1 中大功率電機系統(tǒng)的特點
中大功率電機是指電機容量在200kW以上，200kW～20MW，其電壓高于380V，一般為660V、3000V、6000V、10kV等。中大功率電機主要應(yīng)用于大型工業(yè)，例如冶金、有色、煤炭、電力、油氣開采和輸送、石化、牽引運輸，城市供排水等。
中大功率電機具有高電壓，大電流的特點，而目前電力電子變頻調(diào)速技術(shù)中電力半導(dǎo)體器件的電壓等級還無法達(dá)到中大功率電機供電標(biāo)準(zhǔn)，因此，中大功率變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)就面臨著如何解決電力電子元件電壓與電機供電電壓相適應(yīng)，以及高電壓大電流的難題。由于技術(shù)與應(yīng)用場合的因素，中大功率電機節(jié)能一般都是以工程形式來進行，具有非標(biāo)準(zhǔn)的特點，所以節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計，制造和現(xiàn)場服務(wù)就尤為重要。
對于中大功率電機傳動系統(tǒng)而言，一種類型為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)工藝的要求，如大型軋鋼機的調(diào)速傳動、礦井提升機傳動、鐵路牽引機車傳動、大型輸油管道輸油泵調(diào)速傳動等。這一類型的電機和電力電子變換器為一體化設(shè)計，所以電機的電壓等級為適應(yīng)電力電子元件的最佳狀態(tài)，多為非標(biāo)準(zhǔn)，特殊設(shè)計的。例如，軋鋼電機1650V、牽引電機1200V。另一種類型是大型風(fēng)機、泵類的節(jié)能傳動，例如:高爐除塵風(fēng)機、礦井能風(fēng)機、油田注水泵、城市自來水供水泵等。它在工業(yè)應(yīng)用中量大面廣，隨工況條件、工藝變化，需要調(diào)速節(jié)能。這一類型的電機按供電電壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，而電力電子變換器要適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)供電電壓等級:6kV、10kV。
由于中大功率電機是大型工業(yè)動力的主體，同時也是工業(yè)用電的大戶，例如軋鋼機、油氣輸送、電力牽引等工業(yè)，電機傳動為工廠用電的主流，因此中大功率電機節(jié)能是工業(yè)電機系統(tǒng)節(jié)能的重點。
2 中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)
2.1 中大功率電機的軟啟動技術(shù)
由于大型電機在啟動時會產(chǎn)生5～7倍的電流沖擊，會造成供電電網(wǎng)的電壓降，影響電網(wǎng)安全，所以一般供電部門采取限制大型電機的啟動次數(shù)，電機啟動時采取停止其他用戶用電的措施。因此，大型電機采用電力電子變換器的軟啟動技術(shù)節(jié)能意義重大。
大型同步電機的軟啟動采用晶閘管交直交變頻調(diào)速技術(shù)，該技術(shù)簡單成熟，晶閘管串聯(lián)可以達(dá)到10kV供電，在高爐鼓風(fēng)機20～40MW同步電機啟動，抽水管能電站50～200MW同步機啟動，制氧機5～10MW同步機啟動中正廣泛應(yīng)用該技術(shù)。中國從80年代引進大型生產(chǎn)設(shè)備時也引進了軟啟動設(shè)備，目前國內(nèi)制造廠已可以提供該裝置。
中大型異步電機的軟啟動可以采用變頻調(diào)速技術(shù)，也可以采用晶閘管調(diào)壓軟啟動技術(shù)。晶閘管調(diào)壓軟啟動技術(shù)在低壓電機中已廣泛采用，并有系列產(chǎn)品生產(chǎn)，而對于中大型高壓電機晶閘管調(diào)壓軟啟動技術(shù)應(yīng)用較少。歐洲和日本在該領(lǐng)域多采用變頻調(diào)速技術(shù)，只有美國生產(chǎn)高壓晶閘管軟啟動裝置。
2.2 大功率風(fēng)機、泵類調(diào)速節(jié)能技術(shù)
由于風(fēng)機、泵類機械量大面廣，采用調(diào)速來調(diào)節(jié)流量可以實現(xiàn)節(jié)能20%～50%，同時高壓電機標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，工況要求電機在調(diào)速和全速兩種狀態(tài)變化，所以變頻器的電壓等級必須適應(yīng)電機的供電標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到3kV、6kV、10kV。而當(dāng)前單只電力電子元件的制造水平還達(dá)不到這一等級，所以如何使變頻器供電到高壓就成為變流技術(shù)的難題。
高壓變頻器解決高壓供電和元件制造水平矛盾的方法有:
(1) 變壓器降升壓
采用變壓器把高壓降到電力電子元件適應(yīng)的低壓，采用低壓變頻，然后再用變壓器升到高壓，供電給電機，即所謂高-低-高方案。這一方法簡單，可靠，但采用兩級變壓器，效率低，體積大。有些公司(如SIEMENS)提出把電機也改為低壓，采用高-低-低方案來提高效率。
(2) 電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)
將電力半導(dǎo)體元件串聯(lián)起來滿足高壓要求，但要同時解決元件串聯(lián)均壓、高低壓間絕緣和信息傳遞等難題。晶閘管元件串聯(lián)技術(shù)已成熟，而GTO、IGBT串聯(lián)技術(shù)尚在研究中，目前ROCKWELL公司POWERFLEX7000高壓變頻器采用SGCT元件直接串聯(lián)，ALSTOM 公司VDM5000高壓變頻器則采用IGBT元件直接串聯(lián)，達(dá)到6kV供電。
(3) 多電平技術(shù)
多電平是運用變頻器拓樸變化來達(dá)到提高電壓，減少諧波的新技術(shù)，近年來已形成中大功率高壓變頻的技術(shù)熱點和發(fā)展趨勢。
除高壓變頻調(diào)速技術(shù)外，風(fēng)機泵類調(diào)速節(jié)能還有一些輔助調(diào)速技術(shù)，例如液力偶合器調(diào)速，由于價格低廉使其在一定范圍，一定時期等到推廣，同時，交流電機串級調(diào)速、內(nèi)反饋電機等技術(shù)也在中大功率電機節(jié)能中占有一席之地，但這些技術(shù)由于技術(shù)和自身條件的局限性，不可能大面積推廣應(yīng)用。
2.3 中大功率高性能調(diào)速技術(shù)
近年來，隨著電力電子和交流電機控制技術(shù)的發(fā)展，大型工業(yè)系統(tǒng)中軋鋼、提升機、造紙機等由傳統(tǒng)直流電機調(diào)速的場合均用交流調(diào)速取代直流調(diào)速，實現(xiàn)了提高性能，減少維護并達(dá)到節(jié)能20%～30%的效益。
對于大型軋機傳動，礦井提升機以及造紙機傳動廣泛采用晶閘管交-交變頻調(diào)速技術(shù)，該技術(shù)簡單，可靠效率高，過載能力強。在世界上已有500～1000臺2000kW以上大型電機采用了交-交變頻技術(shù)。國際上，西門子公司為該技術(shù)的代表，我國工程技術(shù)人員通過“八五”、“九五”科技攻關(guān)，已掌握該技術(shù)，提供了20余臺2000～5000kW大功率交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)。
3 國內(nèi)外中大功率變頻器情況
3.1 國外情況
根據(jù)國際ARC機構(gòu)“2005年AC DRIVE全球展望”報告，國際大功率交流調(diào)速裝置1999年為24億美元，2005年將達(dá)到28億美元，年增長率3%。
國際上，中大功率電機系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展取決于大功率電力電子及變頻技術(shù)的發(fā)展，大功率IGBT/IGCT，IEGT等元件是近期的研制熱點，高壓變頻技術(shù)正處于一個高低高、元件串聯(lián)、變頻器級聯(lián)、多電平等技術(shù)多樣化的過渡期。目前，以美國ROBINCON公司和日本公司為代表的變頻器級聯(lián)高壓變頻在國內(nèi)風(fēng)機泵類市場中有較大影響;而以歐洲西門子、ABB公司為代表的交-交變頻器、三電平PWM變頻調(diào)速在大型工業(yè)系統(tǒng)調(diào)速設(shè)備中占主流。
3.2 國內(nèi)情況
根據(jù)國際ARC機構(gòu)預(yù)測，中國交流調(diào)速市場為10億美元，中大功率市場為2億美元;據(jù)機械部預(yù)測，該行業(yè)將以15%～20%年增長率發(fā)展。目前，我國電氣傳動裝置制造廠有近百家，但從事中大功率調(diào)速技術(shù)及裝備研制的只有天津電傳所、北京冶金自動化院、湖南株洲所三家，在國家的支持下已可以制造5000kW交-交變頻軋機主傳動、礦井提升機傳動、10000kW交-直-交同步電機啟動器、4000kW鐵道牽引驅(qū)動等裝備。
國家“十五”期間重點工程和重大技術(shù)裝備項目，如西氣東輸工程、大型熱冷連軋機交流傳動裝備、大型礦井提升裝備、高速鐵道牽引及磁懸浮驅(qū)動裝備等，都需要大量先進的大中功率交流傳動設(shè)備。
據(jù)市場統(tǒng)計，200kW以上大中功率傳動設(shè)備在中國電機系統(tǒng)的分布中占總市場的40%左右，其市場份額如圖3所示。
國際知名電氣公司，如西門子、ABB、三菱公司在中國設(shè)有電氣傳動設(shè)備生產(chǎn)合資工廠。近年來，由于市場需求和國家政策的導(dǎo)向，風(fēng)機水泵中大功率高壓變頻技術(shù)市場成為企業(yè)、院校紛紛涉足的競爭熱點。目前，中國已有10多家公司在仿制美國ROBINCON公司的H橋級聯(lián)高壓變頻器，已研制成功3MVA，6kV H橋級聯(lián)高壓變頻器，涌現(xiàn)了先行、凱奇、科德華富等一批高壓變頻產(chǎn)品公司，但大多為樣機研制及試生產(chǎn)階段，沒有規(guī)模生產(chǎn)。
4 問題討論
4.1 供電標(biāo)準(zhǔn)與變頻器技術(shù)的矛盾
世界各國供電標(biāo)準(zhǔn)不同，美國工廠供電2300V、4160V，日本為3000V，歐洲為660V、3300V，電壓等級很多。我國電力部門從減小線路損耗角度出發(fā)，電壓標(biāo)準(zhǔn)序列從380V(低壓)之后，就跳到6kV、10kV，而6kV又要被淘汰，要求推行10kV供電，還有可能提高到20kV。380V供電的電動機系統(tǒng)以200kW為界線，作為國民經(jīng)濟各部門各行業(yè)采用的主力電動機組，則是200～2000kW見多。按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，它們必須采用6kV，甚至10kV的電壓等級。這就給大功率高壓電機調(diào)速帶來了變頻器電壓與供電電壓不適應(yīng)的問題。從國際電力電子技術(shù)發(fā)展情況來看，高壓變頻器在2～3年內(nèi)達(dá)到2300～3300V，成為成熟的系列產(chǎn)品是可能的，但對于6kV，尤其是10kV等級的高壓變頻技術(shù)在2～3年內(nèi)很難突破。隨電壓等級的提高，由于功率半導(dǎo)體器件的耐壓水平達(dá)不到，需要元件串聯(lián)，使用器件數(shù)量增大，使變頻器成本大幅度上升;380V供電時，變頻器售價600～800元/kW;6kV供電時，變頻器售價上升到2000～2400元/kW;10kV供電時，變頻器售價將達(dá)到2800～3000元/kW。因此，技術(shù)是阻礙中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能的主要因素。在技術(shù)尚未成熟的階段，使高壓變頻器的成本下降是很難實現(xiàn)的。
由此，建議380V供電的電機系統(tǒng)擴大到400kW，增加660V電壓等級，相應(yīng)電動機和變頻器的容量可以擴大到600～1200kW�？紤]到中電壓、大功率變頻器都有輸入網(wǎng)側(cè)隔離變壓器，10kV輸入，而副邊(電動機)電壓可以增加2.3kV、3kV、4.16kV和6kV四個檔次，使800～2000kW(2.3kV系統(tǒng))、1200～2500kW(3kV系統(tǒng))經(jīng)濟合理，使大部分中電壓電動機調(diào)速裝置推廣中遇到的價格勢壘得到較大程度的降低。
4.2 對電網(wǎng)的污染
大功率變頻器對電網(wǎng)帶來諧波和無功沖擊，由于裝置容量大對電網(wǎng)的影響就十分嚴(yán)重，因此研制對電網(wǎng)污染小的變頻器，以及采用電網(wǎng)、變換器、工藝一體化設(shè)計尤為必要。采用晶閘管的交-交變頻器和交-直-交變頻器由于晶閘管換流機理對電網(wǎng)產(chǎn)生滯后的無功，需要容性無功對電網(wǎng)進行補償，而采用新型可關(guān)斷器件的PWM交-直-交變頻器則始終保持功率因數(shù)接近1。變頻器對電網(wǎng)帶來的諧波可以采用輸入變壓器移相的方法來削弱，為此，美國ROBICON公司提出了“完美無諧波變頻器”。但應(yīng)當(dāng)指出，增加輸入變壓器相移數(shù)將增加設(shè)備成本。實際上，12相整流消除了5，7次諧波，已基本滿足電網(wǎng)諧波要求，因此大功率變頻器多采用12相整流。
4.3 電機的影響
采用大功率變頻器供電的電機，供電諧波對電機會產(chǎn)生諧波電流和磁勢，使電機產(chǎn)生損耗發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、嗓聲、軸電流以及絕緣老化等問題，這就要求中大電機必須重新設(shè)計，以適合于電力電子變頻器供電的條件。
近年來，PWM供電對電機產(chǎn)生的影響引起了廣泛關(guān)注，PWM供電產(chǎn)生的du/dt及回路電感引起的共模過電壓將使電機絕緣損傷。加輸出濾波器可消除其影響，但增加了損耗;采用多電平技術(shù)可有效地減少du/dt及共模電壓，但電平數(shù)的增加要以增加器件為代價。這樣，應(yīng)當(dāng)對電機絕緣、耐du/dt能力、器件電壓水平及變頻器電平數(shù)等因素綜合考慮，綜合平衡以提高系統(tǒng)的性能價格比。
4.4 電振蕩問題
大功率變頻器供電給電機，使電機產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，諧波頻率很容易同機械的固有振蕩頻率諧振，產(chǎn)生機電振蕩，使系統(tǒng)無法運行以致造成重大設(shè)備事故。機電一體化分析以及振蕩的抑制是中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用的難題之一。
4.5 市場推廣的問題
我國中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)推廣處于市場的初期階段，目前大功率風(fēng)機水泵高壓變頻每年只有100臺左右，并仍需政府在技術(shù)推廣中給予支持，而且，當(dāng)前高壓變頻器基本上是國外公司提供，其價格為1500～2000元/kW，對于用戶1000元/kW仍很難接受，因此，中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)由政府扶持轉(zhuǎn)為企業(yè)節(jié)能效益的自身需要還要相當(dāng)長一段時間。
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