單級增容型高中壓變頻調(diào)速集成裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明單級增容型高中壓變頻調(diào)速集成裝置由單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容變壓器(HMT)、單級中壓變頻器（MF）、1/√3～1/3U1的增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)(MM)所集成，單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容型變壓器（HMT）帶有吸收高次諧波的三角形閉合結(jié)構(gòu)；1/√3～1/3U1的單級中壓變頻器（MF）帶有中壓變頻/工頻切換開關(guān)（MW1）和（MW2），可實(shí)現(xiàn)中壓變頻/中壓工頻切換；三相高壓工頻輸入6～10kV，三相中壓變頻輸出1/√3～1/3U1。具有高功率、高效率、高可靠性、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)資的特點(diǎn)。
【專利說明】單級增容型高中壓變頻調(diào)速集成裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓電動機(jī)，尤其是一種適宜于高壓電動機(jī)節(jié)能節(jié)材的單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]按照我國有關(guān)規(guī)定:IOkV及以上的電壓稱為高壓；10kV以下至IkV稱為中壓，IkV以下稱為低壓。而人們習(xí)慣地將3kV、6kV和IOkV電壓統(tǒng)稱為高壓，電機(jī)廠家統(tǒng)稱3?IOkV電動機(jī)為高壓電動機(jī)，變頻器廠家統(tǒng)稱3?IOkV變頻裝置為高壓變頻器。本發(fā)明“單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置”是指，以我國6?IOkV主流電源為高壓工頻輸入，輸出3kV及以下中壓變頻電源，驅(qū)動3kV及以下中壓電動機(jī)調(diào)速節(jié)能運(yùn)行。
[0003]按照我國設(shè)計規(guī)范規(guī)定，200kW以上電動機(jī)，建議采用高壓電動機(jī)。這是因為采用高壓制式可以顯著降低輸電損耗。另則，同等容量的高壓電動機(jī)的啟動電流與額定電流之比明顯小于低壓電動機(jī)，而啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比則明顯大于低壓電動機(jī)；高壓電動機(jī)采用高等級絕緣，過載能力強(qiáng)，皮實(shí)耐用，使用壽命長，在我國諸多領(lǐng)域大量應(yīng)用。
[0004]我國各種電動機(jī)的總耗電量約占全國總消費(fèi)電量的60%以上，其中，高壓電動機(jī)與低壓電動機(jī)對比，數(shù)量(臺數(shù))比例約為20%: 80%,容量(功率)比例約為60%:40%。2013年，我國年總發(fā)電量和總消費(fèi)電量將雙雙突破50000億kW.h，如按電動機(jī)的耗電量占全國總消費(fèi)電量的60%、高壓電動機(jī)的耗電量占電動機(jī)耗電量的60%、可改造率暫按30%、微觀(單臺)節(jié)電率僅按30%預(yù)測，全國宏觀年節(jié)電能力可達(dá):50000億kff.hX 60%X 60%X 30%X 30% = 1620 億 kW.h，相當(dāng)于新建 100 萬 kW 機(jī)組、年均運(yùn)行 5000小時的大型發(fā)電廠50座。綜合電價若按平均0.5元/kW*h計算，我國宏觀年節(jié)電價值可達(dá):0.5元/kW.hX 1620億kW.h/a = 810億元。高壓電動機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)，已經(jīng)成為我國節(jié)能技術(shù)措施中的“重中之重”。至今，已有的針對高壓電動機(jī)所采用的變頻調(diào)速技術(shù)方案主要有以下幾種:
[0005]傳統(tǒng)的高一低一高壓型。它通過一臺降壓變壓器先將高壓工頻電源變?yōu)榈蛪汗ゎl電源提供給低壓變頻器，再將變頻器輸出的低壓變頻電源通過一臺升壓變壓器變?yōu)楦邏鹤冾l電源，提供給高壓電動機(jī)變頻調(diào)速。其缺點(diǎn)是升壓變壓器如果采用普通硅鋼片磁性材料，須加裝輸出濾波器，故成本高；若采用非晶態(tài)磁性材料，成本更高；無論哪一種升壓變壓器，在低頻工況下運(yùn)行，效率都低，功率因數(shù)亦低，占地面積大。
[0006]多級串聯(lián)高一高壓型。它通過多支高壓變頻器件串聯(lián)方式，如；6kV高壓直接轉(zhuǎn)換變頻器，至少得兩級串聯(lián)配置6組12支4500V電壓等級的變頻主器件；10kV高壓直接轉(zhuǎn)換變頻器，需要4級串聯(lián)配置6組24支4500V電壓等級的變頻主器件。因?qū)崿F(xiàn)高壓工頻與高壓變頻的直接轉(zhuǎn)換，故效率很高。其缺點(diǎn)是，多級高壓器件串聯(lián)采用傳統(tǒng)均壓方式，可靠性差，故障概率高，造價高。為了降低高次諧波，往往加裝3相雙繞組隔離變壓器，或者采用3相/多相、12?24脈沖變壓器，匹配3相、12?24脈沖高壓變頻器，造價更高。
[0007]多級多重高一低一高壓型。如圖3所示，它通過一臺特制的多線圈高/低壓移相變壓器HLT，實(shí)施高壓工頻電源輸入，多個低壓不同電角度工頻輸出，經(jīng)多級多重低一高壓變頻器LGF，將多個變頻單元不同相位的低壓變頻電源疊加成多脈沖的三相高壓變頻電源，提供給普通高壓電動機(jī)HM變頻調(diào)速。這種多級多重高一低一高壓型變頻裝置的輸出波形更接近于正弦，高次諧波電壓和電流均較低，而且采用變壓器移相輸出線圈的均壓方式，可靠性較高。成為目前國內(nèi)外高壓變頻的主流方案。但存在以下缺憾:
[0008](I)普通高壓電動機(jī)效率低成本高。這是因為普通高壓電動機(jī)HM的絕緣材料占據(jù)了定子鐵心槽窗口 2/3以上的空間，例如IOkV等級的定子線圈至少要包扎12層云母帶，相對壓縮了導(dǎo)體的有效利用空間，導(dǎo)致槽滿率(占空比)不足1/3。為了達(dá)到所需功率，勢必加大槽窗口截面積，通常的設(shè)計原則是選擇大號機(jī)座制造。而且，為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓的升級，例如早期的3kV升為6kV，目前的6kV升至10kV，今后為了減少輸電損耗，高壓等級還會進(jìn)一步升級?？傊剦弘妱訖C(jī)的額定電壓越聞，絕緣等級也就越聞，機(jī)座號或者鐵心長度序號越大，效率越低，功率因數(shù)亦低，能耗越大，材耗越大，體積越大，造價越高，運(yùn)行越不經(jīng)濟(jì)。因此，基于低效率高成本的普通高壓電動機(jī)的變頻調(diào)速方案，必然走一條低效率高成本的技術(shù)路線。而且，高壓電動機(jī)在高壓高頻脈沖下運(yùn)行，受du/dt、di/dt影響，定子和轉(zhuǎn)子損耗明顯增加，當(dāng)變頻頻率達(dá)到工頻頻率即滿載運(yùn)行時，電動機(jī)往往達(dá)不到標(biāo)稱額定功率，變頻運(yùn)行溫升也明顯高于工頻工況。
[0009](2)串聯(lián)的變頻單元級數(shù)越多，故障概率越大。眾所周知，電子設(shè)備的故障概率取決于元器件的數(shù)量，例如6kV多重化低一高壓變頻器，至少得配置15個690?750V電壓等級的變頻單元；10kV多重化低一高壓變頻器，至少得配置24個690?750V電壓等級的變頻單元。這就是目前多級高壓變頻裝置故障較多的主要根源之一。
[0010](3)多級多重高一低一高壓型移相變壓器效率低。源于多線圈的高/低壓移相變壓器HLT，雖然其輸出線圈的電壓屬于低壓等級，但線圈對地電壓仍系高壓范疇，而且數(shù)量龐大。例如6kV變頻裝置的變壓器至少繞制15組輸出線圈，IOkV變頻裝置的變壓器至少繞制24組輸出線圈，高壓絕緣材料占據(jù)了變壓器鐵心窗口相當(dāng)大的空間。而標(biāo)準(zhǔn)系列的干式變壓器鐵心窗口是裝不下這么多的高壓等級絕緣的低壓線圈，勢必加大鐵心窗口尺寸才能制造這種特殊變壓器，磁路冗長必然加大鐵損，引線又多又長固然加大銅損，與節(jié)能系列變壓器對比，效率降低3%?5%。
[0011]專利號為ZL 2007 I 0011322.6的中國發(fā)明專利少級多重增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，如圖2所示，由提供少級數(shù)多相位低壓工頻電源和中壓工頻電源的少線圈高/中/低壓移相變壓器HMLT、具有升壓增容的少級多重低一中壓變頻器LMF、利用6?IOkV普通高壓電動機(jī)HM通過變換其定子繞組接線結(jié)構(gòu)及線圈絕緣結(jié)構(gòu)而改制成的2.3?6kV增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)MM，以及中壓變頻/工頻切換開關(guān)Wl和W2所集成，少線圈高/中/低壓移相變壓器HMLT帶有升壓變頻增容結(jié)構(gòu)和中壓工頻供電結(jié)構(gòu)；增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)MM采用普通高壓電動機(jī)的鐵心結(jié)構(gòu)，定子繞組采用中壓等級絕緣結(jié)構(gòu)，非負(fù)載端軸承采用絕緣結(jié)構(gòu)；少級多重低一中壓變頻器LMF采用3?5變頻單元，并具有容許提升輸入電壓增容功能。三相高壓輸入6?10kV，高/中壓比例為1:(1/ V 3?1/3)，低壓組合為690?750V。該發(fā)明對比公知的多級多重高一低一高壓型具有顯著技術(shù)進(jìn)步特征，卻尚存以下缺憾:
[0012](I)以6kV “少級多重增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置”為例，至少得配置3相5級15個690~750V電壓等級的變頻單元，潛在著故障概率。
[0013](2)內(nèi)置6kV的移相變壓器至少得繞制3相5級15組低壓輸出線圈，雖然屬低壓等級，但對地電壓仍很高，必須采取高等級絕緣結(jié)構(gòu)，因而占據(jù)了變壓器鐵心窗口較大的空間，影響到變壓器的效率。
[0014](3)匹配6kV電動機(jī)的定子線圈至少要包扎8層云母帶，導(dǎo)致槽滿率(占空比)不足1/2，影響到電動機(jī)的效率和功率因數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明針對現(xiàn)有高壓變頻調(diào)速方案之不足，提供一種單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，可實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)高功率、高效率、高可靠性、省能源、省材料、省投資的目的。
[0016]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0017]單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，由單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容變壓器HMT、1/ V 3~1/3?的單級中壓變頻器MF、利用6~IOkV普通高壓電動機(jī)HM通過變換其定子繞組結(jié)構(gòu)及線圈絕緣結(jié)構(gòu)改制而成的I/ V 3~1/3?的增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)MM所集成，所述的單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容型變壓器HMT帶有吸收高次諧波的三角形閉合結(jié)構(gòu)；所述的I/ V 3~1/3?的單級中壓變頻器MF帶有中壓變頻/工頻切換開關(guān)MWl和MW2，可實(shí)現(xiàn)中壓變頻/中壓工頻切換；三相高壓工頻輸入6~10kV，三相中壓變頻輸出I/ V 3~1/3?。
[0018]所述的I/ V 3~1/3?的增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)MM，定子鐵心采用6~IOkV高壓電動機(jī)的鐵心結(jié)構(gòu)，定子線圈采用I/ V 3~l/3Ui中壓等級絕緣結(jié)構(gòu)，定子繞組采用I/ V 3~1/3?的中壓接線結(jié)構(gòu)，出線盒采用I/ V 3~1/3?的中壓等級結(jié)構(gòu)。
[0019]所述的I/ V 3~1/3?的單級中壓變頻器MF，采用單級變頻單元，設(shè)有接地電阻R，為浮動電源提供電磁兼容保護(hù)，阻值為IkQ。
[0020]本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
[0021]本發(fā)明單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，與多級多重高一低一高壓型變頻裝置和少級多重高一低一中壓型變頻裝置對比，具有以下特點(diǎn):
[0022]( I)在變壓器方面，前者采用單繞組自耦變壓結(jié)構(gòu)，其輸入電流與輸出電流方向相反而等量抵消，只流過差值。而后者采用雙繞組多線圈隔離變壓結(jié)構(gòu)，故前者比后者可增容43% ~136%ο
[0023](2)在變頻器方面，前者采用單級I/ V 3~1/3?的中壓變頻單元MF ;而6kV多級多重聞一低一聞壓變頻單兀的串聯(lián)級數(shù)至少5級，IOkV至少8級；6kV少級多重聞一低一中壓變頻變頻單元的串聯(lián)級數(shù)為3級，IOkV為5級；6kV多級串聯(lián)高壓變頻單元的串聯(lián)級數(shù)至少2級，IOkV至少3級。前者比后者從多級串聯(lián)減至單級結(jié)構(gòu)，變頻器的效率和可靠性均可顯著提高。
[0024](3)在電動機(jī)方面，前者利用6~IOkV普通高壓電動機(jī)HM改制為I/ V 3~1/3?的中壓變頻調(diào)速電動機(jī)麗后，絕緣材料只占據(jù)電動機(jī)定子鐵心槽窗口 1/2以下，例如3kV等級的定子線圈不過包扎4層云母帶，僅為6kV等級的定子線圈云母層的1/2，IOkV等級的定子線圈云母層的1/3，相對增加了導(dǎo)體的有效利用空間，使槽滿率(占空比)達(dá)到1/2以上。在保持原高壓電動機(jī)磁通密度和電流密度不變前提下，可提高其額定輸出功率I~3個標(biāo)準(zhǔn)等級。
[0025]表1和表2列出原6kV、630kW普通高壓電動機(jī)HM，改制為3kV、700kW增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)MM的對比數(shù)據(jù)。其功率增加了一個標(biāo)準(zhǔn)等級，額定效率增加了 0.5個百分點(diǎn)，啟動電流/額定電流降低了 21%，冷卻空氣量增加了 17.6%。
[0026]表3列出本發(fā)明單級多重高一中壓型變頻調(diào)速集成裝置，與多級多重高一低一高壓型變頻裝置和少級多重高一低一中壓型變頻調(diào)速集成裝置的對比數(shù)據(jù)，前者比后兩者系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性更高。
[0027]表1
[0028]
【權(quán)利要求】
1.單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，由單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容變壓器(HMT)、單級中壓變頻器(MF)、利用6~IOkV普通高壓電動機(jī)(HM)通過變換其定子繞組結(jié)構(gòu)及線圈絕緣結(jié)構(gòu)改制而成的I/ V 3~1/3 U1的增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)(MM)所集成，其特征在于所述的單繞組延邊三角形結(jié)構(gòu)的高/中壓自耦增容型變壓器(HMT)帶有吸收高次諧波的三角形閉合結(jié)構(gòu)；所述的單級中壓變頻器(MF)帶有中壓變頻/工頻切換開關(guān)(MWl)和(MW2)，可實(shí)現(xiàn)中壓變頻/中壓工頻切換；三相高壓工頻輸入6~10kV，三相中壓變頻輸出I/ V 3~1/3U10
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，其特征在于:所述的I/ V 3~1/3A的增容型中壓變頻調(diào)速電動機(jī)(MM)的定子鐵心采用6~IOkV高壓電動機(jī)的鐵心結(jié)構(gòu)，定子線圈采用I/ V 3~1/3?中壓等級絕緣結(jié)構(gòu)，定子繞組采用I/ V 3~1/3^的中壓接線結(jié)構(gòu)，出線盒采用I/ V 3~1/3?的中壓等級結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級增容型高一中壓變頻調(diào)速集成裝置，其特征在于所述的單級中壓變頻器(MF)，采用單級變頻單元，設(shè)有接地電阻R，為浮動電源提供電磁兼容保護(hù)，阻值為Ik Q 0
【文檔編號】H02P27/04GK103731085SQ201410031187
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】呂志斗, 馬成家, 莫戈林, 張國梁, 何漢濤, 陳作勝, 王波, 王林, 王哲, 劉懷秋, 馬東杰, 陳琦 申請人:鞍山市權(quán)晟電子電力有限公司