水泥企業(yè)一些大功率設(shè)備也開始采用變頻調(diào)速，應用變頻器的設(shè)備日益增多，如：高溫風機、離心風機、水泵、圓盤給料機、螺旋輸
送機、粉碎機、皮帶輸送機及排風扇等，用大功率變頻器取代傳統(tǒng)的液力耦合器對高溫風機、直流裝置對回轉(zhuǎn)窯的調(diào)速，及閥門對大
型風機風量的調(diào)節(jié)。應用后不但節(jié)省了電費支出，并提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了使用上的靈活性，對不同工藝要求適應性更強。尤其對
風機的變頻改造后，改變了過去以改變開度方式來調(diào)節(jié)風壓或風量的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，勞動強度減輕，調(diào)節(jié)控制的準確性好，提高了產(chǎn)
品的合格率，節(jié)電效果可達30%-60%。但大功率變頻技術(shù)（尤其是高壓變頻）正在發(fā)展中，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣有近
乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員對其認識也在逐步成熟中。為了技術(shù)經(jīng)濟合理地使用好大功率變頻裝置，下面將對其控制方式、技
術(shù)性能及適用的工況進行系統(tǒng)分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應注意的問題進行闡述。
1 大功率變頻器結(jié)構(gòu)形式
大功率變頻器按主回路拓撲結(jié)構(gòu)可分為“高-低-高”式變頻器、“高-低”式變頻器、“高-高”式變頻器?！案?高”式又分為電流型、中性點
鉗位的三電平電壓型和單元串聯(lián)多電平電壓型。其中：“高-低-高”式變頻器，由于兩側(cè)均需大型變壓器，損耗高，變頻系統(tǒng)啟動時負
載能力將下降，諧波較大等缺點，使其發(fā)展受到限制。 “高-高”電流型變頻器，一般為兩電平結(jié)構(gòu)，電動機承受的du/dt較大，且需均
壓和緩沖電路，技術(shù)復雜，器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難，功率因數(shù)較低，并隨負載變化而變化，不好補償，輸
出諧波和共模電壓對電機的影響等問題，電機需降額使用和加強絕緣。其優(yōu)點是不需外加電路就可將負載的再生能量回饋電網(wǎng)。目
前，主要應用于超大功率場合。
由于上述所敘原因，目前，水泥廠在大功率變頻器選用上，較少采用“高-低-高”式和高壓電流型變頻器，一般采用“高-低”式、
三電平電壓型和多電平電壓型變頻器。
?。?） “高-低”式結(jié)構(gòu)中變頻器為低壓，電源輸入側(cè)采用變壓器將高壓變?yōu)榈蛪骸Ｓ捎诓捎玫蛪鹤冾l器，變頻器的容量受到限
制，電動機需采用專門的變頻低壓電機，其電壓等級一般為690V，水泥廠800KW以下的設(shè)備采用這種結(jié)構(gòu)形式較多。但該類型
變頻器一旦故障，電機不能投入工頻電網(wǎng)運行，且產(chǎn)生的諧波較高。
?。?）中性點鉗位的三電平電壓型變頻器。其整流電路常采用１２脈沖或24脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)，逆變部分采用IGBT或IGCT
，在逆變器部分采用鉗位電路，解決了功率器件的串聯(lián)的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。該變頻器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，
與二電平結(jié)構(gòu)相比，其逆變器件承受的電壓降低，輸出電壓波形也有較大的改善。 三電平電壓型變頻器效率較高，動態(tài)性能較好
，過載能力較強。其不足是雖然通過網(wǎng)側(cè)配置，可實現(xiàn)12或24脈沖整流，減少網(wǎng)側(cè)諧波，但du/dt仍較大，電動機電流總諧波仍可
達１７％以上，所以一般需配特殊電機，若要使用普通電機，必須附加輸出濾波器。另外，其現(xiàn)在最高輸出電壓只能做到4.16 KV
，采用這種變頻器，必須采用變通的方法，改變電機的電壓或在輸出側(cè)加升壓變壓器，這是制約其使用的最大問題。
?。?）單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器。其采用多個低壓PWM變頻單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓 ,電網(wǎng)電壓經(jīng)過隔離變壓器降壓
后給功率單元供電 ,單相變頻功率單元在輸出端串聯(lián)起來 ,實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出 ,直供高壓電動機。
這種變頻器輸入側(cè)變壓器采用多相移位技術(shù)，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)，諧波較低，在無輸出濾波器的情況下，就可
使THD<1％，其單元串聯(lián)的數(shù)量決定輸出電壓的等級，所以它可適用于任何普通的高壓電動機。雖然采用這種結(jié)構(gòu)會使器件的數(shù)
量增加，但由于驅(qū)動功率下降，開關(guān)頻率較低且不必采用均壓電路，系統(tǒng)的效率仍可達97%，功率因數(shù)可達0.95以上。另外，在
某個功率單元出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機的運行，減少停機時造成的損失，便于冗余設(shè)計
，技術(shù)上較成熟。
其缺點是只能單象限運行，不能進行旁路切換，不能實現(xiàn)無熔斷器設(shè)計，器件的數(shù)量多，體積大，可靠性差。并且變壓器必
須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問題。
由于其他高壓變頻器受技術(shù)條件的局限，目前，在通用型高壓變頻器領(lǐng)域單元串聯(lián)多電平變頻器仍占絕對優(yōu)勢。
2 大功率變頻器在水泥廠的使用
2.1 水泥廠大功率變器類型的選擇
水泥廠需要變頻調(diào)速的大功率設(shè)備,主要是高溫風機、回轉(zhuǎn)窯、立磨循環(huán)風機、窯頭余風風機及窯尾排風機等設(shè)備，這些設(shè)備
功率一般在200KW以上，如按正常選型，一般采用電壓等級為6KV或10KV中壓電機，當采用變頻調(diào)速時應按下列方法匹配較為
合適。
回轉(zhuǎn)窯、窯頭余風風機及窯尾排風機等設(shè)備一般功率在800KW以下, 如果調(diào)速采用中壓等級的變頻器，在技術(shù)和經(jīng)濟上是不
太合理的，因為電壓的升高，變頻器的加工難度和造價都將大幅度增加。對這部分設(shè)備，應采用“高—低”式結(jié)構(gòu)進行變頻調(diào)速。
即選擇690V（＞300KW電機）或380V低壓電機，變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機的成套費用，比采用高壓
變頻方式還要低，而且技術(shù)成熟、維修使用方便，變頻器選擇范圍也較大。
采用“高—低”結(jié)構(gòu)，應注意諧波問題。因為低壓變頻器一般為6脈沖結(jié)構(gòu)，其諧波較高，可達40％以上，為防諧波對電機及
設(shè)備的危害，應選擇專用變頻電機，如功率較大時，應考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。
高溫風機、立磨循環(huán)風機等設(shè)備，功率較大，宜采用中壓“高—高”變頻器調(diào)速。若采用三電平電壓型變頻器，應采用變通的辦法
，用“高—中—中”的方式，即將輸入電壓降壓為3 ～4.16kV，電機選用3 ～4.16kV電機，使用3～4.16 kV的變頻器，采用這種方
式，由于電動機電流總諧波仍達１７％以上，電機應采用專用變頻電機，并應考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯(lián)多電平
電壓型變頻器，可直接選用6KV變頻器（盡量不用10KV等級），電機采用普通6KV電機即可，但應注意空間和冷卻問題。
在控制方式的選擇上,應根據(jù)負載特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。對于回轉(zhuǎn)窯類重負載啟動設(shè)備
，其啟動時需克服巨大慣性，有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求，宜采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器，使其在低速運行時具有直接轉(zhuǎn)矩控
制，在正常運行時具有恒功率控制特性。對高溫風機、立磨循環(huán)風機等設(shè)備，其成平方轉(zhuǎn)矩特性，即轉(zhuǎn)矩隨速度平方變化的負載
，一般可選用通用型U/f控制變頻器（即VVVF變頻器）。
離心風機上的應用：某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行的供風，該種水泥窯的風量調(diào)節(jié)以往也是通過風門開啟度對風量
進行調(diào)節(jié)。對離心風機的變頻調(diào)速改造同樣有巨大的節(jié)能潛力。這是因為離心式風機設(shè)備的風量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平
方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此在調(diào)節(jié)風量時，如：降低20%的風量，功耗則會下降50%，但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓
力是成平方關(guān)系，當轉(zhuǎn)速下降20%時，壓力則會下降60%，因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能向羅茨風機那樣，不用考慮轉(zhuǎn)
速與風壓的關(guān)系。
選粉機上的應用：傳統(tǒng)的選粉機是電磁調(diào)速異步電動機（滑差電機）拖動，其優(yōu)點是調(diào)速系統(tǒng)簡單、價格低廉、有一定的調(diào)
速范圍，缺點也較多，電機本體噪音高、振動大、能耗高、功率損耗大、軸承故障率特高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁
邊，多次出現(xiàn)帶負荷起動，不能調(diào)速和突然失速等故障，現(xiàn)場維護量大，影響整個系統(tǒng)的安全運行。
2.2變頻器容量的合理選配
變頻器容量選定過程，實際上是變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的辦法，是按變頻器生產(chǎn)廠家要求，即變
頻器的功率應大于或等于電動機額定功率的1.1倍。但水泥廠設(shè)備選型時，所選能力都比實際需要作了放大，拖動電機又在所選設(shè)
備基礎(chǔ)上留有一定的裕量，這樣在實際運行中，運行負荷常常只有額定裝機功率的60～70%。所以合理的選擇方法應以設(shè)備的實
際運行情況為基礎(chǔ)進行計算和分析，決定變頻器的容量。這不僅能節(jié)省投資，而且本身也是一種節(jié)能降耗的措施。根據(jù)資料和經(jīng)
驗，可按下列方法選配：
?。?） 電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
?。?） 公式法。安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量為：Pb=1.05Pm/hm×cosy （kW） 式中，Pm為電機負載，hm為電機效率
，cosy電機功率因數(shù)。
?。?） 按電機的實際功率選擇變頻器，一定要注意：①電機加載后總的負荷電流不得超過變頻器的額定電流；②負載峰值電流
不得超過變頻器的過載量。運行經(jīng)驗表明，變頻器的容量最小不得小于電機容量的65%。
在下列情況下使用普通變頻器還須增大變頻器的容量，一般向上放大一檔：①起動時機械慣量較大的負載；②要求電動機頻繁
進行加、減速；
③在希望的加減速時間內(nèi)，電機最大電流大于變頻器的過載容量（當1min內(nèi)達1．5倍額定電流時）。
2.3 水泥廠變頻器使用時應注意以下問題
?。?）使用環(huán)境。變頻器的額定容量是針對一定的使用環(huán)境而標出的，變頻器工作溫度一般要求為0℃～55℃，最好控制在40℃
以下，相對濕度應控制在20％～90％。變頻器對環(huán)境溫度要求較高，同時它又是發(fā)熱量較大的設(shè)備，水泥廠在使用大功率變頻器時，
在考慮降溫時，一定要考慮變頻器的發(fā)熱，一般按變頻器容量的3～4%的功率核算變頻器的發(fā)熱量。
變頻器的額定電流是基于一定的海拔高度、額定電壓、額定載波頻率制定的，若超出規(guī)定，將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻
器選型時應按下述方法修正容量：當海拔高度高于1Km時，每增加1Km, 變頻器額定電流應相應降低6%左右；輸入電壓每增加2%,
變頻器額定電流應按4%向下降修正，載波頻率高于額定載波頻率時，也應對額定電流作相應修正。
?。?）變頻器的外部配置。為防止操作過電壓，變頻器與電機間不宜裝設(shè)接觸器；變頻器內(nèi)部整流電路前若沒有快速熔斷器，變
頻器與電源之間應外配符合要求的快速熔斷器，不能用空氣斷路器代替熔斷器。
（3）設(shè)計施工時，變頻器配線應該注意以下幾方面：①嚴禁將輸出端子接到工頻電源上，以免損壞變頻器。②至電機的連接電
纜應采用屏蔽電纜或鎧裝電纜（最好采用專用變頻電纜），穿金屬管敷設(shè)；截斷電纜的端頭應盡可能整齊，未屏蔽的線段盡可能短；
電纜的長度應限制在各變頻器規(guī)定的距離以內(nèi)，為防諧波漏電流的影響，至電機的接地線應直接連接到變頻器相應的接地端子上，接
地線不得與其他動力設(shè)備共用。
③如變頻器由外部信號控制，控制線需要使用屏敝線，該線應在變頻器側(cè)就近接地端子接地，在強干擾環(huán)境中，頻率控制信號可由電
壓控制方式改為電流控制方式。④變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此間應絕緣，避免接地干擾。
2.4 轉(zhuǎn)矩提升功能的選擇
在采用VVVF通用變頻器時，應注意轉(zhuǎn)矩提升曲線的設(shè)定，轉(zhuǎn)矩提升選得過小會使電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足，啟動困難；選得過大，電
動機磁通飽和損耗將相應增加。對啟動轉(zhuǎn)矩較大的負荷，轉(zhuǎn)矩提升曲線應設(shè)定的大一點，對風機類負載應設(shè)定小一些。
結(jié)束語
在水泥廠工程中推廣使用大功率變頻器，帶來的不僅是節(jié)能所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益，還有其他的附加效益：通過變頻器實現(xiàn)電機的
軟啟動，降低了啟動電流，避免了啟動時的機械沖擊，延長了電動機壽命；采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用的鼠籠電機，從而降低了電動機的
價格、維護工作量及費用；水泥廠排風系統(tǒng)中粉塵含量較大，對高速轉(zhuǎn)動中的風機及檔板磨損很大，采用變頻調(diào)速后，電機轉(zhuǎn)速降低，
檔板全開，磨損大大減少，延長了使用壽命，降低了設(shè)備檢修費用；通過轉(zhuǎn)速對風壓及風量進行調(diào)整，扣件簡單靈活，反應時間快，易
與DCS系統(tǒng)構(gòu)成自動控制回路，提高了自動化控制水平。所以在水泥廠采用高壓變頻器是不可避免的趨勢，希望通過本文對大功率變頻
器的一些介紹及探討，對設(shè)計人員應用大功率變頻器時能有所幫助，在實際工程中科學、合理的應用大功率變頻器，讓大功率變頻器
為水泥行業(yè)的節(jié)能增效發(fā)揮出更好的功效與優(yōu)勢。
