退纸辊电机的工作特性分析与选择

　　1 引言

　　直流电机磁场和转矩自然正交，从控制

　　角度易于实现调速，

　　直流电机

　　制造与直流拖动控制系统

　　理论上和实践上都比较成熟，

　　许多需要调速或快速正反向

　　电力拖动领域中

　　到了广泛

　　应用。

　　，直流电机需要换向机构，对电机

　　容量有很大

　　限制，此外直流电机是饶线式转子，转子

　　高速转动时电机

　　机械强度受到威胁，对转速

　　提高也是很大

　　限制。

　　可靠性降低，维护量大，耗费较大

　　后续资金。

　　电力电子技术

　　发展，交流调速系统也可达到很高

　　性能特别是矢量控制交流变压变频调速系统，

　　坐标变换实现磁场与转矩

　　完全解藕把异步电动机等效成直流电机，

　　静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美，且交流电机本身具有可靠性高、维护量少等优点，交流调速系统

　　许多应用领域具有明显优势，但

　　退纸电机

　　工作特性，直流和交流存

　　优化选择问题。

　　2 退纸辊负载特性分析

　　车速处理上退纸辊

　　线速度等于后底辊

　　线速度,但实际上从产生张力

　　角度两者

　　线速度是必然不相等

　　,由下面

　　张力公式也能

　　到左证,设前后底辊

　　线速度为V2,退纸辊

　　线速度为V1,如图1所示

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　　图1 复卷机工作示意图

　　张力公式：

　　其中S为纸张

　　截面积；L为后底辊与退纸辊两传动点之间

　　距离；Y为纸张

　　弹性模量。

　　由上式可知，

　　后底辊线速度V2恒定，要使

　　张力恒定，必须使退纸辊

　　线速度恒定,

　　V=πd n，

　　必须使电机转速 (d为退纸辊带纸直径)，即 （M为电机电磁转矩）,可见复卷机

　　负载特性为恒功率负载特性。本文将以实际复卷机工艺技术参数为例做电机参数计算

　　有关讨论：

　　复卷机主要技术参数：

　　幅宽： 3840mm

　　最高工作车速： 1800m/min

　　引纸车速： <25m/min

　　纸幅张力： 800N/m

　　原纸卷最大卷径： 2800mm

　　原纸轴直径： 464mm

　　由以上数据可以计算出以下相关数据：

　　(a)最高（退纸轴）转速：

　　name=V/πdmin=1800/(π*0.464)=1235.45r/m

　　(b)最低（退纸轴）转速：

　　nmin=V/πdmax=1800/(π*2.8)=204.73r/m

　　(c)调速范围：

　　D=nmax/nmin=1235.45/204.73=6.0

　　3退纸辊为直流电机

　　容量及运行状态分析

　　3.1 直流电机运行状态分析

　　直流电机驱动

　　下引纸复卷机中，对退纸辊电机

　　控制是纸幅张力控制

　　关键环节。

　　纸幅张力和工作车速一定

　　情况下，退纸辊电机输出功率一定，但转矩

　　放纸辊卷径

　　减小而减小。设纸幅张力为F,线速度为v,电机感应电动势为E,电枢电流为I,

　　忽略机械摩擦损耗

　　条件下，有公式：

　　F=EI/V=CeφnI/V --1

　　其中：Ce——电机常数

　　φ——磁通量

　　n——电机转速

　　复卷

　　进行，放纸卷

　　直径越来越小，电机转速越来越快。

　　保证张力恒定，需要使

　　--1式

　　分子项为恒值。有两种情况：:当电机

　　转速未能达到额定转速时，

　　保证电机

　　输出转矩足够大，电机

　　磁通为满磁，φ为恒值，

　　这种情况下应使转速与电流

　　乘积为恒值，调整

　　变量为电枢电流；另一种情况是当转速达到额定值后，只能

　　弱磁调速进一步提升转速，此时应保证电流为恒值，而

　　调整励磁使

　　磁通φ与转速

　　乘积为恒值。现实中上述第一种情况一般普遍存

　　，其原因主

　　考虑到成本因素，设备制造厂家经常选用通用型直流电机，而通用型电机并没有足够宽

　　弱磁调速范围，

　　必然有一段工作过程是处

　　满磁状态下，即上述

　　第一种情况。

　　3.2直流电机

　　容量计算

　　考虑电机容量时通常是

　　退纸辊电机

　　电磁功率等于纸幅负载功率

　　思路来计算

　　，但

　　选择电机功率后还必须校核张力

　　大小以及转速范围，最终确定电机容量。以下为计算举例：

　　·容量计算

　　(a) 纸幅张力：

　　F=3.84*800=3072N

　　(b) 张力功率：

　　PF=FV=3072*1800/60=92.16KW

　　(c) 动态补偿功率：

　　经验，

　　加减速时间短,变化速率快时,动态补偿力矩可以达到张力力矩

　　40％左右,

　　留有一定

　　余量，取50％,则

　　P动=PF *0.5=46.08KW

　　(d) 退纸辊总功率：不考虑减速比对转矩

　　影响，则

　　P=（P+P动）=46+92=138KW

　　对应标称功率初选132KW，500-1500rpm电机

　　·张力校核

　　计算效验电机

　　转矩是否满足最大转矩

　　要求。

　　负载最大张力转矩：忽略损耗、摩擦等因素负载转矩最大值

　　Mmax=dmaxF/2=1.4*3072=4300NM --2

　　其中，dmax 为负载最大直径既退纸工作

　　起始直径；

　　电磁转矩：按普通1：3弱磁调速范围选择电机以额定转速500rpm计算，则电机

　　额定转矩

　　Me=P/Ωe --3

　　=60P/ne6.28=9.55P/ne(NM)

　　=132000*9.55/500=2521（NM），

　　显然所选电机电磁转矩小于所需要

　　转矩，现用减速箱速比调整：4300/2521=1.71，按1：1.7选减速箱可以满足转矩

　　要求。

　　· 转速校核

　　最小直径为464mm，实际上

　　最高工作车速时，最小直径必须大于卷纸轴

　　直径，

　　为减速停车预留一定空间，

　　最小直径以dmin=500mm计算，则最高车速对应

　　电机轴最高转速为nmax=1.7*1800/πdmin=1957rpm ,由此结果说明最高转速1500rpm

　　电机不能满足工作车速

　　要求。经查电机样本，选750-2250rpm

　　电机可以满足要求，

　　最低转速提高，

　　最大转矩需重新校核。

　　P=Ωe Me，

　　转速范围不变，只考虑电机功率和转矩

　　变化。

　　额定转速升高，功率不变时转矩下降，必须靠提高功率来补偿：即调整后

　　电机功率P1=P750/500=198kW。

　　就此可以

　　以上计算结果选择退纸辊所用直流电机型号，当样本不能找到合适电机时只能

　　最接近

　　数据，

　　满足转矩和转速

　　条件下选择最小功率

　　电机。

　　本计算实例，选择结果为：功率198kW，转速750-2200。

　　从结果看，所选电机功率比实际所需功率大了60kW。这是

　　不能完全用恒功率调速实现恒张力控制

　　原因，

　　我们选用定制

　　磁补偿电机，则电机功率仍然为132kW，而调速范围则必须达到500-1957rpm。

　　3退纸辊为交流电机

　　容量及运行状态分析

　　3.1 交流电机

　　运行状态分析

　　异步电动机变频调速具有很好

　　调速性能，可与直流电动机调速相媲美。三相异步电动机变频调速具有以下特点：从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；调速范围大；转速稳定性好。

　　说交流电机从性能上完全胜任退纸辊电机

　　工作，

　　交流电机

　　价格上较直流电机有很大

　　优势。

　　3.2交流电机

　　容量计算

　　（a）负载所需提供

　　最大转矩 (由--2)

　　Mmax=dmaxF/2=1.4*3072=4300NM

　　当交流电机采用变频调速时，不考虑电流过载和低频转矩损失，可以认为

　　额定电流下电机输出额定转矩。又

　　电机

　　轴承及设计等原因，弱磁调速时理论上

　　转速不受限制实际上要受到如轴承

　　温度，定、转子

　　机械强度等影响，一般最高速度不宜超过额定转速

　　2倍。

　　，当一台额定频率50HZ

　　电机最高工作频率应当

　　100HZ左右。

　　这就决定了交流电机

　　弱磁调速范围最大

　　1：2或略高，和直流电机通常

　　1：3相比意味着电机功率要相应增加才行。

　　(b) 电机转矩计算

　　尽可能减小电机功率，可以采用

　　措施是：选用多极电机降低额定转速。现

　　要求和综合因素选6极电机，工作频率最高100HZ，则最高转速为2000rpm符合要求。按与直流同样功率计算，电机电磁转矩为：

　　Me=P/Ωe （式3）

　　=60P/ne6.28=9.55P/n(NM)

　　=132000*9.55/1000=1261（NM），

　　额定转速由500提高到1000rpm，

　　电磁转矩下降了一倍。减速比按转矩满足计算为4300/1261=3.41。显然按此速比转矩符合要求，但最高转速又达不到要求，综合选速比为1：2，让转速基本符合要求。

　　负载要求电机

　　转矩：

　　Mmax=4300/2（NM）=2150（NM），

　　据此和额定转速要求可计算出所需电机功率

　　P=neMmax/9.55=225kW

　　计算过程知，上述功率可以满足最大转矩和最高转速

　　要求。

　　4 结束语

　　从以上计算结果，可以

　　出以下几点结论：

　　(1)

　　退纸辊电机，理论上负载特性为恒功率性质，要求电机具有恒功率调速

　　工作特性。

　　选择电机时主要依据

　　是张力功率和加速惯性补偿转矩。

　　(2 当选择最低转速为额定转速工作时，弱磁调速范围等于直径

　　变化范围。此时所选电机功率为最小值。

　　(3) 当电机弱磁调速范围不能满足直径变化时，

　　保证调速范围，必须使电机工作

　　额定转速以下，以扩大调速范围，

　　额定转速以下电机工作

　　恒磁通（额定值）而变转矩电流以实现恒功率调速

　　负载要求，

　　使电机功率大于实际工作所需要

　　功率值。

　　(4) 交流电机

　　额定转速相对较高（工频、极对数较少时），

　　满足同等要求下比直流电机所需

　　功率更大一些，这对降低投资和运行费用不利。

　　(5)

　　直流

　　交流电机，

　　相同负载

　　电机选择上有相同

　　计算过程。但交流电机

　　功率一般比直流要大。

　　(6)

　　电机设计上采取措施，

　　电机选择和控制装置

　　选择综合投资最节省以及运行费用最优方面等还有待进一步研究和优化分析。