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(shè)備的節(jié)能工作。尤其是對除塵風機這種用電量大的設(shè)備，更是從設(shè)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(diào)速技術(shù)。

2 增壓風機采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)

經(jīng)過舞鋼公司多位設(shè)備技術(shù)人員的論證，認為對除塵風機的高壓電機進行有效的調(diào)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(xué)的基本定律可知，使用三相異步電動機驅(qū)動的風機負載屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與風量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：風量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；而電機的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風機的平滑無極調(diào)速。離心式風機在變速調(diào)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至其額定轉(zhuǎn)速的60%，即通過高壓變頻器調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)風門開度的方式來控制風量，則在系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)中很少能夠達到滿負荷運行，且在液力耦合器調(diào)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(diào)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(shè)備壽命。

3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)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(shù)成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。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(zhì)量的正弦波輸出供給高壓異步電動機驅(qū)動風機。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，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(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了的工作可靠性。高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1  高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

現(xiàn)場設(shè)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(diào)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(dǎo)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(zhuǎn)速988r/m，功率因數(shù)82%。

3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)組成及各部件的功能

增壓風機的高壓變頻調(diào)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(guān)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(guān)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(guān)，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(diào)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(guān)柜

圖3中功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側(cè)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(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。

4 增壓風機采用變頻調(diào)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(diào)速運行下的功率為P3，轉(zhuǎn)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(shù)不成熟且價格極貴），工頻運行狀態(tài)下的功率為P1，轉(zhuǎn)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(diào)速后風機的效率大約為工頻的85%，因此變頻調(diào)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(diào)速與液耦調(diào)速的功耗對照表html> age:AR-SA'>高壓開關(guān)柜

由表中測量的數(shù)據(jù)得：變頻調(diào)速相比于液耦調(diào)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(diào)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(shè)備總體投資成本可在2年時間內(nèi)可全部收回。

5 高壓變頻器調(diào)速在使用中應(yīng)注意的一些技術(shù)問題

高壓變頻調(diào)速技術(shù)在除塵風機中應(yīng)用，不僅能提高經(jīng)濟效益，而且能產(chǎn)生很大的社會效益，促進企業(yè)的技術(shù)進步。但在技術(shù)上，要根據(jù)不同的生產(chǎn)設(shè)備，選擇相應(yīng)特性的變頻器，如在對除塵風機進行變頻調(diào)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(shù)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(diào)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(chǎn)過程中，采用手工切換如能滿足設(shè)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(zhuǎn)速以及采取相應(yīng)的技術(shù)措施（如設(shè)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(diào)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(zhuǎn)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(shè)計中必須注意，如高壓變頻器的高壓開關(guān)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(gòu)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(shè)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(nèi)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(yīng)考慮配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備。同時，室內(nèi)不應(yīng)有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導(dǎo)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(shè)備安全。為防止信號干擾，控制系統(tǒng)最好埋設(shè)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(diào)試前必須根據(jù)負載特點，將所有參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)速過程中，減速過程中，都要認真觀察，如果第一次設(shè)定的參數(shù)不是十分理想時，應(yīng)逐步接近。

6 結(jié)束語

此次北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在3#LF電爐增壓風機的實踐應(yīng)用表明，電機在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)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(yīng)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(diào)速技術(shù)在電爐除塵風機中的使用對其它用電量大的設(shè)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。