СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ С МЕХАНИЧЕСКИМ УДЕРЖИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ПРЯМОГО ПРИВОДА ПРИ МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ
METHOD AND DEVICE FOR ELECTRIC BRAKING WITH MECHANICAL HOLDING DEVICE FOR DIRECT DRIVE IN METALWORKING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу и устройству для торможения машины, содержащей привод, предпочтительно прямой привод, с электродвигателем и рабочую машину для металлообработки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В различных областях металлообработки, например в прокатных станах и штамповочных прессах, существует технологическое разделение между механическими устройствами или инструментами, такими как валки, опорные ролики или натяжные ролики, и электрическими приводами. Это разделение обосновано исторически и приводит к тому, что сопряжения между механическими и электрическими устройствами не является оптимальными.
Редукторы, муфты, тормоза, карданные валы и другие механические компоненты между приводом и приводимой в движение рабочей машиной препятствуют улучшенной интеграции и связанным с ней преимуществом - таким как повышение эффективности использования энергии, надежность, уменьшение размеров установки и т.д.
Многие рабочие машины в металлообрабатывающей промышленности оснащены механическими тормозами. Такой тормоз должен быть в состоянии удерживать до 100% крутящего момента двигателя для того, чтобы быстро останавливать машину, например, в аварийном случае. Также существует возможность постоянного поддержания с помощью соответствующей электрической цепи момента режима покоя. В настоящее время такие удерживающие тормоза размещаются на роторах электродвигателей, как правило, между двигателем и редуктором, или на обратной стороне двигателя. Такой тормоз, как отдельный компонент, препятствует повышению интеграции между механическими и электрическими устройствами.
Если ставится цель получения решения, обеспечивающего компактный привод, например, благодаря тому, что электрический привод устанавливается непосредственно на приводном валу, а удерживающий тормоз является составной частью двигателя или даже встроен в корпус двигателя, то должна обеспечиваться возможность, в ограниченном пространстве удерживать очень высокие крутящие моменты. Обычные суппорты дисковых тормозных механизмов, требующих большого монтажного пространства, препятствуют реализации решений, обеспечивающих компактный привод и, в частности, тесную интеграцию привода и рабочей машины.
В DE 10 2007 058 098 A1 описывается тормозное устройство для печатных машин. В DE 714 475 C описывается управление подъемно-качающимися столами с электроприводом для прокатных станов. В GB 514449 A описывается управляющее устройство для оснащенных электроприводом прокатных станов или машин для обработки металлических полос.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и устройство для торможения машины, содержащей привод с электродвигателем и рабочую машину для металлообработки, благодаря которым при небольшом монтажном пространстве может быть обеспечено надежное торможение и удержание высоких крутящих моментов.
Указанная задача решается благодаря способу с признаками пункта 1 и устройству с признаками пункта 4 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов, последующего описания и описания предпочтительных примеров осуществления.
Предлагаемый способ (также называемый "способом останова") используется для торможения машины, содержащей привод, предпочтительно прямой привод, с электродвигателем и рабочую машину для металлообработки, причем привод выполнен с возможностью приведения во вращение вала рабочей машины. Электродвигатель предпочтительно представляет собой синхронный или моментный двигатель, которые особенно подходят для реализации прямого привода, поскольку они могут создавать высокие крутящие моменты при сравнительно невысоких частотах вращения. Во многих случаях, например, можно отказаться от понижающего редуктора, что упрощает приводной механизм и позволяет реализовать более компактную машину.
Машина, приводимая в движение приводом, может быть реализована самым различным образом. Особенно предпочтительно она содержит в прокатном стане один или несколько рабочих валков, опорных валков, натяжных роликов и/или транспортных роликов. Предпочтительно рабочая машина представляет собой мотальное устройство, установку для нанесения покрытий, раскройную машину с одними или множеством летучих ножниц, или вертикальный или горизонтальный накопитель, имеющий по меньшей мере одну лебедку.
Согласно предлагаемому изобретением способу машину затормаживают с переходом из рабочего режима в режим останова, в котором вал рабочей машины по существу находится в состоянии покоя. Торможение происходит без трения, при помощи электрического тормозного устройства. В настоящем контексте под термином "без трения" понимается отсутствие механического трения, т.е. в этом смысле торможение происходит бесконтактно. Следовательно, процессы, происходящие внутри материала, которые могут возникнуть при торможении электрическим способом, например противотоки и вихревые токи, не подпадают под термины "трение", "без трения" и т.п. Предпочтительно в нормальном режиме работы электродвигатель тормозится посредством линейного изменения регулируемой величины питающего преобразователя частоты, подающего питание на электродвигатель, например, посредством регулирования частоты и напряжения. Электрическое тормозное устройство, которое может быть выполнено, например, в виде тормоза, работающего на противотоке, или тормоза, работающего на вихревых токах, работает без трения и, следовательно, по существу без износа.
После того как машина в результате торможения посредством электрического тормозного устройства переходит в режим останова, машину механически стопорят посредством приведения в действие механического удерживающего устройства. Стопорение осуществляется предпочтительно путем силового или геометрического замыкания. Механическое удерживающее устройство может, например посредством удерживающих колодок, воздействовать на удерживающий диск. Оно может быть предусмотрено на рабочей машине или также на роторе электродвигателя.
Электрическое тормозное устройство и механическое удерживающее устройство регулируются так, что по существу вся кинетическая энергия снижается или, соответственно, преобразуется электрическим тормозным устройством, а механическое удерживающее устройство приводится в действие только в режиме останова машины. Таким образом, функция механического удерживающего устройства заключается в том, чтобы фиксировать или, соответственно, стопорить рабочую машину в режиме останова, т.е. в положении покоя, не снижая кинетическую энергию посредством трения.
Соответственно, механическое удерживающее устройство может иметь особенно компактную конструкцию, поскольку оно по существу не должно преобразовывать кинетическую энергию. Оно не содержит изнашивающихся деталей, по меньшей мере имеет место лишь небольшой износ. Также предотвращается возможность попадания частиц продуктов износа из механического удерживающего устройства в привод. Таким образом, если речь идет о том, что вал рабочей машины в режиме останова "по существу" находится в состоянии покоя, или "по существу" вся кинетическая энергия преобразуется электрическим тормозным устройством, под этим имеется в виду, что электрическое тормозное устройство предназначено для уменьшения всей кинетической энергии рабочего режима, в то время как механическое удерживающее устройство в этом отношении никакого вклада не вносит. Тем не менее, небольшие количества энергии, возникающие, например, вследствие ползучего движения, колебаний и т.п. могут восприниматься и преобразовываться механическим удерживающим устройством.
Согласно изобретению предусмотрен питающий преобразователь частоты, подающий в рабочем режиме питание на электродвигатель привода и предпочтительно выполняющий вышеуказанную функцию торможения рабочей машины в нормальном режиме работы. В аварийном режиме работы питающий преобразователь частоты для торможения гальванически развязывается от электродвигателя, и машина переводится в режим останова благодаря тому, что обмотки электродвигателя замыкаются накоротко через тормозное сопротивление и/или резистивно-емкостную цепочку, и/или напрямую, и/или подключается внешний источник постоянного напряжения. Таким образом, механическое удерживающее устройство даже в аварийном режиме работы, например, в случае неисправности питающего преобразователя частоты, не должно преобразовывать кинетическую энергию при переходе из рабочего режима в режим останова. Вся кинетическая энергия рабочей машины и привода предпочтительно преобразовывается электрическим тормозным устройством во всех режимах работы, например в режиме останова, быстрого останова, аварийного останова, аварийного выключения. Таким образом, механическое удерживающее устройство предпочтительно в любом случае, даже в аварийном случае, берет на себя только техническую функцию фиксации или, соответственно, стопорения рабочей машины в положении покоя.
Механическое удерживающее устройство предпочтительно приводится в действие электрическим, механическим, гидравлическим или пневматическим образом. Удерживающие колодки, удерживающий диск, поршни, гидравлические или, соответственно, пневматические цилиндры и трубопроводы, удерживающие зажимы, удерживающий штифт - все те компоненты, который подходят для конструкции механического удерживающего устройства, могут быть рассчитаны на незначительные усилия и, таким образом, могут быть осуществлены простым образом и без больших затрат.
Кроме того, описанная выше задача решается с помощью устройства (также называемого "устройством останова"), предназначенного для торможения машины. Машина содержит привод, предпочтительно прямой привод, с электродвигателем и рабочую машину для металлообработки, причем привод выполнен с возможностью приведения во вращение вала рабочей машины. Устройство содержит: электрическое тормозное устройство, выполненное с возможностью торможения машины без трения с переходом из рабочего режима в режим останова, в котором вал рабочей машины по существу находится в состоянии покоя; механическое удерживающее устройство, выполненное с возможностью в режиме останова механическим образом стопорить машину при приведении в действие механического удерживающего устройства; и управляющее устройство, выполненное с возможностью управления электрическим тормозным устройством и механическим удерживающим устройством таким образом, что по существу вся кинетическая энергия преобразуется электрическим тормозным устройством, а механическое удерживающее устройство приводится в действие только в режиме останова машины.
Варианты осуществления, технические эффекты и преимущества, описанные в отношении способа, аналогичным образом относятся к устройству, и наоборот.
Согласно изобретению привод содержит питающий преобразователь частоты, выполненный с возможностью в рабочем режиме подачи питания на электродвигатель привода. Питающий преобразователь частоты предпочтительно выполнен так, что с помощью него в нормальном рабочем режиме также может быть осуществлена функция торможения рабочей машины, например, посредством регулирования частоты и напряжения. Электрическое тормозное устройство и/или управляющее устройство выполнены так, что в аварийном режиме работы в случае торможения оно гальванически развязывает питающий преобразователь частоты от электродвигателя и затормаживает машину с переходом в режим останова благодаря тому, что оно замыкает накоротко обмотки электродвигателя через тормозное сопротивление и/или резистивно-емкостную цепочку, и/или напрямую, и/или подключает внешний источник постоянного напряжения. Аварийный режим работы, например, включает в себя неисправность питающего преобразователя частоты.
Питающий преобразователь частоты может реализовывать дополнительные функции для управления двигателем, предпочтительно измерение частоты вращения и/или процесс регулирования вращающегося поля в зависимости от текущего состояния машины.
Предпочтительно рабочая машина содержит корпус или станину, а привод содержит статор и ротор, причем статор закреплен непосредственно на корпусе или, соответственно, на станине. Ротор соединен с валом, благодаря чему вращение ротора передается на вал. В контексте настоящей заявки в случае "непосредственного крепления" или (синоним) "интегрального/встроенного соединения" соответствующие механические компоненты находятся в непосредственном контакте друг с другом. Это может быть достигнуто, например, посредством соединения болтами, соединения заклепками или сварки, но возможно и выполнение за одно целое. Таким образом, корпус или станина и привод "объединены в виде блока" друг с другом. Благодаря такой специальной интеграции, с одной стороны, достигается исключительно высокая крутильная жесткость между электродвигателем и валом или, соответственно, рабочей машиной, а с другой стороны, в приводном механизме можно отказаться от дорогостоящих механических компонентов, таких как редукторы, муфты, карданные валы и т.д. По этим причинам ротор предпочтительно соединен напрямую с валом рабочей машины, предпочтительно ротор и вал выполнены за одно целое. Благодаря такому непосредственному соединению между ротором привода и валом можно отказаться от одного или более подшипников вращения, причем вал и ротор, например, совместно используют один подшипник вращения в приводе или вне привода.
Предпочтительно привод содержит корпус, в котором встроено удерживающее устройство, или к которому прифланцовано механическое удерживающее устройство. Механическое удерживающее устройство и электрическое тормозное устройство могут представлять собой части или модули модульной конструкции электродвигателя для привода. Благодаря предлагаемому изобретением способу останова возможна особенно компактная и, при необходимости, модульная конструкция.
Особенно предпочтительно представленный привод функционирует в качестве прямого привода, в результате может быть уменьшена сложность обычных приводных механизмов (например, состоящих из электродвигателя, муфты двигателя, включающей тормоз, понижающего редуктора и муфты машины). При этом привод предпочтительно расположен непосредственно на рабочей машине или в рабочей машине. При таком прямом приводе тормоз в некоторых случаях должен удерживать, как описано выше, очень высокие крутящие моменты. В то время как обычные суппорты дискового тормозного механизма для этого требуют большое пространство для монтажа, описанная комбинация электрического тормозного устройства и механического удерживающего устройства оптимально подходит для использования с прямым приводом.
Несмотря на то, что изобретение особенно предпочтительно используется в технической области металлообработки, в черной и цветной металлургии, например, для приведения в движение рабочих и/или опорных валков в прокатном стане, натяжных или транспортных роликов, в мотальных устройствах, установках для нанесения покрытий, летучих ножницах, лебедках в вертикальных или горизонтальных накопителях и т.д., оно может быть использовано и в других областях. В этом отношении можно назвать, например, применение в бумагоделательных машинах, текстильных машинах или при обработке резины и пластмассы и, в общем случае, в промышленности основных материалов.
Дополнительные преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления. Описанные в нем признаки могут быть осуществлены отдельно или в сочетании с одним или несколькими вышеизложенными признаками в той мере, в которой указанные признаки не противоречат друг другу. Ниже приводится описание предпочтительных примеров осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На фиг. 1 схематично показана конструкция машины, содержащей прямой привод с электродвигателем, рабочую машину, приводимую в движение прямым приводом, и устройство для торможения машины.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже при помощи фиг. 1 описываются предпочтительные примеры осуществления.
На фиг. 1 схематично показана конструкция машины, содержащей привод 10 с электродвигателем, рабочую машину 20, приводимую в движение приводом 10, и устройство 30 останова для торможения машины. Устройство 30 останова содержит электрическое тормозное устройство 40 и механическое удерживающее устройство 50.
Рабочая машина 20, приводимая в движение приводом 10, может быть выполнена самым различным образом, например, в виде одного или множества рабочих и/или опорных валков в прокатном стане, в виде натяжных или транспортных роликов, мотального устройства, установки для нанесения покрытий, летучих ножниц, лебедок в вертикальном или горизонтальном накопителе и т.д.
Электродвигатель привода 10, предпочтительно синхронный или моментный двигатель, содержит ротор 11 и статор 12, предпочтительно закрепленный непосредственно на станине или корпусе рабочей машины 20. Ротор 11 соединен с валом рабочей машины 20, вследствие чего вращение ротора 11 передается на вал и, следовательно, на подвижные детали рабочей машины 20. В контексте настоящей заявки в случае "непосредственного" крепления или соединения или (синоним) "интегрального" (встроенного) соединения соответствующие механические компоненты находятся в непосредственном контакте друг с другом. Это может быть достигнуто, например, посредством соединения болтами, соединения заклепками или сварки, но возможно и выполнение за одно целое. Таким образом, рабочая машина 20 и привод 10 "объединены в блок" друг с другом. Благодаря такой специальной интеграции достигается аварийно высокая крутильная жесткость между приводом 10 и валом рабочей машины 20.
Благодаря тесному интегральному соединению между приводом 10 и рабочей машиной 20 возможно производство промышленного оборудования, для установки которого требуется меньше пространства. Это связано с упрощениями при производстве промышленного оборудования, например, благодаря экономии при изготовлении фундамента, лучшему доступу к установке, сокращению количества запасных частей, снижению расходов на техническое обслуживание, уменьшению размеров зала. Двигатели меньше или совсем не подвергаются опасности вследствие соединений или других падающих деталей. Большое преимущество представленной здесь концепции привода становится ясным при тепловом расчете двигателей. Вследствие плотного соединения привода 10 с рабочей машиной 20 для отвода тепла может совместно использоваться масса и поверхность механического устройства. Благодаря этому, без принятия конструктивных мер, можно повысить мощность электродвигателя. Значительно уменьшается мощность потерь в приводном механизме. Во многих случаях можно отказаться от принудительной вентиляции или водяного охлаждения. Привод 10 может быть выполнен в виде электродвигателя с внутренним или наружным ротором. Кроме того, интегральная концепция обеспечивает улучшения в отношении надежности, так как можно отказаться от вращающихся наружных деталей привода, таких как шарнирные валы, муфты, тормозные диски и т.д. Исключаются такие детали, как подшипники, валы, муфты, основания двигателей и редукторов и т.д. Кроме того, уменьшение количества движущихся деталей приводит к более высокой точности регулирования, что в свою очередь положительно влияет на качество изготавливаемых продуктов.
Устройство 30 останова содержит управляющее устройство 31, управляющее электрическим тормозным устройством 40, механическим удерживающим устройством 50 и при необходимости функциями привода 10 и/или его питающего преобразователя 13 частоты. Ниже описываются управляющие функции управляющего устройства 31 для различных режимов работы, в частности для нормального режима работы и аварийного режима работы.
Для торможения или останова рабочей машины 20 предусмотрено устройство 30 останова, содержащее электрическое тормозное устройство 40 и механическое удерживающее устройство 50. При этом управление посредством управляющего устройства 31 осуществляется таким образом, что тормозное устройство 40 принимает на себя торможение рабочей машины 20 без трения, до остановки или почти до остановки, в то время как механическое удерживающее устройство 50 стопорит или, соответственно, удерживает рабочую машину 20 после достижения положения покоя. Это может осуществляться посредством геометрического или силового замыкания, например, при помощи тормозного диска, установленного на роторе 11 или на валу рабочей машины 20 и вращающегося вместе с ними, к обеим сторонам которого прижимаются тормозные накладки. Управление может осуществляться, например, электрическим, механическим, гидравлическим или пневматическим образом. Незначительное торможение от положения почти полной остановки рабочей машины 20 до полной остановки может взять на себя механическое удерживающее устройство 50, как описано выше.
В нормальном режиме работы привод 10 тормозится путем линейного изменения регулируемой величины (частота, напряжение) питающего преобразователя 13 частоты. Указанный преобразователь 13 частоты, подающий питание на двигатель привода 10, представляет собой электронный прибор и может являться частью привода 10, частью рабочей машины 20 или отдельным узлом. Электродвигатель привода 10 может быть выполнен в виде трехфазного электродвигателя. Преобразователь 13 частоты кроме подачи питания может включать в себя дополнительные функции для управления двигателем, такие как, например, измерение частоты вращения и/или процесс регулирования вращающегося поля в зависимости от текущего состояния машины. В частности преобразователь 13 частоты имеет функцию торможения рабочей машины путем регулирования частоты и напряжения до остановки рабочей машины 20.
При неисправности преобразователя 13 частоты торможение таким образом привода 10 или, соответственно, рабочей машины 20 невозможно. Электрическое тормозное устройство 40 выполнено таким образом, что в этом случае преобразователь 13 частоты гальванически развязывается от двигателя привода 10, одновременно обмотки двигателя замыкаются накоротко через тормозное сопротивление, резистивно-емкостную цепочку или напрямую, и/или подключается внешний источник постоянного напряжения. Таким образом, в аварийном случае обеспечивается возможность быстрого торможения рабочей машины 20.
В частности вышеописанная конструкция электрического тормозного устройства 40 делает возможным торможение без трения, т.е. немеханическое торможение рабочей машины 20 не только в нормальном режиме, но и в случае неисправности питающего преобразователя 13 частоты. Вся кинетическая энергия рабочей машины 20 и привода 10 снижается или, соответственно, преобразовывается электрическим тормозным устройством 40 во всех режимах работы, например, в режиме останова, быстрого останова, аварийного останова, аварийного выключения. Механическое удерживающее устройство 50 в любом случае (даже в аварийном случае), берет на себя только задачу фиксирования рабочей машины 20 в положения покоя. В результате торможения рабочей машины 20 только благодаря электрическому тормозному устройству 40 во всех режимах работы механическим удерживающим устройством 50 энергия в тепло не преобразовывается. Энергия в трение не преобразовывается, и это относится не только к нормальному режиму, но и, в частности, к случаю неисправности питающего преобразователя 13 частоты. Соответственно, механическое удерживающее устройство 50 может иметь особенно компактную конструкцию, так как оно не должно преобразовывать кинетическую энергию даже в аварийном случае. Кроме того, благодаря этому механическое удерживающее устройство 50 не содержит изнашивающихся деталей, по меньшей мере имеет место лишь небольшой износ. Благодаря этому также предотвращается возможность попадания частиц продуктов износа из механического удерживающего устройства 50 в привод 10. Предпочтительно механическое удерживающее устройство 50 встроено в корпус привода 10 или прифланцовано непосредственно к нему. Механическое удерживающее устройство 50 и электрическое тормозное устройство 40 могут представлять собой части или модули модульной конструкции электродвигателя для привода 10.
Представленный привод 10 функционирует предпочтительно в качестве прямого привода, в результате может быть значительно уменьшена сложность обычных приводных механизмов (например, состоящих из электродвигателя, муфты двигателя, включая тормоз, понижающего редуктора и муфты машины). При этом привод 10, в частности статор 12 привода 10, предпочтительно расположен непосредственно на рабочей машине 20.
Описанный привод 10 может быть выполнен по модульному принципу. В этом смысле электродвигатель, как базовый модуль, может быть расширен за счет механического удерживающего устройства 50 и электрического тормозного устройства 40, выполненных в виде модулей. При необходимости привод 10 может быть расширен за счет дополнительных модулей. Возможные модули расширения включают в себя, например, модуль повышения мощности со средствами привода (ротор и статор) для повышения мощности базового модуля. Чтобы модули можно было комбинировать друг с другом, они имеют совместимые компоненты, в частности корпуса, соединяемые друг с другом или, соответственно, соединяемые друг с другом фланцами. Благодаря такой модульной конструкции повышается частота повторения деталей одинаковой конструкции (диски двигателей, диски статоров, пакет пластин сердечника статоров, катушки статоров и т.д.), в результате чего могут быть снижены расходы и повышена надежность устройства.
Там, где это применимо, все отдельные признаки, показанные в примерах осуществления, могут комбинироваться и/или взаимно заменяться без выхода за рамки изобретения.
Перечень ссылочных обозначений:
10 привод/прямой привод
11 ротор
12 статор
13 питающий преобразователь частоты
20 рабочая машина
30 устройство останова
31 управляющее устройство
40 электрическое тормозное устройство
50 механическое удерживающее устройство