有色金属冶炼行业高压电机变频调速系统的节能控制技术研究

0 引言

有色金属冶炼过程涵盖采矿、选矿、熔炼、精炼等多个高耗能环节，其中高压电机作为风机、水泵、压缩机等设备的核心动力源，能耗占比通常超过行业总能耗的 60% 。然而，传统工频运行的高压电机普遍存在“大马拉小车”现象——电机额定功率与实际负载需求不匹配，导致效率低下、电能浪费严重。随着变频调速技术的成熟，通过调节电机转速以适应负载变化，成为解决上述问题的重要途径。本文结合有色金属冶炼行业的工艺特点，探究高压电机变频调速系统的节能控制原理、技术难点及工程应用策略，旨在为行业节能降耗提供可落地的技术方案。

1 有色金属冶炼行业高压电机能耗现状与问题分析

1.1 行业能耗特征

有色金属冶炼属于流程型制造领域，其高压电机负载类型复杂，主要包括：风机/ 水泵类负载，负载转矩与转速平方成正比（ ），存在显著的调速节能空间；压缩机类负载，对转速稳定性要求高，需在调速过程中保证工艺气体压力的连续性；传动类负载，负载变化频繁，传统工频启动时电流冲击大，不仅损耗电能，还加剧电机机械磨损。

1.2 传统工频运行的痛点

效率损耗突出，电机实际运行功率远低于额定功率时，功率因数下降，铜损、铁损占比升高，综合效率较额定工况下降 10%-15% ；工艺适配性差，冶炼工艺参数调整时，传统方式通过调节阀门、挡板实现，节流损耗占比可达 20% -30% ，而电机始终处于满速运行状态；设备寿命短，工频启动的大电流冲击会导致电机绕组绝缘老化加速，轴承磨损加剧，据行业统计，传统高压电机平均维修周期比变频调速电机缩短 30% 以上。

2 高压电机变频调速系统节能控制技术原理与设计

2.1 变频调速节能核心理论

变频调速技术主要是控制电机转速与电源频率之间的相互作用，从而达到控制电机转速的目的[1]。根据电机转速公式 （其中f 为电源频率，p 为电机极对数，s 为转差率），通过改变输入电源频率 f 可平滑调节电机转速。对于风机、水泵等平方转矩负载，其功耗公式为，当转速从额定值降至时，功耗可降至，节能效果显著。

2.2 变频调速系统硬件架构设计

2.2.1 核心设备选型

变频器， 针对高压场景（6kV/10kV），采用单元串联多电平变频器，具有输入谐波少（ THD<5% ）、输出波形质量高、对电机绝缘要求低等优势，适配冶炼现场复杂的电磁环境；传感器，配置电流互感器、电压传感器（线性度⩽0.1% ）及温度传感器（分辨率 0.1% ），实时采集电机运行参数；控制器 , 选用高性能 DSP+FPGA 双核心控制器，实现变频调速算法的高速运算（控制周期⩽100μs ）和故障快速响应（保护动作时间 <2ms ）。

2.2.2 系统拓扑结构

设计“高压开关柜—变频器—电机—负载”的主回路拓扑，配置旁路切换装置，确保在变频器故障时电机可无缝切换至工频运行，不影响冶炼工艺连续性。同时，设置独立的冷却系统（水冷 / 空冷），将变频器柜内温度控制在40℃以下，保障设备长期稳定运行。

2.3 节能控制算法优化

2.3.1 模糊 PID 控制模型构建

传统 PID 控制在负载剧烈变化时易出现超调量大、调节时间长的问题，针对冶炼工艺中负载的非线性、时变性特征，引入模糊PID 算法[2] ：

输入变量：采集电机实际功率P 与设定功率的偏差e 及偏差变化率ec ；

模糊规则库：建立 e（负大、负中、负小、零、正小、正中、正大）和 ec（负大、负中、负小、零、正小、正中、正大）的 7×7 模糊规则表，通过模糊推理实时调整PID 参数，实现对电机转速的精准控制；

输出变量：变频器给定频率f，结合功率闭环控制，使电机功率始终跟踪负载需求，避免“过驱动”能耗。

2.3.2 多目标协同优化策略

在节能控制的同时，兼顾设备安全与工艺稳定。软启动控制，启动时频率从 0Hz 线性上升，电流限制在 1.2 倍额定电流以内，减少启动冲击；当电机电流超过 1.5 倍额定电流时，触发“降频保机”策略，频率每 10ms 下降 0.5Hz ，直至电流回落至安全区间；与冶炼 DCS 系统通信，接收工艺参数，自动调整电机转速，实现“工艺需求—负载响应—能耗优化”的闭环联动。

3 工程应用与节能效果验证

3.1 应用场景——某铜冶炼厂熔炼炉通风系统改造

选取某铜冶炼厂 10kV/2000kW 熔炼炉通风机作为改造对象，原工频运行时，通风机转速恒定为 980r/min ，通过调节入口挡板控制风量，实测平均功耗

1800kW ，功率因数 0.78 。改造后采用高压变频调速系统，结合模糊 PID 控制算法，实现风量随熔炼阶段（加料期、氧化期、还原期）动态调整：

加料期：需大风量冷却，频率设定 45Hz （转速 930r/min ），功耗 1450kW ，功率因数 0.92 ；

氧化期：风量需求降低，频率设定 35Hz （转速 700r/min ），功耗 850kW ，功率因数 0.91 ；

还原期：风量中等，频率设定 40Hz （转速 800r/min ），功耗1100kW，功率因数 0.93 。

3.2 节能效果分析

（1）能耗对比：改造后年运行时间 7200h ，年均功耗较工频模式下降 22% ，年节电量约 (1800-1150) \time s7200=4.68 \times 10^6 ，按电价 0.6 元/kWh 计算，年节约电费 280.8 万元；

（2）设备寿命：启动电流从 12000A（工频）降至 2500A（变频软启动），轴承振动幅值从 12mm/s 降至 4mm/s ，电机维修周期从 6 个月延长至 12 个月，年维修成本下降 40% ；

（3）工艺提升：风量调节精度从 ±10% 提升至 ±3% ，熔炼炉温波动范围缩小至 ，减少了因风量不稳定导致的炉体侵蚀，延长了耐火材料寿命。

结语

有色金属冶炼行业高压电机的变频调速节能控制技术，通过精准匹配负载需求与动态调节策略，实现了能耗降低、设备延寿与工艺优化的多重效益。研究表明，基于模糊 PID 算法的变频调速系统可使高压电机综合能效提升 15%- 25% ，有效破解传统工频运行的“大马拉小车”与节流损耗问题。未来，随着人工智能与可再生能源技术的深度融合，进一步挖掘“源—荷”协同控制潜力，完善全生命周期能效管理体系，将为行业绿色转型提供更具前瞻性的技术路径，助力“双碳”目标在高耗能领域的落地实施。

参考文献

[1] 高刚 , 何学玲 . 变频调速技术在电石冶炼配料系统中的应用 [J]. 化工管理 .2021(22):58-59+94.

[2] 蒋文昊 . 基于模糊 PID 算法的重型龙门机床多电机驱动控制研究 [J]. 机械管理开发 .2025,40(03):207-209.