1 高壓電動機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能意義

　　中國各種電動機(jī)的總耗電量約占全國總消費電量的60%以上,，其中,，高壓電動機(jī)與低壓電動機(jī)對比，數(shù)量(臺數(shù))比例約為20%∶80%,，容量(功率)比例約為60%∶40%,。全國宏觀年節(jié)電能力可達(dá)：

　　25 000 億kW·h×60%×60%×30%×30%=810億kW·h。

　　相當(dāng)于新建100萬kW 機(jī)組,、年均運行5 000 h的大型發(fā)電廠16 座,，接近于中國三峽水電站年總發(fā)電量。

　　圍繞著高壓電動機(jī)變頻調(diào)速也形成了兩條技術(shù)路線,。一條是以高壓變頻為代表的基于低效率的高壓電動機(jī)的變頻單元串聯(lián)風(fēng)險模式的高成本技術(shù)路線;另一條是以增容型高- 低壓變頻方案與Vacon變頻器完美結(jié)合為代表的基于高壓電動機(jī)增容提效和變頻單元并聯(lián)冗余模式的低成本技術(shù)路線,。

　　2 增容型高- 低壓變頻方案與Vacon 變頻器相結(jié)合

　　增容型高-低壓變頻調(diào)速集成裝置，由多功能變壓器T,、Vacon 變頻器LF,、利用普通高壓電動機(jī)通過變換其定子繞組接線結(jié)構(gòu)及線圈絕緣結(jié)構(gòu)改制而成的增容型低壓變頻調(diào)速電動機(jī)HM′，以及低壓變頻/工頻切換開關(guān)Ct,、Cf,、Cw所集成，其特征在于增容型低壓變頻調(diào)速電動機(jī)HM′采用高壓電動機(jī)鐵心結(jié)構(gòu);定子繞組采用中壓絕緣結(jié)構(gòu);定子繞組采用低壓接線結(jié)構(gòu);非負(fù)荷端軸承采用絕緣結(jié)構(gòu);低壓大容量Vacon 變頻器LF 采用輸入電壓補(bǔ)償增容措施,，如圖1所示,。

　　適用范圍：

　　電網(wǎng)電壓3～10 kV;

　　電動機(jī)功率200～5 000 kW;

　　變頻器Vacon NX5、NX6系列200～5 000 kW;

　　變頻系統(tǒng)(高壓側(cè))功率因數(shù)≥0.95;

　　變頻系統(tǒng)(高壓側(cè))電壓總諧波≤1.6%(中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》限定值為4%);

　　運行模式變頻/工頻,，手控/自控,，現(xiàn)場/遠(yuǎn)控，一拖多臺;

　　控制系統(tǒng)PLC,，DCS,，F(xiàn)CS等。

　　增容型高- 低壓變頻方案與Vacon變頻器主要結(jié)合點如下,。

　　2.1 電動機(jī)增容與Vacon變頻器工況相結(jié)合

　　眾所周知,，普通交流電動機(jī)的額定功率都是按照正弦波電源設(shè)計制造的,。變頻器提供給電動機(jī)的是由高載頻脈沖包絡(luò)而成的準(zhǔn)正弦波電源，由于du/dt和di/dt的原因,，導(dǎo)致電動機(jī)在變頻工況下?lián)p耗增加,，效率和性能比率降低，運行溫度升高,，額定功率下降,。具體表現(xiàn)為：

　　1)使用變頻器導(dǎo)致電機(jī)效率降低大約0.5%;

　　2)附加損耗導(dǎo)致電機(jī)升溫，在滿載下,，電機(jī)溫度更高,，對于200 kW 的電機(jī)，定子損耗增加10%,，熱量大約增加18 kW,，轉(zhuǎn)子損耗增加100%，轉(zhuǎn)子導(dǎo)電條熱量增加大約60 kW;

　　3)通常降低電機(jī)負(fù)載以承受更大的損耗,。

　　為此,，適度增加電動機(jī)額定功率適應(yīng)變頻工況勢在必行。采用本增容型高-低壓變頻方案,，即可使普通高壓電動機(jī)增加額定功率1～3個標(biāo)準(zhǔn)等級,，不僅完全彌補(bǔ)了變頻工況的功率損失，而且足以達(dá)到增產(chǎn),、節(jié)能和節(jié)材等多重目的,。

　　本方案利用普通高壓電動機(jī)的機(jī)座和鐵心結(jié)構(gòu)，改用“中壓絕緣結(jié)構(gòu)”和“低壓接線結(jié)構(gòu)”,，實現(xiàn)低壓增容變頻調(diào)速,。中壓的范圍為1 500～3 000 V，對比6 000 V和10 000 V的“高壓絕緣結(jié)構(gòu)”,，絕緣厚度可適度減薄1/2～2/3,，既能長期承受數(shù)倍于額定電壓的高載頻脈沖產(chǎn)生的自感電勢和高次諧波峰值電壓的變頻工況，又提高了槽滿率(導(dǎo)線的占空比>1/3～1/2),，使額定功率提高1～3個標(biāo)準(zhǔn)功率等級，效率提高0.5%～3%,，功率因數(shù)提高0.1～0.2,，同功率的高壓電動機(jī)制造材料消耗可降低10%～20%。

　　 2.1.1 確定高-低壓電壓等級

　　本增容型高-低壓變頻調(diào)速集成裝置的高壓輸入電壓,，即用戶的電網(wǎng)電壓;而低壓則是優(yōu)選的,。優(yōu)選的原則是，對于560 kW及以下的高壓電動機(jī),，選擇Vacon NX5系列變頻器440 V或500 V電壓制式;

　　對于630 kW及以上的高壓電動機(jī),，為了減少低壓電纜壓降和線損,，宜選擇Vacon NX6系列變頻器690 V電壓制式。

　　2.1.2 計算定子線圈新匝數(shù)

　　在保持原高壓電動機(jī)(氣隙,、定子齒部和軛部)磁通密度不變的前提下,，本方案定子線圈匝數(shù)W′為

　　2.2 變壓器升壓與Vacon變頻器增容相結(jié)合

　　Vacon NX5系列變頻器的標(biāo)準(zhǔn)電壓制式為400～500 V，在中國只能運行在380 V低壓動力電源上,，可謂大材小用,。如若增加一級動力變壓器將380 V升至500 V，相當(dāng)于增加一級變電站,，投資大且占地面積亦大,，頗不現(xiàn)實。因而導(dǎo)致大量的Vacon變頻器欠壓運行,，造成寶貴資源的無謂浪費,。

　　本方案提供“變頻器輸入電壓補(bǔ)償”，使Vacon變頻器輸入電壓提升到其額定值的最高限,，如440 V或500 V,，實現(xiàn)變頻器增容10%~30%。即通過一臺多功能變壓器T,，對高壓電動機(jī)改壓后實施降壓增容,，又對變頻器適度升壓增容，一舉多得,。變頻器升壓增容前的實際輸出功率Pp和增容后的最大輸出功率P憶max,，取決于變頻器的最低額定功率Pnmin和最高額定功率Pnmax、最低額定電壓Unmin 和最高額定電壓Unmax,、實際電源電壓Up和最大容許工作電壓U憶max,。

　　2.3 變壓器與Vacon變頻器內(nèi)置電抗器相結(jié)合本方案中的多功能變壓器T的結(jié)構(gòu)特點在于，一方面,，高壓繞組與低壓繞組實施絕緣隔離,，用以隔離來自高壓電網(wǎng)的干擾源和來自變頻器的高次諧波;另一方面，變壓器T的短路阻抗超過4.5%～6%,，這與Vacon變頻器內(nèi)置的電抗器結(jié)合增加了輸入電源的內(nèi)阻抗,，有效緩沖了濾波電容器充電形成的陡峭脈沖波，達(dá)到抑制5次,、7 次,、11次、13次,、17次,、19次、乃至23次和25次諧波電流并改善變頻器功率因數(shù)的目的。從而確保高壓電網(wǎng)的功率因數(shù)≥0.95,，電壓總諧波≤1.6%,，遠(yuǎn)低于中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》的限定值4%。

　　2.4 變壓器不接地方式與Vacon變頻器T 級EMC相結(jié)合

　　本方案中多功能變壓器T的高壓側(cè)和低壓側(cè)都不接地,，對變頻器而言,，屬于“浮動電源”，即“IT 電源”,。旨在隔離變頻器因輸出dv/dt,，通過電纜或電機(jī)對地的雜散電容產(chǎn)生的共模電流(亦稱噪聲電流)，但在此種狀況下要求變頻器具有防范高壓電網(wǎng)對地電壓瞬變的能力,。Vacon變頻器恰好具有此等級電磁兼容功能,，即T級EMC。它采用高阻抗接地方式,，即“IT接地方式”,，對地僅有一個微小的電流，一方面可有效抑制共模電流,，另一方面當(dāng)變壓器高壓側(cè)對地發(fā)生電壓瞬變時,，仍能確保變頻器的安全運行。

　　2.5 多相變壓器與Vacon多脈沖變頻器相結(jié)合

　　依據(jù)諧波公式

　　例如,，鞍鋼齊大山鐵礦第三期變頻調(diào)速工程,，就采用了兩臺3 相高壓輸入/6 相1 250 kV·A 低壓輸出的干式變壓器，匹配兩臺Vacon NX6 系列12 脈沖1 000 kW變頻器,。2.6 電動機(jī)軸承絕緣結(jié)構(gòu)與Vacon變頻器良好接地相結(jié)合

        Vacon培訓(xùn)中心編寫的《變頻器尺寸測量和變頻器計算》中指出造成軸承電流的原因有：

　　1)磁失衡;

　　2)電機(jī)供電不平衡(電纜,、FC);

　　3)接地電流;

　　4)軸承損壞及噪音。

　　通過電子顯微鏡下的圖像,，可以看到初期損壞由熔斷口導(dǎo)致,，末期損壞是凹槽模式。

　　解決方案是確保電流通道與軸承隔開,，措施有：

　　1)絕緣軸承;

　　2)接地電刷;

　　3)變頻器,、電機(jī)和負(fù)載之間接地良好;

　　4)磁環(huán)。

　　本方案電動機(jī)非負(fù)荷端軸承采用了絕緣結(jié)構(gòu),，即在電機(jī)后端蓋軸承的外圍和兩側(cè)加裝薄層絕緣材料,，然后機(jī)械加固。借以切斷感生的軸電壓和軸電流,，從而延長軸承的大修期和使用壽命,。

　　3 綜合效益分析

　　增容型高-低壓變頻方案與Vacon變頻器的完美結(jié)合，同國內(nèi)外高壓變頻方案對比,，具有四“高”、四“低”,、四“省”特點,。

　　1)高功率在保持原高壓電動機(jī)磁通密度和電流密度基本不變,、且機(jī)械特性容許的條件下，可提高額定功率1～3個標(biāo)準(zhǔn)功率等級,。在保持普通低壓變頻器額定電流不變前提下,，可提高其輸出功率10%～30%，同時,，還可提高傳動設(shè)備的生產(chǎn)能力10%～20%,。

　　2)高效率本變頻系統(tǒng)效率>96%。其中變頻器效率為98%,，變壓器效率為98.8%,，電動機(jī)的額定效率可提高0.5～5個百分點。

　　3)高功率因數(shù)本變頻系統(tǒng)高壓側(cè)功率因數(shù)可達(dá)0.95以上,。

　　4)高可靠性一是采用無油枕全密封變壓器或者干式變壓器均系免維護(hù)類型;二是選用技術(shù)成熟的低壓大容量變頻器安全可靠,，使用壽命長達(dá)70 000 h;三是利用高等級絕緣的電動機(jī)運行在低壓變頻工況下，絕緣壽命可謂無限長;四是非負(fù)荷端軸承采用絕緣結(jié)構(gòu),，切斷軸電流和軸電壓,，從而延長軸承使用壽命;五是備有變頻/工頻切換開關(guān)，一旦變頻器發(fā)生故障即可及時切換到工頻啟動—運行模式,，即使是工頻運行,，電動機(jī)仍可增容。

　　5)低諧波本變頻系統(tǒng)高壓側(cè)電壓總諧波<1.6%(國家標(biāo)準(zhǔn)限定值4%),。這是因為本變壓器高/低壓兩側(cè)繞組采取分立式絕緣隔離結(jié)構(gòu),，高壓側(cè)或者低壓側(cè)采用帶有升壓線圈的延邊三角形連接結(jié)構(gòu)，無零線供電模式,，可有效地隔離,、吸收和抑制變頻過程中產(chǎn)生的高次諧波，使高次諧波分量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)限定值,。

　　6)低成本所用全密封無油枕變壓器,、通用型低壓大容量變頻器以及變頻/工頻低壓切換開關(guān)價格都比常規(guī)高壓變頻裝置低得多。比國外高壓變頻裝置單價低50%左右,，比國內(nèi)高壓變頻裝置單價低30%左右,。

　　7)低溫升本裝置一是實現(xiàn)了變壓器、變頻器與電動機(jī)的電壓制式的最佳匹配;二是將電動機(jī)絕緣材料合理減薄,，使機(jī)內(nèi)冷卻空氣量增加17%左右,，從而有效地降低了電動機(jī)運行溫升;三是增容而未增載時，即相當(dāng)于降低電流密度運行,，將進(jìn)一步降低電動機(jī)的運行溫升,，延長其使用壽命。

　　8)低壓安全由于變壓器將高/低壓隔離，從變壓器的輸出側(cè)→變頻器→電動機(jī)的運行電壓只有幾百伏,，頗有安全感,，便于操作和維護(hù)。

　　9)省工期本變壓器的制造周期只要15～20天;變頻器的供貨周期只需1～2 月;電動機(jī)改壓大約1周左右,，增容改壓大約1 個月左右;控制柜加工不超過1周;安裝(包括敷設(shè)低壓動力電纜和控制屏蔽電纜,，無須重打地基和更換對輪)約1 周左右，當(dāng)天調(diào)試當(dāng)天投運,?？偸┕て?即見效期)僅為0.5～3個月。

　　10)省投資不但現(xiàn)場改造(電動機(jī)改繞定子繞組)成本低,，而且新建項目(電動機(jī)采用新數(shù)據(jù)繞制,，可節(jié)省改制費用和時間)成本更低，即投資省,，見效快,，投資回收期一般約為1～2年左右。

　　11)省能源實施本技術(shù)方案的微觀(單臺)節(jié)電率為20%～50%,，宏觀(全國)年節(jié)電能力可達(dá)600多億kW·h,。

　　12)省原材料在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高電動機(jī)的額定功率1～3個等級,，提高變頻器的額定容量5%～25%,，即0.5～2個功率等級;在同等功率前提下，本方案可節(jié)省制造高壓電動機(jī)的鋼材和矽鋼片10%～15%,，節(jié)約高壓絕緣材料40%～60%,。