CN101780899B - 与退绕机相关的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与退绕机相关的方法，具体而言，涉及一种用于减速造纸机中的逆变器控制的机器卷筒的方法和设备。所述方法包括步骤：检测来自机器卷筒的纸幅的断裂；确定所述机器卷筒的惯性；连续地确定所述机器卷筒的角速度；根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒；电减速所述机器卷筒以使其停止；以及当所述机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度时和当通过电减速获得的扭矩太小以至于不能在预定时间内停止所述机器卷筒时，使用机械制动器。

Description

与退绕机相关的方法和设备

技术领域

本发明涉及减速退绕机的机器卷筒，特别是造纸业中的后处理机的退绕机中的机器卷筒。

背景技术

当在造纸机上造出连续材料幅例如纸张时，经常用后处理机来处理由所述造纸机完成并且卷到卷筒上的材料。与纸张的后处理有关的这样的后处理机的示例包括各种离线压延机、卷绕机和复绕机。这些后处理机的共同特征是用退绕机退绕材料，以期望的方式处理材料，并且用复绕机复绕材料。

提高造纸机和产生连续材料幅的对应机器的速度也产生了提高后处理装置的速度和最小化停机时间的压力。后处理装置中的一个问题点与在材料幅断开期间退绕机的操作相关联。这种情况在卷绕机中特别突出，卷绕机从机器卷筒上产生定制卷筒，即由客户订购的较小卷筒。在机器卷筒上，纸张或者对应的材料具有生产机器的宽度，并且利用卷绕机将所述宽度切割为客户订购的较窄和较小的卷筒。

通常，从一个机器卷筒获得多个定制的卷筒，换句话说，卷绕机的退绕机在一个机器卷筒期间需要被停止几次，以去除完成的定制卷筒并且开始新的卷筒。即使卷绕机速度很快，从卷绕机上解除定制卷筒也使得平均速度变慢。如果出现使卷绕机的操作停止的故障，则卷绕机可能变为使得造纸厂的生产变慢的部分。

后处理装置中的一个问题与在幅断开期间停止退绕机的机器卷筒相关联。材料以高速从退绕机退绕，并且在正常情况下，在处理后用复绕机来卷绕材料。如果材料幅在退绕机和复绕机之间断裂，则材料将退绕在工厂车间的地板上。高速退绕的大量材料迅速地在地板上堆积，并且在重新开始生产之前，必须从地板收起该材料。当检测到幅断裂时，尽可能快地停止退绕机以最小化断裂时间和材料损耗。

根据现有技术，通过满负荷地使用机械制动器来在幅断裂期间停止退绕机。另外，当减速扭矩超过机械制动器的负荷时，使用电机来进行减速。由电机提供的减速扭矩被限制为使得总的减速扭矩不超过系统机械结构的极限。机械制动器是由标准限定的强制设备，使用它来使得退绕机中的机器卷筒保持不旋转，并且可以在特定时间内停止机器卷筒。

机械制动器的一个问题是停止尤其处在高旋转速度的退绕机。机械制动器以固定的减速扭矩减速，因此在高旋转速度下，减速所使用的功率容易损坏机械制动器并使其不可用。也不能以简单的方式来调整机械制动器，以便能够在减速期间提高或者降低减速功率。因此，当退绕机的制动器在一次减速期间变得不可用时，幅断裂可能引起长时间的停机。

在减速过程中，机械制动器将结合到机器卷筒的能量转换为加热制动器的热量。当材料不可控制地从退绕机上解除，由此干纸张等可能接触加热的制动器时，制动器的这种加热也可能引起火灾。

发明内容

本发明的目的是开发解决上述问题的一种方法和实施所述方法的设备。

根据本发明的一个方面，该目的是通过一种用于减速造纸机中的逆变器控制的机器卷筒的方法实现的，所述方法包括以下步骤：检测来自所述机器卷筒的纸幅的断裂；确定所述机器卷筒的惯性；连续地确定所述机器卷筒的角速度；根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒；电减速所述机器卷筒以使其停止；以及当所述机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度时以及当通过电减速获得的扭矩太低以至于不能在所述预定时间内停止所述机器卷筒时，使用机械制动器。

在本发明的一个实施例中，在减速期间连续地确定所述机器卷筒的惯性。

在本发明的一个实施例中，利用能够获得的最高可能扭矩来电减速所述机器卷筒。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括步骤：连续地确定通过电减速获得的减速扭矩的幅度。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：当所述即时减速扭矩超过对所述系统的机械结构设置的极限时，限制通过电减速获得的减速扭矩。

在本发明的一个实施例中，所述方法包括步骤：在来自所述机器卷筒的纸幅已经断裂后，根据所述机器卷筒的角速度和惯性来确定结合到所述机器卷筒的旋转运动的能量；确定通过电减速获得的能量的量；比较以上确定的能量的量；以及当通过电减速获得的能量的量小于结合到所述旋转运动的能量时，确定需要使用机械制动器。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括以下步骤：根据所述能量的量的比较来确定使用所述机械制动器的时间。

根据本发明的另一个方面，该目的通过一种用于减速造纸机中的逆变器控制的机器卷筒(2)的设备实现，所述设备包括：用于检测来自所述机器卷筒(2)的纸幅的断裂的部件；用于确定所述机器卷筒(2)的惯性的部件；用于连续地确定所述机器卷筒的角速度的部件；用于根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒的部件；用于电减速所述机器卷筒以使其停止的部件(4，5，6，7)；以及用于当所述机器卷筒(2)的旋转速度低于预定旋转速度时以及当通过电减速获得的扭矩太小以至于不能在预定时间内停止所述机器卷筒时，使用所述机械制动器(3)的部件。

根据本发明的另一个方面，该目的通过一种计算机程序产品实现，所述计算机程序产品包括计算机程序代码，所述计算机程序代码在计算机中的执行使得所述计算机执行以下步骤：检测来自所述机器卷筒的纸幅的断裂；确定所述机器卷筒的惯性；连续地确定所述机器卷筒的角速度；根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒；产生用于电减速所述机器卷筒以使其停止的信号；以及产生用于当所述机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度时以及当通过电减速获得的扭矩太小以至于不能在预定时间内停止所述机器卷筒时，使用机械制动器的信号。

本发明基于尽可能多地以电机减速来替代使用机械制动器进行的减速，并基于仅仅在低于给定速率的速度下需要时才使用机械制动器。连续地知道退绕机中的机器卷筒的惯性和旋转速度等，因此可以计算在要求时间内停止机器卷筒所需要的减速扭矩。如果需要，以对应的方式，也可以计算依赖于电机的操作情况所获得的减速扭矩。

本发明的方案提供了更容易控制减速情况的优点，因为可以在需要时调整用电机提供的减速扭矩。另外，本发明提高了能量利用率，因为在旋转的机械系统中存储的能量可以通过变频器返回到供电网。

此外，因为未像在已知的减速方法中那样对机械制动器施加负荷，因此消除了与机械制动器的磨损和受热相关的问题，并因此由于减少了维护停止的次数而提高了退绕机所位于的装置的性能。由于机械制动器未变热，因此也提高了防火安全性。

附图说明

现在通过优选实施例并参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了与纸张后处理机相关的电驱动器的一般原理的示例；

图2是根据机器卷筒的直径的机器卷筒惯性的图示；

图3是根据机器卷筒的旋转速度的所需减速扭矩的图示；

图4是根据本发明的减速方式的图示；以及

图5是根据机器卷筒的旋转速度的在减速中使用的扭矩的最大值的示例。

具体实施方式

图1示出了关于与造纸有关的后处理机的电驱动器的原理。以下述方式仅与电驱动器相关地示出该后处理机：仅示出了后处理机的描述本发明所需要的部分。

图1具体示出了退绕机1，其中布置了从造纸机获得的机器卷筒2。电机4和机械制动器3被紧固到机器卷筒的轴上。电机4由逆变器5控制，逆变器5从直流母线排系统12接收其供电。进给单元6从供电网的交流电产生到该直流母线排系统12的直流。

而且，图1示出了复绕机14，复绕机14与卷绕机一起从机器卷筒上的纸张中形成定制卷筒9。在复绕机中，纸幅围绕驱动辊8转动到定制卷筒上。辊8受由逆变器11供电的电机10控制。在图1中，两个逆变器被示出为连接到同一直流电源12。进给单元6与逆变器一起形成图1中的一个供电组。图1也示出了控制系统7，其经由数据总线而连接到进给单元和两个逆变器。控制系统7向逆变器提供控制信息，根据所述控制信息，由逆变器控制的电机提供例如所需要的幅速度和纸幅紧度。

如果期望，则机器卷筒的惯性为控制系统连续地知晓，或者对应地，可立即被计算。可以用下面的方程来计算惯性：

$J=\mathrm{\π\ρl}\frac{(d^4-d_{\min }^4)}{32}+J_{\mathrm{roll}}---\left(1\right)$

其中，ρ是卷筒上的纸张的密度，I是纸张幅的宽度，d是机器卷筒的直径，d_min是辊的直径，而J_roll是辊的惯性。图2示出了描述惯性根据直径的改变的曲线。如图所示，随着直径增大，惯性指数地增大。根据卷筒上的纸张的量和厚度、或者通过使用自动化测量设备物理地测量卷筒的尺寸、或者通过计算来确定卷筒的直径。

根据下面的方程，转动机器卷筒的电机的旋转速度(n)又依赖于机器卷筒的幅速度(v)和直径(d)：

$n=\frac{v}{\mathrm{\πd}}i---\left(2\right)$

其中，系数i依赖于可能使用的电机和辊之间的齿轮比。幅速度通常保持不变，由此随着卷筒直径降低，旋转速度对应地提高。

可以用下面的方程来计算从角度度ω在时间t内停止辊所需要的减速扭矩：

$T_{\mathrm{break}}=J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

用于停止所需要的减速扭矩与角速度和惯性成正比，并且如上所述，随着直径降低惯性大大减小。图3示出了当假定幅速度和减速时间恒定时根据旋转速度来减速所需要的扭矩的幅度。图3示出了随着旋转速度提高，停止所需要的减速扭矩如何变小，即当惯性更高时，虽然有较低的旋转速度，但是停止所需要的扭矩需要更高。但是，如上所述，为了减速，当旋转速度高时的情况是最有问题的，因为当使用机械制动器减速时，指向的旋转辊的减速力产生与旋转速度和由减速功率产生的扭矩成比例的功率。方程(2)和(3)使用角速度和旋转速度项。如已知的，角速度与旋转速度的比率是线性的，并且通过将旋转速度与常数2π相乘来获得角速度。

所有上述测量或者计算的量是控制系统7已知和可获得的。旋转系统也能够执行与除了电机4、10之外的其他装置相关的控制。例如，控制系统可以直接地或者通过通信连接和另一个控制系统来控制机械制动器3的使用。

在本发明的方法中，检测退出退绕机的纸幅的断裂。断裂通常被自动检测为纸幅突然变松。通常以下述方式来调整所述幅的紧度：复绕机的速度受控制，并且退绕机的扭矩受控制，以获得所需要的幅紧度。关于幅紧度的信息从逆变器5发送到控制系统7。

而且，根据本发明，确定机器卷筒的惯性。可以用上述方程(1)来计算惯性，并且通常即时惯性为电机的控制或者调整系统7连续知晓。在所述方法中，也可在整个减速期间使用幅断裂后的时刻的惯性。在减速期间，随着材料的退绕，卷筒的惯性降低。如果在所述方法中使用断裂时刻的惯性，则辊在一定程度上比当使用即时惯性时停止得更快，所述即时惯性随着卷筒的退绕而更新。根据本发明的一个优选实施例，在减速期间连续地计算机器卷筒的惯性，由此彻底地控制整个减速处理。

在本发明的方法中，连续地确定机器卷筒的角速度。可以用独立的传感器来执行角速度的确定，或者对应地，电驱动器可以以自知的方式根据其内部模型来独立地确定角速度。在控制系统7中发送或者计算关于角速度的信息。

安全规程等经常限定机器卷筒的停止可以经过的允许时间。这个时间可以是与用于加速机器卷筒的时间相同的时间。当已知机器卷筒的角速度和惯性时，可使用方程(3)来计算可以在所需要的时间中停止机器卷筒所用的减速扭矩。在减速期间，当旋转速度降低时，考虑从断裂或者减速开始的初始时刻已经过去的时间，使用方程(3)来连续地计算所需要的扭矩的新值。

根据本发明，通过再生式地驱动电机来电减速机器卷筒。当电机作为发电机时，从旋转的卷筒获得功率，并且当所述进给单元配备有适当的双向网桥时，所述功率在电机中被转换为可以提供到网络的电功率。

当电机作为发电机时，由其产生的减速扭矩依赖于电机的旋转速度范围。图5示出了要根据旋转速度产生的扭矩。当机器卷筒高速旋转时，在场弱化范围内提供的扭矩受电机的牵出扭矩极限54限制。随着速度在范围53中降低，扭矩限制因素成为进给单元，所述进给单元限定了要传送到网络的最大功率，不能超过这个最大功率。对于正常驱动情况，进给单元以下述方式定尺寸：其在所有正常驱动情况下都是足够的。在图1所示的结构中，可通过进给单元来向网络反馈当退绕机和复绕机在减速时从这两者获得的功率。进给单元通常具有为每个电机保留的固定量的功率传输容量。但是，像在图1的情况中那样，复绕机因为更小的质量而能够比退绕机更快地被停止，有益的是向退绕机传送在减速情况下进给单元为复绕机保留的功率容量，由此可以提高图5的功率极限53，因此也可以提高减速扭矩。

当所述速度在减速进行时进一步降低时，所述扭矩受逆变器的电流极限52限制。所述逆变器的尺寸被定制为用于不安全或者有可能被超过的特定最大电流。因此，应当通过将电流保持在允许的最大值来限制电机的减速扭矩。随着旋转速度降低，下一个区域是扭矩极限51，其是电机能够产生的最大扭矩。可以使用这个最大扭矩直到电机和机器卷筒停止。

由于牵出扭矩，如上所述的减速事件不必然通过限制扭矩开始。根据旋转速度，减速可以在任何上述范围中开始。

根据本发明，机器卷筒被电减速以停止它。图4示出了减速事件的示例，特别是根据旋转速度通过电减速提供的扭矩41的示例。图4示出了当所述速度降低时，根据上述原理来提高减速扭矩。

根据本发明的思想，当机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度n_lim时以及当电减速单独不足以在预定时间内停止机器卷筒时，也使用机械制动器。图4也示出了要用机械制动器产生的减速扭矩42。在低操作速度下产生的减速扭矩的大小因此是机械减速扭矩42和电减速扭矩41的和。在特定极限操作速度后引入机械制动器防止了由于在减速期间转换为热量的过量功率而导致的制动器的损坏。

当获得上述极限速度n_lim时，优选地限定通过电减速可获得的减速扭矩。如果这个减速扭矩足以在所要求的时间内停止旋转质量，则不必使用机械制动器，并且可以将结合到旋转质量的所有能量转换为电能。可以通过在任何时间的计算来限定通过电减速而获得的减速扭矩，并且这个减速扭矩的幅度依赖于旋转速度，如图5中所示。也可在减速开始后立即限定用电机获得的减速能量，并且将该能量与旋转的机器卷筒的旋转运动的能量相比较。然后可在开始减速时就确定是否将需要机械制动器来减速所述卷筒。可以从惯性和角速度简单地计算机器卷筒的能量，并且可以将减速能量限定为在速度0和幅断裂速度之间的、由图5的曲线定界的表面区域。如果机器卷筒的能量高于通过电减速获得的减速能量，则应当使用机械制动器。可以通过下述方式来执行所述计算：首先计算通过电减速(从其获得减速)获得的停止时间，并且根据这一点确定机械制动器的使用。也可设想根据这些计算来确定利用机械制动器的时刻。

当旋转的机器卷筒已经停止时，机械制动器被锁定。在实现本发明的方法的设备中，与较早的力相比较，可以减小机械制动器的减速力。如果机械制动器例如是液压的，则可以降低液压压力，因为大多数减速被电进行，并且仅仅在低旋转速度或者在电网故障时使用机械制动器。

根据本发明的方法的优选实施例，相对于机械结构的最大值来限制电减速扭矩。换句话说，减速扭矩必须不高得损害系统的机械结构。在使用机械制动器的情况下，也应当考虑这一点。如果必须使用机械制动器来在限定的时间内停止所述卷筒，则应当同时考虑下述情况：电和机械减速的合计扭矩应当不高于由机械结构设置的极限。可以调整通过电减速获得的扭矩，并且由于由机械制动器获得的扭矩是不变和已知的，因此可以通过调整电减速的扭矩来顾及由机械结构设置的极限。

本发明的设备包括：用于检测来自机器卷筒的纸幅的断裂的部件；用于连续地确定所述机器卷筒的惯性的部件；用于连续地确定所述机器卷筒的角速度的部件；用于根据惯性和角速度来确定减速机器卷筒所需要的扭矩以在预定时间内停止机器卷筒的部件；用于电减速所述机器卷筒以停止它的部件；以及用于当所述机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度时和当要通过电减速获得的扭矩太小以至于不能在预定时间内停止机器卷筒时使用机械制动器的部件。这些部件可以被实现为控制系统、进给单元和逆变器的组合，这些部件之一包括用于执行所需要的计算的计算能力。

所述计算能力通常驻留在控制系统中，所述控制系统可以从所述处理接收测量信息并且可以接收由进给单元和逆变器产生的数据。根据该数据，控制系统计算、控制和产生用于执行根据本发明的减速的输出信号。

本发明可以在现有系统中实现，或者通过以集中或者分布的方式使用独立的元件和装置来实现本发明。现有装置比如控制系统通常包括处理器和存储器，其可以用于实现本发明的实施例的功能。因此，可以使用软件例程来执行实现本发明的实施例所需要的所有更改和配置，所述软件例程继而可以被实现为附加的或者更新的软件例程。如果通过软件来实现本发明的功能，则所述软件可以被提供为计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序代码，其在计算机中的执行使得计算机或者对应的硬件执行如上所述的根据本发明的功能。这种计算机程序代码可以存储在计算机可读介质中，比如适当的存储介质，例如闪速存储器或者磁盘存储器，所述计算机程序代码可以从所述计算机可读介质被读到执行所述程序代码的一个或多个单元。另外，这种类型的程序代码可以安装到用于在适当的数据网络上执行的一个或多个单元上，并且其可以替换或者更新可能存在的程序代码。

对于本领域内的技术人员而言，显然可以以多种不同的方式来实现本发明的基本思想。本发明及其实施例因此不限于如上所述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于减速造纸机中的逆变器控制的机器卷筒的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

检测来自所述机器卷筒的纸幅的断裂；

确定所述机器卷筒的惯性；

连续地确定所述机器卷筒的角速度；

根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒；

电减速所述机器卷筒以使其停止；以及

当所述机器卷筒的旋转速度低于预定旋转速度时以及当通过电减速获得的扭矩太低以至于不能在所述预定时间内停止所述机器卷筒时，使用机械制动器。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在减速期间连续地确定所述机器卷筒的惯性。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，利用能够获得的最高可能扭矩来电减速所述机器卷筒。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，利用能够获得的最高可能扭矩来电减速所述机器卷筒。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：连续地确定通过电减速获得的减速扭矩的幅度。

6.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：连续地确定通过电减速获得的减速扭矩的幅度。

7.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：连续地确定通过电减速获得的减速扭矩的幅度。

8.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：连续地确定通过电减速获得的减速扭矩的幅度。

9.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当所述减速扭矩超过对包括所述机器卷筒的系统的机械结构设置的极限时，限制通过电减速获得的减速扭矩。

10.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当所述减速扭矩超过对包括所述机器卷筒的系统的机械结构设置的极限时，限制通过电减速获得的减速扭矩。

11.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当所述减速扭矩超过对包括所述机器卷筒的系统的机械结构设置的极限时，限制通过电减速获得的减速扭矩。

12.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当所述减速扭矩超过对包括所述机器卷筒的系统的机械结构设置的极限时，限制通过电减速获得的减速扭矩。

13.根据前述权利要求1-12中任何一项的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

在来自所述机器卷筒的纸幅已经断裂后，根据所述机器卷筒的角速度和惯性来确定结合到所述机器卷筒的旋转运动的能量；

确定通过电减速获得的能量的量；

比较以上确定的能量的量；以及

当通过电减速获得的能量的量小于结合到所述旋转运动的能量时，确定需要使用机械制动器。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：根据所述能量的量的比较来确定使用所述机械制动器的时间。

15.一种用于减速造纸机中的逆变器控制的机器卷筒(2)的设备，所述设备包括适合于减速所述机器卷筒的机械制动器(3)，其特征在于，所述设备包括：

用于检测来自所述机器卷筒(2)的纸幅的断裂的部件；

用于确定所述机器卷筒(2)的惯性的部件；

用于连续地确定所述机器卷筒的角速度的部件；

用于根据所述惯性和角速度来连续地确定减速所述机器卷筒所需要的扭矩，以便在预定时间内停止所述机器卷筒的部件；

用于电减速所述机器卷筒以使其停止的部件(4，5，6，7)；以及

用于当所述机器卷筒(2)的旋转速度低于预定旋转速度时以及当通过电减速获得的扭矩太小以至于不能在预定时间内停止所述机器卷筒时，使用所述机械制动器(3)的部件。

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