（上海宝钢工程咨询有限公司上海201900）
摘要：本文介绍了变频技术原理，结合包头某钢厂高炉鼓风机变频改造实例，通过变频器的配置、电气控制、逻辑控制、上位机控制方案，阐述了变频控制的实现方法，并进行了应用效果分析。
关键词：变频技术；高压变频器；鼓风机；逻辑；变频
1引言
高炉炼铁是钢铁生产中的重要环节，具有经济指标好，工艺简单，生产量大，效率高的特点，这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。鼓风机是高炉炼铁实现鼓风的的重点设备，生产系统的动力中枢，其作用是根据炉况的需要，不断给高炉吹入一定压力和流量的风量，以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需要的氧气，克服料柱的阻力，确保炉顶保持一定的炉顶压力。可见，鼓风机的正常运行是高炉稳定高产的基本条件。鼓风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，调整风机的转速可获得不同的风量和风压，因此，高炉鼓风机的调速系统至关重要。包头某钢厂550m31#炼铁高炉鼓风机采用6500kW/10kV三相异步电动机拖动，工频直接供电，风量大小靠风门调节进行控制。这种调节方式耗电量大，节流损失大，响应速度慢，精度低，对炼铁工艺指标有一定的影响。为实现对高炉鼓风系统的有效控制，节约能源，优化工艺，采用变频控制技术对鼓风机进行了改造。
2变频技术原理简介
变频技术是一种电能控制技术，其工作原理是在电力半导体通断的作用下，将工频电源转化为其他频率，主要采用交—直—交的转换方式，通过整流桥，对交流电进行整流，使其转化为直流电，然后通过滤波对直流电进行平滑加工，再将平滑的直流电逆变为交流电。变频器是变频技术的核心，可将频率固定电源转换成频率可变电源，按电压等级的不同，可分为低压、中压、高压三种类型。目前，常压变频器的应用已经很普遍，高压大功率交流变频调速技术也逐渐成熟。高压变频器采用多电平变频功率单元串联，叠波升压的形式，来实现高压输出，具有很高的可靠性，适用于要求精度高、流量不稳定、变化范围大且需要经常改变的场合。高压电机利用高压变频器可实现无级调速，满足生产工艺对电机调速控制的要求，优化生产，节约能源。
3鼓风机变频控制改造方案
3.1鼓风机及配套电机参数
3.2变频器配置
本项目选用利德华福HARSVERT—A系列10KV高压变频器，性能参数如下表所示。
HARSVERT-A高压变频器采用单元串联多电平技术，属高—高电压源型变频器，主要由移相变压器、功率单元和控制器组成，包括24个功率单元结构，每相8个功率单元，结构如图1所示。
图1变频器结构图
输入移相变压器的作用是将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直流电然后再逆变成单相交流电。
功率单元为基本的单相逆变电路，采用成熟的逆变技术，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率单元直接使用大功率器件，结构及电气性能上完全一致，可以互换。原理如图2所示。
图2功率单元原理图
利用单元串联多电平技术，每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到较好的正弦PWM波形，波形图如图3所示。
图3相电压波形图
控制器由高速单片机处理器、人机操作界面和PLC共同构成。单片机实现PWM控制。人机操作界面解决高压变频调速系统本身和现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和现场灵活接口，满足特殊需要。
控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。
3.3电气控制方案
考虑到鼓风机的重要性及系统的可靠性，变频控制系统采用“一拖一自动旁路”方案，设置工频旁路，电气主控制回路如图4所示。
图4变频器主控制回路图
在变频器出现严重故障时，系统能自动转入工频电网，断开变频调速系统，满足鼓风机不停机连续运行的工艺要求，增加了系统的可靠性。电源从10KV母线进入高压开关QF后，经高压真空接触器KM1、隔离开关QS1、高压变频器HARSVERT-A、隔离开关QS2、真空接触器KM2送至电机，变频调节电机转速。当变频器出现故障时，KM1、KM2自动断开，KM3通过控制系统自动闭合切换至工频运行状态；工频运行时，也可自动切换至变频运行状态。
（1）隔离开关QS1、QS2只在变频器检修时手动断开，工频、变频运行状况下均处于闭合状态。
（2）变频运行：KM1、KM2闭合，KM3断开，QF合闸，电机变频运行。
（3）工频运行：KM1、KM2断开，KM3闭合，变频器判断是否可切换工频，合闸断路器QF，直接启动电机工频运行。此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
（4）联锁保护：KM1、KM2与KM3不能同时闭合，具备电气闭锁功能。
3.4控制逻辑
为保证变频改造后鼓风机可靠运行，采用如下逻辑控制方案。
3.4.1状态判断
图5状态判断逻辑图
3.4.2操作允许
图6操作允许逻辑图
3.4.3QF开关跳闸
图7QF开关跳闸逻辑图
3.5上位机控制
高炉鼓风机调速操作频繁且精度要求高，距离现场远，容易受复杂环境的干扰，因此综合考虑后变频器采用上位机控制方式。通过RS-485网络与变频器进行通讯，由中控室上位机实时监控鼓风机运行状态。在闭环运行模式下，按照工艺要求设定被控量的期望值，根据被控量的实际值，变频器自动调节输出频率，控制电机转速，进行变频自动控制。上位机给定运行频率比模拟量设定更准确，使高炉鼓风实现无波动调节，保证高炉的稳定运行。
通过人机界面，操作人员在主控室可实现远程监控和网络化控制，设定参数及控制逻辑。利用系统配置工具，对变频调速系统的现场参数进行配置，实现鼓风机调速系统与现场的有效结合，发挥系统的最大功效，如图8所示。
图8系统配置实用工具界面
通过功能设定界面系统完成启动方式、运行方式、频率、控制方式等设定及其他部分功能设定，如图9所示。
图9变频器主要功能设定界面
通过上位机监控界面实时监控电机运行状态、控制状态、设定频率、运行频率、电机转速、输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、累计运行时间、柜体温度及现场数据，根据要求自动调整，保证系统安全稳定运行，如图10所示。
图10上位机监控界面
4应用效果
4.1节能方面
根据生产报表统计，鼓风机变频改造之前，电动机平均运行电流为416A，改造后平均运行电流为315A。每月按30天计算，耗电量分析如下：
改造前工频状态耗电量：
Q工=1.732×10×416×0.9×24×30=4668917.76KWh
改造后变频状态耗电量：
Q变=1.732×10×315×0.95×24×30=3731767.2KWh
月节电量Q=Q工-Q变=937150.56KWh，节电率20.07%，全年可节电11245806.72KWh，对比变频改造前后耗电量，节能效果显著。
4.2其他方面
（1）优化了生产工艺
经变频改造后，实现了鼓风系统的自动化控制，改善了鼓风机送风状况，使风量和风压随高炉炉况不同能及时得到调节，富氧鼓风可控性增强，优化了工艺。改造后，高炉利用系数由2.63提高到了2.85，焦比由409Kg/t降低到了386Kg/t，喷煤比由138Kg/t提高到了152Kg/t，同时提高了生铁合格率，技术指标有了明显的改善。
（2）延长了设备的使用寿命
工频运行时，启动时间长，电流大，对电机和风机的机械冲击力大，严重影响其使用寿命。采用变频调速后，实现软启动和软制动，减少了对电机及电网的冲击，延长了电机的使用寿命。
5结束语
高炉鼓风机进行变频改造后，提高了自动化水平。不仅节能效果显著，而且提高了鼓风系统的稳定性和可靠性，优化了生产工艺。变频控制技术具有节能、适用性强、便于实现自动控制的显著优势，正越来越广泛地应用到冶金行业中，发展前景广阔。
参考文献：
[1]张皓，续明进，杨梅编著.高压大功率交流变频调速技术[M］.北京：机械工业出版社，2006
[2]王斌，郭乐乐.变频技术在定州电厂二期工程凝结水泵控制中的应用[J］.电气技术2010（06）：42-42
[3]陈勇.变频技术在钢铁冶金行业的应用[J］.四川冶金2012（05）
作者简介：
郭春伟（1971-），男，本科，高级工程师，主要从事电气自动化技术改造、工程咨询工作