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一、前言
　　
　　變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應(yīng)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(fēng)機、高溫風(fēng)機、窯頭EP風(fēng)機、生料磨循環(huán)風(fēng)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(jì)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(fēng)機及窯頭EP風(fēng)機成功進(jìn)行了變頻改造，下面對改造情況作一總結(jié)。
　　
　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　
　　變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
　　
　�。�1）由設(shè)備設(shè)計余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機定速旋轉(zhuǎn)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(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
　　
　�。�3）某些工況負(fù)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(yīng)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(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負(fù)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(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比；即：
　　
　　Q1/Q2＝n1/n2
　　
　　H1/H2＝(n1/n2)2
　　
　　P1/P2＝(n1/n2)3
　　
　　當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為
　　
　　E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
　　
　　式中： n－額定轉(zhuǎn)速
　　
　　n′—— 實際轉(zhuǎn)速
　　
　　P——額定轉(zhuǎn)速時電機功率
　　
　　T——工作時間
　　
　　可見，通過變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)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(fēng)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(yīng)用實例

　　旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機來的料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)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(fēng)機的作用下，通過預(yù)熱器對進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機抽出進(jìn)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(fēng)機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機配置為6kV280kW。日產(chǎn)2000t的3#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機電機配置為6kV1400kW，窯尾EP風(fēng)機配置為6kV260kW。在高溫風(fēng)機的電機與風(fēng)機之間，配有液力耦合器對風(fēng)機進(jìn)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(fēng)機的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。窯尾EP風(fēng)機依靠風(fēng)門來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　
　　由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴(yán)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(zhuǎn)速比。在運行是時仍靠風(fēng)機擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當(dāng)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(jìn)行手動調(diào)節(jié)，運行操作非常不便。
　　
　　前段時間，水泥廠準(zhǔn)備對兩條生產(chǎn)線進(jìn)行提產(chǎn)，但由于高溫風(fēng)機中液力耦合器漏油嚴(yán)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(fēng)機及窯頭號EP風(fēng)機進(jìn)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(dá)2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2900t，而高溫風(fēng)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(fēng)機變頻改造方案
　　
　　經(jīng)過對原工程進(jìn)行分析，對原工程的風(fēng)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(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機入口）的壓力為工況要求值。
　　
　　變頻器設(shè)備接入用戶側(cè)高壓開關(guān)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(fēng)機轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)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(yīng)及時在DCS上對高溫風(fēng)機的風(fēng)門進(jìn)行及時調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機輸出風(fēng)量至工況要求值。
　　
　　變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。
　　
　　根據(jù)水泥廠提供的負(fù)載參數(shù)及運行工況，我公司為3#窯尾高溫風(fēng)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(guān)柜容量400A。為5#窯尾高溫風(fēng)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(guān)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(shè)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(shè)方便。
　　
　　由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風(fēng)冷，設(shè)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(fēng)設(shè)計上，設(shè)計了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計。通風(fēng)窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)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(fēng)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(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)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(shè)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(shè)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(fēng)機側(cè)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(dá)到安裝要求，而不用對風(fēng)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(yīng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。
　　
　　5#窯風(fēng)機改造前后對比表
　　

　　

　　3#窯風(fēng)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(fēng)機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風(fēng)機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風(fēng)機相應(yīng)的節(jié)電功率。
　　
　　5#窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）
　　
　　5#窯窯尾EP風(fēng)機節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）
　　
　　3#窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）
　　
　　3#窯窯尾EP風(fēng)機節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）
　　
　　根據(jù)我們在設(shè)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(fēng)機6kV側(cè)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(fēng)機6kV側(cè)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(dāng)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(dǎo)通，負(fù)載Rl中就有電流流過。導(dǎo)通后，即使取消門極電壓，SCR仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)陽極電路的電壓為0或負(fù)值時，SCR才關(guān)斷。所以，只需要用一個脈沖信號，就可以控制其導(dǎo)通了，故它常用于可控整流。

作為一種無觸點的半導(dǎo)體開關(guān)器件，其允許反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷的次數(shù)幾乎是無限的，并且導(dǎo)通的控制也十分方便。這是一般的“通-斷開關(guān)”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(guān)斷，因此，要實現(xiàn)逆變，還必須增加輔助器件和相應(yīng)的電路來幫助它關(guān)斷。所以，盡管當(dāng)時的變頻調(diào)速裝置在個別領(lǐng)域（如風(fēng)機和泵類負(fù)載）已經(jīng)能夠?qū)嵱茫�但未能進(jìn)入大范圍的普及應(yīng)用階段。

⑵門極關(guān)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(dǎo)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(guān)斷能力這一點上，并因此而開發(fā)出了門極關(guān)斷晶閘管。

GTO晶閘管的基本結(jié)構(gòu)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(guān)S和至位置1）GTO晶閘管即導(dǎo)通。其后，即使撤消控制信號（開關(guān)回到位置0），GTO晶閘管仍保持導(dǎo)通�？梢�，GTO晶閘管的導(dǎo)通過程和SCR的導(dǎo)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(guān)和至位置2），可使GTO晶閘管關(guān)斷。

用GTO晶閘管作為逆變器件取得了較為滿意的結(jié)果，但其關(guān)斷控制較易失敗，故仍較復(fù)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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