一、前言

高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电机的变频调速，其技术和性能远远胜过以前采用的调速方式（如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等）。高压变频以其显著的节能效益、高的调速精度、宽的调速范围、完善的保护功能、方便的通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，成为企业电机节电方式的首选方案。变频调速技术现已被应用于各行各业，我公司于2004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、窑头EP风机、生料磨循环风机的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益，现以荆门某水泥厂的窑尾高温风机变频改造为例，对高压变频应用于水泥行业的节能改造进行分析与总结。

二、变频调速节电原理

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，是异步电动机的最为合理的调速方法。

由式     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。

变频调速具有如下显著的优点：

（1）由设备设计余量而导致“大马拉小车”现象，因电机定速旋转不可调节，这样运行自然浪费很大，而变频调节彻底解决了这一问题；

（2）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；

（3）某些工况负载需频繁调节，而档板调节线性太差，跟不上工况变化速度，故能耗很高，而变频调节响应极快，基本与工况变化同步；

（4）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；

（5）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。

（6）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n²正比；输出轴功率P与转速n³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 (kWh)

式中： n——额定转速

n′—— 实际转速

P——额定转速时电机功率

T——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。

三、SH-HVF变频器原理及特点

SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环发展股份有限公司在充分消化与吸收国内外高压变频技术的基础上，总结同行的经验与教训，综合分析当今世界上现有的高压变频技术研制开发出的新一代高压变频器，该变频器采用直接高-高变换的方式，多重化移相整流、多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变压变频（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。

1、结构简介

SH-HVF系列高压变频器柜由单元柜（含控制柜）、隔离移相变压器柜、工频旁路柜（含变频器进线柜、变频器出线柜）三部分组成，典型的SH-HVF变频器结构如图1所示。

图1  SH-HVF变频器结构

2、技术特点与功能

（1）直接高-高变换，设备体积小，整机效率高；

（2）输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高；

（3）采用多功率单元串联技术，输出波形失真小，输出谐波低；

（4）高可*性设计，控制信号经光纤传送，实时可*；

（5）主电路模块化设计，安装、调试、维护方便；

（6）系统热备份，严重故障时自动旁路；

（7）内置PID调节器，可开环或闭环运行；

（8）可选择现场控制、远程控制；

（9）完善的保护性能：过流、过压、过载、过热、输出三相不平衡等多种保护功能内置；

（10）高度智能化设计，开放式的软件和硬件设计方案，便于系统升级；

（11）全汉化中文界面，彩色液晶显示功能，方便操作；对工作电流、电压等参量进行实时检测、长期存储并可随时查阅；

（12）灵活方便的接口配置；数字量、模拟量、通讯接口完备、灵活，与用户现场的DCS系统、各类现场总线完善配合，并可选配远程通讯控制单元，实现异地远程监控；

（13）个性化设计，减小用户现场的干扰和冲击；软起、软停避免对电缆、用电设备及电网的冲击。

3、相关保护

（1）变压器防浪涌保护：在变压器上电瞬间，特别的设计防止浪涌电流对系统的冲击

（2）功率单元输入过流保护：检测到功率单元输入过流后,功率单元自动旁路

（3）功率单元输入过压、欠压保护：检测到功率单元直流电压过高、欠压后自动旁路保护单元，输出不受影响

（4）输出电流不平衡保护：当输出长时间电压不平衡时，跳闸保护电机

（5）输出电压不平衡保护：当输出长时间电流不平衡时，跳闸保护电机

（6）系统过流保护：当输出电流超过设定的电流过流值时，跳闸保护电机

（7）系统过载保护：当输出电流超过设定的电流过载值时，跳闸保护电机

（8）短路、接地、输入电源断相、输出断相、过电压、欠电压、过温等，系统将跳闸保护

4、用户接口

SH-HVF系列高压变频器为用户提供有压频曲线设置接口，闭环控制接口、用户侧高压开关控制接口，用户急停接口，用户频率反馈接口，用户频率给定接口，用户报警信号查询接口，用户DCS接口以及用户需要的其它的变频器运行的参数、实时数据、历史数据等接口，这些接口包括电压、电流、数字通讯接口等多种形式。

5、高压变频器的控制原理

高压变频器原理框图如图2所示。

图2  单元串联变频器原理柜图

单元数的多少视电压高低而定，以SH-HVF-Ⅰ型6KV变频器为例，每相为8单元，三相共有24单元。每个功率单元的输入电压为400V，输出电压为0～430V，每相8个功率单元串联，则对应的最高相电压为0～3450V，三相星形连接的最高线电压为6000V。每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。

24个功率单元在移相变压器上都有各自独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。移相变压器的副边绕组共24组（每相8组），构成48脉波整流方式。这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善电网侧的输入电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近于1。

功率单元的主电路由熔断器、三相全桥整流模块、滤波电容及IGBT模快组成，如图3所示。进入功率单元的低压交流经过整流模块的整流和电容的滤波后变成中间直流，在控制系统的控制下由IGBT逆变单元将中间直流逆变成交变的脉宽调制输出。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，每相8个单元叠加，就可产生17种不同的电平等级，分别为±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。

图3  功率单元电路

8个功率单元在逆变侧串联成一相，将每个功率单元输出的电平相叠加，再配以动态分配技术和适当的控制算法，在输出侧得到一组逼近正弦波的阶梯波，与低压变频器采用的单纯PWM方式相比，输出的dv/dt非常低，波形本质与正弦波的拟合程度非常好，再配以优化的PWM控制，使输出谐波大为降低。由于这种波形正弦度好，du/dt小，可减小对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器，输出电缆长度几乎不受限制，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减少了轴承和叶片的机械应力。

整个系统的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一个智能操作面板（触摸屏）和一些开关、电源、继电器等组成。其中，PLC完成整个变频调速系统的管理，逻辑处理，包括起停车逻辑、报警故障逻辑等。触摸屏为中文界面的液晶显示，完成变频器参数设定、运行参数状态显示和报警故障显示等功能。主控制器完成PWM信号的产生、移相，并转换成光信号，通过光纤传送到功率单元，低压部分和高压部分完全可*隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。旁路控制器为整个系统提供了较高的容错能力，当工作中的某个功率单元故障时，旁路控制能自动将其从工作中退出，并将备用功率单元投入运行。整套控制系统的设计原则是可*、实用、简单。

高压变频器主体结构如图4所示 。

图4  高压变频器主体结构

6、高压变频器功率单元冗余设计

SH-HVF系列高压变频器设置有单元旁路组件，一旦某一个功率单元出现故障，旁路控制可自动将其旁路，使其退出运行，并同时将备用功率单元投入，保证整个系统的正常工作。使整个系统由原来的串联可*性结构变成为并联可*性结构。采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提高系统的可*性。

一旦功率单元发生故障并被旁路，系统控制自动进行补偿或者降额使用，以保持电机电压平衡。为了补偿跌落的电压，每相最多为8个功率单元的系统可为每相配备2个额外的功率单元（选件）。该6个备用功率单元用来补偿跌落的电压。如果没有配备备用功率单元，则变频器将工作在稍低的输出电压，但是仍然提供全部额定电流。

功率单元旁路系统包括每个功率单元一个旁路接触器，一个接触器控制板（安装在功率单元柜内）以及主控系统与接触器控制板之间的光纤连接。如图5所示，当功率单元正常时，旁路接触器不动作，其常闭主接点将功率单元接通输出；若功率单元故障，旁路控制封锁对应功率单元IGBT的触发信号，并使旁路接触器动作，其常闭主接点断开，将功率单元从串联回路中切除，并将本单元外输出接线直接短接。

图5  单元旁路控制原理

四、水泥厂高温风机高压变频改造

1、窑尾高温风机系统简介

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6所示。

图6  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*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。

荆门某水泥厂目前有三条干法悬窑生产线，日产为2000t、700t、2500t，分别为1995年、1998年、1999年投产，到现在已运行6～10年，并拥有一台12MW中、低温余热发电机组，由于发电成本较高，余热发电现已停运。

日产2500t的窑生产线，高温风机电机配置为6kV1600kW，日产2000t的窑生产线，高温风机电机配置为6kV1400kW。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。

由于设备使用年限较长，目前液力耦合器漏油严重，运行中每天需加油2～3次，以补充漏油，油面调整的控制回路失灵不能自动调节，在运行中*手动调节置于固定转速比。在运行是时仍*风机挡板进行风量调节，当窑系统工况变化较大时，现场值班人员根据中控制室的指令对液力耦合器的勺杆进行手动调节，运行操作非常不便。

2005年，水泥厂准备对于2000t、2500t的两条生产线进行提产，但由于高温风机中液力耦合器漏油严重，出力受到限制，不具备提产的条件，故提产一直未能实现。

2006年1～2月，我公司为该水泥厂2000t、2500t两条生产线的高温风机及窑头号EP风机进行了变频调速改造，目前运行情况良好，2000t的生产线的产量目前达2300t，2500t的生产线的产量目前达2900t，而高温风机变频调节的耗电量还稍少于原液力耦合器调节的耗电量。

2、高温风机变频改造方案

经过对原系统进行分析，对原系统的风压控制由原来的液力耦合器调节改为变频器调节，即取消原液力耦合器，将电机与液力耦合器之间用一连接轴取代液力耦合器连通，而由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。

变频器设备接入用户侧高压开关和拟改造电机之间，如图7所示，变频器控制接入原有的DCS系统，由DCS系统来完成正常操作。

图7  变频器连接图

为了充分保证系统的可*性，变频器同时加装工频旁路装置，可在变频回路故障时将电机切换至工频状态下运行，且切换方式为自动切换。变频器故障时，电机自动切换到工频运行，这时风机转速会升高，风压会发生很大变化，影响窑内物料的煅烧质量，故此时应及时在DCS上对高温风机的风门进行及时调节，降低风机输出风量至工况要求值。变频器及其工频旁路开关由变频器整体配套提供。电机、高压断路保留了用户原有设备。

根据水泥厂提供的负载参数及运行工况，我公司为2000t的窑尾高温风机配置SH-HVF系列高压变频器，其主要参数为：变频器型号SH-HVF-Y6K/1800，隔离变压器容量1800KVA，旁路开关柜容量400A。为2500t的窑尾高温风机配置SH-HVF系列高压变频器，其主要参数为：变频器型号SH-HVF-Y6K/2000，隔离变压器容量2000KVA，旁路开关柜容量400A。

3、改造过程简述

由于原电机控制为液力耦合器调速，为了安装变频器，必须重新设计变频器专用房。根据现场环境，我们选择在高压配电室旁另建一变频器专用房，此地方距高压室较近，动力电缆敷设方便。

由于现场灰尘较大，而变频器为强迫风冷，设备内空气流通量较大，为保障变频器尽量少受外界灰尘的影响，在房间通风设计上，设计了大面积专用进风窗，房间不另设其它窗口，基本上是密闭设计。通风窗采用专用过滤棉滤网，这样使进入变频器室内的空气经过通风窗滤灰，进入变频器室内的灰尘大大减小。

由于本变频器功率较大，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，保证变频器整体冷却通风要求。

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变频器，再重新由高压柜到变频器敷设一根动力电缆，由于变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。

变频改造后，由于需要取消原液力耦合器，我们按照液力耦合器的联接尺寸设计制作了一套直接连接轴来代替液耦。连接轴的基座安装尺寸、轴连接中心尺寸、轴径尺寸、轴与电机及风机侧的连接*背轮均与原液耦一致，安装时，仅需将原液耦拆除，将连接轴代替液力耦合器，现场仅作少量调整即可达到安装要求，而不用对风机及电机作任何调整，安装方便快捷。

五、高压变频器取代液力耦合器节能分析

1、液耦调速与变频调速的耗电分析

水泥厂原高温风机带有液力耦合器调速，现将液耦调速改造为变频器调速。图8为液力耦合器进行风机调整时的典型耗能曲线，表1为液耦与变频调速的耗电特性对比。现根据曲线及对比表对液力耦合器改为变频器调速的耗能情况进行对比分析。

η： 液力偶合器的效率
Ns：液力偶合器的损失功率
I： 液力偶合器的输出与输入转速之比
Nd：电机功率

Nf：负载功率

图8  液力偶合器的功率损失图

表1  液耦与变频调速的耗电特性

变频运行时高温风机风量按85%计算，从表中查得对应的变频比液耦节电率为：

19.1×（100-85.7）/（100-80）=13.6 %

节电功率为：13.6%×1550=210kW

2、变频改造实际节能情况

水泥厂高温风要变频改造前后，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。

表2  2500t窑高温风机改造前后对比表

表3  2000t窑高温风机改造前后对比表

上述数据为改造后窑系统产量增加的条件下风机耗电对比，由于现在产量提高，改造后比改造前风机耗电量下降不多，从上两表中可计算出各风机相应的节电功率。

2500t窑高温风机节电功率：      1550－1500＝50（kW）

2500t窑窑尾EP风机节电功率：   154－100＝54（kW）

2000t窑高温风机节电功率：      1260－1200＝60（kW）

2000t窑窑尾EP风机节电功率：   138－70＝68（kW）

根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，2500t窑在额定2500t的产量下，高温风机6kV侧电流为约136A，耗电功率约为1360kW，比改造前同产量耗电功率下降约190kW。2000t窑在额定2000t的产量下，高温风机6kV侧电流为约106A，耗电功率约为1060kW，比改造前同产量耗电功率下降约200kW。由此可推算出两台高温风机在额定产量下的节电量。

2500t窑高温风机节电功率：1550－1360＝190（kW）

2000t窑高温风机节电功率：1260－100＝200（kW）

此为估算节电值。变频改造的另一大收益为提高了窑系统的产量达15%倍，由此而产生的增产效益是非常大的。

 六、高压变频器在水泥厂使用中应注意的问题

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，操作人员一般集中在中控室。而高压变频器作为较精密的仪器设备，对环境要求较高，而生产现场时常无人且环境较差，对变频设备运行非常不利。故在水泥生产线上，高压变频器应安装在配电室内，或专门建造房屋。

由于高压变频器一般采用强迫风冷，通过变频器的空气所带的灰尘较多，因此，变频器在水泥厂使用时，必须加强防尘设计和维护，有条件的场合，可设置变频器专用室，采用空调冷却。

变频器顶部装有散热通风孔及风机，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，推荐使用整体风罩方案。

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一定距离，相交时必须转90°角，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。

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要超过150m，使用屏蔽电缆不能超过150m，这就必须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，因此在变频器的房屋设计上需根据现场条件合理安排。

变频器的控制一般需接入到DCS系统，而中控室到风机间有一定的距离，因此，变频器接入DCS系统时，一般通过现地工作站进行转接，在控制电缆接入时需注意抗干扰处理。

七、变频改造总结

根据我公司对水泥厂高温风机的高压变频器的安装及使用情况，总结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变频器，对原有接线改动不大。

(2)操作使用方便，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*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。

交流变频调速器，以适用性强、可*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该水泥厂对两条生产线的四台电机进行了成功的改造，不仅节能效果明显，提高了整个系统的工艺性能，同时也使两条生产线大大提高了产量，得到用户的好评，并在当地水泥行业中产生了很大的影响。

八、结语

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。高压变频调速技术目前已经比较成熟，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的推广价值。