1 引言
　　中國聯(lián)合水泥集團下屬某水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產(chǎn)線，核心生產(chǎn)設備為∮3×48m五級旋風預熱器窯外分解回轉(zhuǎn)窯，主要產(chǎn)品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關(guān)工程材料，由于受當時電氣設備制造技術(shù)、性能價格比的限制及設計思想的影響，窯尾高溫風機設計采用液力偶合器調(diào)速方式，近幾年隨著電力電氣技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)的日益成熟，其優(yōu)越的調(diào)速節(jié)能節(jié)電特性得到更大范圍發(fā)揮，應用推廣工作正在各相關(guān)行業(yè)快速推進，在其產(chǎn)生巨大節(jié)能節(jié)電效益后，高壓變頻器成為國家水泥節(jié)能設計規(guī)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(zhí)行的強制性標準《GB50443-2007水泥工廠節(jié)能設計規(guī)范》中的第4.3.5條明確規(guī)定：“窯尾高溫風機應采用變頻調(diào)速裝置?！钡?.2.3條明確規(guī)定：“有調(diào)速要求的電動機應采用變頻調(diào)速裝置?！币虼?011年8月份，公司淘汰了原液力偶合器，新增高壓變頻器調(diào)速的節(jié)能改造方案。
2原設備概況
　　公司現(xiàn)場高溫風機機組的主要參數(shù)如下：
2.1高溫風機銘牌參數(shù)
　　型號：W6-2-29-1 NO19.5   最高使用介質(zhì)密度：1.4kg/m3   溫度：450℃   進口流量（風量）：170000m3/h  軸功率556kW   全壓（風壓）： 8400Pa   主軸轉(zhuǎn)速：1450rpm
2.2電機銘牌參數(shù)
　　電機型號：Y500-4  額定功率：630kW   額定電壓：10000V  額定電流：43.3A
　　額定轉(zhuǎn)速：1490rpm  功率因數(shù)：0.885 額定頻率：50Hz 接線方法：Y  絕緣等級：F
3 改造前液力偶合器工作簡述
　　液力偶合器又稱液力聯(lián)軸器，是以液體為工作介質(zhì)，利用液體的動能的變化來傳遞能量的葉片式傳動機械。液力偶合器由泵輪、渦輪、轉(zhuǎn)動外殼、導流管等組成。液力偶合器有以下工作特點：
　　優(yōu)點：液力偶合器屬于機械調(diào)速，調(diào)速方法簡單，初投資低，容易實施。
　　缺點：
　?。?）液力偶合器在調(diào)節(jié)過程中存在滑差損失，由于滑差功率都是以發(fā)熱的形式消耗，然后通過冷卻水冷卻后白白浪費掉，機械效率比較低。
　?。?）由于用油用水，現(xiàn)場油路水路管道布置復雜，尤其是現(xiàn)場漏油滲油現(xiàn)象普遍。
　?。?）與變頻調(diào)速方式相比，液力偶合器調(diào)速的精度還比較差，對于對設備轉(zhuǎn)速要求較嚴的場合，液力偶合器調(diào)速無法滿足機組的運行要求。同時，液力偶合器在負載低轉(zhuǎn)速時，電機的功率因數(shù)也不如變頻調(diào)速。
　　液力偶合器在高壓變頻器技術(shù)成熟前，在水泥行業(yè)窯尾高溫風機調(diào)速場合，應用十分廣泛，屬于一段時期內(nèi)的主流設計配置，但液力偶合器調(diào)速畢竟屬于有滑差損失的低效調(diào)速方式，因此上世紀90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓變頻調(diào)速技術(shù)正得到大面積推廣與應用。
4高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介
4.1變頻原理及高壓變頻特點
　　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，是異步電動機較為合理的調(diào)速方法。目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。
　　高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
　?。?）有效節(jié)能：含變壓器在內(nèi)的整機效率在96％以上，高于原液力偶合器，可減少由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)方式導致的節(jié)流損失。
　?。?）提高功率因數(shù)：目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.95以上，與采用液力偶合器、轉(zhuǎn)子串阻等調(diào)速方式相比，輸入功率因數(shù)大大提高，無需投資功率補償設備，并可降低有關(guān)的設備投資與維護費用。
　　（3）軟啟、軟停：減少對電網(wǎng)和負載的沖擊，延長電機等設備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動和軟制動，幾乎不產(chǎn)生沖擊，正常運行時又大多低于電機額定轉(zhuǎn)速，可大大延長電機定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機械壽命。
　　（4）節(jié)能效果明顯。
　　對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：

　　風機特性如圖1所示。風機工作在A點時，其功率為PA=H1×Q1／102；風機工作在B點時，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時，改變風機的風量，風機的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。

　　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系統(tǒng)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，加上自身功效高于液力偶合器，綜合節(jié)能節(jié)電效果會更優(yōu)?？梢?，通過變頻對風機進行改造，可以實現(xiàn)節(jié)能，且節(jié)能空間可觀。
4.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及高壓主回路方案
　　這次改造公司選用了山東新風光電子公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP38-800F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出， 電流諧波小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
　　風光高壓變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個功率單元∕相，三相共24個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分低于國標規(guī)定，高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。
 

　　        高溫風機電機的高壓主回路方案如圖4所示：

　　K0 原高壓電機配電系統(tǒng)高壓斷路器
　　K1、K2和K3 新增高壓變頻器旁路開關(guān)柜
　　BPQ JD-BP38-800F高壓變頻器
　　M 高壓電動機
　　變頻器控制高溫風機為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為三個高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。K3斷開，K1和K2閉合，風機可以變頻運行；K1和K2斷開，K3閉合，風機可以工頻運行。
　　本高壓變頻器采用風冷裝置，只對變頻器的出風處加裝隔熱的通風管道，將熱風直接排出室外，降低柜體內(nèi)的微環(huán)境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設置空調(diào)設備，只增加房間換氣軸流風機一臺。
4.3.JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標及常見問題處理
　?。?）主要性能指標
　　變頻器功率：800kW  額定輸出電流：50A  輸入頻率：50Hz±5Hz   額定輸入電壓：10kV   允許電壓波動：±20%  輸入功率因數(shù)：≥0.98   輸出頻率范圍：0-50Hz   輸出電壓范圍：0-10kV   頻率分辨率：0.01Hz　加速時間：0～3600s　　減速時間：0～3600s  變頻器效率：≥96%　過載能力：100%連續(xù) 160%連續(xù)1min   防護等級：IP20 保護功能：單元旁路功能、單元過壓保護、單元欠壓保護、過流保護、過載保護、變頻器過熱保護、缺相保護等。
　?。?）常見問題的處理
　　風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器具有高度的智能化水平和完善的故障檢測電路 并能對所有故障提供精確的定位，在人機界面或工控機界面上作出明確的指示。用戶根據(jù)顯示的故障信息，分別采取相應的處理措施。
　　為保證設備的可靠性，使設備最大程度不間斷運行。系統(tǒng)發(fā)生下列故障時，按照一般故障處理：變壓器輕度過熱，柜門連鎖故障，單元柜風機故障，工控機故障。對于一般故障的發(fā)生，系統(tǒng)不作記憶處理。在停機狀態(tài)下，如果存在這類故障，用戶還能進行啟動等操作。
　　系統(tǒng)發(fā)生下列故障時，按照重故障處理：單元重故障，變壓器嚴重過熱，以上重故障發(fā)生后，系統(tǒng)作記憶處理。故障一旦發(fā)生，系統(tǒng)報警并自動跳閘停機。只有故障徹底排除后，才能重新開機。
5改造項目實施及運行情況
　　2011年8月1日，公司與山東新風光電子科技發(fā)展有限公司正式簽定變頻器的供貨合同和技術(shù)協(xié)議，根據(jù)現(xiàn)場空間情況及生產(chǎn)形勢，在原來系統(tǒng)還在正常運行時，提前將高壓變頻器柜體及功率單元等部件運抵現(xiàn)場并進行本體組合安裝，安裝完畢后，在高壓變頻器輸入側(cè)通入220V普通交流電，用示波器對各功率單元輸出波形進行測試與對比，初步驗證安裝聯(lián)線質(zhì)量與器件性能；8月底在停窯檢修項目改造對接期間，將原液力偶合器拆除，高壓電動機與高溫風機直連對接，連接外圍控制線及與DCS接口，引入10kV主電源，輸出側(cè)連接高壓電機定子，做好高壓通電試機準備，按步驟對高壓變頻器進行空載、帶載運行調(diào)試，做好調(diào)試運行記錄。
　?。?）變頻器具有多項保護功能，十分完善，與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、缺相保護等多項保護功能，能更精確地保護電機，運行穩(wěn)定，安全可靠。特別指出的是，一次進廠10kV線路B相斷相故障及全廠突然跳閘停電，并沒有對變頻器造成損害，說明產(chǎn)品具有比較高的可靠性。
　?。?）可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際工況，通過DCS系統(tǒng)給定變頻器調(diào)節(jié)信號，靈活調(diào)整高溫風機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)精度高于原來液力耦合器方式，達到工藝需要及節(jié)能節(jié)電目的。
　?。?）減少了維護費用。由于對于高壓電機實現(xiàn)真正意義上軟啟動、軟停止，所以對電機、風機等各種設備以及電網(wǎng)的啟動沖擊大大減少，減少了設備維護費用，延長了設備的使用壽命，大大降低了維護成本。
　　（4）節(jié)能節(jié)電效果顯著，大大降低了高溫風機電耗。為了對高溫風機系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)改造前、原使用液力偶合器調(diào)速時，就對正常工作日用電量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，記錄好電源電壓、電機電流及系統(tǒng)壓力等參數(shù)，改造為高壓變頻調(diào)速后再對設備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析，我們認為采用高壓變頻調(diào)速后與原使用液力偶合器調(diào)速相比（改造前后窯況相同，窯尾預熱器C1筒出口負壓4500Pa左右，高溫風機轉(zhuǎn)速全天穩(wěn)定在1170rpm左右時）節(jié)電率大約在15%左右，每天節(jié)電1200kW·h左右，一年按照300天運行時間計算，年節(jié)約用電36萬kW·h，每kW·h電價按0.70元，年創(chuàng)直接經(jīng)濟效益25.2萬元。
6結(jié)束語
　　山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線高溫風機上的改造是成功的，它不僅滿足了回轉(zhuǎn)窯煅燒硫鋁酸鹽特種水泥生產(chǎn)工藝的要求，節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運行可靠。隨著電氣電力技術(shù)的發(fā)展，相信不久的將來，高壓變頻器技術(shù)應用會越來越廣闊。