英威腾CHF100系列变频器在立窑风机中的应用
一、引言
在水泥行业，由于电费的成本已成为原材料成本，人工成本之后的第三大开支；在用电紧张的今天，节省电费已成为企业经营者考虑的一件大事；而水泥厂的立窑风机是水泥厂的重要设备之一，也是主要的耗电设备之一。立窑风机的容量是按照机械立窑最大的设计产量来选型的，且留有一定的余量。在使用中，立窑风机长期固定在最大的转速下运行。由于季节、昼夜和生产工况的变化，机立窑的实际风量需求在绝大部分时间内远比设计负载低；在转速固定的情况下，当立窑风机的风量过剩时，只能通过旁通风管排放掉（或控制风门的进风量），这样就造成立窑风机功耗的严重浪费，故对立窑风机进行变频节能改造具有一定的现实意义。
二、变频节电原理
二、变频节电原理
对于风机来说，风量Q与转速n成正比，风压F与转速n的二次方成正比，而轴功率P 与转速n的三次方成正比（见表1），从表中我们可以看出上述几个量的变化关系：
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转速N%
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风量Q%
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频率H%
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风压F%
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轴功率P%
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100
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100
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50
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100
|
100
|
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90
|
90
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45
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81
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72．9
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80
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80
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40
|
64
|
51．2
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70
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70
|
35
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49
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34．3
|
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60
|
60
|
30
|
36
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21．6
|
|
50
|
50
|
25
|
25
|
12．5
|
显然，变风量控制系统的节能效果是十分突出的。如图一示为风机风压H-风量Q曲线特性图:
n1-代表风机在额定转速运行时的特性；
n2-代表风机降速运行在n2转速时的特性；
R1-代表风机管路阻力最小时的阻力特性；
R2-代表风机管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
风机在管路特性曲线R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小风量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机的工作点移到R2上的B点，风压增大到H2，这时风机所需的功率正比H2Q2的面积，即正比于BH2OQ2的面积。显然风机所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。
若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。
三、 立窑基本参数和工作原理
1、窑炉的基本参数
1）机械立窑参数
1、规格：（窑径×高度）2.0×8.5 ,2、 年产量：普通水泥5～7万吨
3、喂料方法：单嘴布料溜子11KW， 4、溜子回转速度：6.48转/分
5、塔篦子形式：整体双偏心， 6、塔篦子转速1.2～12.2转/分,
7、传动方式：中心传动，功率15KW ， 8、料封形式：垂直管料封，
9、出料粒度：不大于100毫米
1）机械立窑参数
1、规格：（窑径×高度）2.0×8.5 ,2、 年产量：普通水泥5～7万吨
3、喂料方法：单嘴布料溜子11KW， 4、溜子回转速度：6.48转/分
5、塔篦子形式：整体双偏心， 6、塔篦子转速1.2～12.2转/分,
7、传动方式：中心传动，功率15KW ， 8、料封形式：垂直管料封，
9、出料粒度：不大于100毫米
2）风机参数
风机功率：132KW，额定电压：380V，额定电流：245A，转速2980转/分，
运行电流：120A～180A；风量：12776m3/h；风压：21995Pa；起动方式：△/Y
风机功率：132KW，额定电压：380V，额定电流：245A，转速2980转/分，
运行电流：120A～180A；风量：12776m3/h；风压：21995Pa；起动方式：△/Y
2、立窑烧成工作原理
由料斗提升机将配置好的生料加一定比例的水，送至成球机成球，然后由布料器匀均地施入窑炉中，圆球状的生料颗粒由底部的离心风机送风在窑炉中部充分燃烧，到窑炉底部冷却后，由塔篦子旋转，将烧好的熟料下到漏斗中，经适量喷水，经熟料破碎机后进入下道工序。由此可见，机立窑风机的配置的好坏直接影响到水泥的产量，故此，许多水泥厂厂家在风机上做文章，加大电机功率，加大风量与风压，往往适得其反。
由料斗提升机将配置好的生料加一定比例的水，送至成球机成球，然后由布料器匀均地施入窑炉中，圆球状的生料颗粒由底部的离心风机送风在窑炉中部充分燃烧，到窑炉底部冷却后，由塔篦子旋转，将烧好的熟料下到漏斗中，经适量喷水，经熟料破碎机后进入下道工序。由此可见，机立窑风机的配置的好坏直接影响到水泥的产量，故此，许多水泥厂厂家在风机上做文章，加大电机功率，加大风量与风压，往往适得其反。
从整个立窑系统装机的设备功率来看，罗茨风机电机功率为132KW，是整个机立窑系统装机功率的一半，对煅烧来说是一个用电较大的设备。它的改造成功将对厂家有较深远的意义。
四、 用户对变频节能改造后功能的要求
a） 要求变频器的跟随性能好，质量稳定可靠，故障率低。
b） 要求壹台变频器可两地操作（也就是提供两块操作面板），一块用延长线联结至窑面上，替代原操作系统；该块操作面板可以任意设定、修改参数，根据生产情况任意调节风量大小，能控制变频器的启停。另一块操作面板必须放在有人值班低压配电室内，只提供运行参数监视和开启、关闭变频器，不能设定参数和修改参数，不能调整风量的大小。
c） 在窑面和低压配电室两处都必须安装应急紧急停车按钮。
在用风量较小的情况下，必须保证电机的温升和电机的噪声不得超过允许的范围
在用风量较小的情况下，必须保证电机的温升和电机的噪声不得超过允许的范围
五、立窑风机变频调速节能改造方案设计
1）根据现场情况和用户的要求，我们设计安装一台品质优良、性能稳定可靠的平方转矩（风机水泵型）英威腾变频器，其型号CHF100-132G/160P-4，容量为132KW；并联在原风机起动柜主回路电路中，并和原主电路做成安全电器互锁；对立窑风机进行变频节能控制，具体的控制频率，由窑炉操作员工根据实际生产工艺和窑炉的煅烧情况，通过控制变频器面板上的上、下键操作，就能控制窑炉风量的大小。从而放弃了立窑风机过去传统的控制方式，改造成了目前调速效果最好、节电效果最佳的变频调速。
2）在变频器的硬件上只要通过一条485通讯外接键盘，就可制作成两路面板控制；键盘和主板之间可用1200米以内的屏蔽线联结，以满足用户的要求。保留原风机窑面和值班室两处的紧急停车按钮，在空开和变频器之间的主电路中，增设交流按触器。用钢材把原放风阀封牢。变频改造后要依次合理调节每一个窑炉风腰的开度。
变频节能系统特点
1、采用CHF100变频器，调速范围宽，变频器调速范围能适应各种调速设备的要求，频率范围0.00-400.00Hz可调；
2、控制精度高，变频器的数字设定分辨率为±0.01%,模拟设定分辨率为±0.1%；
3、控制功能强，能满足各种不同的控制系统，通过端子可与各种频率设定信号连接，如：0~10V，4~20mA。可通过端子控制正反转等多种操作；
4、通过合理调整转矩提升，转矩限定功能，电流限幅功能参数，可满足大起动转矩，运行中负载突化也不会引起跳闸等事故；
5、保护功能齐全，变频器有23种保护功能，对过压、欠压、过流、过载、过热均能通过cpu高速计算并给予保护，且能对发生故障的原因给予纪录；
6、16段的简易PLC，多段速成及PID控制，摆频功能
7、瞬时停电不停机功能，自动电压调整功能，当电网电变化时，能自动控制保持 输出电压恒定。
8、转速追踪再起动功能，实现对旋转中的电机的无冲击平滑起动
9、提供RS485物进通讯端子转接口，采用MODBUS协议，支技RTU和ascii 两种传输格式 ，可方便组网，实现上位机监控
10、独创多种快捷调试模式，方便用户调试。
六、变频参数的设定
变频器安装完毕后，必须对变频器的参数进行合理的设定，有些参数和设定，将直接影响变频器的运行，导致电机不能启动，造成工程改造的失败。所以在设定时要耐心细致，使参数设定和电机匹配。下面的参数是根据煅烧工艺和窑炉操作工现场试运行确认的参数。仅供大家参考。
基本参数
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序号
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功能描述
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设定值
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备注
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1
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控制方式
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键盘控制
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P0.03=0/1
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2
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上限频率
|
50HZ
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P0.05=50
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3
|
加速时间
|
110S
|
P0.07=110
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4
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减速时间
|
110S
|
P0.08=110
|
|
5
|
转矩提升
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2%
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P0.10=7
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6
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载波频率
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8KHZ
|
P0.03=8
|
|
7
|
停车方式
|
自由停车
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P0.03=1
|
|
8
|
运行频率给定
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0/1
|
P3.01=0/1
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七、立窑风机变频改造中注意事项
1） 变频器的停车方式设定为自由停车。由于风机是大惯量负载，若加减速时间设定过短，在加速时过程中容易会出现过流、过载，在减速时容易出过电压保护，但设定时间过长，会导致风量调节缓慢，跟随性能会变差，使系统易处在短期不稳定状态中，有时满足不了窑炉生产的要求。因此，在满足变频器正常运行（不跳故障）的前题下，尽量把加减速时间设定合理。
八、变频改造后的节电效果
为了了解应用变频调速技术后产生的节电效果，我们和厂方一起做了在相同工况条件下的节电效果测试，具体原始数据如下：
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时间
|
8月31日（24H）
|
9月1日（24H）
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9月2日（24H）
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9月3日（24H）
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9月4日（24H）
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9月5日（24H）
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9月6日（24H）
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工频运行
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2640
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2720
|
2680
|
2688
|
2656
|
2704
|
2712
|
|
变频运行
|
2240
|
2280
|
2264
|
2248
|
2224
|
2256
|
2232
|
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节省用电
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400度
|
440度
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416度
|
440度
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432度
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448度
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480度
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从上面数所可知立窑风机每天平均节约电费436.5度；按厂家提供的数据，水泥厂立窑风机全年运行 10个月（即300天计算）, 电价每KW.h为0.50元，则全年节约电费为：
300天×436.5度×0.50=65,475（元）
此后该项目每年可为厂家节约电费6.5万元，经济效益非常显。
300天×436.5度×0.50=65,475（元）
此后该项目每年可为厂家节约电费6.5万元，经济效益非常显。
九 、本系统的特点
1）采用节能单机控制，根据生产的实际需要通过调节风机的转速调节送风量，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。
2）实现了风机的高效调速，调速平稳、精度高，调速过程中转差损耗小，由于降速运行和软启动，使电机启动电流大大减小，起动时定、转子消耗减少，对延长电机寿命十分有利。
3）CHF转速追踪功能，能实现对旋转中的电机快速启动。
4）系统具有过载、过流、过压、短路、欠压保护措施，使系统的运转率和安全性、可靠性大大提高，有效地防止了喷窑的发生.
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