高压变频器在水泥行业风机中的应用

摘要：本文结合水泥行业的生产情况，介绍了山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器在安徽菲达水泥有限公司窑头排风机的应用情况。通过改造，实现了排风机的高效运行，达到了节能降耗的目的。
关键词：高压变频器   水泥   窑头排风机
Abstract: This article unifies the cement profession the production situation,  introduces the application of the high voltage inverter produced by Shandong WindSun Electronics Science &Technology Co., Ltd.based on kiln exhaust blower in Anhui Feida cement Limited company. The reconstruction implements the efficient running of kiln exhaust blower, reached the objective of saving energy.
Key words: High voltage inverter   Cement   Kiln exhaust blower
1引言
    近年来随着煤炭和电力价格的不断上涨，水泥生产的低成本时代已经一去不复返了，而市场竞争却越来越激烈，水泥企业的利润空间也压缩的越来越小，在国家政策《中华人民共和国节约能源法》和强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》及时引导下，水泥行业企业节能降耗工作被放到了非常重要的位置。
    据有关报道，水泥厂电动机电耗占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，风机效率低，损耗严重。因此，在水泥厂风机采用调速技术，节约大量能源，提高生产效率，为水泥厂带来较大的效益。
    风机电动机特别利用调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。
2工矿简介
    安徽菲达水泥有限公司由浙江天基实业有限公司（浙江能源集团子公司）、菲达集团有限公司（国家环保骨干企业、上市公司）、浙江天洁水泥有限公司（浙江省诸暨市大型民营企业）和浙江华阳科技有限公司共同出资组建而成的规范化公司，2007年底被南方水泥有限公司资产重组。
    公司地处安徽省广德县新杭镇，是苏浙皖三省八县（市）交界处，东临杭嘉湖、北倚苏锡常，交通便捷，运输发达。公司拥有二条日产2500吨新型干法水泥熟料生产线，总投资超过4亿元，两条熟料生产线年产能力155万吨，产品主要销往浙江、江苏、上海等地。
    水泥厂1#、2#窑头排风机采用异步电动机拖动，原来的电机运行方式为全速运行，风量调节采用挡板控制开度，电能白白消耗在挡板上，风机效率低下，针对这种状况，水泥厂领导下决心对窑头排风机进行调速改造。

图1 用户厂区

3 窑头排风机调速方案选择
目前，大功率异步电动机调速方式，主要采用以下几种方式：
（1）液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节，调速范围有限，高速丢转约5%-10%，低速转差损耗大，精度低、线性度差、响应慢。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，其主要缺点是随着转速下降效率越来越低、维护工作量大，属低效调速方式。
（2）串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，而现在工业现场几乎都采用鼠笼式异步电动机，更换电机非常麻烦。这种调速方式的调速范围一般在70%-95%左右，调速范围窄。容易造成对电网的谐波污染，功率因数低；串级调速电机受转子滑环的影响，维护工作量大，属于落后技术。
（3）变频调速技术是20世纪年代末兴起的一种新型电力传动调速技术，它以转矩大、精度高、功能强、可靠性高，操作方便，便于通讯等功能优于以往的传统调速方式（如变极调速、调压调速等）。变频调速运行，是根据负载转速的变化要求，改变供电电流的频率，并配合电压的调节，以获得合理的点击运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率。变频控制技术的应用，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电动机及负载设备免受瞬时启动冲击，延长其工作寿命，还提高电动机及负载设备的工作精确度。
通过对以上高压电机调速方式比较，水泥厂领导决定采用高压变频器对1#、2#窑头排风机进行改造。
    经过多方比较性价比，通过招标方式，选用了中国名牌产品-山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-280F型高压变频器，一拖一控制，共计2台高压变频器。改造取得了成功。现对改造作一介绍。
4现场窑头排风机及电机参数
4.1电机参数

图2 用户现场设备图

5山东新风光电子JD-BP37系列突出特点
(1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准。
(2)飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
(3)完整的工频/变频自动互切技术：现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜，变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，时间较长，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。我公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
(4)旋转中再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电三十秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
(5)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）：变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
(6)单元直流电压检测：实时显示检测系统直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
(7)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高一倍。
(8) 通过控制器可实现对各单元直流滤波电容寿命的检测，实现在年检中对单元电解电容器进行检测，根据出厂时电解电容器的特性的比较与趋势，可得出对电解电容器寿命的猜测，提前预知电解电容器是否可继续运行，避免由于电容器运行出现非预期的系统故障，并实现运行维护人员对功率单元设备状况的及时把握。
(9) 散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构， IGBT承受电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15Ue），设备可靠性更高。
(10) 具有双路控制电，一路为干式变压器变压以后的电源，一路为外部控制电源，这样在调试过程中，无需加入高压主电，就可以检测输出波形的正常与否。对于在现场安装调试以及人员培训很方便，大大提高了安全性。
(11) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。我公司的变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
(12) 限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。
(13) 故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护，自动复位，继续运行。
6项目实施改造方案
根据现场的实际情况，旁路柜采用了一拖一手动方案。此结构是手动旁路的典型方案手动旁路柜。如下图3所示。旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

图3 手动旁路柜一次回路图

故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。

保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
风光高压变频器调试非常方便，在确认现场接线正确无误后，用变频器人机界面设定基本参数后，即可完成设置。人机界面采用全中文界面，方便国人使用习惯。下图为高压变频器在现场使用照片。

图4 高压变频器现场照片

图5 人机界面运行时监控界面

改造注意事项：由于现场灰尘太多，而变频器为强迫风冷，为避免灰尘对变频器造成影响，在房间通风设计上，采用大面积专用进风窗，房间不设其他窗户，基本上是密闭设计，通风窗采用专用过滤网，最大限度地减少进入变频器室内的灰尘，过滤网定期除尘，保证变频器长期安全运行。

水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。水泥厂一般地处偏远，供电质量相对不高，对设备的电网适应性问题突出。相对适应进口品牌高压变频器，风光牌高压变频器拓扑结构采用功率单元串联技术方案，产品具有对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un），单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、相间短路等多项完善的保护功能技术，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高应用的可靠性。
7改造效果
（1）节能效果明显。
    改造前，风机挡板开度为50%左右，安装高压变频器后，风机挡板开度为100%，改造前，运行电流一般为18A左右,平均每小时耗电230.7KW•h,变频器改造后，变频器运行频率一般为34.7Hz,运行电流下降到6A左右，平均每小时耗电93.5KW•h，每小时省电137.2KW•h，年按7000小时计算，年节省电量960400KW•h。
（2）安装简单，安装简单，即将原高压开关柜与电动机之间插入安装变频器，对原有接线改动不大。
（3）提高了窑头排风机系统运行效率，实现了风机系统的最佳工况运行。
（4）减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。
    原窑头排风机在运行过程中，风机和电机始终满负荷运行，维护工作量大，检修费用高。采用变频技术调速后，设备随生产工艺变负荷运行，大大降低了设备负荷率，延长了风机、电机等设备的使用寿命。
（5）变频器具有多项保护功能，十分完善。
    与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。
（6）调速范围宽，调速精度高。
    与过去挡板调节风量相比较，采用变频拖动风机可以在2～50Hz范围内任意调节，调节精度高，调节频率波动可保持在0.1～0.01Hz范围内，便于实现风机系统自动化控制。
8结束语
    总之，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-280F高压大功率变频器在安徽菲达水泥有限公司窑头排风机上的改造是成功的，它不仅满足了风机系统生产工艺的要求，节能效果显著，而且性能稳定，运行可靠。鉴于风光牌JD-BP37型高压大功率变频器的出色表现，同时改造的2#窑头排风机系统，该公司也采用我公司生产的高压大功率变频器。
参考文献
山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司。
作者简介
陈建行，男，技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司