摘要：变频调速技术现已被应用于各行各业，葛洲坝集团股份有限公司于2005年起开始将高压变频器应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、煤磨风机、窑头风机、生料磨循环风机等的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益。
关键词：高压变频器、液力耦合器、高温风机、生料磨循环风机
一、前言
葛洲坝集团股份有限公司水泥厂，该厂以生产中低热大坝水泥而著称。特种水泥成功地应用到葛洲坝工程、三峡水利枢纽工程等一大批国家重点水利水电工程中；普通水泥广泛应用于高楼大厦、长江大桥、高速公路、飞机场、港口码头、隧涵洞、防洪大堤和其它民用建筑，并远销东南亚国家。为响应国家建设节约型社会的政策举措，结合企业自身需求，葛洲坝集团下属很多能耗厂家开始通过对重要能耗点——大型高压电机进行变频改造，从而实现节能降耗、改善工艺的目的。自05年11月，三环在葛洲坝股份有限公司水泥厂投入4套SH-HVF系列高压变频器后，因节能效果显著，受到厂里领导的高度重视，并被厂里纳入节能典型案例进行广泛宣传。随后5年里，三环更推出了适合集团下属各厂实际工况需要的高压变频器，累计至今项目实施已达12期，在七条生产线共投入50多台。已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、煤磨风机、窑头风机，生料磨循环风机的节能改造，取得了显著的经济效益。
典型应用案例：葛洲坝老河口水泥有限公司是中国葛洲坝集团股份有限公司以收购原湖北宝石集团光化水泥有限公司的破产资产为基础，通过投资建设新型干法水泥生产线，2008年3月11日经老河口市工商行政管理局核准成立的一家大型水泥企业。公司位于鄂西北老河口市境内，地处汉水江畔，邻近汉丹铁路、“汉十”公路，铁路专用线与汉丹铁路接轨，自然条件优越，交通十分便利。
公司现有员工760人，其中高中级技术人员65人；现有两条干法回转窑生产线，年生产水泥100万吨，2009年开工兴建的日产4800吨水泥熟料新型干法水泥生产线当年建成投产。年水泥总产能达到300万吨。
日产4800t的窑生产线，高温风机电机配置为10kV1600kW，尾排风机电机配置为10kV1250kW，水泥磨排风机电机配置为10kV710kW（两台），水泥磨循环风机电机配置为10kV400kW（两台），煤磨风机电机配置为10kV630kW，在高温风机的电机与风机之间，配有液力耦合器对风机进行调速，整个工艺过程主要是通过DCS的控制来调节液力耦合器的速度从而调整风机的风量，达到控制窑内负压。
二、原来用液力耦合器缺陷：
1．液力耦合器属于一种机械调速设备。液力耦合器的原理决定了液力耦合器有5-8%的速度损失。同时功率损失变为热量，使液压油温过高。需要大量冷却水冷却液压油。
2. 在实际运行中油温高于95℃以上，使冷却器的水易结垢堵塞，造成故障。
3. 由于液力耦合器是用液压油传递功率，因此速度控制不稳定、功率因数低、调速精度差。
4. 液力耦合器整机效率低，功率因数低，调速精度差，调速本身的损耗大、维护量大、二次成本过高，所以节能效果不明显。
三、高压变频调速系统简介：
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机最为合理的调速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
高压变频调速具有如下显著的优点：
（1）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频后不再存在；
（2）异步电动机功率因数由变频前的0.85左右提高到变频后的0.95以上；
（3）可实现零转速启动，无启动冲击电流，从而降低了启动负载，减轻了冲击扭振。
（4）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h) 式中： n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
四、SH-HVF系列变频器主要优势简介
4.1 高压变频器拓扑结构
SH-HV系列高压变频器是采用交-直-交、直接高-高变换方式，整流侧采用大容量电容器滤波的电压源型高压变频器。变频器逆变主电路拓扑采用多电平形式，变频器每相采用多个功率单元（Power Cell）串联，逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压非常接近正弦波。
拓扑图如下所示：
4.2 变频器带故障运行方式
当有功率单元故障时，变频器可通过线电压自动均衡技术，输出最大的功率而不至于跳机影响生产，用户可以根据设备的报警自行确定停机维修时间。
4.3 频率分辨率
频率分辨率为0.01Hz，每周波频率误差小于1微秒。
4.4 谐波指标
输出电流谐波失真<2%；变频调速系统产生的谐波满足并高于中国“GB/T 14549电能质量公用电网谐波”及“IEEE519”国际标准的规定。变频装置考虑将对电网谐波影响减至最小的措施包括：a、移相变压器；b、单元串联技术；c、优化的PWM算法；d、多脉冲整流技术。
4.5 线电压自动均衡技术
变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
4.6 控制电源双电源自动切换技术
变频器的控制电源采用“双电源自动切换”方案，以最大限度的保证控制电源的可靠性。
“双电源自动切换”：一路电源由用户提供，另外一路电源来自变频器主回路隔离移相变压器二次侧独立绕组，两路电源由双电源自动切换装置自动切换后提供给控制柜使用，切换时间约为40ms。
五、高压变频器在水泥行业应用中的主要问题及应对措施
5.1 高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题
窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。
高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
三环公司生产的水泥行业专用变频器采用无速度矢量控制技术，针对水泥厂高温风机塌料引起的电机过载保护现象，采用矢量控制原理，在塌料发生时，变频器能够根据测量到电压、电流信号的变化，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行控制，使得即使塌料发生时变频器照样运行不过载，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器载运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，保证了生产的连续运行。
5.2高温风机变频的电源波动与运行可靠性问题
水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。国内的许多企业往往装备多条生产线，每条生产线均有主要辅机设备组成，每当大容量辅机设备启动时，电源母线电压都有较大的跌落（超过-15%），会影响到同条母线上的其他设备正常运行，针对这种现象，三环高压变频器在软件上进行了特殊设计，保证了电网电压在-35%-15%波动时变频器维持运行，不停机。
5.3变频器应用的环境与散热问题
由于水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，作为电子与电力电子设备，而且由于产生约3～4％的损耗发热需要散热，而一般采用风冷散热，三环公司生产的水泥行业专用变频调速系统，系统的器件选型设计裕度大，单元布局独特布局，优化散热器与风道设计，提高单元散热效果，以确保系统运行温升低，环境适应能力强，实践证明可以经受住水泥厂恶劣环境的考验。
六、高温风机变频改造方案：
目前水泥厂生产线一般均为干法悬窑，其窑烧成系统流程简图如图所示。
窑烧成系统流程简图
旋窑是一个有一定斜度的圆筒状物，预热机来的料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动来促进料在旋窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。
均化好的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料，回转窑内需要合适的气压及温度，才能使煤粉有一定的悬浮时间进行充分燃烧，生料才能在窑内达到很好的热处理。窑内因物料的堆积变化很大，所以瞬时气压变化频繁。窑尾高温风机一方面用来调整窑内气压，另一方面回转窑内锻烧后的高温熟料出来有废气，废气带灰，通过窑尾高温风机引出由电收尘器将灰尘进行处理，再将废气排掉。
以耗电量较高的高温风机为例，高温风机电机配置为10kV2800kW，原来用液力耦合器调速，改造后在高温风机的电机与风机之间由高压变频器对电机本身进行调速，最后达到调整窑尾预热器（高温风机入口）的压力为工况要求值。
根据水泥厂提供的负载参数及运行工况，三环为窑尾高温风机配置高压变频器型号是：SH-HVF-SN10K/3000（额定电压10kV，功率为3000KW）。七、改造过程简述
为减小安装成本，动力电缆保留了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至高压变频器，再重新由高压柜到高压变频器敷设一根动力电缆，由于高压变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
由于此高压变频器功率较大，发热量较大，为保证足够的通风冷却效果，在变压器柜顶和功率柜顶分别独立安装了一整体风罩，与各自的出风口连成整体，把高压变频器散出的热风排出室外，保证高压变频器整体冷却通风要求。
七、变频改造节能情况统计：
变频改造前后，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
1.葛洲坝老河口水泥厂风机改造前后对比表，老河口水泥有限公司风机改造变频改造，应用了湖北三环共计8台高压大功率变频器，分别应用以下场合：
根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出风机的节电量及节电效益。
改造前功率：323+2168+946+528+528+297+297+506=5593（kW）
改造前功率：323+2168+946+528+528+297+297+506=4557（kW）
节能效果：改造前功率-改造前功率=5593 - 4557＝1036（kW）
年节电量： 1036kW×7392小时＝765万kW·h
八、变频改造总结
根据我公司在老河口水泥厂各个风机的高压变频器的安装及使用情况，总结高压变频器改造有以下优点：
1.安装简单，即将原高压开关柜与电动机之间插入安装高压变频器，对原有接线改动不大。
2.操作使用方便，高压变频器操作只有简单的开机、停机和频率调整。
3.能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，适用性强。
4.保护功能完善，故障率低，排风机启动平稳，启动电流小，可靠性高。
5.电动机不需长期高速运行，工作电流大幅度下降，节电效果显著。
6.由于高压变频器取代了液耦调速，消除了机械及液压高故障率的缺陷，设备维护费用降低。
7.电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。
8.交流变频调速器，以适用性强、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用户的欢迎。它应用在调速、节电、软启动方面，对企业有很大的实用价值。我公司高压变频器在葛洲坝集团水泥厂风机电机进行了成功的改造，其节能效果明显，且同时提高了整个系统的工艺性能，得到用户的好评，并在当地水泥行业中产生了很大的影响。
九、结束语
目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争，而电动机电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。高压变频器技术目前已经比较成熟，故障率较小，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的应用价值。