[发明专利]单级增容型高中压变频调速集成装置

说明书

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。