变频调速在熟料窑传动系统中的应用
日期：2008-10-22 23:30:02 来源：中国自动化网
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1 熟料窑工况特点及电气传动现状
熟料窑是一种慢速大惯量热工回转设备，低速段扭矩高，起动力矩大（一般要求电机的起动力矩为正常工作力矩的2.5倍左右），负载转矩受诸多因素影响频繁波动且波动范围大。根据工艺特点，要求电气传动系统起动转矩大、调速平滑、抗负载扰动能力强、适应恶劣的运行环境。目前熟料窑电气传动结构如图1所示。
图1 目前熟料窑电气传动结构示意图
熟料窑为全数字双直流电机串联传动，由于直流电动机碳刷、整流子在恶劣环境中损坏严重，并且调速系统对频繁变化且范围宽广的负载扰动抑制能力差，电机运行转速、电流频繁出现严重振荡，从而影响机械寿命、破坏热工制度，减少内衬寿命，降低熟料窑台时产能和运转率。随着交流变频技术的发展，特别是直接转矩控制（DTC）技术和主从技术的应用，为取代直流调速奠定了坚实的技术基础。
2 熟料窑交流变频调速系统改造方案
基于以上因素，综合变频器最新发展技术，提出了图2所示的熟料窑双交流电机变频调速方案。
图2熟料窑交流变频调速系统设计方案
2.1 交流电动机选型
熟料窑直流电动机数据：200kW， 400/1200rpm，440V， 498A，原电阻起动时（电阻为0.38Ω/0.15Ω/0.1Ω），效率为91.2%，过载倍数2.5倍（基速）/1.6倍（高速），弱磁调速范围为400～1200rpm。直流电机工作在弱磁区，恒功率运行，电机的功率与转矩是按最大转速时的工作情况设计的，电机的实际输出转矩远小于额定转矩。电机参数如下：
计算的电机额定转矩：Te=9550*Pe/ Ne=4775 N?M
电机输出转矩（高速时）：Tmax= Te* （Ne / Nmax）=1592 N?M
电机过载转矩（高速时）：Tcmax=1.6* Tmax =2547 N?M
电机起动电流：Is=Uo/（Rs+Ro）=440/（0.04+0.15+0.38+0.1）≤660 A
电机起动转矩：Ts= Te *（Is/Ie）≤6328 N?M
更换交流电机后，性能指标必须满足以下条件：
电机最高转速≥Nmax=1200rpm；电机额定转矩≥Tmax=1592 N?M；电机过载转矩≥Tcmax=2547 N?M；电机起动转矩≥Ts=6328N?M。
为了满足上述条件并考虑到今后提产因素，对以上计算取适当转矩（功率）裕量，预选380V、355kW、670A、992rpm、50 Hz IP54 YPBF列变频电机（电机调速范围：1～100Hz；电机额定转矩：3417N?M；电机最大转矩/额定转矩：2.8），转矩核算如下:
交流电机的额定转矩为直流电机的2.15倍；过载转矩为直流电机的3.75倍；起动转矩为直流电机的1.5倍；为了满足前述最高转速条件，电机运行转速将达到1200rpm，电机允许的长期运行转矩降低为2800 N?M，电机允许的过载转矩降低为7842N?M。这些参数远远大于前述转速和转矩条件，满足应用要求。
2.2 变频器选型
ACS 800变频器具有DTC和主从控制技术两个重要功能，是选择双交流传动的主要依据。
（1） DTC技术
DTC技术是目前最先进的变频技术，能实现低速大力矩、低电流大力矩，独有的“零速满转矩”特性。在图3所示的DTC技术中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量，能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度，图4和图5为速度、转矩动态调节过程。
图3 DTC控制原理框图
图4精确速度控制
图5精确转矩控制
（2） 主从控制技术
主从控制技术是ABB公司专门为多电机传动应用而设计的，变频器之间通过光纤连接，其中一台变频器被设置为主机，其他变频器被设为从机，电机硬轴连接（图6）。
主机实行速度控制，从机实行转矩控制，从机的转矩、速度控制信号由主机根据自身的转矩输出比例进行计算给出，可以有效地控制负载的平衡。
主机M1是速度控制，从机M2是转矩控制，从电机M2动态跟随主电机转矩的变化而变化。在正常的运行范围内，从机M2的速度调节器输出为零，从机时刻跟随主机的转矩给定，保持了负载的平衡。如果主从机速度略有偏差（速度给定值-实际转速值），且速度偏差处于一定的窗口范围内，窗口控制（window control）将使从机速度调节器的输入和输出保持为零,从机跟随主机的转矩给定（torque ref1），满足负载的平衡要求。如果速度偏差超出窗口范围，窗口控制（window control）把速度偏差与速度调节器相连，速度调节器输出增加或减少内部转矩给定，停止转速的进一步上升或下降,直至达到新的平衡。
图6主从控制原理框图
此外，ACS800变频器还有许多其他优点，不在一一阐述。
(3) 变频器主从通讯连接
图7 主从通讯连接连接
如图所示，主机CH2通道发送端接至从机CH2通道接受端，反之亦然。主从通讯为同步双全工串行通讯，最大传输延迟为16ms，传输时间间隔4ms，传输速率4Mbit/s，通讯协议为ABB分布式传动通信系统(DDCS)。
(4) 变频器从机故障配线（图8所示）
传动单元上有两个模拟输出端和三个继电器输出端用于外部监控，通过参数设定，确定主从连接故障处理方式。
图8从机故障信息配线
(5) 变频调速系统操作控制
熟料窑变频调速系统设计为两地控制，本地控制由ACS800系列CDP-312传动控制盘控制，CDP-312控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。中央控制室控制可采用单个信号硬连接和通讯连接两种方式，前者由于线路长、连线多，因此抗干扰能力差，因此通讯连接（如图9所示）较为理想。
由上图可看出：每台变频器加装Control-net通讯卡，与上位机DCS网络互联，可以通过上位机控制设备起停及速度调节，也可监控设备的运行状态及故障情况。另为了增强系统的可靠性，变频器除通过网络与上位机相连外，还将现场部分必要信号通过开关量及模拟量接线的方式接入DCS。
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熟料窑是一种慢速大惯量热工回转设备，低速段扭矩高，起动力矩大（一般要求电机的起动力矩为正常工作力矩的2.5倍左右），负载转矩受诸多因素影响频繁波动且波动范围大。根据工艺特点，要求电气传动系统起动转矩大、调速平滑、抗负载扰动能力强、适应恶劣的运行环境。目前熟料窑电气传动结构如图1所示。
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熟料窑为全数字双直流电机串联传动，由于直流电动机碳刷、整流子在恶劣环境中损坏严重，并且调速系统对频繁变化且范围宽广的负载扰动抑制能力差，电机运行转速、电流频繁出现严重振荡，从而影响机械寿命、破坏热工制度，减少内衬寿命，降低熟料窑台时产能和运转率。随着交流变频技术的发展，特别是直接转矩控制（DTC）技术和主从技术的应用，为取代直流调速奠定了坚实的技术基础。
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2 熟料窑交流变频调速系统改造方案
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基于以上因素，综合变频器最新发展技术，提出了图2所示的熟料窑双交流电机变频调速方案。
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2.1 交流电动机选型
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熟料窑直流电动机数据：200kW， 400/1200rpm，440V， 498A，原电阻起动时（电阻为0.38Ω/0.15Ω/0.1Ω），效率为91.2%，过载倍数2.5倍（基速）/1.6倍（高速），弱磁调速范围为400～1200rpm。直流电机工作在弱磁区，恒功率运行，电机的功率与转矩是按最大转速时的工作情况设计的，电机的实际输出转矩远小于额定转矩。电机参数如下：
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计算的电机额定转矩：Te=9550*Pe/ Ne=4775 N?M
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电机输出转矩（高速时）：Tmax= Te* （Ne / Nmax）=1592 N?M
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电机过载转矩（高速时）：Tcmax=1.6* Tmax =2547 N?M
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电机起动电流：Is=Uo/（Rs+Ro）=440/（0.04+0.15+0.38+0.1）≤660 A
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电机起动转矩：Ts= Te *（Is/Ie）≤6328 N?M
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更换交流电机后，性能指标必须满足以下条件：
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电机最高转速≥Nmax=1200rpm；电机额定转矩≥Tmax=1592 N?M；电机过载转矩≥Tcmax=2547 N?M；电机起动转矩≥Ts=6328N?M。
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为了满足上述条件并考虑到今后提产因素，对以上计算取适当转矩（功率）裕量，预选380V、355kW、670A、992rpm、50 Hz IP54 YPBF列变频电机（电机调速范围：1～100Hz；电机额定转矩：3417N?M；电机最大转矩/额定转矩：2.8），转矩核算如下:
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交流电机的额定转矩为直流电机的2.15倍；过载转矩为直流电机的3.75倍；起动转矩为直流电机的1.5倍；为了满足前述最高转速条件，电机运行转速将达到1200rpm，电机允许的长期运行转矩降低为2800 N?M，电机允许的过载转矩降低为7842N?M。这些参数远远大于前述转速和转矩条件，满足应用要求。
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（1） DTC技术
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DTC技术是目前最先进的变频技术，能实现低速大力矩、低电流大力矩，独有的“零速满转矩”特性。在图3所示的DTC技术中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量，能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度，图4和图5为速度、转矩动态调节过程。
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图3 DTC控制原理框图
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图4精确速度控制
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图5精确转矩控制
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（2） 主从控制技术
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主机实行速度控制，从机实行转矩控制，从机的转矩、速度控制信号由主机根据自身的转矩输出比例进行计算给出，可以有效地控制负载的平衡。
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主机M1是速度控制，从机M2是转矩控制，从电机M2动态跟随主电机转矩的变化而变化。在正常的运行范围内，从机M2的速度调节器输出为零，从机时刻跟随主机的转矩给定，保持了负载的平衡。如果主从机速度略有偏差（速度给定值-实际转速值），且速度偏差处于一定的窗口范围内，窗口控制（window control）将使从机速度调节器的输入和输出保持为零,从机跟随主机的转矩给定（torque ref1），满足负载的平衡要求。如果速度偏差超出窗口范围，窗口控制（window control）把速度偏差与速度调节器相连，速度调节器输出增加或减少内部转矩给定，停止转速的进一步上升或下降,直至达到新的平衡。
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如图所示，主机CH2通道发送端接至从机CH2通道接受端，反之亦然。主从通讯为同步双全工串行通讯，最大传输延迟为16ms，传输时间间隔4ms，传输速率4Mbit/s，通讯协议为ABB分布式传动通信系统(DDCS)。
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(4) 变频器从机故障配线（图8所示）
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传动单元上有两个模拟输出端和三个继电器输出端用于外部监控，通过参数设定，确定主从连接故障处理方式。
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(5) 变频调速系统操作控制
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熟料窑变频调速系统设计为两地控制，本地控制由ACS800系列CDP-312传动控制盘控制，CDP-312控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。中央控制室控制可采用单个信号硬连接和通讯连接两种方式，前者由于线路长、连线多，因此抗干扰能力差，因此通讯连接（如图9所示）较为理想。
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由上图可看出：每台变频器加装Control-net通讯卡，与上位机DCS网络互联，可以通过上位机控制设备起停及速度调节，也可监控设备的运行状态及故障情况。另为了增强系统的可靠性，变频器除通过网络与上位机相连外，还将现场部分必要信号通过开关量及模拟量接线的方式接入DCS。
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