变频器在水泥厂的应用

　　回顾我国水泥工业的发展历史，逐渐从规模小、技术落后、资源浪费型工业向集团规模化、计算机集中控制、节能增效型现代化管理企业转变。伴随着这种转变，不论从宏观方面处于国家政策大力提倡推行的节能大趋势下出发，还是从企业本身的降低电耗成本增加产品竞争力的需求出发，节能已成为目前水泥工厂设计和建设中不可缺少的环节。在水泥生产过程中，电能消耗非常大，电费在水泥生产成本中占了很大的比例。在水泥厂的工艺设备配置中，生料制备和熟料烧成段风机功率约占设备总功率的40％左右。所以风机的电耗直接影响到水泥企业的生产成本。能否控制好风机的电耗，特别是大型风机的电耗，对降低水泥生产成本，提高企业的经济效益是至关重要的。实践证明，采用变频器控制风机调节风量，能达到显著的节能效果。
目前新建的新型干法生产线，规模大、技术要求高、投资较大，因而生产线上高温风机、循环风机、废气风机通常为大功率高压电机，高压变频器的应用不可避免地越来越多。那么在实际应用中，如何根据工程实际情况进行选择?在方案制定及施工图设计时需要注意什么问题?以下就结合高压变频器的节能原理、类别及应用方式对以上问题进行探讨。

一、高压变频器的节能原理
所谓的“节能”，不仅仅是节省能耗，还包括不浪费能源，用一句最简单的话说就是：“你需要多少，我就给你提供多少!”。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩类负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率lP具有如下关系Q∝n H∝n2 P∝n3。即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。在实际生产中，往往利用调节高温风机的转速来调节系统风量。而随着转速的降低，风机在维持效率不变（风阻不变为前提）的状态下，轴功率以转速的立方关系下降，电机消耗的电能急剧减小。例如风量下降到80％，转速也下降到80％时，其轴功率则下降到额定功率的5 1％；若风量下降到50％，轴功率将下降到额定功率的13％，其节电潜力非常大。而采用进口导流叶片调节时，风量下降导致风机效率降低和风压的升高，运行工况偏离额定工况越远效率越低。因此，风量虽然下降了，但风机轴功率及电机消耗的电能变化并不大，这就是风机变频调速的节能依据。
而在风机调速的的方法上，目前使用较多的还有液力偶合器调速及液体电阻调速。液力偶合器是一种以液体（多数是油）为工作介质，利用液体传递能量的传动装置。通过改变液力偶合器工作腔内液体的充满度，就可以改变液力偶合器所传递的转矩和输出轴的转速，使液力偶合器电机端和风机端的转速不一致，从而在电动机速度不改变的条件下对风机调速，实现调节风量的目的。由于液力偶合器在调节过程中要产生转差功率损耗、容积损耗、机械损耗，这些损耗所产生的热量需要大量冷却介质来冷却，而液力偶合器传动效率等于转速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器节能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、损耗大、调速精度低、速度响应慢、转速不稳定、滑差大、有时丢转、需配备相应的油系统及调节系统、可靠性低。
而液体电阻调速器是通过调整液体电阻中两极板间的距离，来改变串入电机转子回路中的电阻，从而改变转差率达到改变电机转速的目的。由于绕线式电机转子线圈串入不同电阻后，对应的转差率不同。电阻越大，电机转速越低；电阻为零，电机达到全速，这就是液体电阻启动调速器的基本原理。由于液体电阻调速器在调节过程中要产生转差功率损耗、电阻通电所产生的热耗，所以液体调速器节能效果也不太理想。它的缺点主要是：调速范围小，最大为2：1；由于通过检测实际转速与设定值比较来升降极板，在实际运用中，调速精度低、速度响应慢、转速不稳定、易受温度影响；并且在调速过程中，电解液中流过转子电流会产生大量热量，需使用循环水进行冷却；采用绕线型电机，结构复杂，维护工作量大，需增加转子电缆接线。
而交流变频调速的特点是效率高，没有调速带来的附加转差损耗，调速的范围大、精度高、无级调速，并且实现电机软启动，延长电机使用寿命，减小启动电流对电网的冲击。使用结构简单、可靠耐用、维护方便的鼠笼式电动机，又能达到节电的显著效果，是风机节能的较理想的方法。

二、高压变频器的类别
比较实用并已产品化的高压变频器，按其主接线可分为“交一交”变频和“交一直一交”变频两大类，在“交一直一交”变频领域中较有代表的主流产品按中间直流滤波环节的不同，主要可分为电流源型、三电平电压源型、单元串联多电平电压源型。
1 .“交一交”变频器
“交一交”变频器是采用晶闸管实现无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器。当电压在3 kV以下时，每相要用12只晶闸管，三相共36只；当电压超过3 kV时，晶闸管必须串联使用，所用的晶闸管要成倍增加。其优点是可用于驱动同步和异步电机；堵转转矩和保持转矩大；动态过载能力强；可四象限运行；电机功率因数可为COSφ=1；极佳的低速性能；弱磁工作范围广；转矩质量高；效率高。其缺点是功率因数与速度有关，低速时功率因数低；最大输出频率为电源频率的1／n（n=2，3，…．）；最大转速<500 r／min；网侧谐波大，此类变频器适用于轧钢机、船舶主传动和矿石粉碎机等低速转动设备，不适合在水泥厂应用。
2． GTO（SGCT）电流源型变频器
采用自关断器件GOT（SGCT）的电流源型变频器，直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用。可用于异步电机的调速，其功率范围可达1．5～10 Mw，电压范围可达1．5～6 kV，输出频率可达220 Hz。电压超过 3 kV时，功率器件需要串联。其优点是采用合适的：PWM脉冲形式时可得到很低的转矩脉动；输出频率高，可达220 Hz；电机的损耗小；可四象限运行；动态性能高；可实现无熔断器设计，可靠性高；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。其缺点是不宜弱磁运行；功率因数与速度有关。当网侧采用晶闸管整流时，输入电流谐波大，需加多相隔离变压器，采用18脉冲整流以减少网侧谐波，但如果在网侧采用PWM整流器，不仅能满足谐波标准而且可取消隔离变压器。此类变频器适用于水泵、风机、压缩机等，
3．三电平电压源型变频器
采用高压HV_IGBT或IGCT的三电平电压源型变频器，功率范围可达 9 100kVA，电压范围可达6600V，输出频率可达150 Hz。其优点是效率高，输出频率高；动态性能好，过载能力强；转矩脉动小，电机噪声小；网侧配置多样化，可实现12、18或24脉冲整流，以减少网侧谐波；对电机绝缘无影响，输出电缆长度无限制；与基波一致的功率因数；高可靠的无熔断器设计。其缺点是不可控二级管整流器，单象限运行，要四象限运行需采取额外的措施；如果采用GTO或IGCT器件，需要复杂的缓冲电路及门极触发电路；直流环节需扼流圈，并需要输出滤波器。此类变频器适用于风机、水泵、传送带、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等
4．单元串联多电平电压源型变频器
采用低压LV—IGBT的单元串联多电平电压源型变频器其功率范围可达3～220 MW，电压范围可达10 kV。其优点是极低的输出谐波含量，在无输出滤波器的情况下，可使I-ID<0．3％，堪称“完善无谐波”变频器；极低的转矩纹波和电机噪声；功率因数可达0．95；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制；便于冗余设计。其缺点是只能单象限运行；不能进行旁路切换；不能实现无熔断器设计；体积大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；电容器多，易发生漏电问题；功率节点多，增加连接难题；多电平结构的变压器必须和变频器集成在一起，使电气室的空间和散热成为问题；考虑空间要求时，大容量装置只能采用水冷方式。此类变频器适用于风机、水泵，

三、高压变频器的应用方式
高压变频器在水泥厂的应用中通常采用“交一直一交”变频方式，而“交一直一交”变频又可分为 “高一低一高”方式及“高一高”方式。“高一低一高”方式，其实质上还是低压变频，只不过是从电网和电动机两端来看是高压。该方式是中压变频技术发展中的一种由低压变频向中压变频过渡的方式。因其存在着中间低压环节需要增加变压器、无功补偿器、谐波滤波器，控制复杂，可靠性较低，检修比较困难，设备占地面积和体积较大，系统的整体效率较低，设备的维护费用和故障均会相应提高，目前已处于逐步淘汰的阶段。而随着中压变频技术的发展，特别是新的大功率可关断器件的研制成功，直接高压变频即“高一高”方式，因没有中间的低压环节，所以效率高、主回路简单、工作可靠，是目前高压变频应用的主流。
1．“高低一高”变频调速系统
此种调速控制方案是将高压通过降压变压器，使变频器的输入电压降低，这样可以采用各大公司一般的交流变频器，然后将变频器的输出电压通过升压变压器提高到6 kV以满足交流电动机的电压要求，但此方案存在着以下问题：
（1）“高一低一高”变频系统需要用2个变压器，设备环节比较多，占地面积比较大，从而降低了效率，且降压、升压变压器不能互换，升压变压器需要特制，以减弱高次谐波的影响，成本会有所上升。
（2）该系统输出波形畸变较大，高次谐波含量较高，对电机的绝缘要求很高。
（3）该系统中的变频器整流部分普遍采用可控硅桥式整流电路，在电机低速运行时变频器的功率因数比较低，波形畸变很大，逆变部分大多采用6脉冲或12脉冲，输出波形失真较大，有大量高次谐波存在。
（4）该系统中的变频器工作在低电压状态，为满足功率输出的要求，工作电流会很大，往往要求变频器元件进行并联运行，为此必须进行元件配对，加均流措施，检修要求比较高。
2．“高一高”变频调速系统
“高一高”变频调速系统（又称直接高压变频系统）是20世纪90年代针对“高一低一高”变频调速系统缺陷 所研制成功的新一代变频调速系统。该系统从根本上解决了“高一低一高”变频调速系统存在的问题，是一种性能优越的变频调速设备，它的优势在于：
（1）此系统一般使用l台变压器与电网隔离，变频器输出直接到电机。由于采用了桥式整流电路，在整个调速过程中功率因数很高，coS远远大于O．85，不需要装设无功补偿装置；又因为“高一高”变频调速系统采用多重化脉宽控制，通过模块输出串联迭加消除高次谐波的影响，不需要再装谐波滤波器。
（2）简化了主电路和控制电路的结构，变频器在中央处理器调节器控制下，调整整流及逆变部分的控制量，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出电压频率，既实现调压，又实现调频，在处理器中集成了高精度的电机理论模型，高速采集变频器和电机的状态参数，进行优化处理，调节器进行无偏差的前馈控制，使控制误差降到了最小，从而使装置的体积小，重量轻，可靠性高，占地面积小。
（3）改善了系统的动态特性，变频器中逆变器的输出频率和电压，都在逆变器内控制和调节，因此，调节速度快，调节过程中频率和电压的配合较好，系统的动态性能好。
（4）该系统有很好的对负载供电的波形。变频器的逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电机发热和转矩降低问题，改善了电动机的运行性能，“高一高”变频系统适用于常规电机和电缆的绝缘要求，现有的电机、电缆均可以继续使用。
（5）该系统变频器工作在高压状态，功率模块均封装在绝缘板箱内，拆装方便，用户可以安全方便地对每个单元进行诊断和查找故障，系统的检查和调正可以在变频器运行中进行，操作人员可以在线调整参数。
（6）采用高精度、高速度和光纤数字通讯控制技术，保证了低压控制部分和高压电机部分可靠电压隔离。

四、高压变频器的方案设计
由于在实际工程中存在种种不同的情况以及不同的要求，高压变频调速的应用方式也多种多样，由于“高一低一高”变频方式处于淘汰阶段，所以主要针对在“高一高”变频方式应用中需要重视的几个方面进行探讨。
1．整流方案选择
采用高压变频器的调速系统因其节能效果明显、调节方便、维护简单等优点，而被越来越多地应用。但它的非线性、脉冲性用电的工作方式，带来的干扰问题亦倍受关注。对于一台高压变频器来讲，它的输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响。一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染，客观的存在对公用电网和其它系统的危害大致有：
（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大地增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。
通常抑制谐波的方法基本思路有三，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l；其三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波。在高压变频器应用实例中主要采取以下几种措施来达到抑制谐波的效果，同时也产生了高压变频器在整流部分的几种应用方案：
（1）采用新型的整流器，取消隔离变压器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。高功率因数整流器主要采用PWM整流器，可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为l，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向。当电网电压与变频器和电机电压相同时，推荐采用电源侧串AC电抗器+PWM整流器的方案，由于PWM整流器在满足电网对谐波要求的同时还提供了近似于1的功率因数，并优化了变频的运行性能，采用此方案可获得高系统效率，小安装尺寸，低使用成本的变频最佳效果。
（2）三相隔离变压器+谐波滤波器。在一些变频器容量占总负荷比例较小、谐波并非主要问题的项目中，采用三相隔离变压器+6脉冲整流器+谐波滤波器是消谐的最经济方案。此时隔离变压器应选用D一YNll接线组别的三相配电变压器，以保证相电动势接近于正弦形，从而避免相电动势波形畸变的影响。在此种项目中如对安装尺寸有特别限制，也可在电源侧串适当的AC电抗器取代隔离变压器，但对谐波抑制的效果较差，对电网的干扰较大，且仅适用于新电机。
（3）采用多相脉冲整流。当电网电压与变频器和电机电压不同、并且电机功率较大、对谐波干扰要求较高时，适合采用多相脉冲整流的方案。根据产品的不同（罗克韦尔、ABB、西门子、罗宾康等）有12脉冲整流、18脉冲整流、24脉冲整流、30脉冲整流的方案；配套的隔离变压器也有较大差别。从实用角度来看整流桥组成12相脉冲整流即可消除5、7次谐波，已基本满足电网谐波要求，因此900 kW以下采用12相脉冲整流即可，l 000．kW以上采用18脉冲整流、24脉冲整流、30脉冲整流均可达到要求的谐波标准。同时加大隔离变压器的容量对抑制谐波、减少对电源的干扰也具有一定效果，具体指标可咨询相关厂家的技术人员。
2. 其他注意事项
确定了电压等级及整流方案后，高压变频器的应用方案就已经基本确定了，接下来就是对各商家产品的了解与考察。目前在大中型水泥厂运用较多的还是国外的知名品牌，如罗克韦尔、ABB、西门子、罗宾康等，这几大公司的产品在工作原理上属于不同类别的变频器，不过总的来说都具有较高的平均无故障率，能稳定可靠的工作，在实际工程中都有成功的应用案例。他们在工作原理、功率元器件、控制方式、制造技术、降低故障率、维护性能、方案配置上各有特色，可以针对以上因素及各项电气指标进行综合比较，最终确定产品。
在进行施工图设计时需注意以下几个方面：在提出土建资料时，必须参考产品的详细资料，根据变频器（及隔离变压器）的安装尺寸、荷载、电缆路径等提出合适、合理的土建资料，如有隔离变压器，应尽量靠近变频器布置，同时在布置室内外电缆沟或桥架时，尽量让变频器的进出线电缆使用单独的路径，特别是要避开控制及信号电缆，这样可尽量减少变频器工作时产生的电磁干扰。在进行电气室布置时，必须考虑高压变频器的工作环境问题。由于变频器是电子装置，内含电解电容、电路板、芯片等电子元器件，如果环境温度太高或含尘量较大，会影响其寿命及稳定性。所以尽可能设置单独的变频器室，同时进行散热及防尘处理，通常采用以下方法：
（1）外循环散热方式：制作散热风管，利用变频器的内装风扇或外加排风扇将变频器内部产生的热量排出到室外，同时从室外补充温度较低的冷空气，这时需根据变频器所需的冷却风量提供足够的进风口面积，同时在进风口做好防尘处理。
（2）内循环散热方式：变频器室作密闭防尘处理后，在室内安装空调，控制温度在20～25℃之间，空调制冷量根据房间面积及变频器发热量确定，一般情况下由于高压变频器发热量较大，所需空调功率较大。
另外需要注意的是隔离变压器的温度信号及瓦斯信号最好进变频器作为联锁信号，当隔离变压器发生温度或瓦斯故障时，变频器可立即停止运行，然后再向隔离变压器的高压配电装置发出故障跳闸信号，从而跳掉变压器的高压侧开关。这样避免了变频器在工作状态时突然失去电源而对内部元器件造成损伤。还有在新建项目中进行高压变频主回路方案考虑时，可不考虑普通的备用回路，因为如果考虑备用回路，特别在电机功率较大的情况下，就会产生以下问题：鼠笼电机直接启动电流太大需增加启动设备，需增加配电柜、切换柜、电容补偿柜等设备，投资大量增加，高压柜保护参数也需变化，并且主回路及控制回路复杂，增加施工及调试难度。而高压变频器发展到现在已经是一种技术成熟、性能可靠的工业级产品，拥有很高的平均无故障时间，完全值得信赖，所以没有必要考虑备用控制回路。

五、结束语
在水泥厂工程中推广使用高压变频器，带来的不仅是节能所产生的直接经济效益，还有其他的附加效益：通过变频器实现电机的软启动，降低了启动电流，避免了启动时的机械冲击，延长了电动机寿命；采用结构简单、可靠耐用的鼠笼电机，从而降低了电动机的价格、维护工作量及费用；水泥厂排风系统中粉尘含量较大，对高速转动中的风机及档板磨损很大，采用变频调速后，电机转速降低，档板全开，磨损大大减小，延长了使用寿命，降低了设备检修费用；通过转速对风压及风量进行调整，操作简单灵活，反应时间快，易与DCS系统构成自动控制回路，提高了自动化控制水平。所以在水泥厂采用高压变频器是不可避免的趋势，希望通过本文对高压变频器的一些介绍及探讨，对设计人员应用高压变频器时能有所帮助，在实际工程中科学、合理地应用高压变频器，让高压变频器为水泥行业的节能增效发挥出更好的功效。