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[摘 要]变频器节能技术是目前电力专业的一个重要课题。变频器在工厂实践中体现出非常优越的节能效果，目前已在各个领域推广使用。钢铁企业是我国第一产业的耗能大户，因此在钢铁行业推广使用节能变频技术迫在眉睫。本文主要介绍变频器节能原理，以及变频器节能改造技术在冶金企业的应用。
[关键词]变频器，钢铁行业，节能改造，电耗
中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0270-01
一、变频器节能原理介绍
变频器是利用电力半导体器件的通断作用实现工频电源变换为另一频率的电能控制装置。在工厂实践应用中，变频器具有非常好节能效果，笔者在此简单介绍一下变频器的节能原理。
变频器在设计过程中，为了保证生产的可靠性和稳定性，其各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。第一，变频器能够实现动态节能调整，迅速适应负载的变化，准确供给最大效率电压值。第二，变频器装置可以通过变频自身的V/F功能来节约电能：在保证电机输出力矩的情况下，安装有变频器的电力系统能够自动调节V/F曲线，减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能效果。第三，变频自带软启动节能：在电机全压启动时，因电机启动力矩的需求，要从电网吸收7倍左右的电机额定电流，而过大的启动电流会直接导致电能的浪费，这种情况对电网的电压波动损害也是非常大的，而且进一步增加了线损和变损；在采用变频器的软启动功能之后，启动电流可从零到电机额定电流逐步增大，减少了启动电流对电网的冲击副作用，节约电能，减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。第四，变频器能够通过提高功率因数实现节能效果：电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩，绕组具有一定的感抗作用，使电机在运行时吸收大量的无功功率，因此降低了功率因数；变频器节能调速器后，其性能转变为AC-DC-AC模式，经过整流滤波后，负载特性发生了相应的变化，这时变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗，实现了变频节能的效果。
二、冶金企业变频节能改造迫在眉睫
钢铁工业是材料工业，由于钢铁具有良好的物理和化学性能，因此钢铁是现代工业中应用最为广泛、发展最为迅速的金属材料，同时也是建筑、铁路、航运、汽车、电力、电器、食品等工业不可缺少的材料。
钢铁工业耗电量极大，中国电工产品耗电约占全国总发电量的七成份额，而冶金系统年耗电量约占全国发电量的十分之一左右，驱动的电动机占很大一部分，其中要求调速的占80%以上，故其有效操作和节能降耗是至关重要的。钢铁工业具有产量大、经济效益大的重要特征，而且要求作业率高，同时，冶金行业具有生产连续性的重要特点，因此能源消耗极高，非常具有节能空间。例如，国内的板带热连轧厂年产量大都超过600万吨，生产过程中稍有故障停车，就会造成很大的损失，故提高作业率极为重要。
目前，钢铁企业使用的电动机有直流电动机和交流电动机，由于许多要求调速的生产机械对电气控制系统有一定的要求，比如调速范围、动态响应、静差度等等。以往直流电动机一直占主导地位，普遍应用，但是直流电动机有一系列的缺点，包括结构上有换向器及电刷使日常维护量增加、电刷与整流子经常产生火花而要求安装环境较好及不能用于易燃易爆场所、与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大、价格昂贵、效率较低等。相比之下，交流电动机则没有直流电动机的这些缺点，而且交流电机维护量较少、作业率较高。近年来，随着电力电子和微电子技术发展及现代控制理论应用，交流调速技术迅速发展起来，其调速特性已经超越了直流调速性能，甚至完全可代替直流电动机及其调速系统。交流调速有多种方法，具体包括：异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等。其中。变频调速是交流调速的主流技术。变频调速的变频电源有旋转变频机组和静止变频装置。前者，由异步或同步电动机—直流发电机和直流电动机—同步发电机两套机组组成；后者，由电力电子器件和微电子器件组成，没有任何可动元件。旋转变频机组因其设备庞大、有可动部分、维护量大、效率低和性能差等缺陷，目前已被静止变频装置取代。现在所指的变频调速是指静止变频调速装置或变频器。据统计使用静止变频调速以后，能够节约1-3%的电能。因此，交流电动机驱动和变频调速在钢铁厂已广泛应用，尤其是近年来新建的机组，以及一些单机达到10000kW的大功率机组，都已经使用交流电动机驱动和交流调速技术。总而言之，变频调速经济效益高，该技术在钢铁领域的推广应用迫在眉睫。
三、变频节能改技术在钢铁企业的应用
交流调速及变频器在钢铁工业应用经过了多个阶段。最初，交流调速主要用于冶金企业的风机、水泵等长期恒速运转但阀门可调节的设备；到上世纪80年代初，日本川崎钢铁公司首先在连铸车间实现全交流化，标志着变频节能技术取得了良好的效果；此后，这种技术推广到各个工序、各个车间。由于热轧板带轧机要求严格、产量大，稍有故障或性能达不到要求，极易造成重大损失，因此直到数字控制技术和矢量控制技术完全实用化，才为热轧板带轧钢厂轧机主传动交流化创造基础。所谓矢量控制，其电动机轴上装有脉冲发生器，并以此进行速度反馈构成闭环系统，用数字控制方式进行速度控制或力矩控制，因而调速范围宽，调速精度高，动态性能已达到直流调速。现代钢铁企业中，要求严格、技术复杂和产量大的热轧板带轧机工厂逐渐开始重视变频节能技术，逐步实现各个工序和车间的交流化，以变频节能改造推动企业经济效益的提升。事实上钢铁工业全交流化就已实现，冷板带连轧机、中厚板轧机、线棒轧机、型钢轧机、钢管轧机包括主、辅传动都相继使用交流变频调速，笔者认为目前冶炼车间仍然存在着变频节能改造的巨大空间，典型代表是高炉炼铁车间。例如，某钢铁企业高炉上料矿槽除尘风机电机变频改造案例。节能改造之前，高炉矿槽除尘风机电动机原设计为工频状态运行，电机额定功率2000kW，额定电流135.4A ，额定电压10000V。电机工频运行时的电流为85A，每小时耗电量1250kWh，风机风门开度约55%，除尘器入口压力1750Pa，出口压力1867Pa。通过一系列的调研和分析，公司认为增加一套高压变频器，在满足现场工况的前提下，将电动机控制在合理的頻率范围内，达到节约电能的效果，预计每年可节约上百万元电费支出。项目完成后，高炉矿槽除尘风机电机变频器安装完成后，电机运行数据为：运行电流36A，每小时耗电量460kWh，风机风门开度约90%，出口压力2500Pa，节电率54%。电机每小时节约电量780 kWh，每月节约电量56.16万kWh，每月节约电费33.696万元。截至9月末，矿槽除尘风机总共节约电量58.032万kWh，节约电费34.82万元，折合71.32t标准煤。目前风机节能量为54%，距离节能公司技术协议中21.3%的标杆值还有较大的富余量。炼铁分公司计划下一步关停烧结配料除尘风机（电机额定功率900KW），将其除尘范围并入矿槽除尘风机，这样可以降低节能公司的收益，同时每天可节约电量2万kWh ，每月可节约电量60万kWh，烧结工序电耗可降低4kwh/t。
四、结束语
交流变频调速装置在钢铁工业中占重要地位，无论从生产需要或是经济效益的角度来看，其重要性不言而喻。但是，目前国内钢铁企业大多是引进国外技术，尤其是在大功率的轧钢主传动设备上。就国内而言，早期引进宝钢2050毫米热连轧r2、包钢1150毫米初轧机、鞍钢1150毫米初轧机，再到到“十一五”建设的宝钢1880毫米热连轧，都受惠于变频器节能技术，但其核心元件都为国外技术。因此，推动交流调速技术和变频器的国产化与产业化，是目前国内专家们共同面临的一个重要课题。
参考文献
[1] 许朝山.龚仲华.现代变频器的技术特点与发展方向[J]。制造技术与机床.2010年01期.
[2] 马社芳.王恪.李永武.杨丽娟。棒材机组应用变频器的问题分析与对策[J].中国设备工程，2010年02期.
[3] 王育峰.利用现场总线实现转炉倾动变频器的远程监控[J]。冶金动力。2010年01期.
[关键词]变频器，钢铁行业，节能改造，电耗
中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0270-01
一、变频器节能原理介绍
变频器是利用电力半导体器件的通断作用实现工频电源变换为另一频率的电能控制装置。在工厂实践应用中，变频器具有非常好节能效果，笔者在此简单介绍一下变频器的节能原理。
变频器在设计过程中，为了保证生产的可靠性和稳定性，其各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。第一，变频器能够实现动态节能调整，迅速适应负载的变化，准确供给最大效率电压值。第二，变频器装置可以通过变频自身的V/F功能来节约电能：在保证电机输出力矩的情况下，安装有变频器的电力系统能够自动调节V/F曲线，减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能效果。第三，变频自带软启动节能：在电机全压启动时，因电机启动力矩的需求，要从电网吸收7倍左右的电机额定电流，而过大的启动电流会直接导致电能的浪费，这种情况对电网的电压波动损害也是非常大的，而且进一步增加了线损和变损；在采用变频器的软启动功能之后，启动电流可从零到电机额定电流逐步增大，减少了启动电流对电网的冲击副作用，节约电能，减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。第四，变频器能够通过提高功率因数实现节能效果：电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩，绕组具有一定的感抗作用，使电机在运行时吸收大量的无功功率，因此降低了功率因数；变频器节能调速器后，其性能转变为AC-DC-AC模式，经过整流滤波后，负载特性发生了相应的变化，这时变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗，实现了变频节能的效果。
二、冶金企业变频节能改造迫在眉睫
钢铁工业是材料工业，由于钢铁具有良好的物理和化学性能，因此钢铁是现代工业中应用最为广泛、发展最为迅速的金属材料，同时也是建筑、铁路、航运、汽车、电力、电器、食品等工业不可缺少的材料。
钢铁工业耗电量极大，中国电工产品耗电约占全国总发电量的七成份额，而冶金系统年耗电量约占全国发电量的十分之一左右，驱动的电动机占很大一部分，其中要求调速的占80%以上，故其有效操作和节能降耗是至关重要的。钢铁工业具有产量大、经济效益大的重要特征，而且要求作业率高，同时，冶金行业具有生产连续性的重要特点，因此能源消耗极高，非常具有节能空间。例如，国内的板带热连轧厂年产量大都超过600万吨，生产过程中稍有故障停车，就会造成很大的损失，故提高作业率极为重要。
目前，钢铁企业使用的电动机有直流电动机和交流电动机，由于许多要求调速的生产机械对电气控制系统有一定的要求，比如调速范围、动态响应、静差度等等。以往直流电动机一直占主导地位，普遍应用，但是直流电动机有一系列的缺点，包括结构上有换向器及电刷使日常维护量增加、电刷与整流子经常产生火花而要求安装环境较好及不能用于易燃易爆场所、与同容量交流电动机比体积和重量及转动惯量都较大、价格昂贵、效率较低等。相比之下，交流电动机则没有直流电动机的这些缺点，而且交流电机维护量较少、作业率较高。近年来，随着电力电子和微电子技术发展及现代控制理论应用，交流调速技术迅速发展起来，其调速特性已经超越了直流调速性能，甚至完全可代替直流电动机及其调速系统。交流调速有多种方法，具体包括：异步电动机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速，液力耦合器调速、机械差动调速、变频调速等。其中。变频调速是交流调速的主流技术。变频调速的变频电源有旋转变频机组和静止变频装置。前者，由异步或同步电动机—直流发电机和直流电动机—同步发电机两套机组组成；后者，由电力电子器件和微电子器件组成，没有任何可动元件。旋转变频机组因其设备庞大、有可动部分、维护量大、效率低和性能差等缺陷，目前已被静止变频装置取代。现在所指的变频调速是指静止变频调速装置或变频器。据统计使用静止变频调速以后，能够节约1-3%的电能。因此，交流电动机驱动和变频调速在钢铁厂已广泛应用，尤其是近年来新建的机组，以及一些单机达到10000kW的大功率机组，都已经使用交流电动机驱动和交流调速技术。总而言之，变频调速经济效益高，该技术在钢铁领域的推广应用迫在眉睫。
三、变频节能改技术在钢铁企业的应用
交流调速及变频器在钢铁工业应用经过了多个阶段。最初，交流调速主要用于冶金企业的风机、水泵等长期恒速运转但阀门可调节的设备；到上世纪80年代初，日本川崎钢铁公司首先在连铸车间实现全交流化，标志着变频节能技术取得了良好的效果；此后，这种技术推广到各个工序、各个车间。由于热轧板带轧机要求严格、产量大，稍有故障或性能达不到要求，极易造成重大损失，因此直到数字控制技术和矢量控制技术完全实用化，才为热轧板带轧钢厂轧机主传动交流化创造基础。所谓矢量控制，其电动机轴上装有脉冲发生器，并以此进行速度反馈构成闭环系统，用数字控制方式进行速度控制或力矩控制，因而调速范围宽，调速精度高，动态性能已达到直流调速。现代钢铁企业中，要求严格、技术复杂和产量大的热轧板带轧机工厂逐渐开始重视变频节能技术，逐步实现各个工序和车间的交流化，以变频节能改造推动企业经济效益的提升。事实上钢铁工业全交流化就已实现，冷板带连轧机、中厚板轧机、线棒轧机、型钢轧机、钢管轧机包括主、辅传动都相继使用交流变频调速，笔者认为目前冶炼车间仍然存在着变频节能改造的巨大空间，典型代表是高炉炼铁车间。例如，某钢铁企业高炉上料矿槽除尘风机电机变频改造案例。节能改造之前，高炉矿槽除尘风机电动机原设计为工频状态运行，电机额定功率2000kW，额定电流135.4A ，额定电压10000V。电机工频运行时的电流为85A，每小时耗电量1250kWh，风机风门开度约55%，除尘器入口压力1750Pa，出口压力1867Pa。通过一系列的调研和分析，公司认为增加一套高压变频器，在满足现场工况的前提下，将电动机控制在合理的頻率范围内，达到节约电能的效果，预计每年可节约上百万元电费支出。项目完成后，高炉矿槽除尘风机电机变频器安装完成后，电机运行数据为：运行电流36A，每小时耗电量460kWh，风机风门开度约90%，出口压力2500Pa，节电率54%。电机每小时节约电量780 kWh，每月节约电量56.16万kWh，每月节约电费33.696万元。截至9月末，矿槽除尘风机总共节约电量58.032万kWh，节约电费34.82万元，折合71.32t标准煤。目前风机节能量为54%，距离节能公司技术协议中21.3%的标杆值还有较大的富余量。炼铁分公司计划下一步关停烧结配料除尘风机（电机额定功率900KW），将其除尘范围并入矿槽除尘风机，这样可以降低节能公司的收益，同时每天可节约电量2万kWh ，每月可节约电量60万kWh，烧结工序电耗可降低4kwh/t。
四、结束语
交流变频调速装置在钢铁工业中占重要地位，无论从生产需要或是经济效益的角度来看，其重要性不言而喻。但是，目前国内钢铁企业大多是引进国外技术，尤其是在大功率的轧钢主传动设备上。就国内而言，早期引进宝钢2050毫米热连轧r2、包钢1150毫米初轧机、鞍钢1150毫米初轧机，再到到“十一五”建设的宝钢1880毫米热连轧，都受惠于变频器节能技术，但其核心元件都为国外技术。因此，推动交流调速技术和变频器的国产化与产业化，是目前国内专家们共同面临的一个重要课题。
参考文献
[1] 许朝山.龚仲华.现代变频器的技术特点与发展方向[J]。制造技术与机床.2010年01期.
[2] 马社芳.王恪.李永武.杨丽娟。棒材机组应用变频器的问题分析与对策[J].中国设备工程，2010年02期.
[3] 王育峰.利用现场总线实现转炉倾动变频器的远程监控[J]。冶金动力。2010年01期.