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一、前言
　　
　　變頻調(diào)速技術現(xiàn)已被應用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業(yè)的電機節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾通風機、高溫風機、窯頭EP風機、生料磨循環(huán)風機的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。2006年1～2月，我公司對葛州壩水泥廠3#、5#窯的窯尾高溫風機及窯頭EP風機成功進行了變頻改造，下面對改造情況作一總結。
　　
　　二、變頻調(diào)速節(jié)電原理
　　
　　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差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調(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，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
　　
　　變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
　　
　　（1）由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機定速旋轉不可調(diào)節(jié)，這樣運行自然浪費很大，而變頻調(diào)節(jié)徹底解決了這一問題；
　　
　　（2）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
　　
　�。�3）某些工況負載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板調(diào)節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調(diào)節(jié)響應極快，基本與工況變化同步；
　　
　　（4）異步電動機功率因數(shù)由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；
　　
　�。�5）可實現(xiàn)零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。
　　
　�。�6）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n2正比；輸出軸功率P與轉速n3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(diào)節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路工程阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉速時，理論節(jié)電為
　　
　　E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
　　
　　式中： n－額定轉速
　　
　　n′—— 實際轉速
　　
　　P——額定轉速時電機功率
　　
　　T——工作時間
　　
　　可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
　　
　　三、窯尾高溫風機工程簡介
　　
　　葛州壩水泥廠生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成工程流程簡圖如圖1所示。
　　
　　高壓變頻典型應用實例

　　旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內(nèi)向前運動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)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）。
　　
　　葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產(chǎn)分別為2000t、2500t，到現(xiàn)在運行已近多年。生產(chǎn)線原配置的余熱發(fā)電機組，由于發(fā)電成本較高，現(xiàn)已停產(chǎn)。
　　
　　日產(chǎn)2500t的5#窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風機配置為6kV280kW。日產(chǎn)2000t的3#窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1400kW，窯尾EP風機配置為6kV260kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調(diào)速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風機的風量，達到控制窯內(nèi)負壓。窯尾EP風機依靠風門來進行調(diào)節(jié)。
　　
　　由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運行中靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調(diào)節(jié)，當窯工程工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調(diào)節(jié)，運行操作非常不便。
　　
　　前段時間，水泥廠準備對兩條生產(chǎn)線進行提產(chǎn)，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產(chǎn)的條件，故提產(chǎn)一直未能實現(xiàn)。
　　
　　2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產(chǎn)線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調(diào)速改造，目前運行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2900t，而高溫風機變頻調(diào)節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調(diào)節(jié)的耗電量。
　　
　　四、高溫風機變頻改造方案
　　
　　經(jīng)過對原工程進行分析，對原工程的風壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調(diào)速，最后達到調(diào)整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
　　
　　變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS工程，由DCS工程來完成正常操作。
　　

　　圖2 變頻器連接圖

　　為了充分保證工程的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調(diào)節(jié)，降低風機輸出風量至工況要求值。
　　
　　變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。
　　
　　根據(jù)水泥廠提供的負載參數(shù)及運行工況，我公司為3#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關柜容量400A。為5#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關柜容量400A。
　　
　　五、改造過程簡述
　　
　　由于原電機控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設方便。
　　
　　由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內(nèi)空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風設計上，設計了兩扇大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風窗濾灰，進入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減小。
　　
　　由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。
　　
　　為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
　　
　　變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調(diào)整，安裝方便快捷。
　　
　　六、變頻改造節(jié)能情況
　　
　　變頻改造前后，我們對相應的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下。
　　
　　5#窯風機改造前后對比表
　　

　　

　　3#窯風機改造前后對比表
　　

　　

　　注：上述數(shù)據(jù)為改造后窯工程產(chǎn)量增加的條件下風機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節(jié)電功率。
　　
　　5#窯高溫風機節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）
　　
　　5#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）
　　
　　3#窯高溫風機節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）
　　
　　3#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）
　　
　　根據(jù)我們在設備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，5#窯在2500t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側電流

逆變器件的介紹：

1.SCR和GTO晶閘管

⑴普通晶閘管SCR曾稱可控硅，它有三個極：陽極，陰極和門極。

SCR的工作特點是，當在門極與陰極間加一個不大的正向電壓（G為+，K為—）時，SCR即導通，負載Rl中就有電流流過。導通后，即使取消門極電壓，SCR仍保持導通狀態(tài)。只有當陽極電路的電壓為0或負值時，SCR才關斷。所以，只需要用一個脈沖信號，就可以控制其導通了，故它常用于可控整流。

作為一種無觸點的半導體開關器件，其允許反復導通和關斷的次數(shù)幾乎是無限的，并且導通的控制也十分方便。這是一般的“通-斷開關”所望塵莫及的，從而使實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速取得了突破。但由于變頻器的逆變電路是在直流電壓下工作的，而SCR在直流電壓下又不能自行關斷，因此，要實現(xiàn)逆變，還必須增加輔助器件和相應的電路來幫助它關斷。所以，盡管當時的變頻調(diào)速裝置在個別領域（如風機和泵類負載）已經(jīng)能夠實用，但未能進入大范圍的普及應用階段。

⑵門極關斷（GTO）晶閘管SCR在一段時間內(nèi)，幾乎是能夠承受高電壓和大電流的唯一半導體器件。因此，針對SCR的缺點，人們很自然地把努力方向引向了如何使晶閘管具有關斷能力這一點上，并因此而開發(fā)出了門極關斷晶閘管。

GTO晶閘管的基本結構和SCR類似，它的三個極也是：陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。其圖行符號也和SCR相似，只是在門極上加一短線，以示區(qū)別。

GTO晶閘管的基本電路和工作特點是：

①在門極G上加正電壓或正脈沖（開關S和至位置1）GTO晶閘管即導通。其后，即使撤消控制信號（開關回到位置0），GTO晶閘管仍保持導通�？梢姡珿TO晶閘管的導通過程和SCR的導通過程完全相同。

②如在G、K間加入反向電壓或較強的反向脈沖（開關和至位置2），可使GTO晶閘管關斷。

用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結果，但其關斷控制較易失敗，故仍較復雜，工作頻率也不夠高。而幾乎是與此同時，大功率管（GTR）迅速發(fā)展了起來，使GTO晶閘管相形見拙。因此，在大量的中小容量變頻器中，GTO晶閘管已基本不用。但其工作電流大，故在大容量變頻器中，仍居主要地位。

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