0 引言

        2000t/d回转窑水泥干法生产线主要采用直流电动机拖动。近年来，随着2000t/d改造成2300t/d技术的日益成熟，许多企业纷纷进行了此项技术改造。但改造后，根据投料量增加、薄料快烧的特点，工艺上对窑速提出了新的要求：即窑速必须从原来的最大3.2r/min，提升到3.6～3.8r/min。机械上直接改造齿轮传速比是一项比较理想的解决方案，但费用较高(如浩良河水泥厂)；更换主电动机及减速机更为彻底，但费用也更高（如江西万年青水泥股份公司）；如果电气上能实现升速，将会节省大量的开支和时间。在直流电动机的控制中，超额定转速运行只能用减弱磁通，但同时也降低了电动机堵转转矩的方法达到。针对这个课题，我们组织攻关小组进行了深入的研究，2002年9月终于取得了满意的效果。

1 直流电动机及控制系统的介绍

        我公司2300t/d的Φ4m×60m窑主传动系统由2台Z2－102、125kW直流电动机串联拖动。  

        控制系统采用英国Eurotherm传动装置有限公司的590系列控制器，设备型号为599，其输出电流最大1100A,输出电压最大660V，输出励磁电流最大30A，励磁电压最大500V，软件版本号为4.1。外围设备由上海整流器总厂设计配备。电动机设计参数是：额定电压220V，额定电流635A，励磁电压220V,额定转速1500r/min,599控制器设定输出是：额定电压450V，额定电流1100A，励磁电流10A。

        590系列控制器是作为安装在标准箱内的配套控制设备部件而设计的，同其他直流传动系统相似，主要由电流环和速度环组成三相全控桥双闭环调速或电枢三相全控桥反并联可逆调速系统。其控制方式采用数字化、16位处理器控制，系统中的速度调节器、电流调节器、给定积分环节及励磁控制等以程序形式存储。

2 弱磁调速的依据

    1)如果机械性能允许，Z2－102型电动机弱磁升速的范围一般可达额定转速的2～3倍。为满足窑速提升要求，电动机转速须从1500r/min升至1770r/min，是提速前的1.18倍，相对提速范围较窄，完全适合弱磁升速。

 改变电枢电路串联电阻Rc，电源电压U和主磁通Ф三者之中任一个参数都可以改变电动机的机械特性。因此直流电动机调速可以分为3种方式：①电枢回路串联电阻调速；②降低电源电压调速；③弱磁调速。其中，前2种方式只能将电动机转速由基速(额定转速)往下调，而弱磁调速则可以将电动机转速由基速往上调。由图2可以看出弱磁调速的过程：磁通减弱前，运行在a点。此时电动机的磁通为Ф₁ ，转速为n₁，转矩为M_Z，相应的电流为Ia(Ia=Mz／CmФ₁)，磁通减弱为Ф₂后。由于电动机的转速n来不及变化，电动机的反电势E将随Ф之降低而降低，这样电枢电流I增大，I增大的相对数量比Ф下降的相对数量大，所以电动机转矩增大，M＞Mz使系统加速，n由n₁开始上升，n的不断上升使E由开始的下降经某一最小值逐渐回升，I及M由开始的上升经某一最大值逐渐下降，直到M下降到M=Mz时，系统又达到新的平衡，运行在b点，此时转速为n ₂实现了弱磁升速。

    减弱磁通的方法可以通过在励磁回路中串接电阻来降低励磁电流，或降低励磁电压来实现。我厂采用降低励磁电流的方法来减弱磁通。

    在实际应用中，为了获得更大的调速范围，我们常常把降压和弱磁这两种基本调速方法结合使用，我公司回转窑调速就是这种模式：在基速以下，调节电枢电压降速，基速以上则调节励磁电流升速。

3  590系列控制器对弱磁调速的支持

3．1  硬件支持

    590系列控制器能提供一个恒定的直流电源给电动机励磁线圈，如需要超速运行或恒功率输出，可选用有调节功能的磁场电源，它是带有瞬态与过流保护的一个单相半控晶闸管桥组成的。

    该调节回路可提供0～30A的可调励磁电流，电动机在基速时励磁电流设定为1OA，如进入弱磁状态，励磁电流可在最小设定电流和10A之间调整。

3．2  软件支持

    599控制器提供了一套弱磁调速程序及相关参数参考设置方法，可以方便地进行设置调整。

4  相关参数与设置

    正常起动后，调节模拟输入信号使回转窑速度增加，当电枢电压调至90％Ue时，列出和弱磁控制相关的参数如下：由调压方式转入调节励磁回路的电流值来调节窑速，实现弱磁调速的目的。90％Ue时就进行弱磁调速，避免了电流过大问题。

    P170：励磁启动。励磁启动可以使励磁电流形成闭环控制，系统预置启动。此项无需修改。

    P209：励磁控制方式。599控制器有电压控制和电流控制两种方式，其中电压控制为开环相位角控制，电流控制为闭环电流控制，系统预置电压控制。由于消弱磁场控制对励磁电流的变化要求比较严格，因此此项设置应改为精确的闭环电流控制。

    P171：励磁电流变量。励磁电流的多少应视所使用电动机的要求来设置，系统预置100％。我们试验后设定为33．3％。

    P172：积分增益。此项为励磁电流PI回路积分调节项。系统预置1.28。为防止系统过于灵敏，可增大设置为2.30。

    P173：比例增益。这是励磁电流PI回路的比例增益调节项(实际增益为10)，系统预置0.10。为了增加系统的稳定性，开始时暂设为0.05。

    P174：磁场弱磁启动。系统预置禁止，应改设为启动，以使磁场削弱控制用的电动机附加反电动势PID回路开始工作。

    P175：电动势超前(T1)。它是磁场削弱PID回路的超前时间常数项，系统预置2.00(200ms)，我们设置为5.00。

    P176：电动势滞后(T2)。是磁场削弱PID回路的滞后时间常数项，系统预置40.00(400ms)。一般应设置为“电动势超前”的10～50倍，该项设置修改为100.00。

    P177：电动势增益(KP)。PID回路的增益调节项，系统预置0.30(有效增益为30)。该调节项的设置是观察着电枢电压反馈对过冲和稳定时间的变化而完成的，一般在0.20～0.70的范围内，如果太大会引起不稳定，太小又会引起稳态误差增大，该项暂保持系统设置。

    P179：最小励磁电流。弱磁回路降低励磁电流，以完成基速以上的速度控制，最小励磁电流应设置在要求的最高转速时，励磁电流达到的最低值之下，系统预置10％。该参数的设置关系到设备的安全问题。它的确定由实验来获得：在未进入弱磁调速之前，在线调整励磁电流变量，并观察窑的转速，使之缓慢升到所需的转速，此时的励磁电流便可作为最小励磁电流。经试验，我们设置为25％，即7.5A。但该项参数不能低于6％，否则会引起“励磁故障”报警。

    P178：最大电压。它是弱磁开始的电压电平，系统预置100％，此数值的设置一般根据所要求的转速和所带负载的性质来调节，水泥回转窑要求的升速范围一般不大，且负载很重，根据我们的经验，一般设置在90％～97％为宜。

   P191：反向电动势反馈超前。这是反电动势反馈滤波器的超前时间项，系统预置lOOms。在通过基速快速加速，从而以较高的速率增加反电动势时，增加反电动势反馈超前／反馈滞后的比率，可使励磁提早开始减弱。但这个比率不可超过2～3倍，否则会不稳定，我们预设230ms。

    P192：反向电动势反馈滞后。这是反电动势反馈滤波器的滞后时间项，系统预置lOOms。此项参数可以不予修改。

5  调试过程及问题处理

    1)电气、机械工程师到现场监察设备运行状况。

    2)检查599控制器上插入式插件板上的所有校准电阻，记录原有设置参数，以防调试失败便于恢复原有方式。通过检查，我们发现改弱磁方式前，有1台599控制器的电枢电压偏低(423V)，电动机转速只有1460r／min左右。通过调节电枢电压也只能升到425V。为了提高基速，尽量控制励磁电流不至于降得太多，通过计算，我们更换了校正电阻R8、R9，将其由原来的44kΩ，通过实验更换为46kΩ，使电枢电压输出100％的情况下达到450V。这一改动会降低速度反馈报警值，但不影响设备的安全性。

    3)参数按照上述设置调节完毕后，通知操作员升速。当恒磁调压使速度达到基速时，检查电动机电压是否正确；当速度超过基速时，观察电枢电压是否保持恒定，而励磁电流下降；逐步提高到最大速度，同时监视最大速度下的电枢电压，用测速仪现场测量修正转速和最小励磁电流设定值。

    4)当进入弱磁升速状态时，我们发现电枢电压没有过冲现象，非常稳定，但励磁电流在调节时响应速度和幅度变化太大，以致于窑速的波动范围过宽，一直在3.5～3.8r／min之间振荡。将反电动势反馈超前、滞后同设为lOOms，同时调小励磁电流PI项中的P173比例增益项为0.03，调大P172积分增益项为3.00。经过调节，窑速波动有了明显的减弱。后根据设备说明书的提示，我们将速度控制由电枢电压反馈改为模拟测速仪反馈，速度稳定性有了进一步的改善，完全可以满足生产工艺的需要。

    5)弱磁升速最让人担心的问题是“飞车”现象的发生，经过分析和调试，我们认为这种现象在599控制器上一般不会发生，因为它的保护相当完善，不但有超速报警，还有磁场故障报警，一旦励磁电流低于6％或磁场开路，设备立即跳脱。

弱磁调速前后的参数对比如表1。

表1  弱磁调速前后的参数对比

6  效果

    回转窑弱磁提速以后，窑速由原来的3.2 r／min升到了3.8r／min，熟料产量由改造目标的2300t／d升至2500t／d，熟料合格率也有了进一步的提高。事实证明这种方法可行又经济。

参考文献：

[1]  陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版杜，1999．

[2]  冯畹芝．电动机与电力拖动，北京：中国轻工业出版社，1998．

[3]  李法海，等．电动机与拖动基础．北京：中央广播电视大学，1997．

单位：鲁南水泥有限公司