水泥廠大型風機常用拖動模式的探討

伍先舟

水泥廠是24小時連續運行企業，也是用電大戶，設備的穩定運行和電能的消耗關系到企業的運行質量和運行成本。其中風機占有很大的比例，特別是大型風機，這些風機在工藝線中的作用也非常重要。因此，在選擇這些風機設備時除了要特別關注設備本體的技術參數外，還要把設備電機配置和拖動模式的選擇作為重要內容，為生產長期穩定運行奠定良好基礎。拖動模式的選擇需綜合考慮電動機和電控裝置雙重因素。

1 拖動模式分類及簡介

1.1 直接起動運行模式

基本原理：此方案是直接起動運行的典型方案。直接起動也稱全壓起動，是最常用的起動方式，它是將電動機的定子繞組直接接入電源，在額定電壓下起動，具有起動轉矩大、起動時間短的特點,也是最簡單、最經濟和最可靠的起動方式。

該方案設備由高壓開關QF和電動機M組成（見圖1）。運行時，合上高壓開關QF即可起動運行電動機M。

1.2 液體電阻起動器起動運行模式

基本原理：此方案是將電動機的定子繞組直接接入電源，液體電阻起動器接電機轉子回路，當一次高壓柜開關合上后，液體電阻起動器即開始工作。液體電阻起動器的基本原理是通過機械傳動裝置使導電液體中兩平行極板的距離逐漸減小直至為零，使串入電機轉子回路中的電阻值平滑減小，從而實現繞線式大中型電動機的重載平滑起動，起動結束后轉子回路自動短接，電動機全速運行。

液體電阻起動器又稱“液體變阻器”（俗稱“水電阻”），是為改善大中型繞線式交流異步電動機的起動性能而研制的新型起動器，已獲得廣泛應用。它克服了頻敏電阻起動器沖擊電流大、難起動和操作不便等缺陷，適用于大型設備的電動機重載起動，是頻敏電阻起動器和金屬電阻起動器的替代產品。

圖1 直接起動運行模式

該方案設備由高壓開關QF、電動機M（繞線式電機）、水電阻和短接接觸器KM3組成（見圖2）。運行時，合上高壓開關QF，水電阻動極板向靜極板均勻移動，使電動機M平滑起動，起動完成時短接接觸器KM3短接，電動機全速運行。

1.3 變頻器起動運行模式

圖2 液體變阻器起動運行模式

基本原理：此方案屬典型變頻調速方案，一次高壓柜接變頻器輸入端，變頻器輸出端與電動機定子相連。通過變頻器實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元和檢測單元微處理單元等組成。變頻器通過內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。另外，變頻器還有很多保護功能，如過流、過壓、過載保護等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

此方案設備由變頻器（含整流變壓器）和高壓開關QF、電動機M組成（見圖3）。運行時，合上高壓開關QF，啟動變頻器并給定需要的頻率，即可使電動機M在適當的速度下運行，隨時通過給定頻率來調節電動機的轉速。

圖3 變頻器起動運行模式

圖4 變頻器+工頻手動旁路直接起動運行模式

表1 變頻器起動運行模式電壓配合方式

表2 變頻器+工頻手動旁路直接起動運行模式電壓配合方式

表3 變頻器+工頻手動旁路液體電阻起動器起動運行模式電壓配合方式

該方案變頻器具有五種電壓配合方式，可根據需要選擇（見表1）。

1.4 變頻器+工頻手動旁路直接起動運行模式

基本原理：此方案是變頻調速系統工頻手動旁路的典型方案，是對變頻調速方案采取的一種保障運行的補充措施。該方案是以變頻運行為主、工頻運行為輔的方式，當變頻器故障時可以采用工頻直接起動維持設備運行，保證生產不停止。

該方案設備由變頻器（含整流變壓器）、3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3和高壓開關QF和電動機M組成（見圖4）。要求QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS3斷開，QS1和QS2閉合，合上高壓開關QF給變頻器送電，再啟動變頻器使電動機運行；工頻運行時，QS1和QS2斷開，QS3閉合，合上高壓開關QF直接啟動電動機M并全速運行。

該方案變頻器有兩種電壓配合方式，見表2。

1.5 變頻器+工頻手動旁路液體電阻起動器運行模式

基本原理：此方案也是變頻調速系統工頻手動旁路方案之一，定子回路原理同第四種方案，考慮了當電動機的功率因電網無法滿足直接起動時而采用液體電阻起動器起動方式。該方案也是以變頻運行為主、工頻運行為輔的方式。當變頻器故障時可以采用工頻液體電阻起動器起動維持設備運行，保證生產不停止。

該方案設備由變頻器（含整流變壓器）、3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3和高壓開關QF、液體電阻、短接接觸器和電動機M組成（見圖5）。要求QS2和QS3之間存在機械互鎖邏輯，不能同時閉合。變頻運行時，QS3斷開，QS1和QS2閉合，此時短接接觸器自動吸合（轉子回路短接），合上高壓開關QF給變頻器送電，再啟動變頻器使電動機運行；工頻運行時，QS1和QS2斷開，QS3閉合，此時短接接觸器自動處于斷開位置，合上高壓開關QF，水電阻動極板向靜極板均勻移動，使電動機M平滑起動，起動完成時短接接觸器KM3短接，電動機全速運行。

圖5 變頻器+工頻手動旁路液體電阻起動器運行模式

該方案變頻器有兩種電壓配合方式，見表3。

圖6 液體電阻起動器起動+轉子變頻器運行模式

1.6 液體電阻起動器起動+轉子變頻運行模式

基本原理：轉子變頻調速系統，分內反饋式和外反饋式兩種，這里介紹外反饋式，如圖6所示。轉子變頻調速系統是一種以低壓控制高壓、以小功率控制大功率、以轉子控制定子的合理方案。該系統原理可靠，性能先進，結構新穎，具有調速平滑、效率高、結構簡單、成本低等特點，與普通的高壓定子變頻相比，轉子變頻調速系統體積小，成本低，易維護，自耗電少，節電效率高。

調速原理是電機定子繞組接高壓電網，轉子繞組接整流器，斬波器根據用戶給定轉速進行速度調節，控制斬波器開通和關斷時間，即占空比，從而控制轉子回路電壓，改變轉子電流，進而控制電動機的轉差率，再經有源逆變器輸出，通過逆變變壓器將轉差功率回饋給電網，因此減少定子繞組從電網中吸取的能量，達到高效調速節能的目的。該方案近年來得到大量使用，電控設備占用空間較小，投資小，特別適合改造項目。

表4 拖動模式比較

表5 5000t/d熟料生產線水泥企業大型風機常用配置表

該方案設備由高壓開關QF、液體電阻、短接接觸器KM3、電動機M、切換接觸器KM1和KM2、整流器、斬波器、有源逆變器、逆變變壓器、接觸器KM4等組成（見圖6）。運行時，先起動電動機，即KM1合上，KM2斷開，合上高壓開關QF，起動液體電阻起動器，啟動完畢短接接觸器KM3短接，電機全速運行。調速時，KM2、KM4合上，KM1斷開，用戶給定轉速進行速度調節。當轉子變頻調速系統發生故障時，轉子回路自動切換到液體電阻起動器狀態下運行。

2 拖動模式比較（見表4）

3 拖動模式選擇及舉例

根據5000t/d熟料生產線水泥企業情況，配有這樣一些大型風機（見表5）。

選擇拖動模式時，應根據工藝和設備需要來決定，關注電動機和電控裝置的選擇。首先應看設備是否需要調速、是否有節電空間，其次要看電網狀況和設備的起動特性，還要考慮設備運行的穩定可靠性。

（1）原料磨（輥磨）循環風機，該設備功率大，根據工藝要求，該設備一般風門開度要求大，基本上全開，風量調節很小，因此該設備不選擇調速；該設備功率大，需要降低起動電流減少對電網沖擊，選用繞線式電動機和液體電阻起動器起動較為合適，為此選用液體電阻起動器起動運行模式。

（2）預熱器風機，該設備功率比較大，根據工藝要求，該設備需要調節風量，且范圍較大，首先要選擇變頻器調速，再根據電網要求和變頻器發展趨勢建議采用變頻器+工頻手動旁路液體電阻起動器運行模式，以提高主機設備系統運轉率。

（3）窯頭排風機、窯尾排風機、煤磨排風機，該設備功率一般，根據工藝要求，該設備也需要調節風量，且范圍較大，首先要選擇變頻器調速，考慮該設備功率情況和電機、變頻器的維護難易程度對主機設備運行的影響，該設備采用690V變頻器起動運行模式較為穩定可靠。

（4）水泥磨排風機，該設備功率較小，根據工藝要求，該設備調節風量較小，可以不選擇變頻調速。為降低起動電流選擇液體電阻起動器起動運行模式，簡單方便。

（5）輥壓機循環風機，該設備功率一般，根據運行情況和工藝要求，該設備實際也需要調節風量，且范圍較大，具有一定的節能空間，首先要選擇調速；如果是新建項目，建議采用變頻器+工頻手動旁路液體電阻起動器運行模式以保證水泥生產線的連續運轉，如果是改造項目，電控室空間有限，為減少投資，選擇液體電阻起動器起動+轉子變頻運行模式完全可以滿足以上要求。

綜上所述，選擇適合的運行模式除了考慮設備自身的技術要求和工藝要求外，還要依據企業的實際情況來綜合決定，使之既能滿足工藝設備的運行要求，又能節約能源，保證設備運轉率，為整個生產線的長期穩定運行打下良好基礎。■