【摘要】：
本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，講述了SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用過程，由于SH-HVF系列高壓變頻器設(shè)計(jì)合理、控制系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)用節(jié)能效果明顯，具有一定的推廣價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：高壓變頻? 生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī) 節(jié)能
一、前言
目前，隨著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的地位，特別是水泥生產(chǎn)企業(yè)，很大一部分花在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗越來越引起了業(yè)界的重視.
在水泥生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)被大量的采用于工藝流程上，而風(fēng)機(jī)負(fù)載耗電量較大，起動(dòng)電流較高，同時(shí)用電動(dòng)閥門、擋風(fēng)板等裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)量，在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，必須留有余量，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力往往偏大，功率的偏大設(shè)計(jì)必然造成能量的浪費(fèi)。很多的風(fēng)機(jī)有30~70%的能量是消耗在調(diào)節(jié)閥的壓降上的，不僅造成電能的浪費(fèi)，工作效率低，而且開動(dòng)閥門時(shí)，還發(fā)出嘯聲和振動(dòng)，經(jīng)常發(fā)生事故。
變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益早已為人們所知。近幾年來變頻技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這一狀況，實(shí)踐證明在風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化用來取代閥門控制風(fēng)量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。
二、變頻器節(jié)能原理
一般異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：
n1＝60f/p
而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系：
n= n1（1—s）=60f/p（1—s）
由上式可以得到，改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達(dá)到。針對(duì)某一電動(dòng)機(jī)而言P是一定的，而通過改變S進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。
若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律：
Q1/Q2＝n1/n2????? 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；
H1/H2＝(n1/n2)2?? 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；
P1/P2＝(n1/n2)3????? 輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)
式中： n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T——工作時(shí)間
可見，通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、SH-HVF變頻器原理特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為在電力電子技術(shù)平臺(tái)上從事高壓變頻器的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、代理、服務(wù)，同時(shí)還從事能源節(jié)能領(lǐng)域的投資。公司綜合實(shí)力位于全國同行業(yè)前三名，用戶分布全國十多個(gè)省市自冶區(qū)。由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司負(fù)責(zé)起草的《DL/T994-2006中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 火電廠風(fēng)機(jī)水泵用高壓變頻器》已由國家發(fā)改委2006年5月6日公告發(fā)布（中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)公告2006年第29號(hào)），已于2006年10月1日起正式頒布實(shí)施。湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司通過世界銀行能源項(xiàng)目專家審核（2004年），多次獲得世界銀行的專項(xiàng)節(jié)能貸款支持，為世界銀行呈報(bào)的相關(guān)節(jié)能案例得到了世界銀行的廣泛推廣，被評(píng)為2006年中國節(jié)能十佳企業(yè)。
SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。
1、SH-HVF高壓變頻器的控制原理
SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交－直－交變頻器方式，整流側(cè)采用大容量電容器濾波。變頻裝置逆變主電路拓?fù)洳捎枚嚯娖叫问?，單元?shù)的多少視電壓高低而定，3KV/6KV/10KV變頻器每相采用4/6/8個(gè)功率單元（Power Cell），逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波。如圖1所示：
圖1 功率單元串聯(lián)
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整流用移相變壓器為干式變壓器，采用銅線繞制，配冷卻器，有高質(zhì)量統(tǒng)一柜體封閉。具有就地和遠(yuǎn)方超溫報(bào)警和相應(yīng)的控制功能。
功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT模快組成，如圖2所示。進(jìn)入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，以6KV為例，每相6個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生13種不同的電平等級(jí)，分別為±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。
圖2? 功率單元電路
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6個(gè)功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個(gè)功率單元輸出的電平相疊加，再配以動(dòng)態(tài)分配技術(shù)和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，在輸出?cè)得到一組逼近正弦波的階梯波，與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質(zhì)與正弦波的擬合程度非常好，再配以優(yōu)化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好，du/dt小，可減小對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長(zhǎng)度幾乎不受限制，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減少了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
圖3? 控制單元結(jié)構(gòu)圖
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整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個(gè)智能操作面板（觸摸屏）和一些開關(guān)、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報(bào)警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報(bào)警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號(hào)的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個(gè)系統(tǒng)提供了較高的容錯(cuò)能力，當(dāng)工作中的某個(gè)功率單元故障時(shí)，旁路控制能自動(dòng)將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢(shì)
1>、功率單元機(jī)械式旁路
為了保證變頻器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機(jī)械旁路功能，當(dāng)單元故障時(shí)，可自動(dòng)將輸出清除并同時(shí)觸發(fā)旁路單元將其旁路，使其不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，使整個(gè)系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變成為并聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)。典型旁路示意圖如下：
圖3? 控制單元結(jié)構(gòu)圖
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整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個(gè)智能操作面板（觸摸屏）和一些開關(guān)、電源、繼電器等組成，如圖3所示。其中，PLC完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報(bào)警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報(bào)警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號(hào)的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個(gè)系統(tǒng)提供了較高的容錯(cuò)能力，當(dāng)工作中的某個(gè)功率單元故障時(shí)，旁路控制能自動(dòng)將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)單。
2、SH-HVF系列變頻器主要優(yōu)勢(shì)
1>、功率單元機(jī)械式旁路
為了保證變頻器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶提供了功率單元機(jī)械旁路功能，當(dāng)單元故障時(shí)，可自動(dòng)將輸出清除并同時(shí)觸發(fā)旁路單元將其旁路，使其不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，使整個(gè)系統(tǒng)由原來的串聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)變成為并聯(lián)可靠性結(jié)構(gòu)。典型旁路示意圖如下：
圖5立式生料磨系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖
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生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用，通過調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)可以控制磨系統(tǒng)的以下參數(shù)：
1>、磨內(nèi)通風(fēng)量：立磨靠風(fēng)掃磨，通風(fēng)量要適當(dāng)。風(fēng)量不足，合格的生料不能及時(shí)帶出，料層增厚，排渣量增多，設(shè)備負(fù)荷高，產(chǎn)量降低；風(fēng)量過大，料層過薄，影響磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
2>、料層厚度：立磨穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定，風(fēng)量、風(fēng)壓和喂料量才能穩(wěn)定，否則就要通過調(diào)節(jié)風(fēng)量和喂料量來維持料層厚度。若調(diào)節(jié)不及時(shí)就會(huì)引起震動(dòng)加劇，電機(jī)負(fù)荷上升或系統(tǒng)跳停等問題。
3>、磨機(jī)振動(dòng)：振動(dòng)是輥式磨機(jī)工作中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象,合理的振動(dòng)是允許的,但若振動(dòng)過大，則會(huì)造成磨盤和磨輥以及襯板的機(jī)械損壞。
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4>、磨內(nèi)壓差： 壓差是指風(fēng)環(huán)處的壓力損失,在磨機(jī)運(yùn)行時(shí)，磨內(nèi)負(fù)荷量的變化不僅從磨機(jī)電流、料層厚度、振動(dòng)幅度等參數(shù)上反應(yīng)出來，而且壓差更能反映磨內(nèi)狀況。
5>、磨機(jī)出口溫度：有效的控制出口溫度，可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。
6>、產(chǎn)品細(xì)度：磨內(nèi)通風(fēng)量的大小對(duì)產(chǎn)品細(xì)度也有一定影響 。
另外磨的運(yùn)行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風(fēng)量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
華新金貓水泥生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)如下：
電機(jī)型號(hào)：YRKK710-6
額定功率：1600KW
額定電壓：6KV
額定電流：193A
根據(jù)華新金貓水泥負(fù)載的相關(guān)參數(shù)選配SH-HVF系列高壓變頻器參數(shù)如下：
型號(hào)：SH-HVF-Y6K/2000
隔離變壓器容量：2000KVA
IGBT容量：80℃ 380A
整流橋容量：95℃ 380A
旁路開關(guān)：630A
2、主回路設(shè)計(jì)
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器配置方案均采用一拖一方式，其主回路原理圖如圖6所示：
圖6 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖
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6KV高壓電源經(jīng)用戶開關(guān)柜高壓開關(guān)QF到刀閘柜，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動(dòng)機(jī)；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。進(jìn)出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進(jìn)出線刀閘QS2，將變頻裝置隔離，手動(dòng)合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。QF保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個(gè)刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機(jī)械閉鎖，防止誤操作。
3、控制方式：
該設(shè)備有三種控制方式 ：??
1>、以壓力、流量為控制對(duì)象的閉環(huán)控制：以輸入的4～20mA模擬量值為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2>、 以轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的開環(huán)控制：該方式在遠(yuǎn)程操作（DCS或遠(yuǎn)程操作箱上操作）用戶可根據(jù)工況條件自設(shè)定轉(zhuǎn)速，變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值，該方式下頻率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對(duì)應(yīng)0轉(zhuǎn)速，20mA對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速。
3>、以頻率為控制對(duì)象的開環(huán)控制：該方式在就地操作（設(shè)備本體上操作）直接從觸摸屏上設(shè)置輸出頻率，變頻器以該頻率為控制目標(biāo)值。
以上三種控制方式用戶可通過人機(jī)界面（觸摸屏）設(shè)置，滿足不同的工況要求。
4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)：（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)）
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名 稱 |
調(diào)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù) |
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總喂料量(t/h) |
225 |
228 |
230 |
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變頻器給定轉(zhuǎn)速（r/min） |
1325 |
132O |
1325 |
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選粉機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） |
84 |
83 |
81 |
|
料層厚度mm |
67.5 |
71.2 |
72.7 |
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原料磨壓差Pa |
4985 |
4957 |
4964 |
|
磨機(jī)出口溫度℃ |
92 |
93 |
95 |
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電機(jī)電流A |
105 |
106 |
104 |
|
磨機(jī)震動(dòng) |
0．64 |
0．65 |
0．65 |
由以上測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細(xì)度、磨內(nèi)壓差、振動(dòng)等工藝要求的基礎(chǔ)上，配合調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，使整個(gè)原料磨系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達(dá)到較好的節(jié)能目的。
五、變頻改造后收益分析：
1、直接收益：
改造前：在運(yùn)行時(shí)閥門開度為56％－58％，當(dāng)閥門開度為58％時(shí)，電流為147A；當(dāng)閥門開度為5％時(shí)，電流為101A；當(dāng)閥門開度為20％時(shí)，電流為116.5A；當(dāng)閥門開度為55％時(shí)，電流為142
145A；當(dāng)閥門開度為60％時(shí)，電流為150－152A。
變頻改造后：閥門開度為100％，變頻器轉(zhuǎn)速為1300－1360，此時(shí)變頻器電流為102－110A。
改造前平均功率為：1310KW
改造后平均功率：1008KW
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變頻后設(shè)備節(jié)電率為：
ΔP＝(P1－P2)/P1=(1310－1008)/1310＝23%
變頻改造后節(jié)電功率為：
PB= P1-P2=1310-1008=302 kW
變頻改造年節(jié)電收益＝PB×0.5×h＝302×0.5×8640≈13萬元
風(fēng)機(jī)的年運(yùn)行時(shí)間：按360天計(jì)算，大工業(yè)電費(fèi)為：0.5元/kwh
2、間接效益：
1>、變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。
2>、電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對(duì)設(shè)備的維護(hù)量，節(jié)約了人力物力資源。
3>、由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
4>、功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，而且減少了線路損耗。
5>、廠房設(shè)備噪聲污染將降低。
6>、能提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和工藝水平。
7>、節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護(hù)了環(huán)境。
8>、負(fù)載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于2％。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
9>、變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
10>、使用變頻調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)恒定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
11>、由于采用自動(dòng)控制，進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行控制和系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平，從而真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性。
總結(jié)：在華新金貓水泥（蘇州）有限公司生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護(hù)量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥的應(yīng)用，提高了生料磨的產(chǎn)量，又到達(dá)較好的節(jié)能效果。因此在水泥廠生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻技術(shù)是應(yīng)該倡導(dǎo)和推廣的。
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