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王志崗 （1973-）

男，1996年畢業于河北理工學院，現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術研討會。在國家級刊物發表數篇技術論文。參與建材行業水泥磨自動化控制的設計及調試工作。

摘要：節能減排工作是十一五期間發展的的重要工作內容。全數字勵磁調速是交流繞線異步電機串級調速的一種發展，是一種性能穩定，可靠性高，易于控制的一種節能調速方式。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速（該電機工作在第四象限、發電狀態），即把電能回饋給低壓電網。同時被調速電機由于轉速發生變化，它所需的電能也明顯減少，進而到達節約電能的目的。

關鍵詞：電動機；軸功率；頻率；極對數；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，節能減排工作已經進入實質性階段，公司針對5號窯的設備進行認真分析，對具有節能潛力的窯頭風機進行充分論證后，決定對其進行節能改造。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能服務協議書的要求，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計、實施的節能技改工程。

1 節電原理

1.1 工藝節能原理

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

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

                                圖1   管道、風機的特性曲線

    風機在正常運轉中，風機額定轉速為n0,閥門全開時的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口風量為Q1。流量-轉速-壓力關系曲線如下圖所示。在現場控制中，通常采用風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阻力特性由r0變為r1，系統工作點沿方向I由原來的A點移至B點；受其節流作用壓力H1變為H2。風機軸功率實際值（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、風機效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設總效率（η c·η b）為1，則風機由A點移至B點工作時，電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變風機的轉速n，當流量從Q1減小至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統工作點將沿方向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，只有管網阻力的情況下，系統滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節能效果。

1.2 電氣實現原理 

    根據異步電動機原理：n=60f/p(1-s)     (1)

    式中：n : 轉速   f : 頻率   p : 電機磁極對數   s : 轉差率

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

    節能本質：

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

    由于風機葉輪轉動慣量較大，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。符合設備改造的硬件要求。由于該設備原設計是通過閥門調節風量滿足生產工藝要求，通過改造后增加由北京紫御灣科技有限公司生產的ZYW系列調速節能裝置，對上述設備的電機進行調速，達到調節風量滿足生產工藝要求及節能的目的。原有配電系統及閥門調節系統保留作為備用，以確保設備運行的可靠性和生產過程的連續性。

2 節能實施方案的討論

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

    起動過程：在準備生產時，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，電機達到穩定全速運行。

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

                             圖2   窯頭引風機節能改造接線圖

    說明：

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

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

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

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

    （5）控制信號接口如圖3所示

                              圖3   窯頭引風機節能改造信號接口圖

    與DCS接口信號量如下：

    4路開關輸入量：遠程/就地位、裝置運行、裝置故障、報警。

    2路開關輸出量：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 節能方案的實施及節能效果

    公司設備的運行參數：

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

                                表1   窯頭引風機設備參數

負荷類型	風機/泵	匹配電機型號	YRKK560-10
設備型號	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	額定轉速	592r/min
效率	88%	轉子電壓	590V
額定轉速	570r/min	轉子電流	426.1A

                                表2    窯頭引風機運行參數

參數名稱	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（設定范圍：0----2000Pa）
目前電機實際運行電流	28A----30A
目前的風機轉速	570r/min
年運行時間	6500小時---8000小時

    電機設備數量：1臺   

    啟動方式：水電阻啟動

    數據分析：根據風機類負載機械特性及節能理論，結合公司目前窯頭設備生產運行狀況。我公司5#窯窯頭風機節能分析主要依據以下幾點：

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

    （2）閥門：閥門開度一般在40% ~ 60%之間，從風機入口管網的壓損，有較大部分是由于閥門阻尼產生，若能采取措施，降低風機轉速，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，完全能滿足生產工藝。

    （4）改造依據：在管網中某一點（工藝測點），流量保持某一數據的前提下，風壓不變。因此，改造后，把閥門調到100%，通過全數字勵磁調速系統對電機進行降速，風機降速后，保證風量不變，即保證了工藝點風壓不變。

    工程分析：

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

    經過設備安裝調試后，經過試運行后，各項技術指標均滿足使用要求，工作性能穩定，節能效果明顯。同時，經過雙方代表經過連續5天的測試，對該節能設備進行投入與退出進行節能測試，節電率達到40％，5號窯按90％的運轉率計算，該設備投入運行后，該風機年節約電量為66萬度電。下表3、表4為雙方測試的具體節能數據。

                                   表3   雙方測試的具體節能數據

                                   表4   雙方測試的具體節能數據

4 結論

    總之，該節能設備的投入運行是公司一次節能改造大膽嘗試，目前，該設備經過幾個月的運裝后，現設備運轉良好，投切正常，即保證了生產，同時又能夠很好地進行節能。