乌兰察布中联水泥有限公司是中国建材集团水泥业务平台中国联合水泥集团有限公司旗下的核心企业，是中国建材在香港H股上市成员企业之一。公司总部位于乌兰察布市察哈尔右翼后旗红格尔图镇，于1996年10月成立，注册资金5.6亿元。下设有呼和浩特中联水泥有限公司（位于呼和浩特金川开发区台阁牧镇霍寨村）和集宁分公司（位于乌兰察布市集宁区福新东路19号），目前以形成水泥生产、热电联产和纯低温发电为一体的大型企业，是国家重点支持产业调整的60家大型水泥企业之一。

公司依托中央企业的政策优势、规模优势、技术优势、品牌优势，本着“平等合作、互利共赢”的原则，与更多的客户、供应商和行业同仁在多个领域开展合作，实现互惠共赢，努力将公司建设成为资源节约型、环境友好型、创新绩效型、社会责任型的现代化企业。
2现场设备工况

乌兰察布中联水泥集宁分公司有一条5000t/d熟料生产线，于2008年投产，生产线高温风机采用水电阻软启动设备启动运行。风量调节通过液力耦合器及改变风门、档板的开度来实现，这导致负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中，还有液力耦合器运行运转效率比较低，液力偶合器目前故障率高，轴封、轴承等部件经常更换，维护工作量大，致使大量人力、物力的浪费。水泥厂领导经过多方考察，比较液力耦合器调速与高压变频调速两种高压电机调速方式，认为：
（1）高压变频器调速范围为0-100%,而液力耦合器的调速范围一般为40-95%，即高速段造成的5%的速度损失，液力耦合器下限一般只能到额定速度的40%。
（2）高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%），而液力耦合器在调速越低时效率越低，本身带来不小的损耗，调速的节能效果大打折扣。
（3）高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动，液力耦合器不能解决电机启动问题，电机仍然为直接启动，需要启动装置，启动冲击也大，并且不能频繁启动。
（4）高压变频器是高科技产品，可靠性高，基本免维护，万一变频器故障，电机还可以直接挂电网工频运行，不会造成生产损失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力耦合器一旦故障，负载机械将无法运行，只能停机维修。维修工作量大，造成有效工作时间的缩短。
所以变频调速技术各方面远远高于液力耦合器调速，根据设备现场状况，变频调速优于其他调速技术，还有水泥行业变频改造已非常普遍，技术非常成熟。水泥厂经过招标方式，选取开云(中国)电子科技股份有限公司生产的JD-BP37-3150F型（3150kW/6kV）高压变频器对窑尾高温风机进行改造，2015年7月20日变频器一次性投入使用，至今运行正常，改造取得了成功。改造后的高压变频器现场运行如图1所示。本文对风光牌JD-BP37-3150F型高压变频器在5000t/d窑尾高温风机的改造情况进行简要介绍。

 
图1 高压变频器现场运行图

3现场窑尾高温风机及电机参数

4风光JD-BP37系列高压变频系统技术特点

开云(中国)电子公司是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP37系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度传感器矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。
4.1 JD-BP37-3150F高压变频器技术指标

JD-BP37-3150F高压变频器技术指标如表3所示。
  
4.2 JD-BP37-3150F高压变频器技术特点

具体来说，风光高压变频器除具有一般普通高压变频器的性能外，还具有以下突出特点：
(1)高性能矢量控制，启动转矩大，转矩动态响应快，调速精度高，带负载能力强，提高设备运行的平稳性；
(2)振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作；
(3)快速飞车启动技术，特别适用于变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行；
(4)电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长60s的等待时间；
(5)星点漂移技术，检测到单元故障后，可在100us之内将单元旁路，执行星点漂移技术，保持输出线电压平衡，最大程度提高电压利用率；
(6)工、变频无扰切换技术，该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要；可以实现大容量电机双向无扰动投切，能有效保证生产的正常进行；
(7)输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；
(8)故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机；
(9)多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；
(10)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握；
(11)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍；
(12)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生；
(13)限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数；
(14)故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。
5改造系统方案介绍

水泥厂领导在高温风机改造中，在处理液力偶合器的问题上，考虑到该设备故障率高，决定拆除液力耦合器，将电机前移与风机直接相连接；改造后，现场电机如图2所示。变频器接入风机侧高压开关和拟改造电机之间，变频器控制接入原有的DCS系统。为了充分保证系统的可靠性，变频器加装了工频旁路装置，保留了原有管道上的挡板（阀门）。高温风机现有的控制设备和运行方式仍将保留，控制回路上设计工频/变频运行切换选择，工/变频选择由人工切换操作，实现高温风机在工频或变频运行。
改造后，高温风机的控制根据生产工艺需求风量的大小，通过高压变频器实时调整风机电机频率来实现调节风量。采用变频器后保持进挡板全开，系统可随时随意改变风量以适应变化，保持风机的有效运行。

通过目前已有的DCS系统可显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。变频器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。利用高压变频器根据实际需要对高温风机进行变负荷运行，既保证和改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。

 
图2  改造后电机现场照片

6 改造主回路方案

高温风机是水泥生产线正常运行的关键设备之一，如果不能保证高温风机正常运行，将迫使水泥生产线停运。因此，高温风机变频改造要在选择可靠性高的变频器产品的基础上，还应该配备工频旁路柜。配备工频旁路柜的作用是，如果发生变频器故障跳闸，能够切换为工频旁路运行。变频器故障消除恢复投运时，可以先切除高温风机旁路开关，依托变频器的飞车启动功能，在高温风机高速惰走的情况下恢复变频器设备运行，从而大大减小风压波动的时间。其主回路如图3所示，采用一拖一手动旁路带星点柜控制方案。

 
图3  手动旁路柜带星点柜一次回路图（利用原有星点柜及软起柜）

高温风机原配置带星点柜配置液阻启动柜，本次改造保留原有星点柜和液阻柜保持不变。需要将星点柜断路器的一组常开点引至变频器。需要变频拖动电机时，液阻柜按原控制方式启动。即上级高压开关柜给变频器送电后，液阻柜得到开关柜闭合状态信号后就启动。星点柜闭合后，变频器检测到闭合信号后方具备开机条件，然后根据实际情况给变频器启动信号，变频投入运行。工频运行时，闭合K3，断开K1，K2，液阻柜按原先工频方式启动，完成星点柜和液阻柜的启动，达到电机软启动。
保持现有运行状态不变。

旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用机械互锁操动机构，实现机械互锁。当K1、K2闭合，K3断开时，电机变频运行；当K1、K2断开，K3闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。

保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。对于差动保护，在变频运行期间不可用，可以通过后台控制退出保        护压板，在旁路运行时投入保护压板。
7高压变频器在水泥行业应用中的主要问题及应对措施
7.1高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题

窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。

高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。

开云(中国)公司生产的水泥行业专用变频器采用无速度矢量控制技术，技术人员针对水泥厂高温风机塌料引起的电机过载保护现象，采用矢量控制技术，在塌料发生时，变频器能够根据测量到电压、电流信号的变化，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行控制，使得即使塌料发生时变频器照样运行不过载，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器载运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，保证了生产的连续运行。
7.2高温风机变频的电源波动与运行可靠性问题

水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。国内的许多企业往往装备多条生产线，每条生产线均有主要辅机设备组成，每当大容量辅机设备启动时，电源母线电压都有较大的跌落（超过-15%），会影响到同条母线上的其他设备正常运行，针对这种现象，风光高压变频器在软件上进行了特殊设计，保证了电网电压在-35%-15%波动时变频器维持运行，不停机。
7.3变频器应用的环境与散热问题

由于水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，作为电子与电力电子设备，而且由于产生约3～4％的损耗发热需要散热，而一般采用风冷散热，开云(中国)公司生产的水泥行业专用变频调速系统，系统的器件选型设计裕度大，单元布局独特布局，优化散热器与风道设计，提高单元散热效果，以确保系统运行温升低，环境适应能力强，实践证明可以经受住水泥厂恶劣环境的考验。
8 变频改造后效果

为了对窑尾高温风机系统变频改造后的效果进行评价，在系统投入正常运行后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。工、变频生产工况基本相同，随机抽取一个正常工作日，将系统切换工频运行采用风门调节风量，网侧记录运行数据，然后将系统切换变频运行，记录运行数据，具体数据如表4所示。

 

电价按0.5元/ kW·h，一年运行时间24×300h，一年节电量W为：W=(P工-P变)×7200小时=(2802.7kW -2240.5kW)×7200小时=4047840kW·h。
一年可节省电费W×0.5=202.3万元。
9结束语

乌兰察布中联水泥集宁分公司通过对窑尾高温风机进行变频改造，工作电流大幅度下降，电动机运行振动及噪声明显下降，提高了设备运转率、降低了维护费用。既满足了生产要求，又达到了节约电能，为水泥厂可带来了可观的效益，切实响应了国家节能降耗的号召。