直接傳動系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用

肖 鍇

(ABB(中國)有限公司,北京,100015)

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直接傳動系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用

肖 鍇

(ABB(中國)有限公司,北京,100015)

介紹了直接傳動系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用。直接傳動系統(tǒng)技術(shù)利用了交流永磁同步電機低轉(zhuǎn)速、高輸出轉(zhuǎn)矩的特性,從而減少了聯(lián)軸器、減速箱、編碼器、潤滑系統(tǒng)等設(shè)備,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)維護和運營成本。

直接傳動系統(tǒng);交流永磁同步電機;無減速機傳動;無編碼器傳動

(E-mail:kai.xiao@cn.abb.com)

Abstract:Alongwith the development of papermachine,the high speed and wider papermachines require a drive system which can provide higher power,higher control accuracy,longer operation time and lower operation cost,and it leads to a trend of decreasingmechanical drive components.ABB has developed the direct drive system(DDS)to meet the application requirements.The system applies permanentmagnet synchronousAC motorwhich permits lower speed and higher torque output,therefore permits reduction in the number of mechanical drive components required in manymachine applications.

Key words:direct drive system(DDS);permanentmagnet synchronousAC motor;gearless drive;encoderless drive

2009年9月28日,瑞典國王卡爾·古斯塔夫十六世在瑞典斯德哥爾摩大飯店舉行的頒獎典禮上為3位來自ABB公司的工程師Jouni Ik?heimo,Vesa Kajander(造紙部)和BengtWelin頒發(fā)了全球性的科技獎項MarcusWallenberg獎(MarcusWallenberg獎包括了200萬瑞典克朗的現(xiàn)金獎,其目的是鼓勵林紙業(yè)科學(xué)進步。每年世界上約有500家集團受邀提名獲獎人,本次是第26次頒獎),以表彰他們在紙機傳動(直接傳動系統(tǒng),DDS)技術(shù)領(lǐng)域所做出的突破性貢獻(xiàn)。

這一新的設(shè)計理念將為造紙行業(yè)在減少投資和運行成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境影響等方面提供幫助,同時開創(chuàng)了紙機傳動系統(tǒng)的新紀(jì)元。

1 紙機傳動發(fā)展

紙機傳動系統(tǒng)已發(fā)展了超過100年的時間。在20世紀(jì)60年代,第一代的直流分部式傳動取代了第一代的傳動系統(tǒng)——總軸傳動系統(tǒng)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,第一代的交流傳動系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn),并于1983年被首次應(yīng)用于紙機傳動。在此之后的近三十年間,隨著電子技術(shù)飛速發(fā)展,交流傳動系統(tǒng)的研究也得到了大力促進,相繼出現(xiàn)了VC控制和DTC控制變頻傳動系統(tǒng)。至今,交流傳動已經(jīng)成為當(dāng)前的主流傳動方案。

2 永磁材料發(fā)展與應(yīng)用

永磁體最基本的作用是在某一特定的空間產(chǎn)生一恒定的磁場,維持此磁場并不需要任何外部電源。標(biāo)志永磁材料好壞的參數(shù)有許多,最重要的是最大磁能積(BHmax),磁能積越大,材料每單位體積所產(chǎn)生外磁場的能量就越大,見圖1所示。由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力等優(yōu)異的特性,將在電機制造領(lǐng)域引起革命性的變化。

圖1 永磁材料的發(fā)展歷程

永磁材料的應(yīng)用歷史已經(jīng)超過100年。稀土永磁材料是現(xiàn)在已知的綜合性能比最高的一種永磁材料,它比19世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高100多倍,比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多,比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還要高1倍。

在過去的20年間,稀土永磁材料的研發(fā)得到極大的進展,目前主要的稀土永磁材料有釤(Sm),釹(Nd)和鏑(Dy),其中首選的永磁材料是1987年研發(fā)的釹鐵硼(NdFeB)材料,其磁能積在216～400 kJ/m3之間,被稱為“永磁王”,是目前磁性最高的永磁材料,此外也有少量制造商在采用鏑(Dy)。

在電機應(yīng)用設(shè)計中需要對永磁材料的使用溫度進行考慮。永磁材料的退磁和矯頑力都是由溫度決定的,各種材料的使用溫度均有不同。在高溫的情況下,永磁體內(nèi)部的矯頑力將會減少,從而更容易發(fā)生退磁現(xiàn)象。對于釹鐵硼材料來說,其退磁溫度點為310℃,因此,為了避免退磁現(xiàn)象的發(fā)生,其最大操作溫度通常為120～180℃。一般情況下,根據(jù)設(shè)計要求,永磁材料供應(yīng)商有一系列溫度等級可供選擇。

另一需要考慮的重要特性是防腐性。NdFeB永磁體的耐腐蝕性能較差,永磁體中的Nd化學(xué)活性強,易被氧化,在潮濕氣氛下,磁體表面形成微電池,增加了腐蝕速度,特別是在氚同位素存在的情況下使用時,氚將通過富Nd晶間向磁體中擴散,將使磁體組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,磁性能下降。因此,必須對Nd-FeB永磁體進行防腐處理。目前,根據(jù)不同的應(yīng)用場合,可以選擇相應(yīng)的金屬涂層(如鍍鎳)或有機涂層(如環(huán)氧材料)。

另一需要重點關(guān)注的工藝是永磁體的安裝工藝。當(dāng)組裝永磁體時,需要使用黏合劑固定永磁體。由于NdFeB在與磁場垂直的方向具有負(fù)的熱膨脹系數(shù),因此很多黏合劑并不適合此類應(yīng)用。另外,有些黏合劑可能會損害永磁體的防腐涂層,造成磁體腐蝕的風(fēng)險,故在涂層的選擇上應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)呐蛎浵禂?shù)。

3 永磁同步電機

大功率電機采用永磁體勵磁的想法由來已久。由于永磁體技術(shù)近十年發(fā)展迅猛,因此在技術(shù)和經(jīng)濟上成為可行的解決方案,尤其在低速、大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動方面更是如此。

永磁同步電機是一種交流同步電機。電機的定子和普通的鼠籠電機一樣是三相繞組,但是轉(zhuǎn)子繞組是永磁體。在這種結(jié)構(gòu)下,總是存在轉(zhuǎn)子磁通耦合。永磁體可以安裝在轉(zhuǎn)子的表面或內(nèi)部。圖2所示為幾種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖2 幾種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

ABB公司的永磁同步電機采用圖2(c)所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),該設(shè)計是將永磁體埋入轉(zhuǎn)子中,見圖3所示,電機的極數(shù)由永磁體數(shù)量決定(技術(shù)上為6～20 極)。這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的特性與表面式永磁同步電機的本質(zhì)特性相差較大,更接近于普通交流電機的結(jié)構(gòu),更穩(wěn)定,磁感應(yīng)強度更高,從而拓寬了電機在弱磁區(qū)的工作范圍。該類電機的氣隙通量分布可通過改變轉(zhuǎn)子表面外形和開槽來改變。與普通的感應(yīng)電機相同,轉(zhuǎn)子碟片傾斜式安放,可以保證電機運行中輸出轉(zhuǎn)矩波動的最小化[1]。

圖3 永磁同步電機的轉(zhuǎn)子

永磁同步電機沒有滑差,因此無滑差損失。由于轉(zhuǎn)子沒有繞組,沒有勵磁損失,從而將轉(zhuǎn)子上的能量損失減少到最小。在應(yīng)用中,永磁電機轉(zhuǎn)子上的能量損耗只占電機總損耗的3%,而感應(yīng)交流電機的則占40%。二者相比,永磁同步電機減少了至少1/3的損耗,幾乎所有的損耗都來自于繞組和定子。因此,永磁同步電機比普通感應(yīng)交流電機更容易散熱?；谝陨锨闆r,電機制造商可以制造出功率更大,尺寸更小的電機。

電機應(yīng)用設(shè)計需要重點考慮的問題是轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)電機運行在弱磁區(qū)時,去磁電流反饋到電機的定子繞組上。該電流將削弱永磁體磁通鏈的作用,因此磁場和反電動勢減小,從而電機的轉(zhuǎn)速升高。一旦驅(qū)動設(shè)備出現(xiàn)故障,沒有了定子消磁電流,那么變頻器必須承受永磁體產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)速成比例的反電動勢。因此需要根據(jù)情況限制永磁同步電機的轉(zhuǎn)動速度。

其運行頻率限制值flimit可以按照式(1)進行計算。

式中,fnom,mot表示電機額定頻率,Enom,mot表示電機額定開路電壓(發(fā)電機空轉(zhuǎn)時的反電動勢), Unom,inv表示逆變器的額定電壓。

4 紙機直接傳動系統(tǒng)

4.1 傳統(tǒng)方案

在傳統(tǒng)的紙機傳動設(shè)計中,傳動設(shè)備通常包括電機、連接軸、減速箱及其附屬設(shè)備。

通常紙機傳動設(shè)備的轉(zhuǎn)速是200～600 r/min,如無減速箱,則需要電機運行在一個較低的轉(zhuǎn)速下。電極數(shù)較少的電機具有較高的額定轉(zhuǎn)速,如果通過降低變頻器輸出頻率,也可低速運轉(zhuǎn)。但在這種情況下,電機需要選擇較大功率規(guī)格,同時隨著速度的降低,電機的運行效率較低,從而變頻器的規(guī)格也需相應(yīng)增大。

采用極數(shù)更多的感應(yīng)電機雖然能夠滿足部分低轉(zhuǎn)速運行的要求,但是隨著極數(shù)的增加電機的功率因數(shù)也會下降(由于感應(yīng)漏磁增加)。所以,極數(shù)較多的感應(yīng)電機并不真正適用于低速直接驅(qū)動。

因此,通常設(shè)計中會裝配合適減速比的減速箱,以保證電機運行在接近額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。如圖4所示。

4.2 直接傳動方案

由于永磁同步電機具有低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的特性,其更適合于驅(qū)動200～600 r/min的設(shè)備。因此,在新的直接傳動方案中,原有的減速箱及其附屬設(shè)備被移除,電機通過連接軸直接驅(qū)動設(shè)備,見圖5所示。

通過安裝永磁電機專用驅(qū)動軟件,現(xiàn)有的ACS800和ACS600變頻裝置均可實現(xiàn)對永磁同步電機的驅(qū)動控制。

直接傳動技術(shù)可以應(yīng)用到諸如漿板機、紙機上的泵類傳動,濕部、壓榨、涂布機、施膠壓榨和其他的所有分部傳動領(lǐng)域。由于移除較長的連接軸和減速箱(容易造成機械共振),這一技術(shù)將使得紙機更容易控制。對于紙機傳動的大多數(shù)應(yīng)用來說,電機功率并不是一個問題(目前ABB電機功率已經(jīng)達(dá)到2400 kW)。

5 傳動方案的設(shè)計

對于紙機傳動來說直接傳動是一種低成本高效率的解決方案,通常應(yīng)用于轉(zhuǎn)速為200～600 r/min的設(shè)備[2]。雖然這個技術(shù)也可以應(yīng)用到非常低轉(zhuǎn)速的傳動點,但對于不同的紙機應(yīng)用,該方案并不一定是最經(jīng)濟的。設(shè)計者需要根據(jù)項目的具體情況,計算相應(yīng)的安裝和運行成本,從而選擇相應(yīng)的電機種類,以達(dá)到縮減總體投資成本的目的。在考慮投入成本節(jié)省時,通常需考慮減速箱及安裝的成本、潤滑系統(tǒng)的成本、節(jié)省空間的成本、編碼器的成本、減速箱造成的年功率損耗成本等等。

在大多數(shù)紙機應(yīng)用中,當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)速超過700 r/min時,通常采用傳統(tǒng)交流電機是相對經(jīng)濟的選擇。在一個傳統(tǒng)項目中,通過電機規(guī)格數(shù)量的優(yōu)化也可以減少備件的數(shù)量。

當(dāng)在紙機傳動中采用直接傳動方案時,永磁同步電機轉(zhuǎn)速的選擇是非常重要的。對于各傳動分部,除了通常需要考慮的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速外,最大轉(zhuǎn)速也是必須考慮的。這主要是因為在變頻應(yīng)用時,一旦變頻器發(fā)生故障,永磁同步電機將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成比例的端電壓。如果產(chǎn)生的電壓超過變頻器額定電壓的140%,將造成變頻器功率元件損壞。因此,通常需要在系統(tǒng)設(shè)計中限制電機的最大轉(zhuǎn)速。

在全國各地，治理“新官不理舊事”現(xiàn)象都在進行中。遼寧省嚴(yán)查招商引資中的“新官不理舊賬”、承諾不兌現(xiàn)、服務(wù)不到位、吃拿卡要亂作為等行為，獲得了很多網(wǎng)友的點贊。據(jù)新華社報道，今年以來，遼寧全省在深入開展的專項整治“四風(fēng)”“辦事難”“特權(quán)車”行動中，全面梳理政府失信相關(guān)事項，對拖欠工程款、未及時供地等問題進行全面摸底調(diào)查，按照“一事一策”原則逐一制訂整改計劃；省政府還要求各地對30%以上新引進項目進行抽查，重點檢查超職權(quán)承諾情況，嚴(yán)防產(chǎn)生新的政府失信。

6日常維護

永磁同步電機是非常穩(wěn)定的,在傳統(tǒng)電機中,軸承是唯一需要特別關(guān)注的設(shè)備,對于永磁同步電機也是如此。由于采用更低的轉(zhuǎn)速,從而延長了軸承的壽命。

盡管永磁同步電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計與普通電機不同,但它并不需要任何定時的維護工作。當(dāng)操作在正常溫度下進行時,電機轉(zhuǎn)子無需維護。與普通電機相同,當(dāng)更換軸承時,維護人員無需移除電機轉(zhuǎn)子,從而節(jié)省了大量時間。

7 應(yīng)用情況

全球第一臺直接傳動裝置于1999年7月投入使用,目前已正常運行超過10年時間。

7.1 M-reel? ?nekoski工廠

全球第一套無減速箱的直接傳動系統(tǒng)被安裝于芬蘭M-reel集團下屬的? ?nekoski紙板廠。該項目為改造項目,機械設(shè)備由Voith提供,幅寬為4150 mm,車速為800 m/min,產(chǎn)品為涂布白卡紙,主要用于醫(yī)療行業(yè)和制圖行業(yè)。傳動改造部分包含有29臺永磁同步電機傳動和72臺交流變頻電機傳動,驅(qū)動裝置為ACS600多傳動系統(tǒng),見圖6。得益于直接傳動易于安裝的優(yōu)點,僅僅用了8周的時間就完成了設(shè)備的拆除和安裝工作。

圖6 現(xiàn)場安裝的直接傳動系統(tǒng)

該系統(tǒng)已經(jīng)于2002年6月投入運行。

7.2 Adolf Jass Papierfabrik GmbH工廠

該紙機于2005年3月投入運行,并創(chuàng)造了同類紙機的開車速度記錄1105 m/min。

目前,ABB在全球造紙行業(yè)已經(jīng)安裝了超過300臺永磁同步電機。

8 直接傳動系統(tǒng)優(yōu)勢

?直接傳動的一個吸引人的應(yīng)用是將動力軸與電機直接連接,從而節(jié)省了減速箱和附屬設(shè)備的空間,降低了系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和土建費用。

?由于采用了電機直接驅(qū)動的方式,減少了由于減速箱和連接軸之間的共振影響,避免了減速箱齒隙對控制精度的影響。

?永磁同步電機可以采用無編碼器運行方式,因為永磁同步電機是同步電機,無滑差。從而避免了由于編碼器的故障造成的系統(tǒng)問題,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

?由于沒有減速箱、潤滑系統(tǒng)、編碼器,從而極大地減少了系統(tǒng)的維護工作,節(jié)約了大量的運營成本。

?由于永磁同步電機具有很高的功率因素(接近0.95),與普通交流電機相比電纜的尺寸將會進一步減小,從而降低了相應(yīng)的采購和安裝成本。

?對原有ACS800和ACS600傳動系統(tǒng)改造時,無需更換傳動裝置硬件設(shè)備。

?由于沒有了減速箱,系統(tǒng)的整體運行效率將得到很大改善,從而降低運行成本。

9 展 望

由于制造成本原因,直接傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流傳動系統(tǒng)相比還有較大價格差距。但隨著技術(shù)的發(fā)展,制造成本的降低,直接傳動系統(tǒng)在能源消耗、機械噪音、空間使用、運行效率和運行成本等方面擁有的優(yōu)勢將越來越明顯?？梢灶A(yù)見將會有越來越多的紙機采用直接傳動系統(tǒng),以滿足日益增長的客戶需求。

[1] ACS800系統(tǒng)應(yīng)用程序7.x固件手冊補充說明(永磁同步電機傳動應(yīng)用程序)[OL].2007-09-06.http://www.gongkong.com.

[2] Tapio Haring,Kimmo Forsman,Tero Huhtanen,et al.Direct driveopening a New Era in Many Applications[C]//IEEE conference. Charleston,2003.

(責(zé)任編輯:馬 忻)

Application of D irectDrive System in Paper Industry

XIAO Kai

(ABB(China)Co.,Ltd.,B eijing,100015)

TS736+.1

B

0254-508X(2010)05-0060-04

肖 鍇先生, ABB(中國)有限公司制漿造紙部傳動產(chǎn)品經(jīng)理;主要負(fù)責(zé)中國以及北亞區(qū)的造紙行業(yè)傳動系統(tǒng)的技術(shù)支持工作。

2010-01-11(修改稿)