【摘要】：
本文從實際應用出發，講述了SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥原料磨循環風機中的應用過程，由于SH-HVF系列高壓變頻器設計合理、控制系統穩定，應用節能效果明顯，具有一定的推廣價值。
【關鍵詞】：
高壓變頻? 生料磨循環風機 節能
一、前言
目前，隨著企業競爭的日益加劇，生產成本的高低決定了企業在市場競爭的地位，特別是水泥生產企業，很大一部分花在能耗上，降低水泥生產過程中的電能消耗越來越引起了業界的重視.
在水泥生產過程中，風機被大量的采用于工藝流程上，而風機負載耗電量較大，起動電流較高，同時用電動閥門、擋風板等裝置來調節風量，在風道系統設計時，為滿足生產環境的最大要求，必須留有余量，因此風機的風量和壓力往往偏大，功率的偏大設計必然造成能量的浪費。很多的風機有30~70%的能量是消耗在調節閥的壓降上的，不僅造成電能的浪費，工作效率低，而且開動閥門時，還發出嘯聲和振動，經常發生事故。
變頻調速技術作為一種先進的電機調速方式，其優異的性能以及帶來可觀的經濟效益早已為人們所知。近幾年來變頻技術的出現，徹底改變了這一狀況，實踐證明在風機的系統中接入變頻系統，利用變頻技術改變電機轉速來調節風量和壓力的變化用來取代閥門控制風量，能取得明顯的節能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應用進行分析總結。
二、變頻器節能原理
一般異步電動機的同步轉速為：
n1＝60f/p
而異步電動機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系：
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進行調速空間非常小，所以變頻調速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速是異步電動機的最為合理的調速方法。
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速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
根據流體力學相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2????? 輸出風量Q與轉速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2?? 輸出壓力H與轉速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3????? 輸出軸功率P與轉速n3正比。
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n——額定轉速
n′—— 實際轉速
P——額定轉速時電機功率
T——工作時間
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
三、SH-HVF變頻器原理特點及優勢
湖北三環發展股份有限公司主營業務為在電力電子技術平臺上從事高壓變頻器的研發、生產、銷售、代理、服務，同時還從事能源節能領域的投資。公司綜合實力位于全國同行業前三名，用戶分布全國十多個省市自冶區。由湖北三環發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標準 火電廠風機水泵用高壓變頻器》已由國家發改委2006年5月6日公告發布（中華人民共和國國家發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。湖北三環發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能貸款支持，為世界銀行呈報的相關節能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評為2006年中國節能十佳企業。
SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環發展股份有限公司研制開發的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯倍壓的技術方案，優化的PWM控制算法，實現優質的可變頻變壓（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，輸出電壓非常接近正弦波。如圖1所示：
圖1 功率單元串聯
整流用移相變壓器為干式變壓器，采用銅線繞制，配冷卻器，有高質量統一柜體封閉。具有就地和遠方超溫報警和相應的控制功能。
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，在控制系統的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態電平，以6KV為例，每相6個單元疊加，就可產生13種不同的電平等級，分別為±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，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串聯成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態分配技術和適當的控制算法，在輸出側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，波形本質與正弦波的擬合程度非常好，再配以優化的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力。
圖3? 控制單元結構圖
整個系統的控制部分由一套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、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC完成整個變頻調速系統的管理，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，完成變頻器參數設定、運行參數狀態顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產生、移相，并轉換成光信號，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。整套控制系統的設計原則是可靠、實用、簡單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優勢
1>、功率單元機械式旁路
為了保證變頻器和現場設備的正常運行，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旁路單元將其旁路，使其不影響整個系統的正常工作，使整個系統由原來的串聯可靠性結構變成為并聯可靠性結構。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
傳統的功率單元電子式旁路設計采用晶體管方式，其設計與功率單元采用一體化設計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態；而我公司功率單元機械式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設計了一套功率單元旁路控制系統，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統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，輸出最大的功率而不至于跳機影響生產，用戶可以根據設備的報警自行確定停機維修時間。
4>、風機選用進口設備
我公司高壓變頻器冷卻風機采用原裝進口EBM風機，其平均無故障連續運行時間大于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%；變頻調速系統產生的諧波滿足并高于中國“GB/T 14549?電能質量 公用電網諧波”及“IEEE519”國際標準的規定。變頻裝置考慮將對電網諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯技術；c、優化的PWM算法；d、多脈沖整流技術
7>、線電壓自動均衡技術
變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統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通過調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、原料磨循環風機的變頻改造
1、生料磨系統簡介：
華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產線，其生料磨循環風機電機為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調節風量大小，風機消耗功率大，節流損失較大。調節風門擋板控制風量，由于擋板處于較高壓力下工作，易磨損，易造成管道內風量調節不準確，對生料磨系統工藝影響也較大。其生料磨系統簡易圖如圖5所示：
圖5立式生料磨系統簡易圖
生料磨循環風機在生料磨系統中起到很大作用，通過調節循環風機可以控制磨系統的以下參數：
1>、磨內通風量：立磨靠風掃磨，通風量要適當。風量不足，合格的生料不能及時帶出，料層增厚，排渣量增多，設備負荷高，產量降低；風量過大，料層過薄，影響磨機穩定運轉。
2>、料層厚度：立磨穩定運轉的另一重要因素是料床穩定。料層穩定，風量、風壓和喂料量才能穩定，否則就要通過調節風量和喂料量來維持料層度。若調節不及時就會引起震動加劇，電機負荷上升或系統跳停等問題。
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>、磨內壓差： 壓差是指風環處的壓力損失,在磨機運行時，磨內負荷量的變化不僅從磨機電流、料層厚度、振動幅度等參數上反應出來，而且壓差更能反映磨內狀況。
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條件。
6>、產品細度：磨內通風量的大小對產品細度也有一定影響 。
另外磨的運行穩定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環風量和選粉機轉速等參數。
華新金貓水泥生料磨循環風機電機參數如下：
電機型號：YRKK710-6
額定功率：1600KW
額定電壓：6KV
額定電流：193A
根據華新金貓水泥負載的相關參數選配SH-HVF系列高壓變頻器參數如下：
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：630A
2、主回路設計
為了充分保證系統的可靠性，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高壓電源經用戶開關柜高壓開關QF到刀閘柜，經輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS2送至電動機；高壓電源還可經旁路刀閘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：
該設備有三種控制方式 ：??
1>、以壓力、流量為控制對象的閉環控制：以輸入的4～20mA模擬量值為控制依據，實現自動控制。
2>、 以轉速為控制對象的開環控制：該方式在遠程操作（DCS或遠程操作箱上操作）用戶可根據工況條件自設定轉速，變頻器以該轉速為控制值，該方式下頻率的變化依據用戶輸入的模擬量，4mA對應0轉速，20mA對應額定轉速。
3>、以頻率為控制對象的開環控制：該方式在就地操作（設備本體上操作）直接從觸摸屏上設置輸出頻率，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運行數據：（現場實測）
|
名 稱 |
調節運行數據 | ||
|
總喂料量(t/h) |
225 |
228 |
230 |
|
變頻器給定轉速（r/min） |
1325 |
132O |
1325 |
|
選粉機轉速（r/min） |
84 |
83 |
81 |
|
料層厚度mm |
67.5 |
71.2 |
72.7 |
|
原料磨壓差Pa |
4985 |
4957 |
4964 |
|
磨機出口溫度℃ |
92 |
93 |
95 |
|
電機電流A |
105 |
106 |
104 |
|
磨機震動 |
0．64 |
0．65 |
0．65 |
由以上測量數據顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細度、磨內壓差、振動等工藝要求的基礎上，配合調節變頻器轉速和選粉機轉速，使整個原料磨系統達到一個動態平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達到較好的節能目的。
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
根據現場實測變頻后設備節電率為：
ΔP＝(P1－P2)/P1=(1310－1008)/1310＝23%
變頻改造后節電功率為：
PB= P1-P2=1310-1008=302 kW
變頻改造年節電收益＝PB×0.5×h＝302×0.5×8640≈13萬元
風機的年運行時間：按360天計算，大工業電費為：0.5元/kwh
2、間接效益：
1>、變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
2>、電機以及負載轉速下降，系統效率得到提高，取得節能效果。大大減少了對設備的維護量，節約了人力物力資源。
3>、由于電機以及負載采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。
4>、功率因數由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數補償裝置，而且減少了線路損耗。
5>、廠房設備噪聲污染將降低。
6>、能提高整個系統的自動化水平和工藝水平。
7>、節能減排，減少了溫室氣體的排放，保護了環境。
8>、負載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯移相技術，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，網側電壓諧波總含量可以控制在2％以內，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國際電能質量諧波標準要求。延長了電機的使用壽命。
10>、使用變頻調節，可實現參數的實時恒定運行，提高了系統運行的安全穩定性。
11>、由于采用自動控制，進一步提高了設備運行控制和系統運行管理的自動化水平，從而真正實現自動調節，大大增強了運行的安全可靠性。
總結：在華新金貓水泥（蘇州）有限公司生料磨系統循環風機電機采用SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且有明顯的節能效果。通過SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥的應用，提高了生料磨的產量，又到達較好的節能效果。因此在水泥廠生料磨系統循環風機采用高壓變頻技術是應該倡導和推廣的。
參考文獻
1．《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業標準 火電廠風機水泵用高壓變頻器》2006年10月
2．《湖北三環發展股份有限公司企業標準 Q/SH001-2003》?? 2003年10月
3．《變頻器調速應用百例》? 科學出版社? 1999年
4．《新型干法水泥工藝設計手冊》 中國建材工業出版社 2007年1月
作者：梅楊