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西門子正是前行路上能共擔(dān)風(fēng)雨的伙伴。從一顆葡萄到一滴美酒的美妙變遷能在西門子數(shù)字化平臺(tái)上全程追溯。而在2016年漢諾威博覽會(huì)上，也源自西門子的前沿?cái)?shù)字技術(shù)
目前，隨著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的地位，特別是水泥生產(chǎn)企業(yè)，很大一部分花在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗越來越引起了業(yè)界的重視.
在水泥生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)被大量的采用于工藝流程上，而風(fēng)機(jī)負(fù)載耗電量較大，起動(dòng)電流較高，同時(shí)用電動(dòng)閥門、擋風(fēng)板等裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)量，在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，必須留有余量，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力往往偏大，功率的偏大設(shè)計(jì)必然造成能量的浪費(fèi)。很多的風(fēng)機(jī)有30~70%的能量是消耗在調(diào)節(jié)閥的壓降上的，不僅造成電能的浪費(fèi)，工作效率低，而且開動(dòng)閥門時(shí)，還發(fā)出嘯聲和振動(dòng)，經(jīng)常發(fā)生事故。
變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益早已為人們所知。近幾年來變頻技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這一狀況，實(shí)踐證明在風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化用來取代閥門控制風(fēng)量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。
二、變頻器節(jié)能原理
一般異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：
n1＝60f/p
而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系：
n= n1（1—s）=60f/p（1—s）
由上式可以得到，改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達(dá)到。針對(duì)某一電動(dòng)機(jī)而言P是一定的，而通過改變S進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。
若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3 輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T——工作時(shí)間
可見，通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、SH-HVF變頻器原理特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為在電力電子技術(shù)平臺(tái)上從事高壓變頻器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、代理、服務(wù)，同時(shí)還從事能源節(jié)能領(lǐng)域的投資。公司綜合實(shí)力位于全國同行業(yè)前三名，用戶分布全國十多個(gè)省市自冶區(qū)。由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司負(fù)責(zé)起草的《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 火電廠風(fēng)機(jī)水泵用高壓變頻器》已由國家發(fā)改委2006年5月6日公告發(fā)布（中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)公告2006年第29號(hào)），已于2006年10月1日起正式頒布實(shí)施。湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司通過世界銀行能源項(xiàng)目專家審核（2004年），多次獲得世界銀行的專項(xiàng)節(jié)能貸款支持，為世界銀行呈報(bào)的相關(guān)節(jié)能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評(píng)為2006年中國節(jié)能十佳企業(yè)。
SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。
1、SH-HVF高壓變頻器的控制原理
SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交－直－交變頻器方式，整流側(cè)采用大容量電容器濾波。變頻裝置逆變主電路拓?fù)洳捎枚嚯娖叫问剑瑔卧獢?shù)的多少視電壓高低而定，3KV/6KV/10KV變頻器每相采用4/6/8個(gè)功率單元（Power Cell），逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波。如圖1所示：
圖1 功率單元串聯(lián)
整流用移相變壓器為干式變壓器，采用銅線繞制，配冷卻器，有高質(zhì)量統(tǒng)一柜體封閉。具有就地和遠(yuǎn)方超溫報(bào)警和相應(yīng)的控制功能。
功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT?？旖M成，如圖2所示。進(jìn)入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，以6KV為例，每相6個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生13種不同的電平等級(jí)，分別為±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。
圖2 功率單元電路
6個(gè)功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個(gè)功率單元輸出的電平相疊加，再配以動(dòng)態(tài)分配技術(shù)和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，在輸出?cè)得到一組逼近正弦波的階梯波，與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質(zhì)與正弦波的擬合程度非常好，再配以優(yōu)化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好，du/dt小，可減小對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長(zhǎng)度幾乎不受限制，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減少了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
圖3 控制單元結(jié)構(gòu)圖
整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個(gè)智能操作面板（觸摸屏）和一些開關(guān)、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報(bào)警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報(bào)警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號(hào)的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個(gè)系統(tǒng)提供了較高的容錯(cuò)能力，當(dāng)工作中的某個(gè)功率單元故障時(shí)，旁路控制能自動(dòng)將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢(shì)
1>、功率單元機(jī)械式旁路
為了保證變頻器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機(jī)械旁路功能，當(dāng)單元故障時(shí)，可自動(dòng)將輸出清除并同時(shí)觸發(fā)旁路單元將其旁路，使其不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，使整個(gè)系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變成為并聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)。典型旁路示意圖如下：
圖4典型的功率單元機(jī)械旁路示意圖
傳統(tǒng)的功率單元電子式旁路設(shè)計(jì)采用晶體管方式，其設(shè)計(jì)與功率單元采用一體化設(shè)計(jì)，其電子旁路能否動(dòng)作取決于功率單元的故障狀態(tài)；而我公司功率單元機(jī)械式旁路采用機(jī)械式接觸器方式，并且專門為其設(shè)計(jì)了一套功率單元旁路控制系統(tǒng)，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴(yán)重，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。
2>、N+1冗余運(yùn)行方式
用戶在訂貨時(shí)可選配1單元為冗余配置，在此配置下，可保證最大3單元故障時(shí)，變頻器能滿載50Hz、10kV輸出。
3>、變頻器帶故障運(yùn)行方式
當(dāng)有功率單元故障時(shí)，變頻器可通過線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)，輸出最大的功率而不至于跳機(jī)影響生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)設(shè)備的報(bào)警自行確定停機(jī)維修時(shí)間。
4>、風(fēng)機(jī)選用進(jìn)口設(shè)備
我公司高壓變頻器冷卻風(fēng)機(jī)采用原裝進(jìn)口EBM風(fēng)機(jī)，其平均無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間大于100000小時(shí)。
5>、頻率分辨率
頻率分辨率為0.01Hz，每周波頻率誤差小于1微秒。
6>、諧波指標(biāo)
輸出電流諧波失真<2%；變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波滿足并高于中國“GB/T 14549 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波”及“IEEE519”國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。變頻裝置考慮將對(duì)電網(wǎng)諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯(lián)技術(shù)；c、優(yōu)化的PWM算法；d、多脈沖整流技術(shù)
7>、線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)
變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
8>、控制部分雙電源切換
變頻器控制回路采用雙電源切換技術(shù)并配置UPS電源，雙電源一路來源于用戶電源，一路來源于變頻器內(nèi)隔離變壓器二次輸出繞組，其中任意一單元掉電自動(dòng)切換至另一回路，切換時(shí)間約為40ms，切換過程中的電源保證由UPS提供，UPS提供掉電30分鐘輸出。
四、原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻改造
1、生料磨系統(tǒng)簡(jiǎn)介：
華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線，其生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，風(fēng)機(jī)消耗功率大，節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風(fēng)門
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