автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Анализ режимов работы привода приемно-намоточных механизмов и роторных узлов с синхронно-реактивными двигателями машин химических волокон методами математического моделирования

С""' / /

п8!117т ттг^ттгттп17ттг»/~пгггй 71пгп7тг л пптг5тг1 1? 77 7Г~к 1Т1ТТЛТЬТ?ТЗГПЛ'Г'П'ГГ

ияпл 1 "НЕ, I с-гхи 1 ии,? X СИППОЙ 2 ГШСЕ.Г(-?.И X £.,1

ГЕХНОЛОГЙИ И ДИЗАЙНА

тгт.-г е"!»-; гчег-1 -1 . сгн --; о о О/ / * * г я ОЛО* О

на правах рукописи

шйУНьв Денис иаргееыш ■.

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИВОДА ПНИЕМНи-НАМОТОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ И РОТОРНЫХ УЗЛОВ О СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЯМИ МАШИН

глл ПП ТТГ№ТН 7 >. 1ГГ-ТГ-,— А>. #Тл ?. 3 А ТТ7>. .5 А ТТ-ГГ ТЛ" ¡~ 7."ГУПГ", IЙ'ГМТТТ'7ТТ,Т~Г17~.> А 7 ТТ/Г'ГТ

оишлип РЯС,! иДнХШ! ШАЛ£ЛУ1Н.1.!С1'1£Л-;1\Ш и

Специальность иь.и^ЛУ - Машины и агрегаты (легкая

промышленность)

ТГМПЛТТЧТГ А ТГТ/ГС7

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук профессор Климов В,А,

— не х е ии у их

-1 Г ; о

П,- ТГТ?Г>'Л? д т гмт?

. | I I • г г~шД Г1 г-

т-г:.Т7-ТГТ7-7 77л 771 I. - ....,,,,,,,,.,,.,,, . ...... . - . , д ,.........., . . . . . , , и

1, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СИНХРОННО-РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕС-

7/ТЛ/ 7ГГ\1/—,7 Г -1 П

х\нл силилип................................................. ли

1,1, гиЛс лпглпч.^иГъпл шлишн п ттг^п а иринышлсдлиитп, ...........хи

1 л , краткий оозор литературы по исследованию синхронно-реактивного электропривода, ,,,,....,,...,.,......,.,.,... 11

1.3. Общая характеристика быстроврядушщихся узлов машин

для производства и переработки химических волокон.......... 14

1.3. 1. Классификация и в и е м н о - к зм о т о ч н ых механизмов (ПНМ). используемых в машинах для производства и переработки химических волокон.................................. 14

1.3,2. привод о ы с т р о в р ащающих с я узлов машин примени емых

в производстве химических волокон и в других отраслях промышленности....................................................................24

1.4. Требования к электроприводу быстроврашдощихся узлов машин для производства химических волокон...............

1.5. Актуальность исследования индивидуального привода оыстровращающихся роторных узлов машин химволокон...........

1.6. Постановка задачи исследований.

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПНМ И РОТОРНЫХ

- гг.- тт~-,~ ъп, гту,гатл\.' л д г «пптпптг тгт т п тП ттттмтэлтг О-У

¿ОЛиС) Ш¥Н11и1ЦМЛ иНШио1иЛ1Е»ШЭЛЕШ 11ГПП иД. ...................... ог

2.1. Основные элементы и классификация динамических моделей ПНМ,................................................................37

2.2. Динамическая модель механической части ПНМ, момент

инерции и момент сопротивления,.......,....,........,.,...., 44

2.У. математические модели ПНМ и роторных узлов, имеющих самостоятельный привод..........................................................48

2, ¿5,1, основная математическая модель привода ПНМ и ро-

32

торных узлов с синхронно-реактивным двигателем (СРД)........ 48

2.3.2. Определение соотношения между коэффициентами гармонических составляющих индуктивноетей и взаимных индуктивноетей статора СРД и их числовых значений........... 57

2.3.3. Уравнения равновесия напряжений СРД................. 61

2.3.3.1. Математическая модель СРД в двухфазной системе координат...................................................................85

2.3.3.2. Система дифференциальных уравнений., приведенная к нормальному виду относительно статорных токов......... 66

2.3.3.3. Система дифференциальных уравнений, приведенная к нормальному виду относительно потокосцеплений......... 68

2.3.3.4. Специальная математическая модель СРД.............. 70

2.3.3.5. Математическая модель СРД с постоянными коэффициентами, записанными относительно потокосцеплений........ 71

2.3.3.6. Математическая модель СРД с постоянными коэффициентами, записанная относительно токов................... 74

2.3.4. Математическая модель СРД с постоянными коэффициентами. записанная относительно потокосцеплений, при

учете постоянных магнитов (модель СДПМ)..................... 78

3. ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВЫХ I НЕУСТОЙЧИВЫХ РЕШЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРИВОДА ПНМ С СРД.....................................................____ 80

3.1. Математическая модель привода ПНМ с СРД................ 80

3.1.1. Исходная неавтономная система дифференциальных уравнений динамики привода с СРД.____....................... 80

3.1.2. Исходная автономная система дифференциальных уравнений динамики привода с СРД............................ 81

3.1.3. Система уравнений фазовых портретов.................. 82

3.2. Устойчивые и неустойчивые решения математических

моделей на синхронной скорости.............................. 82

3.2.1. Устойчивость системы уравнений, описывающий механическую часть..........................................................88

3.2.2. Устойчивость полной системы уравнений................ 96

3.2.2.1. Общая характеристика исследований.................. 96

3.2.2.2. Определение характеристического уравнения для

первого установившегося режима.............................. 97

3.2.2.3. Определение характеристического уравнения для

второго установившегося режима................................................103

3.3. Анализ устойчивости установившихся режимов по системе механических уравнений и по полной системе уравнений. ......_________......................................... 106

3.4. Установившиеся режимы на несинхронных скоростях........ 125

3.4.1 Дополнение к общей характеристике динамики ОРД........ 125

3.4.2. Выявление совокупностей параметров и характеристик, неприемлемых для поддержания требуемых режимов

работы ОРД.................................................. 129

3.4.3. Исследования установившихся режимов на несинхронных скоростях............................................ 132

3.5. Переходные процессы и установившиеся режимы ОДПМ..,.... 142

3.5.1. Установившиеся режимы ОДПМ..,,,.......,......................142

3.5.2. Численно-графическая схема определения установившихся режимов.................____________............... 143

3.5.3. Численно-аналитическая схема определения установившихся режимов............................................ 145

3.5.4. Переходные процессы ОДПМ,............................ 150

3.6.Квазиустановившиеся режимы и разгон двигателя ОРД....... 150

4. ВЫБОР МЕТОДА ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ШДЕЛй СРД......____.................................... 167

4.1. Общая характеристика главы..,........,,,..,..,,......., 167

4.2. Влияние шага интегрирования на результаты счета на

примере базового варианта привода с СРД..................... 170

4.3, устранение счетной неустойчивости коррекцией методологии вычисления правых частей уравнений в процессе интегрирования.............................................. 180

4.4, Причины появления счетной неустойчивости в процессе интегрирования математической модели,..................... 181

4.5, Апериодические процессы для уравнений описывающих движение продольной оси ротора и счетная неустойчивость,,,,, 191

4.6, Влияние момента нагрузки и приведенного момента инерции на статические и динамические характеристики

машинных агрегатов на основе ОРД - привода,................. £15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ,,,,.,.......,,..,,,,,........................... £29

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................231

ВВЕДЕНИЕ

Текстильная промышленность - одна из наиболее материалоемких отраслей, Затраты на сырье составляют свыше 80% стоимости продукции, Снижение материальных затрат только на 1% позволяет увеличить прибыль отрасли на 500 млн, руб. (в ценах 1990 года), В этом направлении проводится большая работа, которая находит отражение в соотношении темпов роста товарной продукции и материальных затрат, Широко внедряется ассортимент тканей менее материалоемких структур из натуральных и химических волокон,

Из общего количества химических волокон, перерабатываемых в текстильной промышленности, £7%, используется в шерстяной отрасли, 45% - в шелковой, 15%, - в хлопковой, 8% - в льняной и 5% - в производстве нетканых материалов,

Высокие потребительские свойства химических волокон и экономическая эффективность их производства обеспечивают постоянный и все увеличивающийся спрос на них для производства текстильных изделий, Ежегодный прирост доли химических волокон в общем балансе сырья для текстильной промышленности, объем их производства как в нашей стране, так и за рубежом продолжают расти,

Для производства химических волокон требуется разработка новых технологий, совершенствования существующего технологического оборудования, разработка новых высокопроизводительных машин для их производства и переработки, Одной из существенных частей указанных машин являются быстроврапрющиеся роторные узлы: вытяжные цилиндры, галеты, приемно-намоточные механизмы (ПНМ) и др., как правило имеющие индивидуальный электропривод, в котором чаще всего используются синхронно-реактивные электродвигатели (ОРД) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ). Использование указанных электродвигателей необходимо потому, что колебания

линейной скорости нити ведет к браку (неровноте линейной плотности. обрывности последней),

Конструктор создающий ПНМ и роторные узлы с индивидуальным приводом стоит перед дилеммой, выбирать электродвигатель малой мощности, при котором время выкода бобинодержателя на установившийся режим велико и требуются специальные системы управления для его снижения, либо большей мощности, при котором системы управления, как правило, не требуется, однако повышается потребление электроэнергии, Исходя из сказанного приходится подбирать двигатель наименьшей мощности, но не требующий разработки системы управления для вывода бобинодержателя на заданный режим, Решение указанной проблемы является актуальной и важной.

Цель диссертации состоит в разработке методов, алгоритмов и программного обеспечения для моделирования работы привода ПНМ и быстровращающихоя роторных узлов с СРД и СДПМ на ЭВМ, позволяющих выдать инженерные рекомендации конструктору по выбору двигателя, на основе изучения его возможных режимов работы. Разработки могут быть включены в САПР машин химических волокон.

Для добтижения общей цели в работе намечались следующие задачи:

1) разработать комплекс математических моделей СРД с целью определения базовой для исследований, ее оценка с точки зрения полноты учета свойств и параметров двигателя и ПНМ.

2) разработать математическую модель привода ШМ и быстровращающихоя роторных узлов с СДПМ,

3) на основе исследования установившихся режимов работы СРД на синхронной скорости, получить аналитические соотношения злек-ромагнитных параметров двигателя, для данных режимов,

4) выполнить оценку устойчивости и запасов устойчивости привода ПНМ и быстровращающихоя роторных узлов с СРД,

а

5) разработать методы, алгоритмы и программное обеспечение для расчета установившихся режимов работы привода ШМ и быстров-ралрошихся роторных узлов с СДПМ,

8) получить условия выхода привода ШМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД на промежуточные (несинхронные) скорости,

7) исследовать возможность прохождения приводом ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД серии квазиустановившихся режимов в условиях пуска и реализации при этом управляемого пуска (за счет выбора законов изменения формы и частоты питающего нал-ряжения) .

8) исследовать влияние механической части привода ШМ и нагрузки-на переходные процессы в СРД, с учетом исходного положения ротора относительно статора,

9) исследовать возможность появления счетной неустойчивости процессов численного моделирования привода ПНМ и быстровращающих-ся роторных узлов с СРД из-за влияния произвольного выбора шага интегрирования и за счет дискретизации математической модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1, Разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для моделирования работы привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с СРД и СДПМ на ШМ, Эти разработки позволяют выдать инженерные рекомендации конструктору по выбору двигателя.

2, Теоретически показано существование множества сочетаний значений параметров привода, соответствующих разнообразным по форме, но неприемлемым для практического использования переходным процессам, приводящим к установившимся процессам с несинхронной скоростью вращения ротора.

3, Теоретически спрогнозирована и подтверждена численным экспериментом возможность существования переходных процессов привода ПНМ и бысхроБращающйхоя роторных узлов с СРД, отличающихся

практическим отсутствием, при синусоидальном питании, колебательности (типа колебательного звена 2-го порядка), или наоборот присутствием апериодичности (типа апериодического звена 1-го порядка) .

4, Дан вариант объяснения возможности появления счетной неустойчивости при интегрировании математической модели привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с ОРД, с выбранным постоянным шагом интегрирования с использованием теории устойчивости систем уравнений с запаздыванием.

5. Определены соотношения для электромагнитных параметров математической модели привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с ОРД и СДШ на установившихся режимах привода, при синхронной скорости вращения ротора,

Практическая значимость работы:

Предложенные методики, алгоритмы и программное обеспечение для вывода привода ПНМ и быстровращающихся роторных узлов с ОРД и ОДПМ на заданные режимы работы позволяют конструктору сократить время на правильный выбор двигателя при выполнении всех требований ТЗ к приводу ПНМ и быстровращающихся роторных узлов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедр "Проектирование машин текстильной и легкой промышленности" , "Автоматизации производственных процессов", курсовое и дипломное проектирование,

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СИНХРОННО-РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

1.1. Роль химических волокон и нитей в промышленности

Производство химических волокон и нитей решает важнейшую задачу увеличения ресурсов текстильного сырья для выработки изделий технического назначения и товаров народного потребления. В настоящее время около 651 общего выпуска химических волокон и нитей направляется на получение товаров народного потребления. Так, искусственные и синтетические волокна используются для создания более: 90%. шелковых. 851 шерстяных. 50% льняных, 15% хлопчатобумажных тканей, 50% трикотажных полотен и чулочно-носочных изделий, Особенно высокую экономическую эффективность имеет использование химических волокон в изделиях технического назначения.

В целой по промышленности с 75 по 90 гг. производство искусственных волокон и нитей осталось практически на прежнем уровне, а синтетических увеличилось в £ раза /3,24/, К сожалению, в нашей стране с 90го года, по объективным причинам, производство химических волокон снизилось, однако в развитых промышленных странах тенденция развития производства химических волокон сохраняется,

Первое место среди химволокон занимает полиэфирные волокна и нити, на долю которых приходится около 50% общего производства, что обусловлено их хорошей, технологически легко выполнимой переработкой и возможностью получения изделий со специфическими свойствами и оригинальным внешним видом. Второе место по обьему производства занимают полиамидные волокна и нити (30%). Их выпускают преимущественно в виде нитей, применяемых для производства

технических изделий и товаров народного потребления. Третье место (15%) среди синтетических волокон и нитей занимают полиакрилнит-рильные, которые вырабатываются, главным образом, в виде шерсте-подобных волокон и применяются для изготовления одежды, Среди других синтетических волокон и нитей следует отметить полиолефи-новые, основным видом которых являются полипропиленовые, применяемые в производстве ковровых изделий, нетканых материалов,

В производстве искусственных волокон и нитей ведущее место занимают вискозные (90%), Вискозные текстильные нити составляют 15%, а технические около 10% от общего выпуска химических волокон, Ацетатные волокна и нити выпускают как в виде нитей, так и в виде волокон.

Потребность в новых материалах, обладающих термо-жаростой-костью, повышенной прочностью, электропроводностью и другими специальными свойствами, привела к получению новых видов химических волокон и нитей, обладающих наряду с известным целым комплексом других свойств, в ряде случаев превосходящих свойства традиционных материалов, таких как металлы, их сплавы, графит и др. Это, например, углеродные, стеклянные и другие нити,

При анализе производства химических волокон, в развитых промышленных странах, отмечается постоянная тенденция к расширению ассортимента волокон для различных областей применения и улучшению их потребительских свойств, что определяет актуальность исследований в области производства химических волокон,

1,2. Краткий обзор литературы по исследованию синхронно-реактивного электропривода

Процесс создания высокопроизводительных машин для формирования химических нитей и волокон из расплавов и растворов, а также

по переработке нитей из искусственных и естественных волокон сопровождается комплексной автоматизацией всех этапов создания конечного продукта, что в свою очередь предполагает обратить особое внимание на проектирование специального электропривода для этих машин, например, такого как'синхронно-реактивный электропривод,

Теория синхронных электрических машин в настоящее время разработана практическ�