1 引言

眾所周知，鋼鐵企業(yè)是耗能大戶,而舞鋼公司長期以來都非常重視高耗能用電設備的節(jié)能工作。尤其是對除塵風機這種用電量大的設備，更是從設計、安裝、使用等方面考慮其節(jié)能問題，因為除塵風機的電耗約為噸鋼20.5kWh，煉鋼的動力電耗約為噸鋼6.8kWh，除塵電耗約占煉鋼用電的75%。因此，舞鋼公司在為3#LF電爐安裝除塵增壓風機時選擇使用高壓變頻調速技術。

2 增壓風機采用高壓變頻調速技術的理論依據(jù)

經(jīng)過舞鋼公司多位設備技術人員的論證，認為對除塵風機的高壓電機進行有效的調速控制，是節(jié)約除塵風機用電的最佳途徑。因為，由流體力學的基本定律可知，使用三相異步電動機驅動的風機負載屬于平方轉矩負載，其轉速n與風量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關系：風量Q與轉速n成正比，壓力H與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n的立方成正比；而電機的轉速與電源的頻率成正比，通過高壓變頻器來改變電源輸出的頻率，從而調節(jié)電機的轉速，實現(xiàn)風機的平滑無極調速。離心式風機在變速調節(jié)的過程中，如果不考慮管道系統(tǒng)阻力的影響，且壓力H與風量Q成平方規(guī)律的變化，則風機的效率可保持在最高效率的85%左右。

例如當需要風量為風機額定風量的60%時，通過調節(jié)電機的轉速至其額定轉速的60%，即通過高壓變頻器調節(jié)電源頻率至額定頻率的60%（30Hz）即可，這時所需要的軸功率將降至為原來的30%以下，而風機的效率則基本保持在最高效率的85%左右。這樣即使考慮高壓變頻調速裝置本身的損耗等因素，其節(jié)電效果也是很明顯的。

如果采用調節(jié)風門開度的方式來控制風量，則在系統(tǒng)設計時必須以最大的負荷量配置電機額定功率，而在實際生產中很少能夠達到滿負荷運行，且在液力耦合器調速至900r/min時，風機的控制擋板開度只有40%,有50%以上的功率消耗在擋板調節(jié)閥門和液力耦合器上。這樣造成了電能的大量浪費，且直接起動時，會造成電網(wǎng)波動嚴重和機械沖擊較大，影響著系統(tǒng)的運行可靠性和設備壽命。

3 高壓變頻調速系統(tǒng)的裝置設計

3.1 高壓變頻器系統(tǒng)原理及其參數(shù)

北京利德華福高壓變頻器采用性能優(yōu)良、技術成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術。由電網(wǎng)送來的三相6kV交流電經(jīng)過隔離移相變壓器變?yōu)?1組440V分別供給21個功率單元，每相上的7個功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線電壓為6kV的高質量的正弦波輸出供給高壓異步電動機驅動風機。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術，防止了電磁干擾，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交-直-交變頻技術，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術，大大提高了的工作可靠性。高壓變頻器系統(tǒng)結構原理圖如圖1所示。

圖1  高壓變頻器系統(tǒng)結構原理圖

現(xiàn)場設備參數(shù)如下：高壓變頻器參數(shù)：額定容量350kVA、主變壓器類型：干式移相變壓器容量400kVA，變比6kV/21×440V，輸入電壓6000V+15%-30%，高壓電網(wǎng)頻率50~60Hz，輸出電壓0~6000V，輸出頻率0~50Hz，調速范圍0~1000r/min，輸出電壓諧波含量<4%，功率因數(shù)96%，過載能力150%（3s），效率96%，控制柜與功率單元的傳輸：光纖傳輸,冷卻方式為超導熱管強制冷卻，工作環(huán)境，溫度-20°C~+45°C；電機參數(shù)：額定電壓6kV，額定功率280kW，額定電流35.2A，額定轉速988r/m，功率因數(shù)82%。

3.2 變頻調速系統(tǒng)組成及各部件的功能

增壓風機的高壓變頻調速系統(tǒng)屬于高-高電壓源型變頻器，直接6kV高壓輸入，直接6kV高壓輸出。變頻器主要由高壓開關柜、移相變壓器柜、功率模塊柜和控制器柜共4部分組成，如圖2所示。

圖2   高壓開關柜

圖2中QF為帶綜合繼保的高壓斷路器，QS1、QS2、QS3采用手動隔離開關，電機可以實現(xiàn)手動旁路。如果QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機可由變頻器控制調速運行；如果QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，可由QF直接啟停并進行保護。變頻器可完全和電網(wǎng)脫離，便于維護與檢修。

圖3  變頻器功率模塊圖age:AR-SA'>高壓開關柜

圖3中功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。每個功率單元額定輸出電壓為490V，串聯(lián)后輸出相電壓3430V，線電壓達到6kV。每個功率模塊結構及電氣性能上完全一致，可以互換。

4 增壓風機采用變頻調速的經(jīng)濟效益

4.1 從理論上分析節(jié)電效果

目前舞鋼公司一煉鋼廠3#LF電爐與1#LF電爐使用的增壓風機型號完全一樣，現(xiàn)在3#LF電爐所使用的風機高壓變頻調速運行下的功率為P3，轉速為n3，系統(tǒng)運行頻率為40Hz；以前安裝的1#LF電爐使用的風機使用液力耦合器（因為以前高壓變頻技術不成熟且價格極貴），工頻運行狀態(tài)下的功率為P1，轉速為n1，系統(tǒng)運行頻率為50Hz。根據(jù)本文的理論依據(jù)可得到：P3=(42.5/50)3×P1=0.62P1，當然變頻調速后風機的效率大約為工頻的85%，因此變頻調速后的實際效率為P3=（0.62/85%）×P1=0.72×P1，則節(jié)電效率為P=（P1-P3）/P1=28%。

4.2 由實際功耗測量節(jié)電效果

3#LF電爐變頻增壓風機與1#LF電爐液耦增壓風機在某日8h的實際功耗的平均測量數(shù)據(jù)如附表所示。

附表  變頻調速與液耦調速的功耗對照表html> age:AR-SA'>高壓開關柜

由表中測量的數(shù)據(jù)得：變頻調速相比于液耦調速的功耗日平均可節(jié)電量為1674kWh，大約節(jié)省了24.88%的電量，基本上與理論依據(jù)相符合。由此每年節(jié)約電量為1674×341=57.08萬kWh（全年以341天計算，扣除每月2天的保養(yǎng)維修時間），考慮到變頻器的效率為96%，則年實際節(jié)電量為54.80萬kWh，節(jié)約資金為54.80×0.50=27.40萬元。

使用變頻調速后，每年還可以節(jié)約液耦油660kg、約8000元，節(jié)約冷卻水、節(jié)省維修費用約3000元。所使用高壓變頻器的成本約50萬元，設備總體投資成本可在2年時間內可全部收回。

5 高壓變頻器調速在使用中應注意的一些技術問題

高壓變頻調速技術在除塵風機中應用，不僅能提高經(jīng)濟效益，而且能產生很大的社會效益，促進企業(yè)的技術進步。但在技術上，要根據(jù)不同的生產設備，選擇相應特性的變頻器，如在對除塵風機進行變頻調速中，注意除必須考慮變頻器的提速、降速特性是否滿足除塵工藝的要求以外，還同時在技術上必須要考慮下列問題，以免帶來投資的損失。

（1）電動機的安全運行是全廠除塵的根本保證，雖然變頻調速裝置是可靠的，但一旦出現(xiàn)問題，必須確保電動機安全運行，所以，必須實現(xiàn)工頻--變頻運行的切換系統(tǒng)（旁路系統(tǒng)），在生產過程中，采用手工切換如能滿足設備運行工藝要求，建議盡量不要選用自動旁路，對一般的小功率電機，采用雙投閘刀方式作為手動、自動切換手段也是比較理想的方法。

（2）對于大容量負荷的電機（如2000kW電機），在變頻改造后，要注意風機可能存在共振現(xiàn)象，運行中，一旦發(fā)生共振，將嚴重損壞風機和拖動電機。所以，必須計算或測量風機--電機連接軸系扭振臨界轉速以及采取相應的技術措施（如設置頻率跳躍功能避開共振點、軟連接及機座加震動吸收橡膠等）。

（3）采用變頻調速控制后，如果變頻器長時間運行在1/2工頻（25Hz）以下，隨著電機轉速的下降，電機散熱能力也下降，同時電機發(fā)熱量也隨之減少。所以電機的本身溫度其實是下降的，仍舊能夠正常運行而不至溫度過高。

（4）變頻器不能由輸出口反向送電，在電氣回路設計中必須注意，如高壓變頻器的高壓開關柜接線圖中，要求QS2和QS3不能同時閉合，不僅要求在電氣二次回路中實現(xiàn)電氣的聯(lián)鎖，同時要求在機械上實現(xiàn)機構互鎖，以確保變頻器的運行安全。

（5）對于高壓變頻器系統(tǒng)，體積相對較大，一般由4~5面柜體組成，對改造項目來講，一般都需要重新建造變頻器室。因此，選擇變頻器室位置，既要考慮離電機設備不能太遠，又要考慮周圍環(huán)境對變頻器運行可能造成的影響。變頻器的安裝和運行環(huán)境要求較高，為了使變頻器能長期穩(wěn)定和可靠運行，對安裝變頻器室的室內環(huán)境溫度要求最好控制在40℃以下，如果溫度超過允許值，應考慮配備相應的空調設備。同時，室內不應有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導電粉塵等。

（6）要保證變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設備安全。為防止信號干擾，控制系統(tǒng)最好埋設獨立的接地系統(tǒng)，對接地電阻的要求不大于4Ω。到變頻器的信號線，必須采用屏蔽電纜，屏蔽線的一端要求可靠接地。

（7）變頻器開機調試前必須根據(jù)負載特點，將所有參數(shù)設定好，檢查無錯誤方可開機運行，特別注意變頻器輸出電流，在起動過程中，恒轉速過程中，減速過程中，都要認真觀察，如果第一次設定的參數(shù)不是十分理想時，應逐步接近。

6 結束語

此次北京利德華福高壓變頻調速技術在3#LF電爐增壓風機的實踐應用表明，電機在啟動和調節(jié)過程中，轉速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應力，大大降低了日常的維護保養(yǎng)費用，并且取得了較好的運行效果和顯著的經(jīng)濟效益。由此可見，高壓變頻調速技術在電爐除塵風機中的使用對其它用電量大的設備進行變頻改造也起到了示范作用，尤其是可以探索在公司其他的除塵風機中進行推廣使用。