變頻器在水泥廠的應用

回顧我國水泥工業(yè)的發(fā)展歷史，逐漸從規(guī)模小、技術落后、資源浪費型工業(yè)向集團規(guī)模化、計算機集中控制、節(jié)能增效型現代化管理企業(yè)轉變。伴隨著這種轉變，不論從宏觀方面處于國家政策大力提倡推行的節(jié)能大趨勢下出發(fā)，還是從企業(yè)本身的降低電耗成本增加產品競爭力的需求出發(fā)，節(jié)能已成為目前水泥工廠設計和建設中不可缺少的環(huán)節(jié)。在水泥生產過程中，電能消耗非常大，電費在水泥生產成本中占了很大的比例。在水泥廠的工藝設備配置中，生料制備和熟料燒成段風機功率約占設備總功率的40％左右。所以風機的電耗直接影響到水泥企業(yè)的生產成本。能否控制好風機的電耗，特別是大型風機的電耗，對降低水泥生產成本，提高企業(yè)的經濟效益是至關重要的。實踐證明，采用變頻器控制風機調節(jié)風量，能達到顯著的節(jié)能效果。

目前新建的新型干法生產線，規(guī)模大、技術要求高、投資較大，因而生產線上高溫風機、循環(huán)風機、廢氣風機通常為大功率高壓電機，高壓變頻器的應用不可避免地越來越多。那么在實際應用中，如何根據工程實際情況進行選擇?在方案制定及施工圖設計時需要注意什么問題?以下就結合高壓變頻器的節(jié)能原理、類別及應用方式對以上問題進行探討。

一、高壓變頻器的節(jié)能原理

所謂的“節(jié)能”，不僅僅是節(jié)省能耗，還包括不浪費能源，用一句最簡單的話說就是：“你需要多少，我就給你提供多少!”。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩類負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率lP具有如下關系Q∝n H∝n2 P∝n3。即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。在實際生產中，往往利用調節(jié)高溫風機的轉速來調節(jié)系統(tǒng)風量。而隨著轉速的降低，風機在維持效率不變（風阻不變?yōu)榍疤幔┑臓顟B(tài)下，軸功率以轉速的立方關系下降，電機消耗的電能急劇減小。例如風量下降到80％，轉速也下降到80％時，其軸功率則下降到額定功率的5 1％；若風量下降到50％，軸功率將下降到額定功率的13％，其節(jié)電潛力非常大。而采用進口導流葉片調節(jié)時，風量下降導致風機效率降低和風壓的升高，運行工況偏離額定工況越遠效率越低。因此，風量雖然下降了，但風機軸功率及電機消耗的電能變化并不大，這就是風機變頻調速的節(jié)能依據。

而在風機調速的的方法上，目前使用較多的還有液力偶合器調速及液體電阻調速。液力偶合器是一種以液體（多數是油）為工作介質，利用液體傳遞能量的傳動裝置。通過改變液力偶合器工作腔內液體的充滿度，就可以改變液力偶合器所傳遞的轉矩和輸出軸的轉速，使液力偶合器電機端和風機端的轉速不一致，從而在電動機速度不改變的條件下對風機調速，實現調節(jié)風量的目的。由于液力偶合器在調節(jié)過程中要產生轉差功率損耗、容積損耗、機械損耗，這些損耗所產生的熱量需要大量冷卻介質來冷卻，而液力偶合器傳動效率等于轉速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器節(jié)能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、損耗大、調速精度低、速度響應慢、轉速不穩(wěn)定、滑差大、有時丟轉、需配備相應的油系統(tǒng)及調節(jié)系統(tǒng)、可靠性低。

而液體電阻調速器是通過調整液體電阻中兩極板間的距離，來改變串入電機轉子回路中的電阻，從而改變轉差率達到改變電機轉速的目的。由于繞線式電機轉子線圈串入不同電阻后，對應的轉差率不同。電阻越大，電機轉速越低；電阻為零，電機達到全速，這就是液體電阻啟動調速器的基本原理。由于液體電阻調速器在調節(jié)過程中要產生轉差功率損耗、電阻通電所產生的熱耗，所以液體調速器節(jié)能效果也不太理想。它的缺點主要是：調速范圍小，最大為2：1；由于通過檢測實際轉速與設定值比較來升降極板，在實際運用中，調速精度低、速度響應慢、轉速不穩(wěn)定、易受溫度影響；并且在調速過程中，電解液中流過轉子電流會產生大量熱量，需使用循環(huán)水進行冷卻；采用繞線型電機，結構復雜，維護工作量大，需增加轉子電纜接線。

而交流變頻調速的特點是效率高，沒有調速帶來的附加轉差損耗，調速的范圍大、精度高、無級調速，并且實現電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網的沖擊。使用結構簡單、可靠耐用、維護方便的鼠籠式電動機，又能達到節(jié)電的顯著效果，是風機節(jié)能的較理想的方法。

二、高壓變頻器的類別

比較實用并已產品化的高壓變頻器，按其主接線可分為“交一交”變頻和“交一直一交”變頻兩大類，在“交一直一交”變頻領域中較有代表的主流產品按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，主要可分為電流源型、三電平電壓源型、單元串聯多電平電壓源型。

1 .“交一交”變頻器

“交一交”變頻器是采用晶閘管實現無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當電壓在3 kV以下時，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當電壓超過3 kV時，晶閘管必須串聯使用，所用的晶閘管要成倍增加。其優(yōu)點是可用于驅動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態(tài)過載能力強；可四象限運行；電機功率因數可為COSφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質量高；效率高。其缺點是功率因數與速度有關，低速時功率因數低；最大輸出頻率為電源頻率的1／n（n=2，3，…．）；最大轉速<500 r／min；網側諧波大，此類變頻器適用于軋鋼機、船舶主傳動和礦石粉碎機等低速轉動設備，不適合在水泥廠應用。

2．GTO（SGCT）電流源型變頻器

采用自關斷器件GOT（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用。可用于異步電機的調速，其功率范圍可達1．5～10 Mw，電壓范圍可達1．5～6 kV，輸出頻率可達220 Hz。電壓超過 3 kV時，功率器件需要串聯。其優(yōu)點是采用合適的：PWM脈沖形式時可得到很低的轉矩脈動；輸出頻率高，可達220 Hz；電機的損耗��；可四象限運行；動態(tài)性能高；可實現無熔斷器設計，可靠性高；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。其缺點是不宜弱磁運行；功率因數與速度有關。當網側采用晶閘管整流時，輸入電流諧波大，需加多相隔離變壓器，采用18脈沖整流以減少網側諧波，但如果在網側采用PWM整流器，不僅能滿足諧波標準而且可取消隔離變壓器。此類變頻器適用于水泵、風機、壓縮機等，

3．三電平電壓源型變頻器

采用高壓HV_IGBT或IGCT的三電平電壓源型變頻器，功率范圍可達 9 100kVA，電壓范圍可達6600V，輸出頻率可達150 Hz。其優(yōu)點是效率高，輸出頻率高；動態(tài)性能好，過載能力強；轉矩脈動小，電機噪聲��；網側配置多樣化，可實現12、18或24脈沖整流，以減少網側諧波；對電機絕緣無影響，輸出電纜長度無限制；與基波一致的功率因數；高可靠的無熔斷器設計。其缺點是不可控二級管整流器，單象限運行，要四象限運行需采取額外的措施；如果采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路及門極觸發(fā)電路；直流環(huán)節(jié)需扼流圈，并需要輸出濾波器。此類變頻器適用于風機、水泵、傳送帶、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等

4．單元串聯多電平電壓源型變頻器

采用低壓LV—IGBT的單元串聯多電平電壓源型變頻器其功率范圍可達3～220 MW，電壓范圍可達10 kV。其優(yōu)點是極低的輸出諧波含量，在無輸出濾波器的情況下，可使I-ID<0．3％，堪稱“完善無諧波”變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數可達0．95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計。其缺點是只能單象限運行；不能進行旁路切換；不能實現無熔斷器設計；體積大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；電容器多，易發(fā)生漏電問題；功率節(jié)點多，增加連接難題；多電平結構的變壓器必須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問題；考慮空間要求時，大容量裝置只能采用水冷方式。此類變頻器適用于風機、水泵，

三、高壓變頻器的應用方式

高壓變頻器在水泥廠的應用中通常采用“交一直一交”變頻方式，而“交一直一交”變頻又可分為 “高一低一高”方式及“高一高”方式。“高一低一高”方式，其實質上還是低壓變頻，只不過是從電網和電動機兩端來看是高壓。該方式是中壓變頻技術發(fā)展中的一種由低壓變頻向中壓變頻過渡的方式。因其存在著中間低壓環(huán)節(jié)需要增加變壓器、無功補償器、諧波濾波器，控制復雜，可靠性較低，檢修比較困難，設備占地面積和體積較大，系統(tǒng)的整體效率較低，設備的維護費用和故障均會相應提高，目前已處于逐步淘汰的階段。而隨著中壓變頻技術的發(fā)展，特別是新的大功率可關斷器件的研制成功，直接高壓變頻即“高一高”方式，因沒有中間的低壓環(huán)節(jié)，所以效率高、主回路簡單、工作可靠，是目前高壓變頻應用的主流。

1．“高低一高”變頻調速系統(tǒng)

此種調速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用各大公司一般的交流變頻器，然后將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器提高到6 kV以滿足交流電動機的電壓要求，但此方案存在著以下問題：

（1）“高一低一高”變頻系統(tǒng)需要用2個變壓器，設備環(huán)節(jié)比較多，占地面積比較大，從而降低了效率，且降壓、升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧波的影響，成本會有所上升。

（2）該系統(tǒng)輸出波形畸變較大，高次諧波含量較高，對電機的絕緣要求很高。

（3）該系統(tǒng)中的變頻器整流部分普遍采用可控硅橋式整流電路，在電機低速運行時變頻器的功率因數比較低，波形畸變很大，逆變部分大多采用6脈沖或12脈沖，輸出波形失真較大，有大量高次諧波存在。

（4）該系統(tǒng)中的變頻器工作在低電壓狀態(tài)，為滿足功率輸出的要求，工作電流會很大，往往要求變頻器元件進行并聯運行，為此必須進行元件配對，加均流措施，檢修要求比較高。

2．“高一高”變頻調速系統(tǒng)

“高一高”變頻調速系統(tǒng)（又稱直接高壓變頻系統(tǒng)）是20世紀90年代針對“高一低一高”變頻調速系統(tǒng)缺陷 所研制成功的新一代變頻調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上解決了“高一低一高”變頻調速系統(tǒng)存在的問題，是一種性能優(yōu)越的變頻調速設備，它的優(yōu)勢在于：

（1）此系統(tǒng)一般使用l臺變壓器與電網隔離，變頻器輸出直接到電機。由于采用了橋式整流電路，在整個調速過程中功率因數很高，coS遠遠大于O．85，不需要裝設無功補償裝置；又因為“高一高”變頻調速系統(tǒng)采用多重化脈寬控制，通過模塊輸出串聯迭加消除高次諧波的影響，不需要再裝諧波濾波器。

（2）簡化了主電路和控制電路的結構，變頻器在中央處理器調節(jié)器控制下，調整整流及逆變部分的控制量，通過調節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實現調壓，又實現調頻，在處理器中集成了高精度的電機理論模型，高速采集變頻器和電機的狀態(tài)參數，進行優(yōu)化處理，調節(jié)器進行無偏差的前饋控制，使控制誤差降到了最小，從而使裝置的體積小，重量輕，可靠性高，占地面積小。

（3）改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內控制和調節(jié)，因此，調節(jié)速度快，調節(jié)過程中頻率和電壓的配合較好，系統(tǒng)的動態(tài)性能好。

（4）該系統(tǒng)有很好的對負載供電的波形。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的電機發(fā)熱和轉矩降低問題，改善了電動機的運行性能，“高一高”變頻系統(tǒng)適用于常規(guī)電機和電纜的絕緣要求，現有的電機、電纜均可以繼續(xù)使用。

（5）該系統(tǒng)變頻器工作在高壓狀態(tài)，功率模塊均封裝在絕緣板箱內，拆裝方便，用戶可以安全方便地對每個單元進行診斷和查找故障，系統(tǒng)的檢查和調正可以在變頻器運行中進行，操作人員可以在線調整參數。

（6）采用高精度、高速度和光纖數字通訊控制技術，保證了低壓控制部分和高壓電機部分可靠電壓隔離。

四、高壓變頻器的方案設計

由于在實際工程中存在種種不同的情況以及不同的要求，高壓變頻調速的應用方式也多種多樣，由于“高一低一高”變頻方式處于淘汰階段，所以主要針對在“高一高”變頻方式應用中需要重視的幾個方面進行探討。

1．整流方案選擇

采用高壓變頻器的調速系統(tǒng)因其節(jié)能效果明顯、調節(jié)方便、維護簡單等優(yōu)點，而被越來越多地應用。但它的非線性、脈沖性用電的工作方式，帶來的干擾問題亦倍受關注。對于一臺高壓變頻器來講，它的輸入端和輸出端都會產生高次諧波，輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網產生影響。一般來講，變頻器對容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但是對于系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產生的干擾就不可忽視，它對公用電網是一種污染，客觀的存在對公用電網和其它系統(tǒng)的危害大致有：

（1）諧波使公用電網的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的使用率，大量的三次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。

（2）諧波影響各種電氣元件的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪音和過電流，使電容器、電纜等設備過熱，絕緣老化、壽命縮短以至損壞。

（3）諧波會引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大地增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會對臨近的通訊系統(tǒng)產生干擾，導致通訊質量降低，甚至信息的丟失，使通訊系統(tǒng)無法正常工作。

通常抑制諧波的方法基本思路有三，其一是裝設諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為l；其三是在市電網絡中采用適當的措施來抑制諧波。

在高壓變頻器應用實例中主要采取以下幾種措施來達到抑制諧波的效果，同時也產生了高壓變頻器在整流部分的幾種應用方案：

（1）采用新型的整流器，取消隔離變壓器。

大容量的變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術。高功率因數整流器主要采用PWM整流器，可構成四象限交流調速用變頻器。這種變頻器不但輸出電壓、電流為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數為l，還可以實現能量的雙向傳遞，代表了這一技術的發(fā)展方向。當電網電壓與變頻器和電機電壓相同時，推薦采用電源側串AC電抗器+PWM整流器的方案，由于PWM整流器在滿足電網對諧波要求的同時還提供了近似于1的功率因數，并優(yōu)化了變頻的運行性能，采用此方案可獲得高系統(tǒng)效率，小安裝尺寸，低使用成本的變頻最佳效果。

（2）三相隔離變壓器+諧波濾波器。

在一些變頻器容量占總負荷比例較小、諧波并非主要問題的項目中，采用三相隔離變壓器+6脈沖整流器+諧波濾波器是消諧的最經濟方案。此時隔離變壓器應選用D一YNll接線組別的三相配電變壓器，以保證相電動勢接近于正弦形，從而避免相電動勢波形畸變的影響。在此種項目中如對安裝尺寸有特別限制，也可在電源側串適當的AC電抗器取代隔離變壓器，但對諧波抑制的效果較差，對電網的干擾較大，且僅適用于新電機。

（3）采用多相脈沖整流。

當電網電壓與變頻器和電機電壓不同、并且電機功率較大、對諧波干擾要求較高時，適合采用多相脈沖整流的方案。根據產品的不同（羅克韋爾、ABB、西門子、羅賓康等）有12脈沖整流、18脈沖整流、24脈沖整流、30脈沖整流的方案；配套的隔離變壓器也有較大差別。從實用角度來看整流橋組成12相脈沖整流即可消除5、7次諧波，已基本滿足電網諧波要求，因此900 kW以下采用12相脈沖整流即可，l 000．kW以上采用18脈沖整流、24脈沖整流、30脈沖整流均可達到要求的諧波標準。同時加大隔離變壓器的容量對抑制諧波、減少對電源的干擾也具有一定效果，具體指標可咨詢相關廠家的技術人員。

2. 其他注意事項

確定了電壓等級及整流方案后，高壓變頻器的應用方案就已經基本確定了，接下來就是對各商家產品的了解與考察。目前在大中型水泥廠運用較多的還是國外的知名品牌，如羅克韋爾、ABB、西門子、羅賓康等，這幾大公司的產品在工作原理上屬于不同類別的變頻器，不過總的來說都具有較高的平均無故障率，能穩(wěn)定可靠的工作，在實際工程中都有成功的應用案例。他們在工作原理、功率元器件、控制方式、制造技術、降低故障率、維護性能、方案配置上各有特色，可以針對以上因素及各項電氣指標進行綜合比較，最終確定產品。

在進行施工圖設計時需注意以下幾個方面：在提出土建資料時，必須參考產品的詳細資料，根據變頻器（及隔離變壓器）的安裝尺寸、荷載、電纜路徑等提出合適、合理的土建資料，如有隔離變壓器，應盡量靠近變頻器布置，同時在布置室內外電纜溝或橋架時，盡量讓變頻器的進出線電纜使用單獨的路徑，特別是要避開控制及信號電纜，這樣可盡量減少變頻器工作時產生的電磁干擾。在進行電氣室布置時，必須考慮高壓變頻器的工作環(huán)境問題。由于變頻器是電子裝置，內含電解電容、電路板、芯片等電子元器件，如果環(huán)境溫度太高或含塵量較大，會影響其壽命及穩(wěn)定性。所以盡可能設置單獨的變頻器室，同時進行散熱及防塵處理，通常采用以下方法：

（1）外循環(huán)散熱方式：制作散熱風管，利用變頻器的內裝風扇或外加排風扇將變頻器內部產生的熱量排出到室外，同時從室外補充溫度較低的冷空氣，這時需根據變頻器所需的冷卻風量提供足夠的進風口面積，同時在進風口做好防塵處理。

（2）內循環(huán)散熱方式：變頻器室作密閉防塵處理后，在室內安裝空調，控制溫度在20～25℃之間，空調制冷量根據房間面積及變頻器發(fā)熱量確定，一般情況下由于高壓變頻器發(fā)熱量較大，所需空調功率較大。

另外需要注意的是隔離變壓器的溫度信號及瓦斯信號最好進變頻器作為聯鎖信號，當隔離變壓器發(fā)生溫度或瓦斯故障時，變頻器可立即停止運行，然后再向隔離變壓器的高壓配電裝置發(fā)出故障跳閘信號，從而跳掉變壓器的高壓側開關。這樣避免了變頻器在工作狀態(tài)時突然失去電源而對內部元器件造成損傷。還有在新建項目中進行高壓變頻主回路方案考慮時，可不考慮普通的備用回路，因為如果考慮備用回路，特別在電機功率較大的情況下，就會產生以下問題：鼠籠電機直接啟動電流太大需增加啟動設備，需增加配電柜、切換柜、電容補償柜等設備，投資大量增加，高壓柜保護參數也需變化，并且主回路及控制回路復雜，增加施工及調試難度。而高壓變頻器發(fā)展到現在已經是一種技術成熟、性能可靠的工業(yè)級產品，擁有很高的平均無故障時間，完全值得信賴，所以沒有必要考慮備用控制回路。

五、結束語

在水泥廠工程中推廣使用高壓變頻器，帶來的不僅是節(jié)能所產生的直接經濟效益，還有其他的附加效益：通過變頻器實現電機的軟啟動，降低了啟動電流，避免了啟動時的機械沖擊，延長了電動機壽命；采用結構簡單、可靠耐用的鼠籠電機，從而降低了電動機的價格、維護工作量及費用；水泥廠排風系統(tǒng)中粉塵含量較大，對高速轉動中的風機及檔板磨損很大，采用變頻調速后，電機轉速降低，檔板全開，磨損大大減小，延長了使用壽命，降低了設備檢修費用；通過轉速對風壓及風量進行調整，操作簡單靈活，反應時間快，易與DCS系統(tǒng)構成自動控制回路，提高了自動化控制水平。所以在水泥廠采用高壓變頻器是不可避免的趨勢，希望通過本文對高壓變頻器的一些介紹及探討，對設計人員應用高壓變頻器時能有所幫助，在實際工程中科學、合理地應用高壓變頻器，讓高壓變頻器為水泥行業(yè)的節(jié)能增效發(fā)揮出更好的功效。