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摘要：随着冶金工业节能降耗的迫切要求，变频节能技术在冶金工业中的应用已成为一种趋势。变频调速技术随着自动控制技术及电子技术的快速发展在工业中得到广泛应用，变频技术的应用有效提高机组自动化水平，降低冶金成本，提高了电机设备使用寿命.
关键词：变频技术；调速控制；节能
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-392-01
0前言
冶金行业是在国民经济中的比重非常大，现代冶金企业的特点不同于其它行业的工业企业，生产规模较大，资源比较密集，自动化水平比较先进，连续、高效式地生产流程性企业。冶金行业的现状是能耗较大，污染严重，而且对自动化水平的要求较高。具备一定规模的钢铁企业基本上都已实现车间内的过程自动化控制系统，车间的生产已经高度的自动化，生产现场，有大量的现场设备需要进行控制。比如高炉的炼铁除尘风机。由于在出铁过程中会有大量烟尘产生，除尘风机需要瞬间提高风量，在整个冶炼过程中将废气排走，以降低环境污染，满足工艺要求。以前的除尘风机都是通过挡板调节风量，现在采用变频器进行调速，就节省了损耗在挡板上的能量。炼钢厂有转炉水泵房、精炼炉水泵房、连铸机水泵房，由于生产设备需连续冷却，所以各水泵房水泵需连续运行，能耗较大。另外冶金行业现场的环境非常恶劣——灰尘大、震动强、温度变化大，且需要24小时连续不断地运行，因此对生产现场控制设备较其他行业有更高的要求。炼铁厂的高炉除尘风机等设备，在冶炼过程中存在很大负荷变化，高变频器应用在这样的工艺场合，利用离心式负载的特性，在较低转速下可以起到节能降耗的作用。
1、变频技术概述
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。通过对电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制技术，在电压不变的情况下实施电频率改变，从而达到用电器的最大功效的发挥和节能的目的，主要采用交- 直- 交轉换方式，即将三相380V（220V）/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后再将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。通过变频器对电频率进行改变和控制，达到满负荷是频率高功率因数提高，负荷低时频率调低，达到节能目的。
（1） 脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）
PWM—VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。脉宽调制变压变频控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能不甚理想。
（2）矢量控制变频调速
矢量控制变频调速控制方式是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制变频调速在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
（3）直接转矩调速控制
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要矢量旋转变换中的复杂计算，简化交流电动机的数学模型，该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，以简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
2 、变频技术节能原理
2.1变频节能方面
由流体力学及图1可知，图1（a）风机和水泵的扬程（压力）与风量（流量）的关系曲线，图04（b）转矩与电机速度的关系曲线：P（功率）=Q（流量）×H（压力），
当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速为N1、N2，Q、H、P相对于转速的关系如下：
Q2=Q1×（N2/N1） （1）
H2=H1×（N2/N1）2 （2）
P2=P1×（N2/N1）3 （3）
例如：一台水泵电机功率为75KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为38.4 KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为9.375KW，省电87.5%.
2.2变频器软启动节能：
在电机全压启动时，启动电流等于（4-7）倍额定电流，会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，较大电流不仅对电网容量要求较高，对设备使用寿命造成很大影响，增加设备维护强度。采用变频节能软启动后，启动电流可以从零开始达到电机额定电流，减少了对电网冲击及延长设备使用寿命。
2.3功率因数补偿节能
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。无功功率造成能源浪费，降低电网的有效功率。，由公式P=S×COSФ，Q=S×SINФ，其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，COSФ-功率因数，采用变频节能调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、变频技术改造应用
针对型钢炼钢厂水泵设备（特别是离心泵）大量应用于循环水系统中，长时间连续运行，电能消耗很大。原运行方式采用转速不变，采用阀门、回流阀等调节流量的大小，水泵运行效率较低，造成能耗大大浪费、通过对水泵房系统中14台90KW-220KW的水泵电机控制系统进行变频控制改造，使用西门子公司水泵专用型变频器代替原施奈德软启动器。经改造后的变频系统运行稳定、启动电流大大减小。定、转子损耗小、对延长电机寿命十分有利，杜绝频繁开关阀门及憋泵情况发生，所以延长机械设备如阀门、水泵泵体的使用寿命。减少噪音、减少电机发热量，改善水泵的负载特性，提高系统的运行效率。节电效果显著，每台水泵基本上24小时全开，电度表测算数据，14台水泵一个季度 节约电费用约为25万元左右，年节约电费100万元。
4、结语
变频技术相对传统调速方式不仅能达到节能减排的要求，还可实时监测设备运行的电压、电流、频率和转速等参数数据，方便快捷调节参数。采用变频技术降低了对电网的冲击，同时达到了对设备保护功能，减少了设备维护费，变频技术在当前工业生产中有着广泛的应用空间。
参考文献：
[1]公冰.高压变频技术在热源厂循环硫化床锅炉风机上的应用[J].变频器世界，2006（08）.
[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.
[3] 变频器基础及应用[M].北京：冶金工业出版社，2003.
关键词：变频技术；调速控制；节能
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-392-01
0前言
冶金行业是在国民经济中的比重非常大，现代冶金企业的特点不同于其它行业的工业企业，生产规模较大，资源比较密集，自动化水平比较先进，连续、高效式地生产流程性企业。冶金行业的现状是能耗较大，污染严重，而且对自动化水平的要求较高。具备一定规模的钢铁企业基本上都已实现车间内的过程自动化控制系统，车间的生产已经高度的自动化，生产现场，有大量的现场设备需要进行控制。比如高炉的炼铁除尘风机。由于在出铁过程中会有大量烟尘产生，除尘风机需要瞬间提高风量，在整个冶炼过程中将废气排走，以降低环境污染，满足工艺要求。以前的除尘风机都是通过挡板调节风量，现在采用变频器进行调速，就节省了损耗在挡板上的能量。炼钢厂有转炉水泵房、精炼炉水泵房、连铸机水泵房，由于生产设备需连续冷却，所以各水泵房水泵需连续运行，能耗较大。另外冶金行业现场的环境非常恶劣——灰尘大、震动强、温度变化大，且需要24小时连续不断地运行，因此对生产现场控制设备较其他行业有更高的要求。炼铁厂的高炉除尘风机等设备，在冶炼过程中存在很大负荷变化，高变频器应用在这样的工艺场合，利用离心式负载的特性，在较低转速下可以起到节能降耗的作用。
1、变频技术概述
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。通过对电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制技术，在电压不变的情况下实施电频率改变，从而达到用电器的最大功效的发挥和节能的目的，主要采用交- 直- 交轉换方式，即将三相380V（220V）/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后再将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。通过变频器对电频率进行改变和控制，达到满负荷是频率高功率因数提高，负荷低时频率调低，达到节能目的。
（1） 脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）
PWM—VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。脉宽调制变压变频控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能不甚理想。
（2）矢量控制变频调速
矢量控制变频调速控制方式是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制变频调速在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
（3）直接转矩调速控制
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要矢量旋转变换中的复杂计算，简化交流电动机的数学模型，该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，以简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
2 、变频技术节能原理
2.1变频节能方面
由流体力学及图1可知，图1（a）风机和水泵的扬程（压力）与风量（流量）的关系曲线，图04（b）转矩与电机速度的关系曲线：P（功率）=Q（流量）×H（压力），
当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速为N1、N2，Q、H、P相对于转速的关系如下：
Q2=Q1×（N2/N1） （1）
H2=H1×（N2/N1）2 （2）
P2=P1×（N2/N1）3 （3）
例如：一台水泵电机功率为75KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为38.4 KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为9.375KW，省电87.5%.
2.2变频器软启动节能：
在电机全压启动时，启动电流等于（4-7）倍额定电流，会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，较大电流不仅对电网容量要求较高，对设备使用寿命造成很大影响，增加设备维护强度。采用变频节能软启动后，启动电流可以从零开始达到电机额定电流，减少了对电网冲击及延长设备使用寿命。
2.3功率因数补偿节能
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。无功功率造成能源浪费，降低电网的有效功率。，由公式P=S×COSФ，Q=S×SINФ，其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，COSФ-功率因数，采用变频节能调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、变频技术改造应用
针对型钢炼钢厂水泵设备（特别是离心泵）大量应用于循环水系统中，长时间连续运行，电能消耗很大。原运行方式采用转速不变，采用阀门、回流阀等调节流量的大小，水泵运行效率较低，造成能耗大大浪费、通过对水泵房系统中14台90KW-220KW的水泵电机控制系统进行变频控制改造，使用西门子公司水泵专用型变频器代替原施奈德软启动器。经改造后的变频系统运行稳定、启动电流大大减小。定、转子损耗小、对延长电机寿命十分有利，杜绝频繁开关阀门及憋泵情况发生，所以延长机械设备如阀门、水泵泵体的使用寿命。减少噪音、减少电机发热量，改善水泵的负载特性，提高系统的运行效率。节电效果显著，每台水泵基本上24小时全开，电度表测算数据，14台水泵一个季度 节约电费用约为25万元左右，年节约电费100万元。
4、结语
变频技术相对传统调速方式不仅能达到节能减排的要求，还可实时监测设备运行的电压、电流、频率和转速等参数数据，方便快捷调节参数。采用变频技术降低了对电网的冲击，同时达到了对设备保护功能，减少了设备维护费，变频技术在当前工业生产中有着广泛的应用空间。
参考文献：
[1]公冰.高压变频技术在热源厂循环硫化床锅炉风机上的应用[J].变频器世界，2006（08）.
[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.
[3] 变频器基础及应用[M].北京：冶金工业出版社，2003.