1 引言
大冶特殊钢集团第四炼钢厂的7#炼钢炉为60吨国产交流电弧炉，采用布袋除尘方式，其除尘风机及电机的铭牌参数如下：
电机 离心引风机
型号：Y6304-8 型号：Y4-73No311/2F
额定功率：1600 kW 额定压力：570 - 375 mmH2O
额定电流：192.3 A 额定流量：470000 - 874000 m3/h
额定电压：6 kV 轴 功 率：954 - 1185 kW
额定转速：744 rpm 额定转速：730 rpm
型号：Y6304-8 型号：Y4-73No311/2F
额定功率：1600 kW 额定压力：570 - 375 mmH2O
额定电流：192.3 A 额定流量：470000 - 874000 m3/h
额定电压：6 kV 轴 功 率：954 - 1185 kW
额定转速：744 rpm 额定转速：730 rpm
正常情况下，电炉每70分钟生产一炉钢，为一个生产周期，每个周期共分为7个步骤：1、加料，3分钟；2、加铁水，3分钟；3、供电，21分钟；4、供电供氧，30分钟；5、采样，5分钟；6、出钢，5分钟；7、堵眼，3分钟。在每个步骤中，电炉产生的烟气量不同，对炉子的温度要求也不一样，因此需要调节除尘风机的风量，以满足生产工艺的要求。若风量过大，损失炉内热量，延长生产周期，浪费能源；风量小，则导致炉内温度过高，可能烧毁设备。
原工频运行时，通过调节进风口导流叶片调节风量，电机通过电抗器降压完成工频启动。工频启动特别困难，且对电网冲击较大，并造成电机笼条松动、有断条的危险。一般启动后不允许停机，电机始终满负荷运行，电耗惊人。基于上述原因，四炼钢决定对7#炼钢炉除尘风机进行变频改造。
变频调速的优越性已在通用变频器中得到充分体现，近两年来，国产高压变频器业已成熟，取得了国内众多行业的认可，并逐步在生产中推广应用。四炼钢厂变频改造项目部就此项目考察了几家高压变频器生产厂商及其运行现场，最后通过招标选择了在质量、价格及服务上有一定综合优势的武汉合康电气有限公司。
原工频运行时，通过调节进风口导流叶片调节风量，电机通过电抗器降压完成工频启动。工频启动特别困难，且对电网冲击较大，并造成电机笼条松动、有断条的危险。一般启动后不允许停机，电机始终满负荷运行，电耗惊人。基于上述原因，四炼钢决定对7#炼钢炉除尘风机进行变频改造。
变频调速的优越性已在通用变频器中得到充分体现，近两年来，国产高压变频器业已成熟，取得了国内众多行业的认可，并逐步在生产中推广应用。四炼钢厂变频改造项目部就此项目考察了几家高压变频器生产厂商及其运行现场，最后通过招标选择了在质量、价格及服务上有一定综合优势的武汉合康电气有限公司。
2 变频器选型及特性
变频器容量选择的一般原则是，额定输出电流不小于电机的额定电流。当然，还要考虑实际应用工况，如负载性质及实际功率，恒转矩负载时容量应适当选大一些，而有些负载容量可以选小一些，比如叶轮切削后的水泵轴功率减小、锅炉引风机所配的电机至少留有30%的余量等，这时建议根据实际功率选配变频器，降低投资费用；环境温度超过40℃时，变频器需降容使用；海拔高度超过1000米时,每升高100米,要求变频器降容1%使用。
电机额定电流192.3A，为了满足50Hz时满负荷运行要求，选用选用适合驱动高压异步电动机的HIVERT-Y06/220高压变频器，额定输出电流220A，其主要性能指标如下：
● 额定容量： 1250kVA
● 适配电机功率： 1800kW
● 额定电流： 220A
● 额定输入电压： 6kV（-20%～+15%）
● 输入功率因数： 大于0.96（额定负载时）
● 效率： 大于96%（额定负载时）
● 防护等级： IP30
运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能、单元旁路功能、PID功能等。
HIVERT变频器采用功率单元串联叠波技术，每相5单元串联，所有单元都是完全相同的一个三相输入、单相输出的交—直—交变频器，原理见图1，其优点是：
变频器容量选择的一般原则是，额定输出电流不小于电机的额定电流。当然，还要考虑实际应用工况，如负载性质及实际功率，恒转矩负载时容量应适当选大一些，而有些负载容量可以选小一些，比如叶轮切削后的水泵轴功率减小、锅炉引风机所配的电机至少留有30%的余量等，这时建议根据实际功率选配变频器，降低投资费用；环境温度超过40℃时，变频器需降容使用；海拔高度超过1000米时,每升高100米,要求变频器降容1%使用。
电机额定电流192.3A，为了满足50Hz时满负荷运行要求，选用选用适合驱动高压异步电动机的HIVERT-Y06/220高压变频器，额定输出电流220A，其主要性能指标如下：
● 额定容量： 1250kVA
● 适配电机功率： 1800kW
● 额定电流： 220A
● 额定输入电压： 6kV（-20%～+15%）
● 输入功率因数： 大于0.96（额定负载时）
● 效率： 大于96%（额定负载时）
● 防护等级： IP30
运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能、单元旁路功能、PID功能等。
HIVERT变频器采用功率单元串联叠波技术，每相5单元串联，所有单元都是完全相同的一个三相输入、单相输出的交—直—交变频器，原理见图1，其优点是：
运行频率(Hz) 输入电流(A) 输出电流(A) 输入电压(V) 输入功率(kW) 运行时间(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
变频运行时，一个周期内的平均运行功率为650kW，与工频运行相比，平均节约功率880 kW，一天节电量：
880×24 = 21120 度/天
按电价0.46元/度计算，一天节约电费：
21120 × 0.46 = 9700 元/天
除上述实实在在的电费节省外，变频运行还带来下列软性效益：
● 实现电机软启动，延长电机使用寿命，减小启动电流对电网的冲击；
● 调节简便，快捷；
● 易于实现智能控制，下一步准备改造成炉温、烟气闭环控制；
● 减小电炉热量损失，节约能源；
● 降低风机噪音，改善环境；
● 降低风压，延长风道及风机使用寿命等。
880×24 = 21120 度/天
按电价0.46元/度计算，一天节约电费：
21120 × 0.46 = 9700 元/天
除上述实实在在的电费节省外，变频运行还带来下列软性效益：
● 实现电机软启动，延长电机使用寿命，减小启动电流对电网的冲击；
● 调节简便，快捷；
● 易于实现智能控制，下一步准备改造成炉温、烟气闭环控制；
● 减小电炉热量损失，节约能源；
● 降低风机噪音，改善环境；
● 降低风压，延长风道及风机使用寿命等。
4 控制方案
在炼钢周期的7个步骤中，对风量的要求不一样，需要电机运行在不同的速度，其中第1、2、5、6、7步低速运行，第3、4步高速运行。变频器设置六档速度，分别为额定速度的40%、50%、60%、70%、90%和100%，操作按钮装设在炉前的控制室内，可根据炼钢炉的实际工况选择速度，并将运行速度档反馈到按钮指示灯上。
除尘系统的监控在距离变频器安装现场约80米外的操作室内，变频器通过RS485接口与操作室内上位工控机联接，双方采用MODBUS通讯规约。操作室内的工控机可以实现对变频器的启动、停机、复位和高压分断等控制（选择上位控制允许时有效），设置变频器各项参数设置（选择上位参数设置允许时有效），调节变频器给定频率（选择上位给定允许时有效），并实时监视变频器的运行工况。变频器输出频率和输出电流，以4-20mA方式反馈到DCS系统。
在保护方面，变频器有两对接点与高压开关柜相连，一对接点是“合闸允许”，串联于DL的合闸回路中，当处于变频投入状态，而变频器无控制电源或故障状态时，高压无法合闸。一对接点是“高压分断”，并联于DL分闸回路，当变频器在运行过程中出现故障或拍下高压分断自锁按钮时，分断变频器的高压输入电源。
在炼钢周期的7个步骤中，对风量的要求不一样，需要电机运行在不同的速度，其中第1、2、5、6、7步低速运行，第3、4步高速运行。变频器设置六档速度，分别为额定速度的40%、50%、60%、70%、90%和100%，操作按钮装设在炉前的控制室内，可根据炼钢炉的实际工况选择速度，并将运行速度档反馈到按钮指示灯上。
除尘系统的监控在距离变频器安装现场约80米外的操作室内，变频器通过RS485接口与操作室内上位工控机联接，双方采用MODBUS通讯规约。操作室内的工控机可以实现对变频器的启动、停机、复位和高压分断等控制（选择上位控制允许时有效），设置变频器各项参数设置（选择上位参数设置允许时有效），调节变频器给定频率（选择上位给定允许时有效），并实时监视变频器的运行工况。变频器输出频率和输出电流，以4-20mA方式反馈到DCS系统。
在保护方面，变频器有两对接点与高压开关柜相连，一对接点是“合闸允许”，串联于DL的合闸回路中，当处于变频投入状态，而变频器无控制电源或故障状态时，高压无法合闸。一对接点是“高压分断”，并联于DL分闸回路，当变频器在运行过程中出现故障或拍下高压分断自锁按钮时，分断变频器的高压输入电源。
5 变频效果
变频器2月18日运抵安装现场，并于次日安装到位。2月23日7#炉检修停机，完成变频器主电路接线和与高压开关柜联锁接线，于下午6：30变频器一次投运成功。
理论上，风机的风量Q与转速成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率P与转速的立方成正比。随着转速的降低，风机在维持效率不变（风阻不变为前提）的状态下，轴功率以转速的立方关系下降，电机消耗的电能急剧减小；而采用进口导流叶片调节时，风量下降导致风机效率降低和风压的升高，运行工况偏离额定工况越远效率越低，因此，风量虽然下降了，风机轴功率及电机消耗的电能变化并不大，这就是风机变频调速的节能依据。
变频器2月18日运抵安装现场，并于次日安装到位。2月23日7#炉检修停机，完成变频器主电路接线和与高压开关柜联锁接线，于下午6：30变频器一次投运成功。
理论上，风机的风量Q与转速成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率P与转速的立方成正比。随着转速的降低，风机在维持效率不变（风阻不变为前提）的状态下，轴功率以转速的立方关系下降，电机消耗的电能急剧减小；而采用进口导流叶片调节时，风量下降导致风机效率降低和风压的升高，运行工况偏离额定工况越远效率越低，因此，风量虽然下降了，风机轴功率及电机消耗的电能变化并不大，这就是风机变频调速的节能依据。
该风机在变频改造前，工频运行电流基本保持在165-170A，消耗功率约为1530kW，变频改造后，实测运行参数见表1。
3 系统方案
考虑到变频器退出运行后，为了不影响生产，确保除尘系统正常工作，系统需配置工频旁路，当变频器出现故障时，将电机投切到工频下运行。
图3旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用一个双投隔离开关，实现自然机械互锁。当K1、K2闭合，K3断开时，电机运行在变频状态；当K1、K2断开，K3闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许DL合闸，DL合闸时，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
系统中保留了原有启动电抗器CK，同时保留原有对电机的保护及其整定，以确保电机工频旁路时的启动性能，及实现工频旁路时对电机的保护和变频运行时对变频器的保护。
变频器大约有4%的损耗，以热量的方式通过柜顶离心风机带到变频器外，为了防止室内环境温度超过40℃，采取了两个措施：
● 墙体上安了装两台APB-60E工业排气扇，加强与室外空气交换；
● 室内安装了两台5P工业空调，夏天室外环境温度超过40℃时，以制冷方式确保室内环境温度。
考虑到变频器退出运行后，为了不影响生产，确保除尘系统正常工作，系统需配置工频旁路，当变频器出现故障时，将电机投切到工频下运行。
图3旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用一个双投隔离开关，实现自然机械互锁。当K1、K2闭合，K3断开时，电机运行在变频状态；当K1、K2断开，K3闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许DL合闸，DL合闸时，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
系统中保留了原有启动电抗器CK，同时保留原有对电机的保护及其整定，以确保电机工频旁路时的启动性能，及实现工频旁路时对电机的保护和变频运行时对变频器的保护。
变频器大约有4%的损耗，以热量的方式通过柜顶离心风机带到变频器外，为了防止室内环境温度超过40℃，采取了两个措施：
● 墙体上安了装两台APB-60E工业排气扇，加强与室外空气交换；
● 室内安装了两台5P工业空调，夏天室外环境温度超过40℃时，以制冷方式确保室内环境温度。
● 吸收低压变频器成熟的控制技术和通用功率器件，可靠性高；
● 输入侧30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波的产生。变频器引起的电网谐波含量满足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器；输入功率因数高；
● 单元串联脉宽调制叠波输出，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，无需输出滤波装置，可以驱动普通高压电动机，保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害；
● 采用全中文WINNT操作平台，12英寸真彩LCD显示，液晶屏直接操作，更适合国人使用习惯；
● 输入电压范围宽广，更适合国内电网条件；
● 功率单元模块化结构，可以互换，维护简单；
● 隔离RS485接口，采用MODBUS通讯规约，可以和单独的上位机或大系统中的DCS联接，实现智能化控制；
● 控制电源采用220VAC和高压电源双路供电，运行过程中220VAC掉电时，不影响变频器正常工作；
● 直接高-高结构，体积小，效率高；
● 功率单元自动旁路功能，进一步提高了运行的可靠性；
● 输入侧30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波的产生。变频器引起的电网谐波含量满足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器；输入功率因数高；
● 单元串联脉宽调制叠波输出，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，无需输出滤波装置，可以驱动普通高压电动机，保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害；
● 采用全中文WINNT操作平台，12英寸真彩LCD显示，液晶屏直接操作，更适合国人使用习惯；
● 输入电压范围宽广，更适合国内电网条件；
● 功率单元模块化结构，可以互换，维护简单；
● 隔离RS485接口，采用MODBUS通讯规约，可以和单独的上位机或大系统中的DCS联接，实现智能化控制；
● 控制电源采用220VAC和高压电源双路供电，运行过程中220VAC掉电时，不影响变频器正常工作；
● 直接高-高结构，体积小，效率高；
● 功率单元自动旁路功能，进一步提高了运行的可靠性；