摘要：本文结合水泥行业的生产情况，介绍了北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器在阿塞拜疆的水泥项目风机的应用情况，目前该水泥厂项目已进入调试生产阶段，整体状况运行良好。
关键词：水泥行业、高压变频、节能
一、概述
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，而电动机电耗占成本近30%，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。当前，很多水泥厂的风机“大马拉小车”现象严重，如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，既满足生产要求，又达到节约电能的作用，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。根据具体情况，风机进行变频改造后，节电率在30-50%，通常一年半到两年便可收回投资。
二、调速方式的选择
变频调速技术是20世纪年代末兴起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，它以转矩大、精度高、功能强、可靠性高，操作方便，便于通讯等功能优于以往的传统调速方式(如变极调速、调压调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等等)。变频调速运行，是根据负载转速的变化要求，改变供电电流的频率，并配合电压的调节，以获得合理的点击运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率。变频控制技术的应用，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电动机及负载设备免受瞬时启动冲击，延长其工作寿命，还提高电动机及负载设备的工作精确度。
高压变频器以其显著的节能效益、较高的调速精度、较宽的调速范围、完善的保护功能、方便的通讯功能，得到了广大用户的认可，现在已经成为企业电机节能方式的首选方案。随着我国国产高压变频调速技术的成熟，新项目大功率风机类设备全部采用高压变频器的同时，对原有生产线的大功率风机类设备，也全部实施了高压变频器改造，取得了良好的经济效益和社会效益。
高压变频调速—由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，因此具有其他调速方式无法比拟的优点：
(1)变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压、电流、频率、电机转速，可非常直观地 显示电机在任何时间的实时状态。
(2)精确的频率分辨率和调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的需要。
(3)高压变频器具有国际通用的外部接口，能与可编程控制器(PLC)和工控机等各种仪表连接，以及与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统。如与原DCS系统实现数据交换和联锁控制。
(4)具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时安全可靠。
(5)电机可实现软启动、软制动;启动电流小，小于电机的额定电流;电机启动的时间连续可调，减少了对电网的影响。
(6)具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能。
(7)减少配件损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
三、利德华福高压变频器原理及特点
HARSVERT-A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属“高-高”电压源型变频器，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总谐波畸变小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机， 10kV每个系统共有24个功率单元，每8个功率单元串连构成一相，其系统结构如图1所示。
图1：利德华福高压变频器系统结构
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt 很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可达98%，考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上。
与普通采用高压器件直接串联的电流源型变频器及三电平电压源型变频器相比，由于采用功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用常规IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。由于采用功率单元串联结构，所以可以采取功率单元旁路选件，当功率单元故障时，控制系统可以将故障单元自动旁路，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。
由于采用了高性能DSP芯片和新型一体化计算机，在秉承公司HARSVERT-A系列产品完美无谐波、高可靠性、功率/电压等级覆盖范围广、控制接口灵活等优良品质的基础上，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速产品能够实现功能更为丰富、性能更强大的高压大容量交流传动控制。目前，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，达到国际先进水平。无需安装复杂且不易维护的测速装置，HARSVERT-A系列变频器仅需对输出三相电压、两相电流进行检测，即可根据预先自动测定的电机模型，进行异步电动机的磁通和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载启动和运行。
四 、熟料生产中特殊工艺对变频器的要求
高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加。此外，如果垂直烟道或预热器内在清洁皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用一般厂家的通用型高压变频器会导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与生产线的正常运行。
利德华福公司生产的高压变频器采用矢量控制算法，变频器对其输出电流进行实时、快速的精确控制(传统的VVVF控制中，不对输出电流进行控制，输出电流的测量仅用于显示和保护)。在控制算法中对最大输出电流进行限制，因而不会因负载的波动导致变频器过流停机。
五、改造项目具体实施方案及过程
5.1 旁路柜的选择
根据现场的实际情况，旁路柜采用了一拖一手动方案。此结构是手动旁路的典型方案,原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成(见左图其中QF为原高压开关柜内的断路器)。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开;工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
优点是:在检修高压变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行等。
5.2 工况简介
回转窑是有一定斜度的圆筒状物，均化好的生料预热后由窑尾进入到窑中，借助窑的转动来物料在旋窑内搅拌，使物料互相混合、接触进行反应，物料依靠窑简体的斜度及窑的转动在窑内向前运动，同时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的燃烧，生料才能在窑内得到很好的煅烧，形成高质量的熟料产品。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，另一方面将回转窑内煅烧时产生的废气(含尘)引出，进入收尘器将灰尘进行处理后，再将废气排到大气中。此项目为干法生产线，日产量分别为2000t，高温风机电机配置为10kV、630kW。在高温风机的电机与风机之间，配有高压变频器对风机进行调速，从而调整风机的风量，达到控制窑内负压。
5.3 高温风机变频改造方案
经过对系统进行统计，在生产过程中，风机挡板开度在80%左右，节电空间较大，我们决定对原系统使用变频改造，为了充分保证系统的可靠性，变频器加装了工频旁路装置。这样，当变频器发生故障时，可将电机切换至工频状态下运行。
5.4 改造过程
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间变频器专用房，此地距高压室较近，动力电缆铺设方便。
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，为避免变频器受外界灰尘的影响，在房间通风上，设计了两扇大面积专用进风窗，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少，最大限度地减少了进入变频器室内的灰尘，过滤网定期除尘，保证变频器长期安全运行。
现场高温时间长，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个整体风罩，与各自的出风口连成整体，形成所谓的“风道”，保证变频器整体冷却通风要求，即使在夏季高温季节也不需要开空调进行降温。
5.5 调试方便
利德华福高压变频器调试非常方便，在确认现场接线正确无误后，用变频器人机界面设定基本参数后，即可完成设置。人机界面采用全英文界面，方便使用。下图为高压变频器在现场使用照片。
图2 高压变频器
图3 中控室运行时监控界面
5.6 变频改造后的优点
(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)系统效率得到提高，消除了风门挡板的损失，取得节能效果。
(3)由于风机采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
(4)利德华福变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95。
(5)厂房设备噪声污染大大降低。
六、结论
目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重。风机的风量调节方式基本通过挡板进行调节，耗能大，经济效益差，设备损坏严重，急需采用先进的高压变频调速进行技术改造，以降低水泥厂的电耗，提高企业的经济效益。实践证明，水泥行业风机采用高压变频调速技术，是必要、可行的，且经济效益显著。
HARSVERT系列高压变频器可靠性高，输入、输出波形质量好，采用矢量控制技术，适合于水泥厂风机的变频改造，成功解决了水泥生产中的塌料引起的负载波动问题，大大提高设备运行的可靠性，节约大量能源，为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益，具有很高的推广价值。
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