前言：在高新科技应用水平持续提升的背景下，高压变频器技术理论体系日趋完善，在冶金企业节能改造中呈现巨大潜力。在冶金企业节能改造中应用高压变频器，不仅可以降低大功率传动设备耗能，而且可以提高冶金企业生产效益。因此，探析高压变频器在冶金企业节能技术改造中的使用具有非常突出的现实意义。

1  高压变频器的特性

高压变频器是指实际输入电源电压超出3kV的大功率变频器，包括低高、高高、高低高几种类型^[1]。当前广泛应用的高压变频器由IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等构件构成，具有谐波小、功率系数大、控制模型多等优良特点。

2  高压变频器在冶金企业节能技术改造中的使用方案

2.1构建拓扑结构

在基于高压变频器的冶金企业节能技术使用前，应构建集输入模块、输出模块、变频模块为一体的拓扑结构^[2]。在高压变频器内置功率单元每相串联单元数、额定电压、输出相电压、输出线电压一定的情况下，高压变频器满载时降容率与横转矩负载频率也基本一定。基于此，可通过调整高压变频器输出频率，进行电机电压的控制。

在输入模块，根据电流谐波性能优化需求，借助移相变压器，将输入三相高压交流电转换为低压，以低压交流电输入到功率单元模块。需要注意的是，若移相变压器为Y形接线，在其接入高压电源后，应维持干式结构，即依据延边三角形移相原理，将若干存在差异的移相角二次绕组，组成等效相数为9相（或12相/15相/18相/24相/27相）整流变压器，一次侧直接接入高压电网，二次侧具有若干低压三相绕组（线电压相对三绕组的移相角相等）。

在输出模块，为提高输出谐波性能，利用SPMW（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）方式，改变输出方波的占空比，降低漏极－源极电压的变化率。一般SPMW调制需通过二重化（串联二重化，错开非对称相位角，消除特定次谐波）处理，输出三种状态电平，分别为1、0、-1。

变频模块主要包括功率单元叠加模块、控制模块等组成。功率单元叠加模块负责将移相变压器处理后的三相低压交流电源转变为高压交流电，接入电机；控制模块（导通/闭合）则输出单相脉宽调制波形，控制功率单元的可控硅开度。

2.2选择控制模型

在冶金企业节能技术使用的背景下，高压变频器具有多种控制模型，根据不同冶金设备类型，可以选择不同的控制模型。以某冶金企业500kt/a冶炼烟气制酸装置二氧化硫风机配套10kV高压电机为例，可以选择矢量控制模型，调节速度节能。在风机标况风量为250000m3/h、电机额定功率为5800kW的情况下，设计高压变频器启动装置，装置旁增设手动旁路柜，实现控制回路与原高压水阻降压启动互锁，以便在高压变频器出现故障时顺利隔离。在高压变频器正常运行时，闭合手动旁路柜开关、高压变频器开关，高压变频器电源柜真空断路器合闸，变频拖动高压电机运行。在高压变频器调频幅度为0~50Hz、风机入口导叶为100%的情况下，根据不同工况，变频调速，局部见表1。

表1 基于高压变频器的冶炼烟气制酸装置二氧化硫风机配套10kV高压电机节能运行工况

根据表1，在不同工况，高压变频器调频幅度具有一定差异。在入口导叶开度一定的情况下，工况所需风量较小时，高压变频器调频幅度也较小，随着工况所需风量的增加，高压变频器调频幅度自动增加，可以降低电能损耗，提高节能效果。

对于矿用电力机车，根据其负载要求启动力矩大、运行平稳、爬坡能力强、速度控制精度与加速度要求不严格的特点，可选择高压变频器电动机无速度传感器控制模型，配合死区补偿技术，促使输出电流在低频范围内维持优良正弦特性。高压变频器电动机无速度传感器控制模型以实际转矩控制效果为重点，进一步简化传统转子磁场定向矢量控制模式，从定子磁场电流分量、转差频率两个方面，变更定子电流直轴分量，在满足电力机车对牵引力要求的同时，输出坡道上重载启动的额定力矩，最大限度降低输出频率，实现节能。

2.3设置变频保护

冶金企业为保证节能技术使用可靠性，多采用高压变频器带工频旁路方式。在高压变频器带工频旁路运行过程中，高压变频器开关、手动旁路柜开关均选择双刀双掷开关，高压变频器开关与手动旁路柜开关同时设置机械、电气互锁，确保高压变频器开关合闸前手动旁路柜开关已合闸。同时，考虑高压变频器常规差动保护因开关位置电流、中性线侧电流频率差异，无法进行差动保护，需额外配置差动保护，提供磁平衡差动所需的中性侧平衡保护。在差动保护配置时，根据保护两侧电流频率相同的要求，将一组电流互感器增设到高压变频器下方、电动机上方的变频器柜内，与中性侧电流互感器构成差动保护。从差动保护类型来看，可选择基于傅里叶算法的相量差动，也可选择采样值差动。基于傅里叶算法的相量差动是面向一个周波的采样点，核算流入、流出电流实虚部，推测差动电流幅值，形成相量比较依据；采样值差动则是面向同一时刻瞬时值，若全部通道采样电流值的和为0，则确定被保护高压变频器无横向内部故障，反之则判定被保护高压变频器存在横向内部故障，启动保护装置，隔离故障端与非故障端。

在差动保护配置的基础上，可配置后备保护。即高压变频器配置2台保护测控，保护测控之间经旁路开关节点形成的硬压板投退，确保任意时刻两台测控保护可同时投入使用，提高现场装置安全使用效率。

3  高压变频器在冶金企业节能技术改造中的使用效果展望

3.1延长冶金设备使用年限

高压变频器在冶金企业节能技术改造中的应用，可以减少冶金设备实际启动与运转期间对电网的冲击，降低电动机绝缘损害^[3]。同时，借助高压变频器启动冶金设备电动机，可以确保电动机运行压力值与风量值均处于平稳状态，减少对冶金设备电动机低负荷状态磨损，延长冶金设备健康使用年限。

3.2提高冶金企业自动化运转水平

高压变频器控制涵盖了电动机稳态、电动机矢量、电动机无速度传感器、电动机直接转矩控制等。在冶金企业节能技术改造中应用高压变频器，可以借助高压变频器多元控制方式，在线控制冶金设备，提高冶金企业自动化运转水平。

结束语

综上所述，高压变频器具有谐波小、功率系数大、控制模型多等特点。冶金企业可以建立高压变频器节能拓扑结构，在拓扑结构内，根据冶金设备类型，选择适宜的高压变频控制模型，并设置保护装置，充分发挥高压变频器的优势，延长冶金设备使用年限，提高冶金企业自动化运转水平。

参考文献：

[1]丘东梅,何旭智,韦高敏.高压变频器特性及其应用[J].电气技术与经济,2021,(01):46-48.

[2]尹虎平,史玉镜,苏学芳,等.变频器在冶金工业中的应用与维护[J].装备维修技术,2020,(02):383.

[3]胡涛.闪速炉排烟风机高压变频器改造[J].湖南有色金属,2020,(04):38-40.