Фёдорович снижение энергопотребления универсальных швейных машин

На правах рукописи

Горяинов Михаил Фёдорович

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНЫХ

ШВЕЙНЫХ МАШИН ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Шахты – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский технологический институт сервиса»

филиал (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС») на кафедрах

«Информационные технологии и электроника», «Технический сервис»

Научный руководителькандидат технических наук, доцент

Лоскутов Евгений Данилович

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор Эскин Илья Юрьевич

кандидат технических наук, доцентСухарникова Валентина Александровна

Ведущая организацияФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Московская обл., п.Черкизово

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» по адресу: 346500, г. Шахты Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 2 247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса».

Текст автореферата размещён на сайте ЮРГУЭС: http: HYPERLINK «http://www.sssu.ru»www.sssu.ru

Автореферат разослан: «22» ноября 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.313.01Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Наибольшую долю оборудования швейных предприятий, в том числе и сферы услуг, составляют универсальные швейные машины, которые в то же время являются наиболее энергозатратными в расчёте на единицу продукции. Так, по данным ранее проведенных исследований, до 70 % рабочего времени двигатель работает на холостом ходу при выполнении операций, в которых время вспомогательных приёмов значительно превышает машинное время.

В Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23.11.2009 г. в ст. 10 указано: «производимые на территории Российской Федерации и ввозимые товары должны содержать информацию о классе их энергетической эффективности». В принятом в соответствии с этим законом Постановлении от 31 декабря 2009 г. № 1221 «Об утверждении правил установления требований энергетической эффективности товаров, работ и услуг» в перечне товаров, в отношении которых устанавливаются требования энергетической эффективности, указаны и приводы к швейным машинам.

Существенная экономия электроэнергии может быть достигнута при применении регулируемых электроприводов для управления технологическими процессами при шитье.

Исследования особенностей применения некоторых типов электроприводов, проведённые фирмами «Джуки» (Япония), «Римольди» (Италия), касались, в основном, расширения функциональных возможностей машин и их скоростного режима. При этом не учитывались потери энергии при разгоне и выбеге электродвигателей универсальных швейных машин при их остановке и пуске в процессе обработки изделий по различным технологиям и физико-механическим свойствам текстильных материалов. А потому исследования, ведущие к экономии электроэнергии на заготовительных и монтажных участках швейного производства, представляются своевременными и актуальными.

Целью диссертационной работы является снижение энергопотребления универсальных швейных машин при использовании частотно-регулируемого электропривода.

Объектом исследования является универсальная швейная машина 131 класса АО «Орша», оборудованная частотно-регулируемым электроприводом.

Предметом исследования является процесс выполнения технологических операций на универсальной швейной машине с частотно-регули-руемым электроприводом и его энергетические характеристики.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

проанализировать основные конструктивные параметры электроприводов универсальных швейных машин, определяющих характер и условия процесса шитья, и выбрать наиболее эффективные пути их совершенствования;

провести математическое моделирование переходных процессов во время разгона и выбега электродвигателя привода и обосновать целесообразное схемное решение энергосберегающего электропривода переменного тока с частотным регулированием для универсальной швейной машины;

разработать лабораторный стенд для экспериментального исследо-вания процессов шитья на машине, оборудованной частотно-регу-лируемым электроприводом с электронной системой управления;

провести экспериментальное исследование швейной машины с частотно-регулируемым электроприводом для уточнения математической модели, описывающей переходные процессы в зависимости от технологических особенностей шитья;

разработать рекомендации по использованию частотно-регулируе-мого электропривода в универсальных швейных машинах и режимов его работы, обеспечивающих снижение энергопотребления при выполнении технологических операций.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы, входящие в базу теоретических основ электротехники, математического анализа, теории планирования эксперимента, математической статистики, тензометрии.

Научная новизна работы:

— Проведено математическое моделирование переходных процессов универсальной швейной машины с частотно-регулируемым электроприводом с учетом зависимости приведенного к главному валу машины момента сопротивления движению от физико-механических свойств материалов;

— Установлена и теоретически обоснована взаимосвязь момента на главном валу машины, электромагнитного момента ротора и регулируемого напряжения питания электродвигателя и ее использование для управления параметрами технологических процессов в универсальных швейных машинах с частотно-регулируемым электроприводом.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

схемного решения частотно-регулируемого электропривода для универсальной швейной машины;

способа управления универсальной швейной машиной при использовании частотно-регулируемого электропривода;

алгоритма и программного обеспечения для управления режимами шитья.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается:

использованием в качестве теоретической базы фундаментальных исследований отечественных и зарубежных авторов в области швейного машиностроения и автоматизированного электропривода;

применением современных методов исследований, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов, использованием ПК и пакета прикладных программ для обработки полученных результатов;

апробацией теоретических выводов на научных конференциях и опубликованием работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на межвузовских научно-практических конференциях Ставропольского технологического института сервиса (г. Ставрополь – 2003, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты – 2008), на XI Международной научно-практической конференции «Наука и современность» (г. Новосибирск – 2011г.), на Всероссийской научно-практической конференции Ростовской инженерной академии (г. Ростов-на-Дону – 2011 г.).

Результаты работы использованы предприятиями ЗАО Швейная фабрика «Весна», ООО «Бытсервис», ООО НПП «Ставропольские инновации в промышленности» г.Ставрополя и др.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе СТИС (филиал) ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» при изучении дисциплин «Электротехника и электроника» и «Электропривод и системы управления бытовых машин и приборов», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 16 работ, в том числе две в изданиях из перечня ВАК РФ, а также получено два патента РФ на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, приложений и содержит 135 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 15 таблиц и список литературных источников из 95 наименований.

Диссертация выполнена на кафедрах «Информационные технологии и электроника» и «Технический сервис» Ставропольского технологического института сервиса (филиал) ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена её цель и сформулированы задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов исследования.

В первой главе на основе анализа результатов исследований Чиликина М.Г., Бродягина В.Г., Кобозева А.М., Вальщикова Н.М., Поливано- ва С.Ю., а также современных зарубежных разработок фирмы «Джуки» (Япония), «Римольди» (Италия) в области швейного оборудования и его приводов, показаны особенности выполнения различных технологических операций процессов шитья, выявлены критерии работоспособности швейных машин.

На основе анализа характеристик электроприводов швейных машин определена целесообразность создания энергосберегающего электропривода для универсальных швейных машин с регулируемыми параметрами (частота вращения ротора, величина электромагнитного момента) в зависимости от выполнения различных технологических операций.

Проанализированы известные математические модели, описывающие рабочий цикл швейной машины, показана невозможность их использования для установления связи между параметрами энергосберегающего электропривода и параметрами шитья.

Определены основные направления исследований электропривода универсальной швейной машины с учётом особенностей технологических операций, а также переходных процессов, происходящих в электроприводе во время пуска и останова асинхронного электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме.

Во второй главе показана целесообразность использования частотно-регулируемого электропривода в универсальных швейных машинах. Разработана конструкция регулируемого электропривода с системой управления на кафедре «ИТ и Э» М.Ф. Горяиновым и кафедре «ТС» В.С. Ядыкиным «СТИС» филиал ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС». Разработки защищены патентами РФ № 2358378, № 2391677.

На рисунке 1 приведена блок-схема швейной машины с частотно-регулируемым электроприводом.

Рисунок 1 – Блок-схема швейной машины

с частотно-регулируемым электроприводом

Как видно из рисунка 1, узлы швейной машины 131 класса АО «Орша», связанные с фрикционной муфтой и находящиеся между педалью и асинхронным двигателем, заменены на блок силовых модулей частотно-регулируемого привода.

Для электромеханических переходных процессов частотно-регули-руемого электропривода швейной машины наиболее характерными видами режимов работы являются:

процесс разгона;

процесс выбега;

изменение нагрузки на валу двигателя.

Для анализа переходных режимов, происходящих при питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты, использована система дифференциальных уравнений, описывающих процессы электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в электроприводе швейной машины в течение её рабочего цикла. При этом электромеханические процессы описываются уравнением движения (1), а электромагнитные – уравнениями напряжений (2).

EMBED Equation.3. (1)

Исходные уравнения напряжений (2) для системы частотно-регули-руемого электропривода швейной машины целесообразно записывать в фазных координатах а, b и c для статора и прямоугольных α и β – для ротора:

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 , (2)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

где Usa,Usb,Usc − мгновенные значения фазных напряжений обмоток статора;

isa, isb, isc − мгновенные фазные токи статора;

ψEMBED Equation.3, ψEMBED Equation.3 − составляющие вектора потокосцепления ротора по осям α и β;

ω − угловая частота вращения ротора;

Мэм − электромагнитный момент;

Мс – момент сопротивления, отражающий приведённый момент швей-ной машины с учётом усилия прокола;

Ls и Lr − полные собственные индуктивности фазы обмотки статора и ротора;

Lm − взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора от основного потока на одну фазу;

σ − коэффициент рассеяния, равный:

EMBED Equation.3,

где rs, rr − активные сопротивления фазы обмоток статора и ротора;

р − число пар полюсов;

J − момент инерции маховых масс двигателя и нагрузки.

Система уравнений (2) может быть записана в именованных или в относительных единицах, причём в последнем случае за базисные принимаются следующие величины:

EMBED Equation.3; EMBED Equation.3; EMBED Equation.3;

EMBED Equation.3; EMBED Equation.3; EMBED Equation.3;

EMBED Equation.3; EMBED Equation.3; EMBED Equation.3; EMBED Equation.3.

Система уравнений (2) в общем случае не может быть решена аналитически, поэтому для численного решения её следует привести к каноническому виду:

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 (3)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Составлен алгоритм численного решения системы уравнений (3) и программа (рис. 2) для его реализации (РЭМПЭД), определены теоретически зависимости, представленные на рисунке 3.

Рисунок 2 – Блок-схема основного алгоритма математической модели

переходного процесса при разгоне электродвигателя

Рисунок 3 – Расчётные характеристики переходного процесса

при разгоне электродвигателя при номинальной нагрузке:

1 – момент электромагнитный; 2 – частота вращения ротора электродвигателя;

3 – ток в статорной обмотке электродвигателя

Полученные зависимости между частотой вращения ротора электродвигателя, его электромагнитным моментом и током в обмотках во время разгона электродвигателя дают возможность регулирования режимами работы частотно-регулируемого электропривода универсальной швейной машины при сшивании различных по физико-механическим свойствам (поверхностной плотности, толщине) материалов при пуске и останове электродвигателя.

В третьей главе приведена методика и результаты экспериментальных исследований работы универсальной швейной машины 131 класса ОА «Орша» с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРЭП). Исследованы пусковые характеристики электродвигателя швейной машины (зависимости тока в обмотках статора, частоты вращения, момента главного вала швейной машины от времени) с фрикционным и частотно-регулируемым электроприводами при стачивании различными типами иголок, различного количества слоёв материалов различной плотности:

1) сорочечная лёгкая ткань – страна-производитель Япония, фирма «Торей», поверхностная плотность ткани 105 г/м2, состав: 65 % – полиэстер, 35 % – хлопок, арт. ТТР4186;

2) костюмная ткань – страна-производитель Россия, поверхностная плотность ткани 240 г/м2, состав: 33 % – шерсть, 67 % – полиэстер, арт. 05С67-ДЯ;

3) джинсовая хлопчатобумажная ткань (Премьер Cotton 300) – страна-производитель Россия, фирма «Чайковский Текстиль», поверхностная плотность ткани 300 г/м2, состав: 100 % – хлопок, арт. 10408.

Исследовано влияние выходных параметров преобразователя частоты на работу электропривода швейной машины

Для определения момента на главном валу швейной машины при сшивании различных материалов, предварительно, с помощью тензометрических датчиков, определялось усилие их прокола иглой на устройстве, схема которого приведена на рисунке 4.

а) б)

Рисунок 4 – а) схема устройства для определения усилия прокола

материала иглой (1 – игла; 2 – испытуемый материал; 3 – тензодатчик);

б) схема установки (1 – тензодатчик; 2 – АЦП; 3 – фильтр; 4 – осциллограф)

На рисунке 5 приведены зависимости усилия прокола от количества слоёв для различного типа иголок.

Рисунок 5 – Зависимости усилия прокола джинсовой ткани

от количества слоёв для различного типа иголок

Для установления связи между параметрами преобразователя частоты и моментами сопротивления движению главного вала при сшивании различных по физико-механическим свойствам материалов при разгоне и выбеге электродвигателя машины была спроектирована экспериментальная установка, блок-схема которой приведена на рисунке 6.

EMBED Visio.Drawing.11

Рисунок 6 – Блок-схема измерительного комплекса для исследования

работы электропривода совместно со швейной машиной

Измерительный комплекс состоит из источника питания (ИП), преобразователя частоты (ПЧ), блока датчиков (БД), микропроцессорной системы управления (МПСУ), персонального компьютера (ПК), асинхронного двигателя (АД) и швейной машины (ШМ). Класс точности измерительных приборов используемых при измерениях составляет 0,1% — 0,2%.

Характер полученных в ходе эксперимента зависимостей (рис. 7) соответствует рассчитанным по разработанной программе.

EMBED Visio.Drawing.11

Рисунок 7 – Осциллограммы пусковых характеристик частотно-регулируемого электропривода швейной машины для разных тканей:

М – момент на валу двигателя; I – ток в обмотках электродвигателя;

ω – частота вращения вала

(сорочечная/, костюмная//, джинсовая///)

На основе данных, полученных при экспериментальном выполнении технологической операции «обтачивание планки» на универсальной швейной машине 131 класса ОА «Орша» с фрикционным и частотно-регулиру-емым электроприводом (электродвигатель 4АХ71А2Ш мощностью 0,37 кВт), построены тахограммы рабочих циклов.

EMBED Visio.Drawing.11

Рисунок 8 – Тахограммы, полученные при обтачивании планки сорочки

на универсальной швейной машине:

1 – теоретическая с частотно-регулируемым электроприводом;

2 – экспериментальная с частотно-регулируемым электроприводом;

3 – экспериментальная с фрикционным электроприводом

Максимальные отклонения теоретических и экспериментальных значений времени разгона электродвигателя не превышают 16 %, что подтверждает адекватность разработанной модели переходных процессов во время рабочего цикла машины. Причём время разгона двигателя с частотно-регулируемым приводом сокращено по сравнению с фрикционным приводом в 1,9 раза из-за облегчения разгоняемой системы «привод-машина».

Для изучения перегрева обмоток двигателя в условиях повторно-кратковременного режима – при частых пуске и останове привода, включающего асинхронный двигатель и преобразователь частоты. Технологическая повторялась при 20 пусках и остановах привода. Число экспериментов определялось при значении критерия Стьюдента равным 0,95. Экспериментально установлено, что температура нагрева изоляции обмоток двигателя при температуре окружающей среды 25 0С не превышала 70º, при предельно допустимой температуре, равной 130º, для класса нагревостойкости изоляции «В».

Рисунок 9 – Диаграмма нагрева обмоток двигателя электропривода

швейной машины при обтачивании планки сорочки:

температура нагрева обмоток электродвигателя; 2- ток в обмотках двигателя

В четвёртой главе на основе результатов исследования режимов работы универсальной швейной машины с частотно-регулируемым электроприводом разработано руководство для работы с системой управления и рекомендации по внедрению частотно-регулируемого электропривода в универсальных швейных машинах.

Система управления электроприводом с преобразователем частоты швейной машины представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Блок-схема швейной машины с частотно-регулируемым

электроприводом и системой управления:

1 – головка швейной машины; 2 – ременная передача; 3 – электродвигатель;

4 – инвертор; 5 – выпрямитель; 6 – микропроцессор; 8 – командное устройство;

9 – блок коррекции сигналов; 10 – блок памяти; 11 – пульт задачи параметров шитья;

12 – датчик скорости; 13 – главный вал; 14 – ведомый шкив; 15 – игла; 16 – материал

В зависимости от типа сшиваемого материала (поверхностной плотности материала, толщины материала, количества слоёв, типа применяемой иглы) и параметров технологической операции (длина стежков, строчки) в систему управления вводятся их численные значения, а также параметры частотно-регулируемого электропривода (напряжение на обмотках электродвигателя, момент сопротивления движению на главном валу машины, время разгона и выбега), после чего формируются выходные характеристики электродвигателя (ток в обмотках статора, электромагнитный момент, частота вращения ротора) при минимально возможном времени выполнения данной технологической операции.

Для оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты предложено использовать коэффициенты потерь пути и времени при разгоне и выбеге, выраженные через безразмерные параметры электропривода. Полученные при решении уравнений движения швейной машины графические зависимости коэффициентов потерь от характеристик швейной машины и электропривода позволяют при проектировании привода машины рационально выбирать его параметры.

Анализ энергопотребления фрикционным и частотно-регулируемым электроприводами универсальных швейных машин показал, что у швейной машины, снабженной фрикционным приводом, потребление электроэнергии в среднем на 40 % (рис. 11) больше, чем у швейной машины, работающей от частотно-регулируемого электропривода.

Рисунок 11 – Диаграммы потребления электроэнергии ФЭП и ЧРЭП за год

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.На основе анализа существующих электроприводов универсальных швейных машин и технологических процессов, выполняемых ими, определены направления по сокращению длительности рабочих циклов машин и снижению энергопотребления.

2.Проведено математическое моделирование переходных процессов универсальной швейной машины с частотно-регулируемым электроприводом с учетом зависимости приведенного к главному валу машины момента сопротивления движению от физико-механических свойств материалов;

3.Управление параметрами технологических процессов в универсальных швейных машинах с частотно-регулируемым электроприводом осуществляется на основе взаимосвязи момента на главном валу машины, электромагнитного момента ротора и регулируемого напряжения питания электродвигателя.

4.Разработан частотно-регулируемый электропривод для универсальной швейной машины (патент № 2358378), система управления (патент № 2391677), позволяющие снизить энергопотребление при выполнении различных технологических операций.

5.Экспериментально подтверждена адекватность полученной математической модели переходных процессов универсальной швейной машины с частотно-регулируемым приводом в течение рабочего цикла. Отклонения экспериментальных данных от теоретических не превышают 16 %.

6.Теоретически обосновано и экспериментально установлено, что время разбега электродвигателя в частотно-регулируемом приводе сокращено в 2,2 раза по сравнению с фрикционным.

7.Доказана эффективность использования частотного преобразователя в электроприводе универсальных швейных машинах обеспечивающего снижение энергопотребления до 40 % за счёт отключения двигателя при выполнении вспомогательных приёмов, время которых более чем в 2,5 раза превышает машинное время всей технологической операции.

8.Разработаны рекомендации по использованию частотно-регулируемого электропривода в универсальных швейных машинах при их проектировании и эксплуатации.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

Горяинов, М.Ф. Модернизация электропривода швейных машин / М.Ф. Горяинов // Швейная промышленность : науч.-техн. и произв. жур. – М. : Швейная промышленность, 2009. – № 5. – С. 42–43.

Вострухин, А.В. Микроконтроллерный датчик ёмкости и сопротивления / А.В. Вострухин, В.С. Ядыкин, М.А. Ерина, Л.Н. Королькова, П.Ю. Пташкин, М.Ф. Горяинов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии / под ред. А.П. Лунева. – Астрахань : Изд-во «Астраханский университет», 2011. – С. 21.

Патенты, свидетельства о регистрации программного продукта

Патент RU 2358378 С1 МПК Н 02 М 5/297. Статический преобразователь частоты / Ядыкин В.С., Ерина М.А., Матевосян С.Ю., Горяинов М.Ф., Марохин Е.Ю.. – 2008110816/09; Заяв. 24.03.2008 ; Опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16. – 7 с. :ил.

Патент RU 2391677 С1 МПК G 01 R 27/26. Микроконтроллерный измерительный преобразователь ёмкости и сопротивления в двоичный код / Лоскутов Е.Д., Вострухин А.В., Ядыкин В.С., Ерина М.А., Горяинов М.Ф. – 2009112252/26 ; Заяв. 03.04.2009 ; Опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16. – 10 с. :ил.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

Ядыкин, В.С. Возможности увеличения коэффициента мощности устройства с управляемыми вентилями / В.С. Ядыкин, М.Ф. Горяинов, М.А. Ерина, А.В. Жидков // Совершенствование техники, технологии, экономики в сфере сервиса и методики обучения : Третья межвуз. науч.-практич. конф. / СТИС ЮРГУЭС ; под ред. Н.И. Лежебокова. – Ставрополь : Мысль, 2003. – С. 32–33.

Ядыкин, В.С. Особенности работы двигателей серии АИ в электроприводе повышенной частоты тока / В.С. Ядыкин, М.Ф. Горяинов, М.А. Ерина, А.В. Жидков // Совершенствование техники, технологии, экономики в сфере сервиса и методики обучения : Четвёртая межвузовская науч.-практич. конф. / СТИС ЮРГУЭС ; под ред. Н.И. Лежебокова. – Ставрополь : Мысль, 2004. – С. 44–45.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст