一、引言
大連小野田水泥廠冷卻機EP羅茨風(fēng)機（電除塵風(fēng)機）為日本安川轉(zhuǎn)子繞線異步電動機拖動，原有的運行方式為電機全速運行，依靠調(diào)整出口擋風(fēng)板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機不允許全壓直接啟動，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動機，啟動方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動，啟動結(jié)束后再自動短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，電機全速運行（項目初期運行時，是采用水電阻調(diào)速運行方式，但是投運后發(fā)現(xiàn)這種調(diào)速方式反而比風(fēng)門調(diào)節(jié)更加不經(jīng)濟，索性其只作為啟動時使用），這樣的運行方式存在如下弊端：
1.風(fēng)門調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度不高。
依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行器來調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，本身是一個不得已的舉措，因風(fēng)門調(diào)節(jié)機構(gòu)含有相當(dāng)一部分的機械機構(gòu)，受機械部分限制調(diào)節(jié)速度有限，調(diào)節(jié)精度亦受到影響，往往對現(xiàn)場的風(fēng)量控制不是很到位，甚至滿足不了現(xiàn)場工藝的要求。
2.風(fēng)門調(diào)節(jié)浪費電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟。
采用風(fēng)門調(diào)節(jié)固然結(jié)構(gòu)簡單，投資較小，但是在節(jié)能意識日益加強的今天顯然不合適，水泥廠初期投建的時候，出于后續(xù)可能擴建及運行安全的角度，電機及風(fēng)機的裕量選用較大，存在嚴重的大馬拉小車的現(xiàn)象。事實上，電機額定電流為45A，而電機實際運行電流平均僅為35A左右，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，人為改變了風(fēng)道的阻力曲線，大量的能源白白浪費在了風(fēng)門上，在能源日益緊缺的今天，顯然已經(jīng)嚴重落伍，改造勢在必行。
3.電機全速運行受到考驗，維護周期短。
因電機全速運行，電機軸承等機械部分磨損嚴重，另外，由于是轉(zhuǎn)子繞線式異步電動機，轉(zhuǎn)子的高速運行對于其機械部分一樣有百害無一益，轉(zhuǎn)子滑環(huán)上的碳刷磨損相當(dāng)嚴重，更換周期短。
4.啟動過程復(fù)雜，水電阻裝置維護工作量大。
由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機不允許全壓直接啟動，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動機，啟動方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動，啟動結(jié)束后再自動短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，這樣的啟動方式附帶了很多電氣二次回路，啟動過程復(fù)雜，而且本身水電阻裝置維護工作量就比較大，只有在啟動過程的20幾秒內(nèi)投入使用，使用效率不高，然而卻不可缺，顯然已經(jīng)屬于落后工藝。
綜上所述，窯尾EP羅茨風(fēng)機改造勢在必行，要想徹底改變現(xiàn)有工藝，必須從源頭上下功夫，即通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，以此來滿足現(xiàn)場工藝的要求。
二、調(diào)速方式的選擇
目前，大功率高壓異步電動機的主要調(diào)速方式有以下幾種：串級調(diào)速、內(nèi)反饋串級調(diào)速、液力耦合器調(diào)速及變頻調(diào)速等。
1.串級調(diào)速—優(yōu)點是可以回收轉(zhuǎn)差功率，所以調(diào)速效率比較高，但存在的問題也很多：它不適合于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子繞線式異步電機，必須更換電機：不能實現(xiàn)軟啟動，啟動過程非常復(fù)雜;啟動電流大;調(diào)速范圍有限;響應(yīng)慢，不易實現(xiàn)閉環(huán)控制;功率因數(shù)和效率低，并隨著轉(zhuǎn)速的調(diào)低急劇下降;很難實現(xiàn)同PLC和DCS等控制系統(tǒng)的配合，對提高裝置的整體自動化程度和實現(xiàn)優(yōu)化控制無益;同時因控制裝置比較復(fù)雜、諧波污染大對電網(wǎng)有較大干擾;進一步限制了它的使用，屬落后技術(shù)。
2.內(nèi)反饋串級調(diào)速—內(nèi)反饋串級調(diào)速是在串級調(diào)速基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它在普通繞線電動機的定子繞組（稱主繞組）同槽放置一套繞組（稱調(diào)節(jié)繞組）而制造成的內(nèi)反饋串級調(diào)速電機，將該電動機部分轉(zhuǎn)子能量取出以改變電動機用以產(chǎn)生拖動轉(zhuǎn)矩，使主繞組從電網(wǎng)吸收的能量下降來實現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)點：具有串級調(diào)速的全部優(yōu)點，體積小。缺點：需更換專用電機，滑環(huán)處理不當(dāng)容易出現(xiàn)事故;雖采用頻敏變阻器啟動，但啟動電流仍很大（3-4Ie）,對電機和電網(wǎng)的沖擊很大，啟動復(fù)雜;調(diào)速范圍很小;輸入功率因數(shù)和效率低;電機側(cè)由于可控硅的逆變衍生出大量的高次諧波，對電機的絕緣造成老化，引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動、附加發(fā)熱和噪聲污染，所以電纜要求加粗使用;電機喘振現(xiàn)象無法消除。仍屬于落后技術(shù)。
3.液力耦合器調(diào)速—屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達額定功率的15%，因效率與轉(zhuǎn)速成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢、啟動電流大、裝置大，必須加裝在設(shè)備和電機之間，不適合改造;無法軟啟動，耦合器故障時，無法切換運行，維護復(fù)雜、費用大，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。
4.高壓變頻調(diào)速—由于應(yīng)用了先進的電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機拖動等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點：
?。?）變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態(tài)。
（2）精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。
?。?）高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機等各種儀表連接，并可以與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)鎖控制。
?。?）具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時安全可靠。
?。?）電機可實現(xiàn)軟啟動、軟制動;啟動電流小，小于電機的額定電流;電機啟動的時間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)的影響。
（6）具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。
?。?）減少配件損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動生產(chǎn)效率。
通過對幾種調(diào)速方式的比較，最終，大連小野田水泥廠決定采用高壓變頻器對EP風(fēng)機進行改造，對比了國內(nèi)外的所有廠家，基于以下幾點原因，選用了利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器：
①國內(nèi)高壓變頻器廠家中業(yè)績最多;
?、谙到y(tǒng)運行穩(wěn)定;
③全中文界面顯示，適合國內(nèi)用戶;
④針對國內(nèi)用戶量身定做，盡量考慮國內(nèi)電網(wǎng)的綜合因素，在其可靠性，安全性方面有其獨到的技術(shù)優(yōu)勢;
?、輧?nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。
三、改造項目具體實施方案及過程
根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，旁路柜采用了一拖一手動方案。此結(jié)構(gòu)是手動旁路的典型方案,原理是由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開;工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
優(yōu)點是:在檢修高壓變頻器時，有明顯斷電點，能夠保證人身安全，同時也可手動使負載投入工頻電網(wǎng)運行等。
缺點：高壓變頻器故障時，不能自動由變頻轉(zhuǎn)為工頻。
現(xiàn)場原有的水電阻裝置繼續(xù)保留，高壓變頻器安裝后，與原有的水電阻二次回路結(jié)合，取高壓變頻器的變頻狀態(tài)信號（QS1,QS2閉合后輸出變頻狀態(tài)信號）送至水電阻二次回路，該信號有效后通過原有水電阻二次回路，直接短接電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)，切除水電阻裝置，由高壓變頻器對電機實現(xiàn)軟啟動;取高壓變頻器工頻旁路信號（QS3閉合后輸出工頻旁路狀態(tài)信號），該信號有效后通過原有水電阻二次回路，恢復(fù)高壓電機的串水電阻調(diào)速功能，以備高壓變頻器故障期間，用戶仍可以通過原有啟動回路啟動設(shè)備工頻運行。
小野田水泥廠目前高壓網(wǎng)絡(luò)共有兩條線路，一用一備，當(dāng)一條線路出現(xiàn)故障斷電時，可以在2秒鐘內(nèi)自動切換為備用高壓線路，期間負荷高壓開關(guān)并不分斷，在進行高壓變頻器改造前，因風(fēng)機的慣性比較大，斷電2秒鐘，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速稍有下降，2秒鐘后即恢復(fù)全速運行，對現(xiàn)場工藝影響可以說是微乎其微，進行高壓變頻器改造后，這樣的切換對由功率器件組成的高壓變頻器而言則凸現(xiàn)隱患，這就需要高壓變頻器具備三秒不停機功能，滿足現(xiàn)場要求。現(xiàn)場配備的高壓變頻器為5級功率單元多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其每個功率單元內(nèi)部的控制單元電源取自移相變壓器的二次側(cè)，當(dāng)高壓掉電瞬間，該控制單元隨即失電，高壓變頻器主控器所有的控制指令無法通過功率單元控制單元作用于各個功率單元，因此高壓變頻器將作為高壓失電作停機處理?；诖朔N情況，現(xiàn)場對原有的高壓變頻器內(nèi)部控制邏輯進行適當(dāng)修改，即當(dāng)高壓電斷電瞬間，通過變頻器內(nèi)置PLC，對高壓變頻器主控器進行復(fù)位，屏蔽所有功率單元在高壓掉電時所報的所有單元故障，直到高壓再次在3秒鐘內(nèi)正常，功率單元帶電正常后，記憶高壓斷電前的運行頻率，執(zhí)行飛車啟動，因風(fēng)機慣性較大，此過程對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速影響微乎其微，現(xiàn)場調(diào)試期間，曾經(jīng)做過類似的實驗，高壓變頻器拖動負載運行時，在高壓開關(guān)就地人為分斷高壓開關(guān)，三秒鐘內(nèi)再合開關(guān)，高壓變頻器運行正常，風(fēng)機轉(zhuǎn)速稍有下降，結(jié)論表明，這樣的處理方式完全滿足現(xiàn)場運行要求。
現(xiàn)場設(shè)備名牌參數(shù)如下：
高壓變頻器參數(shù)
| 型號 | HARSVERT-A06/045 | 輸入電壓 | 6kV |
| 出廠編號 | 07028 | 額定功率 | 420kVA |
| 額定電流 | 45A | 出廠日期 | 2007/3 |
| 型號 | BST-0 | 額定電壓 | 6000V |
| 額定功率 | 330kW | 額定電流 | 42.8A |
| 額定轉(zhuǎn)速 | 590r/min | 功率因數(shù) | 0.8 |
| 制造廠 | 株式會社安川電機 | 出廠日期 | 1995年 |
1．節(jié)能效果相當(dāng)明顯，經(jīng)濟效益顯著
小野田水泥廠EP風(fēng)機變頻改造后，取得了顯著的節(jié)能效果，改造前風(fēng)機風(fēng)門的開度經(jīng)常在40%左右，電機全速運行，改造后，風(fēng)機變速運行，因現(xiàn)場工況變化不是很大，變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運行在31赫茲左右，與調(diào)節(jié)檔板時的消耗功率大大減小，節(jié)電效果與經(jīng)濟效益顯著。變頻改造前后，電機的運行數(shù)據(jù)如下表所示
| 時間 | 調(diào)節(jié)方式 | 輸入電流（A） | 運行頻率（Hz） | 電機平均功率（kW） |
| 改造前 | 風(fēng)門 | 32 | 50 | 266 |
| 改造后 | 變頻調(diào)速 | 7.5 | 31 | 74 |
2．改善工藝
現(xiàn)將改造前及改造后現(xiàn)場工況列表如下：
| 改造前 | 改造后 | |
| 啟動方式 | 串水電阻啟動 | 變頻軟啟動 |
| 風(fēng)機噪音 | 大 | 小 |
| 軸承溫升 | 高 | 低 |
| 調(diào)節(jié)反應(yīng)速度 | 快 | 慢 |
| 電機及風(fēng)機維護周期 | 短 | 長 |
改造前用戶曾經(jīng)擔(dān)心電機降速后，自身冷卻風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降，電機散熱效果不好，電機可能會有過熱的問題，實際該問題并沒有出現(xiàn)。因為電機降速后，雖然自身冷卻效果下降，但是電機降速后輸出功率大大降低（電機輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比），事實表明，改造后，電機的溫升不但沒有升高，反而有所下降。
五、結(jié)論
節(jié)約能源是我國的基本國策，國家制定了“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”，為落實此規(guī)劃目標，國家發(fā)改委最近啟動了十大重點節(jié)能工程，作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國家宏觀調(diào)控的重點，也是節(jié)能的重點行業(yè)，通過各種措施，如果能把生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在100kW·h內(nèi)，按我國水泥年產(chǎn)12億噸計算，如達到節(jié)能指標，則每年可節(jié)約百萬噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護環(huán)境，同時也降低了企業(yè)成本。大連小野田水泥廠EP電除塵風(fēng)機的變頻改造，達到了節(jié)電和改善工藝的效果，取得了圓滿成功。目前在我國，水泥行業(yè)相對于其它如冶金、電力等行業(yè)，高壓變頻器改造的進度相對緩慢，如果中國大多數(shù)水泥制造企業(yè)都能如大連小野田水泥廠，合理、深度挖掘自身潛力，那么有理由相信，中國的天將會更藍，水會更清，節(jié)能型的和諧社會美好前景定會展現(xiàn)在我們的面前！
