一、前言
目前，随着企业竞争的日益加剧，生产成本的高低决定了企业在市场竞争的地位，特别是水泥生产企业，很大一部分花在能耗上，降低水泥生产过程中的电能消耗越来越引起了业界的重视.
在水泥生产过程中，风机被大量的采用于工艺流程上，而风机负载耗电量较大，起动电流较高，同时用电动阀门、挡风板等装置来调节风量，在风道系统设计时，为满足生产环境的最大要求，必须留有余量，因此风机的风量和压力往往偏大，功率的偏大设计必然造成能量的浪费。很多的风机有30~70%的能量是消耗在调节阀的压降上的，不仅造成电能的浪费，工作效率低，而且开动阀门时，还发出啸声和振动，经常发生事故。
变频调速技术作为一种先进的电机调速方式，其优异的性能以及带来可观的经济效益早已为人们所知。近几年来变频技术的出现，彻底改变了这一状况，实践证明在风机的系统中接入变频系统，利用变频技术改变电机转速来调节风量和压力的变化用来取代阀门控制风量，能取得明显的节能效果。本文就SH-HVF系列高压变频器在华新金猫水泥（苏州）有限公司中应用进行分析总结。
二、变频器节能原理
一般异步电动机的同步转速为：
n1＝60f/p
而异步电动机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系：
n= n1（1—s）=60f/p（1—s）
由上式可以得到，改变异步电动机的转速可以通过改变f、p、s可以达到。针对某一电动机而言P是一定的，而通过改变S进行调速空间非常小，所以变频调速通过改变定子供电频率f来改变同步转速是异步电动机的最为合理的调速方法。
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。
根据流体力学相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2 输出风量Q与转速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2 输出压力H与转速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3 输出轴功率P与转速n3正比。
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 (kWh)
式中： n——额定转速
n′—— 实际转速
P——额定转速时电机功率
T——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、SH-HVF变频器原理特点及优势
湖北三环发展股份有限公司主营业务为在电力电子技术平台上从事高压变频器的研发、生产、销售、代理、服务，同时还从事能源节能领域的投资。公司综合实力位于全国同行业前三名，用户分布全国十多个省市自冶区。由湖北三环发展股份有限公司负责起草的《DL/T994-2006中华人民共和国电力行业标准 火电厂风机水泵用高压变频器》已由国家发改委2006年5月6日公告发布（中华人民共和国国家发展和改革委员会公告2006年第29号），已于2006年10月1日起正式颁布实施。湖北三环发展股份有限公司通过世界银行能源项目专家审核（2004年），多次获得世界银行的专项节能贷款支持，为世界银行呈报的相关节能案例得到了世界银行的广泛推广，被评为2006年中国节能十佳企业。
SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环发展股份有限公司研制开发的新一代高压变频器，采用直接高高变换的方式，多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变频变压（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。
1、SH-HVF高压变频器的控制原理
SH-HVF系列高压变频装置选用电压源型交－直－交变频器方式，整流侧采用大容量电容器滤波。变频装置逆变主电路拓扑采用多电平形式，单元数的多少视电压高低而定，3KV/6KV/10KV变频器每相采用4/6/8个功率单元（Power Cell），逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压非常接近正弦波。如图1所示：
图1 功率单元串联
整流用移相变压器为干式变压器，采用铜线绕制，配冷却器，有高质量统一柜体封闭。具有就地和远方超温报警和相应的控制功能。
功率单元的主电路由熔断器、三相全桥整流模块、滤波电容及IGBT模快组成，如图2所示。进入功率单元的低压交流经过整流模块的整流和电容的滤波后变成中间直流，在控制系统的控制下由IGBT逆变单元将中间直流逆变成交变的脉宽调制输出。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，以6KV为例，每相6个单元叠加，就可产生13种不同的电平等级，分别为±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。
图2 功率单元电路
6个功率单元在逆变侧串联成一相，将每个功率单元输出的电平相叠加，再配以动态分配技术和适当的控制算法，在输出侧得到一组逼近正弦波的阶梯波，与低压变频器采用的单纯PWM方式相比，输出的dv/dt非常低，波形本质与正弦波的拟合程度非常好，再配以优化的PWM控制，使输出谐波大为降低。由于这种波形正弦度好，du/dt小，可减小对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器，输出电缆长度几乎不受限制，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减少了轴承和叶片的机械应力。
图3 控制单元结构图
整个系统的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一个智能操作面板（触摸屏）和一些开关、电源、继电器等组成，如图3所示。其中，PLC完成整个变频调速系统的管理，逻辑处理，包括起停车逻辑、报警故障逻辑等。触摸屏为中文界面的液晶显示，完成变频器参数设定、运行参数状态显示和报警故障显示等功能。主控制器完成PWM信号的产生、移相，并转换成光信号，通过光纤传送到功率单元，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。旁路控制器为整个系统提供了较高的容错能力，当工作中的某个功率单元故障时，旁路控制能自动将其从工作中退出，并将备用功率单元投入运行。整套控制系统的设计原则是可靠、实用、简单。
2、SH-HVF系列变频器主要优势
1>、功率单元机械式旁路
为了保证变频器和现场设备的正常运行，SH-HVF系列高压变频器为用户提供了功率单元机械旁路功能，当单元故障时，可自动将输出清除并同时触发旁路单元将其旁路，使其不影响整个系统的正常工作，使整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性结构。典型旁路示意图如下：
图4典型的功率单元机械旁路示意图
传统的功率单元电子式旁路设计采用晶体管方式，其设计与功率单元采用一体化设计，其电子旁路能否动作取决于功率单元的故障状态；而我公司功率单元机械式旁路采用机械式接触器方式，并且专门为其设计了一套功率单元旁路控制系统，一旦功率单元故障，不管故障多么严重，旁路系统均能正确安全的旁路。
2>、N+1冗余运行方式
用户在订货时可选配1单元为冗余配置，在此配置下，可保证最大3单元故障时，变频器能满载50Hz、10kV输出。
