1.引言
随着国民经济的迅速发展，特别是世贸组织的加入和市场竞争的加剧，能源问题已经显得尤为突出，节能减排的大力投资成为各个行业提高市场竞争力新的亮点。而各个行业中，电机的应用极为广泛，它是工况企业中的主要动力，在冶金、石化、电力、矿业等各个行业中，用于风机、轧机、泵类等大型机械设备的拖动，尤其高压电机的电能消耗非常巨大，占企业所有电机电能消耗的65－75%之多。对于电机节能，高压电机的节能尤为突出。目前电机系统节能工程被定位国家发改委启动的十大重点节能工程之一。对电机系统的节能来说，不管从调速、起动和制动性能上来说，采用可控硅变频技术是最为理想的节能途径，尤其在某些特定工艺下，中、高电压、大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。
2.高压变频器的分类及节能优势
变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：
（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。
（2）向大功率方向发展。
（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。
高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。
高压变频器的分类一般可分为两大类：
（1）交—交变频器（无直流环节）
（2）交—直—交变频器（有直流环节）。
其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图1为三种高压变频器框图。
无论何类型的高压变频器在特定的工艺要求下，其节能的优势都是很明显的。在以往的大功率电机的节能调速，一般采用下列几种方式：星／角接启动器、自耦降压启动、配套电容补赏器，提高功率因数 终端电压、配套电磁调速器（适合于无级调速），减少启动时机械冲击等。以上几种节能调速，节能效果均不明显，并且调速范围窄，转速不稳定、电机的效率低，损耗大、经常出现故障，不能满足连续生产的需要、调节精度低，响应慢等。高压变频器以节能为目的典型应用是风机调速、泵类调速，为了保证生产的可靠性，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。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵（或风机）的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的，同时又可提高系统可靠性及稳定性。
3.案例剖析
现在已2006年河南济钢6#高炉出铁场除尘风机采用的北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器为例，从工艺、变频器结构、节能原理以及节能效果进行详细的分析介绍。
3.1 工艺
高炉在生产过程中，出铁场产生大量的烟囱，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是一个间隙性的工作制度，即高炉出铁时使用，不出铁时不用，使用率大约在60％左右。图2为高炉炼铁出铁场工艺周期。 图2：高炉炼铁出铁场工艺周期
图2中：
A到B、E到F为高炉冶炼时间，
B到C、F到G为升速时间，可以调节，
C到D、G到H为高炉出铁时间，
D到E、H到I为减速时间，可以调节。
每次高炉出铁时间约50分钟，为高速段，定为45Hz,可以调节；高炉冶炼时间约30分钟，为低速段，
定为5Hz,可以调节。
3.2 方案选择
根据以上工艺要求，又因为除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。如果风机长期采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上。如果采用液力耦合器调速，则由以往经验可知，液力耦合器存在以下主要缺点：
（1）调速范围有限，为50～95%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥；
（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害；
（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；
（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；
（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造；液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修；
（6）漏油严重，对环境污染大；可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。
经过以上的分析，既要满足工艺要求，又要达到调速节能的目的，采用高压变频器对电机进行拖动控制最为理想。方案定为一拖一方案，如图3所示。变频器选用专业制造高压变频的北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。
HARSVERT-A系列高压变频器为交—直—交电压源型变频器，采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，变频器每个系统共有21个功率单元，每7个功率单元串连构成一相，其系统结构如图4所示。其中(1)为高压开关；(2)为干式移相隔离变压器；(3)为电动机；(4)为功率单元；(5)为主控箱；(6)为人机接口；(7)为可编程控制器；(8)为电流霍尔；(9)为电压检测。 图4：HARSVERT-A系列高压变频器系统结构 3.4 变频调速节能原理
（1）变频调速的方法
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1—S)/p……
式中：n-电动机的输出转速；f-输入的电源频率；S-电动机的转差率；p-电机的极对数。
由公式可知，变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经过交-直-交变频方式，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
（2）变频调速的节能原理
除尘风机作为一种基本的风机类负载的工作特性如