摘要：文章通過介紹HIVERT高壓變頻器在2500t/d熟料生產線窯尾高溫風機上的應用實例，總結了高壓變頻器的發展和選型、安裝調試過程中出現的問題及處理、日常工作中應注意的事項以及使用后效益分析等多個方面的內容。

　　關鍵詞：高壓變頻器 諧波節能 經濟效益

　　一、前言

　　魯南中聯水泥有限公司原有兩條2300t/d熟料生產線為國家的“七五”重點建設項目，由于運行20多年之久，設備已趨于老化，使得設備的維護量和維護成本不斷增加，而且原燃材料消耗和電力消耗較高，致使生產成本逐年呈上升趨勢。為響應國家節能減排之號召，我公司于2009年底對2#2300t/d熟料生產線進行改造。其主機設備均為目前高效能設備，而且許多風機均采用了高壓變頻器、低壓變頻器、軟啟動器等節能降耗電氣產品，為2500t/d熟料生產線的高效低耗打下了堅實的基礎。2300t/d熟料生產線原窯尾高溫風機調速為液力耦合器調速，能耗較高，為提高生產效率降低消耗，通過綜合比較我們選用了HIVERT高壓變頻器，還有生料系統循環風機，均采用了HIVERT高壓變頻器。

　　二、魯南中聯水泥有限公司簡介

　　魯南中聯水泥有限公司的前身——魯南水泥廠作為國家的“七五”重點建設項目始建于1987年，是全國水泥行業中首家通過ISO9001質量體系、ISO14001環境管理體系、ISO10012計量體系三項國際認證的企業。1999年成為中國建材集團水泥業務平臺――中國聯合水泥有限責任公司旗下的核心企業，2006年3月公司在境外上市，根據集團公司進一步發展需要，為統一品牌，統一管理模式，2007年1月1日更名為魯南中聯水泥有限公司，也是中國聯合水泥山東運營管理區所在地。

　　公司在注重環境保護的前提下合理利用自然資源，崇尚“善用資源，服務建設”的發展理念，首家提出了“綠色水泥”的概念，充分利用科技手段，不斷加強資源利用的科研工作，廢渣替代粘土資源利用率100%，石灰石綜合利用率98%以上；不斷促進地方社會環境的改善，取得較好的經濟效益和社會效益。

　　三、變頻器應用的意義

　　水泥生產企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，它面臨著節能降耗的艱巨任務，所以必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。在一個日產5000噸水泥熟料的水泥廠，全廠的風機裝機容量約占全廠總裝機功率的34.8~37.7%，耗電量約占整個廠用電量30%~40%，因此做好風機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。

　　眾所周知，風機的選型是按照滿負荷狀態設計的，而實際生產過程中由于工況和產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用調節進風口、出風口閥門的開度來實現，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來達到要求的。如果利用變頻調速技術改變設備的運行速度來調節風量的大小，既可以滿足生產要求，又能達到節約電能的效果。

　　四、高壓變頻器的發展及選型

　　1、高壓變頻器的發展

　　隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的發展，以變頻調速為代表的近代交流調速技術有了飛速的發展。交流變頻調速傳動克服了直流電機的缺點，發揮了交流電機本身固有的優點（結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態響應好等），并且很好地解決了交流電機調速性能先天不足的問題。交流電機變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。

　　目前，在國內有大量的低壓變頻器廠商，其大部分為AC380V的中小功率產品，而能夠研制、生產、并提供服務的高壓變頻器廠商，僅有少數的具備科研能力或資金實力的個別企業（如：合康億盛公司）。隨著國內高壓變頻器行業的迅速發展，國產主流高壓變頻器在功能、可靠性等方面已經達到國際水平，在成本和服務方面則占據很大優勢，目前國產高壓變頻器占有率超過60%，極大的提高了我國工業的傳動水平，促進了各個行業的變頻節能改造。

　　2、變頻器的選型

　　（1）電壓等級

　　我國高壓電機常用電壓等級為6kV和10kV，另有少量3kV等級的高壓電機。絕大部分的高壓變頻器輸入都有一個隔離變壓器，所以變頻器輸入電壓通常能滿足不同電網電壓等級的要求。對于技改項目，本來電機工頻運行，由于通常不會更換電機，加裝變頻器后，要求變頻器的輸出電壓和電網電壓一致。

　　（2）電壓源型和電流源型

　　目前絕大部分的高壓變頻器均屬于交直交型變頻器，按中間直流環節所用儲能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。

　　電流源型變頻器的優點是能量可以回饋電網，可以實現四象限運行。電源側常采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較大，輸入功率因數一般較低，電網電壓波動較大時容易停機。

　　電壓源型高壓變頻器由于采用二極管不可控整流，輸入功率因數相對較高，且不易受電網電壓波動的影響，在電網條件比較差的應用場合。

　　（3）對電網諧波污染和輸入功率因數

　　對電網的諧波污染主要取決于整流電路的結構和特性，減少電網諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。單元串聯多電平高壓變頻器通常整流脈沖數較多，對電網諧波污染較小。為了減少對電網的諧波污染，電流源型變頻器通常采用18脈沖整流。三電平電壓源型變頻器至少需要12脈沖以上，要求高時可采用24脈沖。

　　（4）輸出波形及對電機適用性

　　輸出諧波對電機的影響主要有：引起電機附加發熱，導致電機的額外溫升，電機往往要降額使用，諧波還會引起電機轉矩脈動，噪音增加，所以檢測波形應穩定、諧波少。

　　（5）節電率

　　如風機或水泵，應用變頻器后節電率和變頻器本身關系不大，主要由改造前變頻器的運行工況決定。如原來擋板、閥門的開度等。

　　（6）旁路柜或切換柜（選配）

　　旁路柜或切換柜開關可根據用戶工況要求選用隔離刀閘、真空接觸器或兩者的組合方式。

　　旁路柜的作用是在變頻器退出運行后，將電機投入工頻電網運行，保證生產的連續性。

　　切換柜的作用是將變頻器輸出切換到不同電機。

　　五、HIVERT高壓變頻器在調試期間出現的問題及處理

　　1、出現過流故障報警（跳車）

　　原因分析：窯尾廢氣通過高溫風機給生料系統供風，由于高溫風機出風管道比較長而且角度較大，致使窯尾廢氣中存在的灰塵附著在出風管道壁上，粉塵積攢到一定程度就會發生塌料現象，瞬間粉塵就會進入高溫風機，增大了高溫風機的負荷，甚至出現風機倒轉，嚴重造成了點擊堵轉，致使高壓變頻器出現過流故障報警（跳車）。如圖1a示意圖所示。

　　解決措施：在高溫風機出風管道中間位置開一孔，下面焊接一錐形管道，當附著在高溫風機出風管道壁上的粉塵出現塌料時，粉塵就會通過管道進入地面小倉進行處理。如圖1b示意圖所示。

2、出現驅動單元故障

      高溫風機高壓變頻器資料：功率單元型號：HPU690/250D1P，額定電流：250A，沒有旁路系統。高壓變頻器上電后運行1天左右有3個功率單元損壞，在變頻器的位置為A4、B4、C4，其中一個單元C4內部的IGBT炸裂，另外兩個功率單元沒有器件損壞，上電調試正常。

原因分析：

      C4單元IGBT上面吸收板的螺絲松動，與IGBT正-負極接觸電阻增大，導致吸收板并沒有起到吸收作用從而使C4單元IGBT被擊穿而炸裂，懷疑是因為長途運輸過程中導致的螺絲松動。

      另外兩個功率單元A4、B4驅動故障并不是器件損壞造成的，而是由于IGBT自身保護而動作，因為之前C4功率單元已經工作不正常導致三相輸出不平衡，由此引起了電流的波動，而IGBT自身有電流異常保護功能，當電流很大、周期又很短時（此時的電流波動超過了變頻器自身保護的反應時間，變頻器來不及進行保護）如果超出了IGBT的最高限值，為了避免IGBT損壞，則會發出報警信號并自動封鎖輸出，因此引起了變頻器的停機，但是變頻器的故障類型還是驅動故障，其實IGBT并沒有損壞。

      解決措施：更換經過廠家做過檢測試驗的功率單元。

3、無故障現象和故障記錄，電機跳車

      原因分析：在設備運行過程中，當外來干擾信號特別是脈沖信號，對高壓變頻器造成干擾，致使高壓變頻器誤動作而停車，即設備偷停。

      解決措施：做好高壓變頻器信號線的接地，同時對DCS系統的輸入輸出信號線做好接地處理，減少因信號干擾造成的故障。

六、日常工作中應注意的幾點問題

1、變頻器應用的環境與散熱問題 

      由于水泥生產現場粉塵較大，環境相對惡劣。作為電力電子設備，由于產生約3%～4%的損耗發熱需要散熱（一般采用風冷散熱），所以高壓變頻器應加強防塵處理和日常維護，并定期進行吹灰除塵。

2、諧波干擾問題

      諧波超標會使電網中的元件產生附加的諧波損耗，并將導致繼電保護和自動裝置的誤動作，影響各種電氣設備的正常工作。為避免控制干擾，高壓變頻器的控制線應采用屏蔽電纜且單端接地，在布線時與動力纜分設在不同的電纜橋架內。

3、風機工況發生變化負荷瞬間增大跳車問題

      對風機不定期的尖峰負荷運行狀況進行全方位、針對性的檢測，消除風機工況發生變化負荷瞬間增大故障隱患，確保設備的平穩運行，這樣降低了電機、風機設備的故障率。

七、改造后效益分析

1、直接效益：即改造后的節能分析。

（1）風機節電原理（如圖2所示）：

      圖中曲線L1為風機在轉速N1工作時的特性曲線，曲線L2為風機在轉速N2工作時的特性曲線，曲線L3、L4為管網的阻力曲線。

      風機在轉速N1工作時，風機運行在A點，風量為Q1，壓力為H1，風機功率為PA=H1*Q1；如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2（用擋板調節），風機仍然按照速度N1運行，風壓將上升至H3，風機工作點移至B點，風機功率為PB=H3*Q2。由于擋板的截流作用，管網阻力曲線由L3變為L4。雖然Q2＜Q1，但是H3＞H1，所以風機在A、B兩點的功率變化不大。

      如果風機風量不采用擋調節，這時管網阻力曲線保持L3不變，用改變風機轉速來減少風量，風機按照速度N2運行，工作特性曲線為L2，風機工作在C點，風量仍然為Q2，壓力為H2。相比B、C兩點，風機減少的軸功率為：ΔP=PB-PC=（H3-H2）×Q2

      在風道阻力特性不變的情況下，離心式風機的風量Q、壓力H、軸功率P和轉速N之間滿足以下關系（相似定理）：Q∝N、H∝N²、P∝N³，

      所以：Q1/Q2=N1/N2，H1/H2=(Q1/Q2)²，PA/PC=(Q1/Q2)³

      通過以上關系式可以看出：通過調速方式改變風機風量，當風機風量下降到一半時，在不考慮效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%（PA/PC=0.5³=0.125，1-0.125=0.875），所以變頻器在風機上的應用節能效果非常顯著。

      （2）節能量計算

      排風機電機參數：額定功率1600KW，額定電壓6000V，額定電流192.6A，額定轉速1485r/min，功率因素0.88，風機電機在正常工頻工作狀態下的電流為160A。

      風機在工頻狀態下的功率：P_閥門=1.732UI_閥門COSφ=1.732×6×160×0.88=1463.2KW

      風機在變頻調速狀態下的功率：由轉速與頻率的關系式f/fe=n/ne，轉速與功率的關系式P/Pe=(n/ne)³可得： P= Pe×（f/fe）³，變頻器在正常工作時輸出頻率為40HZ，工頻為50HZ，則：P_變頻=1600*（40/50）³=819.2 KW

      則：P_節=P_閥門-P_變頻=644KW

      節約資金（每日）：644×24×0.5×95%=7341.6元

      注：按照高溫風機95%的運轉率進行計算，每度電電費按照0.5元計算。

2、間接效益：

      高溫風機采用高壓變頻調速控制后，除實現節能降耗經濟效益外，其它方面的效益也是明顯的：

      （1）延長了電機等設備的使用壽命。變頻改造后，高壓電機實現了軟起動，起動電流大大減少，避免了起動電流對電網和電機的沖擊，同時實現了生產對風量的自動控制，提高了設備自動化控制程度和設備運行的安全性、可靠性；

      （2）改善了工藝狀況，調速精度得到保證，可以平滑穩定地調整風量風壓，提高了生產效率，特別是使生產線設備利用率得到了保證，進一步提高了產量；

      （3）設備運行與維護費用下降，采用變頻調節后維修費用減少近70%。

      （4）高壓變頻器輸入電流諧波含量小于國家標準要求的限制要求，功率因數可保證在0.95以上，再無需投資功率補償設備，并可降低有關的設備投資與維護費用。

八、日常巡檢與維護

      1、運行數據記錄，故障記錄

      每天要記錄變頻器及電機的運行數據，包括變頻器輸出頻率，輸出電流，輸出電壓等參數，與合理數據對照比較，以利于早日發現故障隱患。變頻器如發生故障跳閘，務必記錄故障和跳閘時變頻器的運行工況，以便具體分析故障原因。 

      2、變頻器日常檢查

       每兩周進行一次，檢查記錄環境溫度，散熱器溫度；察看變頻器有無異常振動，聲響，風扇是否運轉正常。

      3、變頻器保養

      變頻器每季度要清灰保養1次。保養要清除變頻器內部和風路內的積灰，臟物，將變頻器表面擦拭干凈；仔細察看變頻器內有無發熱變色部位。 

      （1) 夏季溫度較高時，應加強變頻器安裝場地的通風。確保周圍空氣中不得有過量的塵埃、酸、鹽、腐蝕性及爆炸性氣體；

      （2) 夏季是多雨季節，防止雨水進入變頻器室，確保變頻器安裝的環境清潔干燥。

      4、每次維護變頻器后，要認真檢查有無遺漏的螺絲及導線等，防止小金屬物品造成變頻器短路事故。特別是對電氣回路進行較大改動后，確保電氣連接線的連接正確、可靠。

九、合康億盛公司現場服務

      現場服務是服務企業與客戶交流的終端，企業大量服務舉措都是通過現場員工為顧客提供服務來實現的，現場服務水準的高低直接關系到企業的服務終端——現場服務，并對貫徹企業管理制度、提升企業競爭力有著直接影響。

      合康億盛公司作為國內高壓變頻技術研發和生產的龍頭企業，非常重視其產品的質量和現場服務。現場服務中隨時都有可能發生意想不到的事情，許多問題必須馬上解決，此處所要強調的并非是對顧客抱怨的快速反應，而是當服務條件發生變化時，現場調試人員應當承擔起“實時決斷”的職責，快速處理突發事件。現場調試工程師就和電氣運行人員一道進行值班，顧不得休息和勞累，以精湛的技術多次及時排除了出現的問題，體現了貴公司技術人員的快速反應能力和敬業愛崗的精神。

      同時，針對高壓變頻器在高溫風機應用上出現的問題，貴公司高度重視，專門派出了公司技術主管和我公司電氣人員進行了技術培訓和技術交流，使我公司電氣人員不僅從理論上、實踐上學到了很多，而且從貴公司技術人員“果斷、迅速、高效”的敬業精神上獲益匪淺，受到了我公司領導和員工的一致贊揚。合康億盛公司做的不僅是產品，做的更是品牌，這也是為什么合康億盛公司保持企業在行業中的領先地位的一個最好的詮釋。

十、結束語

      通過HIVERT高壓變頻器在我公司3個多月的實際運行情況來看，該設備運行比較穩定、調速操作簡單、維護方便，給操作人員和維護人員帶來了很大方便，在高產穩產、降低能耗和安全環保等方面發揮了很大作用，達到了設計預期效果，并創造了良好的經濟效益，值得在新型干法水泥生產線上推廣和使用。