王志岗 （1973-）

男，1996年毕业于河北理工学院，现就职于河北太行水泥股份有限公司，工作期间曾多次参加自动化控制及电机拖动等学术研讨会。在国家级刊物发表数篇技术论文。参与建材行业水泥磨自动化控制的设计及调试工作。

摘要：节能减排工作是十一五期间发展的的重要工作内容。全数字励磁调速是交流绕线异步电机串级调速的一种发展，是一种性能稳定，可靠性高，易于控制的一种节能调速方式。本篇论文主要阐述把绕线式电机二次能量通过整流传给直流电动机，由该直流电机拖动鼠笼电机，使其达到异步电机的同步转速（该电机工作在第四象限、发电状态），即把电能回馈给低压电网。同时被调速电机由于转速发生变化，它所需的电能也明显减少，进而到达节约电能的目的。

关键词：电动机；轴功率；频率；极对数；负载

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

    十一五期间，节能减排工作已经进入实质性阶段，公司针对5号窑的设备进行认真分析，对具有节能潜力的窑头风机进行充分论证后，决定对其进行节能改造。本次改造是按河北省太行水泥股份有限公司与北京紫御湾科技有限公司签署的节能服务协议书的要求，由河北省太行水泥股份有限公司与北京紫御湾科技有限公司共同设计、实施的节能技改工程。

1 节电原理

1.1 工艺节能原理

    在水泥立窑煅烧生产过程中所需要的风量是经常随工艺的需要而进行不同程度调节的，传统的控制手段是通过调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产需求的大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了，也就是说，该调节方法势必造成电能的大量的浪费，而根据流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。离心风机这类负载，只要原来采用阀门控制流量，且不是满负荷工作，改为调速运行，均能实现节电。当转速下降为原来的80%时，功率只有原来的51.2%。可见，在该类设备中引入调速装置，都具有节电效果。　

图1为风机的特性曲线，通过该图的分析，能够更确切的了解风机改变速度后，它的具体节能效益。　

                                图1   管道、风机的特性曲线

    风机在正常运转中，风机额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口风量为Q1。流量-转速-压力关系曲线如下图所示。在现场控制中，通常采用风机定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。风机轴功率实际值（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 分别表示功率、流量、压力、风机效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（η c·η b）为1，则风机由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变风机的转速n，当流量从Q1减小至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。

1.2 电气实现原理 

    根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s)     (1)

    式中：n : 转速   f : 频率   p : 电机磁极对数   s : 转差率

    由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性谐波成分较大，对电网造成一定的污染，使很多电子设备受到干扰。采用改变级对数的方法，电机转速只能是恒定值，无法满足生产工艺的需求。采用改变转差率的方法，从电机的二次作文章，调整电机二次回路的阻抗特性，进而达到调节高压电机转速的目的，同时把二次能量通过整流调速装置，利用鼠笼异步电动机在第4象限的工作模式（即发电状态下），把电能反馈给低压电网。使设备简单，而且对电网污染减少。因此采用全数字励磁调速，不仅可以实现无级调速，而且经济、节能。（具体见附表1）     

    节能本质：

    降低了阀门的阻尼，降低了管损。而电机功耗与风机转速比成三次方的关系，因此，在风机阀门在100%打开的情况下，降低风机的转速，进而达到节约电能的目的。
 
    硬件要求：

    由于风机叶轮转动惯量较大，因而电机采用的是绕线式电动机，这样即保证了电机的起动力矩，也保证了电机的起动时间。符合设备改造的硬件要求。由于该设备原设计是通过阀门调节风量满足生产工艺要求，通过改造后增加由北京紫御湾科技有限公司生产的ZYW系列调速节能装置，对上述设备的电机进行调速，达到调节风量满足生产工艺要求及节能的目的。原有配电系统及阀门调节系统保留作为备用，以确保设备运行的可靠性和生产过程的连续性。

2 节能实施方案的讨论

    该方案是：新增全数字励磁调速装置。在主电机转子回路中通过接触器K1接入调速装置，启动器可变电阻前与主机转子绕组间增加接触器K3，系统接线图如图2所示：

    起动过程：在准备生产时，接触器K1、K2打开，K3闭合。电机起动正常后，K3打开，K2闭合，随后，电机达到稳定全速运行。

    节电装置投入过程：首先投入交流异步电动机，然后投入该节能装置，闭合接触器K1，切断K2，该节电装置投入到电动机二次回路，主机的二次电流经全波整流后给直流电机的电枢，同时，调节励磁装置（调节励磁电流），相当于主电机二次侧串入反电势，进而达到调节主机转速的目的。

                             图2   窑头引风机节能改造接线图

    说明：

    （1）新增调速装置为ZYW系列全数字励磁调速装置，包括控制柜、机组。

    （2）数控励磁调速装置故障时候，数控励磁调速装置自动退出，主机转子回路投入短路接触器，可保障主电机继续运行。主机停机或装置接到退出命令后，数控励磁调速装置自动退出。

    （3）需要增加一条380V、75kW馈电回路，以便主机转差功率馈入低压系统。

    （4）利用原10KV开关柜上的智能型电能计量装置，分别测量安装数控励磁调速装置前后的主电机的用电量；数控励磁调速控制柜有一个双向电能计量表，计量数控励磁调速装置向低压系统馈入的电量。节约的电能计算依据来自两个方面，一方面是主电机一次10kV开关柜电能计量表显示节约的电能；另一方面是数控励磁调速装置电能计量表计量的馈入低压电网的电能，这两部分电能之和作为确定节电效益的依据。

    （5）控制信号接口如图3所示

                              图3   窑头引风机节能改造信号接口图

    与DCS接口信号量如下：

    4路开关输入量：远程/就地位、装置运行、装置故障、报警。

    2路开关输出量：启动、停止。

    1路模拟输入量：速度反馈值。

    1路模拟输出量：速度给定值。

3 节能方案的实施及节能效果

    公司设备的运行参数：

    该节能改造技术方案是针对河北太行水泥股份有限公司5＃窑、日产2500吨生产线窑头引风机设备进行讨论并实施的。该设备的参数及工艺运行参数见表1，表2.

                                表1   窑头引风机设备参数

负荷类型	风机/泵	匹配电机型号	YRKK560-10
设备型号	Y4-73-11 NO.28D	额定功率	400kW
轴功率	400kW	额定电压	10KV
额定流量	400000m3/h	额定电流	33.9A
压力(扬程)	2000Pa	额定转速	592r/min
效率	88%	转子电压	590V
额定转速	570r/min	转子电流	426.1A

                                表2    窑头引风机运行参数

参数名称	运行状况
目前的阀门开度	43%左右（开度范围在30%----60%）
目前的入口压力	-338Pa（设定范围：0----2000Pa）
目前电机实际运行电流	28A----30A
目前的风机转速	570r/min
年运行时间	6500小时---8000小时

    电机设备数量：1台   

    启动方式：水电阻启动

    数据分析：根据风机类负载机械特性及节能理论，结合公司目前窑头设备生产运行状况。我公司5#窑窑头风机节能分析主要依据以下几点：

    （1）压力：风机额定压力－2000Pa，目前测点压力－338Pa，说明实际生产工艺要求与风机能力之间差别较大，故有节能空间。

    （2）阀门：阀门开度一般在40% ~ 60%之间，从风机入口管网的压损，有较大部分是由于阀门阻尼产生，若能采取措施，降低风机转速，并将阀门全开，则压损有很大的降低空间。

    （3）电流：电机额定电流33.9A，实际运行电流29A左右，说明电机没有满载运行，适当降低电机速度，完全能满足生产工艺。

    （4）改造依据：在管网中某一点（工艺测点），流量保持某一数据的前提下，风压不变。因此，改造后，把阀门调到100%，通过全数字励磁调速系统对电机进行降速，风机降速后，保证风量不变，即保证了工艺点风压不变。

    工程分析：

    一般阀门开度与流量有S型曲线关系，在阀门开度处于30%到80%之间，阀门开度α与风机流量Q有近似线性关系；在管网特性不变的情况下，风机流量Q与转速n也有正比关系。按阀开度50%计，按实际风机工艺的保守测量，风机流量约为最大流量的70%，即当阀门打开到最大时，风机转速为额定转速的70%左右。理论上，风机轴功率P正比于n3，但是在实际生产工艺中，管道有漏风、阀门特性有偏移、管道有脏堵，综合各种因素，风机功率往往不可能降到n3这样小；经查阅相关资料，保守算法P正比于n1.5。目前，我公司窑头冷收尘电机额定功率400KW，查阅相关资料，风机转速达70%（满足工艺要求）左右时，风机所需功率为400＊0.71.5＝234KW。目前风机实际消耗功率为1.732＊29＊10＊功率因数＝300KW。节电率＝（300－234）/300，约为22%左右。

    经过设备安装调试后，经过试运行后，各项技术指标均满足使用要求，工作性能稳定，节能效果明显。同时，经过双方代表经过连续5天的测试，对该节能设备进行投入与退出进行节能测试，节电率达到40％，5号窑按90％的运转率计算，该设备投入运行后，该风机年节约电量为66万度电。下表3、表4为双方测试的具体节能数据。

                                   表3   双方测试的具体节能数据

                                   表4   双方测试的具体节能数据

4 结论

    总之，该节能设备的投入运行是公司一次节能改造大胆尝试，目前，该设备经过几个月的运装后，现设备运转良好，投切正常，即保证了生产，同时又能够很好地进行节能。