摘要：本文简述了高压变频的基本原理，介绍了国产多电平高压变频器在高温风机节能改造的应用，及实际在旋窑高温风机进行变频调速改造应用的节能与其他效果。
关键字：多电平　高压变频器　高温风机
1、引言
自我国加大基础设施建设以来，全国各地对基础建材水泥的需求量日益增大，促进了建材行业的快速发展；随着对环保及对生产效率提出更高要求，传统立窑由于环境污染大，生产效率低的特点，逐步被环保、高效的旋窑生产线取而代之，成为提高水泥生产的有效手段。但随着原材料成本、燃料煤炭成本及动力成本的提高，水泥生产的利润空间也相应降低，市场的激烈竞争促使水泥生产企业迫切的降低生产成本，以增强市场竞争力，提高利润空间。在全球资源紧缺的前提下，原材料及煤炭的成本会进一步提高，只有在能源循环利用及节约能源上做文章才能给企业带来持续发展的动力。
小浦众胜水泥有限公司位于浙江长兴县小浦镇，拥有2500吨生产线一条；为降低生产成本，提高企业竞争力，率先安装了一套余热发电系统，对窑尾高温尾气综合利用，取得了较高的经济效益。企业领导增强了能源综合利用及节能降耗的信心，经过运值及电气技术人员对生产线的运行数据的统计、分析，提出了对窑尾高温风机进行变频改造的课题。
2、改造前运行工况介绍及节能预算分析
小浦众胜水泥有限公司旋窑高温风机额定电压为6kV，额定功率为1400kW，额定转速992rpm，改造前通过液力耦合器调节风机转速并配合风门进行控制。在正常生产运行过程中，液力耦合器的输出720rpm，风门开度控制在75%开度。采用风门控制时，微小的调节都会引起旋窑系统各点压力的波动，影响生产安全；采用液力耦合器调整时，虽能减小旋窑系统各点的压力波动，但相对增加了液力耦合器的维护量及维护成本。
通过查阅相关资料及试验论证，在风门开度75%时，由于风门的节流、磨擦增加大约11%的损耗；液力耦合器工作原理是利用了泵轮与涡轮进行能量的传递，在能量传递过程中本身损耗一定的能量，其损耗比例理论计算公式：
其中，i——液偶转速比；
ie——液偶额定工况点的转速比，取0.97；
P额——电机额定功率，kW；
按上述公式计算，输出720rpm时的损耗约为14.43%，再考虑到液偶的轴承摩擦损失、油路损失、鼓风损失、导管损失等。总约有25%的损耗，具有较大的改造节能空间。
对于旋窑系统，高温风机至关重要，一旦出现故障将造成整条生产线的瘫痪，因此对节能改造方式的稳定性与可靠性提出了更高标准的要求。通过与其他节能调节方式比较，变频调速优异的调速、起动和制动性能、高效率、高功率因素等特点 非常适合改造需求，用户最终决议采用高压变频对高温风机进行改造。
近年来国内高压变频器得到了快速发展，其性能已基本达到了进口产品的水平，且针对国内电网实际运行情况在功能做了很大的改进与完善，完全满足运行需求。
3、H桥多电平串联高压变频介绍
3.1拓扑结构
受功率器件进口限制，国内高压变频器的拓扑基本采用的是多电平串联结构。
多电平串联高压变频器采用若干个低压变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。其系统结构如图１所示。

图1 H桥多电平串联高压变频系统结构示意图
3.2 功率单元结构
功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，同时还包括由功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。每个功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。其电气原理如图２所示：

图2 功率单元电路结构
3.3 多电平串联高压变频器的特点
其拓扑结构的高压变频器具有对电网谐波污染小；可实现冗余设计；输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好、不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动；dv/dt 低等特点，适用于普通电动机。
4、改造过程、节能效果分析
通过对本行业国产高压变频运行情况调查，行业用户对Zinvert智能高压变频调速系统的宽电压波动范围、SCP抗短路技术、核心STT技术、完善的内植变压器及电机保护等功能给予了充分的肯定，最终决定采用Zinvert系列高压变频调速系统的ZINVERT－A6H1800/06Y的变频系统对高温风机进行改造。
鉴于液力耦合器的在满负荷运行时仍有3%的损耗及设备较大的维护工作量，此次改造采取去除液力耦合器，电机与风机直接联接的方式。对于去除液力耦合器的去除提出了两种解决方案，一是去除液力耦合器，前移电机实现电机、风机的直接联接；二是用轴承箱替代液力耦合器实现电机、风机的直接联接。考虑到无论是移电机还是订制轴承箱，都需要较长的改造周期，为在企业规定的时间内按时完成整个改造项目，因此采用对液力耦合器进行改造的方式。根据液力耦合器的轴径加工制造了一根通轴，取出液力耦合器的泵轮与涡轮，以液耦的外壳做为轴承箱放入通轴直接联接电机和风机，即可在最短时间内完成电机、风机直联工作。
在旋窑小修前，Zinvert高压变频器运抵现场。由于设备出厂前在厂家试验室内已完成了系统的调试及1:1的满负载试验工作，在双方技术人员的努力下三天即完成了系统的安装、调试、试车工作。按原有的操作规程进行起炉时，由于高温风机在生产工艺上的特殊性，造成了变频器保护；在相关技术人员的努力下，找出了问题根源，并制定了相应的措施，保证了改造的顺利进行；投运后使旋窑系统各点的压力波动幅值大大降低，旋窑运行非常稳定。
从运行情况来看取得了较高的经济效益，在正常运行投料170T/H时高温风机改造前后运行数据如下表所示：


与改造前的分析基本吻合，此次改造取得完满成功。
5、结束语
此旋窑已进行了旋窑高温尾气余热发电改造，提高了高温风机前的负压值，增加了高温风机的运行功率，因此在未进行高温尾气余热发电改造的旋窑高温风机会有更大的变频改造节能空间。
由于高温风机的独特性，建议在变频改造前，对旋窑系统运行数据做全面的统计、分析，设计完善的改造方案，取得最佳改造成果。
通过本次改造效果看，对旋窑高温风机进行高压变频改造是节能降耗、降低生产成本的有效方式之一，值得在水泥建材行业进行全面推广。
参考文献
[1]液力耦合器应用与节能技术，刘应诚,杨乃桥，化学工业出版社
[2]Zinvert智能高压变频调速系统手册，广州智光电机有限公司
作者简介：
杨忠民（1976-），男，山东临沂市人，广州智光电机有限公司技术部，从事高压变频调速及电力电子应用技术研究。