1引言

水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的能源消耗大戶，水泥行業(yè)已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)約型制造和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動生產(chǎn)率。

在水泥的生產(chǎn)中，電動機負(fù)載電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風(fēng)機上，因此做好風(fēng)機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。

目前很多水泥廠的風(fēng)機大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化，大部分風(fēng)機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進(jìn)、出風(fēng)口閥門的開度來實現(xiàn)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來達(dá)到要求的，損耗嚴(yán)重。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。隨著電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國際上對于風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風(fēng)門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風(fēng)機、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動方案。

2高壓變頻節(jié)能原理

異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機最為合理的調(diào)速方法。

由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：

（1）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再有節(jié)流損失。

（2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。

（3）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。

（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。

對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：

Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3

當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：

E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW•h)

式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時電機功率，T是工作時間。

可見，通過變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

3風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產(chǎn)品2003年被列為國家重點新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目資助。2007年，高壓變頻器被評為中國名牌產(chǎn)品，是國內(nèi)高壓變頻器行業(yè)為數(shù)不多的兩個名牌產(chǎn)品之一。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準(zhǔn)。

(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。

(3)完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。

(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率。

(5)線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。

(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。

(8) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue)，設(shè)備可靠性更高。

(9) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。

(10) 限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機次數(shù)。

(11) 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機過電流保護(hù)時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運行。

4 高壓變頻器在水泥行業(yè)應(yīng)用中的主要問題與應(yīng)對措施

4.1高溫風(fēng)機的管道“塌料”問題導(dǎo)致電機過流甚至跳停問題

窯尾高溫風(fēng)機是保證熟料生產(chǎn)線物料預(yù)分解的重要負(fù)載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機，也常見由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機電機過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負(fù)荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。

高溫風(fēng)機由于“塌料”導(dǎo)致的過負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機負(fù)荷增加或如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過負(fù)荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會不定期的導(dǎo)致電機運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導(dǎo)致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與水泥生產(chǎn)線的正常運行。

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司作為目前國內(nèi)水泥行業(yè)高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)制造商，其研制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特別針對高溫風(fēng)機的運行工藝情況進(jìn)行了大量的研究分析，并研制出相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)。技術(shù)研發(fā)人員經(jīng)過深入應(yīng)用現(xiàn)場，了解掌握現(xiàn)場工藝情況，總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗，推出了針對水泥生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機的專用技術(shù)，從設(shè)備的硬件設(shè)計、控制軟件設(shè)計等多方面對高溫風(fēng)機的不定期的尖峰負(fù)荷運行進(jìn)行全方位的設(shè)計改進(jìn)，有效地避免了一般高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導(dǎo)致的反復(fù)跳機，與工頻液耦運行相比也降低了跳機的可能性，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟(jì)性作出技術(shù)與設(shè)備保證。風(fēng)光牌高壓變頻器目前已在多條旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機得到實際應(yīng)用，解決了高溫風(fēng)機變頻器由于 “塌料”導(dǎo)致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問題，大大降低了由于高溫風(fēng)機停運對生產(chǎn)造成的影響，降低電機設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認(rèn)可。

4.2電機在旋轉(zhuǎn)情況下啟動的問題

由于風(fēng)門擋板在未關(guān)嚴(yán)或其他原因，受風(fēng)機的拖動，電機處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，啟動在旋轉(zhuǎn)中的電機時，變頻器可自動搜索跟蹤電動機轉(zhuǎn)速并按照設(shè)定加減速時間恢復(fù)正常運行狀態(tài)（即飛車啟動問題），保證風(fēng)機安全運行不跳閘。

對旋轉(zhuǎn)中再啟動功能的需求，系統(tǒng)提供完備的參數(shù)設(shè)定功能，保證系統(tǒng)動作有效，保護(hù)得當(dāng)，真正適應(yīng)現(xiàn)場運行工況要求。

4.3多種控制保證措施，保證產(chǎn)品可靠運行

水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。水泥廠一般地處偏遠(yuǎn)，供電質(zhì)量相對不高，對設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)性問題突出。相對適應(yīng)進(jìn)口品牌高壓變頻器，風(fēng)光牌高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，產(chǎn)品具有對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un），單元故障自動旁路、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、相間短路等多項完善的保護(hù)功能技術(shù)，提高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力，大大提高產(chǎn)品在水泥應(yīng)用現(xiàn)場的可靠性。

5 高壓變頻改造實例

淄博市淄川寶山水泥廠是淄博市優(yōu)秀民營企業(yè)，淄川區(qū)經(jīng)濟(jì)50強企業(yè)。固定資產(chǎn)5億元，企業(yè)擁有世界先進(jìn)水平的干法旋窯生產(chǎn)線一條。日產(chǎn)水泥熟料6000噸，年產(chǎn)水泥270萬噸，生產(chǎn)的“建磊”牌被評為山東名牌，中國建材行業(yè)知名品牌。水泥質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品深受用戶的好評和信賴。

經(jīng)過調(diào)查和比較，在2009年寶山公司技改工程中，高溫風(fēng)機、生料循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機和煤磨排風(fēng)機采用山東新風(fēng)光公司的6臺高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速。

6 高壓變頻器主回路控制方案

在風(fēng)機改造過程中，高溫風(fēng)機（2500kW/10kV、1套）采用“一拖一”控制加自動旁路柜，窯頭排風(fēng)機（560kW/10kV、1套）、窯尾排風(fēng)機（1400kW/10kV、1套）、煤磨排風(fēng)機（710kW/10kV、1套和循環(huán)風(fēng)機（1800kW/10kV、2套）采用“一拖一”控制加手動旁路柜。

6.1自動旁路柜

圖1旁路柜在變頻器進(jìn)、出線端增加了兩個隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。

旁路柜主要配置：三個高壓斷路器（KM1、KM2、KM3）和兩個刀閘隔離開關(guān)K1、K2。KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電機變頻運行；當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電機工頻運行。另外，KM1閉合時，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時，K2操作手柄被鎖死，不能操作。

電機工頻運行時，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。

合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，高壓斷路器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源。

旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態(tài)運行（按下“工頻投切”按鈕），系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開關(guān)KM1和KM2，經(jīng)過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。

6.2手動旁路柜

圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護(hù)：保持原有對電機的保護(hù)及其整定值不變。

7變頻改造節(jié)能情況

為了對比變頻改造節(jié)能情況，在相同產(chǎn)量下，對工頻、變頻相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。

7.1 設(shè)備概況

7.2水泥生產(chǎn)風(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

7.3水泥生產(chǎn)風(fēng)機變頻運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

7.4 直接效益

從上述數(shù)據(jù)可以明確看出改造后各風(fēng)機相應(yīng)的節(jié)電功率。按月運行30天，年運行10個月，即300天計算，可推算出風(fēng)機節(jié)電量及節(jié)電效益。

變頻時風(fēng)機日節(jié)電量：12547＋9857.4＋3539.4＋1797.3＋11153.6+11577.2=50471.9kW•h年節(jié)電量： 50471.9kW•h×300天＝1514.16萬kW•h。

年節(jié)電效益：1514.16萬kW•h×0.35元/kW•h＝529.96萬元。

7.5間接效益

（1）變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。

（2）有效地改善了現(xiàn)場運行環(huán)境，由于電機以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，大大降低了設(shè)備噪聲污染，現(xiàn)場操作人員非常歡迎。

（3）功率因數(shù)提高到0.95以上，減少了線路損耗。

（4）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費用，延長了設(shè)備的使用壽命。

采用變頻技術(shù)調(diào)速后，設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運行，大大降低了設(shè)備負(fù)荷率，延長了風(fēng)機、電機等設(shè)備的使用壽命。

（5）變頻器具有多項保護(hù)功能，十分完善。

與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項保護(hù)功能，更精確地保護(hù)了電機。

（6）調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。

與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較，采用變頻拖動風(fēng)機可以在0～50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1～0.01Hz范圍內(nèi)，便于實現(xiàn)風(fēng)機系統(tǒng)自動化控制。

8 結(jié)束語

由此可見，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器在寶山公司水泥生產(chǎn)線風(fēng)機上取得了良好的使用效果。在迄今一年多的運行過程中，高壓變頻器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護(hù)量小，節(jié)能效果顯著，為寶山水泥公司的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。