刘传玉
湖南常德南方水泥有限公司 湖南 常德 415107
摘要 目前节能减排、产能过剩是水泥行业的关键词，行业竞争主要是制造成本的竞争，而水泥企业电耗占成本近20％，而拖动风机用的高压电动机在工厂电耗占有很大的比重，做好高压电动机的降耗增效工作就显得极为重要；长期以来，政府也十分重视节能减排工作，并将高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一，要求大力推动高压大功率变频调速示范工程。
关键词：原料磨 循环风机 高压变频器 节能
1、 引言
湖南常德南方水泥有限公司原料磨循环风机主电机采用转子串水电阻启动，运行方式为工频运行；通过入口挡板的开度，来调节系统用风量，整个风机运行效益差、能耗大、设备故障率、维修难度大。
风机的工作特性图如下：
.png)
风机的工作特性图
由上图可以看出，风机工作的位置，即风机的风量是由风机特性曲线（风压特性）和管网特性曲线（风阻特性）决定的，无论是改变风机的特性曲线，或者是改变管网特性曲线，都可以达到改变风量的目的。
图中：风机特性曲线 HA=kQ12
K——风机特性系数；
管网特性曲线 HA=Hc-λQ12
λ——管网特性系数。
2 循环风机的运行方式
2.1 工频运行方式
工频运行方式是指风机的特性曲线保持不变，而改变管网特性曲线。通常采取的方式是保持风机的特性曲线不变，即不改变风机的转速，而用调节挡板改变出风口的大小，达到改变风量的目的。如下图所示：
.png)
工频工作方式时风机的工作特性图
从图中可以看出，风机工作在A点时，风量为Q1，风压为H1。保持风机的转速不变，用挡板将风量调节为Q2时，风压将上升到H2，风机工作点变为B点。由于挡板的节流作用，风道的阻力曲线变为OB。
风机工作在A点时，其功率为PA＝H1×Q1/102；
风机工作在B点时，其功率为PB＝H2×Q2 /102。
虽然Q2<Q1，但H3>H1，所以PA与为PB的值变化不大，说明采用工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小有限。
2.2 变频运行方式
变频运行方式是指管网特性曲线保持不变，而改变风机的特性曲线。通常采取的方式是保持管网特性曲线不变，即不改变风机出口的大小，而改变风机的特性曲线，即改变风机的转速，达到改变风量的目的。如下图所示：
风机工作在A点时，其功率为PA＝H1×Q1/102；
风机工作在B点时，其功率为PB＝H2×Q2/102 。
Q2<Q1，而且 H2>H1，所以PA与为PB的值变化较大，说明采用变工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小很大，节能效果显著。
.png)
由流体力学的原理可知，电机转速与流量、压力、耗能的关系如下：
输出流量Q与转速n成正比;
Q1/Q2=n1/n2
输出压力H与转速n2正比:
H1/H2=(n1/n2)2
输出轴功率P与转速n3正比:
P1/P2=(n1/n2)3
如果说，100%转速-100%流量-100%压力-100%输出功率
而，80%转速- 80%流量- 64%压力- 51%输出功率
通过调速方式改变风机风量，风量下降20%时，风机轴功率将下降49%。
3 高压变频器的原理及优点
3.1 高压变频器的原理
高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，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，其系统结构如下。
.png)
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du/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。由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加；10KV系列为8级模块串联，输出相电压为17电平。电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。
功率单元采用交-直-交变频技术，单相输出，模块化设计，大大提高了的工作可靠性。
.png)
变频功率单元原理示意图
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，变频器仍可继续运行，大大提高了系统的可靠性。
3.2 高压变频改造的优点
变频改造后，电机实现软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑，系统效率得到提高，消除了风门挡板的损失，达到节能效果；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；风机改变频后，变频器采用单元串联移相技术，理论上可以消除41次以下谐波，提高了电网质量；变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于1％；变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95以上。
4 改造实施情况及数据对比
4.1 原料磨循环风机电机基础数据对比
.png)
4.2 改造情况分析
改造前该风机是工频运行，通过调整风机入口阀门改变风压、风量。原有软启动方式，仍然有近3倍额定电流对电网的冲击，且水电阻启动时间较慢，容易造成水开锅的现象；调整风量、风压靠入口阀门开度，调整节流损失大、入口压力低、系统效率低，造成能源的浪费；风机调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高；依靠执行器来调节风门开度，受机械部分限制，调节精度亦受影响，往往对现场的风量控制不是很到位；电机运行电流大，阀门开启仅为80%左右，改变了风道的阻力曲线，大量的能源白白浪费在风门上。
采用变频调速控制技术，利用高压变频器对风机电动机进行变频调速控制，既能实现精准调速，还解决了入口阀门控制系统效率低、设备工作特性差等难以克服的缺点，而且提高了系统运行的经济性指标；更重要的是减小了因入口阀门变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了设备温升和设备性能的负面影响，延长设备使用寿命，节约能源。
改造后，变频器采用液晶显示数字界面，可随时显示电压，电流，频率，电机转速，可以非常直观地显示电机在任何时间的实时状态和故障信息；精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的需要；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；电机可实现软启动，软制动；启动电流小，减轻了对机械负载的冲击；电机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响；具有就地和远程操作功能；减少配件损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
5 改造后效益分析及结论
原料磨循环风机改造后每小时节约电能313度，磨平均台产490吨/小时，吨生料节约电能0.6388度；公司按年产160万吨熟料，生、熟料料耗比按1.53计算，全年生产生料244.8万吨，年节约电能1563782度；平均电价按0.6元/度，年节约成本93.827万元。
原料磨循环风机变频改造选用卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司专用于风机、泵类负荷的高压变频调速系统，总投资86万元，投资回收期0.922年。
.png)
参考文献：
1、杨兴瑶：《电动机调速的原理及系统》 北京水利电力出版社 1995
2、李华德等．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版社，2003：23～35，93～97