面向高压电动机的高——低压变频调速集成技术

面向高压电动机的高——低压

变频调速集成技术

电力电子技术是先进制造技术的重要支撑技术之一。它由电力（强电）、电子（弱电）与控制技术交叉复合而成的，被当代誉为“节能之冠”和“节电之魁”。电力电子的核心技术是变频技术。变频技术的重点是高压变频调速技术应用。1997年颁布的《中华人民共和国节约能源法》中规定，要大力推广“电力电子节电技术”和“电动机调速节电技术”。针对高压电动机实施变频则是我国暨我省节能技术措施的重中之重。

“面向高压电动机的低压变频调速集成技术”，系具有我国自主知识产权的专利技术。它与国内外高压电动机专用高压变频调速产品对比，具有效率高、功率因数高、可靠性高、高次谐波低、成本低、投资回收期短、施工周期短等特点。

（一）技术简介与应用领域

面向高压电动机的高一压变频调速集成装臵，是一种通过改变高压电动机相间绕组、极间绕组和极内线圈连接结构的，保留高压操作且低压运行的变频调速专利技术。

适用于正在现场运行的量大面广的高压（3—10KV）、中大容量（110—1500KW）电动机。这一功率范围的高压电动机约占全部高压电动机数量的95%、容量的80%以上。

适用的领域主要有：电力、热力、石油、化、冶金、机械、建材、自来水等行业。

（二）内外高压电动机变频技术现状

目前，国内外对高压电动机所采用的变频调速方案主要有以下几种：

一是传统的高—低—高压型，它通过两台变压器先将高压变为低压，再将低压变频器输出的低压变为高压，提供高压电动机变频调速。其缺点是升压变压器在变频工况下，效率低、功率因数低、成本高，且占地面积大。

二是高—高压型，它通过单支或者多支高压变频器件串联方式，实现高压直接转换。其缺点是单支高压变频器件成本很高，而且受耐压条件所限，其额定工作电压以3-4.5KV居多；而多支高压变频器件串联的变频装臵可靠性较差，造价很高。

三是多重化型，它通过一种特制的变压器将高压电降为不同电角度的低压电，经多台低压变频器再叠加成高压电。其优点是输出波形更接近于正弦，高次谐波较低（其电压总谐0.4%用元器件数量是普通低压变频器的十多倍，故障概率增大，成本较高。

四是低压型。即采用低压供电，改用普通低压电动机实现低压变频调速。然而低压变频器高次谐波较大（近5%），国家标准要求6~10KV电网不超过4%。况且，国外通常采用变频调速专用电动机方案，成本较高；国内采用普通低压电动机，虽然成本较低，但普通低压电动机的绝缘又脆弱，长期在脉冲频率下运行将加速绝缘老化，甚

至发生击穿或烧毁事故。而且，同等容量的低压电动机的机座一般要比高压电动机座小一号，势必因底座尺寸小且轴中心高度低不得不重打地基或者另加底座，还因轴径细而需要更换对轮等；若换成低压变频调速专用电动机，不仅造价太高，而且同等容量的低压变频调速专用电动机的机座则比高压电动机座大一号，势必因底座尺雨大且轴中心高度高也得重打地基或者给水泵添加底座，还因轴径粗而需要更换对轮，以至影响机组的动平衡，给现场改造带来不小的麻烦！此外，容量超过500KW的低压电动机，因受绝缘导线截面积和绕线工艺所限，难以制造。

五是内反馈型。它是传统的串级调速类型的一种，不论内反馈（国外称克拉默方式）还是外反馈（国外称谢比乌斯方式），都是基于绕线电动机（亦称滑环电动机）的晶闸管（俗称可控硅）变频调速方式。从传统的直流调速（因整流子和滑环维护不便），发展到（交流）绕线电动机串级调速（其滑环仍存在维护问题），又发展到（交流）笼型电动机变频调速（维护极为简便），这就是电动机调速的发展史。内反馈型曾经起到了历史性的进步作用；但在高、低压笼型电动机变频调速技术业已成熟，价格大幅度下降，变频器已从第一代晶闸管，第二代GTR、GTO，发展到第三代IGBT、IGCT的今天，基于绕线电动机的内反馈型晶闸管变频方式已经落后了。况且，同等容量的内反馈调速专用电动机的机座也比原高压电动机座只少大一至两号，势必因底座尺寸和轴中心高度问题而需要重打地基，还得更换对轮，甚至更换水泵，施工周期也长。此外，内反馈方式还存在先天性

的高次谐波大（约5%，超过了国标限度值），功率因数低（加上补偿电容器和斩波高速也不过0.9），调速频率不能超过50HZ，逆变器易遭颠覆等缺欠。

特别值得指出的是，对于大量运行中的高压电动机来说，将其淘汰更换成别种电动机，确实是一种资源的浪费。因为高压电动机以其绝缘强度高和坚固耐用而著称，而且内风冷量较大，具备甚至超过变频调速专用电动机的一些特点。

(三）高—低压变频技术特点

该项变频技术方案，即针对前述国内外高压电动机变频调速技术方案存在的问题，提供一种基于高压电动机的、简便的高—低压变频调速集成技术及其装臵。

该项专利技术包括“高—低压变频调速集成装臵”（中国专利号：ZL 97 2 05360.3，见图1）和“面向高压电动机的高—低压变频调速集成装臵”（专利申请号：02274200.X，见图2）。

其中ZL97 2 05360.3专利技术，早在94年已被国家经贸委列为全国重点新技术推广示范项目。1997年通过了国家经贸委委托辽宁省经贸委组织的专家验收；并通过了辽宁省科技厅组织的专家评审。2002年9月，02274200.X号专利技术通过了辽宁省城镇自来水协会组织的专家评审。

A

B

C C

(A)

多功能变压器结构原理图a b

3相低压电动机（）专利技术电路原理图

b 97 2 05360.3

图1.高—低压变频调速集成装臵（专利号：ZL97 2 05360.3）

电气原理图

Cm T

Ct Cw

Cf

LF

图2.面向高压电动机的高—低压变频调速装臵（专利申请号：

02274200.X ）电气原理图

该装臵系由多功能降压变压器T、低压高可靠变频器LF、高压电动机HM通过绕组联接结构变化改制而成的变频调速电动机HM，以及工频/变频切换开关Ct、Cf、Cw等高可靠设备所集成。如图1所示。

其装臵特点：

1.高压（3—10kv电动机通过改变相间绕组连接结构（Y

形、△形、延边三角形）、极间绕组连接结构（串联、并联支路）和极内线圈连接结构（串联、并联回路），以适宜低压（400V—750V）变频调速。

2.改制后的电动机需要的变频电压，一般不再是常规的低

压动力制式。它是通过特制的降压变压器T将高压降至所需要的低电压，经与之电压范围相匹配的低压变频器LF提供变频电源。

鉴于低压变频器的高次谐波一般多接近于5%，而国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》针对6—10kv用电设备高次谐波的限定值为4%。该专利将变压器绕组至少一侧开放式Y形结构改为带有闭合回路的延边三角形（即部分△）结构，直至全封闭式△结构，用于吸收变频过程中的高次谐波。故可将高压侧的高次谐波降至1.6%以下。

3.原高压开关柜保留且操作方式不变，利用其工频减压启

动装臵（如交流电搞器，启动补偿器等），可保护变频器免受滤波电容器过充电流冲击，高压柜合闸后即可由现场的变频控制柜实施低压启/停、变频调带、开环/闭环操作。

4.适合多种控制模式。既可为DCS（分布式计算机控制系