复卷机退纸辊电机的选型依据及选型优化方案

张 婕

(承德石油高等专科学校电气与电子工程系,河北承德,067000)



·退纸辊·

复卷机退纸辊电机的选型依据及选型优化方案

张 婕

(承德石油高等专科学校电气与电子工程系,河北承德,067000)

针对目前国内复卷机退纸辊电机配置普遍偏高的问题,介绍了退纸辊电机在调速范围、额定功率、额定转矩和断纸停机时间等方面的选型依据。并以山东某纸厂复卷机为例,采用恒转矩调速与恒功率调速相结合的调速方式,给出了退纸辊电机选型所需参数的计算方法,提出了降低退纸辊电机配置的2种选型优化方案。

退纸辊；电机；选型依据；优化方案

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随着交流变频传动的出现和普及,交流复卷机逐步取代直流复卷机成为当前复卷机电控系统的主流方案[1]。交流复卷机不但能满足高转速、恒张力、高精度以及良好动态性能的控制要求,又具有可靠性高、维护量少和性价比高等优点[2]。但目前国内造纸厂在对复卷机退纸辊电机配置选型时存在配置普遍偏高的情况,究其原因就是未采用恒转矩调速与恒功率调速相结合的调速方式[3]进行设计,导致退纸辊电机的功率偏大,进而提高了整套系统的配置,造成生产成本增加。本文详细分析了复卷机退纸辊电机的选型依据，并提出2种选型优化方案。

1 复卷机的基本参数

在对复卷机退纸辊电机进行选型之前,应该充分掌握设计复卷机所需基本参数[4],主要包括：退纸卷纸幅宽度b、原纸卷最大卷径dmax、退纸辊辊轴直径d、车速v(纸幅线速度)、纸幅单位张力z、纸卷密度σ和断纸停机时间t等。

2 退纸辊电机的选型依据

在下引纸复卷机[5]工作时,纸幅从退纸辊上引出,绕过导纸辊、舒展辊、圆刀及张力辊后,再经过后底辊和纸芯连接在一起开始复卷,复卷机的结构示意图[6]如图1所示。

复卷机退纸辊电机的选型主要应考虑电机的输出最大转矩、调速范围、额定功率和断纸停机时间等是否满足控制要求。在满足控制要求的基础上,还应综合考虑生产成本及减速箱的配合等,以实现性价比最优。

图1 复卷机结构示意图

2.1 电机调速范围

在复卷机工作过程中,由于退纸辊上原纸卷的直径在不断减小,而为了保证复卷机工作时纸幅线速度恒定,那么退纸辊电机的转速就需要按照一定比例不断增加,这就要求退纸辊电机具有很宽的调速范围D,其计算式为：

(1)

式中,nmax和nmin分别是电机的最高转速和最低转速。而电机的转速由纸幅线速度和直径决定,其计算式为：

(2)

由式(2)可知,在车速v恒定时,当纸卷直径d=dmax,即为最大时可以得到最低转速nmin；当纸卷直径d=dmin,即为最小时可以得到最高转速nmax。将式(2)带入式(1)中即可得到调速范围为：

(3)

2.2 电机额定转矩

为了复卷机能够正常工作,要求退纸辊电机所提供的转矩(暂不考虑减速比)应大于负载所需的转矩,因此电机的额定转矩是电机选型的重要依据之一。在复卷机正常工作时,退纸辊主要是实现张力控制[7],通过调节退纸辊电机的反向转矩来提供一个向后的力,使纸面上产生要求的恒定张力。因此,只要分析负载所需要的最大转矩Tmax就可以确定电机的额定转矩,退纸辊受力分析图如图2所示。

图2 退纸辊受力分析示意图

结合原始数据可知,在原纸卷直径最大时所需要的转矩最大,其计算式为：

(4)

式中,F为纸幅张力,其大小由纸幅宽度b和纸幅单位张力z决定。一般纸板的单位张力最大,在9.8 N/cm以上,而瓦楞原纸的张力则通常在9.8 N/cm左右。

2.3 电机额定功率

电机的额定功率受所需纸幅张力、纸辊和纸张的不同惯量[8]以及所要求的额定加速和减速作用的影响,其计算式为：

P=ωT=2πnT

(5)

式中,ω为电机的角速度。为了满足电机在任意时刻都可以正常工作,通常选取负载所需转矩的1.5倍来计算电机的额定功率。

2.4 断纸停机时间

在复卷机运行时,由于纸幅张力过大或者纸幅受力不均等原因会出现断纸的情况。在断纸发生后,纸卷连同退纸辊具有很大的转动惯量,仍然会以很高的车速继续退纸。为了减少纸卷上的纸张继续退下而造成浪费,需要在合适的时间内让纸卷连同退纸辊停止,造纸厂一般都会根据自身运行情况对断纸停机时间提出明确的要求。通过对断纸停机时退纸辊电机的运行分析可以得到断纸停机时间的计算式为：

(6)

式中,G为断纸时的纸卷重量；d断为断纸时的纸卷直径；n断为断纸时的电机转速；T断为断纸时的电机制动转矩；k为减速比。

3 退纸辊电机的计算方法及选型设计举例

3.1 退纸辊电机的计算方法[9]

通过对复卷机退纸辊的电机选型依据分析可知,在正常运行时退纸辊电机要满足调速范围、转矩、功率和断纸停机时间等要求,因此在调速方式上应该选择恒转矩调速与恒功率调速相结合的方法,即在额定频率以下采用恒转矩调速,在额定频率以上采用恒功率调速。恒转矩调速与恒功率调速特性[10]如图3所示。

图3 恒转矩调速与恒功率调速特性图

由图3可知,退纸辊电机处于恒转矩调速区域时转矩恒定,类似于直流电机调压调速的情况。在转矩恒定的情况下,若选恒转矩调速区域内最高转速ne,则根据式(5)可以推导出退纸辊电机功率为：

(7)

而退纸辊电机处于恒功率调速方式时功率恒定,又类似于直流电机弱磁调速[11]的情况。根据电机实际运行情况,此时电机的实际频率将大于额定频率,进而电机转速也会大于额定转速,但其输出的转矩将逐渐减小,这与退纸辊电机的控制要求十分吻合,即电机转速增加并且电机负载转矩降低。

因此,通过分别对恒转矩调速区间和恒功率调速区间的分析,得出所选电机的额定功率要大于P1。而如果在复卷过程中始终采用恒转矩调速方式,那么根据式(5)可以推导出退纸辊电机功率为：

(8)

由于nmax的值大于ne的值,所以P2也大于P1。由此可见,采用恒转矩调速和恒功率调速相结合的调速方式来控制退纸辊运行可以降低其电机额定功率并节约系统的工程造价。

3.2 退纸辊电机的选型设计举例

以山东某瓦楞原纸厂复卷机为例,其工艺要求：纸幅宽度b=4600 mm，纸幅线速度v=1200 m/min，纸幅单位张力z=980 N/m，原纸卷最大卷径dmax=2500 mm,退纸辊的最小直径dmin=400 mm,断纸停机时间t小于30 s,则由以上数据可以计算出以下相关数据。

(1)退纸辊电机最高转速

(9)

复卷机运行过程中当原纸卷直径约为600 mm时,应该开始减速,所以最高转速不能按照原纸轴直径400 mm计算。

(2)退纸辊电机最低转速

(10)

(3)调速范围

(11)

(4)减速比校验

现根据要求和综合因素选六极电机,则电机的额定转速ne=50×60÷3=1000 r/min。假设在弱磁调速时电机工作频率达到100 Hz,则电机最高转速为2000 r/min。当减速比k=3.12时,退纸辊转速：

(12)

(5)负载所需提供的最大转矩

(13)

(6)电机所需提供的最大转矩

(14)

(7)退纸辊电机总功率

根据经验,在计算加减速时为提供动态转矩所需功率,考虑动态过程,退纸辊电机功率应该增大到1.5倍左右。因此,退纸辊电机功率的最终额定值可选为：

P(6,50)=1.5Tωa

≈284 kW

(15)

(8)断纸停机时间

假设在纸卷直径剩余2.3 m时发生断纸,则根据电机相关参数可以计算出以下相关数据。

①断纸后退纸辊电机最大转速

(16)

②断纸后退纸辊电机制动转矩

(17)

③断纸后退纸辊电机停机时间

根据瓦楞原纸的定量、幅宽、长度可以估算出断纸时的质量在5 t左右,此处选取为5 t,则：

≈22.1(s)<30(s)

(18)

由式(16)、式(17)和式(18)得到的计算结果仅考虑了在自身制动转矩作用的情况下退纸辊电机的停机时间,而实际停机时是电机制动转矩和机械抱闸制动转矩两者叠加到电机轴上,将提供更大的刹车力矩,使退纸辊电机的停机时间更短。

4 降低退纸辊电机配置的选型优化方案

通过对恒转矩调速和恒功率调速相结合的调速方式的分析,发现了在满足电机的转矩要求和恒功率调速范围时,通过降低电机的额定转速可以降低电机的额定功率。而降低额定转速的方法主要有增加电机极对数和降低电机的额定频率这2种方法。

(1)增加电机极对数

前文选用的六级电机已经应用于实际生产中,大大地节约了成本造价。如果选用十极电机,则其额定转速ne=50×60÷5=6000 r/min。根据式(15),退纸辊电机功率的最终额定值为：

P(10,50)=1.5Tωb

≈171(kW)

(19)

由式(19)计算出的电机功率的确降低了许多,但为了满足电机的调速范围,恒功率调速时最高转速仍要达到2000 r/min,那么电机工作频率将达到167 Hz。此时普通交流异步电机可能出现机械振动等情况,造成机械强度不足等状况。而目前交流复卷机退纸辊电机多选用变频电机[12],其线圈端部固定性高,可确保端部构成一个整体,大大提高电机的机械强度[13],符合恒功率调速的要求。

(2)降低额定频率

如果仍选择六级电机但降低额定频率为25 Hz,电机的额定转速ne=25×60÷3=500 r/min。根据式(15),退纸辊电机功率的最终额定值为：

P(6,25)=1.5Tωc

≈142(kW)

(20)

同样,由式(20)计算出的电机功率也减小许多,但普通交流异步电机在低频运行易出现温度升高、散热困难等问题[14],其产生原因是由于普通交流异步电机采用同轴风扇式设计,电机的冷却风量与转速的三次方呈比例,在低频运行时风扇无法提供足够的冷却能力。而变频电机装有轴流风扇强迫通风系统,采用风扇与电机分离式设计,保证散热性能良好。另外,利用旋转热管替代电机传动轴[15]也可以提高散热性能。因此依照计算的相关参数选取变频电机可以满足设计要求。

无论是采用增加电机极对数的方法还是降低电机的额定频率的方法来降低退纸辊电机的额定转速,都将对电机的机械性能和绝缘性能提出更高的要求,因此变频电机是较为合理的选择。

5 结 论

通过对复卷机退纸辊电机工作原理的分析,总结归纳了退纸辊电机的额定转矩、调速范围、额定功率和断纸停机时间等主要的选型依据,给出了与选型依据相关参数的计算方法,并发现采用恒转矩调速和恒功率调速相结合的调速方式符合退纸辊电机的实际运行情况。此外,根据电机选型优化方案提出的2种方法可以降低电机的配置,进而降低配套设备(比如：变频器等)的配置,在满足系统工作要求的基础上,大大降低了系统的工程造价及后期维护成本。通过实践证实可作为复卷机退纸辊电机的选型参考。

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(责任编辑：刘振华)

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

张 婕女士,硕士,讲师；研究方向：电力电子与电力传动。

2016- 01-24(修改稿)

西藏大学农牧学院青年基金项目(NYQNKY- 8)。

TS736

A

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