鐵合金的生產，多數靠金屬氧化物等礦石還原。這種還原需要在較高溫度下、消耗大量能源才能實現。電爐作為鐵合金生產的主要設備,電爐產生的高溫煙氣，直流高壓發生器經煙道進入空冷器冷卻再進入袋式除塵器。除塵器清下的積塵，由煙塵灰斗排出，凈化后的廢氣經風機送入煙囪，排入大氣。除塵系統結構如圖1所示。
圖1 除塵系統結構
電爐煉鐵時產生的有害物污染主要體現在電爐加料、冶直流高壓發生器煉、出鐵3個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期，其中氧化期強化脫炭，由于吹氧或加礦石而產生大量赤褐色濃煙。在上述3個冶煉期中，氧化期產生的煙氣量zui大直流高壓發生器，含塵濃度和煙氣溫度zui高。因此，電爐除塵系統按照氧化期的zui大煙塵排量進行設計。在系統zui大風量需求的基礎上增加1.1～1.3倍的安全裕度進行除塵風機選型設計。整個冶煉過直流高壓發生器程中吹氧時期占30～35%，此時風機處于較高負荷運行，而其余時間則處于較低運行工況。很顯然，除塵系統的利用率很低且系統效率差。
長期以來，不論電爐處于哪一個運行階段，產直流高壓發生器生的粉塵大小均使除塵風機全速運行，騰達西北鐵合金有限公司原采用液力耦合器調節，效率低、功耗大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇，節能降耗、提高生產效率成為企直流高壓發生器業發展提高競爭力的有效手段之一。
為滿足高壓變頻改造中的變頻器要求，我廠本著安全*、質量可靠的方針進行認真的分析，認為采用jd-bp37高壓變頻器完滿足要求，制定出如下技術方案，此方案具有以下特點:
（1） 優良的調速性能，滿足負直流高壓發生器載工藝要求;
（2） 良好的節能效果，提高系統運行效率;
（3） 實現系統軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命;
（4） 系統安全、可靠，確直流高壓發生器保負載連續運行;
（5） 控制方便、靈活，自動化水平高。
2 變頻器選型及性能特性
設計時，根據電機容量，及考慮海拔高度，選用高直流高壓發生器壓變頻器，對風機系統進行改造，變頻器串在原控制回路中，通過旁路開關柜來進行工/變頻的轉換，保持原來的啟停操作方式不變。改造后，通過高壓變頻器，來控制高壓風機運行。
電爐的冶煉周期一般為70～85分鐘，其中裝料6～10%，送電熔化25～30%，吹氧30～35%，還原期15～20%，沖渣出鐵6～8%。在不同的生產工藝階直流高壓發生器段，電爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態直流高壓發生器，要求煙塵能夠及時排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵系統能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點溫度。因此，對除塵系統要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出直流高壓發生器鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。
通過對冶煉工藝的分析:電爐在煉鐵過程的不同階段對除塵風量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為zui大，加料除塵為zui低。鑒于電爐除塵系統中除塵風機的運直流高壓發生器行方式和設備特點，對除塵風機的控制選用山東新風光電子科技發展有限公司自主研發生產的，適合驅動高壓異步電動機的jd-bp37-800f型變頻器。
2.1 主要技術性能指標
（1）額定輸入電壓，6kv（-20%～+15%）;
（2）輸入頻率，45 ～ 55hz;
（3）輸入方式，36脈沖二極管全波整流輸入;
（4）輸出方式，每相直流高壓發生器6單元 載波移相 正弦波脈寬調制輸出;
（5）輸入功率因數，大于0.96（額定負載時）;
（6）效率（含變壓器），大于96%（額定負載時）;
（7）輸出頻率，0 - 50hz，連續可調;
（8）頻率分辨率直流高壓發生器，0.01hz;
（9）過載能力，120%連續，150%1min;
（10）控制電源，雙路供電，220vac，5kva;
（11）冷卻方式，強制風冷;
（12）防護等級，ip20;
（13）模擬量輸入，四路，0～5v/4～20ma，任意設定;
（14）模擬量輸出，直流高壓發生器兩路，0～5v/4～20ma可選;
（15）開關量輸入輸出，32入/16出（可按用戶要求擴展）;
（16）通訊接口，rs－485接口;
（17）運行環境溫度，0～40℃;
（18）貯存/運輸溫度， -40～70℃;
（19）環境濕度，<90%（20℃時），不凝露;
（20）安裝海拔高度，<1000m直流高壓發生器（超過1000m時，需降額運行）;
（21）運行參數自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。
2.2 外形尺寸及安裝要求
變頻器外形尺寸（不含旁路柜）
長×寬×高= 4600×1200×2300（mm）
旁路柜外形尺寸 直流高壓發生器
長×寬×高= 1200×1200×2300（mm）
變頻器采用底部進出線方式，從正面看，高壓進出線孔位于左部旁路柜居后的位置，二次進出線電纜孔位于控制柜居前的位置。變頻器應安裝在電纜溝上，如圖2所示。
圖2 變頻器安裝圖（側面）
變頻器在正面操作。為了保證操作、維護的方便性和通風散熱效果，變頻器正面距墻距離不小于1.5m，背面和頂部距墻距離不小于1m。
室內冷卻方式:直流高壓發生器空調制冷;墻上安裝排風扇;柜頂加風罩集中通風。
2.3 風光變頻器的主要優勢特點
風光jd-bp系列高壓變頻器與國內外同類產品比較，在產品功能設計、產品質量保障措施、系統安全設計和服務方面，具有以下優勢和特點:
（1）輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數高。無須濾波器和功率因數補償，可直接驅動電機;
（2）系統控制電源采用220va直流高壓發生器c和高壓主電源降壓隔離后雙路供電，系統運行更可靠、操作更簡便。可在無高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形，便于調試、檢修及操作人員陪訓;
（3）冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅動直流高壓發生器，風機僅在上高壓電且變頻器開機后運行，避免了冷卻風機啟、停時對控制系統的影響;
（4）功率單元工作電源為外部開關電源，避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響;
（5）更適應于國內電網條件，變頻器工作電壓范圍為（+15%～－20%）un，如6kv系列可穩定運行于6900v電壓條件下;
（6）瞬時停電保護功能。當主電源失電后，變頻直流高壓發生器器控制電機處于發電狀態運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態。瞬時停電時間典型值為3s（具體時間可以根據用戶的系統而定），超過3s變頻器則保護，檢查停電原因，以免變頻繼續運行而引起事故;
（7）限流功能。避免啟動或負載突然變化時，使變頻器輸出電流過大而導致保護動作;
（8）操作平臺采用全中文win系統，運行穩定，且易學易用;
（9）結構緊湊;
（10）完善的上位機控制功能。可與dcs系統實現通訊或i/o方式硬連接。
（11）主要器件均采用世界*廠商的成熟產品直流高壓發生器，產品從元器件至半成品及成品，均實現100%的嚴格測試。各系列產品出廠前均完成100% 72h以上負載測試記錄，確保產品的可靠性。
（12）在系統運行安全可靠性設計方面，我公司直流高壓發生器擁有獨享技術:一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置。
（13）有較強的工程設計能力和溝通意愿，能根據用戶現場條件和控制要求量身定做，及時滿足用戶的不同需求;
（14）功率單元模塊化設計，可以互換直流高壓發生器，維護簡單;
（15）二次接線模塊化設計，現場接線簡單，安裝周期短。
2.4 一次回路的工作原理
一次回路由進線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工直流高壓發生器頻電網運行，保證生產不受影響。
變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。
手動旁路柜（如圖3所示）。
圖3 變頻器安裝圖（側面）
圖3所示的旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，k2與k3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當k1、k3閉合直流高壓發生器，k2斷開時，電機變頻運行;當k1、k3斷開，k2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖， dl合閘時，不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
（1） 合閘閉鎖:將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯后，串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態下，變頻器故障或不就緒時，上級高壓開關（斷路器dl）合閘不允許;旁路投入狀態時，合閘閉鎖無效。
（2） 故障分閘:將變頻器“高壓分斷”信號直流高壓發生器與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
（3） 保護:保持原有對電機的保護及其整定值不變。
2.5 二次回路及控制
控制系統由控制器，plc和人機界面組成。控制器由直流高壓發生器三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。
光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發出脈寬調制（pwm）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。
主控板采用高速單片機，完成對電機控直流高壓發生器制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過rs-232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態參數，并接受來自人機界面主控板的參數設置。
人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊，可選上位監控而實現變頻器的網絡化控制。通過主控板和plc采集直流高壓發生器的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，提供記錄功能，并實現對電機的過載、過流進行報警和保護。通過rs-232通訊口與主控板連接，通過rs-485通訊口與plc連接，實時監控變頻器系統的狀態。
plc用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號直流高壓發生器和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來自現場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。
圖4 高壓變頻調速系統的結構圖 （以6單元的為例）
其系統結構如圖4示。由移相變壓器，功率單元和控制器組成。風光6kv高壓變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元 / 相，三相共18個直流高壓發生器單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規定。
2.5.1 控制方式
風光變頻器有三種控制方式:
（1）本地控制:從變頻器操作界面控制電直流高壓發生器機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制;
（2）遠程控制:通過內置plc接受來自現場的開關量控制;
（3）上位控制:通過rs-485接口，采用prpfibus通訊協直流高壓發生器議，接收上位dcs系統的控制;或與dcs硬連接。
2.5.2 速度設置方式（或閉環運行時的給定方式）:
風光變頻器有多種速度設置方式，在閉環運行時，速度設直流高壓發生器置方式即為被控量的給定方式:
（1） 本地設置:通過薄膜式液晶屏設置運行頻率;
（2） 模擬設置:接收dcs系統0～10v或4～20ma模擬信號設置運行頻率或被控量給定值;
（3） 通訊設置:通過通訊方式接收來自dcs系統的運行頻率或被控量給定值;
（4） 多檔設置:通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值;
（5） 閉環調節:由pid自動設置運行頻率。
2.5.3 運行方式
風光變頻器有開環和閉環兩種運行方式。
（1） 開環運行:變頻器以設置頻率輸出。頻率（或直流高壓發生器稱速度）的設置方式有本地設置、模擬設置、通訊設置和多檔設置。
（2） 閉環運行:對一個運行參數（如流量、壓力、溫度等，簡稱被控量，此處以壓力為例）實現跟蹤控制。閉環運行時，實際壓力信號來自于現場信號，而壓力期望直流高壓發生器值有3種設置方式，分別為本地設置、模擬設置、通訊設置。
2.5.4 對外接口
（1） 模擬量輸入:2路，4～20ma 或0～5vdc 。4～20ma時輸入阻抗250ω，0～5vdc電壓輸入時輸入阻抗≥10mω。用于接收速度設置或被控量設置的模擬信號。
（2） 模擬量輸出:2路，4～20ma 或0～5vdc輸出。4～20ma輸出時zui大阻抗500ω，0～5vdc電壓輸出時zui小阻抗5000ω。以模擬方式輸出變頻器的運直流高壓發生器行速度、變頻器的輸出電流等變量。
（3） 數字量輸入:32路，光電隔離，隔離電壓500vac。接收遠程控制信號，速度給定開關信號及各開關狀態等。
（4） 數字量輸出:16路，中間繼電器隔離，隔離電壓750vac，接點容量。輸出變頻器狀態，控制主電源開斷等。
（5） 通訊接口:rs-485，profibus通訊規約，實現與上位系統的通訊。
控制接線如附表所示。
附表 控制接線編號
2.5.5 全中文windows人機界面
全中文windows人機界面如圖5所示。
圖5
主界面如下:
參數設置界面（如圖6所示）。
圖6 人機界面
3 工作原理
風光變頻器采用先進的功率單元串聯疊波（又稱功率單元多重化結構）方式、正弦波pwm調制方法，利用成熟的低壓變頻器技術和功率器件igbt，從原理上保證了系統的可靠性，并使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善，在美國該方式變頻器號稱無諧波。
功率單元和控制系統之間采用光纖通訊，實現強弱電間的*電氣隔離，提高了整個系統的抗干擾能力。
4 單元旁路及冗余設計
為了zui大限度滿足試驗連續運行的要求，本系統提供兩種旁路運行方式:單元旁路和工頻旁路。
4.1 單元旁路
運行過程中，若某個功率單元發生可旁路性故障（如單元過熱、單元過流、igbt故障等），系統將自動旁路掉故障單元及另外兩相相同位置的單元。單元旁路后，因每相串聯單元數減少，變頻器將降容運行（輸出額定電流不變，直流高壓發生器額定電壓降低）。此時，若變頻器運行頻率較低，單元旁路不對變頻器運行造成任何影響。
功率單元采用晶閘管作為旁路器件，整個旁直流高壓發生器路過程是微秒級的，不會對運行產生沖擊。因此，旁路直流高壓發生器是無擾動的。
變頻器單元旁路運行時，將給出輕故障報警信號。在條件允許的情況下，用戶應盡快使變頻器退出運行，更換故障單元。
4.2 工頻旁路
當變頻器發生重故障無法繼續運行時，變頻器將立即分斷高壓輸入，系統自動將電機投入工頻運行，以確保生產的連續性。
從上述幾點可以看到，首先風光直流高壓發生器變頻器是穩定可靠的，其次，即便變頻器出現故障，仍可以通過相應手段保證電機繼續運行，不會對生產造成影響。
5 風機的特性及節能效益分析
風機是一種平方轉矩負載，其轉速n與風量ｑ、風壓ｈ及風機軸功率的關系為：
ｑ1＝ｑ2（n1/n2）、h1＝h2（n1/n2）2、ｎ1直流高壓發生器＝n2（n1/n2）3
當然轉速的下降也會引起效率的降低及對附加控制裝置的效率影響等，假定效率為η,一般為80%。
采用變頻技術調節不同風量時消耗的功率為:
p變=n3p1/η
原運行狀態風機擋板開度約為70%，變頻改直流高壓發生器造后，將風門全開，調整電機轉速，頻率調至工頻頻率的70%,頻率按調至38hz運行。
則n= n1/n2=38/50=0.76
（1）201#風機
電機參數為:
p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
原系統實際運行功率為p1≈515kw
在變頻低速（38hz）下直流高壓發生器運行時的功耗為:
p變1=n3p1 / η =0.763 ×515/0.80=282kw
變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
變頻改造后在吹風時每小時節省電能為:
△p= p1－p變2=515－280=235kw
根據電爐每日出鐵四次,每爐平均冶煉時間4h。
共計節省電能w=△p×t=235×4=940kw·h
按電費0.31元/ kw·h，直流高壓發生器每天4爐，每年300天計算,
節省電費:0.31×4×940×300=349680.00元
（2）202#風機
電機參數為:
p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
原系統實際運行功率為p1≈595kw
在變頻低速（38hz）直流高壓發生器下運行時的功耗為:
p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw
變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
變頻改造后在吹風時每小時節省電能為:
△p= p1- p變2=595-208=387kw
根據電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h。
共計節省電能w=△p×t=直流高壓發生器387×4=1540kw·h
按電費0.31元/ kw·h，每天4爐，每年300天計算,
節省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元
（3）101#風機
電機參數為:
p0=630kw u0=6000v i0=71.62a i1=60a cosφ=0.90
原系統實際運行功率p1=1.732×i1×u×cosφ=
1.732×60×6000×0.90≈561kw
在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
p變1=n3p1/ η =0.763 直流高壓發生器×561/0.80=307kw
變頻改造后在吹風時，可以運行在38hz ，可以滿足生產的需要。
變頻改造后在吹風時每小時節省電能為:
△p= p1－p變2=561－307=254kw
根據電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h
共計節省電能w=△p×t=254×4=1016kw·h
按電費0.31元/ kw·h，每天4爐，每年300天計算,
節省電費:0.31×4×1016×300=377952.00元
（4）102#風機
電機參數為:
p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90
原系統實際運行功率為p1≈595kw
在變頻低速（38hz）下運行時的功耗為:
p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw
變頻改造后在吹風時，直流高壓發生器可以運行在38hz，可以滿足生產的需要。
變頻改造后在吹風時每小時節省電能為:
△p= p1- p變2=595-208=387kw
根據電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h。
共計節省電能w=△p×t=387×4=1540kw·h
按電費0.31元/ kw·h，每天4爐，每年300天計算,
節省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元
6 結束語
變頻改造后，節能是主要的，其次還能帶來很多其他的效益。
（1）變頻調速器其良好的可靠性以及調速范圍廣且平滑能滿足工藝要求，軟啟動，小的啟動電流亦可以減少對電網的沖擊；
（2）變頻系統各種保護功能可靠，從而消除直流高壓發生器了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現象，確保了安全運行；
（3）減少了設備的維護和維修量，降低了維修費用；
（4）減少了調節閥門的開關次數，降低直流高壓發生器員工的勞動強度；
（5）改造后，精簡了控制程序，使操作更加方便，提高了生產效率，從而達到了節能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。
