張 婕

(承德石油高等專科學(xué)校電氣與電子工程系,河北承德,067000)

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·退紙輥·

復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)的選型依據(jù)及選型優(yōu)化方案

張 婕

(承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系,河北承德,067000)

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

退紙輥；電機(jī)；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(fù)卷機(jī)逐步取代直流復(fù)卷機(jī)成為當(dāng)前復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的主流方案[1]。交流復(fù)卷機(jī)不但能滿足高轉(zhuǎn)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(hù)量少和性價比高等優(yōu)點(diǎn)[2]。但目前國內(nèi)造紙廠在對復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)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(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式[3]進(jìn)行設(shè)計,導(dǎo)致退紙輥電機(jī)的功率偏大,進(jìn)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(xì)分析了復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)的選型依據(jù)，并提出2種選型優(yōu)化方案。

1 復(fù)卷機(jī)的基本參數(shù)

在對復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)進(jìn)行選型之前,應(yīng)該充分掌握設(shè)計復(fù)卷機(jī)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(jī)時間t等。

2 退紙輥電機(jī)的選型依據(jù)

在下引紙復(fù)卷機(jī)[5]工作時,紙幅從退紙輥上引出,繞過導(dǎo)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(fù)卷,復(fù)卷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖[6]如圖1所示。

復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)的選型主要應(yīng)考慮電機(jī)的輸出最大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍、額定功率和斷紙停機(jī)時間等是否滿足控制要求。在滿足控制要求的基礎(chǔ)上,還應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)成本及減速箱的配合等,以實(shí)現(xiàn)性價比最優(yōu)。

圖1 復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 電機(jī)調(diào)速范圍

在復(fù)卷機(jī)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(fù)卷機(jī)工作時紙幅線速度恒定,那么退紙輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速就需要按照一定比例不斷增加,這就要求退紙輥電機(jī)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(jī)的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。而電機(jī)的轉(zhuǎn)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(dāng)紙卷直徑d=dmax,即為最大時可以得到最低轉(zhuǎn)速nmin；當(dāng)紙卷直徑d=dmin,即為最小時可以得到最高轉(zhuǎn)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(jī)額定轉(zhuǎn)矩

為了復(fù)卷機(jī)能夠正常工作,要求退紙輥電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩(暫不考慮減速比)應(yīng)大于負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩,因此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是電機(jī)選型的重要依據(jù)之一。在復(fù)卷機(jī)正常工作時,退紙輥主要是實(shí)現(xiàn)張力控制[7],通過調(diào)節(jié)退紙輥電機(jī)的反向轉(zhuǎn)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(fù)載所需要的最大轉(zhuǎn)矩Tmax就可以確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)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(jié)合原始數(shù)據(jù)可知,在原紙卷直徑最大時所需要的轉(zhuǎn)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(jī)額定功率

電機(jī)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(jī)的角速度。為了滿足電機(jī)在任意時刻都可以正常工作,通常選取負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩的1.5倍來計算電機(jī)的額定功率。

2.4 斷紙停機(jī)時間

在復(fù)卷機(jī)運(yùn)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(zhuǎn)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(fèi),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(yùn)行情況對斷紙停機(jī)時間提出明確的要求。通過對斷紙停機(jī)時退紙輥電機(jī)的運(yùn)行分析可以得到斷紙停機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速；T斷為斷紙時的電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩；k為減速比。

3 退紙輥電機(jī)的計算方法及選型設(shè)計舉例

3.1 退紙輥電機(jī)的計算方法[9]

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

圖3 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速特性圖

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

(7)

而退紙輥電機(jī)處于恒功率調(diào)速方式時功率恒定,又類似于直流電機(jī)弱磁調(diào)速[11]的情況。根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況,此時電機(jī)的實(shí)際頻率將大于額定頻率,進(jìn)而電機(jī)轉(zhuǎn)速也會大于額定轉(zhuǎn)速,但其輸出的轉(zhuǎn)矩將逐漸減小,這與退紙輥電機(jī)的控制要求十分吻合,即電機(jī)轉(zhuǎn)速增加并且電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩降低。

因此,通過分別對恒轉(zhuǎn)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(jī)的額定功率要大于P1。而如果在復(fù)卷過程中始終采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式,那么根據(jù)式(5)可以推導(dǎo)出退紙輥電機(jī)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(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式來控制退紙輥運(yùn)行可以降低其電機(jī)額定功率并節(jié)約系統(tǒng)的工程造價。

3.2 退紙輥電機(jī)的選型設(shè)計舉例

以山東某瓦楞原紙廠復(fù)卷機(jī)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(jī)時間t小于30 s,則由以上數(shù)據(jù)可以計算出以下相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)退紙輥電機(jī)最高轉(zhuǎn)速

(9)

復(fù)卷機(jī)運(yùn)行過程中當(dāng)原紙卷直徑約為600 mm時,應(yīng)該開始減速,所以最高轉(zhuǎn)速不能按照原紙軸直徑400 mm計算。

(2)退紙輥電機(jī)最低轉(zhuǎn)速

(10)

(3)調(diào)速范圍

(11)

(4)減速比校驗(yàn)

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

(12)

(5)負(fù)載所需提供的最大轉(zhuǎn)矩

(13)

(6)電機(jī)所需提供的最大轉(zhuǎn)矩

(14)

(7)退紙輥電機(jī)總功率

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

P(6,50)=1.5Tωa

≈284 kW

(15)

(8)斷紙停機(jī)時間

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

①斷紙后退紙輥電機(jī)最大轉(zhuǎn)速

(16)

②斷紙后退紙輥電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩

(17)

③斷紙后退紙輥電機(jī)停機(jī)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(zhì)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(jié)果僅考慮了在自身制動轉(zhuǎn)矩作用的情況下退紙輥電機(jī)的停機(jī)時間,而實(shí)際停機(jī)時是電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩和機(jī)械抱閘制動轉(zhuǎn)矩兩者疊加到電機(jī)軸上,將提供更大的剎車力矩,使退紙輥電機(jī)的停機(jī)時間更短。

4 降低退紙輥電機(jī)配置的選型優(yōu)化方案

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

(1)增加電機(jī)極對數(shù)

前文選用的六級電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,大大地節(jié)約了成本造價。如果選用十極電機(jī),則其額定轉(zhuǎn)速ne=50×60÷5=6000 r/min。根據(jù)式(15),退紙輥電機(jī)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(jī)功率的確降低了許多,但為了滿足電機(jī)的調(diào)速范圍,恒功率調(diào)速時最高轉(zhuǎn)速仍要達(dá)到2000 r/min,那么電機(jī)工作頻率將達(dá)到167 Hz。此時普通交流異步電機(jī)可能出現(xiàn)機(jī)械振動等情況,造成機(jī)械強(qiáng)度不足等狀況。而目前交流復(fù)卷機(jī)退紙輥電機(jī)多選用變頻電機(jī)[12],其線圈端部固定性高,可確保端部構(gòu)成一個整體,大大提高電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)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(jī)但降低額定頻率為25 Hz,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne=25×60÷3=500 r/min。根據(jù)式(15),退紙輥電機(jī)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(jī)功率也減小許多,但普通交流異步電機(jī)在低頻運(yùn)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(jī)采用同軸風(fēng)扇式設(shè)計,電機(jī)的冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方呈比例,在低頻運(yùn)行時風(fēng)扇無法提供足夠的冷卻能力。而變頻電機(jī)裝有軸流風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng),采用風(fēng)扇與電機(jī)分離式設(shè)計,保證散熱性能良好。另外,利用旋轉(zhuǎn)熱管替代電機(jī)傳動軸[15]也可以提高散熱性能。因此依照計算的相關(guān)參數(shù)選取變頻電機(jī)可以滿足設(shè)計要求。

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

5 結(jié) 論

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

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(責(zé)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(xué)農(nóng)牧學(xué)院青年基金項(xiàng)目(NYQNKY- 8)。

TS736

A

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