一、前言

高壓交流變頻調速技術是90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電機的變頻調速，其技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式（如串級調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等）。高壓變頻以其顯著的節能效益、高的調速精度、寬的調速范圍、完善的保護功能、方便的通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，成為企業電機節電方式的首選方案。變頻調速技術現已被應用于各行各業，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業的電機節能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭EP風機、生料磨循環風機的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，并取得了顯著的經濟效益，現以荊門某水泥廠的窯尾高溫風機變頻改造為例，對高壓變頻應用于水泥行業的節能改造進行分析與總結。

二、變頻調速節電原理

異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。

由式     n＝60f/p（1—s）

可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

變頻調速具有如下顯著的優點：

（1）由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現象，因電機定速旋轉不可調節，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節徹底解決了這一問題；

（2）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；

（3）某些工況負載需頻繁調節，而檔板調節線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調節響應極快，基本與工況變化同步；

（4）異步電動機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；

（5）可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。

（6）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。

對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n²正比；輸出軸功率P與轉速n³正比；即：

Q₁/Q₂＝n₁/n₂  

H₁/H₂＝(n₁/n₂)² 

P₁/P₂＝(n₁/n₂)³

當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為

E=〔1-( n′/n)³〕×P×T (kWh)

式中： n——額定轉速

n′—— 實際轉速

P——額定轉速時電機功率

T——工作時間

可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。

三、SH-HVF變頻器原理及特點

SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環發展股份有限公司在充分消化與吸收國內外高壓變頻技術的基礎上，總結同行的經驗與教訓，綜合分析當今世界上現有的高壓變頻技術研制開發出的新一代高壓變頻器，該變頻器采用直接高-高變換的方式，多重化移相整流、多電平串聯倍壓的技術方案，優化的PWM控制算法，實現優質的可變壓變頻（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。

1、結構簡介

SH-HVF系列高壓變頻器柜由單元柜（含控制柜）、隔離移相變壓器柜、工頻旁路柜（含變頻器進線柜、變頻器出線柜）三部分組成，典型的SH-HVF變頻器結構如圖1所示。

圖1  SH-HVF變頻器結構

2、技術特點與功能

（1）直接高-高變換，設備體積小，整機效率高；

（2）輸入側采用多重化移相整流技術，電流諧波小，功率因數高；

（3）采用多功率單元串聯技術，輸出波形失真小，輸出諧波低；

（4）高可*性設計，控制信號經光纖傳送，實時可*；

（5）主電路模塊化設計，安裝、調試、維護方便；

（6）系統熱備份，嚴重故障時自動旁路；

（7）內置PID調節器，可開環或閉環運行；

（8）可選擇現場控制、遠程控制；

（9）完善的保護性能：過流、過壓、過載、過熱、輸出三相不平衡等多種保護功能內置；

（10）高度智能化設計，開放式的軟件和硬件設計方案，便于系統升級；

（11）全漢化中文界面，彩色液晶顯示功能，方便操作；對工作電流、電壓等參量進行實時檢測、長期存儲并可隨時查閱；

（12）靈活方便的接口配置；數字量、模擬量、通訊接口完備、靈活，與用戶現場的DCS系統、各類現場總線完善配合，并可選配遠程通訊控制單元，實現異地遠程監控；

（13）個性化設計，減小用戶現場的干擾和沖擊；軟起、軟停避免對電纜、用電設備及電網的沖擊。

3、相關保護

（1）變壓器防浪涌保護：在變壓器上電瞬間，特別的設計防止浪涌電流對系統的沖擊

（2）功率單元輸入過流保護：檢測到功率單元輸入過流后,功率單元自動旁路

（3）功率單元輸入過壓、欠壓保護：檢測到功率單元直流電壓過高、欠壓后自動旁路保護單元，輸出不受影響

（4）輸出電流不平衡保護：當輸出長時間電壓不平衡時，跳閘保護電機

（5）輸出電壓不平衡保護：當輸出長時間電流不平衡時，跳閘保護電機

（6）系統過流保護：當輸出電流超過設定的電流過流值時，跳閘保護電機

（7）系統過載保護：當輸出電流超過設定的電流過載值時，跳閘保護電機

（8）短路、接地、輸入電源斷相、輸出斷相、過電壓、欠電壓、過溫等，系統將跳閘保護

4、用戶接口

SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供有壓頻曲線設置接口，閉環控制接口、用戶側高壓開關控制接口，用戶急停接口，用戶頻率反饋接口，用戶頻率給定接口，用戶報警信號查詢接口，用戶DCS接口以及用戶需要的其它的變頻器運行的參數、實時數據、歷史數據等接口，這些接口包括電壓、電流、數字通訊接口等多種形式。

5、高壓變頻器的控制原理

高壓變頻器原理框圖如圖2所示。

圖2  單元串聯變頻器原理柜圖

單元數的多少視電壓高低而定，以SH-HVF-Ⅰ型6KV變頻器為例，每相為8單元，三相共有24單元。每個功率單元的輸入電壓為400V，輸出電壓為0～430V，每相8個功率單元串聯，則對應的最高相電壓為0～3450V，三相星形連接的最高線電壓為6000V。每個功率單元承受全部的電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。

24個功率單元在移相變壓器上都有各自獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。移相變壓器的副邊繞組共24組（每相8組），構成48脈波整流方式。這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善電網側的輸入電流波形，使其負載下的網側功率因數接近于1。

功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT�？旖M成，如圖3所示。進入功率單元的低壓交流經過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態電平，每相8個單元疊加，就可產生17種不同的電平等級，分別為±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。

圖3  功率單元電路

8個功率單元在逆變側串聯成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態分配技術和適當的控制算法，在輸出側得到一組逼近正弦波的階梯波，與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質與正弦波的擬合程度非常好，再配以優化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好，du/dt小，可減小對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度幾乎不受限制，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機械應力。

整個系統的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個智能操作面板（觸摸屏）和一些開關、電源、繼電器等組成。其中，PLC完成整個變頻調速系統的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數設定、運行參數狀態顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產生、移相，并轉換成光信號，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可*隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統提供了較高的容錯能力，當工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運行。整套控制系統的設計原則是可*、實用、簡單。

高壓變頻器主體結構如圖4所示 。

圖4  高壓變頻器主體結構

6、高壓變頻器功率單元冗余設計

SH-HVF系列高壓變頻器設置有單元旁路組件，一旦某一個功率單元出現故障，旁路控制可自動將其旁路，使其退出運行，并同時將備用功率單元投入，保證整個系統的正常工作。使整個系統由原來的串聯可*性結構變成為并聯可*性結構。采用功率單元旁路技術和冗余功率單元設計方案，大大的有利于提高系統的可*性。

一旦功率單元發生故障并被旁路，系統控制自動進行補償或者降額使用，以保持電機電壓平衡。為了補償跌落的電壓，每相最多為8個功率單元的系統可為每相配備2個額外的功率單元（選件）。該6個備用功率單元用來補償跌落的電壓。如果沒有配備備用功率單元，則變頻器將工作在稍低的輸出電壓，但是仍然提供全部額定電流。

功率單元旁路系統包括每個功率單元一個旁路接觸器，一個接觸器控制板（安裝在功率單元柜內）以及主控系統與接觸器控制板之間的光纖連接。如圖5所示，當功率單元正常時，旁路接觸器不動作，其常閉主接點將功率單元接通輸出；若功率單元故障，旁路控制封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，并使旁路接觸器動作，其常閉主接點斷開，將功率單元從串聯回路中切除，并將本單元外輸出接線直接短接。

圖5  單元旁路控制原理

四、水泥廠高溫風機高壓變頻改造

1、窯尾高溫風機系統簡介

目前水泥廠生產線一般均為干法懸窯，其窯燒成系統流程簡圖如圖6所示。

圖6  窯燒成系統流程簡圖

旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依*窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。

均化好的生料預熱后在回轉窯內煅燒成熟料，回轉窯內需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內達到很好的熱處理。窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。

荊門某水泥廠目前有三條干法懸窯生產線，日產為2000t、700t、2500t，分別為1995年、1998年、1999年投產，到現在已運行6～10年，并擁有一臺12MW中、低溫余熱發電機組，由于發電成本較高，余熱發電現已停運。

日產2500t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，日產2000t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1400kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調節液力耦合器的速度從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。

由于設備使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調整的控制回路失靈不能自動調節，在運行中*手動調節置于固定轉速比。在運行是時仍*風機擋板進行風量調節，當窯系統工況變化較大時，現場值班人員根據中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調節，運行操作非常不便。

2005年，水泥廠準備對于2000t、2500t的兩條生產線進行提產，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產的條件，故提產一直未能實現。

2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調速改造，目前運行情況良好，2000t的生產線的產量目前達2300t，2500t的生產線的產量目前達2900t，而高溫風機變頻調節的耗電量還稍少于原液力耦合器調節的耗電量。

2、高溫風機變頻改造方案

經過對原系統進行分析，對原系統的風壓控制由原來的液力耦合器調節改為變頻器調節，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。

變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖7所示，變頻器控制接入原有的DCS系統，由DCS系統來完成正常操作。

圖7  變頻器連接圖

為了充分保證系統的可*性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節，降低風機輸出風量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。

根據水泥廠提供的負載參數及運行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關柜容量400A。為2500t的窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關柜容量400A。

3、改造過程簡述

由于原電機控制為液力耦合器調速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據現場環境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設方便。

由于現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風設計上，設計了大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網，這樣使進入變頻器室內的空氣經過通風窗濾灰，進入變頻器室內的灰塵大大減小。

由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。

為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。

變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連接*背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現場僅作少量調整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調整，安裝方便快捷。

五、高壓變頻器取代液力耦合器節能分析

1、液耦調速與變頻調速的耗電分析

水泥廠原高溫風機帶有液力耦合器調速，現將液耦調速改造為變頻器調速。圖8為液力耦合器進行風機調整時的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調速的耗電特性對比。現根據曲線及對比表對液力耦合器改為變頻器調速的耗能情況進行對比分析。

η： 液力偶合器的效率
Ns：液力偶合器的損失功率
I： 液力偶合器的輸出與輸入轉速之比
Nd：電機功率

Nf：負載功率

圖8  液力偶合器的功率損失圖

表1  液耦與變頻調速的耗電特性

變頻運行時高溫風機風量按85%計算，從表中查得對應的變頻比液耦節電率為：

19.1×（100-85.7）/（100-80）=13.6 %

節電功率為：13.6%×1550=210kW

2、變頻改造實際節能情況

水泥廠高溫風要變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。

表2  2500t窯高溫風機改造前后對比表

表3  2000t窯高溫風機改造前后對比表

上述數據為改造后窯系統產量增加的條件下風機耗電對比，由于現在產量提高，改造后比改造前風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節電功率。

2500t窯高溫風機節電功率：      1550－1500＝50（kW）

2500t窯窯尾EP風機節電功率：   154－100＝54（kW）

2000t窯高溫風機節電功率：      1260－1200＝60（kW）

2000t窯窯尾EP風機節電功率：   138－70＝68（kW）

根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，2500t窯在額定2500t的產量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產量耗電功率下降約190kW。2000t窯在額定2000t的產量下，高溫風機6kV側電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產量耗電功率下降約200kW。由此可推算出兩臺高溫風機在額定產量下的節電量。

2500t窯高溫風機節電功率：1550－1360＝190（kW）

2000t窯高溫風機節電功率：1260－100＝200（kW）

此為估算節電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統的產量達15%倍，由此而產生的增產效益是非常大的。

 六、高壓變頻器在水泥廠使用中應注意的問題

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，操作人員一般集中在中控室。而高壓變頻器作為較精密的儀器設備，對環境要求較高，而生產現場時常無人且環境較差，對變頻設備運行非常不利。故在水泥生產線上，高壓變頻器應安裝在配電室內，或專門建造房屋。

由于高壓變頻器一般采用強迫風冷，通過變頻器的空氣所帶的灰塵較多，因此，變頻器在水泥廠使用時，必須加強防塵設計和維護，有條件的場合，可設置變頻器專用室，采用空調冷卻。

變頻器頂部裝有散熱通風孔及風機，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，推薦使用整體風罩方案。

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一定距離，相交時必須轉90°角，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。

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要超過150m，使用屏蔽電纜不能超過150m，這就必須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，因此在變頻器的房屋設計上需根據現場條件合理安排。

變頻器的控制一般需接入到DCS系統，而中控室到風機間有一定的距離，因此，變頻器接入DCS系統時，一般通過現地工作站進行轉接，在控制電纜接入時需注意抗干擾處理。

七、變頻改造總結

根據我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優點。

(1)安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。

(2)操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。

(3)能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。

(4)保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可*性高。

(5)電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著。

(6)由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護費用降低。

(7)電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。

交流變頻調速器，以適用性強、可*性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對兩條生產線的四臺電機進行了成功的改造，不僅節能效果明顯，提高了整個系統的工藝性能，同時也使兩條生產線大大提高了產量，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。

八、結語

目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調速技術目前已經比較成熟，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。