1 引言
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，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。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而言，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。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，既可以滿足生產要求，又可達到節約電能的目的，同時還可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微電子技術的發展，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、泵類節能降耗的首選的電氣傳動方案。高壓變頻器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《gb50443-2007水泥廠節能設計規范》中的第4.3.5條規定：“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置”。
2 現場工藝情況及調速方式選擇
淄博魯中水泥有限公司經過十年的持續健康發展，目前已初步形成集水泥制造、熱力發電和氟化鹽生產為一體的循環型經濟實體，連續三年榮膺“淄博市百強工業企業”，并跨入中國水泥五十強。
淄博魯中水泥有限公司新上5000t/d新型干法水泥生產線，旋窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理(除塵及排出)。均化好的生料預熱后在回轉窯內煅燒成熟料，回轉窯內需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內達到很好的熱處理。窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣。廢氣帶灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。由于其工藝上的要求控制窯尾預熱器的壓力，通過dcs的控制來對高溫風機的風量進行調節，高溫風機的電機以前一般采用液力耦合器、繞線式電機轉子串水阻等方式進行調速，水泥廠領導經過慎重考察，比較液力耦合器調速與高壓變頻調速兩種高壓電機調速方式后，認為：
(1)高壓變頻器調速范圍為0-100%，而液力耦合器的調速范圍一般為40-95%，即高速段造成的5%的速度損失，液力耦合器最低一般只能到額定速度的40%。
(2) 高壓變頻器在整個調速范圍內都具有較高的效率(大于96%)，而液力耦合器在調速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
(3) 高壓變頻器對電機及負載機械實現真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動，液力耦合器不能解決電機啟動問題，電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
(4) 高壓變頻器是高科技產品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網工頻運行，不會造成生產損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力耦合器一旦故障，負載機械將無法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
(5) 高壓變頻器不會因為電機速度的高低而增加成本，而低速大容量的電機用液力耦合器調速，成本將大大增加，有些時候甚至無法實現。
(6) 用變頻調速取代液力耦合器初始投資大一些，投資回收期很短，從經濟角度考慮是值得的，從節能減排的角度考慮更具有很大的社會效益。
由于變頻調速性能優于其他調速技術，安裝現場條件又比較靈活。隨著高壓變頻器的價格逐步下降，高壓變頻器的性價比優勢越來越突出，而且水泥行業變頻改造已非常普遍。經過招標方式，選取山東新風光電子科技發展有限公司生產的jd-bp38-2500f型(2500kw/10kv)高壓變頻器對窯尾高溫風機進行變頻拖動控制，改造取得了成功，本文對風光牌jd-bp38-2500f型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風機的應用情況進行簡要介紹。
3 現場窯尾高溫風機及電機參數
3.1電機參數(見表1)
3.2窯尾高溫風機參數(見表2)
4 山東新風光電子jd-bp38系列突出特點
2007年9月，風光牌jd-bp38系列高壓變頻調速系統榮獲“中國名牌”稱號，山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌jd-bp38系列高壓變頻調速系統以高速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，其諧波指標遠小于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。2007年，高壓變頻調速系統榮獲山東省重大節能成果獎。其特點是：
(1)采用高速dsp作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
(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，時間較長，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。我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30s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) 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。我公司的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。
5 高壓變頻器在水泥行業應用中的主要問題及應對措施
5.1 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水泥生產線窯內負壓的重要負載，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，或如果垂直煙道預熱器內有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，該現象的頻繁出現會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。
新風光公司生產的水泥行業專用變頻器采用無速度矢量控制技術，技術人員針對水泥廠高溫風機塌料引起的電機過載保護現象，采用矢量控制原理，在塌料發生時，變頻器能夠根據測量到電壓、電流信號的變化，以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進行控制，使得即使塌料發生時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運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，保證了生產的連續運行。
5.2高溫風機變頻的電源波動與運行可靠性問題
水泥行業連續生產的性質決定了用于水泥廠的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產。國內的許多企業往往裝備多條生產線，每條生產線均有主要輔機設備組成，每當大容量輔機設備啟動時，電源母線電壓都有較大的跌落(甚至超過-15%)，會影響到同條母線上的其他設備正常運行，針對這種現象，風光高壓變頻器在軟件上進行了特殊設計，保證了電網電壓在-35%-15%波動時變頻器維持運行，不停機。
5.3變頻器應用的環境與散熱問題
由于水泥現場粉塵較大，環境相對惡劣，作為電子與電力電子設備，而且由于產生約3～4%的損耗發熱需要散熱，一般都采用風冷散熱。新風光公司生產的水泥行業專用變頻調速系統，系統的器件選型設計裕度大，單元獨特布局，優化散熱器與風道設計，提高了單元的散熱效果，以確保系統運行溫升低，環境適應能力強，實踐證明可以經受住水泥廠惡劣環境的考驗。
6 項目實施改造方案
根據用戶現場的實際情況，旁路柜采用了一拖一工/變頻自動轉換方案。如附圖所示。旁路柜中，共有2個高壓隔離開關和2個真空接觸器，為了確保不向變頻器輸出端反送電，km3與km4采用電氣互鎖。當k1、k3、km1和km3閉合，km4斷開時，電機變頻運行；當km1、km3斷開，km4閉合時，電機工頻運行，此時將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。
用戶選配自動旁路柜，并且選擇“手動”模式，則具體轉換過程如下：
step1: 執行變頻調速系統停機操作。
step2: 斷開交流進線斷路器。
step3: 斷開變頻調速系統的輸入側刀閘k1(參閱附圖)。
附圖 自動旁路柜
step4: 斷開變頻調速系統的輸出側刀閘k3。
step5: 合變頻調速系統的旁路開關km4。
step6: 關閉所有的門(控制柜除外)。
step7: 合交流進線斷路器。
用戶選擇“自動”模式，則變頻調速系統根據故障情況自動完成到工頻旁路運行的轉換。具體轉換過程如下：
jd-bp38系列變頻器在變頻運行中出現故障后，控制器發出節點信號控制進線真空接觸器km1和變頻器輸出真空接觸器km3進行分斷，然后控制器向plc發送變頻轉工頻信號，延時一定時間后，旁路開關km4進行合閘。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
風光高壓變頻器調試非常方便，在確認現場接線正確無誤后，用變頻器人機界面設定基本參數后，即可完成設置。高壓變頻器一次安裝調試成功，2009年9月份投入正常使用，通過近半年的運行觀察，改造達到了預期目的。
7 運行效果
高壓變頻器控制窯尾高溫風機，主要有以下優點:
(1) 運行穩定，安全可靠。
從變頻器順利投運以來，對變頻器輸入變壓器溫升、功率單元溫升、輸出電壓、輸出電流等各項參數定期巡檢，完全正常。變頻器運行一直十分穩定，為水泥廠安全可靠生產提供了強有力的保證。對于用戶來說，只需定期對變頻器除塵等檢查，不用停機，保證了水泥生產的連續性。
(2) 電機及機組運行平穩，各項指標滿足工藝要求。
在整個運行范圍內，電機始終運行平穩，溫升正常。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。
(3) 變頻器的三相輸出波形完美，非常接近于標準正弦波。
經過現場測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準，說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行，對電機無任何特殊要求。
(4) 運行工況改善，工人勞動強度降低。
根據水泥廠高溫風機生產工藝的需要，調節風機的轉速，進而調節風機風量，滿足生產工藝的需要，工作強度大大降低。獨有的飛車啟動功能，可以使風機電機在旋轉的狀態下，自動識別電機轉向，跟蹤電機轉速直接啟動，不必使電機停止后再啟動，變頻啟動非常方便。
(5) 人機界面采用全中文界面，界面顯示電壓、電流、轉速、頻率、各種運行狀態指示，故障報警指示，操作簡便直觀，方便國人使用習慣。
(6) 節能效果明顯。
為了對窯尾高溫風機系統變頻改造后的效果進行評價，在系統投入正常運行后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。工、變頻生產工況基本相同，隨機抽取一個正常工作日，將系統切換工頻運行，采用風門調節風量，網側記錄運行數據，然后將系統切換變頻運行，記錄運行數據，具體數據如表3示。
采用變頻調速時所消耗功率,
p變頻=1.732×9.8×96.8×0.99
=1627.1kw
節電率：η=(p工頻 - p變頻)/ p工頻 =(2503.3-1627.1)/2503.3=35%。
每年按運行300天，每天運行20小時，每度電按0.3元計算，每年可為用戶節約電費計算如下：
(2503.3-1627.1)×20×300×0.3元=1577160元。
8 結束語
淄博魯中水泥有限公司通過對窯尾高溫風機的變頻調速改造，改善了生產工藝，取得了良好的經濟效益。在水泥行業應用高壓變頻器節能降耗，是國家大力提倡節能降耗的技術手段之一。隨著高壓變頻器技術的進一步成熟，將會有越來越多的水泥廠加入改造之列。
作者簡介
王 磊 男 技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發展有限公司。
參考文獻
[1] 山東新風光電子使用手冊[z]. 山東新風光電子科技發展有限公司.
作 者：山東新風光電子科技發展有限公司 王 磊 張以安 郭培彬 淄博魯中水泥有限公司 王 健
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
