1、引言
韶关冶炼厂烟化炉，是用于处理密闭鼓风炉炉渣的炉窑设备，其主要设备主鼓风机（型号为d210-4）是为烟化炉吹炼过程中提供高压空气，由一台6kv，500kw的三相交流异步电动机（型号为jk2500-2）拖动。由于烟化炉吹炼作业是间歇性的，一般情况下，作业周期是120～180min，其中放渣15～20min，进料15～40min，每天其正常作业周期内各阶段吹炼的需求风量变化很大，过去缺乏安全、有效的手段对风量进行调节，多数情况下，只能靠开、闭放空阀来调节入炉风量，造成大量电能浪费。因此，1998年韶关冶炼厂同长沙矿山研究院合作，共同开发研制出了采用电压型变频器构成的高-低-高式高压变频调速系统，用于韶关冶炼厂烟化炉风机的调速节能运行，取得了成功。
2、系统的方案选择
根据本系统电压等级为6kv，容量为500kw的三相交流异步电动机，可提出以下三种变频方式:
（1） 将高压电动机换为低压电动机，采用低压变频器，构成“高-低”式变频调速系统;
（2） 采用直接高压变频器;
（3） 采用“降压变压器+低压变频器+升压变压器”构成“高-低-高”式变频调速系统。
第1种方案必须更换原有电动机，增加变压器等附属设备，更换掉原有电动机，系统变化太大，不宜采用;第2种方案价格过于昂贵，对于小容量的电动机不合算;因此本系统最终决定采用第3种“高-低-高”式变频调速方案。
3、系统设计
本高压变频调速系统的方案图如图1所示。
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，采用的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。经过脉冲整流到达直流母线，经预充电回路和主接触器，再经直流环节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再经二绕组的升压变压器升压后，供给高压异步电动机。在本变频调速系统的两端，设有高压开关切换控制柜，以实现高压供电和切换。
3.1 电机的数据
电机采用原有的老电机，电机的铭牌数据为:
沈阳电机厂 出厂:72.12
由于这是一台1972年出产的老电机，已使用多年，而且是b级绝缘，绝缘等级低，对于这样的电机，若采用电流型变频器构成高-低-高式高压变频器是难以承受的，它对变频器调速系统的输出电压波形有严格的要求，否则将损坏电机。
3.2 采用三绕组变压器和12脉冲整流
采用三绕组变压器和12脉冲整流，将两个桥式整流电路双重联结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脉冲整流要求，采用分裂式结构形式，一个高压绕组，两个低压绕组，两个低压绕组移相30°电角度分别给两组二极管整流桥供电，每个二级管整流桥均为三相全波整流，共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p=12。
由此可见，本系统仅含11、13、23、25、……次谐波，有效地消除对电网污染量严重、危害最大的5次、7次谐波等。这种12脉冲整流可使谐波含量基本符合国际gb/t14549-93《电能质量.公用电网谐波》的规定，也符合国际ieee-519标准对谐波的规定，同时，这种电压型变频器的二级管整流桥保证了在整个调速范围内，有不低于0.93的功率因数。
3.3 采用电压源型变频器
采用电压源型变频器，以降低变频器价格和获得正弦波输出电流。本系统采用意大利ansaldo工业系统公司svtl860fn柜装型变频器，变频器由三个柜体组成，分别为整流柜，逆变柜以及辅助电源柜，其电路原理如图2所示。
（1） 整流回路
主要由两组三相刀开关，两组二级管整流、主接触器、预充电回路、电压、电流互感器等组成。系统初上电时预充电路闭合，通过限流电阻r给直流滤波电容预充电，避免合闸时电容上产生过电压，击穿电容。检测到电容端电压超过80%额定电压时，预充电回路断开，系统就绪，准备接受控制指令。当检测到过流、欠压、过压、过热等故障时，主接触器跳闸，系统进入保护状态，保证系统安全。
（2） 逆变回路
主要由igbt逆变桥、触发单元、控制单元、操作面板、直流滤波电路等，以及其它辅助单元等组成，整流输出的直流电经直流滤波回路滤波后送入逆变桥，根据所输入的控制参数由控制单元、触发单元等，控制逆变器的输出。
（3） 变频器的主要技术参数
主要技术参数有:
供电电压:380v～415v ac ±10%
输入频率:50～60hz ±3hz
输出频率:0.1～480hz 过载:110%～150% 1min
控制模式:矢量控制/标量控制
开关频率:2～16khz
电网侧功率因素:＞0.95
在额定功率时的效率＞0.98
防护等级:ip31（标准）
标准功能:转速/扭矩矢量控制（本系统采用速度控制）
加速/减速时间0.1～3000s
最大和最小频率限制
滑差补偿（v/hz控制）
三个跳跃频率 跳跃频率宽度范围0～30hz
保护功能主要有:
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4～20ma信号丢失
直流过电压
输出电路短路和接地保护等
（4） 采用正弦波滤波器, 以保证输出电压接近于正弦波
为了减少变频器输出电压的谐波含量，采用pwm脉冲宽度调制的控制方式，即逆变器的输出为一组高频方波，它近似地代替正弦波，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，谐波含量越小，du/dt则随着调制频率的升高而增大。若直接将逆变器的输出电压（见图3）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，这将严重威胁到电机的绝缘，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-高式变频调速系统的原因。
为了解决这一问题，在逆变器的输出侧设置正弦波滤波器，滤去高频谐波分量。在参数选择适当时，可使输出电流波形接近于正弦波，如图4所示。
由两波形对比可见:不带输出滤波器时，电压波形含有断续的很高的du/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%，而且电流波形的畸变率非常低，这使得在整个运行速度范围内，电机转矩脉动都非常小。同时，高次谐波引起的电机附加发热、导致电机的额外温升也非常小，因此，我们可以使用原有的电机，而无须重新选用变频器专用的电机。
（5） 升压变压器的特殊设计，以保证输出电流波形不产生畸变
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波形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，以保证输出电流波形不产生畸变，不产生高频振荡，降低噪声，同时保证变压器在规定范围内发热，本变压器达到了这些要求。
4、烟化炉风机变频调速系统的应用效果
4.1 烟化炉使用本系统后某个送风周期系统实验数据
烟化炉使用本系统后某个送风周期系统实验数据如表1所示。
4.2 本系统节能计算
采用本系统前后电能消耗的对比分析如表2所示。
由表2的统计可以计算出在使用了高压变频调速系统前后，烟化炉风机的年耗电量（一年开炉时间按230天计算）及节能数据。
原系统年耗电量为:9944.917×230=2287330.91（kwh）
新系统年耗电量为:211.315×24×230=1166458.8（kwh）
年节约电量为:2287330.91-1166458.8=1120872.11（kwh）
按韶冶现行电价0.61元／kwh计算，年节约电量 =0.61×1120972.11=68.3731万元。
本系统于1999年8月投入运行至今，使用情况良好，具有以下优点:
（1） 满足了烟化炉的工艺要求，该控制系统可靠性高，满足了烟化炉冶炼过程中对风量和压力的严格要求，为烟化炉的生产提供了保证;
（2） 变频器的使用节电效果显著，每年节约电费68万多元;
（3） 转速调节性能好，该变频调速控制系统使得风机的动态响应好，灵敏度高，调速范围宽;
（4） 由于变频器采用软启动的方式，对电机及风机的机械损伤极小，较好的保护了设备，设备故障率大大降低，减少了维修费用;
（5） 由于采用按钮及调速电位器进行操作，提高了自动化程度，方便了工人的操作。
5、结束语
韶冶烟化炉鼓风机高压变频调速系统的设计成功，并一次通过试车验收，形成年节电能112万kwh，节电率达49%，投资回报期为不到18个月，经济效益显著。通过五年多的生产实践，该项高压变频调速系统工作运行稳定、可靠。证明本系统的设计是成功的，用电压型变频器构成高-低-高式变频调速系统，在国内是一个创新，开辟了应用性能优良、价格较便宜、可靠性高的常压电压型变频器用于高压变频调速系统的先例。
