1、引言 電力電子技術是現代高新技術之一。它由電力（強電）、電子（弱電）與控制技術融合而成，被譽為“節能之冠”和“節電之魁”。電力電子的核心技術是變頻技術。變頻技術的重點是高壓變頻調速技術。1997年頒布的《中華人民共和國節約能源法》中規定，“發展電機調速節電和電力電子節電技術”。作者面向高中壓電動機提出4項高—低壓變頻調速集成技術（簡稱“高—低壓方案”），均獲國家專利權，本文介紹的是現今推出的“增容型高—低壓變頻調速集成裝置”新方案，具有高功率、高效率、高功率因數、高可靠性、低成本、低諧波、低溫升、低壓安全、省工時、省投資、省能源和省原材料等特點，為3～10kv、200～3000kw中高壓電動機的變頻調速提供了一個最佳化高—低壓變頻調速方案。 2、高壓電動機變頻調速節能的潛力 我國各種電動機的總耗電量約占全國總消費電量的60%以上，其中高壓（3kv～10kv及以上）電動機，與低壓電動機相比，在數量（臺數）比例上雖然是20%:80%，但在容量（kw）卻為60%:40%。近年來，我國近年來總消費電量高達12000億kwh以上，如按電動機的總耗電量占60%，高壓電動機的耗電量占電動機的耗電量60%，可改造量占30%，微觀（單臺）節電率僅按30%預測，我國宏觀年節電量可達:12000×60%×60%×30%×30%=388.8億kwh/a，相當于新建80萬kw、年運行5000h的發電廠10座。綜合電價若按0.5元/kwh計算，我國宏觀年節電價值可達:0.5元/kwh×388.8億kwh/a＝194.4億元/a。因此，針對高壓電動機實施變頻調速，成為我國暨我省節能技術措施中的重中之重。“面向高壓電動機的高—低壓變頻調速集成裝置”，是具有我國自主知識產權的專利技術。它與國內外高壓電動機變頻調速產品對比，具有高功率、高效率、高功率因數、高可靠性，低諧波、低成本、低溫升、低壓安全，施工周期短、投資回收期短等特點。 3、針對高壓電動機變頻調速的國內外方案 目前，國內外對高壓電動機所采用的變頻調速技術方案主要有: （1） 高—低—高壓型 它通過一臺降壓變壓器先將高壓變為低壓工頻電源，再將變頻器輸出的低壓變頻電源通過一臺升壓變壓器變為高壓，提供高壓電動機變頻調速。其缺點是升壓變壓器必須采用非晶態磁性材料，在非正弦變頻工況下，效率低、功率因數低、高次諧波大、成本高、占地面積大。如遼陽某公司引進一臺6kv、250kw高—低—高壓型變頻裝置，單價70萬元，每kw造價2800元。參見比較表1。 （2） 高—中壓型 它是通過單只高壓變頻器件，實現高壓頻率直接轉換。其缺點是單只高壓變頻器件成本很高，而且受耐壓條件所限，其額定工作電壓以3～4.16kv居多。如鞍鋼某水廠于2001年引進兩套3kv、400kw高—高壓型變頻裝置，花費190萬元，每kw造價2375元，運行頻率接近50hz時不節能，而且經常發生跳閘事故。參見比較表2。 （3） 高—高壓型 它通過多只高壓變頻器件串聯方式，實現高壓頻率直接轉換。其缺點是多只高壓器件串聯的變頻裝置可靠性很差，造價更高。如青海格爾木某公司引進的4臺6kv、500kw高—高壓igct串聯型變頻裝置，已有兩臺發生高壓擊穿，修復1臺竟要80萬元，每kw修復費1600元。參見比較表3所示。 （4） 多重化型 它通過一種特制的變壓器將高壓電降為不同電角度的低壓電，經多臺（6kv為15臺，10kv為27臺）低壓變頻器疊加成高壓電。其優點是輸出波形更接近于正弦波，高次諧波較低（其電壓總諧波在1.4%以下）;缺點變壓器結構復雜、效率低、成本高，特別是所用變頻單元的數量是本方案的10余倍，故障概率取決于元器件的數量，成本高。如撫順某電廠進口兩套6kv、1250kw多重化變頻裝置總價500萬元，每kw造價2000元。參見比較表4。 （5） 常規高—低壓型 采用變壓器降壓，改用普通低壓電動機實現低壓變頻調速。其成本雖然較低，但變頻器高次諧波大（近5%，國家標準要求6～10kv電網不超過4%），普通低壓電動機的絕緣又脆弱，長期在脈沖頻率下運行將加速絕緣老化，甚至發生擊穿或燒毀事故。況且，同等容量的低壓電動機的機座一般要比高壓電動機座小一號，勢必因底座尺寸小且軸中心高度低不得不重打地基或者另加底墊，還因軸徑細而需要更換對輪等。若換成低壓變頻調速專用電動機，不僅造價太高，而且同等容量的低壓變頻調速專用電動機的機座比高壓電動機座還要大，勢必因底座尺寸大且軸中心高度問題也得重打地基或者給水泵添加底座，還因軸徑問題需要更換對輪，甚至影響機組的動平衡，給現場改造帶來不小的麻煩！如鞍鋼新鋼有限公司齊大山鐵礦于1999年引進一套690v、1000hp（折合736kw）變頻裝置帶變頻調速專用電動機花費160萬元，每kw造價2174元。參見比較表5。 （6） 內反饋型 它是傳統的串級調速類型的一種改良型。不論內反饋（國外稱克拉默方式），還是外反饋（國外稱謝比烏斯方式），都是基于繞線電動機（亦稱滑環電動機）的晶閘管變頻調速方式。從傳統的直流調速（因整流子和滑環、電刷維護不便），發展到交流繞線電動機串級調速（其滑環和電刷仍存在維護難問題），現已發展到交流籠型電動機變頻調速（堅固耐用，維護簡便），這就是電動機調速的發展史。內反饋型曾經起到了歷史性的科技進步作用;但在高、低壓籠型電動機變頻調速技術業已成熟，價格大幅度下降，變頻器已從第一代晶閘管，第二代gtr、gto，發展到第三代igbt、igct的今天，基于繞線電動機的內反饋型晶閘管變頻方式已經落后了，價格上也失去了優勢。況且，同等容量的內反饋調速專用電動機結構復雜，效率低，加工周期也長。此外，內反饋方式還存在調速范圍窄（多為額定轉數的50%～100%）、節能范圍亦窄，高次諧波大（約5%，超過了國標限值4%）、功率因數低（加上補償電容器和斬波技術也不過0.9）、逆變器易顛覆等缺點。如阜新市自來水公司某水站一臺6kv、300kw供水泵內反饋調速電機，終因其故障頻繁，現已停運，并立項改用變頻調速裝置取而代之。參見比較表6。 4、增容型高—低壓變頻調速裝置的技術特點 4.1 結構與原理 增容型高－低壓變頻調速集成裝置的原理如圖1和圖2所示。 [align=center][IMG=高——低壓變頻調速集成裝置原理圖]/uploadpic/THESIS/2008/1/2008012313302925440G.jpg[/IMG] 圖1 高——低壓變頻調速集成裝置原理圖[/align] [align=center][IMG=面向高壓電動機的高——低壓變頻調速集成裝置]/uploadpic/THESIS/2008/1/2008012313303318607J.jpg[/IMG] 圖2 面向高壓電動機的高——低壓變頻調速集成裝置[/align] 增容型高—低壓變頻調速裝置是由至少一側繞組為延邊三角形（內三角形最大化即為△形）連接結構的降壓變壓器t、低壓大容量變頻器lf、普通高壓電動機hm通過繞組聯結結構和絕緣結構變化改制而成低壓變頻調速電動機hm′，以及變頻/工頻切換開關ct、cf、cw，實現電壓最佳匹配、功率增容組合、功能優化集成。其中，變壓器t為高效（效率為98.8%以上）節能免維護型，帶有高次諧波吸收回路，它將高壓降至適宜的低壓，經與之電壓相匹配的大容量變頻器lf提供低壓變頻調速電源。高壓電動機經改制其額定工作電壓un′，由下列式確定: u n′＝un/kw （1） 式中:kw—繞組結構系數，由式（2）確定: kw=pe×le+p△×l△ （2） 式中:un—高壓電動機的額定電壓（v）; pe—繞組延邊部分的比例（%）; le—繞組延邊部分的并聯支路數, 等于延邊部分的極間繞組并聯支路與極內線圈導線并聯數之積; p△—繞組△接部分的比例（%）; l△—繞組△接部分的并聯支路, 等于△接部分的極間繞組并聯支路與極內線圈導線并聯數之積。 當pe為零時，則繞組結構為△接，kw=×l△;當p△為零時，則繞組結構為y接，kw=1×le＝le。 4.2 主要技術規格 （1） 輸入電壓:3相3～15.7kv±10%; （2） 輸出功率:110～3000kw; （3） 輸出頻率:0～55hz; （4） 效 率:≥96%; （5） 功率因數:≥0.95; （6） 電壓總諧波:小于2%（國家標準gb/t14549—93《電能質量公用電網諧波》限定值為4%）; （7） 啟動模式:變頻軟啟動/工頻減壓啟動，變頻啟動電流低于電動機額定電流; （8） 運行模式:變頻/工頻切換; （9） 控制模式:手控／自控切換; （10） 控制接口為plc、ipc、dcs或fcs系統控制預留模擬和數字接口: 模擬量控制接口:0（4）～20ma，0（1）～5、0～10v; 數字量控制接口:rs-485通信接口和rs-232計算機接口。 5、技術適用領域 （1） 火電廠暨熱電廠 在高壓電動機中，電廠占有相當大的比例，僅風機水泵的耗電量就占電廠內耗電量的65%以上，是本裝置的第一應用領域。主要應用設備有:排粉機、鼓風機（即送風機）、引風機（即吸風機）、磨煤機;供水泵、循環泵、冷凝泵、灰渣泵等。 以20萬kw發電機組改造為例，宜以三機四泵為改造重點。即: 送風機：多為1250kw雙機組，多運行在低速段，而且擋板開度只有50%左右，節電潛力可達60%以上，應作為首選改造設備診; 吸風機：多為1500kw左右的雙機組，也多運行在低速段，擋板開度多在60%以下，節電潛力亦有50%左右，宜列為二號改造對象; 排粉機：多為440kw雙機組，擋板開度多在65%以下，節電潛力約為40%; 給水泵：單機泵在1500kw左右（適用本高—低壓變頻方案），多機泵共用2000kw及以上的大機組（本變頻方案目前最大功率可達3000kw），節電潛力均可達30%以上; 循環水泵：也有數百kw，節電潛力約為40%左右; 冷凝水泵：多為355kw左右的雙機組，節電潛力也為40%左右; 灰渣泵：多為500～630kw機組，節電潛力在30%以上。 （2） 冶金行業 自備電廠或熱電廠，同上; 水廠供水泵; 尾渣泵; 其它風機、水泵、油泵; 壓縮機。 （3） 石油、化工行業 自備電廠或熱電廠，同上; 中大型輸油泵; 注水泵、供水泵、加壓泵。 （4） 自來水行業 供水泵，例如調查沈陽市九個供水廠都有變頻調速節能技術改造需求。 （5） 建材行業 中大型水泥廠引（吸）風機; 大型爐窯引（吸）風機。 （6） 船舶行業 機動船改造為電動變頻船，可獲得節能和環保雙效益。 （7） 其他行業 大型風機高壓電動機; 大型水泵高壓電動機; 大型壓縮機高壓電動機; 其他大型設備高壓電動機。 6、實例運行分析 由本專利許可單位—鞍山市權晟電子電力有限公司制造的hlvf-6600/690v-710kw高—低壓變頻調速集成裝置，經2003年12月2-4日在鞍鋼新鋼鐵有限責任公司齊大山鐵礦的串聯尾砂泵的試運行，發現電動機容量（630kw）不足，原因之一是上游生產量增加，二是泵出口管道升高，致使原電動機容量不夠用了。當年12月29日通過變頻/工頻切換試驗證明，電動機的軸功率至少得增容到680kw才能滿足目前工況需求。 為此，特將原6000v、630kw電動機增容為690v、700kw，達到了預期效果。 6.1 電動機增容前后測試數據對比 依據沈陽電機股份有限公司于2003年11月12日對5#和6#機組原6000v、630kw電動機改造為750v、630kw電動機的檢驗《合格證》，對比2004年3月11日對5#和6#機組原750v、630kw電動機改造為690v、700kw電動機的檢驗《合格證》，額定功率增加了11.11%，同等功率的空載損耗下降了24%左右，考核溫度下降了25℃。如表7所列。 6.2 增容后的高—低壓變頻調速集成裝置與增容前工況數據對比 增容后的高—低壓變頻調速集成裝置于2004年3月16-17日在運送三個系統尾漿加上事故井廢液時的工況數據，與增容前的高—低壓變頻調速集成裝置于2003年12月2-4日試運行期間相近工況的數據對比，雖然前者高壓電壓只有5800v，比后者低了3.3%，前者低壓電壓只有672～674v，比后者低了1.1%～2.3%，但電動機的最大運行電流卻增加9.7%～15%，最高轉速提高了0.6%～1.4%，在含砂濃度增加了4%工況下，泵的最大出口壓力提高了6.7%，運送能力明顯提高，并滿足了正常工況需求。如表8所列。 增容后的高—低壓變頻調速集成裝置于2004年3月19日在運送三個系統尾漿加上兩個管路檢修廢水時的工況數據，與增容前的高—低壓變頻調速集成裝置于2003年12月底在相近工況運行時的數據對比，增容后的電動機最大運行電流增加了15%，最高轉速提高了4.4%，在含砂濃度增加了2%工況下，泵的最大出口壓力提高了9%。運送能力更明顯提高，并基本適應了非正常工況需要。如表9所列。 6.3 增容后的高—低壓變頻調速集成裝置與液力耦合器工況數據對比 增容后的高—低壓變頻調速集成裝置于2004年3月19日在三個系統尾漿加上兩個管路檢修廢水重載工況運行時的實測數據，與液力耦合器在2004年1月29日相近工況運行時的實測數據對比，增容后的電動機最高轉速提高了3.6%～6%，最高溫升下降了3℃～5℃，在含砂濃度增加2%工況下，泵的最大出口壓力提高了6%。如表10所列。 繼而，2004年月3日又在3個系統尾漿加上2個管路檢修廢水和事故井廢液的更重載工況運行時的實測數據，與液偶在2004年1月29日僅在3個系統尾漿加上2個管路檢修廢水重載工況運行時的實測數據對比，增容后的電動機最高轉速提高了1.6%～5.2%，最高溫升下降了2℃～4℃，在含砂濃度增加6個百分點的工況下，泵的最大出口壓力提高了6%。如表11所列。最大運送能力提高了10%。 之后又經過了長期的正常生產（系指上游2～3個生產系統加上事故井廢液泵同時運轉）和非正常生產（系指正常生產設備外加上游兩路檢修廢液管道同時排放），均能正常運行，并有明顯的增容和節能效益。 7、結束語 通過成功地實踐，增容型高—低壓變頻調速集成裝置具有以下優點: （1） 高功率 中高壓電動機經本專利技術改制后，可提高1～3個功率等級。 （2） 高效率 系統效率大于96%。其中變頻器效率為98%，變壓器效率為98.8%。 （3） 高功率因數 系統功率因數可達0.95以上。本方案采用pwm調制方式，任何頻段（速段）下都能保持高功率因數。 （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型;二是選用技術成熟的低壓大容量變頻器安全可靠，亦可免維護，使用壽命長達70000h;三是將高等級絕緣的高壓電動機運行在低壓變頻工況下，絕緣壽命無限長。在電動機改壓過程中，同時進行一次徹底維修和保養，如除塵、清洗軸承并上潤滑油，動平衡實驗和參數測試，最后噴漆出廠。四是自備變頻/工頻切換開關，以備變頻器發生故障可切換到原工頻模式。本切換裝置既不增加成本，也不增加占地面積。 （5） 低諧波 電壓總諧波可低于1.6%以下。因為本變壓器繞組高/低壓兩側開放式y形結構改為帶有閉合回路的延邊三角形（即部分△形結構，直至全封閉式△形結構），用于吸收來自變頻器的高次諧波，加上lc濾波以及電動機的多路閉合回路作用，可顯著降低高壓側的高次諧波。本實用案例業經東北電力諧波測試站多次現場測試，高壓側的電壓總諧波僅為0.4%～1.3%，遠低于國家標準限定值4%。 （6） 低成本 所用變壓器、變頻器費用以及高壓電動機改壓費都很低，低于目前國內外所有高壓變頻裝置現價。每kw價格低于1000元;而國內外高壓變頻裝置每kw價格高達1400元～3000元。 （7） 低溫升 通常高壓電動機工頻運行時，電網電壓往往偏高，導致電動機定子過激磁而發熱;也有因電網電壓偏低，造成電動機轉子滑差過大而發熱。本變頻方案則采用變壓器、變頻器與電動機相匹配的電壓制式，并采取穩壓穩頻措施，從而有效地降低了電動機運行溫升，進一步延長電動機的大修期和使用壽命。 （8） 低壓安全 本變頻裝置實行變壓器與變頻器隔離方式，故變頻器及電動機工作電壓只有幾百v，維護檢修安全方便。 （9） 施工期短 變壓器制造只要15～20天;變頻器訂貨只需1個月左右;電動機改壓不超過1周;控制柜加工只要1周;安裝（無須重打地基、增加墊板、更換對輪）調試只需3天。總計施工期約兩個月，因而見效快。其他方案的施工期至少得半年～1年。 （10） 投資回收期短 本方案由于投資省，見效快，投資回收期一般為1～2年。比國內外其他方案的投資回收期都短。 總之，本高—低壓方案是用低壓變頻方案的成本，達到優于高壓變頻方案的目的。