拉法基尼日利亞項目使用了如下施耐德電氣變頻器產(chǎn)品:
柜式變頻器ATV61/71：315-1800kW、690V：6臺
標(biāo)準(zhǔn)變頻器ATV71：0.75-200kW、380V：22臺
軟啟動器ATS48：110-315 kW、 380V：20臺
一、背景介紹
拉法基(Lafarge)集團(tuán)是世界著名的建材生產(chǎn)商，在水泥、混凝土與骨料、石膏建材和屋面系統(tǒng)四大產(chǎn)品領(lǐng)域位居世界前列，作為世界建材行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，其四個分支在業(yè)內(nèi)均位處前列：水泥和屋面系統(tǒng)位居世界第一、混凝土與骨料位居世界第二、石膏建材位居世界第三. 集團(tuán)成立于1833年，總部在法國，企業(yè)分布于80多個國家，員工總數(shù)超過80000名。拉法基集團(tuán)和施耐德電氣公司有著良好的合作關(guān)系，特別近年來，施耐德電氣變頻器在拉法基水泥廠得到了廣泛應(yīng)用。
圖1 水泥廠夜景
在變頻器還未大量使用前，回轉(zhuǎn)窯主傳動一直使用直流調(diào)速。但直流調(diào)速電路復(fù)雜，維修難度大，操作繁瑣，特別是直流電動機(jī)在溫度高、粉塵大的惡劣環(huán)境中運(yùn)行，其電刷、換向器損壞頻繁，需經(jīng)常維護(hù)，對工廠維護(hù)帶來較大成本。近年來隨著變頻器控制技術(shù)的成熟與普及，加上交流電機(jī)維護(hù)簡單，回轉(zhuǎn)窯主傳動愈來愈多的采用交流變頻調(diào)速。
近期，在尼日利亞新投資的一個水泥廠中，拉法基采用施耐德電氣雙變頻拖動回轉(zhuǎn)窯雙主電機(jī)，獲得了良好的運(yùn)行效果。
二、回轉(zhuǎn)窯傳動原理與控制要求
水泥回轉(zhuǎn)窯是對物料進(jìn)行煅燒的大型設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料流是通過改變回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速來控制的，物料流的燒成帶溫度又與回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速有一相應(yīng)的關(guān)系，所以調(diào)速系統(tǒng)的好壞，將直接影響回轉(zhuǎn)窯的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量。
負(fù)載具有如下一些特點：啟動時原料處在窯內(nèi)正下方，整個窯體及原料的慣性極大，所以要求傳動電機(jī)和變頻器啟動力矩極大，因此，啟動加速過程是一個克服大慣量負(fù)載慣性的過程;當(dāng)然一旦啟動過程結(jié)束，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的所需力矩就大大降低了。所以在選擇電機(jī)和變頻器時要考慮兩個因素，既要有足夠的過載能力保證啟動順利，又要不能功率選擇太大，造成正常運(yùn)行時過于大馬拉小車，能耗和一次性投資加大。
與此同時，隨著窯體直徑、窯長度的不斷增加，為避免單臺減速機(jī)、電機(jī)配置配置過大帶來的設(shè)備選型、投資、安裝等不利因素，現(xiàn)在多采用雙電機(jī)驅(qū)動。這就需要兩臺變頻器分別拖動兩臺電機(jī)，兩臺電機(jī)分別通過減速機(jī)共同驅(qū)動同一個傳動齒輪。這就要求兩臺變頻器控制要出力大小、作用在齒輪上的驅(qū)動力方向要相同，不能出現(xiàn)一臺出力大，造成其中一個電機(jī)長期過載，降低使用壽命;極端情況下一臺被拖動運(yùn)行，輸出力矩方向相反，損壞齒輪箱。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯采用雙電機(jī)、雙變頻器驅(qū)動時，一般控制方法有兩種：
1、主從控制：一臺作主機(jī)進(jìn)行速度控制，另一臺從機(jī)接受主機(jī)力矩輸出作為自身力矩給定，自身作力矩控制，實現(xiàn)速度跟隨，平衡出力的效果，在這種控制方式下，為獲得精確的力矩控制效果，一般要求電機(jī)加編碼器實現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。
這種控制模式的優(yōu)點是速度控制精度高。缺點是動態(tài)過程中從機(jī)力矩調(diào)整較慢，負(fù)載跟隨性較差，容易造成主機(jī)加減速過程中過載，同時需要編碼器隨電機(jī)安裝在室外平臺上，受環(huán)境及振動等因素影響，編碼器容易損壞。
2、利用電機(jī)自然特性，調(diào)整滑差補(bǔ)償：兩個變頻器均運(yùn)行在速度模式下，各自根據(jù)變頻器自身力矩、電流大小，改變滑差補(bǔ)償，輸出力矩大的電機(jī)，減小滑差補(bǔ)償使電機(jī)降速，從而減小輸出力矩，反之，輸出力矩小的電機(jī)，加大滑差補(bǔ)償使電機(jī)升速，使它承擔(dān)更多的負(fù)載，在動態(tài)中達(dá)到負(fù)荷平衡。施耐德電氣ATV71變頻器已內(nèi)置負(fù)荷平衡功能，達(dá)到自動根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)滑差補(bǔ)償?shù)拇笮。趯嶋H應(yīng)用中取得了滿意的控制效果。
這種控制模式的優(yōu)點是不需編碼器，加減速響應(yīng)快，缺點是由于隨時調(diào)整滑差補(bǔ)償，導(dǎo)致速度輸出與給定有細(xì)微的差別，即速度精度有所降低，但完全滿足回轉(zhuǎn)窯速度控制的精度要求。
三、傳動系統(tǒng)解決方案
1、配置方案及系統(tǒng)原理圖
現(xiàn)場回轉(zhuǎn)窯配置兩臺電機(jī)，每臺電機(jī)配置一臺變頻器。
窯主雙驅(qū)動電機(jī)參數(shù)：(兩臺)
型號: YVF450-6 TH
額定功率:630KW;
額定電壓: 690V;
額定電流: 652A;
額定頻率：50HZ;
根據(jù)回轉(zhuǎn)窯負(fù)載特點，要求變頻器選擇恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用變頻器，并要求過載2倍以上，并考慮到電機(jī)功率比較大，為有效降低諧波污染，要求選用12脈沖整流方式，根據(jù)上述要求，我們選用施耐德電氣ATV71系列恒轉(zhuǎn)矩12脈沖整流柜式變頻器，其過載能力為1.5倍電流維持1分鐘。
變頻器參數(shù)：(兩臺)
型號：ATV71EXA2M10Y-S459
額定功率:1000KW;
額定電壓: 690V;
額定電流: 1010A;1010*1.5/652=2.32>>2
額定頻率：50/60HZ;
變頻器設(shè)置本地控制，現(xiàn)場就地控制和中控室遠(yuǎn)程控制。其中本地控制借助于安裝在柜門上的控制面板，完成柜門操作起停、復(fù)位、加減速和參數(shù)調(diào)整;現(xiàn)場就地操作利用現(xiàn)場電機(jī)旁的操作箱，操作起停、加減速按鈕，由中控室采集信號，處理后通過通訊方式控制變頻器速度，I/O硬接線控制起停。中控室遠(yuǎn)程控制是在中控室控制界面上直接操作，再通過通訊方式控制變頻器速度，I/O硬接線控制起停。通訊方式采用Profibus-DP總線協(xié)議，組合模式為I/O模式。
2、控制要點的實現(xiàn)
1)雙電機(jī)負(fù)荷平衡控制
兩臺電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)和窯體傳動齒輪耦合后，實際上在機(jī)械上已達(dá)到嚴(yán)格的速度同步，這時運(yùn)行中要求變頻器嚴(yán)格控制每個電機(jī)出力平衡尤為重要，這是保證正常工藝生產(chǎn)的前提，現(xiàn)場客戶沒有配置電機(jī)編碼器反饋，所以選用ATV71固有的負(fù)荷平衡應(yīng)用功能，方便的實現(xiàn)了雙電機(jī)直接齒輪連接下的負(fù)荷平衡控制。
2)大力矩、小沖擊啟動
針對回轉(zhuǎn)窯大慣量的特點，要求低速啟動力矩要大，啟動平穩(wěn)，我們設(shè)置變頻器控制模式為電壓矢量控制方式，合理設(shè)置最低輸出頻率，借助ATV71優(yōu)越的低速性能，適當(dāng)加大加減速斜坡時間，獲得了極好的控制效果。
3)動態(tài)過程中的直流母線電壓波動
由于窯體慣量過大，在加減末端，減速過程中、動態(tài)調(diào)整過程中經(jīng)常出現(xiàn)窯體憑借自身慣量拖動電機(jī)，使電機(jī)過渡到發(fā)電狀態(tài)，而回轉(zhuǎn)窯是單相旋轉(zhuǎn)，起停快速性無特殊要求，一般不配置制動單元、回饋單元等能量回饋裝置，這時變頻器直流母線電壓急劇升高，很可能觸發(fā)過壓、超速等故障，所以要盡量延長加速時間，并激活減速斜坡自適應(yīng)功能，使變頻器根據(jù)母線電壓自動調(diào)節(jié)減速時間，有效避免了過壓、超速等故障。
3、ATV71應(yīng)用的優(yōu)勢
回轉(zhuǎn)窯雙電機(jī)傳動采用ATV71變頻器，其優(yōu)異的產(chǎn)品性能得到了充分體現(xiàn)：
1)重載應(yīng)用，150%額定電流過載1分鐘，保證了變頻器和電機(jī)有足夠的力矩輸出;
2)ATV71應(yīng)用功能-負(fù)荷平衡保證兩臺電機(jī)運(yùn)行中出力均衡，無需主從控制。
3)優(yōu)越的低速控制性能
4)12脈沖整流有效的降低了變頻器諧波。減小了對電網(wǎng)的污染
四、結(jié)束語
在目前回轉(zhuǎn)窯驅(qū)動系統(tǒng)中，直流調(diào)速系統(tǒng)越來越多的被交流傳動系統(tǒng)所取代，各個變頻器廠家都在搶占這個領(lǐng)域，此次施耐德電氣變頻器在此項目上的成功應(yīng)用，特別是雙電機(jī)傳動控制，必將會使我們的變頻器在這一領(lǐng)域獲得更多的應(yīng)用，大大提高我們變頻器在拉法基集團(tuán)的地位。