一、引言
水泥工业是国民经济生产中的能源消耗大户，已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节能技术和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。
在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化。大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口挡板开度大小来实现风量调节，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。电动机负载电耗就占成本近30%，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重。对于一条水泥生产线，其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上。风机电动机特别利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。目前，行业普遍认为高压风机电动机的变频调速改造是降耗增效的主要措施。需要指出的是，对新型干法水泥生产线的6个工艺位置的高压风机，即：生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机进行高压变频调速节能改造，将使企业改善工艺，提高调速精度，使生产线设备利用率得到保证，降低设备运行与维护费用，延长电机等设备使用寿命，获得显著的经济效益和社会效益。
二、高压变频节能原理
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，是异步电动机最为合理的调速方法。
由公式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。
高压变频调速具有如下显著的优点：
1、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;
2、网侧功率因数明显提高，异步电动机功率因数仅有0.85左右，而变频器输入侧功率因数可以达到0.95以上;
3、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。
4、高压变频器本身损耗极小，整机效率在97%以上。
5、高压变频器针对“塌料”问题进行特殊设计，解决了在生产过程中因为负载剧烈波动导致电机过流的问题，保证了生产的连续进行。
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n的平方成正比;输出轴功率P与转速n的立方成正比;即：
Q1/Q2=n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2=（n1/n2）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 （kW·h）
式中： n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
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、利德华福公司高压变频调速系统技术优势
2007年，HARSVERT系列高压变频调速系统被授予“中国品牌产品”称号，利德华福公司亦是中国高压变频领航企业。多次获得“中国最佳高压变频品牌”、“最佳新产品”等多项殊荣。北京利德华福电气技术有限公司从2000年推出第一台HARSVERT-A变频器样机到现在，累积运行业绩已超过2000多台。其中最大运行功率为5600kW，并且运行多年。
HARSVERT系列高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，其谐波指标直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，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机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
1、无速度传感器矢量控制——让控制更精准
矢量控制，在国外多称为磁场定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以电机磁场为坐标轴基准方向，通过坐标变换的方法，实现对电机转矩和磁通的解耦控制。
目前，无速度传感器矢量控制产品调速范围宽，稳态转速精度高，动态转矩响应时间小，启动转矩大，性能指标基本达到国际先进水平。
采用无速度传感器矢量控制的高压变频调速系统具有以下功能：
£ 电机参数自动整定
£ 高压掉电恢复自动重启
£ 旋转启动
£ 具有完善的电机和变频器保护功能，尽量保证设备连续可靠运行
£ 直接控制负载转矩大小，当负载波动时可以自动控制转矩电流大小，确保连续运行。
2、 超强的抗电网波动能力
HARSVERT-A变频器按照我国的电网情况进行设计，承受电压波动的能力可以到-35%～+15%电网电压波动时变频器维持运行，不停机。
3、 完善的电机和变频器保护功能
作为高压变频器的专业生产厂家，利德华福公司的研发人员考虑到了变频器及电机可能出现的各种运行情况，并针对各种可能出现的故障情况进行开发。HARSVERT系列高压变频调速系统针对各种故障情况分级设置保护功能，实现最大程度的不间断运行。
4、友好、快捷的系统界面
HARSVERT系列高压变频调速系统界面选用人机界面，系统界面功能强大，产品支撑软件为汉化的最新的正版软件，软件完全自主开发，标准化设计;界面显示内容丰富且直观形象，能够显示系统状态变量的实时显示和监控，如具有故障信息查询、运行数据记录、变频器参数查询及设置、系统自诊断等等。
四、高压变频器在水泥行业应用中的主要问题与应对措施
1、高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题
窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。
高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
利德华福公司的水泥行业专用高压变频器采用先进的DSP高速处理器—无速度矢量传感技术，该技术在水泥广泛应用，针对高温风机塌料引起的电机过载保护，我公司设计了限转矩功能，当塌料发生时，瞬间检测到电流及转矩的变化，降转矩运行进而间接的降低了变频器及电机负载，使得即使塌料发生变频器照样运行不过载，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性，达到了节能增效，降低电机、风机设备故障率的作用，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。
2、高温风机变频的电网波动与运行可靠性问题
水泥行业连续生产性质，决定了用于水泥厂用高压变频器需要有很高可靠性，保证安全生产。国内的众多企业中往往装备多条生产线，每条生产线均有几台主要辅机设备构成，这些辅机都挂在相同或不同的电源母线上。每当有大容量辅机或同一母线下多台辅机群启动时，电源母线电压都有较大的降落（超过-15%），会影响同一母线上其他设备的正常运行。针对生产企业负荷波动大的这种工况，HARSVERT系列高压变频器进行了特殊设计，大幅度提高了其抗电网波动的能力，做到电压波动在-15%～+15%范围内时，变频器可以维持满额输出;电网电压降落在-35%以内时，变频器都短时降额运行，若电网电压低于65%额定电压时，频器开始降低输出频率。如果6秒钟之内，电网恢复正常，则重新按照设定的加速时间，加速到当前设定的频率。如果电网在6秒钟过后，没有恢复正常，则变频器处于待机状态，等电网电压在设定时间内（系统默认：20秒）恢复正常，变频器可自行启动，系统可自动搜索电机转速，实现无冲击再启动，恢复到原来的工作状态。
3、电机在旋转情况下启动的问题
由于风门挡板在未关严或其他原因，受风机的拖动，电机处于旋转状态，启动在旋转中的电机时，变频器可自动搜索跟踪电动机转速按照设定加减速时间恢复正常运行状态（即转速跟踪技术），保证风机安全运行不跳闸。
对旋转中再启动功能的需求，系统提供完备的参数设定功能，保证系统动作有效，保护得当。真正适应现场运行工况要求。
4、变频器应用环境与散热问题
水泥现场粉尘较大鬼知道，环境相对恶劣，变频器作为电子与电力电子设备，产生约3～4% 损耗发热需要散热，而一般采用风冷散热搜企网，在水泥生产线应用的利德华福高压变频器，系统的器件选型设计裕度大、器件布局结构合理、散热器与风道设计等散热结构合理、提高单元散热效率以保证系统设计温升低、环境适应能力强，能经受水泥厂粉尘的污染等恶劣环境的考验。并且利德华福公司还专门开发了成套空水冷却装置，现场只要提供循环冷却水，就可以确保变频器正常的散热要求。
五、高压变频改造实例
泰山水泥集团是一家拥有自营进出口权的现代化企业集团，总资产15亿元，年水泥生产能力450万吨，集团主导产品“泰山”牌水泥被评为国家免检产品、山东名牌、山东省著名商标、中国建材行业知名品牌和中国水泥行业十大影响力品牌。
集团核心企业泰山水泥集团有限公司厂区占地面积23万平方米，建有2500t/d级和5000t/d级新型干法水泥熟料生产线各一条，其中2500t/d级生产线是全国煤炭行业第一条2500t/d级新型干法熟料生产线。
经过调查和比较，一线高温风机、窑头排风机和二线高温风机、窑尾风机、煤磨排风机采用北京利德华福公司的高压变频器进行调速。
1、 高温风机改造液耦调速，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。此次改造按照第一种方案执行。
2、YKK鼠笼异步电机可直接串联接变频使用，软启柜串工频备用（主回路下图）
对于现场大功率交流鼠笼异步电机（YKK系列），由于工频直接启动启动电流较大，对其它高压电气设备及整个电网有影响，一般现场配有软启动器工频启动。防止因外部因素导致变频器故障时，电机直启动冲击过大。如2800KW高温风机采用的启动方式为定子串水电阻启动，此种情况改造时，水电阻可串联在工频回路作为工频启动备用。如下图所示：
图一
优点：在变频器出现重故障停机时，可直接工频软启电机，启动方式不变，保障生产照常进行。
3、转子串电阻改造
现场电机转子串电阻仅在启动时使用，不作为调速用，采用变频调速技术改造风机传动系统，可以实现全频率（0～50Hz）范围内的恒转矩控制。由于驱动为绕线式异步电机，采用变频调速需改为鼠笼式运行，转子绕组已没有必要外接电阻。为避免电刷与集电环之间因接触不良引起故障，将与集电环相接的三根线之间用导线短接，并将电刷举起。如下图：
图二
仅需变频运行时闭合KM1接触器短接转子;
工频备用改造：保留原绕线式异步电动机转子串电阻的启动需要，在变频状态，KM1接触器吸合，将转子将与集电环相接的三根线短接。在变频器需要检修或退出运行，需要工频时，KM1自动联跳断开，然后按原来方式转子串电阻启动再短接，电机恢复原绕线式异步电动机转子串电阻的启动方式。
六、变频改造节能情况统计：
变频改造前后，在相同产量下，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
1、设备概况
2、泰山水泥1线风机改造前后对比表
3、泰山水泥2线风机改造前后对比表
4、 直接效益：
从上述数据可以明确看出改造后窑系统各风机相应的节电功率。
月运行30天，年运行11个月，即330天计算，可推算出风机 节电量及节电效益。
1线、2线所有风机日节电量：1340+7514+5321+7166+984=22325 kW•h
年节电量： 22325 kW•h×330天=736.725万kW•h
年节电效益：736.725万kW•h×0.5元/kW•h=368.3625万元
由上数据说明，利德华福公司 HARSVERT-VA高压变频器在泰山水泥风机上的应用节能效果显著。
5、间接效益：
1）变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
2）电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源。
3）由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
4）功率因数由原来的0.8左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
5）厂房设备噪声污染将降低。
6）能提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
7）节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
8）由于采用自动控制，进一步提高了设备运行控制和系统运行管理的自动化水平，从而真正实现自动调节，大大增强了运行的安全可靠性。
七、结束语
在泰山水泥有限公司1号线和2号线风机电机采用HARSVERT高压变频器，不但操作方便、容易、维护量小，而且有明显的节能效果。通过利德华福高压变频器在泰山水泥的应用，增强了运行的安全可靠性，提高了水泥的产量，又达到较好的节能效果。因此在水泥厂的高压风机上采用高压变频技术是应该倡导和推广的。