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西門子正是前行路上能共擔風雨的伙伴。從一顆葡萄到一滴美酒的美妙變遷能在西門子數(shù)字化平臺上全程追溯。而在2016年漢諾威博覽會上，也源自西門子的前沿數(shù)字技術(shù)
目前，隨著企業(yè)競爭的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了企業(yè)在市場競爭的地位，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，風機被大量的采用于工藝流程上，而風機負載耗電量較大，起動電流較高，同時用電動閥門、擋風板等裝置來調(diào)節(jié)風量，在風道系統(tǒng)設(shè)計時，為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，必須留有余量，因此風機的風量和壓力往往偏大，功率的偏大設(shè)計必然造成能量的浪費。很多的風機有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，工作效率低，而且開動閥門時，還發(fā)出嘯聲和振動，經(jīng)常發(fā)生事故。
變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進的電機調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟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，實踐證明在風機的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風量和壓力的變化用來取代閥門控制風量，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)用進行分析總結(jié)。
二、變頻器節(jié)能原理
一般異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為：
n1＝60f/p
而異步電動機轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系：
n= n1（1—s）=60f/p（1—s）
由上式可以得到，改變異步電動機的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達到。針對某一電動機而言P是一定的，而通過改變S進行調(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)速是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。
若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2 輸出風量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。
當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，則會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)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時電機功率
T——工作時間
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、SH-HVF變頻器原理特點及優(yōu)勢
湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司主營業(yè)務(wù)為在電力電子技術(shù)平臺上從事高壓變頻器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、代理、服務(wù)，同時還從事能源節(jié)能領(lǐng)域的投資。公司綜合實力位于全國同行業(yè)前三名，用戶分布全國十多個省市自冶區(qū)。由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司負責起草的《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標準 火電廠風機水泵用高壓變頻器》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)展和改革委員會公告2006年第29號），已于2006年10月1日起正式頒布實施。湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司通過世界銀行能源項目專家審核（2004年），多次獲得世界銀行的專項節(jié)能貸款支持，為世界銀行呈報的相關(guān)節(jié)能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評為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撲采用多電平形式，單元數(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。具有就地和遠方超溫報警和相應(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個單元疊加，就可產(chǎn)生13種不同的電平等級，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個功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術(shù)和適當?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，可減小對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度幾乎不受限制，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
圖3 控制單元結(jié)構(gòu)圖
整個系統(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完成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號，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，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯能力，當工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是可靠、實用、簡單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢
1>、功率單元機械式旁路
為了保證變頻器和現(xiàn)場設(shè)備的正常運行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機械旁路功能，當單元故障時，可自動將輸出清除并同時觸發(fā)旁路單元將其旁路，使其不影響整個系統(tǒng)的正常工作，使整個系統(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典型的功率單元機械旁路示意圖
傳統(tǒng)的功率單元電子式旁路設(shè)計采用晶體管方式，其設(shè)計與功率單元采用一體化設(shè)計，其電子旁路能否動作取決于功率單元的故障狀態(tài)；而我公司功率單元機械式旁路采用機械式接觸器方式，并且專門為其設(shè)計了一套功率單元旁路控制系統(tǒng)，一旦功率單元故障，不管故障多么嚴重，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。
2>、N+1冗余運行方式
用戶在訂貨時可選配1單元為冗余配置，在此配置下，可保證最大3單元故障時，變頻器能滿載50Hz、10kV輸出。
3>、變頻器帶故障運行方式
當有功率單元故障時，變頻器可通過線電壓自動均衡技術(shù)，輸出最大的功率而不至于跳機影響生產(chǎn)，用戶可以根據(jù)設(shè)備的報警自行確定停機維修時間。
4>、風機選用進口設(shè)備
我公司高壓變頻器冷卻風機采用原裝進口EBM風機，其平均無故障連續(xù)運行時間大于100000小時。
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
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”國際標準的規(guī)定。變頻裝置考慮將對電網(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切換至另一回路，切換時間約為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)風機的變頻改造
1、生料磨系統(tǒng)簡介：
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)風機電機為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調(diào)節(jié)風量大小，風機消耗功率大，節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風門
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6ES7321-1BL00-0AA0
SIMATIC S7-300,數(shù)字輸入 SM 321,電位隔離 32DE,DC 24V,1x 40極
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