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王志崗 （1973-）

男，1996年畢業(yè)于河北理工學(xué)院，現(xiàn)就職于河北太行水泥股份有限公司，工作期間曾多次參加自動化控制及電機拖動等學(xué)術(shù)研討會。在國家級刊物發(fā)表數(shù)篇技術(shù)論文。參與建材行業(yè)水泥磨自動化控制的設(shè)計及調(diào)試工作。

摘要：節(jié)能減排工作是十一五期間發(fā)展的的重要工作內(nèi)容。全數(shù)字勵磁調(diào)速是交流繞線異步電機串級調(diào)速的一種發(fā)展，是一種性能穩(wěn)定，可靠性高，易于控制的一種節(jié)能調(diào)速方式。本篇論文主要闡述把繞線式電機二次能量通過整流傳給直流電動機，由該直流電機拖動鼠籠電機，使其達到異步電機的同步轉(zhuǎn)速（該電機工作在第四象限、發(fā)電狀態(tài)），即把電能回饋給低壓電網(wǎng)。同時被調(diào)速電機由于轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，它所需的電能也明顯減少，進而到達節(jié)約電能的目的。

關(guān)鍵詞：電動機；軸功率；頻率；極對數(shù)；負載

Abstract: Energy saving and emission reduction is a key goal to achieve in the development
 plan of the 11th 5-year period. Full-digital-excitation speed control is a development in cascade speed regulation system for wound rotor
 motor. This method of energy-saving speed control is stable and reliable in performance; moreover, this method offers 
userfriendly control in the process. This paper describes its mechanism energy saving: the
 secondary energy of wound rotor motor was transmitted  through regulation to a DC motor, 
which drives an AC motor, and synchronize the AC motor with induction motor. Thus the 
electrical power was fed into the lowvoltage grid. Meanwhile, the electricity that is 
required by the speedcontrolled motor is decreased because of its altered speed. Hence, the
 consumption of electricity is reduced.

Key words: motor; shaft power; frequency; number of pole-pairs, toacl

    十一五期間，節(jié)能減排工作已經(jīng)進入實質(zhì)性階段，公司針對5號窯的設(shè)備進行認真分析，對具有節(jié)能潛力的窯頭風(fēng)機進行充分論證后，決定對其進行節(jié)能改造。本次改造是按河北省太行水泥股份有限公司與北京紫御灣科技有限公司簽署的節(jié)能服務(wù)協(xié)議書的要求，由河北省太行水泥股份有限公司與北京紫御灣科技有限公司共同設(shè)計、實施的節(jié)能技改工程。

1 節(jié)電原理

1.1 工藝節(jié)能原理

    在水泥立窯煅燒生產(chǎn)過程中所需要的風(fēng)量是經(jīng)常隨工藝的需要而進行不同程度調(diào)節(jié)的，傳統(tǒng)的控制手段是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)需求的大小，風(fēng)機都要全速運轉(zhuǎn)，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了，也就是說，該調(diào)節(jié)方法勢必造成電能的大量的浪費，而根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。離心風(fēng)機這類負載，只要原來采用閥門控制流量，且不是滿負荷工作，改為調(diào)速運行，均能實現(xiàn)節(jié)電。當轉(zhuǎn)速下降為原來的80%時，功率只有原來的51.2%。可見，在該類設(shè)備中引入調(diào)速裝置，都具有節(jié)電效果。　

圖1為風(fēng)機的特性曲線，通過該圖的分析，能夠更確切的了解風(fēng)機改變速度后，它的具體節(jié)能效益。　

                                圖1   管道、風(fēng)機的特性曲線

    風(fēng)機在正常運轉(zhuǎn)中，風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應(yīng)的壓力為H1,出口風(fēng)量為Q1。流量-轉(zhuǎn)速-壓力關(guān)系曲線如下圖所示。在現(xiàn)場控制中，通常采用風(fēng)機定速運行出口閥門控制流量。當流量從Q1減小至Q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統(tǒng)工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。風(fēng)機軸功率實際值（kW）可由公式：P =Q·H／（η c·η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 分別表示功率、流量、壓力、風(fēng)機效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設(shè)總效率（η c·η b）為1，則風(fēng)機由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調(diào)速手段改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速n，當流量從Q1減小至Q2時，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下，系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速控制，顯然使用水泵轉(zhuǎn)速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。

1.2 電氣實現(xiàn)原理 

    根據(jù)異步電動機原理：n=60f/p(1-s)     (1)

    式中：n : 轉(zhuǎn)速   f : 頻率   p : 電機磁極對數(shù)   s : 轉(zhuǎn)差率

    由上式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性諧波成分較大，對電網(wǎng)造成一定的污染，使很多電子設(shè)備受到干擾。采用改變級對數(shù)的方法，電機轉(zhuǎn)速只能是恒定值，無法滿足生產(chǎn)工藝的需求。采用改變轉(zhuǎn)差率的方法，從電機的二次作文章，調(diào)整電機二次回路的阻抗特性，進而達到調(diào)節(jié)高壓電機轉(zhuǎn)速的目的，同時把二次能量通過整流調(diào)速裝置，利用鼠籠異步電動機在第4象限的工作模式（即發(fā)電狀態(tài)下），把電能反饋給低壓電網(wǎng)。使設(shè)備簡單，而且對電網(wǎng)污染減少。因此采用全數(shù)字勵磁調(diào)速，不僅可以實現(xiàn)無級調(diào)速，而且經(jīng)濟、節(jié)能。（具體見附表1）     

    節(jié)能本質(zhì)：

    降低了閥門的阻尼，降低了管損。而電機功耗與風(fēng)機轉(zhuǎn)速比成三次方的關(guān)系，因此，在風(fēng)機閥門在100%打開的情況下，降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，進而達到節(jié)約電能的目的。
 
    硬件要求：

    由于風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)動慣量較大，因而電機采用的是繞線式電動機，這樣即保證了電機的起動力矩，也保證了電機的起動時間。符合設(shè)備改造的硬件要求。由于該設(shè)備原設(shè)計是通過閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量滿足生產(chǎn)工藝要求，通過改造后增加由北京紫御灣科技有限公司生產(chǎn)的ZYW系列調(diào)速節(jié)能裝置，對上述設(shè)備的電機進行調(diào)速，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量滿足生產(chǎn)工藝要求及節(jié)能的目的。原有配電系統(tǒng)及閥門調(diào)節(jié)系統(tǒng)保留作為備用，以確保設(shè)備運行的可靠性和生產(chǎn)過程的連續(xù)性。

2 節(jié)能實施方案的討論

    該方案是：新增全數(shù)字勵磁調(diào)速裝置。在主電機轉(zhuǎn)子回路中通過接觸器K1接入調(diào)速裝置，啟動器可變電阻前與主機轉(zhuǎn)子繞組間增加接觸器K3，系統(tǒng)接線圖如圖2所示：

    起動過程：在準備生產(chǎn)時，接觸器K1、K2打開，K3閉合。電機起動正常后，K3打開，K2閉合，隨后，電機達到穩(wěn)定全速運行。

    節(jié)電裝置投入過程：首先投入交流異步電動機，然后投入該節(jié)能裝置，閉合接觸器K1，切斷K2，該節(jié)電裝置投入到電動機二次回路，主機的二次電流經(jīng)全波整流后給直流電機的電樞，同時，調(diào)節(jié)勵磁裝置（調(diào)節(jié)勵磁電流），相當于主電機二次側(cè)串入反電勢，進而達到調(diào)節(jié)主機轉(zhuǎn)速的目的。

                             圖2   窯頭引風(fēng)機節(jié)能改造接線圖

    說明：

    （1）新增調(diào)速裝置為ZYW系列全數(shù)字勵磁調(diào)速裝置，包括控制柜、機組。

    （2）數(shù)控勵磁調(diào)速裝置故障時候，數(shù)控勵磁調(diào)速裝置自動退出，主機轉(zhuǎn)子回路投入短路接觸器，可保障主電機繼續(xù)運行。主機停機或裝置接到退出命令后，數(shù)控勵磁調(diào)速裝置自動退出。

    （3）需要增加一條380V、75kW饋電回路，以便主機轉(zhuǎn)差功率饋入低壓系統(tǒng)。

    （4）利用原10KV開關(guān)柜上的智能型電能計量裝置，分別測量安裝數(shù)控勵磁調(diào)速裝置前后的主電機的用電量；數(shù)控勵磁調(diào)速控制柜有一個雙向電能計量表，計量數(shù)控勵磁調(diào)速裝置向低壓系統(tǒng)饋入的電量。節(jié)約的電能計算依據(jù)來自兩個方面，一方面是主電機一次10kV開關(guān)柜電能計量表顯示節(jié)約的電能；另一方面是數(shù)控勵磁調(diào)速裝置電能計量表計量的饋入低壓電網(wǎng)的電能，這兩部分電能之和作為確定節(jié)電效益的依據(jù)。

    （5）控制信號接口如圖3所示

                              圖3   窯頭引風(fēng)機節(jié)能改造信號接口圖

    與DCS接口信號量如下：

    4路開關(guān)輸入量：遠程/就地位、裝置運行、裝置故障、報警。

    2路開關(guān)輸出量：啟動、停止。

    1路模擬輸入量：速度反饋值。

    1路模擬輸出量：速度給定值。

3 節(jié)能方案的實施及節(jié)能效果

    公司設(shè)備的運行參數(shù)：

    該節(jié)能改造技術(shù)方案是針對河北太行水泥股份有限公司5＃窯、日產(chǎn)2500噸生產(chǎn)線窯頭引風(fēng)機設(shè)備進行討論并實施的。該設(shè)備的參數(shù)及工藝運行參數(shù)見表1，表2.

                                表1   窯頭引風(fēng)機設(shè)備參數(shù)

負荷類型	風(fēng)機/泵	匹配電機型號	YRKK560-10
設(shè)備型號	Y4-73-11 NO.28D	額定功率	400kW
軸功率	400kW	額定電壓	10KV
額定流量	400000m3/h	額定電流	33.9A
壓力(揚程)	2000Pa	額定轉(zhuǎn)速	592r/min
效率	88%	轉(zhuǎn)子電壓	590V
額定轉(zhuǎn)速	570r/min	轉(zhuǎn)子電流	426.1A

                                表2    窯頭引風(fēng)機運行參數(shù)

參數(shù)名稱	運行狀況
目前的閥門開度	43%左右（開度范圍在30%----60%）
目前的入口壓力	-338Pa（設(shè)定范圍：0----2000Pa）
目前電機實際運行電流	28A----30A
目前的風(fēng)機轉(zhuǎn)速	570r/min
年運行時間	6500小時---8000小時

    電機設(shè)備數(shù)量：1臺   

    啟動方式：水電阻啟動

    數(shù)據(jù)分析：根據(jù)風(fēng)機類負載機械特性及節(jié)能理論，結(jié)合公司目前窯頭設(shè)備生產(chǎn)運行狀況。我公司5#窯窯頭風(fēng)機節(jié)能分析主要依據(jù)以下幾點：

    （1）壓力：風(fēng)機額定壓力－2000Pa，目前測點壓力－338Pa，說明實際生產(chǎn)工藝要求與風(fēng)機能力之間差別較大，故有節(jié)能空間。

    （2）閥門：閥門開度一般在40% ~ 60%之間，從風(fēng)機入口管網(wǎng)的壓損，有較大部分是由于閥門阻尼產(chǎn)生，若能采取措施，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速，并將閥門全開，則壓損有很大的降低空間。

    （3）電流：電機額定電流33.9A，實際運行電流29A左右，說明電機沒有滿載運行，適當降低電機速度，完全能滿足生產(chǎn)工藝。

    （4）改造依據(jù)：在管網(wǎng)中某一點（工藝測點），流量保持某一數(shù)據(jù)的前提下，風(fēng)壓不變。因此，改造后，把閥門調(diào)到100%，通過全數(shù)字勵磁調(diào)速系統(tǒng)對電機進行降速，風(fēng)機降速后，保證風(fēng)量不變，即保證了工藝點風(fēng)壓不變。

    工程分析：

    一般閥門開度與流量有S型曲線關(guān)系，在閥門開度處于30%到80%之間，閥門開度α與風(fēng)機流量Q有近似線性關(guān)系；在管網(wǎng)特性不變的情況下，風(fēng)機流量Q與轉(zhuǎn)速n也有正比關(guān)系。按閥開度50%計，按實際風(fēng)機工藝的保守測量，風(fēng)機流量約為最大流量的70%，即當閥門打開到最大時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的70%左右。理論上，風(fēng)機軸功率P正比于n3，但是在實際生產(chǎn)工藝中，管道有漏風(fēng)、閥門特性有偏移、管道有臟堵，綜合各種因素，風(fēng)機功率往往不可能降到n3這樣小；經(jīng)查閱相關(guān)資料，保守算法P正比于n1.5。目前，我公司窯頭冷收塵電機額定功率400KW，查閱相關(guān)資料，風(fēng)機轉(zhuǎn)速達70%（滿足工藝要求）左右時，風(fēng)機所需功率為400＊0.71.5＝234KW。目前風(fēng)機實際消耗功率為1.732＊29＊10＊功率因數(shù)＝300KW。節(jié)電率＝（300－234）/300，約為22%左右。

    經(jīng)過設(shè)備安裝調(diào)試后，經(jīng)過試運行后，各項技術(shù)指標均滿足使用要求，工作性能穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。同時，經(jīng)過雙方代表經(jīng)過連續(xù)5天的測試，對該節(jié)能設(shè)備進行投入與退出進行節(jié)能測試，節(jié)電率達到40％，5號窯按90％的運轉(zhuǎn)率計算，該設(shè)備投入運行后，該風(fēng)機年節(jié)約電量為66萬度電。下表3、表4為雙方測試的具體節(jié)能數(shù)據(jù)。

                                   表3   雙方測試的具體節(jié)能數(shù)據(jù)

                                   表4   雙方測試的具體節(jié)能數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

    總之，該節(jié)能設(shè)備的投入運行是公司一次節(jié)能改造大膽嘗試，目前，該設(shè)備經(jīng)過幾個月的運裝后，現(xiàn)設(shè)備運轉(zhuǎn)良好，投切正常，即保證了生產(chǎn)，同時又能夠很好地進行節(jié)能。