摘 要：本文分析了電廠鍋爐制粉系統的稱重給煤機工作原理及過程，著重闡述了應用羅克韋爾PowerFlex40變頻器實現對給煤機的驅動控制，實踐表明它在電廠工作環境對給煤機整體性能及驅動部分控制水平的提高起到了關鍵的作用。 關鍵詞：稱重式給煤機、失量控制、主燃料跳閘、傳動控制 一，引言 　　稱重式給煤機是專用于電力行業燃煤鍋爐制粉系統和其它行業工業鍋爐的煤粉連續定量供給，當前電廠燃煤機組一般都采用中速磨煤機一次風機正壓直吹式制粉系統，每臺爐配6臺中速磨煤機和6臺給煤機，5臺運行，1臺備用。給煤機能實現連續均勻地給煤、準確可靠地計量，在整個給煤機運行過程中，對物料進行精確稱量，并顯示給煤量瞬時值、累計量并可根據鍋爐燃燒控制系統的指令，自動無級、快速、準確的調節給煤機出力，使實際給煤量與鍋爐負荷相匹配。 　　給煤機一般采用全封閉圓筒式結構，能在很大的負荷變動范圍內改善鍋爐性能，使鍋爐溫度和壓力溫度的控制更為穩定，使燃料與所需空氣量更為匹配。給煤機主要包括給煤機本體、傳動部分、各種安全保護裝置、測速裝置、稱重傳感器、流量積分控制器、安全回路控制器及調速控制器，其中的傳動控制包含驅動電機、測速裝置和變頻調速控制部分，它們的性能、保護功能和可靠性對給煤機整體性能起著至關重要的作用，它直接影響著鍋爐制粉安全可靠的運行。給煤機作為燃煤鍋爐制粉系統主機設備與電廠的附機配套設備相比在功能安全性上有著更高、更嚴的要求。 二，給煤機工作原理 　　在燃燒控制過程中，稱重式給煤機通過進口溜槽接受來自上部料倉的原煤，并通過皮帶輸送機向下一級磨煤機設備進行輸送，安裝在輸送皮帶下的稱重橋架將煤炭的重量實時傳送給高精度應變片式稱重傳感器，稱重傳感器測量皮帶上煤的單位長度的重量送入給煤機控制儀表，安裝在尾部滾筒上的測速傳感器實時測量皮帶速度，該速度脈沖輸出頻率正比于皮帶速度，同時送入儀表，速度信號和重量信號送入控制儀表進行乘法運算處理，計算產生出瞬時流量，同時完成對時間段中的瞬時流量積分，得出給煤的累計重量。儀表還將稱重托輥上煤的瞬時流量與設定的給煤流量進行比較和PI調節，從而產生控制輸出信號到變頻器來改變給煤機的驅動速度，使給煤機上的煤炭流量隨給定要求而發生變化，接近并保持所設定的給煤流量，從而實現定量給煤的目的。另外在給煤機的進出料口配有高溫隔離閘門，以防止熱風的回流，為安全生產和檢修提供方便。 　　給煤機驅動采用電動機變頻調速方式，而交流變頻器以其調速精確、控制成熟、使用簡單、保護功能齊全等優點逐步代替傳統的滑差調速控制裝置而在電廠給煤機上得到廣泛應用。其工作原理如圖1所示 [align=center] 圖1 工作原理[/align] 三，給煤機驅動控制方案 　　1，Powerflex系列簡介 　　Allen-Bradley公司的Powerflex系列變頻器主要含Powerflex4和Powerflex7兩大系列，其中PowerFlex 4系列交流變頻器是PowerFlex家族中尺寸最小且高效率的成員，它設計緊湊、節省空間，給用戶提供了強大的電機轉速控制能力，其最大起動轉矩可達150%的電機額定轉矩;可變的PWM允許變頻器在低頻下輸出更大的電流和轉矩，數字PID功能提高了應用的靈活性，計時器、計數器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設計成本并簡化控制方案。PowerFlex4系列變頻器包括三種產品PowerFlex4、PowerFlex40和PowerFlex400。它們是設備級速度控制的理想產品，提供多樣性應用，滿足了全球OEM和最終用戶對于靈活性、節省空間和使用方便的要求。它們同樣可以作為機械工具、傳送機、水泵和物料處理系統中速度控制的廉價替代品，總之，Powerflex40系列高性能矢量變頻器的精巧設計可較理想地滿足給煤機高性能的傳動要求。另外Powerflex系列的前一代產品AB 1336 PLUS II變頻器在電力行業也得到了廣泛的應用并具有很高的電力市場占有率和很好的口碑。 　　給煤機驅動電氣控制原理圖如下圖2所示： [align=center] 圖2 電氣控制原理圖[/align] 　　2，控制功能描述 　　Powerflex40是采用矢量轉矩控制技術的新一代交流變頻器，能實現在沒有編碼器或測速機反饋的條件下，精確控制鼠籠電機的速度和轉矩。可適用于：傳送帶;泵類;風機類;攪拌器;提升機;卷取機;離心機;擠壓機等場合。 　　矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的，無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發展而來的，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數，按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。Powerflex40變頻器中已經具備異步電動機參數自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制，改善異步電動機控制常數的調節及與機械系統匹配的適應性控制性能的技術。 [align=center] 圖3 Powerflex40矢量控制結構圖[/align] 　　稱重式給煤機其傳動部件主要由輸送皮帶和減速電機所組成，作為典型的恒轉矩負載，采用無速度傳感器矢量控制可確保給煤機調速平穩、精確，動態特性得到改善，有效地消除了機械滯后所引起的系統誤差，確保了在低速、小流量狀況下的穩定性、高轉矩輸出和計量精度，并且大大延長了產品的生命周期，保證了給煤機長期可靠安全運行，這些特性是以往給煤機所采用V/F控制方式所無法完成實現的。采用Powerflex40矢量控制技術的稱重式給煤機其特點主要表現如下： 　　●給煤機帶負荷啟動特性得到改善并實現高轉矩零轉速的平穩啟動，完全滿足鍋爐制粉系統帶重載荷啟動的工藝要求，其自整定功能使Powerflex40交流變頻器能夠適應不同種類電動機的特性，從而使其達到最佳的匹配效果。 　　●給煤機工作可靠性和穩定性大大提高、機械及皮帶磨損降低至最小極限，延長了給煤機整體使用壽命。 　　●成熟的控制和功率器件技術使給煤機轉速跳躍、飛車故障和失速現象徹底杜絕，電磁兼容性能也得到很大改善，完全通過EMC電磁兼容標準89/336/EEC和EN61800-3要求，對電機的綜合保護功能也有所增強完善。 　　●變頻器避免了因轉速忽快忽慢引起給煤機煤量不穩定及撒煤堵煤現象，使給煤機控制速度響應時間得以保障，特別是對給煤量的波動得以有效的控制（小于±0.5%），滿足了當前火電市場超臨界機組和超超臨界機組的工藝要求。 　　●變頻器擁有更低的設備成本且技術成熟、使用簡單、各類功能齊全、操作靈活及維護容易。 　　●變頻系統可擴充采用CIP通用工業協議的網絡，并可保持今后其技術的先進和領先地位。 　　3，選用理由及使用效果 　　當前國內市場給煤機投標中，其標書技術規格往往對變頻器只關注品牌，而忽視其型號、指標及功能等細節，標書起草者缺乏對產品的深度了解，又加上價格因素高于技術評標因素，導致大多數給煤機供貨商所配套變頻器為不完全具備"電源瞬停再啟動"功能，一般電廠給煤機的供電電源都帶有電源瞬停切換的系統，當停電切換時間較長時，運行中的變頻器因"低電壓運行"故障信號而引起給煤機停機，此刻會引發鍋爐主燃料跳閘（MFT）動作，因此，應明確配套的變頻器需具有完善的"電源瞬停再啟動"和"電源瞬停延時時間設定"等功能，再根據實際電源停電切換時間進行設定，同時也需對給煤機的控制系統的內部邏輯和控制回路作相應的連鎖，以避免由其在瞬時停電切換時引發鍋爐MFT動作，造成不必要的停機。 　　另外，當前電廠的電網電壓在高負荷下也極不穩定，電壓的波動會導致變頻器在使用中產生低壓保護跳閘問題，這種跳閘會因為變頻器的保護設置不同而表現為過流保護或低壓保護，但其原因都是因為電網低電壓引起的。低電壓通常都是短時的，主要是因為電網晃電時間過長，引起電網晃電的原因很多，如主電網側的電網波動、負荷不平衡、電力切換、雷擊等原因，負載側的大型設備啟動和應用、線路過載等原因。電廠給煤機變頻器在遇到廠用電壓瞬時低于變頻器的低電壓保護值（根據變頻器的型號和輸入工作電壓不同該值也不同）時停機，從而導致給煤機也同時停機，同時會給FSSS（鍋爐安全監控系統）發出給煤機停止信號，這樣也會導致FSSS的MFT動作。因為給煤機變頻器低壓保護跳閘而引起的非計劃停爐，給電廠帶來很大的經濟損失，也是目前電廠面臨的比較大的問題，只有很好的解決該問題才能保證電廠安全、可靠、高效的正常運行。 　　針對以上導致給煤機意外停機的兩大因素，在北美變頻器市場穩居第一的品 　　牌—羅克韋爾Powerflex系列為此提供了全面的解決方案，Powerflex40變頻器在其給煤機應用上提供了以下完善的保護功能和指標： 　　●電機保護：150%持續60秒;200%持續3秒; 　　●過流保護：額定200%;瞬時300%; 　　●過電壓保護：810V直流母線電壓，等同于575V交流輸入; 　　●低電壓保護：390V直流母線電壓，等同于275V交流輸入; 　　●控制尖峰通過時間：0.5秒～2秒; 　　●無故障尖峰通過時間：100毫秒; 　　●電子式過載保護：10級，具有靈敏速度響應; 　　●其它：控制線路掉電保護;接地短路保護;瞬間掉電保護;輸出短路保護;電機過熱保護等; 　　以上功能、數據指標和應用表明：Powerflex40變頻器完全滿足于給煤機 　　和火電廠苛刻的工藝使用要求，另外PowerFlex40自帶基本邏輯控制功能也為給煤機連鎖控制帶來了極大的靈活性，實踐證明羅克韋爾Powerflex系列產品在給煤機中應用的可靠性和靈活性，在電力行業奠定了良好的形象基礎，取得了寶貴的實踐經驗，同時也為羅克韋爾自動化與驅動產品在該行業深耕開啟了廣闊的市場空間。 四，變頻器參數及調試步驟 　　Powerflex40變頻器操作及調試主要有三種途徑來完成：本機操作面板、PC機操作和DeviceNet通訊;其中通過本機操作面板來設置和調試為最常用的方法，它的顯示采單信息說明如下圖所示： [align=center] 圖4 操作面板菜單說明[/align] 　　其中變頻器參數構成分為：顯示組（d），基本編程組（P），高級編程組（A）三大類，故障組（F）為變頻器故障代碼顯示組。同時Powerflex40變頻器也可通過裝有DriveExplorer 和DriveExecutive 軟件的PC機用于編程、監視和控制變頻器。 　　變頻器參數的合理設置對其應用特性的影響至關重要，因此對參數深入了解和實踐更顯重要，針對變頻器在給煤機上的使用特點我們總結了以下參數設置一覽表供參考： [align=center] 圖5 PF40變頻器參數設定一覽表[/align] 　　在對給煤機的出廠調試過程中，我們針對變頻器部分做以下內容的調試： 　　1） 變頻器的轉速給定信號4～20mA由控制柜上的給煤機二次儀表進行調整，更改二次儀表的控制輸出的模擬信號值，與變頻器顯示板上顯示的頻率變化進行核對，確認兩者一致并且線性。例如在變頻器設定最大頻率為50Hz的情況下，調整二次儀表控制輸出的4～20mA信號為50%，則變頻器面板顯示的頻率數為25Hz，并檢查變頻器模擬輸出4～20mA信號，確認也與二次儀表的控制輸出的模擬信號相一致; 　　2） 通過二次儀表的操作，啟動變頻器，在給煤機正常運轉的情況下，監視給煤機主電機電流，然后通過更改二次儀表的控制輸出信號，將變頻器轉速信號設定為5Hz，進行低頻條件下的電流和轉距輸出測試，確認變頻器低速運行不會因為過載跳閘以及設定的變頻器內部參數-電流保護值的合理性，在最低速運行通過之后，按5Hz/次上升頻率直至最大頻率，檢查變頻器電流及電機運行狀態是否正常和流量的波動幅度，來確認給煤機控制和運轉情況的正常; 　　3） 檢查變頻器故障報警及正常運行的繼電器輔助接點信號輸出有無異常; 　　4） 通過外部調壓器調整給煤機控制柜的交流動力電源，先慢慢升高電壓，變頻器開始工作的電壓值為啟動工作電壓;然后慢慢降低電壓，變頻器停止工作的電壓值為低壓保護電壓，確認變頻器滿足在一定范圍內的電源電壓波動下設備正常運行的設計要求。再根據變頻器在最低、最高和中間速度值的三種條件下對給煤機進行電源瞬停再啟動試驗，以得出變頻器在輸出不同轉距和慣量前提下的瞬停臨界間隔時間，以供DCS邏輯組態連鎖控制，確保給煤機的可靠安全運行; 五，Powerflex變頻器使用體會 　　1，功能強大可靠穩定 　　經過多年的給煤機實踐應用進一步證明：對于速度和扭矩要求十分嚴格的皮帶輸送類負載，Powerflex系列變頻器都以其卓越性能表現了驅動靈活，調節方便，工作十分穩定可靠等特點并具備極高的性能價格比。 　　2，使用簡單維護方便 　　Powerflex系列中不同型號的變頻器具有相同的操作性，可以使用相同的人機接口操作面板或基于PC的軟件來設置編程、監視、控制和診斷。各類信息按不同種類組分類，并配以向導式的提示，使變頻器參數設置、參數備份和狀態監控等變得十分簡單方便。 　　3，故障診斷方便透明。 　　通過操作面板或網絡不但可以監控和清除故障，還可以查看故障和報警的歷史記錄信息，對于故障分析十分有幫助。 　　4，結構緊湊環境適應性強 　　Powerflex系列變頻器結構設計緊湊，安裝方式選擇靈活，大大節省了安裝空間，多種封裝的選擇能滿足電廠高溫、多粉塵的環境場合。 　　5，客服支持網絡完善 　　羅克韋爾自動化完善的客服支持網絡為我們合理的選型和調試支持提供了極大的方便，從而節省了調試、集成、維護和系統優化的時間和投資。 　　6，強大的網絡解決方案 　　Powerflex系列變頻器選配不同的通訊適配卡，可全面支持符合CIP協議的DeviceNet、 ControlNet、EtherNet/IP開放式網絡，為構造數字化透明電廠提供了強有力的解決方案。 六，結束語 　　提高給煤機的安全經濟可靠運行，對燃煤鍋爐制粉系統能否正常運行、保證燃煤正常可靠輸送至關重要，而給煤機的可靠運轉，取決于變頻器驅動控制部分的可靠性，除了選用合適型號的變頻器、選擇合理的控制方式、設置適用的參數外，對變頻器的日常檢修維護工作也十分重要，對于變頻器安裝在多粉塵、溫差大、濕度低的工作環境，日常維護工作更應重視，避免當前重品牌輕維護的現象，使變頻器在其生命周期內發揮應有的作用。自2005年開始至今，我公司所配套Powerflex系列變頻器的稱重式給煤機工作狀況良好，運行穩定，大大提高了給煤機控制精度和穩定性，并將非人為停機因素降至最低，在電廠實際應用中取得了良好的效果和回報。 主要參考文獻： 　　（1） 《Powerflex40變頻器用戶手冊》 Rockwell Automation, Publication 22B-UM001C-ZH November 2005 　　（2） 《艾倫-布拉德利 自動化系統產品目錄》 Rockwell Automation Publication B112-ZH March 1999 　　（3） 《Powerflex系列變頻器培訓教材》東北大學羅克韋爾自動化實驗室編