高压变频调速在水泥厂高温风机上的应用

高压变频调速在水泥厂高温风机上的应用

湖北三环发展股份有限公司吴光明

2006-3-10

一、前言

高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电机的变频调速，其技术和性能远远胜过以前采用的调速方式（如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等）。高压变频以其显著的节能效益、高的调速精度、宽的调速范围、完善的保护功能、方便的通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，成为企业电机节电方式的首选方案。变频调速技术现已被应用于各行各业，我公司于2004年起开始将高压变频器应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、窑头EP风机、生料磨循环风机的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益，现以荆门某水泥厂的窑尾高温风机变频改造为例，对高压变频应用于水泥行业的节能改造进行分析与总结。

二、变频调速节电原理

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机的最为合理的调速方法。

由式 n＝60f/p（1—s）

可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。

变频调速具有如下显著的优点：

（1）由设备设计余量而导致“大马拉小车”现象，因电机定速旋转不可调节，这样运行自然浪费很大，而变频调节彻底解决了这一问题；

（2）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频后不再存在；

（3）某些工况负载需频繁调节，而档板调节线性太差，跟不上工况变化速度，故能耗很高，而变频调节响应极快，基本与工况变化同步；

（4）异步电动机功率因数由变频前的0.85左右提高到变频后的0.95以上；

（5）可实现零转速启动，无启动冲击电流，从而降低了启动负载，减轻了冲击扭振。（6）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。

对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H 与转速n2正比；输出轴功率P与转速n3正比；即：

Q 1/Q

2

＝n

1

/n

2

H 1/H

2

＝(n

1

/n

2

)2

P 1/P

2

＝(n

1

/n

2

)3

当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为

E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)

式中： n——额定转速

n′——实际转速

P——额定转速时电机功率

T——工作时间

可见，通过变频对风机进行改造，不但节能而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。

三、SH-HVF变频器原理及特点

SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环发展股份有限公司在充分消化与吸收国内外高压变频技术的基础上，总结同行的经验与教训，综合分析当今世界上现有的高压变频技术研制开发出的新一代高压变频器，该变频器采用直接高-高变换的方式，多重化移相整流、多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变压变频（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。

1、结构简介

SH-HVF系列高压变频器柜由单元柜（含控制柜）、隔离移相变压器柜、工频旁路柜（含变频器进线柜、变频器出线柜）三部分组成，典型的SH-HVF变频器结构如图1所示。

图1 SH-HVF变频器结构

2、技术特点与功能

（1）直接高-高变换，设备体积小，整机效率高；

（2）输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高；

（3）采用多功率单元串联技术，输出波形失真小，输出谐波低；

（4）高可靠性设计，控制信号经光纤传送，实时可靠；

（5）主电路模块化设计，安装、调试、维护方便；

（6）系统热备份，严重故障时自动旁路；

（7）内置PID调节器，可开环或闭环运行；

（8）可选择现场控制、远程控制；

（9）完善的保护性能：过流、过压、过载、过热、输出三相不平衡等多种保护功能内置；（10）高度智能化设计，开放式的软件和硬件设计方案，便于系统升级；

（11）全汉化中文界面，彩色液晶显示功能，方便操作；对工作电流、电压等参量进行实时检测、长期存储并可随时查阅；

（12）灵活方便的接口配置；数字量、模拟量、通讯接口完备、灵活，与用户现场的DCS

系统、各类现场总线完善配合，并可选配远程通讯控制单元，实现异地远程监控；（13）个性化设计，减小用户现场的干扰和冲击；软起、软停避免对电缆、用电设备及电网的冲击。

3、相关保护

（1）变压器防浪涌保护：在变压器上电瞬间，特别的设计防止浪涌电流对系统的冲击（2）功率单元输入过流保护：检测到功率单元输入过流后,功率单元自动旁路

（3）功率单元输入过压、欠压保护：检测到功率单元直流电压过高、欠压后自动旁路保护单元，输出不受影响

（4）输出电流不平衡保护：当输出长时间电压不平衡时，跳闸保护电机

（5）输出电压不平衡保护：当输出长时间电流不平衡时，跳闸保护电机

（6）系统过流保护：当输出电流超过设定的电流过流值时，跳闸保护电机

（7）系统过载保护：当输出电流超过设定的电流过载值时，跳闸保护电机

（8）短路、接地、输入电源断相、输出断相、过电压、欠电压、过温等，系统将跳闸保护

4、用户接口

SH-HVF系列高压变频器为用户提供有压频曲线设置接口，闭环控制接口、用户侧高压开关控制接口，用户急停接口，用户频率反馈接口，用户频率给定接口，用户报警信号查询接口，用户DCS接口以及用户需要的其它的变频器运行的参数、实时数据、历史数据等接口，这些接口包括电压、电流、数字通讯接口等多种形式。

5、高压变频器的控制原理

高压变频器原理框图如图2所示。

图2 单元串联变频器原理柜图