1 引言
(1) 水泥工藝概述
水泥是建筑中三大才之首的建筑材料，是建筑中三大膠凝劑(石灰、石膏、水泥)之一，和石油、鋼鐵并稱為國民經濟三大基礎命脈。
水泥工藝過程，通常簡要地概括為“兩磨一燒”，即首先將原料粉磨成生料，然后經過煅燒形成熟料，再將熟料粉磨成水泥。除了水泥生產中主要單元操作外，水泥生產中還包括其他重要生產環節:如破碎、烘干、配料、均化、儲存、計量、輸送、收塵等。

圖1 水泥工藝圖
(2) 水泥廠的變頻節能
水泥廠亦是個耗電大戶，近幾年來應用變頻器的項目逐日擴大。主要是立窯的羅茨鼓風機、園盤給料機，予加水成球，螺旋輸送機、粉碎機、破碎機、皮帶輸送機，以及排風扇等。應用后不但節省了電費支出，并提高了產品質量，亦增加了使用上的靈活性，對不同工藝性要求適應性更強。變頻調速技術在我國水泥行業的應用日趨廣泛。在生產工藝需要調速的許多環節，如回轉窯、單冷機、喂料機、配料系統、風機、水泵等，以交流變頻調速取代調壓調速、滑差調速以及直流調速已成為一種必然趨勢。
(3) 水泥廠的變頻器安裝和使用
水泥廠因生產線粉塵較大，調速機械大多安裝在室外或庫下，環境較其它行業相比較為惡劣，而操作人員一般集中在電控室，變頻器作為較精密的儀器設備，生產現場時常無人且環境較差，對設備不利。故在水泥生產線上，變頻器應安裝在電控室內。如要求多臺變頻器安裝在同一電控室的某一個控制屏內，則必須采用抗干擾的措施以保證系統正常工作。
變頻器控制線必須采用屏蔽電纜，并且在布線范圍內必須與動力線相距>0.1m，相交時必須轉90°，千萬不要將控制線與動力線放在同一電纜托架(或線框)內，以避免變頻器控制信號受到干擾。變頻器負載輸出線也要采取屏蔽措施，選用鎧裝電纜，以避免變頻器對附近儀表產生干擾。部分變頻器頂部有散熱孔，灰塵和金屬物易于由此進入裝置內部，應采取防護措施，防止內部短路。在變頻器接線時要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會立刻損壞設備。
通常變頻器連接到電機的電纜長度要求不能超過50m，使用屏蔽電纜不能超過25m。這就必須要考慮變頻器到受控電機之間的距離問題，在水泥廠中一般會碰到超過規定距離的情況。通常解決的方法有兩個，其一是在超過規定距離的線路上串入電流值適合的出線電抗器;其二是加大變頻器功率一個等級，這種方式特別適合于多臺集中群控、安裝位置狹小擁擠、要求規范(如微機配料系統)等場合。

2 機立窯供風系統變頻調速裝置
在風機上的應用濕法水泥回轉窯大都采用離心通風機調節窯內風量，由于生產過程中工礦的不斷變化及其他多種因素的影響，設計選型時，離心通風機通常預留較大富裕量;所以在實際的使用過程中，為滿足大窯的工礦要求，在進風管道中設置電動閥門、擋風板等裝置，通過閥門開度來調節風量，這種通過增加系統阻力來改變風量的辦法，造成大量的電能消耗。而采用調速方式調節風量節電效果就十分理想。風機調速節電原理:對風機進行調速控制屬于減少空氣動力節電方法，是一種比較理想的節電方式。它和調節風門控制風量方法向比較，有明顯的節電效果。
因此不少立窯爐水泥廠都已選用變頻器對立窯尤其是羅茨鼓風機進行技術改造后，都收到了十分顯著的經濟效果，節電率可達30％~50％，改變了過去以調節出口(進口)閥門開度方式來調節風壓或風量的生產方式，勞動強度減輕，調節的及時性好，提高了產品的合格率，單耗明顯下降，這是個成功的應用范例，值得向大家推薦的。
羅茨鼓風機個恒轉矩負載，其節電率與轉速降成正比，雖然不同于一般風機、水泵節電率更高，但因它的功率較大，而且只要爐墻不壞，是連續24小時工作的，并開動時間亦很長。因此節電潛力大，節電費用高，值得向大家推廣使用變頻器，這一先進的技術成果，投資回收期亦短約在一年內。
國內中小城市及縣級水泥廠數以千計，大都是立窯生產水泥的，故大有市場潛在力，若再配上水泥微機配料自動裝置后，更是錦上添花的大好事。

3 回轉窯變頻調速系統
3.1 回轉窯傳動現狀
在水泥廠回轉窯拖動上的應用近十幾年來，回轉窯主拖動一直使用直流調速。但這種調速電路復雜，維修難度大，操作繁瑣，導致轉速不平穩，增加了操作人員的看火難度;直流電動機在溫度高、粉塵大的惡劣環境中工作，其炭刷、整流子損壞嚴重，維修費用高。
回轉窯負載的特點分析:啟動時回轉窯內的物料處于正下方，在窯起動并不斷加速的過程中，整個窯體及窯內的物料克服自身慣性而升速，當物料偏移正下方比較大角度時，此時所需轉矩比較大，這是個加速過程，一個克服設備巨大慣性的過程。一旦驅動電流克服了這種大慣性負載而起動起來，維持正常運轉所需的驅動能量及轉矩就很小了。根據回轉窯的這種負載特點，選擇變頻器及電動機的功率就比較復雜，功率選擇過大，起動沒問題，但正常運轉時出現大馬拉小車現象，能耗大，一次性投資加大;功率選擇小些適合于正常運行，效率高投資小，但不能正常起動。
當然，所謂窯的基本特性為恒轉矩，是指它在正常運轉條件下的特性，但在啟動過渡過程中卻遠非如此。窯啟動轉矩與上次停窯時的工況、窯內物料理化狀況、停窯時間以及此間的窯彎曲變形、各軸承油膜傷失程度、物料溫度降低等因素相關，難以確切量化。但從窯啟動的角度來說，克服堵轉轉矩和越過窯內物料滾落點轉矩為其關鍵所在。
3.2 回轉窯的變頻控制
回轉窯的負載形式，對變頻器進行合理的參數調試十分重要;即在低頻段適當提高v/f的值，這樣有利于提高電動機出力;但在滿足起動要求的情況下，提升值越小越好，這樣做能減小電動機損耗，降低電動機溫升，避免造成過流保護。
關鍵參數設定:比較低頻率。由于煤粉中經常混有各種雜物，起動時往往負荷較大，除我們適當選大電動機和變頻器容量外，關鍵是設定一個起動頻率，這樣有足夠的轉矩使電動機正常起動。
關鍵參數設定:加減速時間。根據生產工藝的要求，起動時間和停車時間不能太快，太快容易過流過壓現象，合理選擇加減速時間非常重要。
3.3 回轉窯變頻應用效果
(1) 節能效果明顯
變頻器是利用電壓輸入頻率來控制電機轉速及輸出功率,在負荷一定時,轉速降低,輸出功率隨之降低。原電機平均電流150a,平均電壓380v,輸入功率98.98kw。通過技改后,電機平均電流83a,平均電壓380v,輸入功率44.70kw,電流下降了45%,輸入功率降低了55%。
(2) 調速范圍寬
窯電機轉速范圍為0～1440r/min,正常狀態時轉速為800～1300r/min,而變頻器調速范圍在0.5～400hz之間,完全滿足生產工藝對回轉窯窯速的要求。
(3) 電動機起動無沖擊,運行平穩
原電機直接起動電流達正常電流的4～6倍,起動過程設備振動大。使用變頻器后,電動機在起動開始時輸入的轉矩較小,然后再逐漸平滑提升,這樣減小對設備的沖擊,起動電流小于正常運轉電流的1.5倍。
(4) 可靠性高
該裝置具有多種自保護功能。包括瞬間過電流保護,過壓、欠壓保護,漏電、過熱保護,過載、短路保護等,還可以防止電機失速,故障率低,為穩定回轉窯的熱工制度創造了必要的條件。

4 水泥破碎機變頻應用
在水泥粉磨工藝中，球磨機入磨物料粒度的大小，對其臺時產量影響較大，預破碎工藝作為提高磨機臺時產量、降低粉磨電耗的重要途徑，引起了許多水泥企業的重視。根據工藝要求，水泥立窯放料每次持續2～3min，間隔2～3min，但目前幾乎所有水泥企業中破碎機處于工頻恒速運行狀態，24h連續運轉，造成電能的巨大浪費，并影響電機和破碎機的使用壽命。另一方面，由于破碎機具有十分大的慣性，不易頻繁啟停，所以即使使用變頻器也難以解決系統制動時產生的泵升電壓引起保護電路動作，使系統無法正常工作。
針對系統的以上特點，利用系列變頻器實現破碎機的變頻調速和軟啟動;利用再生能量回饋單元克服破碎機制動過程中產生的過高的泵升電壓;利用plc實現系統的邏輯閉環控制，使破碎機的工作與立窯放料同步，實現間歇運行。從而在改善工藝控制質量的同時，比較大限度地節約了電能，降低了生產成本。現場調試和運行結果表明，系統運行可靠，節電率可達60%以上。
上述系統已在某水泥廠投入實際運行。系統根據送料信號自動實現啟制動運行，破碎機運行速度連續可調。電機可以實現頻繁軟啟動，基本無啟動電流沖擊，啟動力矩足夠。系統在變頻運行條件下，若變頻器突然故障，則自動切換至“工頻”狀態繼續運行，同時發出聲光報警信號(內部可選)。根據現場工況需要，將有放料信號時變頻運行給定頻率設為43hz，系統運行電流為27a，運行電壓280v，改造后的系統平均每年耗電5.7萬度。根據現場記錄，系統在改造前工作頻率為工頻50hz，運行電流為32a，運行電壓400v，平均每年耗電19.42萬度。改造后的節電率為70.6%。該系統的突出優點如下:
(1) 利用變頻調速技術改造了水泥熟料破碎機的拖動系統，滿足了破碎機的低速、間歇運行特點，保證了工藝控制質量，節能效果明顯，并有利于延長破碎機和電機的使用壽命。
(2) 利用能量回饋控制技術克服破碎機大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運行。系統除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護功能和故障自診斷功能外，還增設了電機過熱、控制回路保護及報警。
(3) 利用可編程控制器plc實現了各種邏輯控制、變頻器啟制動自動控制及手動/自動、工頻/變頻轉換和故障自切換等功能，使系統控制靈活方便，功能齊全。

5 艾默生變頻器在水泥廠窯尾料漿喂料中的應用
在濕法水泥窯煅燒過程中，窯尾料漿的喂料控制是至關重要的一環，它直接關系到水泥熟料的產量和質量。傳統的喂料控制方式有2種:

圖2 新喂料框圖
(1) 勺式喂料:單位勺的容積一定，通過調節直流電機轉速來控制喂料量，這是老濕法窖普遍喂料方式，計量較準，但控制較復雜;
(2) 采用閥門調節，用電磁流量計進行計量的方式，這是近幾年發展起來的喂料方式，控制較簡便，但閥門執行器頻繁動作，易出故障。以上兩種方式料漿泵都是以工頻恒速運行的。對于料漿泵，具有以下特性:其(流量)q∝n(轉速)，(揚程)h∝n2，(軸功率)w∝n3。當流量減小時，如果泵的轉速也隨之下降，則軸功率可以降低很多，如果采用改變料漿泵的轉速來調節料漿的流量，就能節約大量能量。而變頻器具有良好的驅動性能，包括pid控制等先進控制算法、豐富的控制功能以及節能節電等顯著特點，因此可以采用變頻器來對原喂料方式進行改造。
5.1 系統組成
新喂料框圖如圖2所示，各環節如下:
(1) 變頻器:由于美國艾默生公司的變頻器性價比高，選用它的ev2000變頻器作為控制系統的執行器;
(2) 流量計:流量計為國內生產的電磁流量計，輸出為標準4~20ma電流信號，比較大流量為60方/小時;
(3) 料漿泵:使用原來的料漿泵(150ng)，密封性較好，低速運行時不漏漿。
5.2 效果分析
本系統經改造投入運行后，工作穩定可靠，操作方便，取得了顯著的經濟效益。采用變頻控制，料漿泵啟/停時無沖擊電流，正常運行時相對運行轉速較低，使機械損耗減小，漿泵葉輪磨損明顯減小，檢修周期加長，可以不備用料漿泵，機械效率得到提高。本系統另一重要特點是能夠節約大量電能:改造前料漿泵恒速運行，電流平均為110a，改造后喂相同的料漿，電流降為55a，節約功率37.5kw(漿泵為75kw)，不到半年就可收回成本，而且在新線的土建施工時，由于漿直接抽進窯而少了平衡倉，還可以減少土建高度，費用也相應減少。
在喂料系統中應用變頻調速技術，實現了漿泵的速度由實際喂漿量的多少來進行自動調節，比漿泵在額定轉速下運行節約大量電能，并且可實現喂料自動化，是提高機械效率和減少能耗的有效方法。

6 結束語
變頻器在水泥行業其他方面的應用還有以下幾個方面:
(1) 生料均化給料系統
將所有送料口處的送料電機用變頻器同步進行無極調速，等比例送料，操作人員只需觀察螺旋給料機的總輸料量，調整送料電機轉速快慢即可。這樣均化效果大大提高，非生產耽擱時間減少50%以上。
(2) 成球預加水系統
生料成球工序是影響水泥熟料燒結質量的關鍵工序之一，其中，料、水比例直接影響成球好壞。變頻器通過對成球預加水泵電機轉速進行無極調速調節，時刻跟蹤生料供給量，進行等比例加水，從而使半機械化、半手工加“人腦”(即憑經驗)控制的落后工藝跨上了全自動化、電腦控制的新臺階。
(3) 水泥選粉系統
根據水泥桔的不同，要求水泥成品粉粒細度不同，每次都重復這樣的過程:
拆開機組→調整扇頁→裝上機組→試選→檢驗細度直到選出的粉粒達到要求的細度為止。變頻改造之后的選粉系統，只須按下提前預置的不同標號細度按鈕，選粉機選出的粉粒就對應所需要的細度。做到了連續化、自動化生產，即節約了寶貴的時間又提高效率，降低勞動強度，綜合效益明顯。
(4) 在隔膜泵上的應用
某水泥廠隔膜泵的設計流量為120m3/h，由電動機帶動皮帶和齒輪傳動，通過連桿使活塞往復運動，通過隔膜的壓力把料漿噴射到窯內。由于根據窯內生產情況，可以不斷的通過調節電動機速度來調節料漿流量，所以是變負荷負載。采用變頻器對其進行控制，通過幾年的使用證明，運行十分可靠，噪聲極低，機械傳動裝置的運行周期提高60%，大大降低了檢修成本，另外由于是變負荷調速，節電效果十分明顯。