регуляторов потокосцепления

имомента, а не релейных регуляторов этих величин. Релейные регуляторы быстро отрабатывают управляющие воздействия, но в установившемся режиме в системе ПУМ возможно случайное переключение силовых ключей в инверторе. Это может привести к большим колебаниям электромагнитного момента и нежелательным акустическим шумам и вибрациям.

Сцелью снижения описанных негативных воздействий применяют большую частоту переключения силовых ключей инвертора с установкой ширины петель гистерезиса в регуляторах потокосцепления и момента.

Улучшение коммутации силовых ключей инвертора в установившемся режиме возможно с применением

Рис. 3. Функциональная схема ПУМ

векторной пространственной широтно-импульсной модуляции. Такой способ ведет к малым пульсациям тока статора и к сглаженным кривым потокосцепления и электромагнитного момента.

Системы ПУМ позволяют обеспечить отработку ступенчатого задания на номинальный момент за 1–2 мс;

астатическое регулирование момента на низких частотах вращения, включая нулевую скорость; ошибку поддержания скорости вращения до 10 % без использования датчика скорости и до 0,01 % с датчиком. Возможно повышение характеристик электроприводов вагоноопрокидывателей с помощью применения идентификации параметров электропривода.

В электроприводе вагоноопрокидывателей наиболее целесообразно применение таких систем управления, как векторная ШИМ, пространственно-векторная модуляция, ПУМ, резервирование и идентификация параметров. Векторные системы управления обеспечивают регулирование скорости в широких диапазонах, высокие динамические характеристики электропривода, быстрое изменение момента и угловой скорости. Использование ПУМ в электроприводе вагоноопрокидывателя с приводным валом позволяет улучшить качество технологического процесса.

Библиографический список

1.Фираго Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Техноперспектива, 2006. 363 с.

2.Самосейко В.Ф. Теоретические основы управления электроприводом. СПб.: Элмор, 2007. 464 с.

3.Саушев А.В. Основы электромеханического преобразования энергии. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2012. 246 с.