关键词：高压大功率变频器 单元串联多电平 远程监控 节能
一、引言
重钢炼铁厂750m3高炉为新建高炉（新高炉）。鉴于原高炉出铁过程中，炉口会排放大量红棕色烟气，一方面对环境造成污染；另一方面原运行方式为电机工频运行，通过调节风门的出口挡板来调节风量来满足出铁工艺，大量电源在阀门上白白浪费。为解决该突出问题，降低损耗，我方决定对新高炉的除尘风机进行调速控制。
二、高压变频器技术要求及改造方案：
除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还有可能威胁到现场生产人员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时高炉又周期性间断出铁；所以，和除尘风机配套的高压变频调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：
1）中文操作界面。
2）具有高可靠性，长期运行无故障。
3）具有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。
4）调速范围大，效率高。
5）具有逻辑控制能力，可以自动按照吹氧周期升降速。
6）具有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘振。
7）具有远程上位机监控功能。
经过多方调研、比较，最后炼铁厂同北京利德华福电气技术有限公司合作，共同制定了750高炉除尘风机的变频改造方案，改造方案如下：
1、设备配置
系统旁路开关柜为一拖一手动旁路系统（用于变频/工频切换）
原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见下图）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
为了实现变频器故障的保护，变频器对用户开关QF进行连锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求用户对QF的合分闸电路进行适当改造。工频旁路时，变频器应允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。
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QF：厂方高压真空断路器（为变频器提供6KV高压电） QS1、QS2、QS3： 手动隔离刀闸 BPQ：HARSVERT-A06/085变频器 M： 630KW/6KV异步电动机。 |
2、电机及风机参数
| 电机参数 | 风机参数 | ||
| 型 号： | YKK560-10 | 额定流量： | 410000m3/h |
| 额定功率： | 630KW | 主轴转速： | 595rpm |
| 额定电压： | 6KV | 轴功率： | 630KW |
| 额定频率： | 50Hz | ||
| 额定电流： | 82.9A | ||
| 额定转速： | 595rpm | ||
3、除尘风机工艺要求
1)出铁工艺周期
除尘风机在不出铁时，只需要很低的转速（甚至为零），根本不需要满负荷运转。利用高压变频器根据实际需要对除尘风机进行变频运行，既保证和改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。
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2）监控和操作
采用高压变频调速系统对除尘风机进行高压变频改造具体实现过程如下：变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。变频器包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号（如RS485）的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。变频器也可由控制室的上位机或操作台进行操作，出铁时，变频器高速运行，不出铁时，变频器低速运行（甚至不运行）。可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。
上位机：可以通过上位机进行远程监控，一方面便于用户随时了解设备运行情况，另一方面，也利于设备的远程诊断和维护，故障问题可以及时得到解决。
3）变频器技术指标
| 输入电压 | 三相交流有效值 6.0KV±10％ |
| 输入频率 | 50±5Hz |
| 输出电压 | 三相正弦波电压0-6KV |
| 输出频率 | 0-50Hz |
| 频率分辨率 | 0.01Hz |
| 加速时间 | 可按工艺要求设定 |
| 减速时间 | 可按工艺要求设定 |
| 频率设定方式 | 高低两级速度，可在0-50Hz范围内调整 |
| 故障诊断及检测 | 自动检测，自动定位 |
| 网侧功率因数 | 0.95（高速时） |
| 过载保护 | 120％l分种（每10分钟）、150％立即保护 |
| 防护等级 | IP20 |
| 环境温度 | 0-40℃ |
| 环境湿度 | 90%,无凝结 |
| 海拔高度 | 1000米以下 |
三、高压变频调速系统原理
HARSVERT系列高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，其工作原理如下：
1、电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。高压变频调速系统每相由7个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500V，线电压达6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/7相电压和1/21的输出功率。
2、每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组。输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。
3、逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加。以6KV输出电压等级的高压变频调速系统为例，输出相电压均为11电平，线电压均为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。
