Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 17. -

Вып. 3. - 2018. - URL:

http://www.sci.rostelecom67.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.sci.rostelecom67.ru/user/sgma/MMORPH/N-59-html/TITL-59.htm

http://www.sci.rostelecom67.ru/user/sgma/MMORPH/N-59-html/cont.htm

УДК 621.34

Двухдвигательный электропривод для управления

перемоткой ГИБКОГО материала

© 2018 г. Малиновский А. Е., Саватеева И. С.

(malinowsky.doc)

Рассматриваются два варианта технической реализации устройств перемотки с осевым приводом приемного и отдающего барабанов для технологических установок, производящих обработку непрерывно движущегося гибкого материала. Приведены функциональные схемы электропривода, описан принцип их работы и представлены характеристики, поясняющие работу системы управления. Для регулирования и стабилизации технологических параметров (натяжения материала, линейной скорости перемотки) использовано перекрестное включение обмоток якоря и обмоток возбуждения двигателей последовательного возбуждения, что позволило исключить датчики технологических параметров. Предлагаемые схемы наряду с упрощением технической реализации перематывающих устройств обеспечивают их работу с высокими энергетическими показателями.

Ключевые слова: перематывающие устройства, осевой привод, двигатели последовательного возбуждения, перекрестное включение обмоток двигателей, стабилизация натяжения материала, стабилизация линейной скорости перемотки.

Перематывающие устройства являются типовым механизмом технологических установок, производящих обработку непрерывно движущегося материала и применяемых во многих отраслях промышленности (текстильной, бумажной, химической, производстве проводов и кабелей и т.п.). При наличии необходимости стабилизации натяжения и скорости перематываемого материала в таких устройствах не предъявляется очень жестких требований к точности стабилизации этих параметров. В связи с этим для таких механизмов экономически невыгодно применение сложных систем автоматического управления. Целесообразным является максимальное упрощение технической реализации электропривода устройств за счет применения систем, способных к работе без применения датчиков технологических параметров и к саморегулированию. В этой связи представляет интерес возможность использования для электропривода перематывающих устройств двигателей постоянного тока последовательного возбуждения[1, 2].

Рассмотрим два варианта технической реализации устройств перемотки с двигателями последовательного возбуждения при использовании перекрестного включения обмоток якоря и обмоток возбуждения двигателей.

На рис. 1 изображена функциональная схема устройства для перемотки гибкого материала с осевым приводом приемного и отдающего барабанов. Устройство содержит якорную обмотку 1 двигателя наматывающего барабана 2, якорную обмотку 3 двигателя сматывающего барабана 4, обмотки возбуждения 5,6 двигателей барабанов, регуляторы 7, 8 возбуждения, задатчики 9,10, датчик тока 11, блок нелинейности 12, преобразователь 13 напряжения. В качестве преобразователя 13 может быть использован типовой преобразователь напряжения постоянного тока. В качестве регуляторов возбуждения могут быть использованы регулируемые резисторы или импульсные регуляторы.

В соответствии с включением якорных обмоток и обмоток возбуждения скоростные характеристики двигателей имеют следующий вид:

для двигателя наматывающего барабана

(1)

сматывающего барабана

(2)

где k₁ = k₂ = k - конструктивные коэффициенты двигателей;U - напряжение питания (напряжение на выходе преобразователя 13);r- сопротивление якорной цепи;α₁и α₂ - коэффициенты связи между током и потоком.

При этом двигатель наматывающего барабана работает в двигательном режиме, а сматывающего – в режиме с рекуперацией энергии. Это достигается соответствующим заданием регуляторами 7, 8 потоков возбуждений.

Моменты и усилия натяжений двигателей наматывающего и сматывающего барабанов определяются выражениями:

(3)

(4)

Зависимости радиусов намотки рулонов наматывающего и сматывающего барабанов от длины перемотанного материала определяются по выражениям:

где - длина перемотанного материала; - максимальная площадь намотки барабана; - минимальная площадь намотки барабана; и - текущие площади намотки рулонов сматывающего и наматывающего барабанов; ∆ - толщина ленточного материала.

Задаваясь значением _тек, можно определить текущие значения радиусов рулонов R₁, R₂при перемотке. Задаваясь значениями коэффициентов связи между током и потоком α₁и α₂ (в данном случае их соотношение α₂/α₁ принято равным 6), устанавливают ихс помощью регуляторов возбуждения и задатчиков. В соответствии с необходимым значением усилия натяжения F=F₁=F₂можно определить по выражениям (3), (4) текущие значения токов I₁, I₂ (рис. 2).

Учтя связь между линейной скоростью V движения материала и угловой скоростью барабанов

(5)

и используя выражения (1), (2), получим уравнение

(6)

которое при подстановке токов I₁и I₂, позволяет получить зависимость входного напряжения преобразователя 13 от радиусов рулонов барабанов (рис. 3), при которой выполняется условие поддержания постоянства натяжения.

Управление напряжением преобразователя осуществляется одним из токов якоря, в данном случае током I₂. Ставя в соответствие текущим значениям радиусов значения тока I₁ или тока I₂ и напряжение преобразователя, получают необходимую характеристику блока нелинейности 12.

Устройство работает следующим образом. Исходя из необходимого значения усилия натяжения F, определяемого значением тормозного момента двигателя сматывающего барабана, с помощью задатчиков и регуляторов возбуждения устанавливают соотношение между током и потоком α₂, а значение α₁ выбирают в пределах (1/6÷1/9) α₂. Как показывает опыт, в этом случае при соотношениях диаметров рулонов 1:5 двигатель сматывающего барабана находится в режиме рекуперации энергии, а наматывающего – в двигательном. При увеличении соотношения диаметров рулонов необходимо увеличить и соотношение коэффициентов α₁, α₂. Протекая по якорным обмоткам и обмоткам возбуждения, токи I₁ и I₂ создают моменты и усилия в соответствии с выражениями 3, 4. Значение тока якоря I₂ двигателя сматывающего барабана регистрируется датчиком тока и поступает на блок нелинейности, который вырабатывает управляющее напряжение преобразователя. Выходное напряжение преобразователя при этом меняется в соответствии с законом, представленным на рис. 3, поддерживая усилие натяжения в процессе перемотки на заданном уровне.

Необходимо отметить, что при соотношении диаметров рулонов не более 1,5 и соотношении α₂/ α₁ = 1:6постоянство усилия натяжения при перемотке при данном включении двигателей поддерживается с точностью ±3% даже при питании двигателей непосредственно от сети постоянного тока с фиксированным напряжением (т.е. без использования блоков 11–13).

Предложенная система позволяет, используя одно преобразовательное устройство, осуществить управление двумя двигателями, обеспечивая стабилизацию натяжения перематываемого материала без применения датчиков натяжения. Однако значение линейной скорости перемотки в данном случае не будет оставаться постоянным (см. рис. 2).

В тех случаях, когда необходимо осуществлять одновременно стабилизацию линейной скорости и натяжения материала, можно использовать структуру электропривода, в которую введен датчик угловой скорости. Функциональная схема электропривода устройства изображена на рис. 4. Для этой схемы остаются справедливыми зависимости (1) – (5). Выразив токи из (3), (4) и подставив их в (1), (2), получим выражения, связывающие значения токов двигателей с параметрами процесса перемотки:

(7)

(8)

По выражениям (7), (8), зная величину питающего напряжения и заданное усилие натяжения, используя зависимость текущих значений радиусов и угловых скоростей при перемотке, приведенные на рис.5, находят величину токовI₁, I₂.Значения токов в процессе перемотки остаются постоянными. Это следует из выражений (7), (8), т.к. при условии перемотки с F = const;V= constвыполняется условие Mω= const.

Выполнение данного условия в приведенном устройстве возможно при регулировании коэффициентов связи между током и потоком двигателей, что следует из выражения (3):

(9)

Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение создает в якорной обмотке 1 ток, являющийся током обмотки 6 возбуждения двигателя сматывающего рулона. Аналогично, ток якорной обмотки 3 является током обмотки 5 возбуждения. Значения коэффициентов α₁ и α₂ устанавливают регуляторами 7, 8 в соответствии с выражениями (9). Т.к. регуляторы возбуждения с технической точки зрения представляют собой регулируемый токовый ответвитель, то зависимость тока возбуждения I_ОВ от якорного тока пропорционально коэффициенту α определяется коэффициентом А.

I₁ = I_1ОВ+ I_{1 РЕГ}= I_1ОВ+ А₁I₁ ;

I_1ОВ= I₁(1 -А₁),

где I_{1 РЕГ} – ток, протекающий по регулятору.

Для обеспечения вышеуказанных соотношений необходимо выполнение условий:

α₁ = 1 -А₁; α₂ = 1 -А₂.

Зависимости управляющих сигналов А₁, А₂ регуляторов 7, 8 от радиусов перемотки барабанов приведены на рис. 5.

Рисунок 5

Выходное напряжение датчика 11 скорости, пропорциональное скорости вращения наматывающего барабана, поступает на входы блоков 12, 13 нелинейности. Характеристики блоков нелинейности связывают зависимости скорости ω₁ с коффициентамиА₁, А₂, приведенными на рис. 5. Сигналы с выходов блоков нелинейности, пропорциональные А₁, А₂, поступают на входы регуляторов 7, 8 возбуждения через задатчики 9, 10. Меняя амплитуды входных напряжений регуляторов с помощью задатчиков, можно менять механические показатели перемотки.

Рассмотренные схемы перематывающих устройств позволяют, используя простые технические средства, осуществить управление перемоткой с постоянством технологических параметров (натяжения, скорости) при высоких энергетических показателях, обусловленных возможностью рекуперации энергии.

Литература

1. Устройство для регулирования натяжения перематываемогоматериала.А.С.1400998 4В65Н77/00, Н02Р5/50,1988. БИ № 21.

2. Устройство для управления перемоткой длинномерного материала. А.С.1514718 4В65Н77/00, 1989. БИ № 38.

TWO-ELECTRIC DRIVE FOR CONTROL MOVEMENT OF FLEXIBLE MATERIAL

Malinowsky A. E., Savateeva I. S.

Two variants of the technical realization of the rewind devices with axial drive of the receiving and delivering drums for technological installations that process continuously moving flexible material are considered. The functional schemes of the electric drive are presented, the principle of their operation is described and the characteristics explaining the operation of the control system are presented. For the regulation and stabilization of technological parameters (material tension, linear speed of rewinding), a cross-connection of the armature windings and the excitation windings of the series excitation engines was used, which made it possible to exclude sensors for process parameters. The proposed schemes along with the simplification of the technical implementation of rewinding devices ensure their operation with high energy performance.

Key words: rewinding devices, axial drive, sequential drive motors, cross-connection of motor windings, stabilization of material tension, stabilization of linear speed of rewinding.

Сведения об авторах

Малиновский Александр Евгеньевич

Профессор кафедры «Электромеханические системы» Смоленского филиала

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», д.т.н.

Саватеева Ирина Сергеевна

Доцент кафедры «Электромеханические системы» Смоленского филиала

ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», к.т.н.

Кафедра «Электромеханические системы»

Филиал ФГБОУ ВО

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

в г. Смоленске

Поступила в редакцию 29.06.2018