0 引言
冶金行业在钢铁的冶炼过程中，会伴有大量的烟尘产生，为保证环境不受污染，必须用大功率除尘风机来进行冶炼工艺的优化运行控制，使有害烟气经除尘系统净化后再排放，以达到降低空气污染和提高空气质量的目的。
目前，钢铁企业在冶炼除尘风机的风速控制上大多使用阀门、挡板控制，再进一步的采用液力耦合器控制，在这些装置的使用过程中，存在以下一些问题：
（1）使用阀门和挡板控制，耗电量大，设备易损坏；
（2）采用液力耦合器控制，节能效果差；
（3）控制延迟性较大，系统不能快速响应，除尘效果达不到要求；
（4）电机启动冲击电流大；
（5）设备维修工作量大，维修费用高。
针对这一系列问题，为了进一步提高工艺水平，降低风机能耗，通过理论研究和现场分析，采用带制动电路的三电平中点箝位电源逆变器构成的高压变频器，可对转炉除尘风机进行优化控制。
1 工艺要求及控制的可行性分析
1.1 转炉除尘风机的工艺要求
转炉工作一个工艺周期的工艺流程见表 1 。
表 1 转炉工作工艺流程表
序号 工艺流程 时间 /min 除尘风机速度要求 烟尘情况
1 装铁、加废钢 3.5 低速 烟尘较少
2 吹氧冶炼 12.5 ～ 14 高速 烟尘最多
3 拉碳 1.5 中速 烟尘较多
4 出钢 2.5 低速 烟尘较少
5 渣补 2.5 低速 烟尘较少
6 倒渣 1 低速 烟尘较少
在B点，工艺要求风机转速迅速升高，B→C点时间应为 30s 。在C点，风机达到高速运转，C→D的时间为12.5～14min ；在D点，工艺要求风速从高速降到中速；在F点，风速应从中速降到低速，D→E 和 F→G 时间均应为30s ，这样就完成了一次炼钢周期。
从转炉工作情况看，转炉每个冶炼周期为25min左右，吹炼时间和装、出料的时间基本各占一半，风机在转炉吹炼时高速运行，在吹炼后期及补吹时中速运行，而在出钢和装料期间可将速度降低到额定转速的10%～15% ，低速运行，即可满足转炉冶炼工艺的除尘要求。
从以上分析看，风机电机需要调速运行。目前，在转炉风机运行上大多采用液力耦合器进行调速控制，它比直接调整风门前进了一步，提高了负载的功率因数，改善了电机的启动冲击，传递功率大，操作维修简单。但其滑差功率损失较大，调速范围相对较窄，速度变化跟随慢，节能效果较差[1] 。随着国家对环境保护的日益加强，企业挖潜增效的日益深入，生产现场需要调速范围宽，生产效率高，节能效果显著，并能在原有设备基础上，方便地改造电气装置，优化除尘风机的控制 。
变频调速装置可以方便地实现风机的上述要求，变频器具备软启动、软停止、频繁启动不会对设备及电网产生冲击，速度跟随快，节能显著的功能[3] 故当转炉在非吹炼期间风机没有除尘任务时，可以减速运行，并利用减速过程的惯性再用高压水对叶轮进行冲洗。在实际的工艺控制过程中，可根据实时检测烟道烟尘浓度或氧枪工作信号与调速系统构成闭环控制方式，实现风机自动调速控制运行[1] 。因此，变频器就是可以承担此重任的装置。
1.2 高压变频装置的可靠性
在转炉除尘风机上，大多使用高压大功率电机，这就需要采用高压的变频装置。高压变频装置是否可靠，主要体现在其逆变环节中的电力电子功率模块的性能。近年来，随着高压大容量电力电子器件IGBT 、IGCT的出现，以及器件串联、并联技术的发展应用，推动交流传动系统在结构、容量和性能方面的不断突破，使高电压、大功率变频器产品的生产应用成为现实 [2] 。
2 高压变频装置方案选择
电动机变频调速技术是当今节约电能的一个重要措施，也是现代电气传动的发展方向，大功率电机的变频调速可以大幅度减少启动时对电网的冲击以及启、制动时的功率损耗[3] 。
在转炉除尘风机的变频控制上，根据工艺特点，需对其变频装置回路方案进行选择。
2.1 整流回路方案选择
随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减少干扰，可采用多重化整流电路，即按一定的规律将两个或更多相同结构的整流电路 ( 如三相桥 ) 进行组合。
整流电路进行移相多重联结可以减少交流侧输入的电流谐波，而对串联多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数[2] 。
多重化整流电路常见的有12脉波整流、18脉波整流，为最大限度地减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰，同时在采用相同器件时可达到更大的功率，采用了24脉波不控整流，由移相 15°的４脉波移相整流变压器和四重三相整流桥构成。
2.2 逆变回路方案选择
目前，逆变的主流方式有两电平电流源方式、三电平电压源方式和级连多电平方式[2]。
2.2.1 电流源方式[2]
电流源控制的优点是对转矩的控制方法成熟，可以实现能量回馈的四象限运行，允许快速制动。缺点是随着输出频率的降低，调相运行带来的电流谐波污染加大，需要对电流谐波进行治理。在使用该类变频器时，附加的谐波治理、电能质量改善引起的成本很大。因此 , 在不能或不愿进行大规模的电能质量改善条件下，可先不考虑电流源方式的使用。
2.2.2 电压源方式和级连多电平方式[2]
随着斩控器件 ( 非晶闸管类的反向电流或过零关断器件 ) 的发展，电压源逆变器因为控制方式灵活，日渐成为主流。电压源逆变器在高压领域使用较多的是级连多单元多电平方式和三电平方式。如图2和图3所示。
级连多电平方式采用浮动电源供电，如为6kV 电动机设计的变频器，一般要5～8级，采用 15～24组独立供电的单元，在出口串联，构成高压直接驱动。
三电平方式则是采用高压I GCT或者I GBT串联构成一个三电平中点箝位电压源逆变器，特点是三相共用直流母线。
这两种电路在输出上没有太大区别，一般三电平的变频器会在输出侧设置一个内置的LC滤波器，以使输出电压表现为正弦波形式，消除驱动电动机时的dv /dt的影响，同时解决长线传输问题。
采用三电平和多电平结构的变频器，可以减小电流、电压波形中的谐波分量，实现输入、输出波形趋近正弦波，并且使得每个主开关器件关断时所承受的电压大幅度减小，特别适合于高电压大容量的应用场合。
在变频控制中，如何选择逆变器类型，主要考虑的是工艺需要和性价比。在转炉冶炼的过程中，对于除尘风机，工艺要求快速降速，从图 1 吹炼工艺曲线上看，从 D → E 和 F → G 的时间要短，于是必须对电动机进行制动的控制，而电动机和风机系统的转动惯量较大，降速过程中的部分机械能量需要释放。如对此能量不加处理，将会因为降速时的异步电动机再生发电问题，导致直流母线电压升高，从而损坏有关的开关元件。
对于该部分能量的处理方式主要有两种：
① 注入谐波制动转矩，将其消耗在电动机的转子和定子上；
② 采用外加制动电阻，消耗在制动电阻上。
由于该过程在转炉风机运行中频繁出现，如果将它消耗在电动机上，电动机的发热将因此超过设计值，特别是变频后的转子速度降低，电动机自身散热能力下降，必须配以冷却装置，才可保证安全运行，辅助装置较为繁琐，且因为风机附近的防爆要求，辅助成本投入也较大。注入谐波方式不适用。
外加制动电阻的方式，因为级连多单元多电平变频器有15～24个独立的电源，制动电路需要15 ～ 24组独立的模块，具体实施装设存在较大难度。三电平中点箝位电压源方式逆变器因为共用直流母线，制动电阻可以集中装设，与低压变频器一贯使用的制动方式相同，技术也成熟，适合转炉除尘风机控制使用。
3 除尘风机控制总体方案确定
（1）高压变频装置方案：24脉波交一直不控整流(由移相15°的24脉波移相整流变压器和四重三相整流桥构成)，带制动电路的三电平中点箝位电压源直一交逆变回路，原理如图4 。
（2）根据升速时间要求，变频器的输出功率要在电机额定功率的1.4倍以上，以适应快速升速的要求。
（3）根据下降的快速性要求，变频器应有能量吸收装置。
（4）风机运行在原有高、低速基础上增加中速段。
（5）为保证变频故障时风机不至于停机，装设工频旁路回路。
（6）采用上位机操作、运行监控、故障监测报警及输出运行报表，并全中文操作画面。
（7）系统配置：每套转炉风机系统配置有高压隔离开关、断路器、高压变频器、旁路柜及上位监控计算机等。
4 现场实施效果
采用此控制方案，对50t氧气顶吹转炉除尘风机控制系统进行改造，将其原有的液力耦合器控制改为高压变频器控制，效果非常显著。
4.1风机电机参数
型号：Ｙ KA-1000- ２ 额定功率： 1000kW 额定电压： 6000V
额定电流： 114A 额定转速： 2970r/min
4.2 运行效果
采用高压变频器控制后可实现如下效果。
（1）电流谐波小，功率因数高，对电网的谐波污染小，无需增加任何滤波或功率因数补偿装置。 （2）电动机实现了真正的软启动、软停车，可消除对电网和负载的冲击；同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机处于共振点运行，消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命。
（3）整机的运行噪声明显改善。
（4）调速范围广，风机可非常平滑稳定的调整风量，运行参数得到了改善，增强了工艺调节能力，提高了效率。
（5）全中文监控画面，可方便地设定高、中、低速度给定值和加减速时间，还可在线修改当前速度，实时监控电压、电流、运行频率，实时监测故障，并能准确故障定位和报警、保护。
4.3 节能效果
通过对变频调速与液力耦合器控制吨钢电耗对比见表 2 。
表 2 变频调速与液力耦合器控制吨钢电耗对比
时间 1 # 、 2 # 炉风机投变频器 3 # 、 4 # 炉风机投液力耦合器
用电量 产量 吨钢电耗 用电量 产量 吨钢电耗
k*w*h t k*w*h/t k*w*h t k*w*h/t
2004年11~12月 1011600 210578 — 1981800 309230 —
2005年1~10月 3341738 789215 — 7329700 1151067 —
合计 4353338 999793 4.35 9311500 1460297 6.37
使用液力耦合器调速，吨钢用电：6.37kW·h/t ；
使用变频调速器，吨钢用电：4.35kW·h/t ；
吨钢节电：6.37－4.35=2.02kW·h/t 。
按两台转炉年产量200万t 、高压变频器实际开动率80% 、电费0.47元/ kW·h核算，
全年节电：200万×80%×2.02×0.47 = 151.9万元，节能效果显著。
5 结论
此套转炉除尘风机控制系统，可以实现全自动闭环控制，随冶炼工艺的变化及时准确地调整风机风量，以满足不同风机负荷的要求。对于大功率的除尘风机采用高压变频器控制，对提高除尘器的收尘效果和降低电能损耗非常有利，系统的运行效果和经济效益也明显提高。因此，这套控制方法不失为目前进行除尘控制的优化控制方法，可以推广到热电、炼焦等工业过程中，将会有极其广阔的应用前景
