摘要：在全球节能减排战略持续推进的背景下，钢铁行业作为高能源消耗领域，其节能改造已成为实现绿色转型的关键任务。风机作为钢铁生产流程中的核心辅助设备，存在耗电量大、能源利用率低的突出问题，成为钢铁企业节能降耗的重点突破方向。高压变频调速技术凭借其精准的转速调节能力，从根本上避免了传统节流调节方式造成的能源浪费，是当前风机类负载节能改造的高效技术路径。文章围绕高压变频调速技术在钢铁行业风机负载中的应用展开深入研究，针对技术应用中面临的高压适配性、系统稳定性、老旧设备改造兼容性等挑战，提出相应的解决方案与优化策略。文章研究成果为钢铁企业制定风机负载节能改造方案提供理论依据与实践参考，助力行业降低能源消耗、提升绿色生产水平，推动钢铁工业向低碳化、高效化方向发展。

　　关键词：钢铁行业；高压变频调速技术；风机；节能应用

　　钢铁行业是国民经济的重要支柱产业，也是高能耗、高污染的行业之一。在钢铁生产过程中，风机作为关键的动力设备，被广泛应用于烧结、炼铁、炼钢等各个环节。这些设备通常按照最大负荷进行设计选型，在实际运行中，由于生产工艺的变化，大部分时间并非处于满负荷运行状态。传统的流量调节方式，如调节阀门开度或挡板角度，会造成大量的能源浪费。据统计，风机的耗电量约占钢铁企业总耗电量的30%~40%，因此，对风机类负载进行节能改造具有巨大的潜力和迫切性。

　　高压变频调速技术作为先进的调速控制技术，近年来在钢铁行业的应用越来越广泛。高压变频调速技术通过精确调节电机的转速，使风机的输出流量与实际需求相匹配，从而有效降低能源消耗，提高系统运行效率。同时，高压变频调速技术还具有软启动、保护功能完善等优点，能够延长设备使用寿命，减少设备维护成本，为钢铁企业带来显著的经济效益和社会效益。

　　1高压变频调速技术原理

　　1.1交流异步电动机调速原理

　　交流异步电动机是钢铁行业风机类负载中应用最为广泛的电机类型，其转速公式如式（1）：

　　式中：n为电动机转速，r/min；f为定子供电电源的频率，Hz；p为电动机的极对数；s为电动机的转差率。

　　由公式（1）可知，改变交流异步电动机转速的方法主要有三种：改变电源频率f、改变极对数p和改变转差率s。改变极对数调速属于有级调速，调速范围有限，且需要专门设计的多速电机，应用受到一定限制；改变转差率调速，如通过串电阻调速、调压调速等方式，会增加转差功率损耗，调速效率较低。而改变电源频率调速，可以实现电机转速的连续调节，调速范围宽，且在调速过程中转差功率基本不变，能够保持较高的效率，是一种较为理想的调速方式。

　　1.2高压变频器的工作原理与分类

　　1.2.1工作原理

　　高压变频器是实现高压交流异步电动机变频调速的核心设备。其基本工作原理是将电网输入的高压交流电经过整流环节转换为直流电，再通过逆变环节将直流电转换为频率和幅值均可调节的交流电，供给电动机，从而实现对电动机转速的精确控制。在整流环节，常用的整流电路有二极管不控整流电路和晶闸管可控整流电路。二极管不控整流电路结构简单、成本低，但对电网的谐波污染较大；晶闸管可控整流电路可以通过控制晶闸管的导通角来调节输出直流电压的大小，同时也能在一定程度上抑制电网谐波，但控制相对复杂。逆变环节是高压变频器的关键部分，其作用是将直流电逆变为频率和幅值可变的交流电。

　　目前，高压变频器中应用较多的逆变拓扑结构有电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。电压源型逆变器采用大电容作为直流储能元件，输出电压波形接近正弦波，适用于对电压波形要求较高的场合；电流源型逆变器采用大电感作为直流储能元件，输出电流波形接近正弦波，具有较强的过流能力和快速动态响应特性，适用于对电流波形要求较高的场合[1]。

　　1.2.2分类

　　（1）直接高压型变频器采用高压功率器件直接构成高压逆变电路，实现“高-高”变换。这种变频器结构紧凑，无需输出变压器，但对功率器件的耐压要求极高，目前由于高压功率器件的发展还不够成熟，其应用范围相对较窄。

　　（2）高低高型变频器先将高压交流电通过降压变压器降至低压，经过低压变频器进行变频处理后，再通过升压变压器将电压升高到所需的高压，供给电动机。这种变频器的优点是可以采用成熟的低压变频器技术，对功率器件的耐压要求较低；缺点是需要配置降压和升压变压器，系统体积大、成本高，且变压器会产生一定的能量损耗。

　　（3）单元串联多电平型变频器是目前应用最广泛的高压变频器。其主电路由多个低压功率单元串联而成，每个功率单元都采用模块化设计，具有独立的整流、逆变和滤波电路。通过将多个功率单元的输出电压进行串联叠加，可得到所需的高压输出。这种变频器的输入电流谐波畸变率低，输入功率因数高，无需额外的输入滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪声等问题，可直接驱动普通异步电动机。同时，单元串联多电平型变频器还具有良好的扩展性，便于实现大容量化。

　　1.3高压变频调速的节能机理

　　在钢铁行业的风机类负载中，其负载特性通常符合平方转矩负载特性，即风机的转矩与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。根据流体力学定律，可得出以下关系，如式（2）~（4）：

　　当风机的转速降低时，其风量或流量、风压或扬程以及所需功率都会相应下降。例如，当转速降低到原来的80%时，风量或流量将降低到原来的80%，风压或扬程将降低到原来的64%，而所需功率则将降低到原来的51.2%。通过高压变频调速技术，根据实际工况需求精确调节风机类设备的转速，使其输出功率与实际负载需求相匹配，避免了传统调速方式中由于阀门或挡板节流造成的能量浪费，从而实现显著的节能效果[2]。

　　此外，高压变频调速系统还具有软启动功能。在启动过程中，变频器可以使电机的启动电流从零开始逐渐上升，避免了传统直接启动方式中产生的过大启动电流对电网和电机的冲击，降低了电机的启动损耗，同时也延长了电机和相关设备的使用寿命。从长期运行来看，这也间接节约了能源和设备维护成本。

　　2风机类负载运行现状及节能潜力分析

　　2.1风机类负载在钢铁生产中的应用

　　2.1.1风机的应用

　　（1）通风系统：在钢铁厂的车间、仓库等场所，需要大量的通风风机来保持空气流通，排出有害气体和粉尘，为工作人员提供良好的工作环境。例如，高炉炼铁车间的热风炉需要通过送风机将大量的空气送入炉内，以支持燃料的燃烧，为高炉提供足够的热量；转炉炼钢车间的排烟风机则用于排出炼钢过程中产生的大量高温烟尘和有害气体。

　　（2）除尘系统：为了满足环保要求，钢铁企业在生产过程中设置了众多的除尘设备，而除尘风机是除尘系统的核心设备。如高炉出铁场、矿焦槽、皮带转运点等部位产生的大量粉尘，需要通过除尘风机将含尘气体吸入除尘设备进行净化处理。以高炉出铁场为例，在出铁过程中会产生大量的烟尘，除尘风机需要在短时间内提供较大的风量，将烟尘迅速排出，以减少对环境的污染[3]。

　　（3）其他应用：风机还被广泛应用于钢铁厂的煤气系统、冷却系统等。在煤气系统中，煤气加压风机用于将煤气加压输送到各个用户；在冷却系统中，冷却塔风机通过加速空气流动，提高冷却水的散热效率。

　　2.2传统调速方式及存在的问题

　　2.2.1风机的传统调速方式

　　（1）风门调节：风门调节是一种最为常见的风机调速方式。通过调节风机入口或出口处风门的开度来改变风道的阻力，从而调节风机的风量。当需要减小风量时，关小风门，风道阻力增大，风机的工作点沿着其性能曲线向左上方移动，风量随之减小；反之，开大风门，风道阻力减小，风量增大。这种调速方式简单易行，但存在严重的能量浪费问题。因为在调节风量的过程中，风机的转速并未改变，电机的输入功率基本不变，而大量的能量消耗在风门的节流过程中。

　　（2）液力耦合器调速：液力耦合器调速是利用液力耦合器传递转矩的特性来实现风机转速的调节。液力耦合器安装在电机与风机之间，通过调节液力耦合器内的工作油量来改变其输出转矩，从而实现风机转速的变化。当需要降低风机转速时，减少液力耦合器内的工作油量，输出转矩减小，风机转速随之降低；反之，增加工作油量，风机转速升高。液力耦合器调速相比风门调节具有一定的节能效果，但其调速范围有限，一般为50%~95%，且在低速运行时效率较低，同时液力耦合器本身存在维护工作量大、故障率高等问题。

　　2.2.2传统调速方式存在问题总结

　　（1）能源浪费严重：无论是风机的风门调节，还是液力耦合器调速，都无法改变电机的转速，在实际运行中，当负载需求小于设备额定负载时，大量的电能被浪费在节流装置上，导致系统运行效率低下。据统计，采用传统调速方式，在负载率为50%时，能源浪费可达30%~40%。

　　（2）设备磨损加剧：在传统调速方式下，风机长期在非额定工况下运行，由于流量和压力的波动，会导致设备内部的叶轮、叶片、轴承等部件磨损加剧，缩短设备的使用寿命，增加设备维护成本。

　　（3）控制精度低：风门、阀门调节以及液力耦合器调速的控制精度相对较低，难以实现对风机类设备流量和压力的精确调节，无法满足一些对工艺参数要求较高的生产环节的需求。

　　（4）对电网冲击大：传统的直接启动方式会使电机在启动瞬间产生较大的启动电流，对电网造成严重的冲击，影响电网的稳定性。同时，频繁地启动和停止也会对电机和相关设备造成机械损伤。

　　2.3节能潜力分析

　　2.3.1设计裕量导致的节能潜力

　　在钢铁企业设计风机类设备时，为了确保设备能够满足各种工况下的最大需求，通常会考虑一定的设计裕量。例如，在设计除尘风机时，会根据高炉出铁时可能产生的最大烟尘量来确定风机的风量和风压参数，同时还会考虑一定的安全系数。然而，在实际生产过程中，大部分时间风机并不需要运行在满负荷状态，设计裕量使得风机在大部分时间内处于“大马拉小车”的状态，造成了能源的浪费。通过高压变频调速技术，根据实际工况实时调节风机的转速，使其输出功率与实际负载需求相匹配，可有效利用这部分设计裕量带来的节能潜力。以某钢铁厂的高炉出铁场除尘风机为例，该风机额定功率为1000kW，额定风量为100×104m3/h，在实际运行中，高炉出铁时风机需要运行在较高转速以满足除尘需求，而出铁间隔期间，所需风量大幅降低。经测试，在出铁间隔期间，若采用高压变频调速将风机转速降低到原来的60%，则风机功率可降低至原来的21.6%（根据功率与转速的三次方关系），此时风机功率仅为216kW，相比额定功率节能约784kW。假设每天出铁间隔时间为12h，则每天可节约电能9408kW·h，节能效果显著。

　　2.3.2设备运行工况变化导致的节能潜力

　　钢铁生产过程具有连续性和复杂性，不同生产环节的设备运行工况会随着生产工艺的变化而频繁改变。高炉炼铁环节随着炉内物料填充、焦炭燃烧及铁水生成的不同阶段，热风炉对助燃空气量的需求会发生显著波动。当高炉处于加料或休风阶段时，所需风量可降至正常冶炼状态的60%~70%；而在富氧鼓风强化冶炼阶段，风量需求又可能提升至额定值的110%。传统风门调节方式无法实时匹配风量变化，导致风机长期在非经济工况下运行，而高压变频调速技术可根据炉内压力、温度等参数实时调整转速，使风机功率随工况波动线性下降。某钢厂3200m3高炉的热风炉助燃风机改造案例显示，当工况波动导致风量从100×104m3/h降至70×104m3/h时，变频调速使电机功率从800kW降至343kW（转速下降至70%，功率按三次方关系降低至343kW=800×0.73），单台风机年节电量达120×104kW·h。

　　转炉炼钢环节：烟气量随氧气吹入量和钢水反应剧烈程度呈现周期性变化。吹氧初期（硅锰氧化期）烟气量约为额定值的50%，吹氧中期（碳氧化期）可达额定值的120%，而吹氧后期（终点控制期）又回落至70%左右。传统液力耦合器调速因响应速度慢（调节延迟约1~2min），难以跟上烟气量的快速波动，导致除尘效率不稳定且能耗浪费。某钢厂120t转炉的一次除尘风机采用单元串联多电平变频器改造后，转速跟随烟气量实时调节，在一个30min的吹炼周期内，平均功率从改造前的1200kW降至750kW，吨钢除尘电耗从8.5kW·h降至5.2kW·h，年节能效益达380万元。

　　3结论

　　高压变频调速技术通过“精准调速+平方转矩负载特性”实现深度节能，在钢铁行业风机类负载中的平均节能率可达30%~45%，投资回收期普遍低于1年，经济可行性显著。单元串联多电平型变频器因谐波低、可靠性高，成为钢铁行业的主流选择，其定制化设计（如防尘、耐高温）可适应钢铁厂复杂工况。节能潜力不仅来自设计裕量的利用，更源于对动态工况的实时匹配，结合DCS系统的智能控制可进一步提升节能效果。该技术的推广应用可同步实现碳排放减少、电网优化、设备延寿等多重效益，符合钢铁行业绿色低碳发展趋势。

参考文献

　　［1］柳军.高压变频器的操作维护及常见故障处理［J］.百科论坛电子杂志，2019（4）：576.

　　［2］田浩.高压变频器常见故障及操作维护探析［J］.河南科技，2019（10）：40-42.

　　［3］梁玲.通用变频器在风机节能中的应用［J］.有色冶金节能，2008（3）：56-60.