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水泥厂电力拖动初探

水泥厂电力拖动初探

2007/5/17 9:28:00
“水泥厂电力拖动”是使人们在深入了解电动机的运行特性、水泥生产设备的特点、水泥生产工艺要求的基础上,综合平衡包括供电系统在内各方面的要求,使水泥生产机、电设备的配套和运行合理化的学问。但是,到目前为止,还没看到过有关水泥厂电力拖动的专著。水泥工业的电力拖动系统存在着两大关键问题:其一是掌握主要的、典型的水泥设备在起动过程中阻转矩变化的动态特性数据,并据以改进电力拖动系统;其二是如何为生产设备选配额定功率恰如其分的电动机,并使新建厂投产后的实际电力负荷与设计时负荷计算的结果基本相符并且具有较高的需要系数。这2个问题都需要进行大量的测量和归纳、分析工作才能取得初步成果。本文介绍一些与此有关的体会。此外,本文提出几个概念性问题以便解释几个看似简单的常见误区。由于水泥厂中的电动机绝大多数都是异步电动机,所以在本文内容中除个别标明者外,皆指异步电动机。 1 电力拖动中几个容易被误解的基本概念   电力拖动中的基本概念在实际应用中存在着一些误区。例如,不少人根据电动机运行时的输入电流随负载轻重而改变大小的经验认为:“电动机起动电流的大小也取决于负载的轻重”;曾经有人用:“扛东西时有人帮忙抬一把,比自己直接从低处往起扛省劲儿”的体会认为:“用辅助传动装置先让磨机慢慢地转动起来,可以减轻主电动机的起动难度”。然而事实是,起动电流的大小与负载轻重无关。先开辅助传动反而会增加起动的难度。为了便于渐进地说明问题,先对电力拖动中几个基本概念做些提示。 1.1 静态和动态   “静态”是指电动机拖动负载运行在恒定转速时的状态。在这种状态中:   电动机的输出转矩=负载的静阻转矩   也就是说,在静态时电动机的输出转矩只取决于负载的轻重。“静阻转矩”系指与机组转动部分的惯性无关的负载阻力。   “动态”是指电动机拖动负载运行于加速、减速等转速变化的状态。在起动过程中:   电动机的输出转矩=负载的静阻转矩+使机组加速的加速转矩   在动态时,电动机的输出转矩只取决于电动机的固有机械特性。   掌握设备起动过程中静阻转矩变化数据是正确选择配套电动机的重要依据。要想测量设备在起动过程中负载静阻转矩的变化,除电动机的输出转矩之外,还必须同时测得使机组加速时的加速转矩。 1.2 硬特性和软特性    在电力拖动中,“硬特性”一般是指电动机的转速不受负载轻重变化影响的特性。比较典型的是同步电动机。通用的鼠笼型电动机、转子绕组被短接的绕线型电动机、直流并励和它励型电动机等在负载从空载到满载之间变化时,其转速变化都不大于1.5%~5.0%(大型电动机比小型电动机转速变化小),所以也被看作是具有硬特性的电动机。这类电动机的输入电流和输出转矩会随着转速的微小变化而急剧地升降。当负载的阻力超过它的最大转矩时,它就会“颠覆”,也就是转矩下降导致转速急速下降甚至停止转动,定子电流增大到堵转电流。如不及时切断电源,就会有烧毁电动机的危险。    这个概念可以引申到某些生产设备。例如,罗茨鼓风机的风量基本上与它的转速成比例,几乎不受风路阻力的影响,当风路阻力增大时,它就会自动增大风压以维持风量不变。如果风路阻力过高,而风机电动机的功率又不够,就可能过载。所以它是具有硬特性的恒流型风机。为了容易起动,起动时必须全部打开放风阀门。离心风机的风压受风量变化的影响较小,当风路阻力降低时,它就会自动增大风量,以减轻风压的下降。风路阻力过低就会因为风量过大而造成风机电动机的严重过载。所以可以看作是硬特性的恒压型风机。为了容易起动,起动时必须全部关闭风路中用以调节风量的阀门,尽量增大风路阻力。这两种风机的特点与电学中由稳压器构成的恒压源、由稳流器构成的恒流源颇为相似。    “软特性”一般是指电动机的转速随负载轻重的变化而大幅度变化的特性。也就是说,电动机的转速会随着负载的加重而明显下降。但是,它的输入电流和输出转矩则随着转速的降低而大致成比例的平缓上升,不易颠覆。具有高电阻鼠笼转子的电动机(起重机专用鼠笼型电动机、异步伺服电动机、力矩电动机等)和转子接有电阻的绕线型电动机、直流串励电动机等都属于软特性的电动机。专用的力矩电动机即使长期处于堵转状态也不会超过允许温升。    大部分水泥生产设备几乎都选配硬特性的电动机。软特性的电动机只用于起重运输设备和个别有特殊要求的地方。    硬特性和软特性是可能或可以互相转化的。例如,“电磁调速异步电动机”是由电磁耦合器同鼠笼型电动机组合而成的,电磁耦合器是典型的软特性电机,但是通过测速发电机和电子自动调节器控制它的励磁电流就使它成为既可根据需要调节转速,且转速又几乎不受负载轻重变化影响的硬特性电动机。    立窑煅烧系统中,保持风量的稳定是稳定窑内热工状态的重要因素之一,因而多采用具有恒流特性的罗茨风机作为鼓风设备。常采取控制放风阀门的方法调节风量,所以: 风机的输出风量=通过立窑的风量+放风风量    在风机选型时,为了顾及立窑最大风量及恶劣工况,往往将风机选的较大。如果采用放风阀调节进窑风量,有的窑有时需要放风30%~50%。这就不仅会增加电能损耗和噪声,更重要的是会使罗茨风机的风量特性大幅度软化。当立窑因某种原因导致窑内物料层的通风阻力增加时,就会把风挤向放风阀,迫使通过放风阀的风量增加,从而相应地减少了进窑风量。如果因为进窑风量的减少又会促使窑内物料密结的程度增加,就会造成通风不断恶化的恶性循环,进而严重影响立窑热工状态的稳定。    离心式鼓风机的风压比较稳定,但是它的风量受风路阻力的影响很大。从风量的角度看,它的特性更软。主张用“水泥立窑专用高压离心风机”取代罗茨风机的观点,强调了离心风机噪声和损耗小、系统简单和投资少等优点,唯独回避了离心风机风量特性软的关键性问题。《水泥》杂志1997年第1期有2篇文章探讨立窑用离心风机取代罗茨风机的可行性问题,这2篇文章都肯定了采用风量特性硬的罗茨风机对稳定立窑的热工状态有利。其中一篇文章强调了离心风机投资少、运行费用低、噪声低等优点,认为离心风机风量特性软的缺点可以用改变操作方法来弥补;另一篇文章特别提到:“风机应该为立窑稳产、高产、优产服务,而不是要求立窑生产适应风机性能”,认为水泥立窑不宜使用离心风机。然而,这2篇文章都忽略了采用放风的方法调节罗茨风机的风量会使其风量特性伴随放风风量的增大而大幅度软化,甚至不能明显体现相对于离心风机的优势。采用配备“变频调速器”等具有特性硬、效率高的可调速系统控制风机电动机的转速,用调速的方法调节风量,就能够充分发挥罗茨鼓风机风量特性硬和离心式风机的风压特性硬的特点。在风路的截面积不变时,风量与风速成正比,风压与风速的二次方成正比,则风机电动机的输出转矩也同风量的二次方成比例地变化,使得风机的功率消耗与转速的三次方成比例。图1说明风机采用不同调速方法的技术经济特点。从图1可知,用调速法调节风量虽然初期投资较高,但因节电效果好,所以节省的电费可以很快地抵消因为购买调速设备而投入的资金。
 图1 风机电动机的耗电功率特性曲线 图1 风机电动机的耗电功率特性曲线
1.3 电动机的过载能力和起动特性    在电动机处于停顿的状态下,给定子加上额定电压和额定频率电源时称为堵转状态,堵转时的输出转矩称为“起动转矩”,定子电流称为“起动电流”。    为了保证电动机能够稳定运行,要求其要有一定的抗过载能力。表达电动机过载能力的参数是最大转矩,即临界转矩。一般最大转矩约为额定转矩的2倍左右。    电动机在旋转时会因为转子切割磁力线而产生反电势,它的转速会随负载的轻重产生不同程度的下降。转速下降使反电势下降,导致输入电流随负载的加大而增大。但是电流的大小同负载的轻重不是线性关系,轻载时电流的下降会明显减小。    人们往往根据电动机静态运行时其输入电流在一定范围内随着负载轻重的变化而变化的现象,主观地认为它的起动电流也应该随着负载起动的难易而变化。实际上这是一种误解。因为在电动机的转子不转,亦即转速等于零的堵转状态下的反电动势等于零,所以电动机起动电流的大小只取决于电动机的内部电阻(直流电动机)或阻抗(交流电动机),与负载的轻重无关。但是,起动静阻转矩和惯性较大的负载时会延长机组的加速时间,从而增大加速过程中大电流的持续时间。如果用量程稍大于电动机额定电流的电流表测量电动机起动时的定子电流,就会因为轻载和重载起动时表针停留在刻度终点的时间明显不同,使人产生重载起动时电流较大的印象。只有用量程够大,反应快速的示波器才能测量到正确的结果。    处于堵转状态的直流电动机,它的内部电阻包括电枢绕组电阻、与电枢串联的励磁和补偿绕组电阻、电刷电阻和电刷与换向器间的接触电阻等。因为这些电阻都很小,如果起动时直接加上额定电压,就会因为起动电流过大而使电动机受到损伤。所以,一般都采取在电枢电路中串接限流电阻或降低电源电压的方法限制过大的起动电流。    处于堵转状态的交流电动机,可以把它看成是一台空载电流和漏感都比较大,次级短路时初级电流也不会过大的变压器。鼠笼型电动机的堵转电流可达额定电流的4.5~7倍。绕线型电动机则可用改变接在转子上的外接电阻的方法改变它的堵转电流。 1.4 异步电动机的机械特性    异步电动机在外加额定电压运行时的各项参数的变化如图2。图2a的曲线1是在转子绕组被短路时自然特性曲
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