摘要：本文結合高爐煉鐵生產的實際工況，介紹了北京利德華福電氣技術有限公司研制生產單元串聯多電平高壓大功率變頻器在重鋼煉鐵廠750高爐除塵風機" title="除塵風機">除塵風機中的應用。
關鍵詞：高壓大功率變頻器 單元串聯多電平 遠程監控 節能
Abstract: This thesis introduces the cell cascaded high voltage inverter produced by Beijing Leader & Harvest Electric Technologies Co. Ltd., and its applying in the No750 Blast Furnance product system of Chonggang Ironmaking Factory.
Keywords: High Voltage、Inverter high power 、Multilevel inverter cell cascaded 、Remote supervision 、Energy-saving
一、引言
重鋼煉鐵廠750m3高爐為新建高爐（新高爐）。鑒于原高爐出鐵過程中，爐口會排放大量紅棕色煙氣，一方面對環境造成污染；另一方面原運行方式為電機工頻運行，通過調節風門的出口擋板來調節風量來滿足出鐵工藝，大量電源在閥門上白白浪費。為解決該突出問題，降低損耗，我方決定對新高爐的除塵風機進行調速控制。
二、高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻器技術要求及改造方案：
除塵風機是除塵凈化系統的動力中樞，一旦除塵風機不能正常運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失，還有可能威脅到現場生產人員的人身安全；另外，調速系統" title="調速系統">調速系統工作的環境比較惡劣；同時高爐又周期性間斷出鐵；所以，和除塵風機配套的高壓變頻調速系統，要求具有極高的可靠性。基于以上工作特點，對變頻調速系統的主要要求如下：
1）中文操作界面。
2）具有高可靠性，長期運行無故障。
3）具有旁路功能，一旦出現故障，可使電機切換到工頻運行。
4）調速范圍大，效率高。
5）具有邏輯控制能力，可以自動按照吹氧周期升降速。
6）具有共振點跳轉設置，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘振。
7）具有遠程上位機監控功能。
經過多方調研、比較，最后煉鐵廠同北京利德華福電氣技術有限公司合作，共同制定了750高爐除塵風機的變頻改造方案，改造方案如下：
1、設備配置
系統旁路開關柜為一拖一手動旁路系統（用于變頻/工頻切換）
原理是由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見下圖）。要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
為了實現變頻器故障的保護，變頻器對用戶開關QF進行連鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF，要求用戶對QF的合分閘電路進行適當改造。工頻旁路時，變頻器應允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。
QF：廠方高壓真空斷路器（為變頻器提供6KV高壓電）
QS1、QS2、QS3： 手動隔離刀閘
BPQ：HARSVERT-A06/085變頻器
M： 630KW/6KV異步電動機。
2、電機及風機參數
電機參數 風機參數
型 號： YKK560-10 額定流量： 410000m3/h
額定功率： 630KW 主軸轉速： 595rpm
額定電壓： 6KV 軸功率： 630KW
額定頻率： 50Hz
額定電流： 82.9A
額定轉速： 595rpm
3、除塵風機工藝要求
1）出鐵工藝周期
除塵風機在不出鐵時，只需要很低的轉速（甚至為零），根本不需要滿負荷運轉。利用高壓變頻器根據實際需要對除塵風機進行變頻運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
整個出鐵工藝高速時間約45分鐘，高速定為50Hz（可以調節）；低速定為0Hz（可以調節）。
2）監控和操作
采用高壓變頻調速系統對除塵風機進行高壓變頻改造具體實現過程如下：變頻器操作可以在本機控制，也可以遠程操作。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號（如RS485）的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機或操作臺進行操作，出鐵時，變頻器高速運行，不出鐵時，變頻器低速運行（甚至不運行）。可以根據工況需要自由設定，完全可以滿足工藝要求。
上位機：可以通過上位機進行遠程監控，一方面便于用戶隨時了解設備運行情況，另一方面，也利于設備的遠程診斷和維護，故障問題可以及時得到解決。
3）變頻器技術指標
輸入電壓 三相交流有效值 6.0KV±10％
輸入頻率 50±5Hz
輸出電壓 三相正弦波電壓0-6KV
輸出頻率 0-50Hz
頻率分辨率 0.01Hz
加速時間 可按工藝要求設定
減速時間 可按工藝要求設定
頻率設定方式 高低兩級速度，可在0-50Hz范圍內調整
故障診斷及檢測 自動檢測，自動定位
網側功率因數" title="功率因數">功率因數 0.95（高速時）
過載保護 120％l分種（每10分鐘）、150％立即保護
防護等級 IP20
環境溫度 0-40℃
環境濕度 90%,無凝結
海拔高度 1000米以下
三、高壓變頻調速系統原理
HARSVERT系列高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串并聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，其工作原理如下：
1、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電壓源型逆變結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。高壓變頻調速系統每相由7個功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3500V，線電壓達6kV左右，每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/7相電壓和1/21的輸出功率。
2、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。給功率單元供電的二次繞組每3個一組，分為7個不同的相位組。輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真小于1%，輸入的綜合功率因數可達0.95以上。
3、逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，提高效率，由于采用移相式PWM，電機電壓的等效開關頻率大大提高，且輸出電平數增加。以6KV輸出電壓等級的高壓變頻調速系統為例，輸出相電壓均為11電平，線電壓均為21電平，輸出等效開關頻率為6kHz，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音和轉矩脈動都大大降低，因此對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機。
四、設備運行情況
2003年中我公司向北京利德華福電氣技術有限公司定購了一臺高壓變頻器，型號為HARSVERT-A06/085，2003年6月20日變頻器開始安裝就位，6月24日調試完畢，2003年11月9日正式投入使用，我們認為該變頻器的安裝、調試周期都很短，總共僅有5天的時間，為750高爐按時投產提供了有力的保證。
同原來老高爐除塵風機比較，引進北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器有以下優點：
1、運行穩定，安全可靠。2003年11月正式投產以來至今，連續無故障運行一年多，為750高爐安全可靠生產提供了強有力的保障。HARSVERT-A變頻器具有免維護的特點，只需定期更換柜門上的通風濾網，不用停機，保證了生產的連續性。
2、節能效果顯著，大大降低了電耗。
3、電動機實現了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數。同時，變頻器設置共振點跳轉頻率，避免了風機長期在共振點運行，使風機工作平穩，風機軸承磨損減少，延長了電機、風機的使用壽命和維修周期，提高了風機的利用時率。
4、變頻器自身保護功能完善，同原來繼電保護比較，保護功能更多，更靈敏，大大加強了對電機的保護。
5、變頻器同現場信號無縫接口，滿足生產的需要。變頻器內置PLC，現場信號接入靈活。變頻器自帶轉速和電流測定，可以為現場直接提供電機轉速及電流指示。
6、適應電網電壓波動能力強，有時電網電壓高達6.6KV，變頻器仍能正常運行。
五、節能分析：
1、節能原理
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變風機的性能曲線，使風機的額定參數滿足工藝要求，根據風機的相似定律，變速前后流量、壓力、功率與轉速之間關系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1、H1、P1——風機在n1轉速時的流量、壓力、功率；
Q2、H2、P2——風機在n2轉速時相似工況條件下的流量、壓力、功率。
假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。
當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為0.96，工作電流比電機額定電流值要低許多，電流降為52A。由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量20%左右。
3、節能計算
根據變頻器的運行記錄，統計風機在一天中高低速度段的運行時間（風機高速運行時間占40%），全年工作時制按8600小時計算,得到如下運行數據：
P高速=1.732×6×52×0.96×8600×40%=178.4
P原來=1.732×6×82.9×0.8×8600=592.7
年節電率:（P原來- P高速）÷P原來=69.8%
六、應用高壓變頻調速系統產生的其他效果
改善了工藝。投入變頻器后除塵風機可以非常平滑穩定的調整風量，運行人員可以自如的調控，除塵風機運行參數得到了改善，提高了效率。
延長電機和風機的使用壽命。一般除塵風機均為離心式風機，啟動時間長，啟動電流大（約6～8倍額定電流），對電機和風機的機械沖擊力很大，嚴重影響其使用壽命。而采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，對電機幾乎不產生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。
減少閥門機械和風機葉輪的磨損。減少了風機振動和軸承磨損。延長風機的大修周期，節省檢修費用和時間。
減少了維護費用和檢修工作量。原除塵風機在運行過程中，經常造成風機和電機的損壞，維護工作量大，檢修費用高。自改變頻調節后保證了風機在正常范圍內運行。
便于實現除塵控制系統自動化。除塵系統的風量經常需要根據工藝的要求變化，在過去用擋板調節時，存在執行機構的開度與流量的關系曲線的線性問題。往往由于執行機構的磨損量過大，閥門特性發生變化，出現非線性問題，致使調節過程失誤，自動控制系統無法正常工作。而變頻調速始終保持在線性高精度 0.1～0.01Hz的范圍內工作，為實現除塵系統的自動化創造優越條件。
七、結束語
HARSVERT-A系列高壓變頻器在重鋼煉鐵廠750高爐除塵風機的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業應用的證實。在各行各業，對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用高壓變頻調速技術，不僅可以取得相當顯著的節能效果，而且也得到國家產業政策的支持。