1 高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能意義

　　中國(guó)各種電動(dòng)機(jī)的總耗電量約占全國(guó)總消費(fèi)電量的60%以上，其中，高壓電動(dòng)機(jī)與低壓電動(dòng)機(jī)對(duì)比，數(shù)量(臺(tái)數(shù))比例約為20%∶80%，容量(功率)比例約為60%∶40%。全國(guó)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(yùn)行5 000 h的大型發(fā)電廠16 座，接近于中國(guó)三峽水電站年總發(fā)電量。

　　圍繞著高壓電動(dòng)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(dòng)機(jī)的變頻單元串聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)HM′采用高壓電動(dòng)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。

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　　適用范圍：

　　電網(wǎng)電壓3～10 kV;

　　電動(dòng)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(guó)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(yùn)行模式變頻/工頻，手控/自控，現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)控，一拖多臺(tái);

　　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(diǎn)如下。

　　2.1 電動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定功率都是按照正弦波電源設(shè)計(jì)制造的。變頻器提供給電動(dòng)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(dòng)機(jī)在變頻工況下?lián)p耗增加，效率和性能比率降低，運(yùn)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(duì)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(dòng)機(jī)額定功率適應(yīng)變頻工況勢(shì)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(dòng)機(jī)增加額定功率1～3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)低壓增容變頻調(diào)速。中壓的范圍為1 500～3 000 V，對(duì)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(zhǎng)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(shì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)功率等級(jí)，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(dòng)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(jí)

　　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(duì)于560 kW及以下的高壓電動(dòng)機(jī)，選擇Vacon NX5系列變頻器440 V或500 V電壓制式;

　　對(duì)于630 kW及以上的高壓電動(dòng)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(jì)算定子線圈新匝數(shù)

　　在保持原高壓電動(dòng)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

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　　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(guó)只能運(yùn)行在380 V低壓動(dòng)力電源上，可謂大材小用。如若增加一級(jí)動(dòng)力變壓器將380 V升至500 V，相當(dāng)于增加一級(jí)變電站，投資大且占地面積亦大，頗不現(xiàn)實(shí)。因而導(dǎo)致大量的Vacon變頻器欠壓運(yùn)行，造成寶貴資源的無謂浪費(fèi)。

　　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(shí)現(xiàn)變頻器增容10%~30%。即通過一臺(tái)多功能變壓器T，對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)改壓后實(shí)施降壓增容，又對(duì)變頻器適度升壓增容，一舉多得。變頻器升壓增容前的實(shí)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(shí)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(diǎn)在于，一方面，高壓繞組與低壓繞組實(shí)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(guó)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(jí)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(duì)變頻器而言，屬于“浮動(dòng)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(duì)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(duì)地電壓瞬變的能力。Vacon變頻器恰好具有此等級(jí)電磁兼容功能，即T級(jí)EMC。它采用高阻抗接地方式，即“IT接地方式”，對(duì)地僅有一個(gè)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(duì)地發(fā)生電壓瞬變時(shí)，仍能確保變頻器的安全運(yùn)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

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　　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(tái)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(tái)Vacon NX6 系列12 脈沖1 000 kW變頻器。

　　2.6 電動(dòng)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(cè)量和變頻器計(jì)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(dòng)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外高壓變頻方案對(duì)比，具有四“高”、四“低”、四“省”特點(diǎn)。

　　1)高功率在保持原高壓電動(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)功率等級(jí)。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(shí)，還可提高傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定效率可提高0.5～5個(gè)百分點(diǎn)。

　　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(zhǎng)達(dá)70 000 h;三是利用高等級(jí)絕緣的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低壓變頻工況下，絕緣壽命可謂無限長(zhǎng);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(zhǎng)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(shí)切換到工頻啟動(dòng)—運(yùn)行模式，即使是工頻運(yùn)行，電動(dòng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限定值4%)。這是因?yàn)楸咀儔浩鞲?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(guó)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(jià)格都比常規(guī)高壓變頻裝置低得多。比國(guó)外高壓變頻裝置單價(jià)低50%左右，比國(guó)內(nèi)高壓變頻裝置單價(jià)低30%左右。

　　7)低溫升本裝置一是實(shí)現(xiàn)了變壓器、變頻器與電動(dòng)機(jī)的電壓制式的最佳匹配;二是將電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行溫升;三是增容而未增載時(shí)，即相當(dāng)于降低電流密度運(yùn)行，將進(jìn)一步降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫升，延長(zhǎng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)機(jī)改壓大約1周左右，增容改壓大約1 個(gè)月左右;控制柜加工不超過1周;安裝(包括敷設(shè)低壓動(dòng)力電纜和控制屏蔽電纜，無須重打地基和更換對(duì)輪)約1 周左右，當(dāng)天調(diào)試當(dāng)天投運(yùn)。總施工期(即見效期)僅為0.5～3個(gè)月。

　　10)省投資不但現(xiàn)場(chǎng)改造(電動(dòng)機(jī)改繞定子繞組)成本低，而且新建項(xiàng)目(電動(dòng)機(jī)采用新數(shù)據(jù)繞制，可節(jié)省改制費(fèi)用和時(shí)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(shí)施本技術(shù)方案的微觀(單臺(tái))節(jié)電率為20%～50%，宏觀(全國(guó))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(dòng)機(jī)的額定功率1～3個(gè)等級(jí)，提高變頻器的額定容量5%～25%，即0.5～2個(gè)功率等級(jí);在同等功率前提下，本方案可節(jié)省制造高壓電動(dòng)機(jī)的鋼材和矽鋼片10%～15%，節(jié)約高壓絕緣材料40%～60%。