关于大功率变频器在水泥厂的应用

随着大功率变频技术的发展，高压变频装置已越来越多的被应用于工况企业。水泥厂是个耗电大户，近年来，由于节能降耗的需要，

水泥企业一些大功率设备也开始采用变频调速，应用变频器的设备日益增多，如：高温风机、离心风机、水泵、圆盘给料机、螺旋输

送机、粉碎机、皮带输送机及排风扇等，用大功率变频器取代传统的液力耦合器对高温风机、直流装置对回转窑的调速，及阀门对大

型风机风量的调节。应用后不但节省了电费支出，并提高了产品质量，增加了使用上的灵活性，对不同工艺要求适应性更强。尤其对

风机的变频改造后，改变了过去以改变开度方式来调节风压或风量的传统生产模式，劳动强度减轻，调节控制的准确性好，提高了产

品的合格率，节电效果可达30%-60%。但大功率变频技术（尤其是高压变频）正在发展中，到目前为止还没有像低压变频器那样有近

乎统一的拓扑结构，工程技术人员对其认识也在逐步成熟中。为了技术经济合理地使用好大功率变频装置，下面将对其控制方式、技

术性能及适用的工况进行系统分析，并就其在水泥厂的使用、选配和应注意的问题进行阐述。

1 大功率变频器结构形式

大功率变频器按主回路拓扑结构可分为“高-低-高”式变频器、“高-低”式变频器、“高-高”式变频器。“高-高”式又分为电流型、中性点

钳位的三电平电压型和单元串联多电平电压型。其中：“高-低-高”式变频器，由于两侧均需大型变压器，损耗高，变频系统启动时负

载能力将下降，谐波较大等缺点，使其发展受到限制。 “高-高”电流型变频器，一般为两电平结构，电动机承受的du/dt较大，且需均

压和缓冲电路，技术复杂，器件较多，装置体积大，调整和维修都比较困难，功率因数较低，并随负载变化而变化，不好补偿，输

出谐波和共模电压对电机的影响等问题，电机需降额使用和加强绝缘。其优点是不需外加电路就可将负载的再生能量回馈电网。目

前，主要应用于超大功率场合。

由于上述所叙原因，目前，水泥厂在大功率变频器选用上，较少采用“高-低-高”式和高压电流型变频器，一般采用“高-低”式、

三电平电压型和多电平电压型变频器。

（1） “高-低”式结构中变频器为低压，电源输入侧采用变压器将高压变为低压。由于采用低压变频器，变频器的容量受到限

制，电动机需采用专门的变频低压电机，其电压等级一般为690V，水泥厂800KW以下的设备采用这种结构形式较多。但该类型

变频器一旦故障，电机不能投入工频电网运行，且产生的谐波较高。

（2）中性点钳位的三电平电压型变频器。其整流电路常采用１２脉冲或24脉冲二极管整流结构，逆变部分采用IGBT或IGCT

，在逆变器部分采用钳位电路，解决了功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。该变频器的主回路结构环节少，

与二电平结构相比，其逆变器件承受的电压降低，输出电压波形也有较大的改善。 三电平电压型变频器效率较高，动态性能较好

，过载能力较强。其不足是虽然通过网侧配置，可实现12或24脉冲整流，减少网侧谐波，但du/dt仍较大，电动机电流总谐波仍可

达１７％以上，所以一般需配特殊电机，若要使用普通电机，必须附加输出滤波器。另外，其现在最高输出电压只能做到4.16 KV

，采用这种变频器，必须采用变通的方法，改变电机的电压或在输出侧加升压变压器，这是制约其使用的最大问题。

（3）单元串联多电平电压型变频器。其采用多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压 ,电网电压经过隔离变压器降压

后给功率单元供电 ,单相变频功率单元在输出端串联起来 ,实现变压变频的高压输出 ,直供高压电动机。

这种变频器输入侧变压器采用多相移位技术，输出侧采用多电平正弦PWM技术，谐波较低，在无输出滤波器的情况下，就可

使THD<1％，其单元串联的数量决定输出电压的等级，所以它可适用于任何普通的高压电动机。虽然采用这种结构会使器件的数< p="">

量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，系统的效率仍可达97%，功率因数可达0.95以上。另外，在

某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失，便于冗余设计

，技术上较成熟。

其缺点是只能单象限运行，不能进行旁路切换，不能实现无熔断器设计，器件的数量多，体积大，可靠性差。并且变压器必

须和变频器集成在一起，使电气室的空间和散热成为问题。

由于其他高压变频器受技术条件的局限，目前，在通用型高压变频器领域单元串联多电平变频器仍占绝对优势。

2   大功率变频器在水泥厂的使用

2.1 水泥厂大功率变器类型的选择

水泥厂需要变频调速的大功率设备,主要是高温风机、回转窑、立磨循环风机、窑头余风风机及窑尾排风机等设备，这些设备

功率一般在200KW以上，如按正常选型，一般采用电压等级为6KV或10KV中压电机，当采用变频调速时应按下列方法匹配较为

合适。

回转窑、窑头余风风机及窑尾排风机等设备一般功率在800KW以下, 如果调速采用中压等级的变频器，在技术和经济上是不

太合理的，因为电压的升高，变频器的加工难度和造价都将大幅度增加。对这部分设备，应采用“高—低”式结构进行变频调速。

即选择690V（＞300KW电机）或380V低压电机，变频器选用低压变频器。这样变频器即使加上电机的成套费用，比采用高压

变频方式还要低，而且技术成熟、维修使用方便，变频器选择范围也较大。

采用“高—低”结构，应注意谐波问题。因为低压变频器一般为6脉冲结构，其谐波较高，可达40％以上，为防谐波对电机及

设备的危害，应选择专用变频电机，如功率较大时，应考虑采用滤波装置及谐波抑制措施。

高温风机、立磨循环风机等设备，功率较大，宜采用中压“高—高”变频器调速。若采用三电平电压型变频器，应采用变通的办法

，用“高—中—中”的方式，即将输入电压降压为3 ～4.16kV，电机选用3 ～4.16kV电机，使用3～4.16 kV的变频器，采用这种方

式，由于电动机电流总谐波仍达１７％以上，电机应采用专用变频电机，并应考虑采用抑制谐波的手段。如采用单元串联多电平

电压型变频器，可直接选用6KV变频器（尽量不用10KV等级），电机采用普通6KV电机即可，但应注意空间和冷却问题。

在控制方式的选择上,应根据负载特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。对于回转窑类重负载启动设备

，其启动时需克服巨大惯性，有较高静态转速精度要求，宜采用具有转矩控制功能的变频器，使其在低速运行时具有直接转矩控

制，在正常运行时具有恒功率控制特性。对高温风机、立磨循环风机等设备，其成平方转矩特性，即转矩随速度平方变化的负载

，一般可选用通用型U/f控制变频器（即VVVF变频器）。

离心风机上的应用：某些水泥厂是采用高压离心式风机进行的供风，该种水泥窑的风量调节以往也是通过风门开启度对风量

进行调节。对离心风机的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。这是因为离心式风机设备的风量与转速成正比，压力与转速的平

方成正比，功率与转速的立方成正比。因此在调节风量时，如：降低20%的风量，功耗则会下降50%，但是必须注意，转速与压

力是成平方关系，当转速下降20%时，压力则会下降60%，因此必须注意工艺要求的压力范围不能向罗茨风机那样，不用考虑转

速与风压的关系。

选粉机上的应用：传统的选粉机是电磁调速异步电动机（滑差电机）拖动，其优点是调速系统简单、价格低廉、有一定的调

速范围，缺点也较多，电机本体噪音高、振动大、能耗高、功率损耗大、轴承故障率特高，滑差控制仪安装于粉尘飞扬的电机旁

边，多次出现带负荷起动，不能调速和突然失速等故障，现场维护量大，影响整个系统的安全运行。

2.2变频器容量的合理选配

变频器容量选定过程，实际上是变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的办法，是按变频器生产厂家要求，即变

频器的功率应大于或等于电动机额定功率的1.1倍。但水泥厂设备选型时，所选能力都比实际需要作了放大，拖动电机又在所选设

备基础上留有一定的裕量，这样在实际运行中，运行负荷常常只有额定装机功率的60～70%。所以合理的选择方法应以设备的实

际运行情况为基础进行计算和分析，决定变频器的容量。这不仅能节省投资，而且本身也是一种节能降耗的措施。根据资料和经

验，可按下列方法选配：

（1） 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。

（2） 公式法。安全系数取1.05，则变频器的容量为：Pb=1.05Pm/hm×cosy （kW） 式中，Pm为电机负载，hm为电机效率

，cosy电机功率因数。   

（3） 按电机的实际功率选择变频器，一定要注意：①电机加载后总的负荷电流不得超过变频器的额定电流；②负载峰值电流

不得超过变频器的过载量。运行经验表明，变频器的容量最小不得小于电机容量的65%。

在下列情况下使用普通变频器还须增大变频器的容量，一般向上放大一档：①起动时机械惯量较大的负载；②要求电动机频繁

进行加、减速；

③在希望的加减速时间内，电机最大电流大于变频器的过载容量（当1min内达1．5倍额定电流时）。

2.3 水泥厂变频器使用时应注意以下问题

（1）使用环境。变频器的额定容量是针对一定的使用环境而标出的，变频器工作温度一般要求为0℃～55℃，最好控制在40℃

以下，相对湿度应控制在20％～90％。变频器对环境温度要求较高，同时它又是发热量较大的设备，水泥厂在使用大功率变频器时，

在考虑降温时，一定要考虑变频器的发热，一般按变频器容量的3～4%的功率核算变频器的发热量。

变频器的额定电流是基于一定的海拔高度、额定电压、额定载波频率制定的，若超出规定，将造成变频器降容使用。水泥厂在变频

器选型时应按下述方法修正容量：当海拔高度高于1Km时，每增加1Km, 变频器额定电流应相应降低6%左右；输入电压每增加2%,

变频器额定电流应按4%向下降修正，载波频率高于额定载波频率时，也应对额定电流作相应修正。

（2）变频器的外部配置。为防止操作过电压，变频器与电机间不宜装设接触器；变频器内部整流电路前若没有快速熔断器，变

频器与电源之间应外配符合要求的快速熔断器，不能用空气断路器代替熔断器。

（3）设计施工时，变频器配线应该注意以下几方面：①严禁将输出端子接到工频电源上，以免损坏变频器。②至电机的连接电

缆应采用屏蔽电缆或铠装电缆（最好采用专用变频电缆），穿金属管敷设；截断电缆的端头应尽可能整齐，未屏蔽的线段尽可能短；

电缆的长度应限制在各变频器规定的距离以内，为防谐波漏电流的影响，至电机的接地线应直接连接到变频器相应的接地端子上，接

地线不得与其他动力设备共用。

③如变频器由外部信号控制，控制线需要使用屏敝线，该线应在变频器侧就近接地端子接地，在强干扰环境中，频率控制信号可由电

压控制方式改为电流控制方式。④变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此间应绝缘，避免接地干扰。

2.4 转矩提升功能的选择

在采用VVVF通用变频器时，应注意转矩提升曲线的设定，转矩提升选得过小会使电动机输出转矩不足，启动困难；选得过大，电

动机磁通饱和损耗将相应增加。对启动转矩较大的负荷，转矩提升曲线应设定的大一点，对风机类负载应设定小一些。

结束语

在水泥厂工程中推广使用大功率变频器，带来的不仅是节能所产生的直接经济效益，还有其他的附加效益：通过变频器实现电机的

软启动，降低了启动电流，避免了启动时的机械冲击，延长了电动机寿命；采用结构简单、可靠耐用的鼠笼电机，从而降低了电动机的

价格、维护工作量及费用；水泥厂排风系统中粉尘含量较大，对高速转动中的风机及档板磨损很大，采用变频调速后，电机转速降低，

档板全开，磨损大大减少，延长了使用寿命，降低了设备检修费用；通过转速对风压及风量进行调整，扣件简单灵活，反应时间快，易

与DCS系统构成自动控制回路，提高了自动化控制水平。所以在水泥厂采用高压变频器是不可避免的趋势，希望通过本文对大功率变频

器的一些介绍及探讨，对设计人员应用大功率变频器时能有所帮助，在实际工程中科学、合理的应用大功率变频器，让大功率变频器

为水泥行业的节能增效发挥出更好的功效与优势。