水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，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)能技術(shù)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)濟效益和最高的勞動生產(chǎn)率。

　　在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)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(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、出風(fēng)口擋板開度大小來實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來達到要求的，損耗嚴重。電動機負載電耗就占成本近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。風(fēng)機電動機特別利用變頻調(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。目前，行業(yè)普遍認為高壓風(fēng)機電動機的變頻調(diào)速改造是降耗增效的主要措施。需要指出的是，對新型干法水泥生產(chǎn)線的6個工藝位置的高壓風(fēng)機，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機進行高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，將使企業(yè)改善工藝，提高調(diào)速精度，使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，降低設(shè)備運行與維護費用，延長電機等設(shè)備使用壽命，獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

二、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、由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在;

　　2、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高，異步電動機功率因數(shù)僅有0.85左右，而變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)可以達到0.95以上;

　　3、可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，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。

　　5、高壓變頻器針對“塌料”問題進行特殊設(shè)計，解決了在生產(chǎn)過程中因為負載劇烈波動導(dǎo)致電機過流的問題，保證了生產(chǎn)的連續(xù)進行。

　　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)。

三、利德華福公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

　　2007年，HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)被授予“中國品牌產(chǎn)品”稱號，利德華福公司亦是中國高壓變頻領(lǐng)航企業(yè)。多次獲得“中國最佳高壓變頻品牌”、“最佳新產(chǎn)品”等多項殊榮。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司從2000年推出第一臺HARSVERT-A變頻器樣機到現(xiàn)在，累積運行業(yè)績已超過2000多臺。其中最大運行功率為5600kW，并且運行多年。

　　HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，其諧波指標直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置;輸出波形質(zhì)量好，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，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。

　　1、無速度傳感器矢量控制——讓控制更精準

　　矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機磁場為坐標軸基準方向，通過坐標變換的方法，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。

　　目前，無速度傳感器矢量控制產(chǎn)品調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度高，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小，啟動轉(zhuǎn)矩大，性能指標基本達到國際先進水平。

　　采用無速度傳感器矢量控制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下功能：

　　£ 電機參數(shù)自動整定

　　£ 高壓掉電恢復(fù)自動重啟

　　£ 旋轉(zhuǎn)啟動

　　£ 具有完善的電機和變頻器保護功能，盡量保證設(shè)備連續(xù)可靠運行

　　£ 直接控制負載轉(zhuǎn)矩大小，當(dāng)負載波動時可以自動控制轉(zhuǎn)矩電流大小，確保連續(xù)運行。

　　2、 超強的抗電網(wǎng)波動能力

　　HARSVERT-A變頻器按照我國的電網(wǎng)情況進行設(shè)計，承受電壓波動的能力可以到-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動時變頻器維持運行，不停機。

　　3、 完善的電機和變頻器保護功能

　　作為高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)廠家，利德華福公司的研發(fā)人員考慮到了變頻器及電機可能出現(xiàn)的各種運行情況，并針對各種可能出現(xiàn)的故障情況進行開發(fā)。HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)針對各種故障情況分級設(shè)置保護功能，實現(xiàn)最大程度的不間斷運行。

　　4、友好、快捷的系統(tǒng)界面

　　HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)界面選用人機界面，系統(tǒng)界面功能強大，產(chǎn)品支撐軟件為漢化的最新的正版軟件，軟件完全自主開發(fā)，標準化設(shè)計;界面顯示內(nèi)容豐富且直觀形象，能夠顯示系統(tǒng)狀態(tài)變量的實時顯示和監(jiān)控，如具有故障信息查詢、運行數(shù)據(jù)記錄、變頻器參數(shù)查詢及設(shè)置、系統(tǒng)自診斷等等。

四、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

　　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)機是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負壓的重要負載，即使在在以往工頻運行、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荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過負荷導(dǎo)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(fēng)機由于“塌料”導(dǎo)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(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，負壓升高，使排風(fēng)機負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。

　　利德華福公司的水泥行業(yè)專用高壓變頻器采用先進的DSP高速處理器—無速度矢量傳感技術(shù)，該技術(shù)在水泥廣泛應(yīng)用，針對高溫風(fēng)機塌料引起的電機過載保護，我公司設(shè)計了限轉(zhuǎn)矩功能，當(dāng)塌料發(fā)生時，瞬間檢測到電流及轉(zhuǎn)矩的變化，降轉(zhuǎn)矩運行進而間接的降低了變頻器及電機負載，使得即使塌料發(fā)生變頻器照樣運行不過載，有效地避免了其他廠家的通用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，達到了節(jié)能增效，降低電機、風(fēng)機設(shè)備故障率的作用，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。

　　2、高溫風(fēng)機變頻的電網(wǎng)波動與運行可靠性問題

　　水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)性質(zhì)，決定了用于水泥廠用高壓變頻器需要有很高可靠性，保證安全生產(chǎn)。國內(nèi)的眾多企業(yè)中往往裝備多條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線均有幾臺主要輔機設(shè)備構(gòu)成，這些輔機都掛在相同或不同的電源母線上。每當(dāng)有大容量輔機或同一母線下多臺輔機群啟動時，電源母線電壓都有較大的降落（超過-15%），會影響同一母線上其他設(shè)備的正常運行。針對生產(chǎn)企業(yè)負荷波動大的這種工況，HARSVERT系列高壓變頻器進行了特殊設(shè)計，大幅度提高了其抗電網(wǎng)波動的能力，做到電壓波動在-15%～+15%范圍內(nèi)時，變頻器可以維持滿額輸出;電網(wǎng)電壓降落在-35%以內(nèi)時，變頻器都短時降額運行，若電網(wǎng)電壓低于65%額定電壓時，頻器開始降低輸出頻率。如果6秒鐘之內(nèi)，電網(wǎng)恢復(fù)正常，則重新按照設(shè)定的加速時間，加速到當(dāng)前設(shè)定的頻率。如果電網(wǎng)在6秒鐘過后，沒有恢復(fù)正常，則變頻器處于待機狀態(tài)，等電網(wǎng)電壓在設(shè)定時間內(nèi)（系統(tǒng)默認：20秒）恢復(fù)正常，變頻器可自行啟動，系統(tǒng)可自動搜索電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無沖擊再啟動，恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。

　　3、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)速按照設(shè)定加減速時間恢復(fù)正常運行狀態(tài)（即轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)），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，保護得當(dāng)。真正適應(yīng)現(xiàn)場運行工況要求。

　　4、變頻器應(yīng)用環(huán)境與散熱問題

　　水泥現(xiàn)場粉塵較大鬼知道，環(huán)境相對惡劣，變頻器作為電子與電力電子設(shè)備，產(chǎn)生約3～4% 損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風(fēng)冷散熱搜企網(wǎng)，在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用的利德華福高壓變頻器，系統(tǒng)的器件選型設(shè)計裕度大、器件布局結(jié)構(gòu)合理、散熱器與風(fēng)道設(shè)計等散熱結(jié)構(gòu)合理、提高單元散熱效率以保證系統(tǒng)設(shè)計溫升低、環(huán)境適應(yīng)能力強，能經(jīng)受水泥廠粉塵的污染等惡劣環(huán)境的考驗。并且利德華福公司還專門開發(fā)了成套空水冷卻裝置，現(xiàn)場只要提供循環(huán)冷卻水，就可以確保變頻器正常的散熱要求。

五、高壓變頻改造實例

　　泰山水泥集團是一家擁有自營進出口權(quán)的現(xiàn)代化企業(yè)集團，總資產(chǎn)15億元，年水泥生產(chǎn)能力450萬噸，集團主導(dǎo)產(chǎn)品“泰山”牌水泥被評為國家免檢產(chǎn)品、山東名牌、山東省著名商標、中國建材行業(yè)知名品牌和中國水泥行業(yè)十大影響力品牌。

　　集團核心企業(yè)泰山水泥集團有限公司廠區(qū)占地面積23萬平方米，建有2500t/d級和5000t/d級新型干法水泥熟料生產(chǎn)線各一條，其中2500t/d級生產(chǎn)線是全國煤炭行業(yè)第一條2500t/d級新型干法熟料生產(chǎn)線。

　　經(jīng)過調(diào)查和比較，一線高溫風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機和二線高溫風(fēng)機、窯尾風(fēng)機、煤磨排風(fēng)機采用北京利德華福公司的高壓變頻器進行調(diào)速。

　　1、 高溫風(fēng)機改造液耦調(diào)速，鑒于液力耦合器的在滿負荷運行時仍有3%的損耗及設(shè)備較大的維護工作量，此次改造采取去除液力耦合器，電機與風(fēng)機直接聯(lián)接的方式。對于去除液力耦合器的去除提出了兩種解決方案，一是去除液力耦合器，前移電機實現(xiàn)電機、風(fēng)機的直接聯(lián)接;二是用軸承箱替代液力耦合器實現(xiàn)電機、風(fēng)機的直接聯(lián)接。此次改造按照第一種方案執(zhí)行。

　　2、YKK鼠籠異步電機可直接串聯(lián)接變頻使用，軟啟柜串工頻備用（主回路下圖）

　　對于現(xiàn)場大功率交流鼠籠異步電機（YKK系列），由于工頻直接啟動啟動電流較大，對其它高壓電氣設(shè)備及整個電網(wǎng)有影響，一般現(xiàn)場配有軟啟動器工頻啟動。防止因外部因素導(dǎo)致變頻器故障時，電機直啟動沖擊過大。如2800KW高溫風(fēng)機采用的啟動方式為定子串水電阻啟動，此種情況改造時，水電阻可串聯(lián)在工頻回路作為工頻啟動備用。如下圖所示：

圖一

　　優(yōu)點：在變頻器出現(xiàn)重故障停機時，可直接工頻軟啟電機，啟動方式不變，保障生產(chǎn)照常進行。

　　3、轉(zhuǎn)子串電阻改造

　　現(xiàn)場電機轉(zhuǎn)子串電阻僅在啟動時使用，不作為調(diào)速用，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機傳動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全頻率（0～50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。由于驅(qū)動為繞線式異步電機，采用變頻調(diào)速需改為鼠籠式運行，轉(zhuǎn)子繞組已沒有必要外接電阻。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線之間用導(dǎo)線短接，并將電刷舉起。如下圖：

圖二

　　僅需變頻運行時閉合KM1接觸器短接轉(zhuǎn)子;

　　工頻備用改造：保留原繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的啟動需要，在變頻狀態(tài)，KM1接觸器吸合，將轉(zhuǎn)子將與集電環(huán)相接的三根線短接。在變頻器需要檢修或退出運行，需要工頻時，KM1自動聯(lián)跳斷開，然后按原來方式轉(zhuǎn)子串電阻啟動再短接，電機恢復(fù)原繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的啟動方式。

六、變頻改造節(jié)能情況統(tǒng)計：

　　變頻改造前后，在相同產(chǎn)量下，我們對相應(yīng)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。

　　1、設(shè)備概況

　　2、泰山水泥1線風(fēng)機改造前后對比表

　　3、泰山水泥2線風(fēng)機改造前后對比表

　　4、 直接效益：

　　從上述數(shù)據(jù)可以明確看出改造后窯系統(tǒng)各風(fēng)機相應(yīng)的節(jié)電功率。

　　月運行30天，年運行11個月，即330天計算，可推算出風(fēng)機 節(jié)電量及節(jié)電效益。

　　1線、2線所有風(fēng)機日節(jié)電量：1340+7514+5321+7166+984=22325 kW•h

　　年節(jié)電量： 22325 kW•h×330天=736.725萬kW•h

　　年節(jié)電效益：736.725萬kW•h×0.5元/kW•h=368.3625萬元

　　由上數(shù)據(jù)說明，利德華福公司 HARSVERT-VA高壓變頻器在泰山水泥風(fēng)機上的應(yīng)用節(jié)能效果顯著。

　　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）電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對設(shè)備的維護量，節(jié)約了人力物力資源。

　　3）由于電機以及負載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。

　　4）功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補償裝置，而且減少了線路損耗。

　　5）廠房設(shè)備噪聲污染將降低。

　　6）能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平。

　　7）節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護了環(huán)境。

　　8）由于采用自動控制，進一步提高了設(shè)備運行控制和系統(tǒng)運行管理的自動化水平，從而真正實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，大大增強了運行的安全可靠性。

七、結(jié)束語

　　在泰山水泥有限公司1號線和2號線風(fēng)機電機采用HARSVERT高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過利德華福高壓變頻器在泰山水泥的應(yīng)用，增強了運行的安全可靠性，提高了水泥的產(chǎn)量，又達到較好的節(jié)能效果。因此在水泥廠的高壓風(fēng)機上采用高壓變頻技術(shù)是應(yīng)該倡導(dǎo)和推廣的。