科陆高压变频器在贵州九龙水泥立窑罗茨风机上的应用

【摘  要】 本文结合水泥厂立窑罗茨风机的生产工艺，综述了高压变频器的性能特点及系统原理，同时详细说明了整体改造方案，介绍了变频器的节电效果。

【关键词】 高压变频器 节能降耗  水泥厂  立窑  罗茨风机。

一﹑立窑罗茨风机高压变频改造的必要性 

      贵州九龙水泥立窑罗茨风机为绕线式异步电动机，原有的运行方式是电机工频全速运行，依靠出口放风阀来调节所需风量大小，由于该公司电网容量有限，电机不允许全压启动，电机采用转子串联电阻的方式启动，启动结束后再自动短接启动电阻，电机全速运行，但投运后发现通过出口放风阀门调节方式存在如下弊端：

1﹑出口放风阀调节反应滞后，调节速度慢，调节精度低，往往对现场所需风量控制不到位，影响现场的生产工艺要求。

2﹑出口放风阀调节不科学，不经济，浪费资源，采用放风阀调节虽然结构简单，投资少，但在节能意识日益加强的今天显然已经不合适，水泥厂在建厂初期，出于后续可能扩建及运行安全的角度，电机及风机的裕量选用比较大，严重存在着大马拉小车的现象，事实上，电机额定电流为40A，而电机实际运行电流平均仅为28A左右，由于采用出口放风阀调节，人为的放掉了风道的风压和风量，大量的能源白白浪费被放风阀放出，在能源日益紧缺的今天，显然已经落伍，节能改造势在必行。

3﹑电机工频全速运行时，电机轴承等机械部位磨损严重，另外，由于是转子绕线式异步电机，转子高速运转时，其滑环上的碳刷磨损也相当严重，更换周期短，设备维护量大。 

4﹑启动过程复杂，转子串联电阻启动方式附带了很多二次回路，维护量大，使用效率却不高，然而却不可缺少，启动方式属于落后工艺。

综上所述，要先想彻底的改变现有工艺，就必须从源头改进，即通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺要求。

二﹑调速方式的选择

      目前，国内大功率高压异步电动机主要调速方式有以下几种：串级调速﹑内反馈串级调速﹑液力耦合器调速﹑变频调速等。

1﹑串级调速：优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高，但存在的问题也很多，它不适宜现有的转子绕线式异步电动机，启动过程复杂，启动电流大，调速范围有限，响应慢，功率因数和效率低，很难实现同PLC及DCS等控制系统的配合，谐波污染大，对电网有较大干扰。

2﹑内反馈调速：内反馈调速是在串级调速基础上发展起来的，优点是具有串级调速的全部优点，体积小，缺点是：需更换专用电机，滑环处理不当容易出现事故，虽然采用频敏变阻器启动，可启动电流仍很大，对电机和电网冲击很大，调速范围有限，输入功率因数和效率低，电机侧由于可控硅的逆变衍生出大量的高次谐波，对电机的绝缘造成老化，容易引起电机的转矩脉动，附加发热和噪声污染，电缆需加粗使用，电机喘振现象无法消除。

3﹑液力耦合器调速：调速范围有限，高速丢失转差约3%-5%，低速转差功率损失更大（1－调速比），最高可达额定传送功率的15%，因效率与转速成正比，低速时效率极低，精度低，无法切换运行，维护复杂，费用大。

4﹑高压变频器调速：由于运用了先进的电力电子技术，计算机控制技术，现代通信技术和高压电气，电机拖动等综合性领域的科学技术，因此具有其它调速方式无法比拟的优点。

三﹑科陆CL2700系列高压变频调速系统技术优势

1﹑高效率、无污染、高功率因数

       CL2700系列高压变频调速系统采用的是功率单元串联的高-高方案，采用了多绕组高压移相变压器，二次侧绕组中流过的电流在变压器一次侧叠加时，形成非常逼近正弦波的电流波形。经过实际测试，50Hz运行时，网侧电流谐波＜2％，电机侧输出电压谐波＜1.5％（即使在40Hz时，仍然＜2％），成套装置的效率＞97％，功率因数＞0.96。完全满足了IEEE 519－1992对电压、电流谐波含量的要求。

      另外，通过采用自主开发的专用PWM控制方法，比同类的其它方法还可进一步降低输出电压谐波1～2％

2﹑先进的故障单元旁路运行（专业核心技术）

      为了提高系统的可靠性，整个变频调速系统中考虑了一定的输出电压余量，并在各功率单元中增加了旁路电路。当某个功率单元出现故障时，可以自动监测故障并启动旁路电路，使得该单元不再投入运行，同时程序会自动进行运算，调整算法，使得输出的三相线电压仍然完全对称，电机的运行不受任何影响。这种控制方法处于国际先进，国内领先的水平，它将大大提高系统的可靠性和运行的稳定性。

3﹑高性能的控制技术

      CL2700系列高压变频调速系统率先实现了简易矢量控制技术，可以实现恒转矩快速动态响应，并且具有加、减速自适应功能，即可根据运行工况参数的实际变化，自动调整加、减速时间，在不超过最大允许电流的情况下，快速达到设定转速；同时，系统可以自动识别电机转速，用户可以不考虑电机目前的运行状态，电机不需要停止运行就可直接实现电动机的启动、加速、减速或停车操作。

4﹑高可靠性

      控制电源可实现外部220V供电和高压电源辅助供电双路电源自动切换，同时配置有UPS，即使两路电源都出现故障时，控制系统仍然可以工作足够长的时间，控制整个系统安全停机，发出报警，并记录故障时的所有状态参数。

采用高速光纤通信，可有效避免电磁干扰。

当单元故障数目超过设定值时，系统可自动切换到工频运行。

整流变压器有完善的温度监控功能。

      独特设计的功率柜风道，主要发热元器件都靠近或处于风道中，散热效果好，保证了系统的过载能力。

      抗电网电压波动能力强，当电网电压在-15％～+15％范围内波动时，系统可以正常工作；对于功率单元，在电压-25％～+20％范围内变化时，都可正常工作。

5﹑其它特点

故障自诊断能力强，监测系统中所有主要参数及接口信号。

10.4英寸液晶触摸屏人机界面，操作简单，友好，显示内容丰富。

接口丰富，可与多种自动化设备和系统接口，满足各种现场不同需要，特殊接口可以定制。

具有本地和远程操作功能，，可以通过DCS远程实现监控功能；

维修简单，所有单元可以互换，备件少。

四﹑改造项目具体实施方案及过程

      根据现场的实际情况，旁路柜采用一拖一手动方案，此结构是手动旁路的典型方案，是由3个高压隔离刀闸QS1﹑QS2﹑QS3组成，其中QF1为客户提供高压隔离总开关，

      其工作原理是：工频运行时， QS2闭合，断开QS1和QS3，变频运行时， QS1和QS3闭合，QS2断开， QS2和QS3是双联高压隔离刀闸不会同时闭合，在机械上实现了机械互锁

      优点：高压变频器故障时，有明显断电点，能够确保人身安全，同时可以手动使负载投入工频电网运行

      缺点：高压变频器故障时，不能自动由变频切换到工频

      现场原有的电阻启动装置继续保留，当高压变频器出现故障时，直接把变频器高压输入电缆切换到电阻启动装置上即可，操作简单，快捷

五﹑改造效果

1﹑电动机参数

2﹑变频器参数

3﹑变频改造前后能耗对比

4﹑变频改造前后现场工况对比

综合上述表格，可以看出：

      立窑罗茨风机变频改造后，取得的间接效果也是十分明显的，因为变频调速系统经常运行在30赫兹左右，电机及风机旋转速度降低，电机及风机的轴温降低，噪音降低，整体维护周期大大缩短，操作人员在远控箱侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，高压变频器的频率分辨率精确到0.01赫兹，调节及时，调节精度高。

六﹑总  结

      节约能源是我国的基本国策，国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此规划目标，国家发改委最近启动了十大重点节能工程，作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业，通过各种措施，如果能把生产每吨水泥电耗控制在100KW.h内，按我国水泥年产12亿吨计算，如达到节能指标，则每年可节约百万吨煤，节电百亿度，并且可使废气排放量降低，有利于保护环境，同时也降低了企业成本。贵州九龙水泥厂立窑高压罗茨风机的变频改造，达到了节电和改善工艺的效果，取得了圆满成功。目前在我国，水泥行业相对于其它如冶金、电力等行业，高压变频器改造的进度相对缓慢，如果中国大多数水泥制造企业都能合理、深度挖掘自身潜力，那么有理由相信，中国的天将会更蓝，水会更清，节能型的和谐社会美好前景定会展现在我们的面前！