CN103731085B - 单级增容型高中压变频调速集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明单级增容型高—中压变频调速集成装置由单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容变压器(HMT)、单级中压变频器（MF）、1/√3～1/3 U1的增容型中压变频调速电动机(MM)所集成，单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容型变压器（HMT）带有吸收高次谐波的三角形闭合结构；1/√3～1/3U1的单级中压变频器（MF）带有中压变频/工频切换开关（MW1）和（MW2），可实现中压变频/中压工频切换；三相高压工频输入6～10kV，三相中压变频输出1/√3～1/3U1。具有高功率、高效率、高可靠性、节能、节材、节资的特点。

Description

单级增容型高中压变频调速集成装置

技术领域

本发明涉及高压电动机，尤其是一种适宜于高压电动机节能节材的单级增容型高—中压变频调速集成装置。

背景技术

按照我国有关规定：10kV及以上的电压称为高压；10kV以下至1kV称为中压，1kV以下称为低压。而人们习惯地将3kV、6kV和10kV电压统称为高压，电机厂家统称3～10kV电动机为高压电动机，变频器厂家统称3～10kV变频装置为高压变频器。本发明“单级增容型高—中压变频调速集成装置”是指，以我国6～10kV主流电源为高压工频输入，输出3kV及以下中压变频电源，驱动3kV及以下中压电动机调速节能运行。

按照我国设计规范规定，200kW以上电动机，建议采用高压电动机。这是因为采用高压制式可以显著降低输电损耗。另则，同等容量的高压电动机的启动电流与额定电流之比明显小于低压电动机，而启动转矩与额定转矩之比则明显大于低压电动机；高压电动机采用高等级绝缘，过载能力强，皮实耐用，使用寿命长，在我国诸多领域大量应用。

我国各种电动机的总耗电量约占全国总消费电量的60%以上，其中，高压电动机与低压电动机对比，数量（台数）比例约为20%︰80%，容量（功率）比例约为60%︰40%。2013年，我国年总发电量和总消费电量将双双突破50000亿kW·h，如按电动机的耗电量占全国总消费电量的60%、高压电动机的耗电量占电动机耗电量的60%、可改造率暂按30%、微观（单台）节电率仅按30%预测，全国宏观年节电能力可达：50000亿kW·h×60%×60%×30%×30%＝1620亿kW·h，相 当于新建100万kW机组、年均运行5000小时的大型发电厂50座。综合电价若按平均0.5元/kW·h计算，我国宏观年节电价值可达：0.5元/kW·h×1620亿kW·h/a＝810亿元。高压电动机变频调速节电技术，已经成为我国节能技术措施中的“重中之重”。至今，已有的针对高压电动机所采用的变频调速技术方案主要有以下几种：

传统的高—低—高压型。它通过一台降压变压器先将高压工频电源变为低压工频电源提供给低压变频器，再将变频器输出的低压变频电源通过一台升压变压器变为高压变频电源，提供给高压电动机变频调速。其缺点是升压变压器如果采用普通硅钢片磁性材料，须加装输出滤波器，故成本高；若采用非晶态磁性材料，成本更高；无论哪一种升压变压器，在低频工况下运行，效率都低，功率因数亦低，占地面积大。

多级串联高—高压型。它通过多支高压变频器件串联方式，如；6kV高压直接转换变频器，至少得两级串联配置6组12支4500V电压等级的变频主器件；10kV高压直接转换变频器，需要4级串联配置6组24支4500V电压等级的变频主器件。因实现高压工频与高压变频的直接转换，故效率很高。其缺点是，多级高压器件串联采用传统均压方式，可靠性差，故障概率高，造价高。为了降低高次谐波，往往加装3相双绕组隔离变压器，或者采用3相/多相、12～24脉冲变压器，匹配3相、12～24脉冲高压变频器，造价更高。

多级多重高—低—高压型。如图3所示，它通过一台特制的多线圈高/低压移相变压器HLT，实施高压工频电源输入，多个低压不同电角度工频输出，经多级多重低—高压变频器LGF，将多个变频单元不同相位的低压变频电源叠加成多脉冲的三相高压变频电源，提供给普通高压电动机HM变频调速。这种多级多重高—低—高压型变频装置的输出波形更接近于正弦，高次谐波电压和电流均较 低，而且采用变压器移相输出线圈的均压方式，可靠性较高。成为目前国内外高压变频的主流方案。但存在以下缺憾：

（1）普通高压电动机效率低成本高。这是因为普通高压电动机HM的绝缘材料占据了定子铁心槽窗口2/3以上的空间，例如10kV等级的定子线圈至少要包扎12层云母带，相对压缩了导体的有效利用空间，导致槽满率（占空比）不足1/3。为了达到所需功率，势必加大槽窗口截面积，通常的设计原则是选择大号机座制造。而且，为了适应电网电压的升级，例如早期的3kV升为6kV，目前的6kV升至10kV，今后为了减少输电损耗，高压等级还会进一步升级。总之，高压电动机的额定电压越高，绝缘等级也就越高，机座号或者铁心长度序号越大，效率越低，功率因数亦低，能耗越大，材耗越大，体积越大，造价越高，运行越不经济。因此，基于低效率高成本的普通高压电动机的变频调速方案，必然走一条低效率高成本的技术路线。而且，高压电动机在高压高频脉冲下运行，受du/dt、di/dt影响，定子和转子损耗明显增加，当变频频率达到工频频率即满载运行时，电动机往往达不到标称额定功率，变频运行温升也明显高于工频工况。

（2）串联的变频单元级数越多，故障概率越大。众所周知，电子设备的故障概率取决于元器件的数量，例如6kV多重化低—高压变频器，至少得配置15个690～750V电压等级的变频单元；10kV多重化低—高压变频器，至少得配置24个690～750V电压等级的变频单元。这就是目前多级高压变频装置故障较多的主要根源之一。

（3）多级多重高—低—高压型移相变压器效率低。源于多线圈的高/低压移相变压器HLT，虽然其输出线圈的电压属于低压等级，但线圈对地电压仍系高压范畴，而且数量庞大。例如6kV变频装置的变压器至少绕制15组输出线圈， 10kV变频装置的变压器至少绕制24组输出线圈，高压绝缘材料占据了变压器铁心窗口相当大的空间。而标准系列的干式变压器铁心窗口是装不下这么多的高压等级绝缘的低压线圈，势必加大铁心窗口尺寸才能制造这种特殊变压器，磁路冗长必然加大铁损，引线又多又长固然加大铜损，与节能系列变压器对比，效率降低3%～5%。

专利号为ZL 2007 1 0011322.6的中国发明专利少级多重增容型高—中压变频调速集成装置，如图2所示，由提供少级数多相位低压工频电源和中压工频电源的少线圈高/中/低压移相变压器HMLT、具有升压增容的少级多重低—中压变频器LMF、利用6～10kV普通高压电动机HM通过变换其定子绕组接线结构及线圈绝缘结构而改制成的2.3～6kV增容型中压变频调速电动机MM，以及中压变频/工频切换开关W1和W2所集成，少线圈高/中/低压移相变压器HMLT带有升压变频增容结构和中压工频供电结构；增容型中压变频调速电动机MM采用普通高压电动机的铁心结构，定子绕组采用中压等级绝缘结构，非负载端轴承采用绝缘结构；少级多重低—中压变频器LMF采用3～5变频单元，并具有容许提升输入电压增容功能。三相高压输入6～10kV，高/中压比例为1：（1/√3～1/3），低压组合为690～750V。该发明对比公知的多级多重高—低—高压型具有显著技术进步特征，却尚存以下缺憾：

（1）以6kV“少级多重增容型高—中压变频调速集成装置”为例，至少得配置3相5级15个690～750V电压等级的变频单元，潜在着故障概率。

（2）内置6kV的移相变压器至少得绕制3相5级15组低压输出线圈，虽然属低压等级，但对地电压仍很高，必须采取高等级绝缘结构，因而占据了变压器铁心窗口较大的空间，影响到变压器的效率。

（3）匹配6kV电动机的定子线圈至少要包扎8层云母带，导致槽满率（占 空比）不足1/2，影响到电动机的效率和功率因数。

发明内容

本发明针对现有高压变频调速方案之不足，提供一种单级增容型高—中压变频调速集成装置，可实现高压变频调速系统高功率、高效率、高可靠性、省能源、省材料、省投资的目的。

本发明采用的技术方案是：

单级增容型高—中压变频调速集成装置，由单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容变压器HMT、1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF、利用6～10kV普通高压电动机HM通过变换其定子绕组结构及线圈绝缘结构改制而成的1/√3～1/3U₁的增容型中压变频调速电动机MM所集成，所述的单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容型变压器HMT带有吸收高次谐波的三角形闭合结构；所述的1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF带有中压变频/工频切换开关MW1和MW2，可实现中压变频/中压工频切换；三相高压工频输入6～10kV，三相中压变频输出1/√3～1/3U₁。

所述的1/√3～1/3U₁的增容型中压变频调速电动机MM，定子铁心采用6～10kV高压电动机的铁心结构，定子线圈采用1/√3～1/3U₁中压等级绝缘结构，定子绕组采用1/√3～1/3U₁的中压接线结构，出线盒采用1/√3～1/3U₁的中压等级结构。

所述的1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF，采用单级变频单元，设有接地电阻R，为浮动电源提供电磁兼容保护，阻值为1kΩ。

本发明所具有的优点与效果是：

本发明单级增容型高—中压变频调速集成装置，与多级多重高—低—高压型变频装置和少级多重高—低—中压型变频装置对比，具有以下特点：

（1）在变压器方面，前者采用单绕组自耦变压结构，其输入电流与输出电流方向相反而等量抵消，只流过差值。而后者采用双绕组多线圈隔离变压结构，故前者比后者可增容43%～136%。

（2）在变频器方面，前者采用单级1/√3～1/3U₁的中压变频单元MF；而6kV多级多重高—低—高压变频单元的串联级数至少5级，10kV至少8级；6kV少级多重高—低—中压变频变频单元的串联级数为3级，10kV为5级；6kV多级串联高压变频单元的串联级数至少2级，10kV至少3级。前者比后者从多级串联减至单级结构，变频器的效率和可靠性均可显著提高。

（3）在电动机方面，前者利用6～10kV普通高压电动机HM改制为1/√3～1/3U₁的中压变频调速电动机MM后，绝缘材料只占据电动机定子铁心槽窗口1/2以下，例如3kV等级的定子线圈不过包扎4层云母带，仅为6kV等级的定子线圈云母层的1/2，10kV等级的定子线圈云母层的1/3，相对增加了导体的有效利用空间，使槽满率（占空比）达到1/2以上。在保持原高压电动机磁通密度和电流密度不变前提下，可提高其额定输出功率1～3个标准等级。

表1和表2列出原6kV、630kW普通高压电动机HM，改制为3kV、700kW增容型中压变频调速电动机MM的对比数据。其功率增加了一个标准等级，额定效率增加了0.5个百分点，启动电流/额定电流降低了21%，冷却空气量增加了17.6%。

表3列出本发明单级多重高—中压型变频调速集成装置，与多级多重高—低—高压型变频装置和少级多重高—低—中压型变频调速集成装置的对比数据，前者比后两者系统效率和运行可靠性更高。

表1

表2

表3

此外，本发明“单级增容型高—中压变频调速集成装置”与名称为“增容型高—低压变频调速集成装置”专利号为ZL200410021252.9的中国发明专利对比，在结构原理方面，两者都利用普通高压电动机改为中压绝缘结构，但前者采用中压接线结构，后者仅采用低压接线结构；前者采用中压，出线结构，后者为低压出线结构；前者采用单级中压变频器，后者为单级低压变频器；前者采用单绕组自耦增容型变压器，后者采用双绕组节能型变压器。

在经济效益方面，两者均可提升普通高压电动机的额定功率1～3个标准等级，而且，前者还具有以下特点：

（1）比后者变压器可增容43%～136%；

（2）运行电流较小，电缆的I²R功耗及其成本均较低。

本发明技术规格：

输入电压：3相6～10kV±2.5%～±5%；

输出功率：200～5600kW；

增容等级：比普通双绕组变压器可提高额定容量43%～136%；比普通高压电动机可提高1～3个标准功率等级。

输出频率：0～55HZ；

效率：≥97%；

电压总谐波：符合国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》规定；

启动模式：高—中压变频软启动/高—工频直接启动；

变频运行模式：变频/工频切换，手控／自控切换；

控制接口：为PLC、DCS、FCS等控制系统预留模拟和数字接口。

本发明应用领域

（1）电厂及热电高压传动的鼓风机（送风机）、引风机（吸风机）、排粉机、 给水泵、循环水泵、冷凝水泵、灰渣泵等。

（2）冶金行业高压传动的供水泵、矿渣泵、炼钢炉及除尘器引风机、中大型输油泵、中大型压缩机等。

（3）石油、化工行业高压传动的供水泵、输油泵、注水泵、供水泵、加压泵等。

（4）采矿行业高压传动的主扇、中大型供水泵、提升机等。

（5）机械行业高压传动的中大型试验台、运输机等。

（6）自来水行业高压传动的中大型供水泵。

（7）建材行业高压传动的中大型引（吸）风机。

（8）交通行业高压传动的机动船和机车变频技术改造。

（9）低效高压传动系统改造等。

附图说明

图1是本发明单级增容型高-中压变频调速集成装置原理图。

图2是专利号为ZL200710011322.6的发明专利少级多重增容型低—中压变频调速集成装置电路原理图。

图3是一种公知的多级多重高—低—高压型变频调速装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述：

针对图3公知的多级多重高—低—高压型变频调速装置低效率的多级多重高—低—高压变频技术路线，以及图2较高效率的少级多重增容型低—中压变频技术路线，本发明采用更高效率的单级增容型高—中压变频技术路线。如图1所示。

单级增容型高—中压变频调速集成装置，由单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容变压器(HMT)、1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF、利用6～10kV普通高压电动机HM通过变换其定子绕组结构及线圈绝缘结构改制而成的1/√3～1/3U₁的增容型中压变频调速电动机MM所集成，所述的单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容型变压器HMT带有吸收高次谐波的三角形闭合结构；所述的1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF带有中压变频/工频切换开关MW1和MW2，可实现中压变频/中压工频切换；三相高压工频输入6～10kV，三相中压变频输出1/√3～1/3U₁。本自耦变压器HMT比常规双绕组变压器可增容43%～136%。

所述的1/√3～1/3U₁的增容型中压变频调速电动机MM，定子铁心采用6～10kV高压电动机的铁心结构，定子线圈采用1/√3～1/3U₁中压等级绝缘结构，定子绕组采用1/√3～1/3U₁的中压接线结构，出线盒采用1/√3～1/3U₁的中压等级结构。本中压变频调速电动机MM比普通高压电动机可增容1～3个标准功率等级。

所述的1/√3～1/3U₁的单级中压变频器MF，采用单级变频单元，设有接地电阻R，为浮动电源提供电磁兼容保护，阻值为1kΩ。

其中，单绕组延边三角形结构的高/中压变压比为1/√3～1/3的自耦增容型变压器HMT，其功能之一是为1/√3～1/3电源电压U₁的单级中压变频器MF提供工频整流电源；功能之二是为中压变频器检修时提供电动机中压工频驱动电源，实施中压工频启动和中压工频运行。采用单绕组延边三角形结构，其延边部分具有电抗器抑制高次谐波作用；内三角形构成闭合回路具有吸收高次谐波作用。三相高压工频输入6～10kV，工频输出为电源电压U₁的1/√3～1/3。本自耦单绕组变压器比常规双绕组变压器可增容43%～136%，见式1：

S₂＝S₁÷(1－U₂/U₁)………………………式1

式中：

S₂——单绕组自耦变压器容量（视在功率，单位kVA）；

S₁——双绕组常规变压器容量（视在功率，单位k VA）；

U₂/U₁——变压器变压比；

U₂——变压器输出电压；

U1——变压器输入电压。

如高压电源输入6kV/自耦输出3kV时，变压比为1/√3，自耦变压器HMT的容量相当于常规双绕组变压器容量的（1-1/√3）的倒数即2.36倍，可增容136%；当高压电源输入10kV/自耦输出3kV时，变压比为3/10，自耦变压器HMT的容量相当于常规双绕组变压器容量的（1-3/10）的倒数即1.43倍，可增容43%。

增容型中压变频调速电动机MM，为3相电源电压U₁的1/√3～1/3，属中压等级，利用原6kV或10kV高压电动机的机座型号和铁心尺寸，定子线圈采用1/√3～1/3U₁中压绝缘结构，定子绕组采用1/√3～1/3U₁的中压接线结构，在原电流密度不变前提下，可增加其额定功率1～3个标准等级。

为保持原电动机的定子轭部、齿部和气隙磁通密度不变，线圈导体匝数T将随电压UK成正比变化，导线截面积将随电压UK成反比变化；线圈导体匝数T将随电压UK成正比变化，导线截面积将随电压UK成反比变化。由于电动机的额定电压从6～10kV高压降到1/√3～1/3，属中压等级，线圈绝缘随之减薄，为充分利用定子槽空间，尽量放大线规以降低电流密度，提高槽满率（占空比），在原电流密度不变前提下可增加电动机容量1～3个标准功率等级。见式2：

P₂≈P₁·(√δ₂/δ₁)………………………式2

式中：

P₂——本中压电动机容量（有功功率，单位kW）；

P₁——原高压电动机容量（有功功率，单位kW）；

δ₂/δ₁——定子线圈导线电流密度降低比；

δ₂——原定子线圈导线电流密度；

δ₁——改造后的定子线圈导线电流密度。

例如原10kV多级多重高—低—高压变频装置驱动10kV、800kW普通高压电动机，改成3kV变频调速中压电动机后，线圈外包云母带由12层减至4层以下，导线截面积足以比常规放大1.6倍，即导线电流密度降至1/1.6，电动机将增容至800kW×√1.6≈1000kW。再如6kV少级多重高—低—中压变频装置驱动6kV、630kW普通高压电动机，改成3kV变频调速中压电动机后，线圈外包云母带由8层减至4层以下，导线截面积足以比常规放大1.25倍，即导线电流密度降至1/1.25，电动机将增容至630kW×√1.25≈700kW。

本发明中压变频单元MF只有1级即F1；而6kV多级多重高—低—高压变频单元的串联级数至少5级，10kV至少得8级串联；6kV少级多重高—低—中压变频变频单元的串联级数为3级，10kV为5级串联；6kV多级串联高压变频单元至少2级，10kV至少3级串联。本发明从多级减至单级，变频效率和可靠性大为提高。主要器件电压选择为√2UK，如3kV中压变频单元MF的主器件电压等级不应低于√2×3000V＝4242V，可选择4500V的IGBT或IGCT。另外，由于前级变压器无零线接地点，虽然可消除3和3倍率的高次谐波，但属于浮动电源，易受高压瞬间波动的威胁，加设接地电阻R的作用即在于提供电磁兼容保护。

Claims (2)

1.单级增容型高-中压变频调速集成装置，由单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容型变压器(HMT)、单级中压变频器(MF)、利用6～10kV普通高压电动机(HM)通过变换其定子绕组结构及线圈绝缘结构改制而成的的增容型中压变频调速电动机(MM)所集成，其特征在于所述的单绕组延边三角形结构的高/中压自耦增容型变压器(HMT)带有吸收高次谐波的三角形闭合结构；所述的单级中压变频器(MF)带有中压变频/工频切换开关MW1和MW2，可实现中压变频/中压工频切换；三相高压工频输入6～10kV，三相中压变频输出所述的的增容型中压变频调速电动机(MM)的定子铁心采用6～10kV高压电动机的铁心结构，定子线圈采用中压等级绝缘结构，定子绕组采用的中压接线结构，出线盒采用的中压等级结构。

2.根据权利要求1所述的单级增容型高-中压变频调速集成装置，其特征在于所述的单级中压变频器(MF)，采用单级变频单元，设有接地电阻R，为浮动电源提供电磁兼容保护，阻值为1kΩ。