工字轮收线机的电机选型.pdf

图 3 变频器双闭环功能框图 最大转矩为 2 Me 4 改造效果 经过半年的运行 拉丝机启动平稳 运行可靠稳 定 停车时钢丝保持一定张力 不松线 升降速平滑 最高速可以达到 6 24 m s 能够满足多种工艺的需 要 达到改造的目的 收稿日期 2004 03 23 作者简介 卢祥胜 1975 年生 郑州金属制品研究院助理工程师 王树强 1966 年生 郑州金属制品研究院高级工程师 工字轮收线机的电机选型 陈红献 郑州金属制品研究院 450007 牛永旺 青岛四方庞巴迪公司 266000 关键词 工字轮收线机 电机 转速 力矩 功率 中图分类号 TM301 2 工字轮收线机是金属制品行业连续化生产广泛 使用的设备之一 根据不同的工艺要求 收线机的 驱动电机有普通交流电机 交流力矩电机 电磁调速 电机 变频电机和直流电机等 电机类型的选择在 很大程度上决定了收线机的性能 也关系到其成本 对于收线张力要求不严格的系统 可选用力矩电机 和电磁调速电机 配有活套的高速收线机或要求张 力精确的收线机 可选用变频或直流控制的电机 1 力矩电机 力矩电机具有较大的阻抗 堵转电流远小于一 般电机 结构上采用了强迫通风形式 能长期运转在 低转速范围 而且结构简单 易于维护 控制方便 因 而广泛用在收线机上 其机械特性较软 当负载增 加时 电机的输出轴转速能自动地随之降低 使产品 卷绕时的张力基本保持不变 力矩电机的使用是否合适决定于所选规格是否 恰当 其旋转力矩值可以选用堵转力矩值的 1 3 2 3 运行转速可以选用同步转速的 2 3 1 3 这就 要求工字轮外径与内径之比最好小于 2 由公式 1 可得公式 2 v 2 n 3 D1 60 i 1 i n D1 90 v 2 式中 i 总减速比 第 30卷 第 4期 金 属 制 品 2004 年 8 月 Vol130 No14 Steel Wire Products August 2004 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved D1 工字轮内径 v 最高线速度 n 同步转速 Mmax k F D2 2 i 3 式中 Mmax 堵转力矩 k 常数 一般取 1 5 1 8 F 收线张力 D2 工字轮外径 效率 一般取 0 8 例 1 用一台 4 极力矩电机拖动内径为 380 mm 外径为 760 mm 的工字轮以 5 m s 速度收卷 由 式 2 计算出 i 4 若收线张力为 100 N 由式 3 得 出堵转力矩为 21 N m 左右 可选 YLJ 25 4 型力矩 电机 堵转力矩为 25 N m 力矩电机用在收线机上有一定的局限性 1 其机械特性决定了卷取过程中存在张力误 差 在恒张力收线时 要求电机恒功率输出 因为 P F v 为恒定值 这就要求 n M 恒定 实际存在的 差别如图 1 所示 图 1 力矩电机机械特性 由图 1 可知 即使在合适的工作区间 对运行的 某一转速 n1 实际力矩 M2与要求力矩 M1存在较大 误差 2 力矩电机控制器一般没有电压闭环控制 这 就使得力矩电机的电压随电网电压波动 造成在同 一给定时力矩电机输出力矩变化很大 堵转力矩与 电压的平方成正比 电网电压波动 5 转矩相 差 20 3 力矩电机效率相当低 由于转子阻抗较大 相当一部分电能被绕组发热消耗掉了 铜损较大 其 磁场间隙较大 铁损也大 在例 1 中 在不考虑起动 制动情况时 收线功率仅 0 5 kW 所选电机堵转电 流为 15 A 一般工作电流也在 9 A 左右 约 4 5 kW 效率低是很明显的 因而建议将力矩电机用在放线机一直工作 且 无须倒车的场所 最好用机械阻尼放线 降低能耗 用在收线上也要从长远考虑节能问题 这可以通过 上面的例子说明 如果选用变频器控制收线机电机 为了合理起停 虽然装机容量为 3 kW 左右 可是运 行效率高 一般工作功率在 1 5 kW 一年可节电约 2 万 kW h 设备的投资将很快收回 力矩电机用在放 线机上浪费也很严重 20 台力矩放线机在一年内将 浪费 20 多万 kW h 电能 2 电磁调速电机 电磁调速电动机的开环机械特性就是转差离合 器的机械特性 可由式 4 1 近似计算 n n1 k M2 I4f 4 式中 n1 离合器主动部分转速 k 与离合器类型有关的系数 If 励磁电流 M 输出转矩 n 输出转速 其机械特性图和力矩电机相似 用在收线机上 电磁电机可运行到 1 000 r min i 17 D1 v 5 Me F D2 2 i 6 P 0 16 Me 7 式中 P 电机额定功率 Me 电机额定转矩 例 1 中如选用电磁调速电机 由式 5 6 7 计算参数如下 i 4 Me 12 N m P 1 9 kW 选用 YCT160 4A 型电机 主电机选 2 2 kW 电磁调速电机的缺点和力矩电机相似 从计算 上看 其效率要高些 使用时将电磁调速控制器转 速反馈不接 给定信号调整到 0 2 V 即可 3 交流电机和直流电机 3 1 配有活套的收线机 ne 60 vi D1 8 式中 ne 电机额定转速 由式 8 计算 ne 由于按内径计算转速 这样在 卷径增加时也能满足收线速度要求 一般 ne是固 定的 根据 ne求 i 选择时将其加大到 1 2 倍 最小 也不要低于计算值 这样在工字轮内径收线时会出 现速度跟不上的问题 但可以通过调速器参数设定 解决 变频器可提到 60 Hz 直流可超调 电机和控制 器均可实现 其优点在于设计机械减速时范围大 了 方便选型 电机利用充分 动态调整快 在某些 72 第 4 期 陈红献等 工字轮收线机的电机选型 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 情况下 还可以使电机和控制器的功率选型降低一 个档次 节约投资 其主要原因是工字轮在满轮状 态的飞轮转矩是不变的 减速比增大后 折算到电机 轴上的飞轮转矩按平方关系减少 电机快速起停的 力矩也相应减少 从而使电机和控制器的功率减小 根据式 6 计算 Me 外径收线时满足张力要求 内径 收线时需要力矩减小 实现张力更没问题 由此得 出电机额定功率 P Me ne 9 565 9 在通常情况下 按以上方法计算出的电机功率 是不合适的 主要是没有考虑起停时的动态要求 工字轮在满轮状态的飞轮转矩折算到电机轴上 GD2 g D24 D14 8 i2 10 式中 GD2 飞轮力矩 g 重力加速度 质量密度 通常 GD2比较大 在规定的时间 t 内使电机的 转速变化 n 的力矩 M 也比较大 M GD2 n 375 t 11 按式 6 和式 11 较大的力矩代入式 9 计算电 机功率 才能满足动态要求 对开环控制的系统 并且工字轮外径与内径之 比小于 2 可选普通电机 否则 用变频电机较好 避 免卷绕到满轮时电机转速低电流大而降低电机使用 寿命 对交流电机 还需选配与电机相应功率的制 动单元和变频器共同控制 直流电机须选用 4 象限 运行控制器 3 2 无活套而张力要求严格的收线机 工字轮收线机在恒张力收线过程中 随着卷径 增加 所需力矩成比例增加 这就要求所选控制器在 运行中变力矩输出 并能保持与卷径成比例变化 最 好能计算卷径和锥度 交流变频控制器主要有西门 子 ABB 伦茨 爱默生等公司生产 有的还需配备工 艺板或卷取宏 否则 即使在转矩模式下也需在收线 过程中人为调整控制器输出以保持恒张力 直流控 制器主要有欧陆 590 具有要求的所有卷取功能 进 行 软连接 即可 电机参数计算方法和有活套的系 统相同 用交流电机和直流电机驱动收线机从张力精度 和节能方面没有质的差别 关键在于设计者对二者 控制器熟悉程度 使用维护水平和成本要求 根据上述分析 工字轮收线机的电机选用可参 考表 1 表 1 工字轮收线机选用电机各项性能对比表 电机型号 工字轮外内径之比 电网电压影响 初始投资 节能程度 张力精度 收线速度 控制方式 有活套否 使用维护难易 长远效益 力矩电机 2 影响大 小 不节能 不准 低 调压 无 容易 差 电磁调速电机 3 影响大 最小 不节能 不准 低 调励磁 无 一般 差 普通交流电机 2 无影响 一般 节能 一般 不限制 变频 均可 一般 好 交流变频电机 不限制 无影响 大 节能 准确 不限制 变频 均可 一般 好 直流电机 不限制 无影响 最大 节能 准确 不限制 数字调速 均可 较难 好 4 结语 由于工字轮收线机使用的场所不同 所收线径 不同 同一收线机所要求张力也有差别 这就造成使 用者很难准确调整张力 收线速度也根据工艺不断 调整 引起调整好的收线张力发生变化 若选用力 矩电机或电磁调速电机驱动收线机 由于其自然特 性造成的误差及电网电压波动的影响 更使得收线 张力难以精确 但控制简单 成本低 即使不节能也 普遍在无活套的收线机上使用 有些收线机虽然用 了变频器控制 却不能计算卷径 使得工字轮内外径 的不同力矩要求由人工调节实现 引起收线张力误 差 具有卷绕功能的控制器 收线张力跟踪准确 而 且很节能 但由于需要线速度信号 对上道工序有要 求 同时参数设定较多 价格又贵 限制了推广应用 参考文献 1 天津电气传动设计研究所 电气传动自动化技术手册 M 北京 机械工业出版社 1993 370 收稿日期 2004 05 20 作者简介 陈红献 1968 年生 郑州金属制品研究院信息中心高级工程 师 牛永旺 1976 年生 青岛四方庞巴迪公司助理工程师 82 金 属 制 品 第 30 卷 1994 2007 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved