摘要：本文主要論述水泥廠風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速的必要性、可行性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。對高壓變頻調(diào)速裝置的選擇，使用提出了一些建議，供水泥廠應(yīng)用時(shí)參考。
一、概述
長期以來，我國政府對節(jié)能工作十分重視，我國能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一，要求大力推動(dòng)高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。
目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動(dòng)機(jī)電耗占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在水泥廠風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，能節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來較大的效益。根據(jù)具體情況，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率在30%-50%范圍內(nèi)，通常1年半到2年左右內(nèi)可收回變頻器的設(shè)備和其它安裝等附加費(fèi)用等總投資。
二、傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問題
風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口擋板的開度，以此來調(diào)節(jié)風(fēng)量，是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。主要存在以下問題：
1.采用擋板調(diào)節(jié)時(shí)，大量的能量損耗在擋板的截流過程中。對風(fēng)機(jī)而言，最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率大大下降。圖1表示了風(fēng)機(jī)采用各種調(diào)節(jié)方法時(shí)消耗功率與風(fēng)量關(guān)系曲線。其中曲線1為輸出端風(fēng)門控制時(shí)電機(jī)消耗的功率，2為輸入端風(fēng)門控制時(shí)電機(jī)消耗的功率，3為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制（采用滑差電機(jī)，液力耦合器）時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率，4為變頻調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率，最下面一條曲線為調(diào)速控制
時(shí)風(fēng)機(jī)實(shí)際所需軸功率（即電機(jī)軸輸出功率）?？梢姡诒姸嗟恼{(diào)節(jié)方式中，節(jié)能效果最好的是變頻調(diào)速。
2.介質(zhì)對擋板閥門和管道沖擊較大，設(shè)備損壞嚴(yán)重。
3.擋板動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)人員不易操作，而且操作不當(dāng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長期頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)線性度差，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制較難，且動(dòng)態(tài)性能不理想。
4.異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6-8倍，對電網(wǎng)沖擊較大，也會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱，強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。也有繞線式電機(jī)采用水電阻方式進(jìn)行起動(dòng)的，存在設(shè)備復(fù)雜，可靠性低等缺點(diǎn)。過去也有水泥廠采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。液力耦合裝置缺點(diǎn)是體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。
三、采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)
1.變頻調(diào)速能節(jié)約原來損耗在擋板截流過程中的大量能量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。
由公式 n＝60f（1—s）/p 可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)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。
對離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H23
與轉(zhuǎn)速n 正比；輸出軸功率P 與轉(zhuǎn)速n 正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝（n1/n2）2
P1/P2＝（n1/n2）3
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在風(fēng)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(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為
E=〔1-（ n′/n）〕×P×T （kWh）
式中： n－額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T——工作時(shí)間
以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
2.采用變頻調(diào)速后，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，對電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都大大減小了，同時(shí)延長了電機(jī)和風(fēng)機(jī)的壽命。同時(shí)，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)的無功功率通過變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時(shí)補(bǔ)償，變頻器的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。相對電機(jī)直接工頻運(yùn)行而言，功率因數(shù)大大改善，對低速電機(jī)效果尤為明顯。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，介質(zhì)對風(fēng)機(jī)風(fēng)扇和擋板的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低，減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲也明顯降低。
3.采用變頻調(diào)速后，可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出的420mA信號輸?shù)阶冾l器，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量，且線性度較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，使設(shè)備在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。
三、艾帕高壓變頻器原理及特點(diǎn)
上海艾帕電力電子有限公司的Innovert系列高壓變頻器（單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器）是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音，輸出du/dt，共模電壓等問題，不必設(shè)置輸出濾波器，就可使用普通的異步電機(jī)。
Innovert系列采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)，全數(shù)字控制，具有起動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)速精度高，抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
電網(wǎng)電壓（如6KV）經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，中心點(diǎn)相聯(lián)，形成Y接結(jié)構(gòu)，另外三端實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，供給電動(dòng)機(jī)。3KV輸出電壓等級變頻器每相由3個(gè)額定電壓為 690V的功率單元串聯(lián)而成。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。6KV變頻器每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)而成，10KV變頻器每相由8個(gè)功率單元串聯(lián)而成。
每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電，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，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對于6KV電壓等級變頻器而言，給15個(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每3個(gè)一組，分為5個(gè)不同的相位組，互差12o電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真為1%左右，由于輸入電流諧波失真很低，而且采用二極管整流方式，變頻器輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。圖3為該變頻器的輸入電壓電流波形。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平 PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以du/dt很小。功率單元采用相對較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加，以6KV輸出變頻器為例，輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平，輸出等效開關(guān)頻率為6KHZ，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對電機(jī)沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。
與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。功率單元中采用常規(guī)IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡單，技術(shù)成熟可靠。
功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以可以采取功率單元旁路選件，當(dāng)功率單元故障時(shí)，控制系統(tǒng)可以將故障單元自動(dòng)旁路，變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
四、應(yīng)用實(shí)例
南方某水泥廠于2006年5月在窯尾廢氣處理風(fēng)機(jī)上采用上海艾帕電力電子有限公司生產(chǎn)的Innovert系列高壓變頻調(diào)速裝置。到目前為止運(yùn)行良好，節(jié)能顯著。
該窯尾廢氣處理風(fēng)機(jī)為10kV的高壓電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如下：
繞線式異步電機(jī)，型號：YRKK-630-10 額定功率：800KW 頻率：50HZ 額定電壓：
10000V 接線：Y/Y額定電流：62.21A轉(zhuǎn)子開路電壓：1591V額定轉(zhuǎn)子電流：307A
轉(zhuǎn)速：594rpm 功率因數(shù)：0.781 絕緣等級：F防護(hù)等級：IP54 蘭州電機(jī)廠2004 年生
產(chǎn)。
變頻器型號：Innovert 10/10-70,額定電壓10KV,額定電流70A，容量1050KVA。
原生產(chǎn)過程中，根據(jù)窯內(nèi)加料多少及窯身轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整風(fēng)門擋板開度對排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。由設(shè)計(jì)裕度較大，正常生產(chǎn)過程中，風(fēng)門擋板開度較小，風(fēng)門檔板兩側(cè)風(fēng)壓差較大，造成較大的節(jié)流損失?，F(xiàn)運(yùn)行方式為風(fēng)門擋板全開，通過變頻來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)整風(fēng)量的目的。變頻器控制接入原有的DCS 系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。變頻器正常運(yùn)行頻率在40HZ左右。
本次變頻改造前后，對相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析如下。
改造前，電動(dòng)機(jī)平均功耗為680kW，改造后平均功耗為410kW，通過變頻改造后功耗下降達(dá)270kW。按照年運(yùn)行330天計(jì)算，
年節(jié)電量為： 270＊24＊330=2138,400 度
按每度電0.5 元，則年節(jié)能效益為2138,400 ＊0.5=106.92 萬元
節(jié)電率為：270/680=39.7%
現(xiàn)將改造前后風(fēng)機(jī)性能對比列表如下：
改造前改造后
平均功耗（kW） 680 410
10kV 進(jìn)行開關(guān)側(cè)電流（A） 52.7 27.8
起動(dòng)方式 轉(zhuǎn)子串水電阻起動(dòng) 變頻軟起動(dòng)
風(fēng)機(jī)噪聲 大 小
軸承溫升 高 低
本變頻器還同時(shí)設(shè)計(jì)有工頻旁路回路（圖6），萬一變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可將電動(dòng)機(jī)自動(dòng)切至原工頻供電回路，并用原有的水電阻進(jìn)行起動(dòng)，以保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而不影響生產(chǎn)。工頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)升高，風(fēng)壓會(huì)發(fā)生較大變化，故同時(shí)應(yīng)及時(shí)在DCS上對風(fēng)機(jī)的風(fēng)門進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量至工況要求值。
五、采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問題
1.可靠性方面的考慮。水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。Innovert系列采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題，本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，產(chǎn)品特有的無速度傳感器矢量控制技術(shù)在提高起動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時(shí)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力，大大提高了可靠性。
2.變頻器輸入諧波對電網(wǎng)的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大，會(huì)產(chǎn)生如下危害：
供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可能導(dǎo)致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計(jì)量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī)，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)過熱或燒損。Innovert系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對電網(wǎng)基本不產(chǎn)生諧波污染，滿足IEEE滿足IEEE5191992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。大，中型水泥廠自動(dòng)化水平高，大多數(shù)采用自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對用電系統(tǒng)的諧波要求很高，Innovert變頻器在方面有很大的優(yōu)勢。
3.變頻器輸出波形對電機(jī)的影響。由于水泥廠應(yīng)用變頻調(diào)速很大部分是舊有設(shè)備的改造，原有的普通電機(jī)是設(shè)計(jì)成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的，而電網(wǎng)電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質(zhì)量不好的話，會(huì)對電機(jī)產(chǎn)生不良影響。變頻器輸出諧波會(huì)引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加，輸出dv/dt和共模電壓會(huì)影響電機(jī)的絕緣。Innovert系列高壓變頻器由于輸出波形質(zhì)量好，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機(jī)。
六、結(jié)論
目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
水泥行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，通過上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應(yīng)用實(shí)踐證明是必要的、可能的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。
Innovert系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)量好，適合于水泥廠風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，能提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，節(jié)約大量能源，為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有很高的推廣價(jià)值
參考文獻(xiàn)
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