Уменьшение энергопотребления швейными машинами при замене электропривода

Аннотация

М.Ф. Горяинов, В.А. Гунько, В.С. Ядыкин

Работа посвящена исследованию режимов работы частотно-регулируемого электропривода в швейных машинах. Поскольку у фрикционного привода электродвигатель работает постоянно, а в частотно-регулируемом электродвигатель включается только на момент выполнения технологической операции, при замене привода происходит уменьшение энергозатрат.
Авторами разработана система частотного управления асинхронным электроприводом, которая позволяет значительно повысить скоростные характеристики швейной машины, сократить время на вспомогательные операции, а так же снизить потребление электроэнергии.
Результаты исследования показали, что у швейной машины, работающей от частотно-регулируемого электропривода потребление электроэнергии на 24-28% меньше, чем у машины с фрикционным электроприводом.
Ключевые слова: электродвигатель, швейная машина, частотный электроприводпривод, фрикционный электропривод, система управления.

05.02.13 - Машины и агрегаты (по отраслям)

При замене фрикционного привода швейных машин на частотно-регулируемый изменяется режим работы асинхронного электродвигателя. У фрикционного привода электродвигатель работает постоянно с переходом от режима холостого хода в режим нагрузки при выполнении технологической операции. В частотно-регулируемом приводе электродвигатель включается только на момент выполнения технологической операции.
Для выполнения на швейных машинах различных операций электропривод помимо основной функции вращения главного вала должен обеспечивать повторно-кратковременный режим работы, автоматический и ручной пуск швейной машины, автоматический останов швейной машины по окончании операции с иглой в заданном положении. Изменение частоты вращения главного вала швейной машины в зависимости от выполняемой технологической операции должно происходить при соответствующей команде от системы управления, причем время пуска и останова швейной машины должно быть минимальным (0,4—0,5 с).
Для обеспечения указанных режимов работы швейные машины известных мировых фирм-производителей таких как: «Juki» (Япония), «Durkopp», «Pfaff», «Strobel» (Германия), «Sun Star» (Корея) и др., оборудованы частотно-регулируемым электроприводом с электронной системой управления.
В процессе выполнения исследований ставилась задача объединения в единую систему различных по природе функционально законченных элементов асинхронного привода с помощью унифицированных сопрягающих устройств-интерфейсов.
В результате была разработана система частотного управления асинхронным электроприводом, которая позволяет значительно повысить скоростные характеристики швейной машины, сократить время на вспомогательные операции, и, соответственно, существенно увеличить производительность труда, а так же снизить потребление электроэнергии.
Мощность, потребляемая электроприводом из сети , отличается от мощности на валу швейной машины  на значение мощности потерь в электроприводе , т.е. .
Чем меньше потери . Тем больше КПД электропривода. Мощность потерь складывается из мощности электрических, магнитных и механических потерь. Электрические потери  возникают в обмотках статора и ротора, т.е.  (здесь  - потери в обмотке статора и  - потери в обмотке ротора). Магнитные потери в магнитопроводе  возникают за счет явлений гистерезиса и вихревых токов в статоре  и роторе , т.е. . Потери механические вызваны силами трения в подшипниках о скользящую среду .
На основе изложенного
.          (1)
Выражение (1) можно упростить, если пренебречь магнитными потерями в пакете ротора из-за их малости в сравнении с другими слагаемыми. Поэтому практически можно считать, что
.                                 
Мощность, передаваемая магнитным полем от статора к ротору , есть мощность, потребляемая из сети за вычетом потерь в статоре, т.е.
.                                           
Потери в роторе составляют , поэтому
.                                                  
Мощность на валу двигателя  отличается от механической на значение механических потерь , т.е.
                                                   
На энергетической диаграмме, представленной на рис. 1а, показано распределение мощностей и потерь во фрикционном электроприводе (ФЭП) швейной машины и частотно-регулируемом электроприводе (ЧРЭП) (рис. 1б).

а)

б)
Рис. 1 – Энергетические диаграммы: а) - энергетическая диаграмма ФЭП;
б) - энергетическая диаграмма ЧРЭП

Следует отметить, что магнитные потери  при изменении нагрузки двигателя от холостого хода до номинальной, являются постоянной величиной, т.е. не зависят от нагрузки. Механические потери  в электродвигателе мало зависят от нагрузки. Для фрикционного электропривода следует учитывать потери мощности  от фрикционной муфты, маховика и контрпривода. Поскольку асинхронный электродвигатель в фрикционном электроприводе остается включенным и работает на холостом ходу постоянно в период между проведением технологических операций на швейной машине, то следует учитывать, то, что воздушный зазор между ротором и статором увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода и в статоре трехфазного асинхронного двигателя  составляет 20-45% номинального тока статора.
В таблице 1 проведены расчеты потребления электроэнергии швейными машинами с ФЭП и ЧРЭП.

Т а б л и ц а 1 – Расчеты потребление электроэнергии ФЭП и ЧРЭП

По данным таблицы 1 построены диаграммы потребления электроэнергии ФЭП и ЧРЭП (рис. 2).

а)

б)
 

в)
Рис. 2 – Диаграммы потребления электроэнергии ФЭП и ЧРЭП:
а) – за одну технологическую операцию; б) – за один рабочий день; в) – за год

Таким образом, у швейной машины, работающей от частотно-регулируемого электропривода потребление электроэнергии в среднем на 24-28% меньше, чем у швейной машины с фрикционным электроприводом, сократилось время на вспомогательные операции в среднем на 12 %.