1 概述

高炉冶炼中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁的副产品．高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间共约30 min．在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30％ 水流量防止管道堵塞即可。

广东省韶关钢铁集团有限公司（以下简称韶钢）炼铁厂4#高炉使用ZGB一300型冲渣泵，有关数据如表1．

原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90％，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因素81．6％，耗电功率294kW．原来曾试用在不需冲渣时，调节阀门至30％来调节水流量（此时电机电流25A），但一方面节能效果不明显，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，得不偿失．最终只好让机组长期满负荷高速运行，造成极大的能源浪费．因此很有必要对此系统进行节能改造．

2 方案选择

从机泵工作特性曲线可得出其流量与转速成正比、轴功率与转速的3次方成正比，即 ．根据这一原理采用变频调速技术．对目前各种高压变频器进行分析后认为：高一低一高的变频器虽然可靠性较高，但需配置输入、输出变压器，必须增设厂房，施工周期长，设备较庞大、投资费用较高，而且效率较低、谐波含量大，严重影响电机使用寿命．拟应用直接高压变频器，但进口设备费用较高，而且设备体积也不小，不是首选，故目光投向国产．国产直接高压变频器比较见表2．

结合上表，通过对国内多家公司的技术经济指标比较和考察，从技术可靠、减少投资、体积最小、安装简便、维护容易等方面考虑，选择了成都佳灵电气有限公司生产的GY一6kV／400kW型IGBT串联直接高压变频器．

3 技术原理与特点

3．1 主电路简介

如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

功率器件是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98％ 的高压调速系统。

考虑到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室通过开关量信号操作．此信号接人变频器数字控制信号输入端，需冲渣时给调节系统一个“l”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行．输出频率的控制与调节由变频器本身自备的调节面板根据现场实际需要任意整定。

3．2 变频器的主要特点

（1）使用了IGBT串联直接高压二电平方式，利用该公司自行研制的1／3象限压拉动态均压、钳压技术攻克了当今世界IGBT串联使用时开关微秒级同步的难题。

（2）正因为采用了高性能的HV—IGBT模块，整个设备的体积非常小，跟国内外其它同规格的变频器比较其体积减少2／3～1／2。

（3）因设置了直流平波电抗器、功率因素提升电抗器、输出滤波器，优化了PWM 波形，具有谐波含量和直流波纹系数较低，功率因素较高，输出电压波形近似正弦波等优点。

（4）根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部．有效地解决了共模电压（也叫零序电压）问题，降低了电动机定子绕组的中心点和地之问的电压，从而不需任何绝缘措施可直接使用原有的普通鼠笼式电机。

（5）投资少，其费用比同规格的进口设备降低1／3以上。

4 实施过程及使用效果

4．1 安装调试

变频器的安装、调试从2001年11月开始，系统调试按如下步骤进行：

各控制单元单独上电（正常→整机控制系统上电（正常））→主电路上电（24h正常）→带电机运行（先25Hz运行8h再50Hz运行48h正常）→带水泵负荷运行（针对带载试机过程中出现的问题进行改进）。

在调试过程中对设备出现的如下问题进行了改进：

（1）输出电抗器温度过高．在带载试机过程中用红外线测温仪测得在室温25℃ 时电抗器绕组表面温度达110℃．经与厂家工程技术人员研究分析，认为其原因是原设计三相差模同心电抗器散热效果不好．于是改用三相差模独立分体电抗器，达到了室温40℃时电抗器绕组表面最高温度≤90℃ 的目的。

（2）滤波电容器膨胀爆炸．原因是原选用成都某电器厂生产的电容器制造质量有缺陷，后改用西安电气厂同规格产品，未再出现故障。

（3）IGBT串联模块驱动电源传导线放电．原因是原选用耐压30kV的传导线耐压等级不够．改用耐压40kV的传导线后此问题得以解决。

4．2 使用效果

变频器于2002年4月投入运行，运行情况一直良好．机组可在管道阀门全开状态下起动，冲渣时运行频率49．5HZ、测试变频器输入端电流28A、电压6300V、功率因数0．80、耗电功率244kW；不冲渣时运行频率25HZ、测试变频器输入端电流l0A、电压6300V、功率因数0．82、耗电功率90kW．技术性能指标．使用变频器前后电动机运行参数及耗电量分别见表3．

4．3 经济效益分析

（1）机组确变频调速与无变频调速时耗电差

（2）机组有变频调速时高、低速耗电差

（3）年节电量

（注：每年按365天工作日、H1一冲渣时间=15×30／60=7．5 h；H2一不冲渣时间=24—7．5=16．5h）

（4）年节电效益Y

Y=1064340×0．56=596030（元）

（5）节约维修费用：因冲渣水含有大量的炉渣，原系统管道和阀门在含渣水的高速冲刷下，很短时间内管壁就会变薄、阀门密封损坏须重新更换．一般情况下每年需维修费用约l5万元．经变频调速改造后，有一半时间内管道的水流速度降低，磨擦减少，管道和阀门的使用寿命大大延长每年可降低维修费用约30％ ，即5万元。

（6）每年可节省电费和维修费共646030元，本项目设备投资共60万元，安装费用1万元，由炼铁厂2001年固定资产大修费用开支．1a可全部收回成本。

5 项目实施的经验及存在问题

（1）对于经技术论证可行的项目要大胆实施，敢于应用新技术，不必贪大求洋。

（2）现有的变频器用于元件冷却的风机太小，数量过多，宜采用大风机以减少数量，有利于提高设备运行可靠性。

（3）变频器开关柜的操作目前是手动开关，宜改为直流全闸机构控制分、合闸，以提高安全系数．

（4）功率因数偏低，有待变频器设计时改进。

6 结语

实践证明国内首例IGBT串联直接高压变频器在韶钢的应用是成功的，开创了直接高压变频器工业应用的先河，在高压电子技术方面具有先进性，在运行方面具有高可靠性，在使用维护方面具有简易性，在费用投资方面具有较高的可比性，能有效地为节能降耗、提高企业的经济效益和自动化控制水平发挥作用。