張 婕

(承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系,河北承德,067000)

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·退紙輥·

復卷機退紙輥電機的選型依據(jù)及選型優(yōu)化方案

張 婕

(承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系,河北承德,067000)

針對目前國內(nèi)復卷機退紙輥電機配置普遍偏高的問題,介紹了退紙輥電機在調(diào)速范圍、額定功率、額定轉矩和斷紙停機時間等方面的選型依據(jù)。并以山東某紙廠復卷機為例,采用恒轉矩調(diào)速與恒功率調(diào)速相結合的調(diào)速方式,給出了退紙輥電機選型所需參數(shù)的計算方法,提出了降低退紙輥電機配置的2種選型優(yōu)化方案。

退紙輥；電機；選型依據(jù)；優(yōu)化方案

(E-mail: 1420490844@qq.com)

隨著交流變頻傳動的出現(xiàn)和普及,交流復卷機逐步取代直流復卷機成為當前復卷機電控系統(tǒng)的主流方案[1]。交流復卷機不但能滿足高轉速、恒張力、高精度以及良好動態(tài)性能的控制要求,又具有可靠性高、維護量少和性價比高等優(yōu)點[2]。但目前國內(nèi)造紙廠在對復卷機退紙輥電機配置選型時存在配置普遍偏高的情況,究其原因就是未采用恒轉矩調(diào)速與恒功率調(diào)速相結合的調(diào)速方式[3]進行設計,導致退紙輥電機的功率偏大,進而提高了整套系統(tǒng)的配置,造成生產(chǎn)成本增加。本文詳細分析了復卷機退紙輥電機的選型依據(jù)，并提出2種選型優(yōu)化方案。

1 復卷機的基本參數(shù)

在對復卷機退紙輥電機進行選型之前,應該充分掌握設計復卷機所需基本參數(shù)[4],主要包括：退紙卷紙幅寬度b、原紙卷最大卷徑dmax、退紙輥輥軸直徑d、車速v(紙幅線速度)、紙幅單位張力z、紙卷密度σ和斷紙停機時間t等。

2 退紙輥電機的選型依據(jù)

在下引紙復卷機[5]工作時,紙幅從退紙輥上引出,繞過導紙輥、舒展輥、圓刀及張力輥后,再經(jīng)過后底輥和紙芯連接在一起開始復卷,復卷機的結構示意圖[6]如圖1所示。

復卷機退紙輥電機的選型主要應考慮電機的輸出最大轉矩、調(diào)速范圍、額定功率和斷紙停機時間等是否滿足控制要求。在滿足控制要求的基礎上,還應綜合考慮生產(chǎn)成本及減速箱的配合等,以實現(xiàn)性價比最優(yōu)。

圖1 復卷機結構示意圖

2.1 電機調(diào)速范圍

在復卷機工作過程中,由于退紙輥上原紙卷的直徑在不斷減小,而為了保證復卷機工作時紙幅線速度恒定,那么退紙輥電機的轉速就需要按照一定比例不斷增加,這就要求退紙輥電機具有很寬的調(diào)速范圍D,其計算式為：

(1)

式中,nmax和nmin分別是電機的最高轉速和最低轉速。而電機的轉速由紙幅線速度和直徑?jīng)Q定,其計算式為：

(2)

由式(2)可知,在車速v恒定時,當紙卷直徑d=dmax,即為最大時可以得到最低轉速nmin；當紙卷直徑d=dmin,即為最小時可以得到最高轉速nmax。將式(2)帶入式(1)中即可得到調(diào)速范圍為：

(3)

2.2 電機額定轉矩

為了復卷機能夠正常工作,要求退紙輥電機所提供的轉矩(暫不考慮減速比)應大于負載所需的轉矩,因此電機的額定轉矩是電機選型的重要依據(jù)之一。在復卷機正常工作時,退紙輥主要是實現(xiàn)張力控制[7],通過調(diào)節(jié)退紙輥電機的反向轉矩來提供一個向后的力,使紙面上產(chǎn)生要求的恒定張力。因此,只要分析負載所需要的最大轉矩Tmax就可以確定電機的額定轉矩,退紙輥受力分析圖如圖2所示。

圖2 退紙輥受力分析示意圖

結合原始數(shù)據(jù)可知,在原紙卷直徑最大時所需要的轉矩最大,其計算式為：

(4)

式中,F為紙幅張力,其大小由紙幅寬度b和紙幅單位張力z決定。一般紙板的單位張力最大,在9.8 N/cm以上,而瓦楞原紙的張力則通常在9.8 N/cm左右。

2.3 電機額定功率

電機的額定功率受所需紙幅張力、紙輥和紙張的不同慣量[8]以及所要求的額定加速和減速作用的影響,其計算式為：

P=ωT=2πnT

(5)

式中,ω為電機的角速度。為了滿足電機在任意時刻都可以正常工作,通常選取負載所需轉矩的1.5倍來計算電機的額定功率。

2.4 斷紙停機時間

在復卷機運行時,由于紙幅張力過大或者紙幅受力不均等原因會出現(xiàn)斷紙的情況。在斷紙發(fā)生后,紙卷連同退紙輥具有很大的轉動慣量,仍然會以很高的車速繼續(xù)退紙。為了減少紙卷上的紙張繼續(xù)退下而造成浪費,需要在合適的時間內(nèi)讓紙卷連同退紙輥停止,造紙廠一般都會根據(jù)自身運行情況對斷紙停機時間提出明確的要求。通過對斷紙停機時退紙輥電機的運行分析可以得到斷紙停機時間的計算式為：

(6)

式中,G為斷紙時的紙卷重量；d斷為斷紙時的紙卷直徑；n斷為斷紙時的電機轉速；T斷為斷紙時的電機制動轉矩；k為減速比。

3 退紙輥電機的計算方法及選型設計舉例

3.1 退紙輥電機的計算方法[9]

通過對復卷機退紙輥的電機選型依據(jù)分析可知,在正常運行時退紙輥電機要滿足調(diào)速范圍、轉矩、功率和斷紙停機時間等要求,因此在調(diào)速方式上應該選擇恒轉矩調(diào)速與恒功率調(diào)速相結合的方法,即在額定頻率以下采用恒轉矩調(diào)速,在額定頻率以上采用恒功率調(diào)速。恒轉矩調(diào)速與恒功率調(diào)速特性[10]如圖3所示。

圖3 恒轉矩調(diào)速與恒功率調(diào)速特性圖

由圖3可知,退紙輥電機處于恒轉矩調(diào)速區(qū)域時轉矩恒定,類似于直流電機調(diào)壓調(diào)速的情況。在轉矩恒定的情況下,若選恒轉矩調(diào)速區(qū)域內(nèi)最高轉速ne,則根據(jù)式(5)可以推導出退紙輥電機功率為：

(7)

而退紙輥電機處于恒功率調(diào)速方式時功率恒定,又類似于直流電機弱磁調(diào)速[11]的情況。根據(jù)電機實際運行情況,此時電機的實際頻率將大于額定頻率,進而電機轉速也會大于額定轉速,但其輸出的轉矩將逐漸減小,這與退紙輥電機的控制要求十分吻合,即電機轉速增加并且電機負載轉矩降低。

因此,通過分別對恒轉矩調(diào)速區(qū)間和恒功率調(diào)速區(qū)間的分析,得出所選電機的額定功率要大于P1。而如果在復卷過程中始終采用恒轉矩調(diào)速方式,那么根據(jù)式(5)可以推導出退紙輥電機功率為：

(8)

由于nmax的值大于ne的值,所以P2也大于P1。由此可見,采用恒轉矩調(diào)速和恒功率調(diào)速相結合的調(diào)速方式來控制退紙輥運行可以降低其電機額定功率并節(jié)約系統(tǒng)的工程造價。

3.2 退紙輥電機的選型設計舉例

以山東某瓦楞原紙廠復卷機為例,其工藝要求：紙幅寬度b=4600 mm，紙幅線速度v=1200 m/min，紙幅單位張力z=980 N/m，原紙卷最大卷徑dmax=2500 mm,退紙輥的最小直徑dmin=400 mm,斷紙停機時間t小于30 s,則由以上數(shù)據(jù)可以計算出以下相關數(shù)據(jù)。

(1)退紙輥電機最高轉速

(9)

復卷機運行過程中當原紙卷直徑約為600 mm時,應該開始減速,所以最高轉速不能按照原紙軸直徑400 mm計算。

(2)退紙輥電機最低轉速

(10)

(3)調(diào)速范圍

(11)

(4)減速比校驗

現(xiàn)根據(jù)要求和綜合因素選六極電機,則電機的額定轉速ne=50×60÷3=1000 r/min。假設在弱磁調(diào)速時電機工作頻率達到100 Hz,則電機最高轉速為2000 r/min。當減速比k=3.12時,退紙輥轉速：

(12)

(5)負載所需提供的最大轉矩

(13)

(6)電機所需提供的最大轉矩

(14)

(7)退紙輥電機總功率

根據(jù)經(jīng)驗,在計算加減速時為提供動態(tài)轉矩所需功率,考慮動態(tài)過程,退紙輥電機功率應該增大到1.5倍左右。因此,退紙輥電機功率的最終額定值可選為：

P(6,50)=1.5Tωa

≈284 kW

(15)

(8)斷紙停機時間

假設在紙卷直徑剩余2.3 m時發(fā)生斷紙,則根據(jù)電機相關參數(shù)可以計算出以下相關數(shù)據(jù)。

①斷紙后退紙輥電機最大轉速

(16)

②斷紙后退紙輥電機制動轉矩

(17)

③斷紙后退紙輥電機停機時間

根據(jù)瓦楞原紙的定量、幅寬、長度可以估算出斷紙時的質量在5 t左右,此處選取為5 t,則：

≈22.1(s)<30(s)

(18)

由式(16)、式(17)和式(18)得到的計算結果僅考慮了在自身制動轉矩作用的情況下退紙輥電機的停機時間,而實際停機時是電機制動轉矩和機械抱閘制動轉矩兩者疊加到電機軸上,將提供更大的剎車力矩,使退紙輥電機的停機時間更短。

4 降低退紙輥電機配置的選型優(yōu)化方案

通過對恒轉矩調(diào)速和恒功率調(diào)速相結合的調(diào)速方式的分析,發(fā)現(xiàn)了在滿足電機的轉矩要求和恒功率調(diào)速范圍時,通過降低電機的額定轉速可以降低電機的額定功率。而降低額定轉速的方法主要有增加電機極對數(shù)和降低電機的額定頻率這2種方法。

(1)增加電機極對數(shù)

前文選用的六級電機已經(jīng)應用于實際生產(chǎn)中,大大地節(jié)約了成本造價。如果選用十極電機,則其額定轉速ne=50×60÷5=6000 r/min。根據(jù)式(15),退紙輥電機功率的最終額定值為：

P(10,50)=1.5Tωb

≈171(kW)

(19)

由式(19)計算出的電機功率的確降低了許多,但為了滿足電機的調(diào)速范圍,恒功率調(diào)速時最高轉速仍要達到2000 r/min,那么電機工作頻率將達到167 Hz。此時普通交流異步電機可能出現(xiàn)機械振動等情況,造成機械強度不足等狀況。而目前交流復卷機退紙輥電機多選用變頻電機[12],其線圈端部固定性高,可確保端部構成一個整體,大大提高電機的機械強度[13],符合恒功率調(diào)速的要求。

(2)降低額定頻率

如果仍選擇六級電機但降低額定頻率為25 Hz,電機的額定轉速ne=25×60÷3=500 r/min。根據(jù)式(15),退紙輥電機功率的最終額定值為：

P(6,25)=1.5Tωc

≈142(kW)

(20)

同樣,由式(20)計算出的電機功率也減小許多,但普通交流異步電機在低頻運行易出現(xiàn)溫度升高、散熱困難等問題[14],其產(chǎn)生原因是由于普通交流異步電機采用同軸風扇式設計,電機的冷卻風量與轉速的三次方呈比例,在低頻運行時風扇無法提供足夠的冷卻能力。而變頻電機裝有軸流風扇強迫通風系統(tǒng),采用風扇與電機分離式設計,保證散熱性能良好。另外,利用旋轉熱管替代電機傳動軸[15]也可以提高散熱性能。因此依照計算的相關參數(shù)選取變頻電機可以滿足設計要求。

無論是采用增加電機極對數(shù)的方法還是降低電機的額定頻率的方法來降低退紙輥電機的額定轉速,都將對電機的機械性能和絕緣性能提出更高的要求,因此變頻電機是較為合理的選擇。

5 結 論

通過對復卷機退紙輥電機工作原理的分析,總結歸納了退紙輥電機的額定轉矩、調(diào)速范圍、額定功率和斷紙停機時間等主要的選型依據(jù),給出了與選型依據(jù)相關參數(shù)的計算方法,并發(fā)現(xiàn)采用恒轉矩調(diào)速和恒功率調(diào)速相結合的調(diào)速方式符合退紙輥電機的實際運行情況。此外,根據(jù)電機選型優(yōu)化方案提出的2種方法可以降低電機的配置,進而降低配套設備(比如：變頻器等)的配置,在滿足系統(tǒng)工作要求的基礎上,大大降低了系統(tǒng)的工程造價及后期維護成本。通過實踐證實可作為復卷機退紙輥電機的選型參考。

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(責任編輯：劉振華)

Selection Principle and Optimizing Scheme of the Motor for Driving Unwind Roll in Rewinder

ZHANG Jie

(DepartmentofElectricalandElectronicEngineering,ChengdePetroleumCollege,Chengde,HebeiProvince, 067000)

Aiming at the problems that the motor used for driving the unwind roll in rewinder is usually bigger than needed in China. This article discussed the selected principle for the motor used for driving the unwind roll in terms of the scope of speed adjusting, the power, the torque, the time of paper machine halt caused by paper break and other aspects. And taking the rewinder control system of one mill in Shandong as examples, the way of speed regulation combining constant torque speed regulation and constant power speed regulation was used, the calculation method of the parameters which were needed for the selection of the motor of the unwind roll, two kinds of optimizing schemes for selection of an appropriate motor for the unwind roll of rewinder were proposed.

the unwind roll； the motor； the selecting gist； the optimized scheme

張 婕女士,碩士,講師；研究方向：電力電子與電力傳動。

2016- 01-24(修改稿)

西藏大學農(nóng)牧學院青年基金項目(NYQNKY- 8)。

TS736

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.010