概述
水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，水泥行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节约型制造和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在水泥的生产中，电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。
一、传统挡板与液力耦合器调节存在的问题
目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重、维修难度大运行费用高。
离心式风机不同调节方式耗电特性比较情况，
变频器与液力偶合器比较：
根据流体力学理论，风机在理想状态下，轴功率与转速的三次方成正比，当风机运转速度降低后，其轴功率随转速的三次方下降，驱动电动机所需的功率也相应减小，从而取得明显的节电效果。
由于液力偶合器是通过液压技术进行调速，根据能量守恒定理，液压油传递的机械能，在液力偶合器输出转速低时，转换成了热能，而且电动机的转速是恒定的，所以，节能效果相对来说要差许多，即选用变频器是最佳方案，节电率的大小，随调速方式的不同而不同，一般可达30% ~ 70%。
另外，由于液力耦合器安置在电机和风机水泵之间，如果液力耦合器出现故障，风机和水泵必然会停机，会影响整套机组的运行。而采用高压变频器，电机和风机水泵是直接相连的，如果高压变频器出现故障，通过简单切换，电机可以工频运行，整套机组可以继续运行。
二、变频调速节电原理
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机的最为合理的调速方法。
由公式 n＝60f/p（1—s）
可以看出，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。
离心式风机，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n2正比；输出轴功率P与转速n3正比；即：
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。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、三环高压变频器的原理与特点
三环高压变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。
高压变频器的主回路系统图如下：
高压变频器系统示意图
6KV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6KV输出电压等级为例，每相由6个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压达3780V，线电压达6.6KV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6KV电压等级变频而言，就是36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。下图为该变频器的输入电压、电流。
频器输入电压及电流
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，6KV输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dv/dt很小。
电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。下图为变频器输出电压电流波形。
机输入线电压及电流
与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。
三环高压变频器与其它变频器相比较的特点：
与其它变频器不同，SH-HVF系列高压变频器在转换过程中不会产生用户不希望的副作用：
（1）不会使工厂配电系统产生明显的谐波失真；不需要电力滤波器；对敏感设备无干扰；不会使功率因数补偿电容器产生谐振问题。
（2）功率因数很高，在整个调节速度范围内为95%或更高，无需进行功率因数补偿。
（3）无需因输出谐波而降低电机的任何额定值。与直接采用电网电压相比，电机不产生额外热量。
（4）不会产生引起机械共振的转矩脉动。
（5）与直接使用电网电源相比，不会使电机噪音明显增加。
（6）与直接使用电网电源相比，不会对电机绝缘产生明显影响。
（7）在整个电机速度范围内可以不限制电机额定转矩，而仅受电机本身过热限值影响。
（8）风机噪音小于75分贝，所以即使在满负荷运行的变频器旁边也可以进行正常的交谈。
（9）单元采用模块化结构，所以，如果需要可在数分钟内更换损坏的模块。基于微处理器的高级诊断程序可精确查找任何故障位置。
四、三环高压变频器在万年水泥厂除尘风机应用
1、现场概述
万年水泥厂地处江西省万年县、东临浙赣线，近邻鄱阳湖，皖赣铁路傍厂而过，206国道靠厂延伸，交通十分便利。万年水泥厂是中国重点水泥生产企业、江西省最大的水泥生产厂家，拥有湿法和干法两条水泥生产线， 年产普通水泥120万吨。
万年水泥厂生料磨排风机、高温风机为普通异步电动机拖动，原有的运行方式为生料磨电机全速运行，依靠调整出口挡风板的开度来调节风量的大小；高温风机采用液力耦合器调速。这样的运行方式存在如下弊端：
（1）．调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高。
依靠风门调节执行器来调节风门开度，本身是一个不得已的举措，因风门调节机构含有相当一部分的机械机构，受机械部分限制调节速度有限，调节精度亦受到影响，往往对现场的风量控制不是很到位，甚至满足不了现场工艺的要求 。
（2）．风门调节浪费电能，不科学，不经济。
采用风门调节虽然结构简单，投资较小，但采用风门调节，人为改变了风道的阻力曲线，大量的能源白白浪费在了风门上。
（3）．电机、风机全速运行受到考验，维护周期短。
因电机全速运行，电机轴承等机械部分磨损严重，风机风门磨损严重。
（4）液力偶合器维护量大，存在漏油。
综上所述，电机变频改造势在必行，要彻底改变现有工艺，必须通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺的要求、延长设备设备使用寿命，到达节能降耗的目的。
2、变频改造方案
2009年，三环公司对万年水泥厂#3、#4、#5窑风机进行变频改造。根据万年水泥厂电机参数及负载情况，配置由三环公司生产的高压变频器，采用一拖一方式运行；该产品具有设计余量大、过载能力强，操作方便，质量可靠等优点。
为了充分保证系统的可靠性，变频器同时加装工频旁路装置。变频器异常时，变频器不能正常运行，电机可以自动切换到工频运行状态下运行，以保证生产的需要；原理图如下：
图中k1、k2、k3为同一柜内真空接触器，k2、k3电气互锁，变频器及其自动进线柜由乙方提供。当变频器故障不能运行时，自动分k2、k1，合k3，变频到工频切换时间约为5秒。电机及用户侧高压断路器QF保留甲方原有设备。
控制方式：生料磨排风机通过采集除尘器内的进出口压力差，自动控制电机的转速；高温风机对原系统的风压控制由原来的液力耦合器调节改为变频器调节，取消原液力耦合器，将电机与液力耦合器之间用一连接轴取代液力耦合器连通，由变频器对电机本身进行调速，最后达到调整窑尾预热器（高温风机入口）的压力为工况要求值。
3、节能分析
现以#3生料磨排风机变频改造后，取得了显著的节能效果，改造前风机运行在740r/min左右(电机全速运行)，改造后，风机变速经常运行在450r/min左右（即运行在40赫兹左右），与调节档板时的消耗功率大大减小，节电效果与经济效益显著。变频改造前后，电机的运行数据如下表所示
上述表格中，改造前电机平均功率计算方法为：40×1.732×6×0.80=332kW
改造后电机平均功率计算方法为：21×1.732×6×0.96=216kW
注：变频运行时，变频输入的功率因数为0.96；电机工频运行时，功率因数为0.8。
根据以上实际数据，可以得出，改造后风机的节电率为：(332-216)/332=35%
设备一年运行按300天计算，实际电费按0.45元/度，则一年节省电费为：(332-216)×300×24×0.45=38万元。
万年水泥厂变频改造项目于2009年7月改造完成投产，在水泥产量相同工况下，经过风机在变频条件和工频条件下6小时的耗电量对比节能试验计算得出：最高节电率达37.93%，平均节电率24.68%，而实际运行后，由于水泥产量的波动，节电量远大于以上值。经过半年的运行，预计年节电量约934万kwh，年节电收益大467万元。具有显著的经济效益。
五、结论
万年水泥厂的副厂长周绍良向我们说明了该厂改造后的实效：6台风机进行高压变频改造以来，厂用电明显下降，高压变频器优良的软启动功能，大大减小了启动冲击电流对电机和电网的冲击，有效减小了电机的故障，从而延长了电机的检修周期和使用寿命，同时还有效避免冲击负荷对电网的不利影响。变频改造后风机转速为原来的80%左右大大延长了风机、电机轴承及风机叶轮的使用寿命，原调节风门全开，大大减少其磨损，延长了风门使用寿命，降低检修维护费用，进一步降低了风道阻力；高温风机取消原液力耦合器，减少了因液力耦合器故障停窑，提高了大窑的运转率，节省了液力耦合器的高额维护费用；高压变频器特有的平滑调节减少了风机及电机的机械磨损，同时降低了轴承、轴瓦的温度，有效减少了检修费用，延长设备的使用寿命。