1、概述
钢 厂的冶炼过程耗电较大，耗电在炼钢成本中是不可忽视的一部分，河北某钢铁有限公司系中外合资企业，于1993年成立，1994年10月正式投产，总资产 11亿元。有中型轧钢生产线四条(800#轧机生产线一条, 650#轧机生产线一条和500#轧机生产线两条),年生产能力70万吨。 公司坚持面向未 来，以可持续发展为主题，以实施产业结构调整，构筑新的竞争优势为目标，实现工艺升级、产品更新，全面提高公司的运营水平与核心竞争力，走新型工业化道 路，打造行业和产品优势，加快用高新技术改造钢铁业的步伐，建设高科技的钢铁企业。公司响应国家的节能减排的政策方针，配置有三套除尘系统。根据生产工艺 的要求，邀请我公司（深圳市英威腾电气股份有限公司）技术人员到厂内的对#3除尘系统的除尘风机进行分析，对节能方面做评估。根据现场的运行数据及实际工 艺的要求，我公司技术人员对其进行全面分析，有较大的节能空间。
2、设备参数及工艺要求
钢厂整个系统共有3套除尘系统，#3除尘系统容量比较大，在生产过程中是主要的除尘设备，其电机及风机的参数如下表所示：
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异步电机
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除尘风机
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型号
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YTP710-6
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型号
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Y4-2×73 No.29.5F
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额定功率
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2240 kW
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额定压力
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570 - 375 mmH2O
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额定电压
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10 kV
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额定流量
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960000 - 1720000 m3/h
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额定电流
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150.9A
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轴 功 率
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1800 -2240 kW
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额定转速
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985 rpm
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额定转速
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985 rpm
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正常情况下，该锅炉每55分钟为一个生产周期，生产过程的不同阶段，电炉产生的烟气量不同，因此需要调节除尘风机的风量。按照正常的生产过程，为满足生产工艺的要求，除尘系统的除尘量可以按如图一所示调节。一个周期可分为4个阶段：1、加料A～B，9分钟；2、供电供氧高速C～D，15分钟， 3、供电供氧中速E～F，25分钟；4、出炉低速G～H，6分钟。
图一 除尘量的工艺图
除尘系统的监控采用工控机控制，工控机与变频器通过硬接线的方式连接。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，调节变频器给定频率，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。
3、设备选型及系统方案
我公司技术人员根据现场设备的参数及工艺要求，结合我公司的CHH100系列高压变频器在其它工程地应用情况，我公司为其配置了一台10KV/2500KW的CHH100系列的高压变频器，变频器主要技术参数如下表：
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序号
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项目
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参数
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1
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变频器型号
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CHH100-2500-10
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2
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额定容量
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3150kVA
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3
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额定电压
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10kV
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5
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额定电流
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175A
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7
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可配电机
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2500kW
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8
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旁路方式
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一拖一手动旁路
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根据现场的运行工艺要求，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，我公司为系统配置工频旁路，保留了以前的工频启动的软启动装置，同时按照以往的保护定值进行整定，当变频器出现异常时，将电机投切到工频下运行。整个调速系统的一次回路图如下所示：
图二 变频系统一次回路图
变 频调速系统由用户开关、软启动器、手动旁路柜、CHH100系列高压变频器、高压电机组成。手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。 电机以变频方式运行时， QS2、QS3闭合，QS1断开；电机以工频方式运行时，QS1闭合， QS2、QS3断开。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要 求设计，变频输出开关QS3和工频开关QS1互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
旁路柜与上级高压开关QF连锁，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许高压开关合闸，QF合闸时，绝对不允许操作高压隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
CHH100系列高压变频器的接口比较灵活，有多种控制方式，有modbus通讯接口方式,也有硬接线控制方式，根据该工程的系统控制接口形式，选择了硬接线的方式进行远程控制。变频器及现场的除尘风机如下图所示。
运行中的CHH100高压变频器 钢厂#3除尘风机
4、变频器工作原理
CHH100系列高压变频器一体化设计，系统属于高—高结构方式，变频装置逆变主电路拓扑采 用单元串联多电平电压源型变频器，由变压器柜、功率柜、控制柜、自动旁路柜四个部分组成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出，可以直接配 套异步鼠笼电机。CHH100系列高压大功率变频器的原理结构如图三所示。电网送来的三相10KV交流电，经移相变压器，由其副边每相的9个二次线圈电压 逐个移相6.5°，供电给9个功率单元，三相共27个功率单元，形成Y联结结构。变频器控制部分采用DSP处理器对调制波形进行空间向量的优化处理，控制 IGBT的通断，即可在单元输出两点之间得到PWM波形，9个功率单元相叠加进行波形合成，可输出高压正弦波给感应电动机，因而形成近似正弦波大大降低了输出谐波含量，不需输出升压变压器和滤波装置，可直接驱动普通高压电机，而不会增加电机升温而降低电机容量。因此，无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用；具有软启动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行在20-100%的带载调速范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数能达到0.95以上。输入电流谐波畸变<4%,输出电流谐波畸变<2%
5、变频器功能特点
1） 变频调速系统的启停方式
启动方式：
（1) 直接启动；
（2) 先直流制动再启动(对于风机类可能由负载带动反转场合，可以先通过直流制动把电机刹住车再启动，从而避免启动时产生巨大的冲击电流)；
（3) 转速追踪启动。变频调速系统首先追踪电机的当前转速，然后在当前电机的转速的基础上直接启动。
停车方式：
（1) 减速停车(控制电机速度按照减速曲线减小，到零频后停车)
（2) 自由停车(直接封脉冲，电机按照自己的惯性停车)
2） 频率设定方式
（1) LED 键盘给定
（2) 通讯给定(触摸屏采用这种方案)
（3) 模拟信号输入给定
（4) 高速脉冲给定
（5) PID控制调节给定：通过PID给定与反馈的比较，自动调节频率，在恒压供水系统上应用尤其方便。
（6) 多段速给定：变频调速系统可以设置多个频率段，以及加减速时间，由端子灵活的选择在这些频率段时间切换。
（7) 同时为了运行频率控制更加灵活，CHH系列变频器支持两个频率源，实际运行频率可以取这两个频率源的任意一个，或者对两个频率源进行和、差，以及最大值的组合。
（8) 用户除了使用频率源控制频率以外，还可以通过up/down按键或者数字量端子灵活的对运行频率进行增加、减小的微调。
3） 电压自动调解功能。
由于我方提供的高压变频器有一级功率模块的富裕量，高压变频调速系统可以根据母线电压的波动自动调节输出PWM信号的占空比，从而减轻电网电压波动对于输出电压波动的影响。在母线电压波动情况和功率模块旁路的情况可以自动调解输出电压，保证输出电压的稳定。
4） V/F曲线选择方式
有 些负载(比如风机、水泵)都不是恒转矩负载(风机水泵的转矩与速度的二次方成正比)。为了适应这种变转矩的负载特性，CHH系列高压调速系统提供了多点 V/F曲线，1.3次幂、1.7次幂、2.0次幂V/F曲线可供选择。并且在可以在V/F的启动低频段进行电压提升，满足现场实际的调速需求。
5） 可编程用户端子
高压变频调速系统提供丰富的端子功能给用户，这些端子都是可通过功能码进行设定，不需要更改系统的程序，便于现场调试,从而保证系统有灵活的可扩展性,完全能够满足DCS控制的要求。
6） 丰富的实时监控功能
系统参数：运行频率、给定频率、母线电压、输出电压、输出电流、运行速度、输出转矩、PID给定、PID反馈、端子状态、摸拟量的值以及时间。
模块参数：模块电压、模块的温度。
用户可以通过功能码选择所需要显示的监控对象。也可以通过触摸屏查看相关的参数，变频器有异常时，不但可以查看故障类型及处理方式，还可以查看故障时的变频器运行状态，便于快速排除故障。
7） 多段速控制功能
针对有频繁变速要求系统，高压调速系统可以提供多段速度调制模式。用户可以通过端子灵活的选择当前的运行速度段。
8） Modbus通讯功能
高压变频调速系统提供对外的modbus通讯接口。用户可以使用自己的系统通过modbus协议对变频器进行控制，设置。
6、节能效果
变频器3月2日安装完毕。根据现场的生产要求，变频器于4月14日调试完毕，于4月15日对除尘风机变频运行方式和工频方式进行测试，4月15日除尘风机以变频方式投入运行。在调试和试运行期间，测试的几个关键的运行数据如下：
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序号
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工频运行
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变频运行
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挡板开度
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输入电压
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输入电流
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输入电压
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运行频率
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输入电流
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1
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30%
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10.04kV
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52.4A
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10.04kV
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20Hz
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23.4A
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2
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60%
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10.04kV
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104.2A
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10.04kV
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35Hz
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55.5A
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3
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90%
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10.04kV
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135.8A
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10.04kV
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45Hz
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102.3A
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按照以上的测试数据，对除尘风机工频运行和变频运行消耗的电能计算如下：
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序号
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需要风量
（%）
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工频耗电
（KW）
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变频耗电
（KW）
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节电功率
（KW）
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节电率
（%）
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1
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|
2
|
60
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1522.05
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936.15
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585.90
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38.49
|
|
3
|
90
|
1980.63
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1720.56
|
260.07
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13.13
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根据实际运行的时间，高速运行15分钟左右，中速运行有25分钟左右，低速运行有15分钟左右，所以综合节电率为：
370.71×15+585.90×25+260.07×15
系统节电率 = ............................................................. ×100%= =30.42%
765.41×15+1522.05×25+1980.63×15
系统节电功率为:438.35KW
一天节电量：438.35×24 = 10520.57 度/天
按电价0.35元/度计算，一天节约电费：10520.57 × 0.35 = 3682.19元/天
7、 变频调速优点
变频器改造后，对整个控制工艺有较大改善，对生产成本也有一定的降低，综合考虑，变频改造具有以下几方面的优点：
1) 网侧功率因数提高：原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.84左右。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备运行费用。
2) 设 备运行与维护费用下降：采用变频调节后，可以根据现场的实际除尘风量进行调节风机转速，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也 降低，主设备及相应辅助设备磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后挡板开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少挡板的 维护量。变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。
3) 用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小。风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。
4) 与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电网和电机。
5) 操作简单、灵活，运行方便，可通过计算机远程给定等参数，变频调速系统将会始终保持在0.01～0.1HZ频率调整精度范围内工作，为实现除尘系统的自动化创造优越条实现智能调节。
6) 适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-10%～+10%之间波动时，系统均可正常运行。
7) 变频改造后，系统节能效果比较显著，可提高系统运行效率，降低了公司的生产成本，提高了公司在市场上的竞争力。