1．引言
韶关冶炼厂烟化炉是为铅锌密闭鼓风炉烟化处理含锌炉渣，回收金属锌（次氧化锌）的一座重要工艺炉。为其配置的三台鼓风机（一台工作，两台备用）分别由三台6000V、500kW高压异步电动机驱动，系统改造前，1#、2#风机没有调装置，3#风机原为液力偶合器调速，但因故障已拆除，由于烟化炉为间断吹练工艺，每天有4～6小时的待料时间，且在烟化送风期的各时间段内所需风量也不相同，又因没有调速装置，风机照常运行，现场操作为通过调节放空阀门排空，势必造成能源的极大浪费。所以对烟化炉风机进行调速控制十分必要，是合理利用能源，降低能耗的有效措施。
2．变频调速的方案选择
韶冶烟化炉风机的驱动电机为原有老电机，其铭牌数据为：
型号：JK500-2 功率：500kW 频率：50HZ
转速：2970r/min 定额：连续 接法：Y
; 绝缘：B级 定子电压：6000V 额定电流：60A
沈阳电机厂 出厂:72年12月
对于高压大容量异步电动机，在不更换原有电机型式的前提下，进行变频调速有两种方式：
（1）采用高—高式直接变频调速系统，即高压电源电压直接经变频器变频变压后，供电给高压异步电机。目前，绝大多数直接高压变频器由于考虑到减少谐波对电网的污染及抑制电机共模电压，仍保留有输入变压器，这种变频器性能优良，但价格昂贵。
（2）采用“高—低—高”式高压变频调速系统，即将高压电源电压经降压变压器降至低压变频器允许的电压，再经低压变频器变频变压后，经升压变压器升至高压，供电给高压电机，这种变频方式有许多优点，是一种经济实用的高压变频调速系统。
3．系统简介：
3.1 本高压变频调速系统
高压（6kV）经高压断路器送至降压变压器，根据电网对谐波的要求，采用12脉冲整流，因此降压变压器为三绕组变压器，它将6kV电压分别降至400V，送至各自的6脉冲整流桥。经12脉冲整流到达直流母线，经预充电回路和主接触器，再经滤波器送至逆变器变频变压。为了获得接近于正弦波的输出电压，本系统增加了正弦波滤波器，经滤波器输出的接近于正弦波的电压经二绕组的升压变压器升压，供电给高压异步电机。
3.2 为了充分利用变频器的节能效益，即当一台风机故障或检修时，另一台风机仍能利用变频器节能运行，在本变频调速系统两端设有高压开关切换控制柜，使变频器能分别馈电给1#或2#风机，同时每台风机的原系统全部保留作为旁路备用，以实现高压供电和切换。整个风机系统的风量、风压、电压、电流、频率等参数都由设在操作室的操作台上控制和监视。
3.3 本高压变频调速系统在构造上有以下几方面特点：
（1）采用三绕组变压器和12脉冲整流，以减少谐波对电网的污染。降压变压器作为输入变压器，采用三绕组是为满足12脉冲整流的要求，采用分裂式结构形式，一个高压绕组，二个低压绕组，其接线方式分别为△/△和△/Y，两者互差30°电角度，两个低压绕组分别给两组二极管整流桥供电，每个二极管整流桥都为三相全波整流，其产生的谐波可按下式计算：
h=k·P±1
式中：h--谐波次数
K--自然数（1、2、3……）
P--整流桥脉冲数，本系统中P=12
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（2）本系统采用意大利ANSALDO工业系统公司的SVTL860DN柜装变频器。逆变器主要由IGBT逆变桥，触发单元、控制单元、操作面板、直流滤波电容以及辅助单元等组成。整流桥输出的直流电经滤波电容滤波后送入逆变桥，根据所输入的控制参数，由控制单元、触发单元等控制逆变器输出。
变频器的主要技术数据为：
供电电压：380～415VAC ±10%
输入频率：50或60HZ ±2%
过 载：110%～150% 1min
控制模式：矢量控制
开关频率2～16KHZ
电网侧功率因数：＞0.95
在额定功率时的效率：＞0.98
防护等级IP31
标准功能：
速度/扭转矩矢量控制（本系统采用速度控制）
加速/减速时间：0.1～3000S
最大最小频率限制
滑差补偿（V/HZ控制模式）
飞速再起动
电动电位计
保护功能：
CPU故障
过电流
过电压/欠电压
过热；电机过载
电机失速保护
速度/扭矩4～20信号丢失；
直流过电压
输出电路短路和接地保护等。
（3）采用正弦波滤波器，以保证输出电压接近于正弦波。
本系统采用电压型变频器，为了减少变频器输出电压的谐波分量，一般都采用PWM（脉冲宽度调节剂）控制方式。即逆变器的输出为一组高频方波，它可近似地代替正弦波，通过调节脉冲宽度来控制输出电压的大小，而且调制频率越高，谐波分量越小，但dv/dt则随着调制频率的升高而增大，若直接将逆变量的输出电压（见图2a）送至输出变压器升压，则输出变压器的波形将产生较大的畸变，产生较大的尖峰电压，这将严重地威胁至电机的绝缘，甚至达到不能允许的程度。这也是以往人们认为电压型变频器不能用于高—低—高或变压变频调速系统的原因。为解决这一问题，在逆变器的输出侧，设置了正弦波滤波器，滤去高频谐波分量，在参数选择适当时，可使输出电压波形接近于正弦波。
由两波形图对比可见，不带输出滤波器时，电压波形含有断续的很高的dv/dt值，电压波形畸变率很高，通过输出变压器升压，将在输出电压波形上叠加尖峰电压，损坏电机绝缘，导致电机过早损坏，而增加了输出滤波器（正弦波滤波器）后，输出电压波形接近于正弦波，电压波形畸变率小于3%，而且电流波形畸变率也很低，这使得整个运行速度范围内电机转矩脉动都非常小。
(4)输出变压器的特殊设计，以保证输出电压波形不产生畸变。输出变压器为二绕组变压器，接线方式为△/Y，由于变频器输出电压为高频调制脉冲波形，尽管经过正弦波滤波器已可接近正弦波，但仍含有一些尖峰毛刺，而且输出频率为5～50HZ。因此对本变压器需作特殊设计，以保证输出电压波形不产生畸变，不产生高频振荡，降低噪声，同时保证变压器不发热。
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4．经济效益分析
4.1节能计算：
由流体力学知道，当风机转速从n变到n’后，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系如下：
Q’=Q(n’/n)
H’=H(n’/n)2
P’=P(n’/n)3
当风机低于额定转速时到节约的电为
E=〔1-(Q/Qn)3〕×P×T(kWh)
式中：Qn--额定转速时的流量
Q-- 实际流量
P-- 额定转速时电机功率
T-- 时间
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4.2 烟化炉风机的运行数据
（1）风机以额定转速运行时每小时耗电测算约440kWh，流量15000立方米/小时。
（2）每天待料时间4～6小时，风机每小时耗电约350kWh，（系统改造前，待料期间风机放空运行）。
（3）每天吹炼8炉，每炉吹炼过程中：
进渣前，需送风量8000～10000立方米/小时 历时5分钟
进料时，需送风量10000～11000立方米/小时 历时20～40分钟
吹 炼，需送风量12000～15000立方米/小时 历时90～100分钟
放 渣，需送风量10000～12000立方米/小时 历时15～20分钟
4.3 全年按215个工作日计，电费按0.61元/kWh计，风量和时间取平均值计算。
则停机时间每天节电350×5=1750kWh
吹炼时间：进渣前〔1-（9000/15000）3〕×440×(5/60)=28.7kWh
进 料〔1-（10500/15000）3〕×440×(30/60)=144.54kWh
吹 炼〔1-（13500/15000）3〕×440×(95/60)=188.8kWh
放 渣〔1-（11000/15000）3〕×440×(17.5/60)=77.7kWh
每炉节电：28.7+144.54+188.8+77.7=439.7kWh
8炉共节电：439.7×8=3517.6kWh
每天共节电：1750+3517.6=5267.6kWh
每年节电：5267.6×215=1133000kWh=113.3万kWh
节约电费：113.3×0.61=69.113万元
高压变频调速系统的全部投资可在一年 半内从节电费中收回。
5．结语
（1）本系统于1999年8月投入运行至今近一年时间，运行十分可靠、正常，未出现任何故障，而且操作方便，性能很好，节能效果显著。根据实测和实际记录，本系统节电率达49%，与预期的节电量基本吻合，效益非常可观。
（2）本系统能满足原有电机的运行要求，对于这样一台绝缘等级为B级的使用多年的老电机，原来担心使用本系统会破坏电机绝缘，导致烧坏电机。事实证明，本系统对电机要求不高，可以满足老电机运行的要求。
（3）变压器特别是输出变压器设计合理，经长期运行，变压器达到预期要求，温升低于允许值，噪音低，无变频振荡，副边电压波形无畸变。
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总之，由长沙矿山研究院和韶关冶炼厂合作，共同开发的采用电压型变频器构成的高—低—高或高压变频调速系统，在韶关冶炼厂烟化炉风机的调速节能运行中取得了成功，这种形式的高压变频调速系统在国内尚属首次应用，为今后推广高压变频调速系统积累了有益的经验。
信息来源：国际电气电子工程中心
