變頻調速技術現已被應用于各行各業，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業的電機節能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭EP風機、生料磨循環風機的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，并取得了顯著的經濟效益。2006年1～2月，我公司對葛州壩水泥廠3#、5#窯的窯尾高溫風機及窯頭EP風機成功進行了變頻改造，下面對改造情況作一總結。
二、變頻調速節電原理
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。
由公式 n＝60f/p（1—s）
可以看出，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速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現象，因電機定速旋轉不可調節，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節徹底解決了這一問題；
（2）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；
（3）某些工況負載需頻繁調節，而檔板調節線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調節響應極快，基本與工況變化同步；
（4）異步電動機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；
（5）可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。
（6）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n2正比；輸出軸功率P與轉速n3正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝（n1/n2）2
P1/P2＝（n1/n2）3
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kWh）
式中： n－額定轉速
n′—— 實際轉速
P——額定轉速時電機功率
T——工作時間
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
三、窯尾高溫風機系統簡介
葛州壩水泥廠生產線為干法懸窯，其窯燒成系統流程簡圖如圖1所示。
圖1 窯燒成系統流程簡圖
旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。
葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產分別為2000t、2500t，到現在運行已近多年。生產線原配置的余熱發電機組，由于發電成本較高，現已停產。
日產2500t的5#窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風機配置為6kV280kW。日產2000t的3#窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1400kW，窯尾EP風機配置為6kV260kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調速，整個工藝過程主要是通過 DCS的控制來調節液力耦合器的速度從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。窯尾EP風機依靠風門來進行調節。
由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調整的控制回路失靈不能自動調節，在運行中靠手動調節置于固定轉速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調節，當窯系統工況變化較大時，現場值班人員根據中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調節，運行操作非常不便。
前段時間，水泥廠準備對兩條生產線進行提產，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產的條件，故提產一直未能實現。
2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調速改造，目前運行情況良好，2000t的生產線的產量目前達2300t，2500t的生產線的產量目前達2900t，而高溫風機變頻調節的耗電量還稍少于原液力耦合器調節的耗電量。
四、高溫風機變頻改造方案
經過對原系統進行分析，對原系統的風壓控制由原來的液力耦合器調節改為變頻器調節，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS系統，由DCS系統來完成正常操作。
圖2 變頻器連接圖
為了充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機切換至工頻狀態下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節，降低風機輸出風量至工況要求值。
變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。
根據水泥廠提供的負載參數及運行工況，我公司為3#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF- Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關柜容量400A。為5#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關柜容量400A。
五、改造過程簡述
由于原電機控制為液力耦合器調速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據現場環境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設方便。
由于現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風設計上，設計了兩扇大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網，這樣使進入變頻器室內的空氣經過通風窗濾灰，進入變頻器室內的灰塵大大減小。
由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。
為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現場僅作少量調整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調整，安裝方便快捷。
六、變頻改造節能情況
變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
5#窯風機改造前后對比表
3#窯風機改造前后對比表
注：上述數據為改造后窯系統產量增加的條件下風機耗電對比，由于現在產量提高，風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節電功率。
5#窯高溫風機節電功率： 1550－1500＝50（kW）
5#窯窯尾EP風機節電功率： 154－100＝54（kW）
3#窯高溫風機節電功率： 1260－1200＝60（kW）
3#窯窯尾EP風機節電功率： 138－70＝68（kW）
根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，5#窯在2500t的產量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產量下，高溫風機6kV側電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產量耗電功率下降約 200kW。按年運行7000小時計算，可推算出兩臺高溫風機的節電量及節電效益。
5#窯高溫風機：
節電功率：1550－1360＝190（kW）
年節電量：190kW×7000小時＝133萬kWh
年節電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元
3#窯高溫風機：
節電功率：1260－100＝200（kW）
年節電量：200kW×7000小時＝140萬kWh
年節電效益：140萬kWh×0.5元/kWh＝70萬元
此為估算節電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統的產量近1.2倍，由此而產生的增產效益是非常大的。
七、變頻改造總結
根據我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優點。
安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。
能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著。
由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護費用降低。
電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對四臺電機進行了成功的改造，其節能效果明顯，且同時提高了整個系統的工藝性能，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。
八、結語
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調速器目前已經比較成熟，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。