一种能量馈送装置及其在水泥熟料破碎机中的应用_一种能量馈送装置及其在水泥熟料破碎机中的应用张承慧_

一种能量馈送装置及其在水泥熟料破碎机中的应用

2007/1/19 9:10:00

[摘要]：传统水泥熟料破碎工艺控制方式电能浪费现象十分严重，对其进行变频改造又存在因破碎机惯性大而引起的制动时产生泵升电压等难以解决的问题。首先设计了一种新型能量馈送装置，利用电网馈电技术回收水泥熟料破碎机制动过程中的再生能量，解决了泵升电压造成的变频器无法正常工作的问题，然后设计了PLC系统，实现了破碎机的变速、间歇运行。应用结果表明，系统运行可靠，节电效果明显。因而新系统具有较好的推广应用价值。关键词：变频调速能量馈送水泥生产破碎机 1 引言破碎和粉磨是水泥工业中必不可少的工艺过程，也是其生产环节中的耗能大户。在粉磨工艺中，球磨机人磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了人们的广泛关注。企业在选用破碎机时一般留有一定裕度，这是确保安全生产所必需的。然而，从节能降耗的观点看，留有裕度本身就能导致浪费，特别是会使得运行中电耗增大。在破碎机工作过程中，由于板式或皮带喂料机上原料大小及堆放极不规则，且随机性很大，难以实现闭环控制。在传统的熟料破碎过程中，由于缺乏灵活智能的控制装置，致使本应低速、间歇运行的破碎机通常处于工频恒速连续运行状态，造成电能的巨大浪费，同时影响电机和破碎机的使用寿命。利用变频调速技术对系统进行改造是节能降耗、改善控制性能的重要途径。然而，由于破碎机具有相当大的惯性，不宜频繁启停，所以直接使用变频器必须解决系统制动时泵升电压过高引起保护电路动作的问题。本文设计了一种新型通用变频器能量馈送装置，并将其用于破碎机变频拖动系统中，有效回收电能，限制泵升电压，同时利用变频器实现破碎机的调速控制和软启动；还设计了PLC系统，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行，从而在改善工艺控制质量的同时，最大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，能量馈送装置设计合理，整个系统运行可靠。新装置用于水泥熟料破碎机拖动控制系统中，其节电率可达46％以上。 2 主电路结构和基本工作原理通过有源逆变的方法将再生能量及时高效地馈送到电网里，则既节能降耗，又可解决泵升电压的问题，拓宽通用变频器应用范围。能量馈送装置的主电路结构如图1所示。它主要由三相IPM逆变桥和相关外围电路组成。

逆变桥的输出端通过3个扼流电抗器L₁，L₂，L₃与变频器输入端子R，S，T相连，输入端通过两个隔离二极管D₁，D₂接变频器的直流侧P，N端，以保障能量在变频器→有源逆变桥→电网方向上的单向流动。图1中，C₃，C₄为滤波电解电容，R₃，R₄为电容均压电阻，R₅为电容充电限流电阻，J₂为用于切除限流电阻的继电器。扼流电抗器L₁，L₂，L₃的作用是平衡压差、限流以及滤波。霍尔传感器H负责检测馈送电流，为系统实现馈送电流控制提供准确可靠的反馈信号。其工作过程是：当电机电动运行时，逆变器开关管V_T1～V_T6全被封锁，处于关断状态；当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧馈送直流侧，导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时，整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压V_DLH时，逆变器开始工作，将能量从直流侧馈送电网。当直流母线电压下降到关闭逆变器工作电压V_DLL时，关闭逆变器。 3 控制电路设计能量馈送的本质是有源逆变，主要目的是将电动机制动时转子部分能量馈送到电网中实现节能，尽量避免对电网的污染。一个完善的能量馈送控制系统应满足相位、电压、电流等3方面的控制条件，即要求馈电过程必须与电网相位保持同步关系；只有直流母线电压超过一定值时才启动有源逆变装置；系统应该能够控制馈送电流的大小，从而控制电机的制动转矩，实现精密制动。系统控制回路组成如图2所示。控制电路除核心微处理器控制电路外，主要包含同步电路、交直流电压检测、电流检测和故障检测与保护电路等部分。各检测及保护信号送微处理器处理生成SPWM控制信号驱动有源逆变桥功率器件IPM，以实现单位功率因数正弦波电流馈送。

3．1 同步电路同步是实现有源逆变的基础和关键。对于能量馈送系统，所谓同步就是要使馈送电网的电流与电网电压同频反相，以实现单位功率因数馈电。馈电不同步轻则造成无功电流增大，污染电网，重则使系统产生环流，甚至损坏功率器件。本系统采用的同步检测电路如图3所示。电网交流信号经同步变压器降压，用比较器LM339及外围部件组成的过零检波器把交流信号转换为同频率的方波信号，该方波信号经隔离整形送入微处理器系统，作为有源逆变输出的参考，由程序处理控制有源逆变启动及输出，达到输出与电网同步。

3．2 电压检测电路电压检测电路分为直流电压检测和交流（电网）电压检测电路。直流电压检测电路见图4。利用精密线性光耦HCNR200把母线电压变为弱电信号，送到单片机系统完成以下控制任务：当电动机工作于发电状态且使直流母线电压U_D超过设定值U_DLH时，起动逆变器，迫使U_D回落；当U_D小于另一设定值U_DLL后再关闭逆变器。交流电压检测采用变压器降压加精密整流滤波的方案。理想的控制方法是交流侧电压值实时参与U_DLH和U_DLL设定，即根据电网电压波动调整U_DLH和U_DLL的值，但考虑到这样会增加控制的复杂性，本系统采用了固定的U_DLH和U_DLL。为避免逆变器在设定点附近频繁启停，电压控制采用滞环控制方式，即U_DLH＞U_DLL。

电动机发电状态结束后，必须关闭逆变装置，因此U_DLL要大于电动状态时可能出现的最高直流母线电压U_DM。设三相电网电压波动为＋15％～－15％，则经整流后，直流母线上可能出现的最高电压为

滞环宽度设为40V，故可以设置U_DLH＝660V，U_DLL＝620V。由于篇幅限制，其他各部分电路在此不详述。 4 水泥熟料破碎粉磨工艺水泥熟料破碎粉磨工艺如图5所示。

熟料出窑后由输送机送入熟料库，熟料、混合材料、石膏按重量配比后先入磨前提升机，再输送到回转筛。回转筛筛余粗粒入立式反击式破碎机，破碎后的物料再入提升机。回转筛筛下的细粒则入水泥磨机。成品从旋风式选粉机细粉出口入成品库。立窑每放料一次，经位于窑口的远红外测料仪检测后，启动链式输送机输送物料2～3min，间隔2～3min后开始下一次放料和送料。传统的熟料破碎机由工频电源直接供电，在立窑不放料时则处于空转状态（空转率达50％），浪费大量能源。再者，由于破碎机运行速度过高，即使放料时也存在严重的能源浪费。由于破碎机具有相当大的惯性，直接采用通用变频器改造面临不能实现再生能量回收的问题，致使泵升电压过高引起变频器保护电路动作。这里采用能量馈送装置成功地解决了这一问题。 5 水泥熟料破碎机拖动控制系统水泥熟料破碎机拖动控制系统主要由变频器、能量馈送装置、可编程控制器PLC等组成。 1）变频器及能量馈送装置。水泥熟料破碎机属于大惯性、近似恒转矩负载，对变频系统有特殊要求。保留原交流电机，选用FRN37G11S-4CE型恒转矩负载专用通用变频器，它具有转矩矢量控制、转差补偿、电压AVR自整定以及负载转矩自适应等一系列先进功能，在无速度传感器的开环运行条件下，采用磁通矢量控制和电机参数自动测试等功能后，其调速性能达到甚至高于直流调速系统性能。由于水泥立窑放料是间歇运行状态，而且破碎机属大惯性负载，因而存在着调速装置制动时产生的再生能量的处理问题。采用前文所述的能量馈送装置，可进行连续的再生制动，相对传统的电阻制动方式，可大大节省空间，安装场所的自由度大，而且制动产生的热量也大幅度减低。变频系统接线原理如图6所示。变频器和能量馈送装置的具体连接方式可参照图1。所有动作都由PLC控制。J₁₀为能量馈送装置内部故障继电器常闭触点，当能量馈送单元出现故障时变频器THR端子置OFF，可瞬间封锁U，V，W输出，经PLC产生系统故障联锁和报警。