高压变频器在水泥厂的应用
前言
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。
1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。
2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。
2．1“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。
2．2 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，代表产品为美国罗克韦尔（AB）公司生产的功率器件串联电流源型变频器。
2．3三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，代表产品为欧洲ABB、西门子公司的三电平电压源型变频器。
2．4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，代表产品为美国罗宾康公司利用低压IGBT生产的单元串联多电平变频器。
3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。
3．1“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
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。
1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。
2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。
2．1“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。
2．2 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，代表产品为美国罗克韦尔（AB）公司生产的功率器件串联电流源型变频器。
2．3三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，代表产品为欧洲ABB、西门子公司的三电平电压源型变频器。
2．4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，代表产品为美国罗宾康公司利用低压IGBT生产的单元串联多电平变频器。
3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。
3．1“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
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