概述
水泥生產企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，水泥行業已被列為國家節約資源的重點領域之一。在國務院提出加快建設節約型社會的政策環境下，提高水泥行業的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥工業體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產企業必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。在水泥的生產中，電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好風機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。
一、傳統擋板與液力耦合器調節存在的問題
目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現象嚴重，同時由于工況、產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統做法，即調節進、出風口閥門的開度來實現，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來達到要求的，損耗嚴重、維修難度大運行費用高。
離心式風機不同調節方式耗電特性比較情況，
變頻器與液力偶合器比較：
根據流體力學理論，風機在理想狀態下，軸功率與轉速的三次方成正比，當風機運轉速度降低后，其軸功率隨轉速的三次方下降，驅動電動機所需的功率也相應減小，從而取得明顯的節電效果。
由于液力偶合器是通過液壓技術進行調速，根據能量守恒定理，液壓油傳遞的機械能，在液力偶合器輸出轉速低時，轉換成了熱能，而且電動機的轉速是恒定的，所以，節能效果相對來說要差許多，即選用變頻器是最佳方案，節電率的大小，隨調速方式的不同而不同，一般可達30% ~ 70%。
另外，由于液力耦合器安置在電機和風機水泵之間，如果液力耦合器出現故障，風機和水泵必然會停機，會影響整套機組的運行。而采用高壓變頻器，電機和風機水泵是直接相連的，如果高壓變頻器出現故障，通過簡單切換，電機可以工頻運行，整套機組可以繼續運行。
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。
離心式風機，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：
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。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、三環高壓變頻器的原理與特點
三環高壓變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，包括國產電機。
高壓變頻器的主回路系統圖如下：
高壓變頻器系統示意圖
6KV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6KV輸出電壓等級為例，每相由6個額定電壓為690V的功率單元串聯而成，輸出相電壓達3780V，線電壓達6.6KV，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6KV電壓等級變頻而言，就是36脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數可達到0.95以上。下圖為該變頻器的輸入電壓、電流。
頻器輸入電壓及電流
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，6KV輸出相當于13電平，輸出電壓非常接近正弦波，dv/dt很小。
電平數的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輸出濾波器。下圖為變頻器輸出電壓電流波形。
機輸入線電壓及電流
與采用高壓器件直接串聯的變頻器相比，由于不是采用傳統的器件串聯的方式來實現高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。
三環高壓變頻器與其它變頻器相比較的特點：
與其它變頻器不同，SH-HVF系列高壓變頻器在轉換過程中不會產生用戶不希望的副作用：
（1）不會使工廠配電系統產生明顯的諧波失真；不需要電力濾波器；對敏感設備無干擾；不會使功率因數補償電容器產生諧振問題。
（2）功率因數很高，在整個調節速度范圍內為95%或更高，無需進行功率因數補償。
（3）無需因輸出諧波而降低電機的任何額定值。與直接采用電網電壓相比，電機不產生額外熱量。
（4）不會產生引起機械共振的轉矩脈動。
（5）與直接使用電網電源相比，不會使電機噪音明顯增加。
（6）與直接使用電網電源相比，不會對電機絕緣產生明顯影響。
（7）在整個電機速度范圍內可以不限制電機額定轉矩，而僅受電機本身過熱限值影響。
（8）風機噪音小于75分貝，所以即使在滿負荷運行的變頻器旁邊也可以進行正常的交談。
（9）單元采用模塊化結構，所以，如果需要可在數分鐘內更換損壞的模塊。基于微處理器的高級診斷程序可精確查找任何故障位置。
四、三環高壓變頻器在萬年水泥廠除塵風機應用
1、現場概述
萬年水泥廠地處江西省萬年縣、東臨浙贛線，近鄰鄱陽湖，皖贛鐵路傍廠而過，206國道靠廠延伸，交通十分便利。萬年水泥廠是中國重點水泥生產企業、江西省最大的水泥生產廠家，擁有濕法和干法兩條水泥生產線， 年產普通水泥120萬噸。
萬年水泥廠生料磨排風機、高溫風機為普通異步電動機拖動，原有的運行方式為生料磨電機全速運行，依靠調整出口擋風板的開度來調節風量的大小；高溫風機采用液力耦合器調速。這樣的運行方式存在如下弊端：
（1）．調節反應滯后，調節速度慢，調節精度不高。
依靠風門調節執行器來調節風門開度，本身是一個不得已的舉措，因風門調節機構含有相當一部分的機械機構，受機械部分限制調節速度有限，調節精度亦受到影響，往往對現場的風量控制不是很到位，甚至滿足不了現場工藝的要求 。
（2）．風門調節浪費電能，不科學，不經濟。
采用風門調節雖然結構簡單，投資較小，但采用風門調節，人為改變了風道的阻力曲線，大量的能源白白浪費在了風門上。
（3）．電機、風機全速運行受到考驗，維護周期短。
因電機全速運行，電機軸承等機械部分磨損嚴重，風機風門磨損嚴重。
（4）液力偶合器維護量大，存在漏油。
綜上所述，電機變頻改造勢在必行，要徹底改變現有工藝，必須通過改變電機轉速來調節風機轉速，從而達到調節風量的目的，以此來滿足現場工藝的要求、延長設備設備使用壽命，到達節能降耗的目的。
2、變頻改造方案
2009年，三環公司對萬年水泥廠#3、#4、#5窯風機進行變頻改造。根據萬年水泥廠電機參數及負載情況，配置由三環公司生產的高壓變頻器，采用一拖一方式運行；該產品具有設計余量大、過載能力強，操作方便，質量可靠等優點。
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。變頻器異常時，變頻器不能正常運行，電機可以自動切換到工頻運行狀態下運行，以保證生產的需要；原理圖如下：
圖中k1、k2、k3為同一柜內真空接觸器，k2、k3電氣互鎖，變頻器及其自動進線柜由乙方提供。當變頻器故障不能運行時，自動分k2、k1，合k3，變頻到工頻切換時間約為5秒。電機及用戶側高壓斷路器QF保留甲方原有設備。
控制方式：生料磨排風機通過采集除塵器內的進出口壓力差，自動控制電機的轉速；高溫風機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，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，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。
3、節能分析
現以#3生料磨排風機變頻改造后，取得了顯著的節能效果，改造前風機運行在740r/min左右(電機全速運行)，改造后，風機變速經常運行在450r/min左右（即運行在40赫茲左右），與調節檔板時的消耗功率大大減小，節電效果與經濟效益顯著。變頻改造前后，電機的運行數據如下表所示
上述表格中，改造前電機平均功率計算方法為：40×1.732×6×0.80=332kW
改造后電機平均功率計算方法為：21×1.732×6×0.96=216kW
注：變頻運行時，變頻輸入的功率因數為0.96；電機工頻運行時，功率因數為0.8。
根據以上實際數據，可以得出，改造后風機的節電率為：(332-216)/332=35%
設備一年運行按300天計算，實際電費按0.45元/度，則一年節省電費為：(332-216)×300×24×0.45=38萬元。
萬年水泥廠變頻改造項目于2009年7月改造完成投產，在水泥產量相同工況下，經過風機在變頻條件和工頻條件下6小時的耗電量對比節能試驗計算得出：最高節電率達37.93%，平均節電率24.68%，而實際運行后，由于水泥產量的波動，節電量遠大于以上值。經過半年的運行，預計年節電量約934萬kwh，年節電收益大467萬元。具有顯著的經濟效益。
五、結論
萬年水泥廠的副廠長周紹良向我們說明了該廠改造后的實效：6臺風機進行高壓變頻改造以來，廠用電明顯下降，高壓變頻器優良的軟啟動功能，大大減小了啟動沖擊電流對電機和電網的沖擊，有效減小了電機的故障，從而延長了電機的檢修周期和使用壽命，同時還有效避免沖擊負荷對電網的不利影響。變頻改造后風機轉速為原來的80%左右大大延長了風機、電機軸承及風機葉輪的使用壽命，原調節風門全開，大大減少其磨損，延長了風門使用壽命，降低檢修維護費用，進一步降低了風道阻力；高溫風機取消原液力耦合器，減少了因液力耦合器故障停窯，提高了大窯的運轉率，節省了液力耦合器的高額維護費用；高壓變頻器特有的平滑調節減少了風機及電機的機械磨損，同時降低了軸承、軸瓦的溫度，有效減少了檢修費用，延長設備的使用壽命。