直流调速系统在回转窑的应用

夏忠清

（北方水泥有限公司，吉林 长春 130700）

水泥生产线中，回转窑是核心设备，能否生产出高质量和高产量的水泥熟料，取决于生料配比和水泥回转窑的工作状况，平滑和稳定的窑体运动速度是决定水泥质量和产量的关键一环。直流调速系统的应用，对回转窑的安全生产和高速运转具有重要作用。

1 回转窑的工况

水泥回转窑的运行特点是大惯性负载，回转窑在启动时，拖动装置能提供大转矩以克服窑体的惯性，达到设定运行速度后保证回转窑能够稳定运行。在运行中，由于窑体内的熟料分布不均匀可能会造成窑体运行波动，要求传动装置能够克服负载变化而保证转速恒定不变，目前交流变频调速和直流调速系统都可以满足这一要求，但是由于交流调速的造价较高，前期投入很大，所以水泥厂的回转窑电力拖动均采用直流调速。

随着计算机及工业自动化控制技术的发展，高精度的全数字化调速系统取代传统的模拟调速系统，已成为国内水泥行业电气传动的必然趋势。由于水泥回转窑控制要求高，现场环境差，原模拟调速系统调试维护难度大，并且经常有参数漂移，故障率高；而采用带CPU的全数字直流调速系统，具有强大的编辑功能，调速精度高，动态响应好，还具有优良的抗干扰能力和自诊断功能，结构紧凑，运行可靠，维护方便，下面就此做一介绍。

2 拖动方案

水泥回转窑是横卧、直径在3 m～5 m、长度在50m～70m的略带倾斜的圆筒设备，重量最大可达千吨，是大惯性的负载，所以要求其拖动设备具有大的启动力矩，且能够抗拒由于窑体内部生料的不均匀造成的惯性冲击，达到工艺要求的速度后能平稳运行。

现在水泥回转窑的直流拖动装置大部分采用ABB的DCS800直流调速装置（见图1）。

电机参数：回转窑规格φ4.8m×72.0m；电机采用型号ZSN4-400-092型直流电动机，功率（P）630kW，电枢电压660V，电枢电流1016A，励磁电压180V，励磁电流26.4A，转速1000r/min，辅助传动电机75kW。

图1 DCS800直流调速装置

2.1 直流调速装置的选型

由于水泥窑专用直流电机在同等功率情况下具备2倍～3倍启动力矩的特性，整流装置容量的选择应该遵循这一特性。水泥窑体的体积大，启动惯性大，所以选择整流装置的容量时，既要使直流电机能够发挥其大力矩启动的特点，又要考虑到大惯性负载在启动时的机械强度的承受能力。整流装置的输出力矩选择在1.8倍电机的额定力矩就可以满足工艺要求。

电机的额定电流是IED=1014A，整流装置应提供给直流电机最大启动电流IDmax=1.8×1014=1825A。

2.2 整流变压器容量的确定

整流变压器的接法：整流变压器的主要作用是将供电电源与整流电路部分隔离，防止相互间的干扰，增加了安全性。可以使控制角的范围较大，有较好的调节效果。由于可控硅整流是斩波整流，会产生高次谐波，为了抑制整流电路的高次谐波对电网的影响，可控硅整流变压器均采用△/Y-11点接法。

因为整流变压器的短路几率较多，要求变压器绕组和结构有较大的机械强度。可控硅装置发生过电压的机会较多，变压器应有较高的绝缘强度，因此在同等容量下，整流变压器的体积要较一般的整流变压器体积大些。整流变压器的漏抗可以限制短路电流和改善原方电流的波形，因此一般希望整流变压器的漏抗大些，但是漏抗的增加又增加了压降，恶化了功率因数，故又不能选择太大，一般整流变压器的短路阻抗取5%～10%的范围内。

2.3 整流变压器原副方电压及容量计算

整流变压器的原方电压由工厂的供电电网决定，一般取10kV或6kV；副方电压的选择要根据电动机的额定电压Ued计算而得。考虑到电网电压的波动，负载变化所引起的附加电压降以及最小控制角αmin不能为零等因素，最大整流电压Uedmax必须比电动机的额定电压Ued为大。电动机的额定电压Ued=660V，整流变压器的副方电压U2，电网波动按照±10%计算，电动机的效率按照5%计算。

整流装置的整流电压Ued=1.35×U2×0.9×0.95×cos10°；

整流变压器的副方电压U2=Uedmax÷(1.35×0.9×0.95×cos10°) =660V÷（1.35×0.9×0.95×0.985）=580V；

直流电动机的功率是630kW。

整流装置应提供给直流电动机的最大功率PDMAX=IDmax×Ued

对于三相全控桥的电机功率PDMAX=P2=1205kVA（P2为变压器副方功率）。

考虑到变压器的损耗，整流变压器的原方功率P1=1.05×P2。

整流变压器的功率1265kVA，6kV/0.58kV。

2.4 主回路的保护

整流装置在运行过程中，由于堆料或故障会出现过载情况，有时电网出现较长时间的跌落，使整流装置无法正常运行。为了保护整流装置，应在整流变压器的副方与整流装置的进线间安装空气开关作为过流保护和欠电压保护。主进线开关的容量选择极为重要，一般按照整流装置的最大输出电流选择。

变压器最大副方电流

由于空气开关的生产厂家的电流分段，开关一般选择ID=1600A，选择失压线圈。

至此，整流调速装置的主回路系统就搭建完成。

整流装置选用2000/660V，整流变压器选用1265kVA，6kV/0.58—0.6kV，进线空气开关1600A。

3 控制方案

直流调速装置通过DCS以太网络与计算机中控系统连接。中控系统收集水泥窑各个部位的电器设备及机械状态，反映到计算机电脑界面，在计算机界面可以看到运行数据，通过界面控制直流调速装置的运行。

回转窑的运行控制主要有启动、运行、停止、速度设定、电枢电压输出、电枢电流输出、励磁电流输出等。在其运行中，物料在窑体中翻滚，是负载时刻波动，而直流调速的最重要的功能是依靠其内部的双闭环控制系统，保证窑体的运行速度波动限定在很小的范围内。可以通过调节控制系统的PI参数，使波动越小越好。

直流调速装置的启动、运行、停止和外部型号有多个互锁条件，主要有主电机冷却风机是否运行，主电机温度是否超限，润滑油泵工作是否正常，轴承温度是否超限，励磁电流是否正常。每个联锁点都与运行型号串联，也是直流调速装置运行的必要条件。

开机时首先给直流调速装置送控制电，ABB直流调速装置得电，其控制板进行自检，自检合格后直流装置报正常信号。由于直流电机使用风冷方式，由通风机强迫通风，这时应送风机电源。磁场单元送电并且检测其是否正常，中控系统检测其它信号是否正常（主电机冷却风机是否运行，主电机温度是否超限，润滑油泵工作是否正常，轴承温度是否超限，励磁电流是否正常。每个联锁点都与运行型号串联），如外部信号正常且直流调速内部系统均正常时，可以发出主回路开关信号。若其中有一路信号不正常主开关无法闭合。主开关闭合后给DCS中控系统送出开关闭合应答信号，操作员通过中控系统给直流调速装置发运行信号，此运行信号的作用是解除对直流调速装置脉冲的封锁，操作员可以根据工艺要求，给直流调速系统设置运行速度的给定信号，直流调速系统开始运行。

由于DCS系统只接受和送出毫安信号，直流调速器的速度设定接口只接受0～10V信号，模拟量输出（电流，速度值）只输出0～10V信号，所以需配置变换隔离器。

4 系统的构成

（1）DCS系统，采用ABB的DCS控制系统；

（2）直流调速：ABB公司的DCS800-S01-2000-06的整流调速系统，磁场单元：ABB公司的DCF803-0035的励磁模块；

（3）主变压器：国产，功率1265kVA，6kV/0.58kV；

（4）主开关：额定电流1600A。

5 常见故障现象

（1）水泥窑运行中出现直流电机的电流超过额定电流且电流较大，窑体运行速度下降。

先检查直流调速器的励磁电流是否正常。

电机的输出力矩M=CM φI

式中，CM是常量，I是直流电机的电枢电流，φ是直流电机磁场的磁通量，由磁场电流提供。如果磁场电流不够，即使整流电流达到了额定要求，直流电机也无法输出额定的力矩，窑体无法按照设定的速度运行；如果磁场电流正常就要考虑窑体内部是否有堆料现象。

另外，在窑体停止运行较长时间后，重新启动会出现电枢电流过大，即使达到堵转电流（直流调速器设定的允许输出的最大电流），但窑体依然无法启动。此类情况基本是窑体带料停转较长时间后，窑体发生弯曲且窑内水泥料堆积造成的，需要设定低速同时传动电机运行。

（2）运行速度不稳，电机电流波动较大。

①先检查反馈环节，如果使用的是直流测速机反馈，检查测速电机的机械安装是否同轴，这样保证主电机的速度能够完整地反应到测速发电机上，能够给直流调速不失真的速度信号；另外，要检查测速机的转速与发电电压是否准确，测速发电机输出特性应该是线性的，随着速度的变化而线性变化。如果测速电机故障不能及时更换，建议通过DCS800的参数设定，将测速反馈更改为电枢电压反馈。由于水泥窑调速是恒定励磁调速，使用电压反馈也能正常工作。

②如电压稳定电流震荡大，可通过调节DCS800的速度调节器的比例和积分参数，可任调一个调整，使震荡趋势稳定。

③如还不稳定，要看所在负载特性是否正常，窑体内是否有堆料现象或机械部分的连接不稳固。

（3）故障报警。在直流调速器运行中可能会出现报警信号。ABB的DCS800直流调速器有完备的检测功能，在其运行中时刻检测设备的运行状态，当出现故障时直流调速会发出报警信号给中控系统，自我保护停机且在操作盘上显示故障类型代码，通过查找故障代码手册查找故障类型并加以排除。

6 使用体会

全数字的直流调速系统是一个系统工程，其内容涵盖较广，有进线电源变压器、进线开关、全数字直流调速装置、直流电机，与其配套的保护系统、中控系统等。全数字直流调速器虽然有专用的工作室，但水泥厂粉尘较多，所以在运行间隙要细心加以维护，比如电机要经常检查，及时更换碳刷并进行清扫等。