1、 项目应用背景
湖南华菱涟源钢铁有限责任公司位于湖南省娄底市，1958年建成投产，目前已形成年产钢450万吨以上综合规模，总资产256.8亿元，在岗职工15400余人，2008年实现销售收入216亿元。
由于炼钢转炉在吹炼过程中，转炉口会排出大量褐色的烟气，烟气温度高、含有易燃气体和金属颗粒，因此必须对烟气进行冷却、净化，由除尘风机将其排至烟囱燃烧放散或输送到煤气回收系统中备用。涟钢三台转炉每个转炉都配有一套除尘系统，除尘系统电机功率1600KW，电压10KV，由于转炉周期性间断吹氧，为满足节能和环保要求,要求风机在整个炼钢工作周期内变速运行，吹氧吹炼时高速运行，不吹氧时低速运行。原来采用液力耦合器调速，高速2600r/min（设计2900r/min），低速600r/min。由于液力耦合器技术的局限性，使得调速范围只能在30%～90％之间，转速很不稳定；而且，低速600r/min仍然偏高，造成电能浪费；目前液力耦合器已严重老化，需经常反厂大修，且维修周期长造成不能满足连续生产的需要；电动机的效率低，尤其低速运行时，效率极低；启动电流比较大，影响电网稳定；液力耦合器再故障时不能切换至工频旁路运行，必须停机检修；由于液力耦合器存在上述等诸多问题，对其进行改造已成当务之急。
为了降低一炼轧厂的吨钢耗电量同时解决使用液力耦合器带来的诸多问题来提高风机的运行效率，湖南华菱涟源钢铁有限责任公司于2008年采用合同能源管理模式与我公司签订了3台HINV-10/2800B大功率高压变频器，应用于炼钢一炼轧厂转炉一次风机的除尘。
2、 转炉生产工艺
转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。
转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果氧气是从炉底吹入，那就是底吹转炉；氧气从顶部吹入，就是顶吹转炉。
3、变频器改造方案
北京动力源公司提供的三套高压变频器系统均采用一拖一拖动模式，高压变频器系统型号为：HINV-10/2800B ，系统配置示意图如下：
工频自动旁路接线图
工频自动旁路系统结构及动作说明：
变频运行：闭合QF、KM1、QS1、QS2、KM2，断开KM3；
工频运行：闭合QF、KM3，断开KM1、QS1、QS2、KM2。
在系统工频运行时：原来的电机电源启动柜QF为电动机提供工作电源，变频器内部的KM3在电路中作为连接开关有足够的容量保证电机工频旁路。在运行中并且可以对电机起操作作用。对电机的各种保护还是利用原来QF的保护设定值进行保护，原来的安全工艺不做任何变动；
3．1转炉除尘风机的基本工况及改造前控制的基本描述
吹炼工艺周期如下：
A到B为兑铁加废钢时间,约2分钟。
B到C为风机升速时间，暂定50秒，可以调节。
C到D为吹氧时间，约17分钟。
D点风机开始减速，暂定80秒，可以调节。
D到E为倒炉测温取样时间，约2分钟。
E到F为出钢时间，约3分钟。
F到G为溅渣时间，约4分钟。
原1#、2#、3#转炉一次除尘风机当中1#、2#转炉一次除尘风机采用1400kW电机拖动，3#转炉一次除尘风机采用1600kW的电机拖动，三台一次除尘风机均采用液力耦合器自动调节转速。转炉一次除尘风机的工作模式分为两种：高速运行和低速运行。转炉在不吹炼时，除尘风机只需要很低的转速运行，现场转炉除尘风机低速运行设定为600转/分以下，高速设定为2600转/分，当转炉开始送氧吹炼时，除尘风机开始高速运行。转炉根据氧枪的位置来判断除尘风机需要哪种速度运行，通过原除尘风机的PLC控制系统发出一个可以调节转速的模拟量控制信号来自动控制变频器，从而实现对转炉除尘风机转速的自动控制。既保证和改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果，整个吹炼工艺周期约32分钟，其中高速时间（C到D）17分钟。风机高速运行时变频器输出频率可以设定为41Hz（可以调节）；低速运行时可以定为14Hz以下（可以调节）。
4、节能效益的计算
节能计算是根据炼钢转炉吹炼工艺周期对一次除尘风机采用液力偶合器调速和改造后变频器调速节能计算。
1、炼钢1、2号转炉一次除尘风机节能分析（两台）
设备基本情况:
风机额定转速2950r/min,高速运行时平均转速2550r/min,低速运行时平均转速600r/min
1、目前使用液力偶合器时1,2号转炉风机所耗功率：
风机电机在高速时目前运行平均电流为：69A
则实际输入功率为：
P高= 1.732×10.5×69×0.86＝1080kW
风机电机在低速时目前运行平均电流为：23A
则实际输入功率为：
P低= 1.732×10.5×23×0.86＝360kW
目前运行的方式是平均1炉钢需要33分钟,高速运行平均约为17分钟，低速运行平均约为16分钟，则采用液里偶合器时1炉钢风机电机所耗的功率为：
P液=1080×（17/33）+360×（16/33）=556+174=730kW
2、采用变频改造后，各种使用工况下风机的耗电功率为：
P=kPQn3 /η （k为设备工作效率校正系数，这里取k＝1）
在高、低频时分别用P高、P低表示，变频器系统的综合效率η高速取0.95，低速时取0.75,变频前与变频后的转速比为Qn，则：变频运行时的功耗为：
P高＝kPQn3 /η＝1×1400（0.86）3/0.96=925KW
P低＝kPQn3 /η＝1×1400（0.22）3/0.75=20KW
采用变频时1炉钢风机电机所耗的功率为：
P变=925×（17/33）+20×（16/33）=476+10=486 kW
3、采用变频改造后，转炉每炼1炉钢节电功率为：730kW -486kW=244KW
按每天平均35炉钢计算，每天节约的电能：244*35=8540KW
每天炼钢的等待时间节省的电能：340*(24-35*33/60)=340*4.75=1615KW
每年按330运行时间全年节电：(8540+1615)*330=335万KW
风机节电率为：244÷730×100％＝33％
一炼轧厂3号转炉一次风机节电分析
1、目前使用液力偶合器时炼钢炉风机所耗功率：
转炉风机电机在高速时目前运行平均电流为：78A
则实际输入功率为：
P高= 1.732×10.5×78×0.86＝1220kW
转炉风机电机在低速时目前运行平均电流为：25A
则实际输入功率为：
P低= 1.732×10.5×25×0.86＝390kW
目前运行的方式是平均1炉钢需要33分钟,高速运行平均约为17分钟，低速运行平均约为16分钟，则采用液里偶合器时1炉钢风机电机所耗的功率为：
P液=1220×（17/33）+390×（16/33）=628+190=818kW
2、采用变频改造后，各种使用工况下风机的耗电功率为：
P=kPQn3 /η （k为设备工作效率校正系数，这里取k＝1）
在高、低频时分别用P高、P低表示，变频器系统的综合效率η高速取0.95，低速时取0.75,变频前与变频后的转速比为Qn，则：变频运行时的功耗为：
P高＝kPQn3 /η＝1×1600（0.86）3/0.96=1076KW
P低＝kPQn3 /η＝1×1600（0.22）3/0.75=23KW
采用变频时1炉钢风机电机所耗的功率为：
P变=1076×（17/33）+23×（16/33）=554+11=565 kW
3、采用变频改造后，转炉每炼1炉钢节电功率为：
818kW -565kW=253KW
按每天平均35炉钢计算，每天节约的电能：253*35=8850KW
每天炼钢的等待时间节省的电能：367*(24-35*33/60)=367*4.75=1743KW
每年按330运行时间全年节电：(8850+1743)*330=350万KW
风机节电率为：253÷818×100％＝31％
通过变频技术改造后，由于风机功率因数提高后减小了无功损耗，其下降值也是非常可观的，无功功率的下降同样地会给用户带来经济效益。另外还可较少设备机械损耗，减少设备的维护费用。
由于高压变频器的高传递效率、高功率因数等特性，节能效果非常明显,另外在工艺上对交流电机及调速设备的维护量小，运行稳定、可靠，有利于钢铁厂实现设备的更好用、更方便、自动化程度更高。
5、变频节能改造后的节能效益核算
同液力耦合器比较，三台转炉一次除尘风机吨钢除尘电耗平均减少2.58度/吨；节电率为38.86%。由于拆除了液力耦合器，HINV高压变频器不但直接节约了大量电量，还节约了大量的由于液力耦合器运行带来的运行维护费用，年节约了64.5万元的维护费用及83.5万元的液力耦合器冷却水费用，由HINV带来的经济效益是相当可观的。
6、HINV系列高压变频器的性能和特点
1、我公司提供的HINV高压变频器完全符合中国调速电气传动系统国家标准（标准号：GB 12668）所规定的相关要求，及《火电厂风机水泵用高压变频器》（DL/T 994-2006）的所有相关规定；
2、变频器采用48脉冲的输入整流，确保不对电网产生污染。输入功率因数高，无须配置功率因素补偿器。变频器的总谐波满足IEEE-519标准和GB/T14549/93《电能质量、公用电网谐波》有的关规定；
3、变频器的效率：在额定的负载情况下变频器输入侧基波功率因数不低于0.96，变频器整体效率在95%以上；在负荷86-100%范围内，变频器整体效率在97%以上。
4、变频器内部采用PLC控制，易于使用，便于控制功能扩展；
当10kV母线电压在额定电压+15%～-35%范围内波动时变频器可以长期满载输出；当10kV母线电压下降至额定电压的65%以上时变频器可连续降额运行。电网电压下降到额定电压的65%以下，变频器转入输出电流保护，在不过载、过流的情况下仍然连续运行。
5、变频器控制电源使用交流380V电源，并且变频器由自身的变压器二次侧提供备份控制电源，另外还配备有UPS电源，充分保证了在控制电源发生故障时，变频器仍可以继续运行，同时提供报警信号；
6、如果发生控制变频器输出频率的模拟信号掉线或短路时，变频器保持原有输出频率不变（保位运行），同时提供报警信号；
7、变频装置有完善的保护功能，用以保护变频器和防止关键元件及电机的损坏。例如：输出过电流，门极驱动故障，变频器过载，单元直流过电压，变压器过热，主电源失电，通风故障，控制电源失电，单元过热，单元直流欠压故障等保护功能。变频装置还功率单元旁通功能，可使功率单元自动旁路退出系统；旁路柜系统还可进行工频旁路。旁路柜系统隔离开关之间和变频装置电源开关之间装设机械闭锁装置。变频装置两侧的隔离开关在拉开的时候自动接地。
8、变频器对故障按轻重缓急分级处理，智能选择报警、降额运行、紧急停机等。120%额定电流，1分钟；150%额定电流，立即保护，按反时限特性；
9、变频器对输出电缆的长度没有限制，电机不受变频器共模电压及 dv/dt 应力的影响；
10、HINV系列变频器采用中文操作界面，任何运行数据都可以通过人机对话界面监视到。可以显示变频器输出频率、电流、电压、功率、运行状态、报警及故障信息。可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；功能设定、参数设定等我们可以为用户提供免费软件的升级。
11、变频装置包含以下开关量信号和模拟量信号：
开关量输入：起动、停止
开关量输出：变频器高压就绪、变频器运行、变频器故障、变频器停止等信号
模拟量输入：频率调节(转速给定)
模拟量输出：输出频率、输出电流
12、变频器具有各种防止误操作的措施，如：柜门具有保护连锁，变频/工频旁通开关组保护连锁，在变频器故障时提供跳掉10KV电源的信号，紧急停车按钮等。
7、 结束语
HINV-10/2800B在投入生产到目前已运行将近2年，从运行情况来看，北京动力源生产的高压大功率变频器性能好，可靠性高，节能效果明显，满足连续生产对调速系统的要求，高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。虽然一次性投资高，但是投资一般在2～３年内可以收回。高压变频器在钢铁行业的高压风机、水泵电机系统中一旦应用不但节能效果会非常显著，而且对于行业循环经济的发展意义深远。
作者：1、贾礼杰，男，工程师，北京动力源科技股份有限公司技术部经理
2、刘立业，男，工程师，北京动力源科技股份有限公司工程技术部经理
8、参考文献
《高压变频调速技术应用实践》作者：徐甫荣、出版社：中国电力，ISBN 9787508348421 ，
《高压大功率变频器技术原理与应用》 作者：倚鹏、出版社：人民邮电出版社，ISBN9787115170200
《高压变频器应用手册》作者：仲明振//赵相宾、出版社: 机械工业，ISBN9787111265641
《中高压变频器应用技术/自动控制技术应用》作者: 张选正，顾红兵、出版社: 电子工业出版社，ISBN9787121045189
《高压大功率交流变频调速技术》作者: 张皓，续明进，杨梅、出版社: 机械工业出版社，ISBN9787111192183
《大功率变频器及交流传动》作者：Bin Wu(加拿大)、出版社：机械工业出版社，2007.8ISBN978-7-111-22522-5
《电力电子技术手册》作者: 〔美〕拉希德 主编，陈建业 等译，国外电气工程名著译丛 ，出版社: 机械工业出版社，书号：ISBN 9787111142614
《现代电力电子学与交流传动》作者: (美)博斯 著，出版社: 机械工业出版社，书号：ISBN 9787111112969