科陆CL2700高压变频器在罗茨风机上的应用
摘要：立窑罗茨风机变频改造后，取得的间接效果也是十分明显的，因为变频调速系统经常运行在30赫兹左右，电机及风机旋转速度降低，电机及风机的轴温降低，噪音降低，整体维护周期大大缩短，操作人员在远控箱侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，高压变频器的频率分辨率精确到0.01赫兹，调节及时，调节精度高。
Abstract：
Key words :
一﹑立窑罗茨风机高压变频改造的必要性
贵州九龙水泥立窑罗茨风机为绕线式异步电动机，原有的运行方式是电机工频全速运行，依靠出口放风阀来调节所需风量大小，由于该公司电网容量有限，电机不允许全压启动，电机采用转子串联电阻的方式启动，启动结束后再自动短接启动电阻，电机全速运行，但投运后发现通过出口放风阀门调节方式存在如下弊端：
1﹑出口放风阀调节反应滞后，调节速度慢，调节精度低，往往对现场所需风量控制不到位，影响现场的生产工艺要求。
2﹑出口放风阀调节不科学，不经济，浪费资源，采用放风阀调节虽然结构简单，投资少，但在节能意识日益加强的今天显然已经不合适，水泥厂在建厂初期，出于后续可能扩建及运行安全的角度，电机及风机的裕量选用比较大，严重存在着大马拉小车的现象，事实上，电机额定电流为40A，而电机实际运行电流平均仅为28A左右，由于采用出口放风阀调节，人为的放掉了风道的风压和风量，大量的能源白白浪费被放风阀放出，在能源日益紧缺的今天，显然已经落伍，节能改造势在必行。
3﹑电机工频全速运行时，电机轴承等机械部位磨损严重，另外，由于是转子绕线式异步电机，转子高速运转时，其滑环上的碳刷磨损也相当严重，更换周期短，设备维护量大。
4﹑启动过程复杂，转子串联电阻启动方式附带了很多二次回路，维护量大，使用效率却不高，然而却不可缺少，启动方式属于落后工艺。
综上所述，要先想彻底的改变现有工艺，就必须从源头改进，即通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺要求。
二﹑调速方式的选择
目前，国内大功率高压异步电动机主要调速方式有以下几种：串级调速﹑内反馈串级调速﹑液力耦合器调速﹑变频调速等。
1﹑串级调速：优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高，但存在的问题也很多，它不适宜现有的转子绕线式异步电动机，启动过程复杂，启动电流大，调速范围有限，响应慢，功率因数和效率低，很难实现同PLC及DCS等控制系统的配合，谐波污染大，对电网有较大干扰。
2﹑内反馈调速：内反馈调速是在串级调速基础上发展起来的，优点是具有串级调速的全部优点，体积小，缺点是：需更换专用电机，滑环处理不当容易出现事故，虽然采用频敏变阻器启动，可启动电流仍很大，对电机和电网冲击很大，调速范围有限，输入功率因数和效率低，电机侧由于可控硅的逆变衍生出大量的高次谐波，对电机的绝缘造成老化，容易引起电机的转矩脉动，附加发热和噪声污染，电缆需加粗使用，电机喘振现象无法消除。
3﹑液力耦合器调速：调速范围有限，高速丢失转差约3%-5%，低速转差功率损失更大（1－调速比），最高可达额定传送功率的15%，因效率与转速成正比，低速时效率极低，精度低，无法切换运行，维护复杂，费用大。
4﹑高压 变频器调速：由于运用了先进的电力电子技术，计算机控制技术，现代通信技术和高压电气，电机拖动等综合性领域的科学技术，因此具有其它调速方式无法比拟的优点。三﹑科陆CL2700系列高压变频调速系统技术优势
1﹑高效率、无污染、高功率因数
CL2700系列高压变频调速系统采用的是功率单元串联的高-高方案，采用了多绕组高压移相变压器，二次侧绕组中流过的电流在变压器一次侧叠加时，形成非常逼近正弦波的电流波形。经过实际测试，50Hz运行时，网侧电流谐波＜2％，电机侧输出电压谐波＜1.5％（即使在40Hz时，仍然＜2％），成套装置的效率＞97％，功率因数＞0.96。完全满足了IEEE 519－1992对电压、电流谐波含量的要求。
另外，通过采用自主开发的专用PWM控制方法，比同类的其它方法还可进一步降低输出电压谐波1～2％
2﹑先进的故障单元旁路运行（专业核心技术）
为了提高系统的可靠性，整个变频调速系统中考虑了一定的输出电压余量，并在各功率单元中增加了旁路电路。当某个功率单元出现故障时，可以自动监测故障并启动旁路电路，使得该单元不再投入运行，同时程序会自动进行运算，调整算法，使得输出的三相线电压仍然完全对称，电机的运行不受任何影响。这种控制方法处于国际先进，国内领先的水平，它将大大提高系统的可靠性和运行的稳定性。
目前，国内大功率高压异步电动机主要调速方式有以下几种：串级调速﹑内反馈串级调速﹑液力耦合器调速﹑变频调速等。
1﹑串级调速：优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高，但存在的问题也很多，它不适宜现有的转子绕线式异步电动机，启动过程复杂，启动电流大，调速范围有限，响应慢，功率因数和效率低，很难实现同PLC及DCS等控制系统的配合，谐波污染大，对电网有较大干扰。
2﹑内反馈调速：内反馈调速是在串级调速基础上发展起来的，优点是具有串级调速的全部优点，体积小，缺点是：需更换专用电机，滑环处理不当容易出现事故，虽然采用频敏变阻器启动，可启动电流仍很大，对电机和电网冲击很大，调速范围有限，输入功率因数和效率低，电机侧由于可控硅的逆变衍生出大量的高次谐波，对电机的绝缘造成老化，容易引起电机的转矩脉动，附加发热和噪声污染，电缆需加粗使用，电机喘振现象无法消除。
3﹑液力耦合器调速：调速范围有限，高速丢失转差约3%-5%，低速转差功率损失更大（1－调速比），最高可达额定传送功率的15%，因效率与转速成正比，低速时效率极低，精度低，无法切换运行，维护复杂，费用大。
4﹑高压 变频器调速：由于运用了先进的电力电子技术，计算机控制技术，现代通信技术和高压电气，电机拖动等综合性领域的科学技术，因此具有其它调速方式无法比拟的优点。三﹑科陆CL2700系列高压变频调速系统技术优势
1﹑高效率、无污染、高功率因数
CL2700系列高压变频调速系统采用的是功率单元串联的高-高方案，采用了多绕组高压移相变压器，二次侧绕组中流过的电流在变压器一次侧叠加时，形成非常逼近正弦波的电流波形。经过实际测试，50Hz运行时，网侧电流谐波＜2％，电机侧输出电压谐波＜1.5％（即使在40Hz时，仍然＜2％），成套装置的效率＞97％，功率因数＞0.96。完全满足了IEEE 519－1992对电压、电流谐波含量的要求。
另外，通过采用自主开发的专用PWM控制方法，比同类的其它方法还可进一步降低输出电压谐波1～2％
2﹑先进的故障单元旁路运行（专业核心技术）
为了提高系统的可靠性，整个变频调速系统中考虑了一定的输出电压余量，并在各功率单元中增加了旁路电路。当某个功率单元出现故障时，可以自动监测故障并启动旁路电路，使得该单元不再投入运行，同时程序会自动进行运算，调整算法，使得输出的三相线电压仍然完全对称，电机的运行不受任何影响。这种控制方法处于国际先进，国内领先的水平，它将大大提高系统的可靠性和运行的稳定性。
3﹑高性能的控制技术
CL2700系列高压变频调速系统率先实现了简易矢量控制技术，可以实现恒转矩快速动态响应，并且具有加、减速自适应功能，即可根据运行工况参数的实际变化，自动调整加、减速时间，在不超过最大允许电流的情况下，快速达到设定转速；同时，系统可以自动识别电机转速，用户可以不考虑电机目前的运行状态，电机不需要停止运行就可直接实现电动机的启动、加速、减速或停车操作。
CL2700系列高压变频调速系统还可以实现反馈能量自动限制功能。
4﹑高可靠性
控制电源可实现外部220V供电和高压电源辅助供电双路电源自动切换，同时配置有UPS，即使两路电源都出现故障时，控制系统仍然可以工作足够长的时间，控制整个系统安全停机，发出报警，并记录故障时的所有状态参数。
采用高速光纤通信，可有效避免电磁干扰。
当单元故障数目超过设定值时，系统可自动切换到工频运行。
整流变压器有完善的温度监控功能。
独特设计的功率柜风道，主要发热元器件都靠近或处于风道中，散热效果好，保证了系统的过载能力。
抗电网电压波动能力强，当电网电压在-15％～+15％范围内波动时，系统可以正常工作；对于功率单元，在电压-25％～+20％范围内变化时，都可正常工作。
5﹑其它特点
故障自诊断能力强，监测系统中所有主要参数及接口信号。
10.4英寸液晶触摸屏人机界面，操作简单，友好，显示内容丰富。
接口丰富，可与多种自动化设备和系统接口，满足各种现场不同需要，特殊接口可以定制。
具有本地和远程操作功能，，可以通过DCS远程实现监控功能；
维修简单，所有单元可以互换，备件少。
四﹑改造项目具体实施方案及过程
根据现场的实际情况，旁路柜采用一拖一手动方案，此结构是手动旁路的典型方案，是由3个高压隔离刀闸QS1﹑QS2﹑QS3组成，其中QF1为客户提供高压隔离总开关，其工作原理是：工频运行时， QS2闭合，断开QS1和QS3，变频运行时， QS1和QS3闭合，QS2断开， QS2和QS3是双联高压隔离刀闸不会同时闭合，在机械上实现了机械互锁。
优点： 高压变频器故障时，有明显断电点，能够确保人身安全，同时可以手动使负载投入工频电网运行
缺点：高压变频器故障时，不能自动由变频切换到工频
现场原有的电阻启动装置继续保留，当高压变频器出现故障时，直接把变频器高压输入电缆切换到电阻启动装置上即可，操作简单，快捷。
优点： 高压变频器故障时，有明显断电点，能够确保人身安全，同时可以手动使负载投入工频电网运行
缺点：高压变频器故障时，不能自动由变频切换到工频
现场原有的电阻启动装置继续保留，当高压变频器出现故障时，直接把变频器高压输入电缆切换到电阻启动装置上即可，操作简单，快捷。
五﹑改造效果
1﹑变频器参数
1﹑变频器参数
变频器型号 输入电压 额定功率 功率因数 额定电流
CL2700-10-0700-9QY 10kV 700kVA 0.96 46A
CL2700-10-0700-9QY 10kV 700kVA 0.96 46A
2﹑电机参数
额定功率 额定电压 额定电流 运行电流 功率因数 额定转速
560kW 10kV 40A 32A 0.83 594
560kW 10kV 40A 32A 0.83 594
3﹑变频改造前后能耗对比
运行方式 调节方式 输入电压 输入电流 运行频率 24小时抄表能耗 节电率
工频运行 放风阀 10.5kV 28A 50.00Hz 8310kW.h
变频运行 变频调速 10.5kV 11A 30.27Hz 4609kW.h 44.53%
工频运行 放风阀 10.5kV 28A 50.00Hz 8310kW.h
变频运行 变频调速 10.5kV 11A 30.27Hz 4609kW.h 44.53%
4﹑变频改造前后现场工况对比
启动方式 启动电流 轴承温升 调节反应速度 维修费用
串电阻启动 大 高 慢 高
变频软启动 小 低 快 低
串电阻启动 大 高 慢 高
变频软启动 小 低 快 低
综合上述表格，可以看出：
立窑罗茨风机变频改造后，取得的间接效果也是十分明显的，因为变频调速系统经常运行在30赫兹左右，电机及风机旋转速度降低，电机及风机的轴温降低，噪音降低，整体维护周期大大缩短，操作人员在远控箱侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，高压变频器的频率分辨率精确到0.01赫兹，调节及时，调节精度高。
立窑罗茨风机变频改造后，取得的间接效果也是十分明显的，因为变频调速系统经常运行在30赫兹左右，电机及风机旋转速度降低，电机及风机的轴温降低，噪音降低，整体维护周期大大缩短，操作人员在远控箱侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，高压变频器的频率分辨率精确到0.01赫兹，调节及时，调节精度高。
六﹑总 结
节约能源是我国的基本国策，国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此规划目标，国家发改委最近启动了十大重点节能工程，作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业，通过各种措施，如果能把生产每吨水泥电耗控制在100KW.h内，按我国水泥年产12亿吨计算，如达到节能指标，则每年可节约百万吨煤，节电百亿度，并且可使废气排放量降低，有利于保护环境，同时也降低了企业成本。贵州九龙水泥厂立窑高压罗茨风机的变频改造，达到了节电和改善工艺的效果，取得了圆满成功。目前在我国，水泥行业相对于其它如冶金、电力等行业，高压变频器改造的进度相对缓慢，如果中国大多数水泥制造企业都能合理、深度挖掘自身潜力，那么有理由相信，中国的天将会更蓝，水会更清，节能型的和谐社会美好前景定会展现在我们的面前！
节约能源是我国的基本国策，国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此规划目标，国家发改委最近启动了十大重点节能工程，作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业，通过各种措施，如果能把生产每吨水泥电耗控制在100KW.h内，按我国水泥年产12亿吨计算，如达到节能指标，则每年可节约百万吨煤，节电百亿度，并且可使废气排放量降低，有利于保护环境，同时也降低了企业成本。贵州九龙水泥厂立窑高压罗茨风机的变频改造，达到了节电和改善工艺的效果，取得了圆满成功。目前在我国，水泥行业相对于其它如冶金、电力等行业，高压变频器改造的进度相对缓慢，如果中国大多数水泥制造企业都能合理、深度挖掘自身潜力，那么有理由相信，中国的天将会更蓝，水会更清，节能型的和谐社会美好前景定会展现在我们的面前！
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