1 引言
大冶特殊鋼集團第四煉鋼廠的7#煉鋼爐為60噸國產交流電弧爐，采用布袋除塵方式，其除塵風機及電機的銘牌參數如下：
電機 離心引風機
型號：Y6304-8 型號：Y4-73No311/2F
額定功率：1600 kW 額定壓力：570 - 375 mmH2O
額定電流：192.3 A 額定流量：470000 - 874000 m3/h
額定電壓：6 kV 軸 功 率：954 - 1185 kW
額定轉速：744 rpm 額定轉速：730 rpm
型號：Y6304-8 型號：Y4-73No311/2F
額定功率：1600 kW 額定壓力：570 - 375 mmH2O
額定電流：192.3 A 額定流量：470000 - 874000 m3/h
額定電壓：6 kV 軸 功 率：954 - 1185 kW
額定轉速：744 rpm 額定轉速：730 rpm
正常情況下，電爐每70分鐘生產一爐鋼，為一個生產周期，每個周期共分為7個步驟：1、加料，3分鐘；2、加鐵水，3分鐘；3、供電，21分鐘；4、供電供氧，30分鐘；5、采樣，5分鐘；6、出鋼，5分鐘；7、堵眼，3分鐘。在每個步驟中，電爐產生的煙氣量不同，對爐子的溫度要求也不一樣，因此需要調節除塵風機的風量，以滿足生產工藝的要求。若風量過大，損失爐內熱量，延長生產周期，浪費能源；風量小，則導致爐內溫度過高，可能燒毀設備。
原工頻運行時，通過調節進風口導流葉片調節風量，電機通過電抗器降壓完成工頻啟動。工頻啟動特別困難，且對電網沖擊較大，并造成電機籠條松動、有斷條的危險。一般啟動后不允許停機，電機始終滿負荷運行，電耗驚人。基于上述原因，四煉鋼決定對7#煉鋼爐除塵風機進行變頻改造。
變頻調速的優越性已在通用變頻器中得到充分體現，近兩年來，國產高壓變頻器業已成熟，取得了國內眾多行業的認可，并逐步在生產中推廣應用。四煉鋼廠變頻改造項目部就此項目考察了幾家高壓變頻器生產廠商及其運行現場，最后通過招標選擇了在質量、價格及服務上有一定綜合優勢的武漢合康電氣有限公司。
原工頻運行時，通過調節進風口導流葉片調節風量，電機通過電抗器降壓完成工頻啟動。工頻啟動特別困難，且對電網沖擊較大，并造成電機籠條松動、有斷條的危險。一般啟動后不允許停機，電機始終滿負荷運行，電耗驚人。基于上述原因，四煉鋼決定對7#煉鋼爐除塵風機進行變頻改造。
變頻調速的優越性已在通用變頻器中得到充分體現，近兩年來，國產高壓變頻器業已成熟，取得了國內眾多行業的認可，并逐步在生產中推廣應用。四煉鋼廠變頻改造項目部就此項目考察了幾家高壓變頻器生產廠商及其運行現場，最后通過招標選擇了在質量、價格及服務上有一定綜合優勢的武漢合康電氣有限公司。
2 變頻器選型及特性
變頻器容量選擇的一般原則是，額定輸出電流不小于電機的額定電流。當然，還要考慮實際應用工況，如負載性質及實際功率，恒轉矩負載時容量應適當選大一些，而有些負載容量可以選小一些，比如葉輪切削后的水泵軸功率減小、鍋爐引風機所配的電機至少留有30%的余量等，這時建議根據實際功率選配變頻器，降低投資費用；環境溫度超過40℃時，變頻器需降容使用；海拔高度超過1000米時,每升高100米,要求變頻器降容1%使用。
電機額定電流192.3A，為了滿足50Hz時滿負荷運行要求，選用選用適合驅動高壓異步電動機的HIVERT-Y06/220高壓變頻器，額定輸出電流220A，其主要性能指標如下：
● 額定容量： 1250kVA
● 適配電機功率： 1800kW
● 額定電流： 220A
● 額定輸入電壓： 6kV（-20%～+15%）
● 輸入功率因數： 大于0.96（額定負載時）
● 效率： 大于96%（額定負載時）
● 防護等級： IP30
運行參數自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能、PID功能等。
HIVERT變頻器采用功率單元串聯疊波技術，每相5單元串聯，所有單元都是完全相同的一個三相輸入、單相輸出的交—直—交變頻器，原理見圖1，其優點是：
變頻器容量選擇的一般原則是，額定輸出電流不小于電機的額定電流。當然，還要考慮實際應用工況，如負載性質及實際功率，恒轉矩負載時容量應適當選大一些，而有些負載容量可以選小一些，比如葉輪切削后的水泵軸功率減小、鍋爐引風機所配的電機至少留有30%的余量等，這時建議根據實際功率選配變頻器，降低投資費用；環境溫度超過40℃時，變頻器需降容使用；海拔高度超過1000米時,每升高100米,要求變頻器降容1%使用。
電機額定電流192.3A，為了滿足50Hz時滿負荷運行要求，選用選用適合驅動高壓異步電動機的HIVERT-Y06/220高壓變頻器，額定輸出電流220A，其主要性能指標如下：
● 額定容量： 1250kVA
● 適配電機功率： 1800kW
● 額定電流： 220A
● 額定輸入電壓： 6kV（-20%～+15%）
● 輸入功率因數： 大于0.96（額定負載時）
● 效率： 大于96%（額定負載時）
● 防護等級： IP30
運行參數自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能、PID功能等。
HIVERT變頻器采用功率單元串聯疊波技術，每相5單元串聯，所有單元都是完全相同的一個三相輸入、單相輸出的交—直—交變頻器，原理見圖1，其優點是：
考慮到變頻器退出運行后，為了不影響生產，確保除塵系統正常工作，系統需配置工頻旁路，當變頻器出現故障時，將電機投切到工頻下運行。
圖3旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用一個雙投隔離開關，實現自然機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機運行在變頻狀態；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，旁路柜隔離開關未合到位時，不允許DL合閘，DL合閘時，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
系統中保留了原有啟動電抗器CK，同時保留原有對電機的保護及其整定，以確保電機工頻旁路時的啟動性能，及實現工頻旁路時對電機的保護和變頻運行時對變頻器的保護。
變頻器大約有4%的損耗，以熱量的方式通過柜頂離心風機帶到變頻器外，為了防止室內環境溫度超過40℃，采取了兩個措施：
● 墻體上安了裝兩臺APB-60E工業排氣扇，加強與室外空氣交換；
● 室內安裝了兩臺5P工業空調，夏天室外環境溫度超過40℃時，以制冷方式確保室內環境溫度。
4 控制方案
在煉鋼周期的7個步驟中，對風量的要求不一樣，需要電機運行在不同的速度，其中第1、2、5、6、7步低速運行，第3、4步高速運行。變頻器設置六檔速度，分別為額定速度的40%、50%、60%、70%、90%和100%，操作按鈕裝設在爐前的控制室內，可根據煉鋼爐的實際工況選擇速度，并將運行速度檔反饋到按鈕指示燈上。
除塵系統的監控在距離變頻器安裝現場約80米外的操作室內，變頻器通過RS485接口與操作室內上位工控機聯接，雙方采用MODBUS通訊規約。操作室內的工控機可以實現對變頻器的啟動、停機、復位和高壓分斷等控制（選擇上位控制允許時有效），設置變頻器各項參數設置（選擇上位參數設置允許時有效），調節變頻器給定頻率（選擇上位給定允許時有效），并實時監視變頻器的運行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統。
在保護方面，變頻器有兩對接點與高壓開關柜相連，一對接點是“合閘允許”，串聯于DL的合閘回路中，當處于變頻投入狀態，而變頻器無控制電源或故障狀態時，高壓無法合閘。一對接點是“高壓分斷”，并聯于DL分閘回路，當變頻器在運行過程中出現故障或拍下高壓分斷自鎖按鈕時，分斷變頻器的高壓輸入電源。
在煉鋼周期的7個步驟中，對風量的要求不一樣，需要電機運行在不同的速度，其中第1、2、5、6、7步低速運行，第3、4步高速運行。變頻器設置六檔速度，分別為額定速度的40%、50%、60%、70%、90%和100%，操作按鈕裝設在爐前的控制室內，可根據煉鋼爐的實際工況選擇速度，并將運行速度檔反饋到按鈕指示燈上。
除塵系統的監控在距離變頻器安裝現場約80米外的操作室內，變頻器通過RS485接口與操作室內上位工控機聯接，雙方采用MODBUS通訊規約。操作室內的工控機可以實現對變頻器的啟動、停機、復位和高壓分斷等控制（選擇上位控制允許時有效），設置變頻器各項參數設置（選擇上位參數設置允許時有效），調節變頻器給定頻率（選擇上位給定允許時有效），并實時監視變頻器的運行工況。變頻器輸出頻率和輸出電流，以4-20mA方式反饋到DCS系統。
在保護方面，變頻器有兩對接點與高壓開關柜相連，一對接點是“合閘允許”，串聯于DL的合閘回路中，當處于變頻投入狀態，而變頻器無控制電源或故障狀態時，高壓無法合閘。一對接點是“高壓分斷”，并聯于DL分閘回路，當變頻器在運行過程中出現故障或拍下高壓分斷自鎖按鈕時，分斷變頻器的高壓輸入電源。
5 變頻效果
變頻器2月18日運抵安裝現場，并于次日安裝到位。2月23日7#爐檢修停機，完成變頻器主電路接線和與高壓開關柜聯鎖接線，于下午6：30變頻器一次投運成功。
理論上，風機的風量Q與轉速成正比，風壓H與轉速的平方成正比，軸功率P與轉速的立方成正比。隨著轉速的降低，風機在維持效率不變（風阻不變為前提）的狀態下，軸功率以轉速的立方關系下降，電機消耗的電能急劇減小；而采用進口導流葉片調節時，風量下降導致風機效率降低和風壓的升高，運行工況偏離額定工況越遠效率越低，因此，風量雖然下降了，風機軸功率及電機消耗的電能變化并不大，這就是風機變頻調速的節能依據。
變頻器2月18日運抵安裝現場，并于次日安裝到位。2月23日7#爐檢修停機，完成變頻器主電路接線和與高壓開關柜聯鎖接線，于下午6：30變頻器一次投運成功。
理論上，風機的風量Q與轉速成正比，風壓H與轉速的平方成正比，軸功率P與轉速的立方成正比。隨著轉速的降低，風機在維持效率不變（風阻不變為前提）的狀態下，軸功率以轉速的立方關系下降，電機消耗的電能急劇減小；而采用進口導流葉片調節時，風量下降導致風機效率降低和風壓的升高，運行工況偏離額定工況越遠效率越低，因此，風量雖然下降了，風機軸功率及電機消耗的電能變化并不大，這就是風機變頻調速的節能依據。
該風機在變頻改造前，工頻運行電流基本保持在165-170A，消耗功率約為1530kW，變頻改造后，實測運行參數見表1。
運行頻率(Hz) 輸入電流(A) 輸出電流(A) 輸入電壓(V) 輸入功率(kW) 運行時間(Min)
20 13.2 72.8 6338 128 15
25 23.5 78.5 6334 247 15
30 35.2 86.6 6500 388 10
35 57.3 101.3 6241 605 15
45 122.6 150.6 6157 1263 10
50 148.4 166.6 6360 1585 5
20 13.2 72.8 6338 128 15
25 23.5 78.5 6334 247 15
30 35.2 86.6 6500 388 10
35 57.3 101.3 6241 605 15
45 122.6 150.6 6157 1263 10
50 148.4 166.6 6360 1585 5
變頻運行時，一個周期內的平均運行功率為650kW，與工頻運行相比，平均節約功率880 kW，一天節電量：
880×24 = 21120 度/天
按電價0.46元/度計算，一天節約電費：
21120 × 0.46 = 9700 元/天
除上述實實在在的電費節省外，變頻運行還帶來下列軟性效益：
● 實現電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網的沖擊；
● 調節簡便，快捷；
● 易于實現智能控制，下一步準備改造成爐溫、煙氣閉環控制；
● 減小電爐熱量損失，節約能源；
● 降低風機噪音，改善環境；
● 降低風壓，延長風道及風機使用壽命等。
880×24 = 21120 度/天
按電價0.46元/度計算，一天節約電費：
21120 × 0.46 = 9700 元/天
除上述實實在在的電費節省外，變頻運行還帶來下列軟性效益：
● 實現電機軟啟動，延長電機使用壽命，減小啟動電流對電網的沖擊；
● 調節簡便，快捷；
● 易于實現智能控制，下一步準備改造成爐溫、煙氣閉環控制；
● 減小電爐熱量損失，節約能源；
● 降低風機噪音，改善環境；
● 降低風壓，延長風道及風機使用壽命等。
● 吸收低壓變頻器成熟的控制技術和通用功率器件，可靠性高；
● 輸入側30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波的產生。變頻器引起的電網諧波含量滿足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器；輸入功率因數高；
● 單元串聯脈寬調制疊波輸出，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，無需輸出濾波裝置，可以驅動普通高壓電動機，保護電機絕緣不受dv/dt應力的損害；
● 采用全中文WINNT操作平臺，12英寸真彩LCD顯示，液晶屏直接操作，更適合國人使用習慣；
● 輸入電壓范圍寬廣，更適合國內電網條件；
● 功率單元模塊化結構，可以互換，維護簡單；
● 隔離RS485接口，采用MODBUS通訊規約，可以和單獨的上位機或大系統中的DCS聯接，實現智能化控制；
● 控制電源采用220VAC和高壓電源雙路供電，運行過程中220VAC掉電時，不影響變頻器正常工作；
● 直接高-高結構，體積小，效率高；
● 功率單元自動旁路功能，進一步提高了運行的可靠性；
● 輸入側30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波的產生。變頻器引起的電網諧波含量滿足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》對諧波含量的最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器；輸入功率因數高；
● 單元串聯脈寬調制疊波輸出，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，無需輸出濾波裝置，可以驅動普通高壓電動機，保護電機絕緣不受dv/dt應力的損害；
● 采用全中文WINNT操作平臺，12英寸真彩LCD顯示，液晶屏直接操作，更適合國人使用習慣；
● 輸入電壓范圍寬廣，更適合國內電網條件；
● 功率單元模塊化結構，可以互換，維護簡單；
● 隔離RS485接口，采用MODBUS通訊規約，可以和單獨的上位機或大系統中的DCS聯接，實現智能化控制；
● 控制電源采用220VAC和高壓電源雙路供電，運行過程中220VAC掉電時，不影響變頻器正常工作；
● 直接高-高結構，體積小，效率高；
● 功率單元自動旁路功能，進一步提高了運行的可靠性；