摘要：为了降低厂用电率和提高系统自动化水平, 河南大地水泥有限公司对一期生产线的主要高压电机进行了变频改造，并在之后新建的二期生产线上直接采用高压变频拖动技术。本文主要介绍了高压变频器在河南大地水泥有限公司的应用情况，特别是在二期4500KW原料磨循环风机大功率电机上的成功应用,并总结了在水泥厂中各风机采用变频装置的优势。
关键词：高压变频器；水泥厂；大功率电机；优势。
一、 前言
我国经济目前正处于高速发展时期，随着年工业生产总值的不断提高，能源消耗也随之大幅度上升，由于国内工业发展比例失调，目前在工业生产中缺电和电价居高不下的局面已经严重制约了我国经济的发展，对此国家提出节能减排的政策方略。在全国工业生产总能耗中，建材工业能耗约占9%，占全国工业能耗的13%左右。而水泥行业是建材工业的资源、能源消耗大户，其能源消耗占建材行业总能源消耗的50%以上，资源消耗占建材行业资源消耗的30%左右，已被列为国家节能降耗的重点关注领域之一。在当前能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率，从而提高其市场竞争力。在水泥产品的制程中，电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线而言，其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗增效工作显得极为重要。
二、 概述
河南省大地水泥有限公司位于宝丰县西5公里，距南洛高速宝丰站10公里，交通便利。占地面积1000多亩，现有员工1000多人。是平顶山重点大型工业企业之一，并且在2010年6月8日荣膺为国家大型企业。公司总资产18亿元，现有国际领先的日产5500吨的新型干法水泥生产线二条，年产优质干法水泥500万吨，熟料产能400万吨。实现年销售收入12.8亿元，利税2.6亿元。公司主导产品为“豫宝牌“、“巨坤牌”、42．5级、32．5级普通硅酸盐水泥其性能、技术指标均优于国家标准。产品在省内市场享有很高信誉。
大地水泥有限公司一期生产线的原料磨循环风机（YRKK900—6，10kV，4500kW) 为转子绕线异步电机拖动，采用液力耦合器进行调节，这样的运行方式存在如下弊端：
液力耦合器调速范围有限，高速丢转约5%-10%，低速转差损耗大，最高可达额定功率的15%，因效率与转速成正比，低速时效率极低，精度低、线性度差、响应慢、启动电流大；无法软启动，耦合器故障时，无法切换运行，维护复杂、费用大。
窑尾排风机（YRKK710—6，10kV，1600kW)、窑头排风机（YRKK560—6，10kV，1000kW)为转子绕线异步电机拖动，运行方式为电机全速运行，依靠风门对风量进行调节，启动方式是转子串水电阻启动，启动结束后自动短接转子滑环，电机全速运行，这样的运行方式存在如下弊端：
1.风机调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高。
依靠风门调节执行器来调节风门开度，受机械部分限制调节速度有限，调节精度亦受影响，往往对现场的风量控制不是很到位。并且，随使用年限增加，挡板开度指示出现偏差，造成调节的误差增加。
2.风门调节浪费电能，不科学，不经济。
实际运行中阀门开启仅为70%左右，采用风门调节，人为改变了风道的阻力曲线，大量的能源白白浪费在风门上。
3.电机全速运行受到考验，电机和风机维护周期短。
因电机全速运行，电机轴瓦和风机等机械部分磨损较快，转子滑环的碳刷磨损也较快，更换周期短。
4．启动过程复杂，水电阻装置维护工作量大。
由于企业自身电网容量有限，电机不允许全压直接启动，因此选用转子串水电阻启动，这种启动方式附带了很多电气二次回路，启动过程复杂，而且本身水电阻装置维护工作量就比较大，只有在启动过程的几十秒内投入使用，使用效率不高。
综上所述，该水泥厂以上高压电机的技改势在必行，要想彻底改变现有工艺，必须从源头上下功夫，即通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺的要求。同时大地水泥有限公司已经深刻的意识到这方面的问题，不仅着手逐步对一期生产线进行高压变频改造，还在二期生产线设计建造时直接将高压变频器列为配套设备。
三、 设备改造方案
1、设备参数及设备选型
2、设计方案
1）为了充分保证系统的可靠性，大地水泥高压变频器方案设计均采用一拖一手动旁路的结构，变频器同时加装工频旁路装置。变频器异常时，电机可以手动切换到工频运行状态下运行，以保证生产的需要，其原理图如下：
QF为甲方侧高压开关柜，由甲方提供；QS1、QS2、QS3由乙方与变频器配套提供。高压电源经用户开关柜高压开关QF到刀闸柜，经输入刀闸QS1到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QS2送至电动机；高压电源还可经旁路刀闸QS3直接起动电动机。进出线刀闸QS1、QS2和旁路刀闸QS3的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开出线刀闸QS2，再断进线刀闸QS1，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸QS3，在工频电源下起动电机运行。QS1、QS2、QS3安装在一个刀闸柜中与变频装置配套供货。QS2与QS3之间通过机械闭锁，防止误操作。电机及用户侧高压断路器QF保留甲方原有设备。
四、 大功率高压变频器的散热方式选择
目前高压变频器常见常用散热方式有：
1、空调密闭冷却：
该方法主要是为高压变频器提供一个固定的具有隔热保温效果的房间，根据高压变频器的发热量和房间面积大小计算出空调的制冷量，从而配备一定数量的空调，利用空调的制冷对对高压变频器进行散热冷却。
2、空-水冷却：
高压变频器产生的热量通过风道直接进入空冷装置进行热交换，由冷却水将高压变频器产生的热量带走，经过降温的冷风循环至室内，从而保证了高压变频器室内良好的运行环境。冷却水与循环风完全分离，水管线在高压变频器室外与高压设备明确分离，确保高压设备室不会受到防水、绝缘破坏等安全威胁和事故。
3、风机强制冷却：
变频器运行产生的热量由其顶部的数台风机抽走，经由风道排至室外，同时室内的空气由变频器柜底进入变频器内，在柜内形成一个至下而上的空气循环，从而达到散热的目的。
另外还有空调风机混合冷却的方式，顾名思义就是同时采用空调冷却与风机强制风冷，从而达到散热效果。
在河南大地水泥项目中，由于高压变频器与其他电气柜置于同一电气室内，没有为高压变频器独立建筑房屋， 故不宜采用空调密闭冷却方式；空－水冷却虽然在理论上散热效果优于强制风冷，但是在使用应用中面临着冷却设备故障较高、热交换介质泄漏、风路应急旁路设计、实际操作复杂等各方面问题，并且初期投资较高，故经过各方面因素的均衡与考量，最终决定选用风机强制冷却的散热方式。
五、 10kV/4500kW高压变频器现场散热方案介绍
1、变频器通风量
10kV/4500kW高压变频器散热风机选用德国施乐百公司生产的离心风机8台，此风机可靠性高，性能优异。风机额定风量为4700 m3/h。变频器总的排风量为4700×8=37600m3/h
2、变频器发热量
当变频器满负荷工作时，其总损耗（转变为热量）约为系统额定功率的3%，10kV/4500kW损耗约为135kW。变频器如果运行在40Hz，其总损耗（转变为热量）约为系统额定功率的2%，如此大的热量如果全部排放到安装变频器的室内，将会使室内温度迅速升高，严重影响变频器的正常运行。
3、进风口与出风口温差计算
根据风冷系统的散热原理，△Q=△t×Qf×Cp×ρ,其中：
△Q：系统总的损耗功率；为135kW，即135000W
△t：空气进口与出口的温差；
Qf：总的通风量；为37600m3/h，即10.44 m3/S
Cp：空气的比热：1005J/kg℃ 水的比热：4200J/kg℃
ρ：空气的密度：1.165kg/m3 水的密度：1000kg/m3
根据以上条件计算出△t（空气进口与出口的温差）。△t≈11℃，此温升为变频器运行在额定功率时的温升，如果环境温度为40℃，则出风口温度在51℃左右，能够满足变频器正常运行的需要。
4、进风口面积计算
进风口的面积需要根据系统的具体情况进行确定，并且风口应设置空气过滤网。系统的通风量Qf，假定进风口的风速V不超过3 m/s，由Qf =S×V可知，进风口的面积S≈Qf /V。
系统的通风量Qf=37600m3/h=10.44 m3/S
进风口的面积S≈Qf /V=(10.44 m3/S)/ (3 m/s)=3.48m2
六、 设备运行情况
大地水泥有限公司所安装的高压变频器，从2010年5月底安装投运的第一台设备到目前总共安装运行了4台高压变频装置，据用户反映，设备运行一切正常，达到了用户预期设计的效果，提高了大地水泥的生产工艺自动化水平、降低了厂用电率。特别是二期原料磨循环风机4500KW电机在采用变频调速后，相对一期采用液耦调速的原料磨风机4500KW电机（暂未进行高压变频改造），不仅调速范围宽、调速精度高、响应速度快、运行更加安全可靠，并且节能效果高达15%，为大地水泥有限公司取得了显著的经济效益。
七、 改造后效益分析
1、直接效益分析
通过对大地水泥有限公司一、二期水泥生产线的高压变频改造，取得了相当可观的节能收益。跟据用户节能统计，每台设备相对一期改造前（一、二期生产线的设计日产量及设备配置完全相同，二期建设时直接加装了高压变频器）的平均节电率都在10%以上，从设备投入运行开始到现在已经为用户节约大量电费，为大地水泥的健康长远发展奠定了坚实的基础、做出了巨大的贡献。
2、间接效益分析
1、变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
2、电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源。
3、由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
4、功率因数由原来的0.85左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
5、厂房设备噪声污染将降低。
6、能提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
7、节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
8、负载改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除47次以下谐波。由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2％以内，电流谐波总含量小于2％。延长了电机的使用寿命。
9、变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于2％，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求。延长了电机的使用寿命。