0 引言

目前，全世界都在為能源緊缺而困擾，我國的能源形勢尤其嚴峻。面對這樣的現實，國家相繼出臺了一系列的方針政策，頒布了《節(jié)能法》，號召全民動員把節(jié)能降耗的工作做好。節(jié)能改造是其中的途徑之一。我國發(fā)電總量60豫以上是通過電動機消耗的，其中一半以上用于各種風機和水泵。然而早期的工業(yè)場合，傳統(tǒng)的風機和水泵幾乎全部采用風門擋板以及閥門調節(jié)，這樣存在著嚴重的截流損耗。變頻調速技術作為節(jié)約能源的一個重要手段應該大力推廣，開發(fā)各種適合國情的調速裝置成為許多學者和企業(yè)努力的方向。新疆屯河水泥有限責任公司正是在這種形勢下，對旗下的屯河水泥沙灣五宮分公司的風機設備進行高壓變頻技術改造的。

1 基本概況

新疆屯河水泥有限責任公司被喻為新疆水泥行業(yè)的王牌，在新疆幾乎家喻戶曉。在廣袤的新疆戈壁灘上，可看到屯河水泥旗下的分廠在整個北疆多處可見。沙灣五宮分公司是屯河水泥近年來的一個新廠，全廠有三條生產線，其中兩條生產線是已經服役多年的老生產線，歷經滄桑，幾經大小多次維修，依然不能滿足生產要求，由于設備老化機械松動造成經常停機檢修。因此在2004 年新建了一條生產線，投入使用以來大大提高了水泥廠的生產能力。但是仍然存在常年運行中多次由于機械以及工藝影響導致停機停產的現象，同時也影響水泥的質量標準。2006年就多次因為生料磨系統(tǒng)風機的風門機械聯動機構失靈乃至運行中無法正確調節(jié)風門擋板開度，造成能源的極大浪費;窯尾高溫風機采用液阻調速裝置，風門機械機構同樣由于常年多次動作，開度最大只能在95%左右。而且液阻調速裝置在電機啟動完成后，正常運行中總是出現轉速不穩(wěn)定的現象，經常出現轉速上下波動，從而導致電機軸震動超標，引起風道機械松動。

鑒于以上原因，經過多方調研考察，比較性價比，最終屯河水泥有限責任公司決定選用北京動力源科技股份有限公司生產的HINV 系列高壓變頻器對生料磨系統(tǒng)風機和窯尾高溫風機進行變頻技術改造。

2 HINV 系列高壓變頻器

2.1 電機及風機參數

高溫風機、電機及運行數據如表1所列。

生料磨系統(tǒng)的風機、電機及其運行數據如表2所列。

2.2 變頻器參數

2.3 變頻器設計特點

勻隕暈災系列是北京動力源科技股份有限公司自主研發(fā)生產的電壓型高壓變頻器，采用36 脈沖以上的輸入整流移相技術，正弦波孕宰醞調制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡便等特點，具體設計特點如下。

1)HINV 系列變頻器是采用了最新設計制造技術的產品，其內部元器件采用優(yōu)質進口元器件，使用壽命長，系統(tǒng)設計最簡化，提高了設備運行的可靠性，確保了整套變頻器質量。

2)輸入功率因數高，無須配置功率因數補償裝置。變頻器的總諧波滿足IEEE-519標準和GB/T14549/93《電能質量、公用電網諧波》標準的有關規(guī)定。

3)變頻器內部采用PLC，易于使用，便于功能擴展。

4 )變頻器在高壓主電源完全失電200 ms內不停機。

5)變頻器支持來電自啟動及飛車啟動功能。

6)高壓主電源欠壓達到65%時不停機，變頻器自動降額運行，待電壓恢復正常后再自動回到原來設定的速度。

7)變頻器可以承受+10%~ -10%的電源波動，繼續(xù)正常運行。

8)變頻器控制電源使用交流380V和直流220V均可，并且變頻器由自身的變壓器二次側提供備份控制電源，另外還配備有UPS 電源，充分保證了在控制電源發(fā)生故障時變頻器仍可以繼續(xù)運行，同時提供報警信號。

9)變頻器電流過載時按反時限特性曲線控制。

10)變頻器具有功率單元旁路技術，當某個功率單元發(fā)生故障時，變頻器自動旁路運行，同時提

供報警信號。

11)如果發(fā)生控制變頻器輸出頻率的模擬信號掉線或短路時，變頻器保持原有輸出頻率不變(保位運行)，同時提供報警信號。

12)當變頻器發(fā)生故障或需要檢修時，采用旁路設計能以手動方式或自動方式(用戶選購件)使電機轉為工頻運行，保證生產的連續(xù)進行。

13)變頻器有過電壓、過電流、欠電壓、缺相、變頻器過載、變頻器過熱、電機過載、輸出接地、輸出短路等保護功能，并提供聯跳現場輸入側高壓開關的接點。

14)變頻器對故障按輕重緩急分級處理，智能選擇報警、降額運行、緊急停機，變頻器過載150%時立即保護停機。

15)變頻器對輸出電纜的長度沒有限制，電機不受變頻器共模電壓及dv/dt 應力的影響。

16)變頻器具有各種防止誤操作的措施，如柜門具有保護連鎖，變頻/工頻旁通開關組保護連鎖，在變頻器故障時提供跳掉高壓電源的信號，緊急停車按鈕等。

17)變頻器配備漢字顯示的液晶顯示屏，可實現變頻器參數設定和顯示電機電壓、電流、頻率等狀態(tài)參數，變頻器具有很強的故障診斷能力和精確的故障定位能力，當有故障發(fā)生時，在液晶顯示屏上顯示故障位置、類別，使故障點一目了然。

18)根據現場實際和用戶要求，可就地控制，也可遠程閱悅雜控制。

2.4 變頻器系統(tǒng)結構

變頻器系統(tǒng)結構如圖1 所示。

變頻器內部是由24 個功率單元組成，每8個單元為一組，分別對應高壓回路的三相電壓，由移相隔離變壓器供電。[!--empirenews.page--]

2.5 功率單元

功率單元內裝有三相整流橋，濾波電容和用于逆變的功率器件IGBT以及控制板件，結構如圖2 所示。單元控制板由驅動電路、檢測保護電路和光纖通訊等電路組成，單元控制電源為單元控制板提供工作電源。

HINV 系列高壓變頻器輸出為多電平疊加的SPWM 電壓，如圖3 所示，dv/dt 低，電動機正弦性好，不需要增加外部輸入輸出濾波器，不增加電動機的轉矩脈動，不損壞電動機。

2.6 變頻系統(tǒng)主回路

變頻系統(tǒng)主回路簡圖如圖4 所示。10 kV 電源從高壓柜經輸入刀閘QS1 到高壓變頻調速裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘QS2 送至電動機。

10 kV 電源還可以經旁路刀閘QS3 直接起動電動機。變頻裝置的輸出刀閘QS2 和旁路刀閘QS3 互相閉鎖，即QS2和QS3不能同時閉合。變頻運行時，斷開QS3，閉合QS2 和QS1;工頻運行時，斷開QS2 和QS1，閉合QS3。當變頻裝置出現故障時，立即斷開出線刀閘QS2和進線刀閘QS1，將變頻裝置隔離，閉合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動電機。

2.7 二次回路及控制

控制系統(tǒng)由光纖板，信號板，主控板，PLC 和人機界面組成，用戶提供220 V或380 V電源。控制系統(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，實現了強弱電之間的光電隔離;PLC 用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和模擬信號的邏輯處理;

內置PLC 控制器配置有可編程的32 個開關量輸入端子和24 個開關量輸出端子，可以通過外接的計算機，使用PLC軟件編程器進行梯級命令編程、設置和調試;還配有6 個模擬輸入端子和5 個模擬輸出端子，實現4耀20 mA 電流信號和0耀10 V的電壓信號的輸入/輸出。

3 風機調速改造的節(jié)能原理分析

風機的流量，運行壓力，吸收軸功率這三個基本參數與轉速間的運算關系極其復雜，同時風機類負荷隨環(huán)境變化參數也隨之變化，在工程中一般根據風機的運行曲線，進行大致的參數運算。

為了獲得適當的流量以滿足運行工況的需要，最初采取變閥調節(jié)的方法(現在仍有大量的泵與風機在使用這種方法控制流量)。

所謂“變閥調節(jié)”，就是通過改變泵的出口閥門或風機風門的開啟程度來調節(jié)泵與風機的流量，有的稱為“節(jié)流調節(jié)”。如圖5所示，通過控制閥門的開啟程度，改變管道阻力特性曲線，產生新的管道阻力特性曲線OE，同時，不改變泵與風機的壓頭、流量特性曲線，工作點由A 沿特性曲線移動到B，流量由q1 降到q2，壓頭由h1 升至h2，這種方法雖然降低了流量q，但是并沒有降低泵與風機的能耗，同時，加大了設備的機械磨損。這是一種應當淘汰的調節(jié)方法。

所謂“變速調節(jié)”就是通過改變泵與風機的轉速來調節(jié)泵與風機輸送的流量以滿足需要。如圖5所示，泵與風機的轉速由n1變?yōu)閚2，此時產生一條新的壓頭、流量特性曲線，管道阻力特性曲線不改變，工作點從A 沿阻力特性曲線移動到C，流量由q1變?yōu)閝2，壓頭由h1變?yōu)閔2憶。

由圖5 可見，在轉速為n2 的壓頭、流量特性曲線下，功率消耗h憶2Cq2O 明顯小于變閥調節(jié)功耗h2Bq2O。

變速調節(jié)與變閥調節(jié)相比，能夠大量減少功耗，圖5 中的h2BCh2憶區(qū)域就是變速運行節(jié)約的功耗部分，同時變速運行能明顯地減小系統(tǒng)的機械磨損。

4 高溫風機與生料磨系統(tǒng)風機變頻改造效果

2007年3 月5日，在北京動力源科技股份有限公司技術人員的指導下，對高溫風機進行了變頻改造安裝，3 月8 日對生料磨系統(tǒng)風機進行了變頻改造安裝。在兩臺高壓變頻器安裝完成后，進行了各項目的測試與試驗，均符合技術協(xié)議和用戶的現場要求，于3月13日投入試運行，運行72 h滿足生產要求。于3 月16 日通過驗收。

經過對2006年與2007年的耗電進行分析，變頻改造前高溫風機平均小時耗電387.5 kW，生料磨系統(tǒng)風機平均小時耗電400 kW。

變頻改造前后高溫風機以及生料磨系統(tǒng)風機的耗電數據如表3所列。

5 結語

對新疆屯河水泥沙灣五宮水泥廠高溫風機以及生料磨系統(tǒng)風機進行變頻技術改造后，在改進生產工藝的同時，使得生產線上的維護費用大大減少，取得了良好的經濟效益，改造的結果與前期方案設計以及預算完全吻合，改造非常成功，達到了預期目的，兩臺設備可為該廠年節(jié)約電費126 萬余元，屯河集團上層領導對于五宮水泥廠的變頻改造效果非常滿意，目前HINV高壓變頻器在屯河集團其它分廠的改造也已經進入調試階段。