鄒六省

天津市博業(yè)自控技術(shù)有限公司，天津 300384

雙電機(jī)同步變頻調(diào)速在回轉(zhuǎn)窯上的應(yīng)用

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尼日利亞伊巴丹阿利亞水泥廠6 000 t/d熟料生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯采用雙電機(jī)進(jìn)行拖動。兩電機(jī)使用主從控制方式，為了實現(xiàn)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，在變頻器的功率板上安裝同步卡并用光纖連接進(jìn)行兩變頻器之間的數(shù)據(jù)讀取和傳送。電氣控制系統(tǒng)投入運行時，發(fā)生主電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升時從電機(jī)轉(zhuǎn)矩反而下降、兩電機(jī)電流差距大等現(xiàn)象，通過協(xié)調(diào)主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系相關(guān)問題得到解決。

電機(jī) 轉(zhuǎn)矩 同步 變頻調(diào)速

0 引言

尼日利亞伊巴丹阿利亞水泥廠于2012年新建6 000 t/d熟料生產(chǎn)線。回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Φ4.8 m×60 m，為節(jié)省工作空間，回轉(zhuǎn)窯采用雙電機(jī)進(jìn)行拖動。變頻器50 Hz時，窯速4.48 r/min。業(yè)主對原設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)提出異議，修改后投入運行，發(fā)生主電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升時從電機(jī)轉(zhuǎn)矩反而下降、兩電機(jī)電流差距大等現(xiàn)象，本文就這些問題解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1 設(shè)計中存在的問題

1.1 系統(tǒng)簡介

兩臺窯主電機(jī)型號為A B B公司生產(chǎn)的QABP355L6A，額定電壓400 V，單臺電機(jī)額定功率250 KW，額定電流330 A，額定轉(zhuǎn)速992 r/min，額定轉(zhuǎn)矩2 238 Nm，額定頻率 5～50 Hz，功率因數(shù)0.85；變頻器為施耐德的ATV780C35Y，DCS為西門子400系列，所有信號傳送通過電纜連接完成。電氣控制原理如圖1所示（窯兩主電機(jī)控制原理相同，原理說明略）。圖1中，M1為窯主電機(jī)，M2為窯主電機(jī)的強(qiáng)冷風(fēng)扇。

圖1 回轉(zhuǎn)窯電氣控制原理圖

1.2 甲方提出的意見

（1）對于大功率變頻器，主回路上，斷路器和變頻器之間應(yīng)加接觸器，用以保護(hù)變頻器的整流模塊和逆變模塊損壞時，能夠使變頻器迅速斷電。

（2）主回路上，變頻器輸入輸出端應(yīng)加電抗器。只是因為輸入電抗器能夠抑制浪涌電壓和浪涌電流，保護(hù)變頻器，延長其使用壽命和防止諧波干擾，同時由于變頻器采用變頻的方式調(diào)速，所以在調(diào)速時經(jīng)常會產(chǎn)生高次諧波和產(chǎn)生波形畸變，會影響設(shè)備正常使用。進(jìn)線電抗器可以改善變頻器的功率因數(shù)及抑制諧波電流，濾除諧波電壓和諧波電流，改善電網(wǎng)質(zhì)量。而另一方面，輸出電抗器用于延長變頻器的有效傳輸距離，有效抑制變頻器的IGBT模塊開關(guān)時產(chǎn)生的瞬間高壓，降低電機(jī)的噪音，降低渦流損耗， 保護(hù)變頻器內(nèi)部的功率開關(guān)器件。

（3）控制回路中，熱繼電器接在繼電器KA1的下方，若a點發(fā)生對地短路，由于KA1線圈阻值相對很大，控制電源QC不能立即跳閘，這時如果強(qiáng)冷風(fēng)扇發(fā)生過載，KH不能動作，可能會燒毀強(qiáng)冷風(fēng)扇。因此，對于直啟回路，KH應(yīng)置于KA1之前。

（4）控制回路通過微型斷路器QC控制，當(dāng)回路中有短路發(fā)生時，微斷的斷開速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上保險熔斷的速度更快。

（5）備妥信號僅使用主令開關(guān)進(jìn)行傳送，并不能反應(yīng)各斷路器、變頻器、熱繼電器等元器件是否具備備妥條件，沒有實現(xiàn)真正意義上的備妥。

（6）強(qiáng)冷風(fēng)扇的作用用于保護(hù)變頻電機(jī)不在高溫下工作，因此強(qiáng)冷風(fēng)扇應(yīng)是變頻電機(jī)的設(shè)備連鎖，即強(qiáng)冷風(fēng)扇不開就不允許變頻電機(jī)啟動。因此，應(yīng)用強(qiáng)冷風(fēng)扇控制主電機(jī)的啟停，而不是用主電機(jī)控制強(qiáng)冷風(fēng)扇的啟停。圖1中，強(qiáng)冷風(fēng)扇跳停，不會影響到主電機(jī)的運行，這是錯誤的。

（7）兩主電機(jī)都是通過DCS啟停并給定頻率，而對于轉(zhuǎn)速同步控制的電動機(jī)，在控制上難度很大。這是因為即便是相同規(guī)格的電機(jī)，由于制造上的誤差，其滑差也有不同。因此，即使是兩電機(jī)轉(zhuǎn)速能保持一致，也會出現(xiàn)一臺電機(jī)出力大一臺電機(jī)出力小的現(xiàn)象，因此應(yīng)使用轉(zhuǎn)矩方式進(jìn)行同步控制。

2 設(shè)計原理圖的修改

圖2 修改后的電氣控制原理圖

針對甲方提出的要求，修改后的原理圖見圖2（窯兩主電機(jī)控制原理相同，原理說明略）。兩電機(jī)使用主從控制方式，為了實現(xiàn)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，在變頻器的功率板上安裝同步卡并用光纖連接進(jìn)行兩變頻器之間的數(shù)據(jù)讀取和傳送。

3 調(diào)試中出現(xiàn)的問題

（1）兩電機(jī)運轉(zhuǎn)時雖頻率相同，但轉(zhuǎn)矩控制不理想，特別是主電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升時，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩反而下降了，有時甚至相差500 Nm，趨勢圖見圖3。

圖3 兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩趨勢圖

（2）因轉(zhuǎn)矩的差值大，導(dǎo)致兩電機(jī)電流差距大。

4 協(xié)調(diào)主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩

（1）將主變頻器設(shè)置為速度控制方式，從變頻器設(shè)置為轉(zhuǎn)矩控制方式。

（2）檢查兩變頻器基本參數(shù)設(shè)置未發(fā)現(xiàn)問題。

（3）檢查現(xiàn)場窯大齒輪和電機(jī)減速機(jī)小齒輪的嚙合情況。發(fā)現(xiàn)主機(jī)嚙合情況較好，而從機(jī)是完全依靠窯大齒輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行拖動的（圖4a中，大齒圈齒面A和從機(jī)所帶齒圈面B嚙合，但C面和D面脫離），導(dǎo)致從機(jī)成為主機(jī)的部分負(fù)載。對主從電機(jī)的設(shè)置情況（見圖4）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主從電機(jī)的設(shè)置和窯轉(zhuǎn)動的方向有很大關(guān)系。

圖4 主從電機(jī)位置變化后的齒圈變化示意

從圖4c中分析可知，從電機(jī)在A點對窯的支撐力=Gcosα，與從電機(jī)在切點A處的切向力F1同向，即和窯轉(zhuǎn)向一致，因此從電機(jī)對窯做功是省力的；而主電機(jī)在B點雖然同樣對窯的支撐力=Gcosα，但與主電機(jī)在切點B處的切向力F2相反，即和窯轉(zhuǎn)向相反，主電機(jī)要實現(xiàn)對窯的拖動，就必須克服B點處對窯的支撐力，因此主電機(jī)對窯做功是費力的。所以，主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會很大而從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相對來說較小。

若交換負(fù)荷電纜在變頻器側(cè)的接線顯然費時費力，通過更改變頻器的參數(shù)設(shè)置，將主、從參數(shù)互換達(dá)到主、從電機(jī)互換的目的。參數(shù)互換后上電試運轉(zhuǎn)，現(xiàn)場齒輪嚙合情況如圖4b所示。

顯然，更換后的主電機(jī)已開始發(fā)揮作用。觀察兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，發(fā)現(xiàn)從電機(jī)轉(zhuǎn)矩雖和主電機(jī)保持同步，但跟隨效果不好，兩曲線背離很大，因此還要調(diào)節(jié)從變頻器的PI參數(shù)設(shè)置。

（4）從變頻器的PI參數(shù)設(shè)置。

首先讓從變頻器參數(shù)積分時間I=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，逐漸由小到大改變比例增益P，讓擾動信號作階躍變化，即從5～50 Hz逐漸增減給定頻率，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止，該調(diào)節(jié)使P=700。然后取比例增益P為當(dāng)前的值的83%即581，由小到大增加積分時間I，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程，I=5 s。積分時間I=5 s保持不變，改變比例增益P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例增益P增大一些，再調(diào)整積分時間I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例增益P和積分時間I為止。在調(diào)節(jié)時，當(dāng)P=380和I=2 s且頻率F=20～40 Hz時，兩曲線比較穩(wěn)定并且調(diào)節(jié)較好，當(dāng)F＞40 Hz時，兩條曲線發(fā)生背離，而F＜18Hz時，曲線振蕩，增加比例增益P到400，在低頻時調(diào)節(jié)較好但高頻時曲線更加背離；減小積分時間I=1 s，在低頻時曲線靈敏度增高而在高頻時曲線得到改善，最后調(diào)節(jié)值為P=390，I=1 s，使得在5～50 Hz時主、從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步、跟隨。曲線圖見圖5。

圖5 調(diào)整參數(shù)后主從電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較

（5）主、從變頻器參數(shù)非缺省設(shè)置（見表1）。

表1 主、從變頻器參數(shù)非缺省設(shè)置

5 結(jié)束語

目前，雙電機(jī)的變頻同步拖動使用愈來愈頻繁，其最大優(yōu)點是可以節(jié)省設(shè)備的安裝空間，值得提醒的是，在設(shè)計和使用中，必須關(guān)注主、從電機(jī)的關(guān)系和電氣控制圖設(shè)計的完善。

2015-07-06）

TQ172.622.26;TM921.51

B

1008-0473(2015)06-0069-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.06.018