随着市场竞争的不断加剧，节能降耗成为企业提高产品市场占有率、竞争力的有效手段之一。而高压大功率变频调速技术的日益成熟，使得该项技术广泛应用于冶金、石油、化工、电力等各个行业。济钢集团公司第三炼钢厂10台除尘风机控制系统目前采用的是直接启动和液力耦合器调速系统，调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命的降低。在这种形势下，济钢第三炼钢厂决定对除尘系统进行高压变频技术改造，经多方考察研究，首先选用广州智光公司生产的高压变频调速系统对1#精炼除尘风机进行调速节能改造。
2 1#精炼除尘风机设备概况
济钢三炼钢厂1#精炼除尘风机电机为湘潭电机厂生产的1250kW高压异步电机，机组的主要参数如下:
（1）精炼除尘电机参数
型号：YKK630-6;
功率：1250kW;
电压：10kV;
电流：87.1A;
转速：995r/min;
频率：50Hz；
接法：Y;
防护等级：IP54;
冷却方式：IC611;
绝缘等级：F；
厂家：湘潭电机厂。
（2）精炼除尘风机工艺参数
型号：Y5-2 48-14NO2LF；
形式：双吸入离心式；
布置方式:进气135°/出气0°;
支撑方式:双支撑；
处理量：3.7×105m3/h；
全压：6100Pa（70℃）；
转速：980r/min；
轴功率：934.7kW（20℃）；
厂家：南通金通风机有限公司。
3 高压变频器节能效益分析和产品应用
3.1 应用高压变频器节能效益分析
根据风机、泵类平方转矩负载关系式:P/P0=（n/n0）3计算,（式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率）,1#精炼除尘风机P=1250kW,运行工况以24h连续运行计算，其中每天18h运行在90%负荷（频率按46Hz计算），6h运行在50%负荷（频率按25Hz计算）；全年运行时间按照300天计算,则高压变频调速时每年节电量为Wb:
高速运行时节电量：Wb1 =1250×18×[1-（46/50）3]×300 =1493375kW·h
低速运行时节电量：Wb2 =1250×6×[1-（25/50）3] ×300 =1968750 kW·h
所以高压变频器调速总的节电量为:Wb =Wb1+Wb2 =1493375+1968750 =3462125kW·h
若按0.5元/ kW·h进行计算，则1#精炼除尘风机采用高压变频调速后每年节约电费：3462125×0.95×0.5=164万元。
3.2 目前高压变频器产品应用分析
近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高—低—高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器，在交—直—交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型和电流源型。下面将对目前使用较为广泛的几种高压变频器进行分析，指出各自的优缺点。
电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。而且变频器的性能与电机的参数有关，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。AB公司Power Flex 7000系列采用耐压值为6.5kV的SGCT功率管，最高电压也仅做到6.6kV。
电压源型变频器由于输出侧的dv/dt比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，最高电压只能做到4160V。
单元串联多电平PWM电压源型变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。单元串联多电平变频器的输出电压可以达到10kV，甚至更高。
比较以上三种类型高压变频器，由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年来发展迅速，在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，几乎形成垄断的态势。在济钢第三炼钢厂1#精炼除尘高压电机为电压等级为10kV的普通笼型异步电动机，单元串联多电平电压源型变频器是最合适的选择。
单元串联多电平电压源型变频器由西门子罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。由于罗宾康公司的专利申请仅在美国，在我国该技术属于公知技术，北京利德华福生产的高压变频器也是采用这种结构。除了上述两家外，国内外有山东新风光、上海艾帕、合康亿盛、湖北三环、广州智光等许多厂家生产该类型变频器。济钢经多方考察、比较、招标，选用了广州智光公司生产的高压变频调速系统。
4 广州智光ZINVERT高压变频调速系统的特点
广州智光ZINVERT系列高压变频调速系统是集当代最先进高压大功率电力电子控制技术、微电子技术、光电通讯技术、计算机技术、自动化控制技术和高电压技术等为一体的高新技术产品，为直接高压输出型高压变频器，其采用功率单元串联技术，解决了器件耐压的问题，级间SPWM信号移相叠加，提高了输出电压谐波性能、降低了输出电压的dv/dt;通过电流多重化技术降低了输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染；主控制器采用双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA）为核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成系统控制部分。
4.1 智光ZINVERT高压变频系统组成与原理
ZINVERT系列高压变频调速系统整体结构上由整流变压器、功率逆变柜及控制柜组成，实际使用时还可以按照用户要求配套手动或自动工频旁路切换柜。
4.1.1 整流变压器
整流变压器副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，保证系统工作再在20%负载以上时电网侧的功率因数保持在0.96以上。输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。以6kV变频器为例，变压器的15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组。互差12°，形成30脉波二极管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波。总的谐波电流失真可低于1％。
4.1.2 功率单元电气原理
功率单元主要由三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通信等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。其电气原理如图1所示。
4.1.3 功率单元的串联
ZINVERT系列高压变频调速系统是由多个功率单元经过移相串联而成。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，以图2所示的6kV每相六单元串联为例，每个单元输出交流电压有效值为577V，相电压即达到3450V，线电压则为6kV，输出相电压谐波量很小，接近于标准正弦波。
4.2 智光ZINVERT高压变频控制系统
ZINVERT系列高压变频调速系统的控制采用开环、压频比控制，结构简单、工作可靠，主控制部分以双数字信号处理器（DSP）为控制核心，辅以超大规模集成电路可编程逻辑器件（CPLD和FPGA）、模拟输入和模拟输出（AI/O）单元、数字量输出接口（DI/O）。人机界面由大屏幕汉化液晶显示器（LCD）、数码管显示（LED）和触摸按键组成。单元的控制部分以可编程器件（CPLD）为核心，配置专用的IGBT驱动和保护模块与输入电压、输出电流、直流电压、器件温度检测回路。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效地避免了电磁干扰，保证了系统控制信号传输的可靠性。
4.2.1 控制策略
ZINVERT系列高压变频调速系统采用输出压频比控制方式，根据异步电动机的稳态数学模型，只要保证电动机反电动势和定子频率比值恒定，就可以使电机运行在额定磁通的情况下，达到效率最优点。同时，在忽略定子电阻和漏感的情况下，电机的反电动势等于定子端电压。由于反电动势难以直接控制，所以在近似的情况下，采取保证电机端电压和定子频率比值恒定的策略。ZINVERT系列高压变频调速系统在恒压频比控制的基础上，提供两种类型V/F曲线，两种基本的V/F曲线如图3所示。由用户根据现场情况设置功能参数，选择合适的V/F曲线，以补偿定子电压，并根据负载类型选择效率更优的曲线。系统专门设计的单元直流母线检测回路，能够实时提供各个单元的直流母线电压值，及时修正调制系数，进一步提高系统的控制性能。对于风机类负载，这种控制方式提供了足够高的精度，若采用PID控制频率，则完全满足工艺现场对流量、压力的要求。
4.2.2 掉电再启动
用户的高压动力电源由于母线切换、电网故障等引起的电压瞬时失电情况是可能出现的。ZINVERT系列高压变频调速系统专门设计了掉电再启动功能，可设置最长等待时间为30s。在电压恢复正常后，系统可以在0.1～1s内自行再启动高速旋转的电机，启动电流平滑无冲击，保证用户负载的持续稳定运行。对于不同的应用场合，用户根据自身电网合理设置可能最长的等待掉电恢复时间。
4.2.3 工频旁路功能
当变频调速系统发生故障停机或对变频调速系统检修时，采用工频旁路运行方式可提高用户负载的设备利用率，保证用户生产连续运行的要求，根据用户不同需要，具有手动工频旁路与自动工频旁路两种方式可选。
4.2.4 单元旁路功能
ZINVERT系列高压变频调速系统的每一个功率单元箱均附带旁路功能，当某一个功率单元出现故障时，通过控制旁路机构使输出端子短路可将此单元旁路，从而退出运行状态。变频器可降额运行，由此可避免很多场合下停机造成的损失。功率单元旁路技术大大提高了单元串联多电平变频器的可靠性，在很大程度上弥补了元器件个数多导致可靠性降低的问题。
5 1#精炼除尘风机高压变频器控制系统
5.1 高压变频器的选择
在1#精炼所使用的高压电机为电压等级为10kV的普通笼型异步电动机，所以选择的高压变频器是ZINVERT系列10kV的高压变频器，型号为ZINVERT-A9H 1500/10YA10，其技术参数如附表所示。
5.2 控制系统方案
为保证在变频调速系统发生故障停机或对变频调速系统检修时，保证设备连续运行，系统控制方案选择的是自动工频旁路方式，其控制原理如图4所示。
图中符号意义如下：
KM:为变频器供电用的高压真空断路器；
KJ1、KJ2、KJ3：真空接触器；
BPQ:ZINVERT-A9H 1500/10YA10变频器;
DJ:1250kW/10kV异步电动机。
变频调速系统发生故障停机或对变频调速系统检修时，可以自动断开KJ1、KJ2，闭合KJ3。这样，系统能够自动转入工频电网中，负载不用停机，满足现场不能停机的要求。
6 结束语
济钢三炼钢厂1#精炼除尘风机高压变频系统自06年改造以来，系统性能稳定，运行可靠。高压变频系统既可满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，又大幅度节约能源，降低了生产成本。高压变频器在济钢三炼钢1#精炼除尘系统的成功应用，不仅对于济钢三炼钢厂下一步除尘系统高压变频器改造是一个很好的借鉴，而且对于其它炼钢厂的高压除尘系统改造也是一个很好的借鉴。
