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

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

鄒六省

天津市博業(yè)自控技術(shù)有限公司，天津 300384

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(dòng)。兩電機(jī)使用主從控制方式，為了實(shí)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(yùn)行時(shí)，發(fā)生主電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升時(shí)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(guò)協(xié)調(diào)主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系相關(guān)問(wèn)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?；剞D(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(dòng)。變頻器50 Hz時(shí)，窯速4.48 r/min。業(yè)主對(duì)原設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)提出異議，修改后投入運(yùn)行，發(fā)生主電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升時(shí)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(wèn)題解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

兩臺(tái)窯主電機(jī)型號(hào)為A B B公司生產(chǎn)的QABP355L6A，額定電壓400 V，單臺(tái)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(hào)傳送通過(guò)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(shuō)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(duì)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(shí)，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?yàn)檩斎腚娍蛊髂軌蛞种评擞侩妷汉屠擞侩娏?，保護(hù)變頻器，延長(zhǎng)其使用壽命和防止諧波干擾，同時(shí)由于變頻器采用變頻的方式調(diào)速，所以在調(diào)速時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生高次諧波和產(chǎn)生波形畸變，會(huì)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(zhǎng)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(shí)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(diǎn)發(fā)生對(duì)地短路，由于KA1線圈阻值相對(duì)很大，控制電源QC不能立即跳閘，這時(shí)如果強(qiáng)冷風(fēng)扇發(fā)生過(guò)載，KH不能動(dòng)作，可能會(huì)燒毀強(qiáng)冷風(fēng)扇。因此，對(duì)于直啟回路，KH應(yīng)置于KA1之前。

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

（5）備妥信號(hào)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(shí)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(dòng)。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(huì)影響到主電機(jī)的運(yùn)行，這是錯(cuò)誤的。

（7）兩主電機(jī)都是通過(guò)DCS啟停并給定頻率，而對(duì)于轉(zhuǎn)速同步控制的電動(dòng)機(jī)，在控制上難度很大。這是因?yàn)榧幢闶窍嗤?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(huì)出現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)出力大一臺(tái)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(jì)原理圖的修改

圖2 修改后的電氣控制原理圖

針對(duì)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(shuō)明略）。兩電機(jī)使用主從控制方式，為了實(shí)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(wèn)題

（1）兩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩反而下降了，有時(shí)甚至相差500 Nm，趨勢(shì)圖見圖3。

圖3 兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩趨勢(shì)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(wèn)題。

（3）檢查現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)進(jìn)行拖動(dòng)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(duì)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(dòng)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(diǎn)對(duì)窯的支撐力=Gcosα，與從電機(jī)在切點(diǎn)A處的切向力F1同向，即和窯轉(zhuǎn)向一致，因此從電機(jī)對(duì)窯做功是省力的；而主電機(jī)在B點(diǎn)雖然同樣對(duì)窯的支撐力=Gcosα，但與主電機(jī)在切點(diǎn)B處的切向力F2相反，即和窯轉(zhuǎn)向相反，主電機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)窯的拖動(dòng)，就必須克服B點(diǎn)處對(duì)窯的支撐力，因此主電機(jī)對(duì)窯做功是費(fèi)力的。所以，主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)很大而從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。

若交換負(fù)荷電纜在變頻器側(cè)的接線顯然費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間I=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，逐漸由小到大改變比例增益P，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，即從5～50 Hz逐漸增減給定頻率，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿意的控制過(guò)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(shí)間I，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至求得滿意的控制過(guò)程，I=5 s。積分時(shí)間I=5 s保持不變，改變比例增益P，觀察控制過(guò)程有無(wú)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(shí)間I，力求改善控制過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例增益P和積分時(shí)間I為止。在調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)P=380和I=2 s且頻率F=20～40 Hz時(shí)，兩曲線比較穩(wěn)定并且調(diào)節(jié)較好，當(dāng)F＞40 Hz時(shí)，兩條曲線發(fā)生背離，而F＜18Hz時(shí)，曲線振蕩，增加比例增益P到400，在低頻時(shí)調(diào)節(jié)較好但高頻時(shí)曲線更加背離；減小積分時(shí)間I=1 s，在低頻時(shí)曲線靈敏度增高而在高頻時(shí)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(shí)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(dòng)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(yǔ)

目前，雙電機(jī)的變頻同步拖動(dòng)使用愈來(lái)愈頻繁，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省設(shè)備的安裝空間，值得提醒的是，在設(shè)計(jì)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(jì)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