复卷机的电气传动系统设计.docx
《复卷机的电气传动系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复卷机的电气传动系统设计.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
复卷机的电气传动系统设计
复卷机的电气传动系统设计
摘要
在整个造纸工艺过程中，大多数卷纸机卷得的纸卷存在松软现象,内部一般会有破损情况,边缘两侧不整齐,纸幅宽度不一等原因不能直接使用于印刷机和纸加工等设备，需要复卷机对纸卷经过再次复卷，使之能够符合纸加工和印刷机的要求。
随着现代社会对纸机自动化要求的提高,产品质量的提高,复卷机的产能也必须得到提高。
而且，纸机的速度随着科技发展越来越高，相应相配套的复卷机也必然要提高速度和控制精度，控制系统自动化程度也得较高，所以，对于复卷机电气传动系统的设计，对提高复卷机的整体性能是有利的。
本课题对高速双底辊复卷机的电气传动系统进行了设计。
复卷机自动控制系统分为两部分，复卷机控制系统和电气传动系统。
复卷机控制系统控制的对象是复卷机本体设备和复卷机外部设备，本文主要通过复卷机性能要求和工艺流程来设计复卷机的电气传动系统，以及根据传动系统的控制原理对传动电机与变频器进行选型。
关键词：
复卷机；变频调速；张力控制
Abstract
Inthepapermakingprocess,duetothevolumeofthedrumrollisrelativelysoft,theinteriormaybedamaged,sideedges.Edgeirregular,webwidthandotherreasonscannotorprinterpaperhandlingandotherequipmentneededtorollrewindingdirectly.Rollingagain,comebackrollprocessingandprintingpressestomeettheprocessingneeds.Withmodernpapermachinesincreasedautomation,improvedproductquality,productivitywindercanalsoputforwardhigherrequirements.Inaddition,increasingthespeedofthemachine,itsmatchwindersareboundtohaveaveryhighspeedandcontrolhighdegreeofprecisionandautomationcontrolsystem,therefore,inthedesignofelectricwinderdrivesystems,helpingimprovenetworkcylindermachineoverallperformance.High-speeddrumwinderautomaticcontrolsystemdesignissues.Rewinderautomaticcontrolsystemisdividedintocontrolsystemsandvariablespeedcontrolsystemintwoparts,thewindingmachine.WindercontrolSiemensS7-400PLC,Panasonictransmissionsystemsystem.Inthedeviceandtheinexternaldevicecontrolcoilerwindingmachinebody,operatingwindingequipment,productiondata,productionparameterssetwinder,browsinghistorydataWinderwindingmachinecontrolsystemfromcontrolsystemtocomplete.Transmittedmainlythroughopen-bookmachine,aftertheendofthefrontbottomrollermotor,rollermotorfrequencycontrol,soastokeepconstanttensionofwindercontrol,controloftherolltightness.Structureandfunctionofthecontrolsystemofapaperwindingmachineperformancerequirementsandprocessdesignofthewindingmachineandthecontrolprincipleinselectingandcommissioningofthedrivemotorandtransmissiondriveunder.
Keywords：
Winder；Frequency；Tensioncontrol
第一章绪论
1.1课题提出的背景
在造纸行业中，复卷机是卷简纸生产过程中的最后一道环节，由卷纸机卷得的纸卷
比较松软，内部破损和断头比较多，两侧边缘不整齐，纸幅宽度多不能直接使用于纸加工或印刷等机器。
为了适应印刷和纸加工中对卷筒纸的要求，都要在复卷机上进行复卷来生产出合格的纸卷。
通常复卷机安装在紧接造纸机的后面，可以用吊车直接将卷纸机上的纸卷吊装到复卷机的退纸架上，在复卷机上除去质量不好的纸张，粘接断头，切成所需的宽度，并在纸卷芯上卷成具有一定纸幅长度的、一定直径的纸卷。
卷筒纸应具有所要求的紧度和平整的分切端面。
复卷机是造纸机械中运行车速最快的机器，其车速达1500—1800米/分钟，最高达2500米/分钟以上。
复卷机的工作原理是：
从造纸机上取下的纸卷安置在退纸架上，退纸架上的控制系统保持纸幅有一定的张力，并在断头时使纸卷快速制动。
纸幅通过引纸辊和纵切机构切成所需要的宽度，然后按所需紧度和直径卷成纸卷。
复卷机的主要结构参数是能处理的纸幅宽度和最高车速，其次是退纸和卷纸的最大直径、切纸方法和传动型式。
造纸工业现状主要以废纸辅以木、竹以及芦苇、秸秆等可再生资源为原料，通过清洁生产，实现了资源—生产—消费—资源再生的良性循环，已成为国民经济中具有循环经济特征的重要基础原材料产业和新的经济增长点。
造纸工业资金技术密集，规模效益显著，具有较大的市场容量和发展潜力，且产业关联度高，对林业、农业、环保、印刷、包装、化工、机械制造、自动控制、交通等相关产业发展具有明显的拉动作用。
我国纸及纸板的生产量和消费量均居世界第一位，随着世界经济格局的重大调整和我国经济社会转型的明显加速，我国造纸工业发展面临的资源、能源和环境的约束日益突显，亟需加快结构调整,实现传统造纸工业向可持续发展的现代造纸工业转变。
1.2造纸工业转型存在的问题
在造纸工业转变过程中主要存在的问题有原料供求矛盾突出，自主创新能力不强，节能减排任务艰巨，企业规模偏小。
我国造纸工业自主创新能力建设比较薄弱，产学研没有形成有机的整体，引进技术消化吸收再创新不足，在新工艺、新设备和新产品的开发上缺乏自主创新的产业化重大成果。
大型蒸煮、筛选、漂白设备，高得率制浆设备，高速纸机流浆箱、靴式压榨、压光机、复卷机等关键设备基本依赖进口。
图1-1某型号复卷机
世界大型制浆造纸装备供应仍处于垄断局面。
多年来，世界上少数几家主要制浆造纸装备供应商，依靠品牌优势、研发能力、精密制造以及强大的资金实力和市场拓展能力，基本垄断了大型制浆造纸装备供应，这一局面短期内难以改观。
我国现已成为世界制浆造纸装备的主要市场，但大型制浆造纸装备主要依赖进口，导致投资成本提高，阻碍了众多中小型制浆造纸企业装备大型化步伐。
我国制浆造纸装备自主化水平亟需提高。
1.3电气传动系统的发展现状
多年来直流调速系统以其优良的调速性能及负载率大的特性在纸机电气传动中占有较大的比例,但直流电机由于成本高、整流子和电刷维护困难,很难用于需要防爆、防潮、防腐蚀等对环境要求苛刻的场合。
20世纪80年代早期,随着社会经济的发展,欧洲和日本开发出了交流变频调速装置,这项技术在80年代中期被成功的引入美国,并被逐步应用于纸机传动。
与直流调速系统相比,交流调速系统最突出的优点是交流电机可靠性高,维护量小我国将变频调速技术应用到纸机传动领域始于20世纪90年代。
迄今为止,在全国大大小小的新上纸机项目中,交流变频传动几乎占了95%以上。
交流变频传动控制系统已经在纸机中占主导地位。
80年代,矢量变频技术已经比较成熟,为了适应大型多传动分部的机械设备的传动要求,以ABB,西门子等为代表的自动化公司开始开发以公共直流母线为框架的集散控制系统应用于多传动控制系统,并在80年代开始就逐步应用于造纸等流程工业。
目前,传动系统大多以PLC控制为核心,传动控制系统几乎全部采用了基于PLC的DCS控制或者是基于现场总线的FCS控制方案。
1.4我国造纸工业的发展方向
随着我国工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化深入发展，经济结构转型加快，
造纸工业产业结构不合理的问题日益突出，亟需通过优化原料结构，提高原料保障水平；优化产品结构，使产品向低碳、多功能、环保、质优的方向调整，提高有效供给水平；
优化企业结构，提高集中度和竞争力；优化技术结构，增强自主创新能力，提升技术装
备总体水平；优化产业布局，合理配置资源，全面推进造纸工业协调发展。
研发具有自主知识产权的先进适用装备。
跟踪研究国际前沿技术，加强重大技术装备研制，通过自主创新与引进消化吸收再创新相结合，着力加强产业技术和成套装备系统的集成和创新，加快行业关键、共性技术与装备的研发和产业化，努力解决制约我国造纸产业发展的技术瓶颈，提升造纸工业和装备制造业的整体技术、装备水平。
1.5本文主要工作
本文分析了负载电机选择方法，提出了对复卷机的生产设计要求。
论文对复卷机控制系统进行了设计和编写，还对主传动电机和变频器的选型和调试。
复卷机的工作过程主要是对复卷机实行过程控制。
复卷机的执行机构根据操作指令由PLC进行控制，传动电机根据张力控制原理由独立的传动系统进行张力控制。
复卷机的控制系统是由两个相对独立的系统组成，本机的控制系统和传动系统。
在设计过程中我们使用通讯模块使两个系统能够实时交换数据，最终使两个系统合二为一，实现对复卷机的自动控制。
第二章复卷机对电气传动系统要求
2.1复卷机组图
复卷机组由19个部分组成：
1横梁，2分条刀，3复卷部，4导纸辊，5Z型双弧形辊，6预舒展辊，7压纸辊机构，8踢纸器，9纸芯输送器，10张力检测，11引纸轮，12导纸板，13安全围栏，14退纸架，15顶轴器，16安全栅，17断纸刀，18卸纸斗，19除尘和导风装置。
如图2-1所示。
从造纸设备生产出的大纸卷，送至复卷机的退纸架上，裁出纸头引至预舒展辊，经引纸轮、导纸板、导纸辊，穿过分条刀、张力检测、Z型双弧形辊，引到复卷部，粘贴到底辊间的纸芯上，顶轴器关闭，引至过程结束，复卷机准备复卷。
图2-1复卷机组图
2.2复卷机组技术数据
表2.1纸张种类及定量
定量范围
标准定量
标准密度
密度范围
表2.2复卷机组速度
设计速度
工作速度（1500N/m）
最大张力速度（2000N/m）
电气传动最高速度
表2.3复卷机加减速时间
标准（0,67m/s2）
建议时间
最高速度急停时间
表2.4纸幅张力
最大张力
最小张力
表2.5纸卷数据
原纸卷最大幅宽
原纸卷最大直径
卷轴直径
限速直径
纸边最大宽度
纸边最小宽度
小纸卷最大直径
小纸卷最小直径
复卷后纸幅最大宽度
复卷后纸幅最小宽度
复卷纸芯内径
6寸,12寸
复卷纸芯壁最小厚度
表2.6刀条数量及产能
上刀/底刀
最大小纸卷数量
分切最小宽度
产能以
（直径
）为准
水分含量
2.3复卷机工作描述
复卷机在运转中有三个不同的动作同时发生：
开卷、分切纸和将已分切的纸复卷为最终的小纸卷。
图2-2复卷机传动原理图
在开卷和复卷过程中，校正纸幅张力在传动控制中很重要。
纸幅张力影响着纸卷的内部品质，例如纸卷紧度。
分切纸的过程是将整个纸幅分切成数个小纸幅，要使这些小纸幅达到所需宽度，那么切刀必须移动到与其它切刀正确间距的位置。
移动切刀时要检查刀片的使用状态,旧的、钝的刀片要更换为新的、锋利的刀片。
在复卷过程中，使小纸卷达到设定直径很重要。
纸卷紧度的影响因素有多点，除了纸张张力外，还有前后底辊间的负荷分配、压纸辊负载等等。
复卷机工作的工作状态是受到系统的监控的。
对于传动系统,除了开卷、分切、复卷三个过程，纸幅通过复卷机的状态也处于传动系统的控制下。
控制系统的自动换卷程序根据开卷、分切和纸卷的复卷状态，以及依据设定和校准的传动参数执行。
复卷机需要人工完成的工作有从开卷机引纸到复卷机、从复卷机卸出纸卷、将纸芯放在纸芯台和粘合结头等。
2.4复卷机对电气传动系统的要求
纸机因工作车速不同、幅宽差异、机械结构形式不同、生产纸种不同等而对电气传动控制系统的具体要求也各有不同，大体对纸机电气传动控制系统来说，要正常运行，必须满足以下基本要求：
1、保持稳定的车速，是传动系统中最关键的一个指标。
它的影响因素很多：
比如电源电压的波动、纸机工艺条件的变化、网和毛毯的清洁度大小、机械传动条件的变化等都会造成纸页定量的波动和纸幅断头。
2、有一定的稳态精度和动态精度。
其中稳态精度为0.01-0.02%，以保证纸页在正常生产过程中，不产生被过分拉伸现象或有松弛现象而影响纸页质量，甚至引起断头而影响正常的生产。
动态精度为切0.05-0.1%，以保证纸机在动态调整中快速响应。
3、工作车速的调节范围要较宽，用以适应不同品种、定量的生产需要。
对于脱水和干燥能力一定的纸机来说，在生产不同定量的纸页时，工作车速是需要进行相应地调整:
定量低时，车速要高；定量高时，车速要低。
调速范围为1:
10的电气传动控制系统，基本可以满足大多数中高速纸机正常工作的需要。
4、各传动分部间要形成一个动态性能优良的速度链结构，速比稳定、可调。
5、各分部要具有微降、微升功能，松纸、紧纸功能；相关联的部分具有单动和联动功能。
当某块的速度需要进行调整时，只能影响后面的速度，不能影响前面的速度。
6、爬行速度。
各分部应具有15-25
可调的爬行速度。
7、有些传动分部间，是有刚性和柔性连接的，在维持可调速比的基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，或者产生因轻载而过压现象。
8、对纸页张力要求比较严格的分部，如压光部、卷取部等，须进行张力控制。
以免造成纸页断纸或褶皱。
9、纸机的运行负载具有恒转负载特性，所以对于交流传动来说，须选用恒转矩特性的变频器，这样才能具有较大的起动转矩和良好的通讯能力以及较高的频率分辨率。
2.5本章小结
本章给出了复卷机的生产要求和性能参数，对复卷机的工作进行了描述，提出了对复卷机电气传动系统的要求，构建了基本的工作模式。
第三章复卷机电机选型
3.1复卷机电源
复卷机使用的电源类型有
具体电源分配如下：
表3.1电源分配
传动电机控制柜供电电源
复卷机本体电机控制柜供电电源
PLC控制柜供电电源采用独立UPS电源供电
3.2传动电气原理图
传动系统的电动机功率都小于1MW，所以它们的变频器采用交-直-交电压型PWM变频器。
从传动系统原理图3-1可知，复卷工作时，底辊电动机转速和转矩方向一致，工作于电动状态，功率流动方向是从中间直流母线经逆变器流到底辊电动机；开卷工作时，电动机转速和转矩方向相反，工作于再生状态，功率流动方向是从开卷电动机经逆变器流向中间直流母线。
变频器主电路采用了公共直流母线方案，把开卷机和底辊电机的逆变器接在同一段直流母线上。
这样安排后，开卷机发出的再生功率通过直流母线直接转流到底辊电机，从而大大减小整流器容量。
图3-1电气原理图
3.3复卷主传动电机选型
复卷机主要技术数据:
原纸卷纸幅宽度4650mm，原纸卷最大直径3200mm,原纸卷限速直径900mm，卷纸轴直径620mm,纸幅工作张力1500N/m，设计车速2200m/min,底辊直径750mm。
3.3.1退纸辊电机选型
根据复卷机开卷电机和底辊电机的负载特性及容量选择原理，
退纸辊最高转速:
（3.1）
退纸辊最低转速：
（3.2）
退纸辊调速范围:
（3.3）
选择减速机速比:
暂定原纸卷直径为900mm，退纸辊达到最高转速时，
根据:
（3.4）
得：
（3.5）
退纸辊电机功率
（3.6）
取
则
（3.7）
由于该电机功率是根据退纸辊最大所需扭矩推导而来，所以不必再进行扭矩核算，而且也考虑了1.5倍的动态力矩裕量，所以具体选择的电机的额定功率550KW，电机额定转速686/2200rpm,配用减速比2.82的减速箱。
3.3.2底辊电机选型
在卷取稳速的过程中,纸幅张力是恒定的,电机输出力矩变化范围不大,引入减速箱,使得最大车速下,电机转速为额定转速,可以使电机选择达到最佳。
前后底辊一般选用相同规格的电机，额定转速暂定为1500r/min,则减速机速比
（3.8）
为了转矩要求的满足，底辊应选电机功率为：
（3.9）
在卷曲稳速过程中,纸幅张力是一定的,车速也是恒定,因此前后底辊电机共同提供的轴功率也是基本恒定的,为
（3.10）
根据功率计算，前后底辊电机的额定功率应为:
（3.11）
根据转矩计算和功率计算所得的额定功率值进行比较，选取较大值以满足转矩和功率的要求。
具体选择的底辊电机额定功率250KW，额定转速1248rpm，配减速比为1.47的减速箱。
表3.2复卷机设备参数表
加速时间（s）
减速时间（s）
急停时间（s）
速度
m/min
最大张力（N/m）
最小张力（N/m）
纸张宽度（mm）
密度（kg/
）
重量（g/
）
退纸辊直径（mm）
复卷最大直径（mm）
纸芯直径（mm）
55
55
30
2000
2000
500
4650
1000
225
614
1500
100
在3.3节完成了传动电机的选型工作，选用的开卷机电机额定功率550KW，电机额定转速686/2200rpm,配用减速比2.82的减速箱，选用的底辊电机额定功率250KW，额定转速1248rpm，配减速比为1.47的减速箱。
以下将按照表4-1的复卷机设备参数，对开卷机和底辊电机进行测试。
3.3.3退卷电机功率测试
表3.3退卷机电机功率测试数据表：
根据表3.3，可以得到开卷电机的性能数据，见表3.4：
母卷直径（mm）
转速（rpm）
长度
（%）
能量
（KJ）
重量
（
）
加速功率（KW）
减速功率（KW）
最大张力加速功率（KW）
最小张力加速功率（KW）
最大张力减速功率（KW）
急停功率
（KW）
3200
199
100
10548
194416
382.6
-382.6
88.1
305.1
-677.1
702
3070
207
92
9739
165294
353.3
-353.3
58.8
275.8
-647.8
648
2941
216
84
8966
139628
325.3
-325.3
30.8
247.8
-619.8
596
2812
226
76
8229
117133
298.5
-298.5
4.0
221.0
-593.0
547
2682
237
69
7529
97535
273.1
-273.1
-21.4
195.6
-567.6
501
2553
249
62
6865
80575
249.1
-249.1
-45.4
171.6
-543.6
457
2424
263
56
6240
66005
226.4
-226.4
-48.1
148.9
-520.9
415
2294
277
50
5653
53589
205.1
-205.1
-89.4
127.6
-499.6
376
2165
294
44
5106
43103
185.2
-185.2
-109.3
107.3
-479.7
340
2036
313
38
4600
34337
166.9
-166.9
-127.6
89.4
-461.4
306
1907
334
33
4138
27090
150.1
-150.1
-144.4
72.6
-444.6
275
1777
358
28
3723
21177
135.1
-135.1
-159.4
57.6
-429.6
248
1519
419
20
3049
12665
110.6
-110.6
-183.9
33.1
-405.1
203
1260
505
12
2640
7550
95.8
-95.8
-198.7
18.3
-390.3
176
1001
635
6
2646
4780
96
96
-198.5
18.5
-390.5
176
743
856
2
3517
3498
127.6
127.6
-166.9
50.1
-422.1
234
表3.4开卷电机的性能数据
表3.5开卷电机的性能数据
母卷直径（mm）
张力功率（KW）
转速（rpm）
电机转速（rpm）
过载功率（KW）
过载时间（s）
3200
-295
199
561
-377
55
614
-295
1037
2924
-466
55
表3-2，表3-3中的转速为退纸辊转速。
开卷机自动停车开时减速时的母卷纸张长度L设定为916.67m,退纸辊直径
，纸张厚度σ=密度/重量=
（3.12）
退纸辊转速n=
母卷直径D经公式得出：
（3.13）
（3.14）
开卷机测试结果见根据表3.5：
表3.5开卷机测试结果
电机功率
电机最低转速
电机最高转速
退纸辊最低转速
退纸辊最高转速
升级会员 