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高壓交流變頻調速技術是90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用於交流電機的變頻調速，其技術和效能遠遠勝過以前採用的調速方式（如串級調速、液力耦合器調速、轉子水阻調速等）。高壓變頻以其顯著的節能效益、高的調速精度、寬的調速範圍、完善的保護功能、方便的通訊功能，得到了廣大使用者的認可和市場的確認，成為企業電機節電方式的首選方案。變頻調速技術現已被應用於各行各業，我公司將高壓變頻器應用於水泥行業的電機節能改造，至今已成功用於水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭ep風機、生料磨迴圈風機的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，並取得了顯著的經濟效益，現以荊門某水泥廠的窯尾高溫風機變頻改造為例，對高壓變頻應用於水泥行業的節能改造進行分析與總結。
二、變頻調速節電原理
非同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，是非同步電動機的最為合理的調速方法。
由式 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。非同步電動機變頻調速具有調速範圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前變頻調速已成為非同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）由裝置設計餘量而導致「大馬拉小車」現象，因電機定速旋轉不可調節，這樣執行自然浪費很大，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，在變頻後不再存在；
（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）非同步電動機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻後的0.95以上；
（5）可實現零轉速啟動，無啟動衝擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了衝擊扭振。
（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。如採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，當風機低於額定轉速時，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裝置執行效能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
三、水泥廠高溫風機高壓變頻改造
1、窯尾高溫風機系統簡介
目前水泥廠生產線一般均為乾法懸窯，其窯燒成系統流程簡圖如圖6所示。
圖6 窯燒成系統流程簡圖
旋窯是乙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。窯內燃燒產生的餘熱廢氣，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，降溫後的餘熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。
均化好的生料預熱後在迴轉窯內煅燒成熟料，迴轉窯內需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內達到很好的熱處理。窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面迴轉窯內鍛燒後的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。
荊門某水泥廠目前有三條乾法懸窯生產線，日產為2000t、700t、2500t，分別為2023年、2023年、2023年投產，到現在已執行6～10年，並擁有一台12mw中、低溫餘熱發電機組，由於發電成本較高，餘熱發電現已停運。
日產2500t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kv1600kw，日產2000t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kv1400kw。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。
由於裝置使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，執行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油麵調整的控制迴路失靈不能自動調節，在執行中靠手動調節置於固定轉速比。在執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杆進行手動調節，執行操作非常不便。
2023年，水泥廠準備對於2000t、2500t的兩條生產線進行提產，但由於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。
2023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**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於原液力耦合器調節的耗電量。
2、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線軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調速，最後達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
變頻器裝置接入使用者側高壓開關和擬改造電機之間，如圖7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7 變頻器連線圖
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，可在變頻迴路故障時將電機切換至工頻狀態下執行，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執行，這時風機轉速會公升高，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、高壓斷路保留了使用者原有裝置。
根據水泥廠提供的負載引數及執行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風機配置kt系列高壓變頻器，其主要引數為：變頻器型號kt-06/1800b，隔離變壓器容量1800kva，旁路開關櫃容量400a。為2500t的窯尾高溫風機配置kt系列高壓變頻器，其主要引數為：
變頻器型號kt-06/2000b，隔離變壓器容量2000kva，旁路開關櫃容量400a。
3、改造過程簡述
使用者觸控螢幕
由於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。
由於現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，裝置內空氣流通量較大，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，設計了大面積專用進風窗，房間不另設其它視窗，基本上是密閉設計。通風窗採用專用過濾棉濾網，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。
由於本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器櫃頂和功率櫃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櫃至電機的電纜，將電纜原接線由高壓櫃牽至變頻器，再重新由高壓櫃到變頻器敷設一根動力電纜，由於變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
變頻改造後，由於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製作了一套直接連線軸來代替液耦。連線軸的基座安裝尺寸、軸連線中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連線靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連線軸代替液力耦合器，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。
四、高壓變頻器取代液力耦合器節能分析
1、液耦調速與變頻調速的耗電分析
水泥廠原高溫風機帶有液力耦合器調速，現將液耦調速改造為變頻器調速。圖8為液力耦合器進行風機調整時的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調速的耗電特性對比。現根據曲線及對比表對液力耦合器改為變頻器調速的耗能情況進行對比分析。
η： 液力偶合器的效率 ns：液力偶合器的損失功率 i： 液力偶合器的輸出與輸入轉速之比
nd：電機功率nf：負載功率
圖8 液力偶合器的功率損失圖
表1 液耦與變頻調速的耗電特性
變頻執行時高溫風機風量按85%計算，從表中查得對應的變頻比液耦節電率為：
19.1×（100-85.7）/（100-80）=13.6 %
節電功率為：13.6%×1550=210kw
2、變頻改造實際節能情況
水泥廠高溫風要變頻改造前後，我們對相應的執行資料進行了統計，現將部分資料分析整理如下。
表2 2500t窯高溫風機改造前後對比表
表3 2000t窯高溫風機改造前後對比表
上述資料為改造後窯系統產量增加的條件下風機耗電對比，由於現在產量提高，改造後比改造前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。
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