Быстродействующие электроприводы для регулирования натяжения материала при перемотке

В решениях ХХУ1 съезда КПСС в качестве одной из важнейших на XI пятилетку и период до 1990 года ввдвинута задача дальнейшего повышения эффективности производства на основе его всесторонней интенсификации и улучшения качества продукции. Решение поставленной задачи связано с совершенствованием существующих и созданием новых высокоавтоматизированных технологических процессов.

В ряде отраслей промышленности, например, в текстильной, целлюлозно-бумажной, химической, электрои радиотехнической, широко применяются гибкие материалы: ткань, бумага, пленка, лента, нить и т. п. Одним из основных технологических параметров, определяющих качество продукции, при производстве и обработке такого материала является его натяжение. Жесткие требования к качеству регулирования натяжения предъявляются в раз-моточно-намоточных устройствах. Для них характерны высокочастотные возмущения с частотами до 20*25 Гц, вызванные, например, неправильным формообразованием при намотке рулона, деформацией рулона при хранении и транспортировке, несоосностью сочленения рулона с приводом.

Повышение эффективности производства тесно связано с его автоматизацией. Последнее время большое внимание уделяется созданию на базе управляющих ЭВМ автоматизированных комплексов и производств работающих на безлрдной технологии. В этой связи, весьма актуальна задача разработки цифровых и цифро-аналоговых систем контроля и регулирования натяжения, легко сочленяемых с управляющей ЭВМ и обеспечивающих высокий уровень автоматизации производства.

Анализ литературных источников [2, 13, 18, 29, 32, 73J показал, что наиболее перспективны системы регулирования натяжения, построенные на основе электропривода. Теория и практика электроприводов для регулирования натяжения разрабатывались советскими учеными и инженерами: Барышниковым В. Д., Борцовым Ю. А., Быстровым A.M., Дружининым Н. И., Ивановым Г. М., Песьяковым Г. Н., Соколовским Г. Г., Шестаковым В. М., Шустовым А. Д. Филатовым А.С. и др.

Все многообразие работ в области регулирования натяжения с учетом свойств материала можно разделить на две группы:

— работы, где разрабатываются и исследуются системы регулирования натяжения материалов, допускающих значительные остаточные деформации;

— работы, посвященные электроприводам для регулирования натяжения материалов, допускающих незначительные либо не допускающих остаточных деформаций.

К первой группе работ относятся работы в области металлургического электропривода [29, 72, 73J. Примененные в них схемотехнические решения и сделанные выводы мало приемлимы ко второй группе электроприводов.

К материалам не допускающим больших деформаций относятся: бумага, ткань, нить, большинство химических пленок. Причем характерной особенностью является высокая скорость движения указанных материалов при обработке, что ужесточает требования к быстродействию и качеству характеристик электроприводов для регулирования натяжения. Однако многие авторы, исходя из того, что контур регулирования натяжения является внешним и, полагая, что он выполняет роль корректора, а на возмущения в первую очередь реагирует внутренний контур тока якоря, часто не предъявляют высоких требований к быстродействию контура натяжения. Такое представление, как показано в[18], нельзя считать обоснованным, особенно для участков размотки (намотки) рулонов материала .

Часто настройку электроприводов для регулирования натяжения производят без учета свойств управляемого выпрямителя, питающего электродвигатель, что не позволяет полностью использовать возможности вентильного электропривода.

Следует отметить, что создать хороший электропривод для регулирования натяжения невозможно без высококачественного быстродействующего измерительного преобразователя натяжения. Разработке и исследованию измерительных преобразователей натяжения посвящено значительное число работ [3, 15, 26, 85], однако многие преобразователи обладают невысокой полосой пропускания, имеют аналоговый выходной сигнал. Особое значение в современных условиях приобретает создание высококачественных измерительных преобразователей натяжения с выходным сигналом в виде цифрового кода.

Из вышеизложенного следует, что разработка современных быстродействующих автоматизированных электроприводов натяжных устройств и измерительных преобразователей натяжения, имеющих высококачественные характеристики, представляет важную и актуальную научно-техническую задачу.

Цель работы и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка быстродействующих электроприводов для высококачественного регулирования натяжения в установках и машинах, осуществляющих перемотку гибких материалов.

Указанная цель определила следующие основные задачи, поставленные и решенные в работе.

1. Разработка и исследование быстродействующих электромеханических измерительных преобразователей натяжения, обеспечивающих полосу пропускания не ниже 250 рад/с.

2. Теоретическое исследование динамических свойств электроприводов с управляемыми выпрямителями для регулирования натяжения с разработкой рекомендаций по их проектированию, настройке и применению.

3. Разработка самонастраивающейся по основным технологическим параметрам системы электропривода для регулирования натяжения.

4. Создание инженерной методики синтеза электромеханических измерительных преобразователей и быстродействующих электроприводов натяжных устройств.

5. Экспериментальные исследования и внедрение в промын-ленности систем электропривода для регулирования натяжения.

Методы исследований. В работе использованы корневой метод и метод стандартных нормированных уравнений — для исследования линеаризованных структурных схем электроприводаметоды гармонического баланса и «замороженных» коэффициентовдля анализа и синтеза нелинейных и нестационарных систем электроприводачисленные методы с применением ЭВМ — при математическом моделировании статических и динамических характеристикэкспериментальное физическое моделирование — для проверки вццвинутых положений.

Научная новизна заключается в следующем:

— разработан быстродействующий электромеханический измерительный преобразователь натяжения;

— получено математическое описание измерительного преобразователя натяжения, предложена инженерная методика его синтеза;

— разработан ряд систем быстродействующего электропривода для регулирования натяжения материала;

— предложена инженерная методика синтеза быстродействующих систем электропривода с электромеханическим преобразователем натяжения;

— разработан ряд самонастраивающихся систем с адаптивным регулятором натяжения.

Основные схемотехнические решения в области построения систем электропривода натяжных устройств защищены авторскими с виде тельс твами.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработаны рекомендации по исследованию, проектированию и практической реализации систем быстродействующего электропривода с электромеханическим измерительным преобразователем для регулирования натяжения.

Применение предложенных рекомендаций и инженерных методик позволило реализовать измерительный преобразователь натяжения с полосой пропускания до 314 рад/с и электропривод для регулирования натяжения с полосой пропускания 200*220 рад/с при перерегулировании переходной характеристики не более 5%.

Приведенные в работе теоретические положения доведены до уровня инженерных методик расчета, а принципиальные схемы узлов и блоков прошли производственную проверку и доведены до стадии практического использования.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена автором в рамках госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова (номера государственной регистрации 75 019 883, 78 035 555, 81 008 307). Результаты работы внедрены на ордена Трудового Красного Знамени Чебоксарском хлопча-то-бумажном комбинате в виде автоматизированного электропривода шлихтовальной машины ШБ-140 и использованы Львовским научно-исследовательским институтом материалов при проектировании установки АУНАП-600 автоматизированного производства электронных модулей, использованы в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Чувашского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение:

1. На Всесоюзной научно-технической конференции «Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках», г. Тольятти, 1984.

2. На Всесоюзном научно-техническом совещании «Проблемы управления промышленными электромеханическими системами», г. Тольятти, 1982.

3. На областной научно-практической конференции по проблемам совершенствования подготовки инженерных кадров и научно-технического сотрудничества вузов и предприятий ЧАССР, г. Чебоксары, 1981.

4. На итоговых конференциях Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова 1978;1984 гг.

5. Диссертационная работа докладывалась и обсуждалась на семинарах кафедр: «Электропривод и автоматизация промыпленных установок» Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова и «Системы автоматического управления» ордена Ленина Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина.

Публикации. По результатам проведенных исследований получено 5 авторских свидетельств на изобретение и опубликовано 9 научных статей.

Объем работы. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 32 таблиц, список использованной литературы из 93 наименований и приложения на 14 страницах (всего страниц 272).

Выводы

1. Линейная скорость перемотки и диаметр рулона материала, изменяющиеся в широких пределах, оказывают существенное влияние на качество регулирования при фиксированной настройке регулятора натяжения. Электропривод натяжного устройства, настроенный при критическом диаметре рулона, имеет самую узкую зону устойчивой работы. Кривые И) -разбиения плоскости параметров: линейная скорость, диаметр рулона и зависимости показателей качества переходной характеристики имеют экстремум при критическом диаметре рулона. Качество переходной характеристики существенно ухудшается при отклонении диаметра рулона от настроечного значения более чем на 10%.

2. Исследованы и реализованы самонастраивающиеся системы электропривода, обеспечивающие перерегулирование переходной характеристики до Щ и полосу пропускания не ниже 200 рад/с при широком диапазоне изменения линейной скорости и диаметра рулона материала.

Разработано три варианта самонастраивающегося электропривода :

— электропривод с ПИД регулятором натяжения;

— электропривод с комбинированным управлением, ПИ регулятором натяжения и «гибкой» обратной связью по скорости вращения электродвигателя натяжного устройства;

— электропривод с комбинированным управлением, ПИ регулятором натяжения и «жесткой» обратной связью по скорости поворота измерительного вала преобразователя натяжения.

3. Автором в соавторстве с Алатыревым M.G. разработано и внедрено в промышленности цифро-аналоговое устройства для управления магнитным потоком электродвигателя натяжного устройства по А.С.730 630.

Установлено, что погрешность цифрового измерителя диаметра, входящего в состав цифро-аналогового устройства управления магнитные потоком электродвигателя, не превыпает 2,5 $.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ШСТРОДЕЙСТВУЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАТЯЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ПЕРЕМОТКЕ. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ И ВНЕДРЕНИЯ

5.1. Автоматическая система управления скоростью и натяжением нитей в шлихтовальной машине ШБ-140

Шлихтовальная машина текстильного производства предназначена для пропитки нитей основы специальным клеевым раствором — шлихтой с последующей сушкой и парафированием с целью повышения прочности и эластичности основы и придания ей водоотталкивающих свойств.

Основными рабочими органами шлихтовальной машины являются сновальные валики с намотанной на них основой, шлихтовальное корыто с погружающим валиком, сушильные барабаны, выпускной вал и ткацкий навой. В процессе работы основа сматывается со сновальных валиков, проходит через шлихтовальное корыто и между сушильными валами, а затем наматывается на навой.

Скорость шлихтования зависит от производительности сушильной части машины, числа нитей основы будущей ткани и сорта шлихтуемой пряжи.

Для получения продукции высокого качества в процессе обработки необходимо поддерживать натяжение с точностью + Щ> в установившемся и +10 $ в переходном режимах, рабочую скорость движения материала с точностью ±1%, Указанным требованиям в полной мере удовлетворяет регулируемый электропривод постоянного тока. Кроме того, электропривод шлихтовальной машины должен обеспечивать плавный пуск со временем разгона 4−5 срегулирование рабочих скоростей движения материала в диапазоне Ю:1 при максимальной скорости основы 150 м/минналичие заправочной скорости, составляющей 4−6 м/мин.

Электропривод шлихтовальной машины ШБ-140 выполнен от двух электродвигателей постоянного тока Ml и М2 (рис. 5.1). Основные технические характеристики шлихтовальной машины ШБ-140 приведены в табл.5.1 и табл.5.2.

Электропривод навоя. Электродвигатель Ml через редуктор PI приводит в движение ткацкий навой. Основное назначение электропривода навоя состоит в намотке основы с заданным натяжением. Якорь электродвигателя Ml питается от тиристорного преобразователя ТП1 и снабжен двухконтурной схемой регулирования натяжения. Внутренним контуром этой схемы является контур регулирования тока якоря, включающий регулятор РГ1 и датчик ДТ1 тока якоря электродвигателя навоя Ml. Внешний контур регулирования натяжения содержит регулятор натяжения РН и измерительный преобразователь.

Нужное натяжение основы задается посредством рукоятки «задание натяжения» на пульте управления машиной. Рукоятка связана зубчатой передачей с валом бесконтактного сельсина БС1, образуя сельсинный командоаппарат. Сельсин БС1 работает в трансформаторном режиме. Его выходное напряжение, выпрямленное выпрямителем BI, через задатчик интенсивности ЗИ1 подается на вход регулятора натяжения РН и определяет заданное значение натяжения.

Настройка регуляторов PTI и РН выполнена в соответствии выпускной ел л

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ВЯЛ

I п I. Гл/.-о сг: 1 го 0 1

Рис с 5.1. фупкц"Ю1:ааьная охслш СЛУ ш^тюгальпой кашшы пп Наименование показателей Значение

I 2 3

I Ширина рабочей поверхности валов, м 1,5

2 Рабочая скорость движения основы, м/мин 15−150

3 Заправочная скорость движения основы, м/мин 4+10%

4 Натяжение основы на участке выпускной вал — навой, Н 750−1500