1 引言
深圳市微能科技有限公司始终致力于变频器的技术创新和发展为己任，在过去的5年时间先后在低压变频器、高压变频器的大功率高性能的发展与应用方面作出了突出贡献，本文介绍的就是大容量高压变频器的原理与在钢铁工业中的应用情况。
2 我国钢铁行业现状
在国民经济发展强劲拉动下，我国钢铁工业进入快速发展阶段，这也带动了高炉炼铁产业的高速发展。我国炼铁产业的现状是集中度低，高炉座数多(约有900多座)，大于1000 m³以上高炉约有110座。
高风温是现代高炉的主要技术特征。提高风温是增加喷煤量、降低焦比、降低生产成本的主要技术措施。近几年，国内钢铁企业高炉的热风温度逐年升高了25℃，特别是新建设的一批大高炉（大于2000m3），热风温度均超过1200℃，达到了国际先进水平，如2002年后，首钢技术改造或新建高炉的热风温度均实现高于1200℃的目标。还有就是通过对风量、风压、鼓风湿度、富氧率、喷吹燃料 、风口面积和长度等参数的调节，来达到提高产量及高炉的利用系数目的，这就需要对送风制度进行更好的优化。因此对驱动高炉鼓风机的电机转速要满足调速范围宽度大，响应迅速的要求，显然通过传统的风门调节时无法实现的上述要求的。国产高压变频器的研发设计水平的提高和制造技术的成熟，使优化高炉鼓风机的送风制度成为了可能。
2.1 现代高炉炼铁工艺简介
炼铁过程实质上是将铁从自然状态矿石等含铁化合物中还原出来的过程。通常分为烧结和炼铁两段工序。烧结：就是把铁矿粉造块，为高炉提供精料的一种方法，是利用铁矿粉、熔剂、燃料及返矿按一定比例制成块状冶炼原料的一个过程；炼铁：炼铁过程主要目的就是从铁矿石中经济高效地得到温度和成分合乎要求的液态生铁。
2.2高炉鼓风机的工艺简介
高炉鼓风机是高炉炼铁过程中最重要的动力设备，它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多选用离心式鼓风机或轴流式鼓风机，近年来也有逐步使用大容量同步电动驱动鼓风机的趋势。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的稳定空气，以保证高炉燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关，一般按单位炉容2.1～2.5m3／min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例，因此一般采用入口风门、出口放风阀进行风量、风压控制，以防止风机的喘振。其工艺流程图如图1所示。
图1 鼓风机工艺流程图
高炉鼓风机由于风门的损耗，风机的效率低、电能损耗大，因此采用高压变频器改造的节能空间巨大。但是由于高炉鼓风机作为高炉生产的最关键设备，不仅电动机功率容量大，且需保证连续运行。如在高炉生产过程中鼓风机发生故障特别是在出铁水时，将造成灌渣事故，导致高炉堵炉、停产、焦比上升，造成巨大的经济损失，因此目前国内冶金行业生产厂家对高炉鼓风机进行高压变频改造的案例极少，主要原因是用户对目前高压变频器的运行可靠性存在疑虑。
深圳市微能科技有限公司积聚二十余年的变频器设计、生产经验，基于对电机控制理论的透彻了解，电力电子和微电子技术的纯熟掌握，微处理技术的融会贯通，独立开发了具有自主知识产权的超大容量高压变频器，率先打破了国产高压超大容量高压变频调速系统的设计、生产记录。微能公司研发技术人员与甲方生产工艺及技术人员一道，本着高度负责任的原则，实事求是，精诚合作，多次深入现场生产一线调查，获得了生产过程的详实数据。以保障用户安全生产为前提的指导思想，制订了双方认可的周到、全方位故障处理备份方案；微能公司的规模化的生产制造，严密的质量控制体系，大量稳定可靠的冶金行业运行业绩，获得了甲方的认可和信任，进一步坚定了用户的改造决心。用户决定对该厂的2＃炼铁高炉鼓风机进行了高压变频调速改造，以达到降低生产成本，改善生产工艺的目地。
3 微能WIN-HV系列高压变频调速系统技术介绍
3.1 WIN-HV系列高压变频调速系统原理与结构介绍
3.1.1 系统原理
如图2所示，WIN-HV系列高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。对于10kV系统，每相9单元串联（6kV系统每相6个单元串联），每个功率单元输出交流有效值Vo为640V，相电压为5760V，线电压为10000V。
图2 电压叠加形成高压输出原理
3.1.2 功率单元结构
如图3所示，功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，以及功率器件的驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，如图4所示的输出PWM电压波形。每个电流大小相同的功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。
图3 功率单元电路结构 图4 单元输出PWM波形
3.1.3 输入侧
WIN-HV系列高压变频调速系统在10kV电源侧采用多达54脉冲移相整流技术，电网侧谐波污染小，功率因数高，无需功率因数补偿及谐波抑制装置，对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。
3.1.4 输出侧
在输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，由于采用多重化的正弦脉宽调制SPWM技术，输出谐波非常小，可消除叶片与轴承的振动，无需谐波抑制装置可直接适配各种电机。
3.1.5 控制器
主控制部分采用专用DSP(数字信号处理器)加可编程逻辑器件为控制核心，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器由中文显示，具有频率、电流、电压、故障等显示。控制电源采用两路电源自动切换技术，保证供电的可靠性。另外，当控制电源掉电后，可由系统配备的UPS继续供电。
主控制部分和单元控制部分通过光纤进行信号传输，可有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。
3.2 WIN-HV系列高压变频调速系统功能
3.2.1 启动方式
WIN-HV系列高压变频调速系统具有正常启动和软起动两种启动方式：正常启动方式：调速系统按正常方式启动后，闭环或开环运行于设定值。
软启动方式：对于大功率电机，采用此调速系统对电机进行无冲击电流启动，启动完成后电机切换至工频电源，完成电机的软启动。
3.2.2 运行方式
闭环控制：检测回路获得被控制量的实际值，与设定值比较，得到偏差信号。偏差信号经过PID调节来控制电机转速，调节被控制量，使之与设定值一致。
开环控制：选择开环控制，频率控制信号由频率设定方式给定，输出按照负载特性设定的几种压频比曲线方式控制电机运行。
3.2.3 频率设定功能
运行频率设定方式包括：工控机LCD触摸屏数字设定、外部4～20mA、0～20mA或0～10V、0～5V模拟信号输入给定、开关量频率上升/下降给定、上位机给定多种给定方式，满足与现场DCS系统的所有信号类型的连接需求。
3.2.4 控制方式
本地控制：利用系统工控机触摸屏上的按钮实现就地控制。
远方控制：系统提供数字和RS-485通讯接口，由DCS或上位机实现控制。
3.2.5 参数设定功能
可以设定转矩提升、U/f加速曲线以适应不同的负载情况,可以设定多达2个共振频率躲避区域,可以按现场情况需要设定电机保护参数、输出量功能定义设置等。
3.2.6 故障报警与查询功能
具有故障报警和故障查询功能，提高故障排除效率，为用户维护提供方便。
3.2.7 运行状态记录与显示
WIN-HV系列高压变频调速系统具有自动记录运行状态和进行显示的功能，并对显示数据分类，方便日常维护。同时可通过串行通信与上位机连接，将运行状态信息上传到上位机，对记录数据进行分析、报表打印等。
3.2.8 旁路功能
工频旁路：当变频调速系统发生故障停机或对变频调速系统进行检修时，电动机直接切换到电网工频运行，以提高整个系统的适应能力，保证用户负荷的连续运行要求。
单元旁路：WIN-HV系列高压变频调速系统还设计有功率单元旁路功能。当某个单元发生过热、单元短路、单元充电等故障时，控制系统自动将该功率单元从系统切除，同时将另外两相的同电位的单元切除，保证系统在一定的带载能力下继续运行。
3.2.9 其他功能
联动控制：WIN-HV系列高压变频调速系统可以根据用户需要提供联动控制功能，控制生产流程中其他部件。
3.3 WIN-HV系列高压变频调速系统产品特点
WIN-HV系列高压变频调速系统适用于标准中高压（3kV，6kV，10kV）三相交流电动机，具有以下的特点：
3.3.1 适用中国电网，抗电压波动能力强
网侧电压在 85％额定值至115％额定值内不停机，保证电机持续运行。
3.3.2 软启动、无冲击电流
WIN-HV高压变频调速系统对电机进行软启动，具有线性和二次方曲线形式来控制电压－频率比，每种曲线形式有多条曲线供用户选择。起动时间由用户设定，内部设有加速过流限速功能，以确保电机启动的冲击电流，保证电机的安全运行。启动过程中自动搜索电机转速，不必保证电机停转，能够实现对电网和电动机无过流冲击的快速启动。
3.3.3 控制电源的隔离技术
在系统不接入高压电的情况下，就可进行整机调试。
4 高炉鼓风机改造方案
2#炼铁高炉（为内燃式热风炉）鼓风机采用定子串水阻启动，通过调整风机入口风门和出口放风管风门开度，实现对风量、风压进行调节。
4.1 2# 450m3高炉鼓风机及配套电机参数：
2# 450m3高炉鼓风机及配套电机参数如表1所示。
表1 电机、风机参数
电机参数（ 生产厂家：沈阳电机股份有限公司）
电机型号
Y1050-4
功率因素
0.9
额定功率
7100kW
接法
Y
额定电压
10000V
外壳防护
IP44
额定电流
472A
绝缘等级
F
额定频率
50Hz
定额类型
S1
额定转速
1494rpm/min
海拔
1000以下
变速器变比 1：3.563
风机参数(生产厂家：西安陕鼓动力股份有限公司)
进口风量
1900m3/min
轴功率
6235kW
进口压力
0.096MP
工作速度
5330 rpm/min
出口压力
0.35MP
进口温度
28℃
4.2高炉变频改造技术实施方案
由于鼓风机在炼铁过程中的重要性，在高压变频器检修或故障时，采用自动投切的方式，使鼓风机运行在工频状态，并且在变频器运行时，启动电流非常小，不会对电网造成影响，对设备检修非常方便。系统采用一拖一自动旁路装置，装置一次接线如图5所示。
图5 自动切换方式接线图
该方案在设计中考虑：
（1）刀闸K1、K2、K3、K4无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。在工频和变频运行状况下均处于闭合状态。
（2）工频旁路接触器J3与变频进线接触器J1、变频出线接触器J2具备电气闭锁功能，不能同时闭合。
（3）在变频运行状况下，J1、J2闭合，J3断开。如需自动切换至工频运行，此时先停止变频器输出，跳闸用户10kV开关柜，再由电气控制依次断开J2、J1，然后闭合J3使电机切换至工频侧，在合闸开关柜，使电机工频运行。
（4）在工频旁路运行状况下J3闭合，J2、J1断开。如需自动切换至变频运行，此时由电气线路控制先跳闸10kV开关柜，再断开J3，然后依次闭合J2、J1，再合闸开关柜，启动变频器，完成由工频旁路运行到变频运行的自动切换。
高炉鼓风机运行工况严格要求其24h连续运行，跳闸或停机会对整个生产甚至高炉本身都会造成比较严重的影响。深圳微能科技有限公司拥有自主研发的转速跟踪技术，为正在旋转的电机进行工/变频自由切换提供了可靠保证，提高了整个系统的可靠性。通个多次对高炉鼓风机工/变频模拟投切试验证明，改造所采取的自动旁路方案及故障的备份解决方案，是科学、安全可行的。
5 高炉改造前后技术经济数据和送风制度比较
5.1鼓风机节能改造后高炉技术经济数据得到了提升
2#高炉在建成后几年时间运行过程中，高炉利用系数一直在2.6左右徘徊，且高炉间生产不均衡，炉况很难长久稳定，经济技术指标上不去：生铁含[Si]在0.4%～0.6%，焦比在450kg/t, 喷煤130kg/t, 高炉煤气CO2含量在11%～14%，风温在900～1150℃。与表2的“全国重点钢铁企业高炉技术经济指标”数据相比，差距非常大。行业经验试验数据表明：生铁含[Si]每降低0.1%，可降低焦比4～5 kg/t ；CO2含量升高0.5%，炼铁燃料消耗可降低10kg/t。特别是在炉况不顺、平衡被破坏时，就很难恢复到原有的生产工艺水平，无法建立和形成一套
完善合理的送风操作制度。 表2 全国重点钢铁企业高炉技术经济指标
数据 时间
2008
2008
2006
2005
2004
产量：万t
39095.27
4699.63
41364.09
34473.20
25185.05
焦比：kg/t
398
392
397
412
427
煤比：kg/t
135
137
134
120
116
系数：t/m3.d
2.599
2.677
3.71
2.64
2.516
休风率：%
1.910
1.524
1.77
1.46
1.85
品位：%
53.76
57.71
58.10
58.08
58.21
风温：℃
1127
1125
1037
1072
1074
熟料率：%
92.36
92.49
92.21
91.59
93.02
炼铁工序能耗：kgce/t
429.49
426.84
438.59
440.60
466.20
表3 2#高炉鼓风机改造后的能耗及技术经济指标
项目
风机消耗功率kW
运行压力kPａ
实际风量m3/min
利用系数t/m3•d
风温℃
焦比kg/t
喷煤比kg/t
富氧m3/h
改造前
6200
270
1700
2.510
1000
415
130
1500
改造后
5000
275
1750
2.870
1130
399
143
1550
5．2 鼓风机节能改造后改善了高炉送风制度
合理的送风制度可达到煤气流分布合理、热量充足、利用率好，炉况顺行，炉缸工作均匀、活跃，铁水质量合格，有利于炉型和设备维护的要求。通过高压变频器改造后高炉鼓风机后，根据生产工艺的变化，高炉的送风制度将会变得更加的完美。
5.2.1 可迅速调整风量
增加风量，将提高综合冶炼强度。在燃料比降低或燃料比维持不变的情况下，风量增加，下料速度加快，生铁产量增加。料速超过正常规定应及时减少风量。当高炉出现悬料、崩料或低料线时，要及时减风，并一次减到所需水平。渣铁未出净时，减风应密切注意风口状况，防止风口灌渣。当炉况转顺，需要加风时，不能一次到位，防止高炉顺行破坏。两次加风对应时间的长短可快速实现可调。
5.2.2有效的调节风温
提高风温可大幅度地降低焦比。热风温度升高100℃可降低炼铁焦比15 kg/t。提高风温能增加鼓风动能，提高炉缸温度活跃炉缸工作，促进煤气流初始分布合理，改善喷吹燃料的效果。
5.2.3可迅速调节风压
风压直接反映炉内煤气与料柱透气性的适应情况。将传统的高顶压、低压差的操作方法，在风机全风能力允许条件下，逐步优化为低顶压、高压差的操作方法，可快速实现大风量操作，使得各炉料速普遍加快，产量增加，降低焦比的效果，提高了高炉的利用系数。
5.2.4富氧鼓风可控
富氧后能够提高冶炼强度，增加产量。富氧提高1%，增产4.76%，风口理论燃烧温度提高35～45℃，允许多喷煤10～15kg/t，降焦比1%，煤气发热值升高3.4%。富氧鼓风能提高风口理论燃烧温度，有利于提高炉缸温度，补偿喷煤引起的理论燃烧温度的下降。增加鼓风含氧量，有利于改善喷吹燃料的燃烧。富氧鼓风只有在炉况顺行的情况下才能进行。在大喷吹情况下，高炉停止喷煤或大幅度减少煤量时，应及时减氧或停氧。
6 高炉鼓风机变频改造后的效益
根据用户提供的2008年8月1日到9月2日期间的运行频率和变频节能测试记录数据，采用变频改造后，变频调速系统一般运行在40~48Hz，正常生产时运行频率一般在45~46Hz，对应输入运行消耗功率为5000kW.h左右；用户变频装置投入前近一年的工频平均运行消耗功率为6200-6500kW.h，节电率的计算
减小输入功率：6200-5000=1200（kW.h）
节能比率：（1200/6200）×100%=19%
该调速系统投运后，按年运行7000h计算，预计年节电可达860万kW.h，以国内工业用电0.5~0.7元计算，年节约电费可达400多万元。由节能数据看出，高压变频调速系统应用于高炉风机的节能及经济效益是显著的。
WIN-HV系列超大容量高压变频在该公司高炉鼓风机改造取得了巨大成功，打破了国产高压变频器大功率容量的成功应用记录，控制先进，为国内同行首创。设备自投运以来已安全稳定运行了22个月，改善了高炉的经济运行指标和送风制度，达到了预期的节能效果，减小了电机、风机及风门的维护量，现场操作方便，提高了整个工艺过程的自动化水平，保证了高炉的正常生产。该用户在2008年底再次选用WIN-HV-046T100高压变频调速系统，对高炉烟气除尘处理系统630kW引风机进行节能改造，一次上电投入成功，节电率达30%。
7 结束语
深圳市微能科技有限公司始终致力于变频器的技术创新和发展为己任，在过去的5年时间先后在低压变频器、中压变频器以及高压变频器的大功率高性能的发展与应用方面作出了突出贡献。产品线齐全的微能变频器，已成为我国工业领域电机节能减排设备的主流首选供应商，积极响应和支持国家节能减排任务目标的早日完成，真正体现了微能公司“为地球回归自然，为祖国节约能源”的社会价值理念。
参考文献
[1] 高炉热风炉操作，刘全兴，北京冶金工业出版社。
[2] WIN-HV系列微能高压变频器说明书，深圳市市微能科技有限公司。
作者简介：丘增红,现就职于深圳市微能科技有限公司营销部，从事变频器的应用及推广工作。