直流調(diào)速系統(tǒng)在回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用

夏忠清

（北方水泥有限公司，吉林 長春 130700）

水泥生產(chǎn)線中，回轉(zhuǎn)窯是核心設(shè)備，能否生產(chǎn)出高質(zhì)量和高產(chǎn)量的水泥熟料，取決于生料配比和水泥回轉(zhuǎn)窯的工作狀況，平滑和穩(wěn)定的窯體運(yùn)動速度是決定水泥質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵一環(huán)。直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，對回轉(zhuǎn)窯的安全生產(chǎn)和高速運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用。

1 回轉(zhuǎn)窯的工況

水泥回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行特點是大慣性負(fù)載，回轉(zhuǎn)窯在啟動時，拖動裝置能提供大轉(zhuǎn)矩以克服窯體的慣性，達(dá)到設(shè)定運(yùn)行速度后保證回轉(zhuǎn)窯能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在運(yùn)行中，由于窯體內(nèi)的熟料分布不均勻可能會造成窯體運(yùn)行波動，要求傳動裝置能夠克服負(fù)載變化而保證轉(zhuǎn)速恒定不變，目前交流變頻調(diào)速和直流調(diào)速系統(tǒng)都可以滿足這一要求，但是由于交流調(diào)速的造價較高，前期投入很大，所以水泥廠的回轉(zhuǎn)窯電力拖動均采用直流調(diào)速。

隨著計算機(jī)及工業(yè)自動化控制技術(shù)的發(fā)展，高精度的全數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)，已成為國內(nèi)水泥行業(yè)電氣傳動的必然趨勢。由于水泥回轉(zhuǎn)窯控制要求高，現(xiàn)場環(huán)境差，原模擬調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)難度大，并且經(jīng)常有參數(shù)漂移，故障率高；而采用帶CPU的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的編輯功能，調(diào)速精度高，動態(tài)響應(yīng)好，還具有優(yōu)良的抗干擾能力和自診斷功能，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，下面就此做一介紹。

2 拖動方案

水泥回轉(zhuǎn)窯是橫臥、直徑在3 m～5 m、長度在50m～70m的略帶傾斜的圓筒設(shè)備，重量最大可達(dá)千噸，是大慣性的負(fù)載，所以要求其拖動設(shè)備具有大的啟動力矩，且能夠抗拒由于窯體內(nèi)部生料的不均勻造成的慣性沖擊，達(dá)到工藝要求的速度后能平穩(wěn)運(yùn)行。

現(xiàn)在水泥回轉(zhuǎn)窯的直流拖動裝置大部分采用ABB的DCS800直流調(diào)速裝置（見圖1）。

電機(jī)參數(shù)：回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ4.8m×72.0m；電機(jī)采用型號ZSN4-400-092型直流電動機(jī)，功率（P）630kW，電樞電壓660V，電樞電流1016A，勵磁電壓180V，勵磁電流26.4A，轉(zhuǎn)速1000r/min，輔助傳動電機(jī)75kW。

圖1 DCS800直流調(diào)速裝置

2.1 直流調(diào)速裝置的選型

由于水泥窯專用直流電機(jī)在同等功率情況下具備2倍～3倍啟動力矩的特性，整流裝置容量的選擇應(yīng)該遵循這一特性。水泥窯體的體積大，啟動慣性大，所以選擇整流裝置的容量時，既要使直流電機(jī)能夠發(fā)揮其大力矩啟動的特點，又要考慮到大慣性負(fù)載在啟動時的機(jī)械強(qiáng)度的承受能力。整流裝置的輸出力矩選擇在1.8倍電機(jī)的額定力矩就可以滿足工藝要求。

電機(jī)的額定電流是IED=1014A，整流裝置應(yīng)提供給直流電機(jī)最大啟動電流IDmax=1.8×1014=1825A。

2.2 整流變壓器容量的確定

整流變壓器的接法：整流變壓器的主要作用是將供電電源與整流電路部分隔離，防止相互間的干擾，增加了安全性。可以使控制角的范圍較大，有較好的調(diào)節(jié)效果。由于可控硅整流是斬波整流，會產(chǎn)生高次諧波，為了抑制整流電路的高次諧波對電網(wǎng)的影響，可控硅整流變壓器均采用△/Y-11點接法。

因為整流變壓器的短路幾率較多，要求變壓器繞組和結(jié)構(gòu)有較大的機(jī)械強(qiáng)度。可控硅裝置發(fā)生過電壓的機(jī)會較多，變壓器應(yīng)有較高的絕緣強(qiáng)度，因此在同等容量下，整流變壓器的體積要較一般的整流變壓器體積大些。整流變壓器的漏抗可以限制短路電流和改善原方電流的波形，因此一般希望整流變壓器的漏抗大些，但是漏抗的增加又增加了壓降，惡化了功率因數(shù)，故又不能選擇太大，一般整流變壓器的短路阻抗取5%～10%的范圍內(nèi)。

2.3 整流變壓器原副方電壓及容量計算

整流變壓器的原方電壓由工廠的供電電網(wǎng)決定，一般取10kV或6kV；副方電壓的選擇要根據(jù)電動機(jī)的額定電壓Ued計算而得。考慮到電網(wǎng)電壓的波動，負(fù)載變化所引起的附加電壓降以及最小控制角αmin不能為零等因素，最大整流電壓Uedmax必須比電動機(jī)的額定電壓Ued為大。電動機(jī)的額定電壓Ued=660V，整流變壓器的副方電壓U2，電網(wǎng)波動按照±10%計算，電動機(jī)的效率按照5%計算。

整流裝置的整流電壓Ued=1.35×U2×0.9×0.95×cos10°；

整流變壓器的副方電壓U2=Uedmax÷(1.35×0.9×0.95×cos10°) =660V÷（1.35×0.9×0.95×0.985）=580V；

直流電動機(jī)的功率是630kW。

整流裝置應(yīng)提供給直流電動機(jī)的最大功率PDMAX=IDmax×Ued

對于三相全控橋的電機(jī)功率PDMAX=P2=1205kVA（P2為變壓器副方功率）。

考慮到變壓器的損耗，整流變壓器的原方功率P1=1.05×P2。

整流變壓器的功率1265kVA，6kV/0.58kV。

2.4 主回路的保護(hù)

整流裝置在運(yùn)行過程中，由于堆料或故障會出現(xiàn)過載情況，有時電網(wǎng)出現(xiàn)較長時間的跌落，使整流裝置無法正常運(yùn)行。為了保護(hù)整流裝置，應(yīng)在整流變壓器的副方與整流裝置的進(jìn)線間安裝空氣開關(guān)作為過流保護(hù)和欠電壓保護(hù)。主進(jìn)線開關(guān)的容量選擇極為重要，一般按照整流裝置的最大輸出電流選擇。

變壓器最大副方電流

由于空氣開關(guān)的生產(chǎn)廠家的電流分段，開關(guān)一般選擇ID=1600A，選擇失壓線圈。

至此，整流調(diào)速裝置的主回路系統(tǒng)就搭建完成。

整流裝置選用2000/660V，整流變壓器選用1265kVA，6kV/0.58—0.6kV，進(jìn)線空氣開關(guān)1600A。

3 控制方案

直流調(diào)速裝置通過DCS以太網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)中控系統(tǒng)連接。中控系統(tǒng)收集水泥窯各個部位的電器設(shè)備及機(jī)械狀態(tài)，反映到計算機(jī)電腦界面，在計算機(jī)界面可以看到運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過界面控制直流調(diào)速裝置的運(yùn)行。

回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行控制主要有啟動、運(yùn)行、停止、速度設(shè)定、電樞電壓輸出、電樞電流輸出、勵磁電流輸出等。在其運(yùn)行中，物料在窯體中翻滾，是負(fù)載時刻波動，而直流調(diào)速的最重要的功能是依靠其內(nèi)部的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證窯體的運(yùn)行速度波動限定在很小的范圍內(nèi)。可以通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的PI參數(shù)，使波動越小越好。

直流調(diào)速裝置的啟動、運(yùn)行、停止和外部型號有多個互鎖條件，主要有主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行，主電機(jī)溫度是否超限，潤滑油泵工作是否正常，軸承溫度是否超限，勵磁電流是否正常。每個聯(lián)鎖點都與運(yùn)行型號串聯(lián)，也是直流調(diào)速裝置運(yùn)行的必要條件。

開機(jī)時首先給直流調(diào)速裝置送控制電，ABB直流調(diào)速裝置得電，其控制板進(jìn)行自檢，自檢合格后直流裝置報正常信號。由于直流電機(jī)使用風(fēng)冷方式，由通風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，這時應(yīng)送風(fēng)機(jī)電源。磁場單元送電并且檢測其是否正常，中控系統(tǒng)檢測其它信號是否正常（主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行，主電機(jī)溫度是否超限，潤滑油泵工作是否正常，軸承溫度是否超限，勵磁電流是否正常。每個聯(lián)鎖點都與運(yùn)行型號串聯(lián)），如外部信號正常且直流調(diào)速內(nèi)部系統(tǒng)均正常時，可以發(fā)出主回路開關(guān)信號。若其中有一路信號不正常主開關(guān)無法閉合。主開關(guān)閉合后給DCS中控系統(tǒng)送出開關(guān)閉合應(yīng)答信號，操作員通過中控系統(tǒng)給直流調(diào)速裝置發(fā)運(yùn)行信號，此運(yùn)行信號的作用是解除對直流調(diào)速裝置脈沖的封鎖，操作員可以根據(jù)工藝要求，給直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置運(yùn)行速度的給定信號，直流調(diào)速系統(tǒng)開始運(yùn)行。

由于DCS系統(tǒng)只接受和送出毫安信號，直流調(diào)速器的速度設(shè)定接口只接受0～10V信號，模擬量輸出（電流，速度值）只輸出0～10V信號，所以需配置變換隔離器。

4 系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）DCS系統(tǒng)，采用ABB的DCS控制系統(tǒng)；

（2）直流調(diào)速：ABB公司的DCS800-S01-2000-06的整流調(diào)速系統(tǒng)，磁場單元：ABB公司的DCF803-0035的勵磁模塊；

（3）主變壓器：國產(chǎn)，功率1265kVA，6kV/0.58kV；

（4）主開關(guān)：額定電流1600A。

5 常見故障現(xiàn)象

（1）水泥窯運(yùn)行中出現(xiàn)直流電機(jī)的電流超過額定電流且電流較大，窯體運(yùn)行速度下降。

先檢查直流調(diào)速器的勵磁電流是否正常。

電機(jī)的輸出力矩M=CM φI

式中，CM是常量，I是直流電機(jī)的電樞電流，φ是直流電機(jī)磁場的磁通量，由磁場電流提供。如果磁場電流不夠，即使整流電流達(dá)到了額定要求，直流電機(jī)也無法輸出額定的力矩，窯體無法按照設(shè)定的速度運(yùn)行；如果磁場電流正常就要考慮窯體內(nèi)部是否有堆料現(xiàn)象。

另外，在窯體停止運(yùn)行較長時間后，重新啟動會出現(xiàn)電樞電流過大，即使達(dá)到堵轉(zhuǎn)電流（直流調(diào)速器設(shè)定的允許輸出的最大電流），但窯體依然無法啟動。此類情況基本是窯體帶料停轉(zhuǎn)較長時間后，窯體發(fā)生彎曲且窯內(nèi)水泥料堆積造成的，需要設(shè)定低速同時傳動電機(jī)運(yùn)行。

（2）運(yùn)行速度不穩(wěn)，電機(jī)電流波動較大。

①先檢查反饋環(huán)節(jié)，如果使用的是直流測速機(jī)反饋，檢查測速電機(jī)的機(jī)械安裝是否同軸，這樣保證主電機(jī)的速度能夠完整地反應(yīng)到測速發(fā)電機(jī)上，能夠給直流調(diào)速不失真的速度信號；另外，要檢查測速機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電電壓是否準(zhǔn)確，測速發(fā)電機(jī)輸出特性應(yīng)該是線性的，隨著速度的變化而線性變化。如果測速電機(jī)故障不能及時更換，建議通過DCS800的參數(shù)設(shè)定，將測速反饋更改為電樞電壓反饋。由于水泥窯調(diào)速是恒定勵磁調(diào)速，使用電壓反饋也能正常工作。

②如電壓穩(wěn)定電流震蕩大，可通過調(diào)節(jié)DCS800的速度調(diào)節(jié)器的比例和積分參數(shù)，可任調(diào)一個調(diào)整，使震蕩趨勢穩(wěn)定。

③如還不穩(wěn)定，要看所在負(fù)載特性是否正常，窯體內(nèi)是否有堆料現(xiàn)象或機(jī)械部分的連接不穩(wěn)固。

（3）故障報警。在直流調(diào)速器運(yùn)行中可能會出現(xiàn)報警信號。ABB的DCS800直流調(diào)速器有完備的檢測功能，在其運(yùn)行中時刻檢測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時直流調(diào)速會發(fā)出報警信號給中控系統(tǒng)，自我保護(hù)停機(jī)且在操作盤上顯示故障類型代碼，通過查找故障代碼手冊查找故障類型并加以排除。

6 使用體會

全數(shù)字的直流調(diào)速系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，其內(nèi)容涵蓋較廣，有進(jìn)線電源變壓器、進(jìn)線開關(guān)、全數(shù)字直流調(diào)速裝置、直流電機(jī)，與其配套的保護(hù)系統(tǒng)、中控系統(tǒng)等。全數(shù)字直流調(diào)速器雖然有專用的工作室，但水泥廠粉塵較多，所以在運(yùn)行間隙要細(xì)心加以維護(hù)，比如電機(jī)要經(jīng)常檢查，及時更換碳刷并進(jìn)行清掃等。