堵三岭

（1.河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000；2.河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067000）

我国是能源生产和消费大国，按照十二五的发展规划，节能减排、实现可持续发展是国民经济发展的长远战略方针。

冶金企业作为我国经济命脉的支撑点之一，其造成的环境污染和能量损耗是不可忽视的。为了降低环境污染，减少电能的浪费，能够提高电能的利用效率，高压变频技术随着国家倡导的节能低碳政策的深化而得到了长远的发展，此技术的成熟具有很大的节能潜力，在市场中的发展前景也非常广阔。

对于冶金企业来说，对大容量的炼钢除尘风机、冷轧氢气加压机、锅炉给水泵以及起重设备、热轧、冷轧设备等进行高压变频改造是生产节能的重要方式[1]。本文设计一种高压变频器在冶金企业生产中的节能技术，期望能够为冶金企业节能减排，节约成本。

1 高压变频器在冶金企业节能技术使用探析

1.1 建立高压变频节能技术的拓扑结构

高压变频器以级联式多电平结构为基础，将输入的三相高压交流电转换为低压后输入到功率单元模块，提高电流谐波性能。在输出方式中，采用了SPMW载波移相方式，通过降低dv/dt来提高输出的谐波的性能。在10KV高压变频器的拓扑结构中，三相交流电源通过移相变压器后，由功率单元叠加生成高压再接到10KV电机中，功率单元叠加的数量越多，电源的输出等级越高。功率单元通过光纤接收信号，其控制模块Q1-Q4导通或关断后，会输出单相脉宽调制波形。在10KV的变频器中，通过内置的主控系统控制功率单元的可控硅开度，每相串联的单元数为8个，单元的额定电压为690V，输出相电压为5520V，输出线电压约为10KV。高压变频器满载时降容率为20%，横转矩负载频率低于40Hz，风机水泵类负载频率低于46.5Hz时，通过控制高压变频器的输出频率来控制电机的电压，达到控制电机转速的目的。每个功率单元都会有三种输出电压状态，经过二重化载波移相SPWM调制，输出1、0、-1三种状态电平，控制模块也会有三种不同的搭配类型，分别为Q1Q4导通、Q2Q3导通、Q1Q2导通或Q3Q4导通。

其中的移相变压器原边为Y型接线，与高压电源相连后，其具有的干式结构能够实现自动强迫风冷。输出电压决定了副边绕组的数量，本文10KV电机配备24个二次绕组，移相角度为60°除以每相单元数量的值为7.5°。每个功率单元模块输出一个单相的交流电源，本文使用的是8级串联，将功率单元模块在频率50HZ时输出额定690V的交流电源，每8个叠加组成一相位5520V，相对应的线电压约为10KV。

1.2 确定变频的控制方式

高压变频器不仅可以通过调节速度实现节能，还可以提高电机功率因数达到节能的目的。由于设备在运行的过程当中，为了使电机产生额定的转矩和速度，会出现一部分无功功率，不仅造成线损和设备发热，还会降低设备有功功率，使电能的使用效率低下[2]。

因此提高电机的功率因数可以降低无功功率的损耗，进一步提高电能的利用率。冶金企业使用的普通电机中，功率因数一般在0.7～0.85之间，使用变频调速装置后，使用直接转矩控制，将电机与逆变器整合，采用空间电压矢量分析方法计算磁通和转矩，并利用电动机的瞬时输入电压完成电动机定子磁链瞬时转速的控制，改变转子的平均转差率，完成电动机直接输出的控制。对一个带整流桥的SPWM变频器而言，通过它的开关状态直接控制转矩，由于变频器内部滤波电容的作用，改变瞬时输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度，而输出则会产生一个电感的功率因数，改变它对转子的瞬时转差率，从而达到提高功率因数的目的。

1.3 设计变频运行的保护措施

为了保证变频节能技术在运行过程中的安全性，要对高压变频器设置过电压、过电流、短路保护等措施。高压变频器功率大，结构复杂，在长期运行过程中会受到谐波、内部元件等因素的干扰，影响其稳定运行。出现故障会导致设备停运，甚至出现短路着火等事故，为企业带来经济损失，造成恶劣的社会影响。

因此在高压变频运行过程中，保护类型主要分为轻故障保护和重故障保护。触发轻故障保护时会发送警告信息，设备可以正常运行；当触发重故障保护时，设备会自动切断高压电源并启动声光报警。在保护配置中，采用移相变压器温控仪进行过热保护，采用功率单元柜测温点进行超温跳闸保护。此外还有柜门联锁保护、光纤通讯故障保护、输入过流保护以及单相接地故障保护等。因此在工频运行状态下，首先要启动判别保护分析，然后触发电流速断保护分析，根据实际情况，选择反时限保护和堵转反时限保护，并根据跳闸的动作原理和原因进行检查，确定故障范围，保证应用了高压变频节能技术的设备在出现故障时，能够可靠动作、及时报警并切除故障点。至此完成高压变频器在冶金企业节能技术的研究。

2 高压变频节能效益分析

为了验证本文设计的高压变频器节能技术具有一定的有效性，选择某冶金企业的大型设备进行实验。测试某设备在改变负荷的情况下连续作业，每个负荷状态的持续运行时间设置为2小时。首先在设备上加载负荷，等到设备平稳运行后开始计时，记录2小时内不采用节能技术下的电机转速与功率的平均值；然后搭载高压变频节能技术，记录2小时内的电机转速与功率。对比记录的采用节能技术前后的电机转速与功率数据，并进行总结和分析。下表为使用高压变频器节能技术前后的设备运行参数：

表1 设备使用高压变频器节能前后运行参数比较

在高压变频器投入使用后，企业生产运行稳定，从上表的技术数据可以看出，随着负荷的减少，使用了节能技术后，电机的转速也随之减少，电机功率有明显的下降，节能效果非常明显，说明设计的节能技术具有一定的实践应用性。

3 结语

冶金企业在国民经济中的地位非常重要，且规模大，生产过程高度自动化，生产模式也是高效、连续的。但是冶金车间环境恶劣，且需要不间断运行。为了响应国家节能、低碳生产政策导向，对高压变频节能技术嫁接在冶金企业是必然的，也是重要的举措。本文通过分析高压变频器的节能原理，确定了节能技术的在冶金企业中的可行性和经济性。但是就目前的形势来说，冶金企业在风机、水泵中应用到高压变频技术实现节能的情况比较多，轧机设备还有待于进一步的发展，因此高压变频节能技术在冶金行业中的应用前景非常广阔。