Nghiên cứu hệ truyền động máy cắt cuộn lai sử dụng biến tần 4 góc phần tư

Chương 1 nghiên cứu Công nghệ máy cắt cuộn lại 1.1. Công nghệ sản xuất giấy. Để sản xuất giấy, bột giấy rời được lấy ra sau lô đảo chiều, rơi xuống máng hứng trong có vít tải để chuyển xuống các bể chứa. Nước rửa ngược được sử dụng từ máy xeo có nhiệm vụ làm loãng bột trong các vít tải để tăng cường vận quá trình xả bột từ máng hứng xuống các bể chứa. Bột sau khi đã nạp đủ xuống bể chứa được phân tán thành dung dịch huyền phù dạng thô, pha loãng bằng nước sạch đến nồng độ khoảng 5 – 6%, bột được bơm ép gián đoạn vào máy nghiền đĩa. Bột thoát ra ở mỗi máy nghiền đều được khống chế bằng van định lượng để tinh chỉnh quá trình nghiền. Bột nghiền được xả xuống các bể chứa. Tại đây bột được pha chế thêm hoá chất theo yêu cầu sản xuất, dự trữ bột và được pha loãng luân phiên tại một trong hai bể có vai trò như nhau trước khi chúng được các bơm cấp đến máy xeo. Bột nghiền ở nồng độ 5% sau khi đã được gia phụ liệu (keo, phèn, độn, các chất màu...) theo yêu cầu công nghệ sẽ được các máy khuấy khuấy trộn liên tục trong suốt quá trình và dự trữ sau đó. Trước khi sử dụng từ 1 - 2 giờ, bột được pha loãng đến nồng độ 2 - 2,5% và được các máy bơm BB4 và BB5 đồng thời cấp đến máy xeo. Máy xeo và các hệ thống tiếp cận máy xeo (gồm bộ phận điều tiết, các máy sàng, máy lọc, thùng cao vị và các bơm) là một hệ thống đồng bộ hoạt động liên tục và khép kín. Toàn bộ quá trình xeo tuần tự diễn ra như sau: bột được các bơm bột đồng thời cấp đến bộ phận điều tiết bột xuống các hòm lưới của máy xeo nhằm mục đích ổn định lượng bột giấy trong suốt quá trình sản xuất. Bột trong mỗi thùng điều tiết được giữ nguyên nồng độ 2 - 2,5 % và đưa xuống máy sàng để loại bỏ tạp chất thô nhẹ phi xenluloz, tại đây chúng được pha loãng một phần bằng nước sạch để tăng cường hiệu suất sàng chọn và làm sạch bột thải, bột mịn qua sàng tiếp tục đi xuống bồn nước trắng, rồi được các bơm đồng thời bơm tới các lọc cát để khử sạn, cát, lọc tinh bột lần cuối trước khi cấp vào thùng lưới và thùng cao vị. Các lớp bột hình thành trên lô lưới tròn của máy xeo, bám theo chăn len tiếp cận, hội nhập và đảo chiều tại cặp ép trung gian rồi tới ép sấy, được sấy khô trên lô sấy và tự động cuộn lại trên lô cuộn. Sản phẩm phôi giấy hình thành được tự động cuộn trên lô sấy 2, sau đó sẽ được palăng điện lấy ra đưa lên máy cắt cuộn lại để cắt 2 biên và cuộn lại cho chặt hơn, quá trình lấy giấy ra và thay cuộn giấy mới được tiến hành đồng thời. 1.2. Truyền động máy cắt cuộn lại. Trong công nghệ sản xuất giấy, máy cắt cuộn lại được sử dụng để chia những cuộn giấy kích thước lớn thành những cuộn có kích thước nhỏ đáp ứng yêu cầu của khách hàng. Đây là hệ truyền động đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất giấy. Hiện nay, hệ máy cắt cuộn lại được chia làm 2 loại chính, tùy thuộc vào nguyên lý cuốn: máy cắt cuộn lại hoạt động theo nguyên lý cuốn hướng tâm. máy cắt cuộn lại hoạt động theo nguyên lý cuốn nổi (cuốn floating). 1.2.1. Truyền động máy cắt cuộn lại theo nguyên lý cuốn nổi (floating). Hình 1.1. Cấu trúc hệ máy cắt cuộn lại a. Giới thiệu chung. Trước khi tìm hiểu về điều khiển hệ truyền động máy cuốn giấy, tìm hiểu các kiến thức cơ bản về máy cuốn và tạo lô. Lực ép xuyên tâm (độ cứng) của cuộn sẽ tương ứng như mô tả. Nói chung có thể làm cho 2 cuộn có độ cứng như nhau nhưng khối lượng riêng khác nhau. 3 thông số giúp đạt cấu trúc cuộn yêu cầu: lực căng tở, lực ép và momen (TNT). Các thông số này được đưa vào phần mềm máy cuốn ở dạng hàm của đường kính để tạo ra cấu trúc lô. Giấy cuốn quanh tang trống sau (back drum) tách biệt với phần lớn lực căng tở từ cấu trúc cuốn. Do đó, cách sử dụng lực căng tở cho cấu trúc điều khiển cuộn được giới hạn để tăng lực cuốn gần với lõi. Hình 1.2. Quan hệ giữa lực căng giấy và đường kính lô 1 lớp tác dụng giảm xung được yêu cầu để tạo ra lực cuốn ở bên đi ra của phần ép quay. Với chỉ 1 hoặc hai lớp giấy cuốn quanh lõi vào lúc bắt đầu không có lớp giảm xung. Máy ép bắt đầu phát ra lực cuốn chỉ khi 2 mm giấy được cuốn vào lõi. Sự ép tang trống (drum nip) bao gồm 2 thành phần: khối lượng lô giấy và khối lượng lô đè. Hình sau biểu diễn lực ép tang trống điển hình tạo bởi khối lượng lô giấy: Hình 1.3. Quan hệ giữa lực ép tang trống và đường kính lô Lô đè cung cấp phần lớn lực ép yêu cầu trong suốt các bước đầu tiên của việc cuốn giấy bởi vì lõi không nằm trên sàn, chúng nằm ở khe giữa 2 tang trống. Giấy làm khối lượng lô giấy tăng nhưng không nhanh như góc thay đổi. Kết quả là lô đè phải tăng khối lượng trong 20-40 mm đầu tiên. Tiếp đó tải trọng lô đè giảm xuống, từ khi trọng lượng cuộn làm tăng lực ép tang trống. Điển hình như hình vẽ: Hình 1.4. Quan hệ giữa lực ép lô đè và đường kính lô Hiệu số momen giữa tang trống trước và sau đóng góp vào độ cứng của lô giấy. Điều này có thể hữu dụng trong cấu trúc cuộn, để cuốn chặt gần lõi và các lô đường kính nhỏ. Hiệu số momen dương có do momen tang trống trước lớn hơn tang trống sau. Điều này gây ra sự xiết chặt của lô cuốn vào lúc bắt đầu công đoạn cuốn. Khi lô cuốn giấy, hiệu số trở nên nhỏ, cho tới cuối công việc cuốn, momen tang trống sau có thể trở nên lớn hơn để tạo sự cuốn lỏng cân bằng với sự tăng của lực ép tang trống theo khối lượng lô. Hiệu số momen là hàm của đường kính lô cuốn lại. Điều này làm giảm khả năng trượt lõi và cung cấp thêm sự đồng đều từ lõi tới bên ngoài đường kính của lô cuốn lại. b. Tang trống sau (back drum ). Tang trống sau cung cấp lực căng kéo để tở giấy và chi phối vận tốc của máy cuốn. Động cơ truyền động chính trong máy cuốn được chọn là động cơ tang trống sau, vận tốc quay của nó là thước đo chính xác của vận tốc bản giấy. Hiệu số momen giữa tang trống trước và tang trống sau có thể được đưa vào như 1 hàm của đường kính lô cuốn lại. Đường kính lô cuốn lại thường được tính từ lô đè có gắn phản hồi vị trí. Nó cũng có thể được tính cùng với chiều dài của giấy từ vận tốc phản hồi tang trống sau, đường kính tang trống và số vòng quay lô cuốn lại. Đầu vào bộ điều chỉnh tốc độ là hiệu số giữa tốc độ đặt và tín hiệu phản hồi tốc độ. c. Tang trống trước (front drum). Đầu vào giới hạn dương của bộ điều chỉnh tốc độ tang trống trước được cấp từ tín hiệu ra bộ điều chỉnh tốc độ tang trông sau. Tín hiệu được điều chỉnh bằng hiệu số momen tang trống đối với điểm đặt. Trong trường hợp này, 2 động cơ tang trống chia sẻ tổng tải trọng khi tạo ra hiệu số momen yêu cầu. Đường kính lô cuốn lại, chiều dài giấy và khối lượng riêng lô cuốn lại có thể được tính toán cùng cách như đối với tang trống sau sử dụng phản hồi tốc độ tang trống và cảm biến tốc độ quay lô cuốn lại. Tốc độ tang trống trước phải lớn hơn tốc độ tang trống sau khoảng 1% đến 2%. d. Lô đè (rider roll). Có nhiệm vụ tạo lực ép xuống 2 tang trống bằng trọng lượng của nó nhằm làm cho giấy phẳng và lô giấy được chặt lại. Trọng lực này sẽ được giảm dần theo chiều tăng của bán kính cuộn giấy. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động xoay chiều đều được đưa vào sai lệch tốc độ so với tín hiệu đặt. Do đó đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ sẽ ở giới hạn dương của nó, đó là momen chuẩn. Bằng cách đặt momen chuẩn, momen động cơ được điều chỉnh. Momen chuẩn có thể được lưu trữ như 1 hàm của đường kính lô cuốn lại trong phần mềm điều khiển. Lực ép lô đè được điều khiển bằng cách thay đổi áp lực hơi hoặc khí. Khi tải trọng đạt cực đại áp lực 0 sẽ xuất hiện. e. Dao cắt (slitters and trim blowers). Hệ dao cắt bao gồm vài hệ truyền động dao cắt riêng biệt để cắt các cuộn giấy. Động cơ truyền động dao cắt thường là động cơ xoay chiều. Điểm đặt tốc độ động cơ dao cắt được điều chỉnh sao cho luôn lớn hơn 5-10% tốc độ dài. Vị trí và số lượng dao sử dụng được thay đổi tùy theo yêu cầu sản xuất. Hệ dao được đưa vào khi tốc độ hệ thống ổn định. f. Lô dẫn (lead-in roll). Lô dẫn giấy có nhiệm vụ dẫn giấy, có chiều quay theo chiều chuyển động của giấy từ lô tở. Nó còn có nhiệm vụ định vị giấy, làm phẳng và căng đều giấy trước khi đi vào hệ thống dao cắt. g. Lô tở giấy (unwind). Hệ truyền động tở giấy được sử dụng để tạo ra lực căng bản giấy.Trong quả trình sản xuất cần giữ lực căng giấy không đổi để đảm bảo bản giấy căng phẳng và không bị đứt. Hệ truyền động điều chỉnh vector thực hiện điều chỉnh trơn lực căng. h. Yêu cầu công nghệ. Yêu cầu đặt ra là đồng thời điều chỉnh 2 tham số công nghệ: tốc độ dài và sức căng. Tốc độ dài được giữ không đổi bằng cách điều chỉnh tốc độ góc của các động cơ truyền động hệ lô cuộn. Sức căng được giữ không đổi bằng cách điều chỉnh momen của động cơ quay lô tở. Khi khởi động, tất cả các động cơ đều làm việc ở chế độ động cơ tuy nhiên động cơ quay lô tở có nhiệm vụ giữ cho sức căng không đổi. Trong chế độ làm việc ổn định, động cơ truyền động hệ lô cuộn làm việc ở chế độ động cơ. Động cơ lô tở làm việc ở chế độ hãm, lúc này năng lượng sinh ra của quá trình hãm được đưa sang cung cấp cho động cơ truyền động hệ lô cuộn. Trong chế độ hãm dừng, tất cả các động cơ đều làm việc trong chế độ hãm, động cơ tở giấy vẫn làm nhiệm vụ giữ cho sức căng giấy là không đổi. Cuộn giấy ban đầu được đưa vào trục gắn với roto động cơ truyền động lô tở, qua các lô dẫn đến hệ dao, tại đây giấy được cắt theo yêu cầu của khách hàng. Đối với máy cắt cuộn lại, thời gian tăng tốc và giảm tốc phải tương đối dài. Điều này là vì ban đầu, khi khởi động, cuộn giấy lô tở rất lớn, momen quán tính lớn. Khi hãm, cuộn giấy lô cuộn lại rất lớn nên momen quán tính cũng rất lớn. Một vấn đề lớn đặt ra trong hệ truyền động máy cắt cuộn lại là momen quán tính của các cuộn rất lớn, do vậy khó khăn cho việc điều chỉnh momen động cơ. Trong quá trình hoạt động, đường kính lô tở giảm dần, do vận tốc dài trên băng giấy phải được giữ không đổi nên vận tốc góc động cơ truyền động lô tở phải tăng, bên cạnh đó hệ truyền động lô tở có nhiệm vụ giữ lực căng trên băng giấy không đổi trong quá trình cuốn cuộn. Nhược điểm của nguyên lý cuộn giấy theo kiểu floating là cuộn giấy không được giữ cố định, việc điều khiển phức tạp phải thông qua nhiều động cơ. Tốc độ dài một tham số quan trọng, nó ảnh hưởng lớn tới chất lượng của sản phẩm và năng suất của cả dây chuyền. Tốc độ dài được điều chỉnh nhờ điều chỉnh tốc độ dài tang trống truyền động lô cuộn. 1.2.2. Truyền động máy cắt cuộn lại hoạt động theo nguyên lý cuốn hướng tâm. Hình 1.5. Cấu trúc máy cắt cuộn lại theo nguyên lý hướng tâm Công nghệ cắt cuộn giấy theo nguyên lý hướng tâm hầu hết giống với công nghệ cắt cuộn giấy theo nguyên lý floating. Hệ thống bao gồm lô tở, lô dẫn, dao cắt, lô cuộn. Nhiệm vụ của các lô cũng giống như đối với công nghệ cắt cuộn lại floating. Điểm khác biệt của cuốn giấy hướng tâm so với cuốn giấy floating là lô cuộn được truyền động bởi một động cơ duy nhất, khi đó lô cuộn được cố định trên trục động cơ. Trong quá trình cuốn, bán kính lô tở giảm dần, bán kính lô cuộn tăng dần. Yêu cầu đặt ra là phải giữ được lực căng bản giấy luôn la 1 giá trị không đổi, vận tốc dài của băng giấy cũng phải được giữ không đổi. Hệ truyền động lô cuộn có nhiệm vụ giữ vận tốc chạy giấy không đổi, và do bán kính lô cuộn tăng dần nên vận tốc góc của lô cuộn phải giảm dần. Trong quá trình hoạt động, cũng do đường kính thay đổi liên tục và tốc độ góc cũng giảm dần nên momen quán tính của lô tở rất phức tạp. Momen do động cơ truyền động lô cuộn sinh ra phải thắng được momen sinh ra do lực căng giấy và momen sinh ra do quán tính của lô. Tại thời điểm bán kính lô cuốn lớn, momen quán tính sẽ rất lớn, gây khó khăn cho việc hãm dừng động cơ. Hệ truyền động lô tở có nhiệm vụ giữ lực căng bản giấy không đổi và vận tốc chạy giấy là không đổi. Lô tở có nhiệm vụ tở giấy, do vậy đường kính lô tở giảm dần, là hàm số của tốc độ góc lô tở. Vì vậy, momen quán tính lô tở thay đổi phức tap. Khi bắt đầu tở giấy, bán kính lô tở còn rất lớn cho nên momen quán tính lớn, hệ thống khởi động khá nặng nề. Bên cạnh nhiệm vụ giữ tốc độ chạy giấy ổn định, lô tở có nhiệm vụ rất quan trọng là giữ cho lực căng giấy không đổi trong suốt quá trình cuốn cuộn, việc giữ lực căng giấy không đổi sẽ giúp cho giấy không bị đứt trong quá trình cuốn cuộn. Tốc độ dài (tốc độ chạy giấy) là một thông số quan trọng trong hệ truyền động này. Tốc độ dài được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tốc độ góc của lô cuộn. 1.2.3. Giới thiệu sơ lược về máy cắt cuộn lại sử dụng hệ truyền động 1 chiều kích từ độc lập. Hình 1.6. Cấu trúc hệ truyền động máy cắt cuộn lại sử dụng động cơ 1 chiều kích từ độc lập Dễ thấy rằng, đối với lô tở, cần điều chỉnh 2 thông số, đó là lực căng và vận tốc. Lực căng được điều khiển thông qua dòng điện phần ứng động cơ 1 chiều, tốc độ động cơ được điều khiển thông qua sức điện động E, từ thông kích thích được giữ sao cho tỷ số giữ từ thông kích thích và bán kính lô không đổi. Đối với lô cuộn, cần điều chỉnh tốc độ động cơ của các tang trống để giữ tốc độ chạy giấy luôn không đổi. Như vậy, khi điều chỉnh tốc độ góc lô cuộn sẽ điều chỉnh được tốc độ chạy giấy. Hiện tại, ở các nhà máy của Việt Nam, hệ thống cắt cuộn lại vẫn được thực hiện bằng các động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Động cơ điện 1 chiều có ưu thế về điều chỉnh tốc độ tuy nhiên cũng tồn tại nhiều nhược điểm như tia lửa điện do vành góp chổi than gây ra, cấu tạo phức tạp. Hiện nay động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha được sản xuất nhiều, giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn, cấu tạo đơn giản. Các bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đang được phát triển mạnh. Động cơ không đồng bộ có thể điều chỉnh trơn và sâu tốc độ nhờ các phương pháp điều khiển vector. Vì vậy, trong đồ án này đề nghị đưa hệ truyền động sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha đối với hệ máy cắt cuộn lại.