1引言
水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(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)約型制造和應用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當前國內(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,，以獲得良好的經(jīng)濟效益和較高的勞動生產(chǎn)率。
在水泥的生產(chǎn)中,，電動機負載電耗就占成本近30％,，而拖動風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機上,，因此做好風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機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，同時由于工況,、產(chǎn)量的變化,，系統(tǒng)所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統(tǒng)做法,，即調(diào)節(jié)進,、出風口閥門的開度來實現(xiàn)，而該方法是以增加風阻,、犧牲風機的效率來達到要求的,，損耗嚴重。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)風量的大小,，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(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,，國際上對于風機的風量,、風壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié),，變頻調(diào)速已成為風機,、泵類節(jié)能降耗的選用較多的電氣傳動方案。
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,，是異步電動機較為合理的調(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較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用,。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
?。?）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再有節(jié)流損失,。
?。?）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高,。
?。?）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,。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量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
當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度,，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)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降,。變頻調(diào)速時,，當風機低于額定轉(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,，通過變頻對風機進行改造，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風光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點
風光牌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，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準,，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,。具體來說,，風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：
?。?）采用高速DSP作為中央處理器,，運算速度更快，控制更精準,。
?。?）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,。
?。?）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)。現(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,。
?。?）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，高壓變頻器不停機,，高壓恢復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。
?。?）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功能，將會導致重大事故,。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出,，保護設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生,。
?。?0） 限流功能：當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載突然變化而引起的過流保護,，最大限度減少停機次數(shù),。
（11） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時,，可自動復位,，繼續(xù)運行。
4 高壓變頻器在水泥行業(yè)應用中的主要問題與應對措施
4.1高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
窯尾高溫風機是保證熟料生產(chǎn)線物料預分解的重要負載,，即使在以往工頻運行,、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘,，導致生產(chǎn)中斷,。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現(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,。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預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,，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時,，同樣也會造成氣流波動,，使排風管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機,，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風機電動機造成損壞,。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,，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產(chǎn)線的正常運行,。
山東新風光電子科技發(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)特別針對高溫風機的運行工藝情況進行了大量的研究分析，并研制出相應的專業(yè)技術(shù),。技術(shù)研發(fā)人員經(jīng)過深入應用現(xiàn)場,，了解掌握現(xiàn)場工藝情況，總結(jié)應用經(jīng)驗,，推出了針對水泥生產(chǎn)線窯尾高溫風機的專用技術(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機的不定期的尖峰負荷運行進行全方位的設(shè)計改進,，有效地避免了一般高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機,，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)濟性作出技術(shù)與設(shè)備保證,。風光牌高壓變頻器目前已在多條旋窯生產(chǎn)線的高溫風機得到實際應用,，解決了高溫風機變頻器由于 “塌料”導致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問題,，大大降低了由于高溫風機停運對生產(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,，得到用戶普遍認可。
4.2電機在旋轉(zhuǎn)情況下啟動的問題
由于風門擋板在未關(guān)嚴或其他原因,，受風機的拖動,，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)定加減速時間恢復正常運行狀態(tài)（即飛車啟動問題）,，保證風機安全運行不跳閘。
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，保護得當,，真正適應現(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，供電質(zhì)量相對不高,，對設(shè)備的電網(wǎng)適應性問題突出。相對適應進口品牌高壓變頻器,，風光牌高壓變頻器拓撲結(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功能技術(shù),，提高了抗電網(wǎng)波動和負載擾動能力,，大大提高產(chǎn)品在水泥應用現(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50強企業(yè),。固定資產(chǎn)5億元，企業(yè)擁有世界先進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,，高溫風機、生料循環(huán)風機,、窯頭排風機,、窯尾排風機和煤磨排風機采用山東新風光公司的6臺高壓變頻器進行調(diào)速。
6 高壓變頻器主回路控制方案
在風機改造過程中,，高溫風機（2500kW/10kV,、1套）采用“一拖一”控制加自動旁路柜，窯頭排風機（560kW/10kV,、1套）,、窯尾排風機（1400kW/10kV、1套）,、煤磨排風機（710kW/10kV,、1套和循環(huán)風機（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 自動旁路柜
圖1旁路柜在變頻器進,、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,，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作,。
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KM1,、KM2閉合，KM3斷開時,，電機變頻運行,；當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,，若需對變頻器進行故障處理或維護,，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,，分斷變頻器高壓輸入電源,。
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)將首先分斷變頻器高壓輸入,、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 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K1、K3閉合,，K2斷開時,，電機變頻運行；當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“高壓分斷”信號與旁路柜“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，當變頻器出現(xiàn)故障時,，分斷變頻器高壓輸入,；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效,。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變,。
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,、變頻相應的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下,。
7.1 設(shè)備概況
7.2水泥生產(chǎn)風機工頻運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
7.3水泥生產(chǎn)風機變頻運行數(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機相應的節(jié)電功率,。按月運行30天，年運行10個月,，即300天計算,，可推算出風機節(jié)電量及節(jié)電效益。
變頻時風機日節(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。
?。?）有效地改善了現(xiàn)場運行環(huán)境,，由于電機以及負載轉(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）減少了維護工作量和維護費用,，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)工藝變負荷運行,，大大降低了設(shè)備負荷率,，延長了風機、電機等設(shè)備的使用壽命,。
?。?）變頻器具有多項保護功能，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,、溫升保護等多項保護功能,，更精確地保護了電機。
?。?）調(diào)速范圍寬,，調(diào)速精度高。
與過去擋板調(diào)節(jié)風量相比較,，采用變頻拖動風機可以在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)風機系統(tǒng)自動化控制,。
8 結(jié)束語
由此可見，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器在寶山公司水泥生產(chǎn)線風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。
