風光高壓變頻器在水泥廠風機節能改造中的應用
1引言
水泥生產企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，水泥行業已被列為國家節約資源的重點領域之一。在國務院提出加快建設節約型社會的政策環境下，提高水泥行業的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥工業體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產企業必須通過各種途徑降低能耗，以獲得良好的經濟效益和較高的勞動生產率。
在水泥的生產中，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象嚴重，同時由于工況、產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統做法，即調節進、出風口閥門的開度來實現，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。如果利用變頻調速技術改變設備的運行速度，以調節風量的大小，可以既滿足生產要求，又達到節約電能，同時減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經常停機檢修所造成的經濟損失。隨著電力電子技術及電子技術的發展，變頻技術日趨成熟，國際上對于風機的風量、風壓調節已普遍摒棄靠調整配套的風門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調節，變頻調速已成為風機、泵類節能降耗的選用較多的電氣傳動方案。
2高壓變頻節能原理
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機較為合理的調速方法。
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速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機較主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
（2）網側功率因數明顯提高。
（3）可實現零轉速啟動，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與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速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，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
3風光公司高壓變頻調速系統技術特點
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、功率單元串聯多電平技術，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，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產品2003年被列為國家重點新產品，高壓提升機變頻調速系統2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業技術創新基金項目資助。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：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
（2）飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，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生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
（4）旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，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（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統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通過調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：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（7）單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
（8） 散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（9） 具備突發相間短路保護功能。如果由于設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。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
（10） 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，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。
（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，繼續運行。
4 高壓變頻器在水泥行業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象如無專業技術是不可避免的，將給水泥生產線造成更多的損害。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產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在清結皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內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線的正常運行。
山東新風光電子科技發展有限公司作為目前國內水泥行業高壓變頻器的專業生產制造商，其研制的高壓變頻調速系統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技術。技術研發人員經過深入應用現場，了解掌握現場工藝情況，總結應用經驗，推出了針對水泥生產線窯尾高溫風機的專用技術，從設備的硬件設計、控制軟件設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，為水泥企業保證生產安全性、經濟性作出技術與設備保證。風光牌高壓變頻器目前已在多條旋窯生產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、生產中斷的問題，大大降低了由于高溫風機停運對生產造成的影響，降低電機設備故障率，取得節能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認可。
4.2電機在旋轉情況下啟動的問題
由于風門擋板在未關嚴或其他原因，受風機的拖動，電機處于旋轉狀態，啟動在旋轉中的電機時，變頻器可自動搜索跟蹤電動機轉速并按照設定加減速時間恢復正常運行狀態（即飛車啟動問題），保證風機安全運行不跳閘。
對旋轉中再啟動功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，保證系統動作有效，保護得當，真正適應現場運行工況要求。
4.3多種控制保證措施，保證產品可靠運行
水泥行業連續生產的性質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。水泥廠一般地處偏遠，供電質量相對不高，對設備的電網適應性問題突出。相對適應進口品牌高壓變頻器，風光牌高壓變頻器拓撲結構采用功率單元串聯技術方案，產品具有對電網電壓的適應范圍寬（－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，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高產品在水泥應用現場的可靠性。
5 高壓變頻改造實例
淄博市淄川寶山水泥廠是淄博市優秀民營企業，淄川區經濟50強企業。固定資產5億元，企業擁有世界先進水平的干法旋窯生產線一條。日產水泥熟料6000噸，年產水泥270萬噸，生產的“建磊”牌被評為山東名牌，中國建材行業知名品牌。水泥質量穩定，產品深受用戶的好評和信賴。
經過調查和比較，在2009年寶山公司技改工程中，高溫風機、生料循環風機、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K1、K2。KM2與KM3實現電氣互鎖，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合閘狀態下，若變頻器出現故障，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”信號并聯于KM3合閘回路。變頻運行狀態下，若變頻器出現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運行（按下“工頻投切”按鈕），系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開關KM1和KM2，經過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關KM3合閘，電機投入電網工頻運行。
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，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，實現電磁互鎖。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與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，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變頻改造節能情況
為了對比變頻改造節能情況，在相同產量下，對工頻、變頻相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
7.1 設備概況
7.2水泥生產風機工頻運行數據統計表
7.3水泥生產風機變頻運行數據統計表
7.4 直接效益
從上述數據可以明確看出改造后各風機相應的節電功率。按月運行30天，年運行10個月，即300天計算，可推算出風機節電量及節電效益。
變頻時風機日節電量：12547＋9857.4＋3539.4＋1797.3＋11153.6+11577.2=50471.9kW·h年節電量： 50471.9kW·h×300天＝1514.16萬kW·h。
年節電效益：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）有效地改善了現場運行環境，由于電機以及負載轉速下降，大大降低了設備噪聲污染，現場操作人員非常歡迎。
（3）功率因數提高到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，延長了設備的使用壽命。
采用變頻技術調速后，設備隨生產工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長了風機、電機等設備的使用壽命。
（5）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統相比較，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。
（6）調速范圍寬，調速精度高。
與過去擋板調節風量相比較，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調節，調節精度高，調節頻率波動可保持在0.1～0.01Hz范圍內，便于實現風機系統自動化控制。
8 結束語
由此可見，山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器在寶山公司水泥生產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，高壓變頻器系統運行穩定，維護量小，節能效果顯著，為寶山水泥公司的正常生產和節能降耗做出了貢獻。
