一、前言
      目前，隨著企業(yè)競爭的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了企業(yè)在市場競爭的地位，特別是水泥生產(chǎn)企業(yè)，很大一部分花在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗越來越引起了業(yè)界的重視.
      在水泥生產(chǎn)過程中，風(fēng)機被大量的采用于工藝流程上，而風(fēng)機負載耗電量較大，起動電流較高，同時用電動閥門、擋風(fēng)板等裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)量，在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計時，為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，必須留有余量，因此風(fēng)機的風(fēng)量和壓力往往偏大，功率的偏大設(shè)計必然造成能量的浪費。很多的風(fēng)機有30~70%的能量是消耗在調(diào)節(jié)閥的壓降上的，不僅造成電能的浪費，工作效率低，而且開動閥門時，還發(fā)出嘯聲和振動，經(jīng)常發(fā)生事故。
      變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進的電機調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟效益早已為人們所知。近幾年來變頻技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這一狀況，實踐證明在風(fēng)機的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化用來取代閥門控制風(fēng)量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應(yīng)用進行分析總結(jié)。
二、變頻器節(jié)能原理
一般異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為：
n1＝60f/p
而異步電動機轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系：
n= n1（1—s）=60f/p（1—s）
      由上式可以得到，改變異步電動機的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達到。針對某一電動機而言P是一定的，而通過改變S進行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。
      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(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2      輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2   輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3      輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
      當風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時電機功率
T——工作時間
      可見，通過變頻對風(fēng)機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、SH-HVF變頻器原理特點及優(yōu)勢
      湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司主營業(yè)務(wù)為在電力電子技術(shù)平臺上從事高壓變頻器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、代理、服務(wù)，同時還從事能源節(jié)能領(lǐng)域的投資。公司綜合實力位于全國同行業(yè)前三名，用戶分布全國十多個省市自冶區(qū)。由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司負責起草的《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標準 火電廠風(fēng)機水泵用高壓變頻器》已由國家發(fā)改委2006年5月6日公告發(fā)布（中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會公告2006年第29號），已于2006年10月1日起正式頒布實施。湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司通過世界銀行能源項目專家審核（2004年），多次獲得世界銀行的專項節(jié)能貸款支持，為世界銀行呈報的相關(guān)節(jié)能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評為2006年中國節(jié)能十佳企業(yè)。
      SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。
1、SH-HVF高壓變頻器的控制原理
      SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交－直－交變頻器方式，整流側(cè)采用大容量電容器濾波。變頻裝置逆變主電路拓撲采用多電平形式，單元數(shù)的多少視電壓高低而定，3KV/6KV/10KV變頻器每相采用4/6/8個功率單元（Power Cell），逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波。如圖1所示：

圖1 功率單元串聯(lián)

      整流用移相變壓器為干式變壓器，采用銅線繞制，配冷卻器，有高質(zhì)量統(tǒng)一柜體封閉。具有就地和遠方超溫報警和相應(yīng)的控制功能。
      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模快組成，如圖2所示。進入功率單元的低壓交流經(jīng)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(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，以6KV為例，每相6個單元疊加，就可產(chǎn)生13種不同的電平等級，分別為±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。

圖2  功率單元電路

      6個功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術(shù)和適當?shù)目刂扑惴?，在輸出?cè)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(zhì)與正弦波的擬合程度非常好，再配以優(yōu)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(shè)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(yīng)力。

圖3  控制單元結(jié)構(gòu)圖

      整個系統(tǒng)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(guān)、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC完成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)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(shù)設(shè)定、運行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)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靠隔離，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計原則是可靠、實用、簡單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢
1>、功率單元機械式旁路
      為了保證變頻器和現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發(fā)旁路單元將其旁路，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變成為并聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)。典型旁路示意圖如下：

圖4典型的功率單元機械旁路示意圖

      傳統(tǒng)的功率單元電子式旁路設(shè)計采用晶體管方式，其設(shè)計與功率單元采用一體化設(shè)計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態(tài)；而我公司功率單元機械式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設(shè)計了一套功率單元旁路控制系統(tǒng)，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。
2>、N+1冗余運行方式
用戶在訂貨時可選配1單元為冗余配置，在此配置下，可保證最大3單元故障時，變頻器能滿載50Hz、10kV輸出。
3>、變頻器帶故障運行方式
當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術(shù)，輸出最大的功率而不至于跳機影響生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)設(shè)備的報警自行確定停機維修時間。
4>、風(fēng)機選用進口設(shè)備
我公司高壓變頻器冷卻風(fēng)機采用原裝進口EBM風(fēng)機，其平均無故障連續(xù)運行時間大于100000小時。
5>、頻率分辨率
頻率分辨率為0.01Hz，每周波頻率誤差小于1微秒。
6>、諧波指標
輸出電流諧波失真<2%；變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波滿足并高于中國“GB/T 14549 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波”及“IEEE519”國際標準的規(guī)定。變頻裝置考慮將對電網(wǎng)諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯(lián)技術(shù)；c、優(yōu)化的PWM算法；d、多脈沖整流技術(shù)
7>、線電壓自動均衡技術(shù)
變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
8>、控制部分雙電源切換
變頻器控制回路采用雙電源切換技術(shù)并配置UPS電源，雙電源一路來源于用戶電源，一路來源于變頻器內(nèi)隔離變壓器二次輸出繞組，其中任意一單元掉電自動切換至另一回路，切換時間約為40ms，切換過程中的電源保證由UPS提供，UPS提供掉電30分鐘輸出。
四、原料磨循環(huán)風(fēng)機的變頻改造
1、生料磨系統(tǒng)簡介：
      華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線，其生料磨循環(huán)風(fēng)機電機為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，風(fēng)機消耗功率大，節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板控制風(fēng)量，由于擋板處于較高壓力下工作，易磨損，易造成管道內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)不準確，對生料磨系統(tǒng)工藝影響也較大。其生料磨系統(tǒng)簡易圖如圖5所示：

圖5立式生料磨系統(tǒng)簡易圖

      生料磨循環(huán)風(fēng)機在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用，通過調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機可以控制磨系統(tǒng)的以下參數(shù)：
1>、磨內(nèi)通風(fēng)量：立磨靠風(fēng)掃磨，通風(fēng)量要適當。風(fēng)量不足，合格的生料不能及時帶出，料層增厚，排渣量增多，設(shè)備負荷高，產(chǎn)量降低；風(fēng)量過大，料層過薄，影響磨機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
2>、料層厚度：立磨穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定，風(fēng)量、風(fēng)壓和喂料量才能穩(wěn)定，否則就要通過調(diào)節(jié)風(fēng)量和喂料量來維持料層厚度。若調(diào)節(jié)不及時就會引起震動加劇，電機負荷上升或系統(tǒng)跳停等問題。
3>、磨機振動：振動是輥式磨機工作中普遍存在的一個現(xiàn)象,合理的振動是允許的,但若振動過大，則會造成磨盤和磨輥以及襯板的機械損壞。
4>、磨內(nèi)壓差： 壓差是指風(fēng)環(huán)處的壓力損失,在磨機運行時，磨內(nèi)負荷量的變化不僅從磨機電流、料層厚度、振動幅度等參數(shù)上反應(yīng)出來，而且壓差更能反映磨內(nèi)狀況。
5>、磨機出口溫度：有效的控制出口溫度，可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。
6>、產(chǎn)品細度：磨內(nèi)通風(fēng)量的大小對產(chǎn)品細度也有一定影響 。
另外磨的運行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風(fēng)量和選粉機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
華新金貓水泥生料磨循環(huán)風(fēng)機電機參數(shù)如下：
電機型號：YRKK710-6
額定功率：1600KW
額定電壓：6KV
額定電流：193A
根據(jù)華新金貓水泥負載的相關(guān)參數(shù)選配SH-HVF系列高壓變頻器參數(shù)如下：
型號：SH-HVF-Y6K/2000
隔離變壓器容量：2000KVA
IGBT容量：80℃ 380A
整流橋容量：95℃ 380A
旁路開關(guān)：630A
2、主回路設(shè)計
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器配置方案均采用一拖一方式，其主回路原理圖如圖6所示：

圖6 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖

      6KV高壓電源經(jīng)用戶開關(guān)柜高壓開關(guān)QF到刀閘柜，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動機；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機。進出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動電機運行。QF保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。
3、控制方式：
該設(shè)備有三種控制方式 ：  
1>、以壓力、流量為控制對象的閉環(huán)控制：以輸入的4～20mA模擬量值為控制依據(jù)，實現(xiàn)自動控制。
2>、 以轉(zhuǎn)速為控制對象的開環(huán)控制：該方式在遠程操作（DCS或遠程操作箱上操作）用戶可根據(jù)工況條件自設(shè)定轉(zhuǎn)速，變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值，該方式下頻率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對應(yīng)0轉(zhuǎn)速，20mA對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速。
3>、以頻率為控制對象的開環(huán)控制：該方式在就地操作（設(shè)備本體上操作）直接從觸摸屏上設(shè)置輸出頻率，變頻器以該頻率為控制目標值。
以上三種控制方式用戶可通過人機界面（觸摸屏）設(shè)置，滿足不同的工況要求。
4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)：（現(xiàn)場實測）

      由以上測量數(shù)據(jù)顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細度、磨內(nèi)壓差、振動等工藝要求的基礎(chǔ)上，配合調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和選粉機轉(zhuǎn)速，使整個原料磨系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達到較好的節(jié)能目的。
五、變頻改造后收益分析：
1、直接收益：
改造前：在運行時閥門開度為56％－58％，當閥門開度為58％時，電流為147A；當閥門開度為5％時，電流為101A；當閥門開度為20％時，電流為116.5A；當閥門開度為55％時，電流為142－145A；當閥門開度為60％時，電流為150－152A。
變頻改造后：閥門開度為100％，變頻器轉(zhuǎn)速為1300－1360，此時變頻器電流為102－110A。
改造前平均功率為：1310KW
改造后平均功率：1008KW
根據(jù)現(xiàn)場實測變頻后設(shè)備節(jié)電率為：
ΔP＝(P1－P2)/P1=(1310－1008)/1310＝23%
變頻改造后節(jié)電功率為：
PB= P1-P2=1310-1008=302 kW
變頻改造年節(jié)電收益＝PB×0.5×h＝302×0.5×8640≈13萬元
風(fēng)機的年運行時間：按360天計算，大工業(yè)電費為：0.5元/kwh
2、間接效益：
1>、變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
2>、電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對設(shè)備的維護量，節(jié)約了人力物力資源。
3>、由于電機以及負載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。
4>、功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補償裝置，而且減少了線路損耗。
5>、廠房設(shè)備噪聲污染將降低。
6>、能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平。
7>、節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護了環(huán)境。
8>、負載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于2％。延長了電機的使用壽命。
9>、變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標準要求。延長了電機的使用壽命。
10>、使用變頻調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)參數(shù)的實時恒定運行，提高了系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。
11>、由于采用自動控制，進一步提高了設(shè)備運行控制和系統(tǒng)運行管理的自動化水平，從而真正實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，大大增強了運行的安全可靠性。
總結(jié)：在華新金貓水泥（蘇州）有限公司生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機電機采用SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥的應(yīng)用，提高了生料磨的產(chǎn)量，又到達較好的節(jié)能效果。因此在水泥廠生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機采用高壓變頻技術(shù)是應(yīng)該倡導(dǎo)和推廣的。

參考文獻
1．《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標準 火電廠風(fēng)機水泵用高壓變頻器》2006年10月
2．《湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司企業(yè)標準 Q/SH001-2003》   2003年10月
3．《變頻器調(diào)速應(yīng)用百例》  科學(xué)出版社  1999年
4．《新型干法水泥工藝設(shè)計手冊》 中國建材工業(yè)出版社 2007年1月