变频器调速的节能原理及在水泥行业的应用

房地产和重大工程建设项目的持续升温，建材行业也得到空前的发展。建材行业作为典型的高能耗产业，与我国能源短缺，价格高涨形成尖锐的矛盾。降低水泥，玻璃，电解铝等产业的耗电量，除了提高管理水平外，必须从技术和产业的进步中来寻找突破口。变频器作为节能降耗的一个主要产业，技术成熟，产品稳定，价格日益降低，客户使用维护水平提升，都为变频器在建材行业的大量使用提供了条件。目前除了大批量改造项目以外，新建的建材项目在配置时都已经将电机的变频调速作为节能降耗的首要考虑。麦格米特变频器在上述产业中都有大量成功应用，为我国的节能降耗作出了应用的贡献。

一、变频器调速的节能原理

全世界用电量约有60%是通过电动机消耗掉的。

生产机械中电动机的负载千差万别，依照通用分类法则，可将负载分为平方负载，恒转矩负载，恒功率负载等。这三种负载与能耗关系如下图（P代表功率，M代表转矩，n代表转速）：

从节能角度考虑，我们主要分析平方类负载，而这类负载在建材行业约要消耗70%以上的能量。那么这类负载为什么会存在节能控制？

1、设计裕量的考虑。建材项目设计时要考虑项目运行时间长，前后期工艺差异大，必须留有足够的裕量。如鼓风机和引风机设计规定风量要达到5－10%的裕量，因此在选型设计时是以最大风量和风压裕量来作为依据的，而风机系列是有限的，在选不到合适的型号时只能往上靠，这有电机选型功率比实际需要的功率大20－30%就比较常见。

2、在实际生产操作时，对于靠阀门挡板等进行节流调节的风机负载，它们增加了系统管路的阻尼系数，造成电能的浪费。而选择变频器，则可以根据生产实际需要进行精确的流量调节。

二、变频调速的理论节能分析

各种风机、泵类负载，因P ∝n3，理论上功耗与转速是三次方关系，故应用变频器后，节电效果显著，下表是为风机，泵类负载应用变频器后，在不同流量Q*，转速n*，轴功率P*（额定值的相对值百分数）以某频率值时的节电率。

可以看到，当流量降低时，降低电机转速，可以达到很高的节电率 。

三、水泥厂变频器应用

1、变频器在立窑罗茨风机上的应用

我国的大多数2KT/D以下水泥厂在立窑上配备有160~220KW罗茨风机（产量较大的生产线立窑上配套使用的风机功率更大），传统的风量控制方法是依靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的风量较为恒定，而煅烧时根据窑内情况需要随时调节风量，当窑内需要减少风量时，是通过放风阀放走多余的风量，造成严重的能源浪费。

水泥立窑煅烧熟料所耗的电能中，罗茨鼓风机的电能消耗占60%左右，随着电价的调整（整体上是上升趋势），电费在水泥生产中所占生产成本的比重将越来越高。因此降低鼓风机的能源消耗成为提高企业经济效益的重要环节。

水泥生产工艺要求风量随窑内条件进行调节，调节风机的鼓风量，对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率来进行无级调速来调节风量，给变频器的应用与节能留下较大的空间。实践中也证明确实如此：某2KT/D水泥厂132KW罗茨风机上安装麦格米特MV300变频器后，节电率高达60%，吨熟料电耗由安装变频器前的15度下降为安装后6度；某1KT/D水泥厂在水泥熟料旋窑生产线流态化系统55KW罗茨风机上安装变频器后，节电率高达70%，日耗电量由原来的600度下降到安装以后的180度，日节电420度。

红星水泥厂在风机应用变频器前后的电耗的对比表：

2、离心风机，水泵类设备上的应用

除罗茨风机外，水泥厂还存在大量的用离心式风机进行供风的地方，该种水泥窑的风量调节是通过风门开度对风量进行调节。对离心式风机，水泵的变频改造同样有巨大的节能潜力。离心式风机泵类设备流量与转速成正比。因此在调节风量或流量时，如降低20%流量或风量，功耗将下降近50%，但是转速与压力成平方关系，当转速下降20%时压力将下降36%，这是与罗茨风机不一样的地方，改造时需要考虑。

供水泵使用变频器后，是通过安装在管网出口处的压力传感器与变频器内部设置的压力构成闭环自动控制回路，使整个系统自动控制流量保持压力恒定，使供水泵在最佳节能状态下运行，这与传统带有储水池的供水设备相比较，节省建筑面积，节电效果理想，同时还有节水降噪，提高可靠性，无二次污染等优点。

3、 空压机上的节能应用

空气压缩机恒压供气使用变频器与压力构成闭环控制系统，使压力波动降到1%以下，此外还具有降低噪音，减少震动，保证设备的长期稳定运行，从而减少设备维护，延长设备使用寿命。变频调速改造以前压力波动比较大，并且要求空压机不能带压启动。现在变频器可以在任何压力下随意启动，启动电流大大降低。通过变频器的实际应用，多数压缩机的节电率在25%以上。但是压缩机的电机功率都较大，从几十个千瓦到几百个千瓦，变频器的应用使控制的品质大幅提高，同时经济效益也十分明显。

4、 卸料机/选粉机上的应用

立窑卸料机上一般采用18.5—30KW滑差调速电机，转速通常控制在300-1000RPM（工艺上要求）。滑差电机的特性就是转速越低，效率越低，且特性很软。采用变频器调速取代原来的滑差调速，经过几家的应用结果证明平均节能在４０％左右。滑差电机原理如下：

由此可见滑差电机的转速越低，能源效率越低，而卸料机的转速一般在400RPM左右运行，因此应用变频器调速的方法取得４０％以上的节能效果是必然的。

选粉机设备原来使用75KW滑差电机拖动，设备简单，价格低廉。但是电机本体噪音高，震动大，能耗高，无功损耗大轴承的故障也高，滑差控制仪安装在粉尘飞扬的电机旁边，多次出现无法调速，突然失速等故障，现场维护量大，影响整个系统的安全运行。系统设计控制电机运行在594RPM，现场测试的电气参数输入电压385V，输入电流72A，功率因数0.82，输入功率为40KW，经进行变频调速改造后（配MV300G-4T75变频器），现场测量参数为输入电压387V，输入电流18A。功率因数为0.92，输入功率为11KW（变频器标配直流电抗器）。因此滑差电机调速更改为变频调速后，设备节能效果明显，大大降低维护量。

5、在预加水成球系统中的应用

目前，预加水成球工艺技术在立窑中已经非常普遍。该工艺在提高成球质量，改善煅烧操作条件，提高立窑熟料产量和质量取得比较明显的效果。利用变频器自身良好的系统集成性，通过现场总线PROFIBUS-DP与上位机进行总线通信，利用集中控制实现双回路调节，能够实现水料比例自动跟踪调节。使预加水系统真正起到加湿成球作用，提高成球质量，为立窑生产出优质高产的熟料创造了条件。

四、水泥行业变频器潜在市场分析

变频器在水泥厂的应用不仅仅在以上几个方面，在回转窑、球磨机、卸料机、圆盘给料机、双管绞刀、群板喂料机调速皮带称、喂料绞刀、蓖冷机等需要进行交流调速部分。随着国家在环保方面制度不断出台，对环保的要求也会越来越高。旋风除尘，布袋式除尘器等产品应用节能改造项目将更加明显。

五、总结分析

从以上理论结合实际的应用情况可以看出，水泥厂使用变频器有以下突出的优点：

1、满足工艺要求，MV300G矢量控制变频器调速范围达到100１，而水泥工艺过程中调速范围在10:1范围内即可满足工艺要求。

2、变频器的使用便于进行集中控制，提高工厂的自动化水平。麦格米特MV300G不仅标配RS485通讯接口，支持MODBUS协议，而且支持PROFIBUS-DP，CANOPEN等现场总线，通过内置的专用通信卡，和DCS系统或PLC系统进行无缝集成，使设备的集中监控成为可能，大大降低人员维护费用提高设备可靠性。

3、变频器产品平滑的调速特性，精确的速度控制大大提高产品质量。麦格米特变频器自身在适应恶劣的电网环境，现场环境等方面都进行了针对的处理，如专门的防电网冲击电路，瞬停不停功能，以及电路/散热的分离设计，三防漆处理都手段，既提高了变频器可靠性，也保证了设备的稳定运行，同时变频器具备的软启动特性，也减轻了电流冲击和机械冲击的磨损。

4、变频器可以实现节能，降低成本消耗，获得可观的经济效益。

审核编辑：郭婷