1 引言
(1) 水泥工艺概述
水泥是建筑中三大才之首的建筑材料，是建筑中三大胶凝剂(石灰、石膏、水泥)之一，和石油、钢铁并称为国民经济三大基础命脉。
水泥工艺过程，通常简要地概括为“两磨一烧”，即首先将原料粉磨成生料，然后经过煅烧形成熟料，再将熟料粉磨成水泥。除了水泥生产中主要单元操作外，水泥生产中还包括其他重要生产环节:如破碎、烘干、配料、均化、储存、计量、输送、收尘等。

图1 水泥工艺图
(2) 水泥厂的变频节能
水泥厂亦是个耗电大户，近几年来应用变频器的项目逐日扩大。主要是立窑的罗茨鼓风机、园盘给料机，予加水成球，螺旋输送机、粉碎机、破碎机、皮带输送机，以及排风扇等。应用后不但节省了电费支出，并提高了产品质量，亦增加了使用上的灵活性，对不同工艺性要求适应性更强。变频调速技术在我国水泥行业的应用日趋广泛。在生产工艺需要调速的许多环节，如回转窑、单冷机、喂料机、配料系统、风机、水泵等，以交流变频调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速已成为一种必然趋势。
(3) 水泥厂的变频器安装和使用
水泥厂因生产线粉尘较大，调速机械大多安装在室外或库下，环境较其它行业相比较为恶劣，而操作人员一般集中在电控室，变频器作为较精密的仪器设备，生产现场时常无人且环境较差，对设备不利。故在水泥生产线上，变频器应安装在电控室内。如要求多台变频器安装在同一电控室的某一个控制屏内，则必须采用抗干扰的措施以保证系统正常工作。
变频器控制线必须采用屏蔽电缆，并且在布线范围内必须与动力线相距>0.1m，相交时必须转90°，千万不要将控制线与动力线放在同一电缆托架(或线框)内，以避免变频器控制信号受到干扰。变频器负载输出线也要采取屏蔽措施，选用铠装电缆，以避免变频器对附近仪表产生干扰。部分变频器顶部有散热孔，灰尘和金属物易于由此进入装置内部，应采取防护措施，防止内部短路。在变频器接线时要特别注意电源的输入线和输出线绝不能接错，将电源输入线接上变频器输出位置，会立刻损坏设备。
通常变频器连接到电机的电缆长度要求不能超过50m，使用屏蔽电缆不能超过25m。这就必须要考虑变频器到受控电机之间的距离问题，在水泥厂中一般会碰到超过规定距离的情况。通常解决的方法有两个，其一是在超过规定距离的线路上串入电流值适合的出线电抗器;其二是加大变频器功率一个等级，这种方式特别适合于多台集中群控、安装位置狭小拥挤、要求规范(如微机配料系统)等场合。

2 机立窑供风系统变频调速装置
在风机上的应用湿法水泥回转窑大都采用离心通风机调节窑内风量，由于生产过程中工矿的不断变化及其他多种因素的影响，设计选型时，离心通风机通常预留较大富裕量;所以在实际的使用过程中，为满足大窑的工矿要求，在进风管道中设置电动阀门、挡风板等装置，通过阀门开度来调节风量，这种通过增加系统阻力来改变风量的办法，造成大量的电能消耗。而采用调速方式调节风量节电效果就十分理想。风机调速节电原理:对风机进行调速控制属于减少空气动力节电方法，是一种比较理想的节电方式。它和调节风门控制风量方法向比较，有明显的节电效果。
因此不少立窑炉水泥厂都已选用变频器对立窑尤其是罗茨鼓风机进行技术改造后，都收到了十分显著的经济效果，节电率可达30％~50％，改变了过去以调节出口(进口)阀门开度方式来调节风压或风量的生产方式，劳动强度减轻，调节的及时性好，提高了产品的合格率，单耗明显下降，这是个成功的应用范例，值得向大家推荐的。
罗茨鼓风机个恒转矩负载，其节电率与转速降成正比，虽然不同于一般风机、水泵节电率更高，但因它的功率较大，而且只要炉墙不坏，是连续24小时工作的，并开动时间亦很长。因此节电潜力大，节电费用高，值得向大家推广使用变频器，这一先进的技术成果，投资回收期亦短约在一年内。
国内中小城市及县级水泥厂数以千计，大都是立窑生产水泥的，故大有市场潜在力，若再配上水泥微机配料自动装置后，更是锦上添花的大好事。

3 回转窑变频调速系统
3.1 回转窑传动现状
在水泥厂回转窑拖动上的应用近十几年来，回转窑主拖动一直使用直流调速。但这种调速电路复杂，维修难度大，操作繁琐，导致转速不平稳，增加了操作人员的看火难度;直流电动机在温度高、粉尘大的恶劣环境中工作，其炭刷、整流子损坏严重，维修费用高。
回转窑负载的特点分析:启动时回转窑内的物料处于正下方，在窑起动并不断加速的过程中，整个窑体及窑内的物料克服自身惯性而升速，当物料偏移正下方比较大角度时，此时所需转矩比较大，这是个加速过程，一个克服设备巨大惯性的过程。一旦驱动电流克服了这种大惯性负载而起动起来，维持正常运转所需的驱动能量及转矩就很小了。根据回转窑的这种负载特点，选择变频器及电动机的功率就比较复杂，功率选择过大，起动没问题，但正常运转时出现大马拉小车现象，能耗大，一次性投资加大;功率选择小些适合于正常运行，效率高投资小，但不能正常起动。
当然，所谓窑的基本特性为恒转矩，是指它在正常运转条件下的特性，但在启动过渡过程中却远非如此。窑启动转矩与上次停窑时的工况、窑内物料理化状况、停窑时间以及此间的窑弯曲变形、各轴承油膜伤失程度、物料温度降低等因素相关，难以确切量化。但从窑启动的角度来说，克服堵转转矩和越过窑内物料滚落点转矩为其关键所在。
3.2 回转窑的变频控制
回转窑的负载形式，对变频器进行合理的参数调试十分重要;即在低频段适当提高v/f的值，这样有利于提高电动机出力;但在满足起动要求的情况下，提升值越小越好，这样做能减小电动机损耗，降低电动机温升，避免造成过流保护。
关键参数设定:比较低频率。由于煤粉中经常混有各种杂物，起动时往往负荷较大，除我们适当选大电动机和变频器容量外，关键是设定一个起动频率，这样有足够的转矩使电动机正常起动。
关键参数设定:加减速时间。根据生产工艺的要求，起动时间和停车时间不能太快，太快容易过流过压现象，合理选择加减速时间非常重要。
3.3 回转窑变频应用效果
(1) 节能效果明显
变频器是利用电压输入频率来控制电机转速及输出功率,在负荷一定时,转速降低,输出功率随之降低。原电机平均电流150a,平均电压380v,输入功率98.98kw。通过技改后,电机平均电流83a,平均电压380v,输入功率44.70kw,电流下降了45%,输入功率降低了55%。
(2) 调速范围宽
窑电机转速范围为0～1440r/min,正常状态时转速为800～1300r/min,而变频器调速范围在0.5～400hz之间,完全满足生产工艺对回转窑窑速的要求。
(3) 电动机起动无冲击,运行平稳
原电机直接起动电流达正常电流的4～6倍,起动过程设备振动大。使用变频器后,电动机在起动开始时输入的转矩较小,然后再逐渐平滑提升,这样减小对设备的冲击,起动电流小于正常运转电流的1.5倍。
(4) 可靠性高
该装置具有多种自保护功能。包括瞬间过电流保护,过压、欠压保护,漏电、过热保护,过载、短路保护等,还可以防止电机失速,故障率低,为稳定回转窑的热工制度创造了必要的条件。

4 水泥破碎机变频应用
在水泥粉磨工艺中，球磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。根据工艺要求，水泥立窑放料每次持续2～3min，间隔2～3min，但目前几乎所有水泥企业中破碎机处于工频恒速运行状态，24h连续运转，造成电能的巨大浪费，并影响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有十分大的惯性，不易频繁启停，所以即使使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保护电路动作，使系统无法正常工作。
针对系统的以上特点，利用系列变频器实现破碎机的变频调速和软启动;利用再生能量回馈单元克服破碎机制动过程中产生的过高的泵升电压;利用plc实现系统的逻辑闭环控制，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行。从而在改善工艺控制质量的同时，比较大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行可靠，节电率可达60%以上。
上述系统已在某水泥厂投入实际运行。系统根据送料信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器突然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，同时发出声光报警信号(内部可选)。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43hz，系统运行电流为27a，运行电压280v，改造后的系统平均每年耗电5.7万度。根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频50hz，运行电流为32a，运行电压400v，平均每年耗电19.42万度。改造后的节电率为70.6%。该系统的突出优点如下:
(1) 利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破碎机的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长破碎机和电机的使用寿命。
(2) 利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效地保证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的20余种保护功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。
(3) 利用可编程控制器plc实现了各种逻辑控制、变频器启制动自动控制及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功能齐全。

5 艾默生变频器在水泥厂窑尾料浆喂料中的应用
在湿法水泥窑煅烧过程中，窑尾料浆的喂料控制是至关重要的一环，它直接关系到水泥熟料的产量和质量。传统的喂料控制方式有2种:

图2 新喂料框图
(1) 勺式喂料:单位勺的容积一定，通过调节直流电机转速来控制喂料量，这是老湿法窖普遍喂料方式，计量较准，但控制较复杂;
(2) 采用阀门调节，用电磁流量计进行计量的方式，这是近几年发展起来的喂料方式，控制较简便，但阀门执行器频繁动作，易出故障。以上两种方式料浆泵都是以工频恒速运行的。对于料浆泵，具有以下特性:其(流量)q∝n(转速)，(扬程)h∝n2，(轴功率)w∝n3。当流量减小时，如果泵的转速也随之下降，则轴功率可以降低很多，如果采用改变料浆泵的转速来调节料浆的流量，就能节约大量能量。而变频器具有良好的驱动性能，包括pid控制等先进控制算法、丰富的控制功能以及节能节电等显著特点，因此可以采用变频器来对原喂料方式进行改造。
5.1 系统组成
新喂料框图如图2所示，各环节如下:
(1) 变频器:由于美国艾默生公司的变频器性价比高，选用它的ev2000变频器作为控制系统的执行器;
(2) 流量计:流量计为国内生产的电磁流量计，输出为标准4~20ma电流信号，比较大流量为60方/小时;
(3) 料浆泵:使用原来的料浆泵(150ng)，密封性较好，低速运行时不漏浆。
5.2 效果分析
本系统经改造投入运行后，工作稳定可靠，操作方便，取得了显著的经济效益。采用变频控制，料浆泵启/停时无冲击电流，正常运行时相对运行转速较低，使机械损耗减小，浆泵叶轮磨损明显减小，检修周期加长，可以不备用料浆泵，机械效率得到提高。本系统另一重要特点是能够节约大量电能:改造前料浆泵恒速运行，电流平均为110a，改造后喂相同的料浆，电流降为55a，节约功率37.5kw(浆泵为75kw)，不到半年就可收回成本，而且在新线的土建施工时，由于浆直接抽进窑而少了平衡仓，还可以减少土建高度，费用也相应减少。
在喂料系统中应用变频调速技术，实现了浆泵的速度由实际喂浆量的多少来进行自动调节，比浆泵在额定转速下运行节约大量电能，并且可实现喂料自动化，是提高机械效率和减少能耗的有效方法。

6 结束语
变频器在水泥行业其他方面的应用还有以下几个方面:
(1) 生料均化给料系统
将所有送料口处的送料电机用变频器同步进行无极调速，等比例送料，操作人员只需观察螺旋给料机的总输料量，调整送料电机转速快慢即可。这样均化效果大大提高，非生产耽搁时间减少50%以上。
(2) 成球预加水系统
生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一，其中，料、水比例直接影响成球好坏。变频器通过对成球预加水泵电机转速进行无极调速调节，时刻跟踪生料供给量，进行等比例加水，从而使半机械化、半手工加“人脑”(即凭经验)控制的落后工艺跨上了全自动化、电脑控制的新台阶。
(3) 水泥选粉系统
根据水泥桔的不同，要求水泥成品粉粒细度不同，每次都重复这样的过程:
拆开机组→调整扇页→装上机组→试选→检验细度直到选出的粉粒达到要求的细度为止。变频改造之后的选粉系统，只须按下提前预置的不同标号细度按钮，选粉机选出的粉粒就对应所需要的细度。做到了连续化、自动化生产，即节约了宝贵的时间又提高效率，降低劳动强度，综合效益明显。
(4) 在隔膜泵上的应用
某水泥厂隔膜泵的设计流量为120m3/h，由电动机带动皮带和齿轮传动，通过连杆使活塞往复运动，通过隔膜的压力把料浆喷射到窑内。由于根据窑内生产情况，可以不断的通过调节电动机速度来调节料浆流量，所以是变负荷负载。采用变频器对其进行控制，通过几年的使用证明，运行十分可靠，噪声极低，机械传动装置的运行周期提高60%，大大降低了检修成本，另外由于是变负荷调速，节电效果十分明显。