增容型变频方案与Vacon变频器的完美结合

1 高压电动机变频调速的节能意义

中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%。全国宏观年节电能力可达：

25 000 亿kW·h×60%×60%×30%×30%=810亿kW·h。

相当于新建100万kW 机组、年均运行5 000 h的大型发电厂16 座，接近于中国三峡水电站年总发电量。

围绕着高压电动机变频调速也形成了两条技术路线。一条是以高压变频为代表的基于低效率的高压电动机的变频单元串联风险模式的高成本技术路线;另一条是以增容型高- 低压变频方案与Vacon变频器完美结合为代表的基于高压电动机增容提效和变频单元并联冗余模式的低成本技术路线。

2 增容型高- 低压变频方案与Vacon 变频器相结合

增容型高-低压变频调速集成装置，由多功能变压器T、Vacon 变频器LF、利用普通高压电动机通过变换其定子绕组接线结构及线圈绝缘结构改制而成的增容型低压变频调速电动机HM′，以及低压变频/工频切换开关Ct、Cf、Cw所集成，其特征在于增容型低压变频调速电动机HM′采用高压电动机铁心结构;定子绕组采用中压绝缘结构;定子绕组采用低压接线结构;非负荷端轴承采用绝缘结构;低压大容量Vacon 变频器LF 采用输入电压补偿增容措施，如图1所示。

适用范围：

电网电压3～10 kV;

电动机功率200～5 000 kW;

变频器Vacon NX5、NX6系列200～5 000 kW;

变频系统(高压侧)功率因数≥0.95;

变频系统(高压侧)电压总谐波≤1.6%(中国标准GB/T 14549-93《电能质量公共电网谐波》限定值为4%);

运行模式变频/工频，手控/自控，现场/远控，一拖多台;

控制系统PLC，DCS，FCS等。

增容型高- 低压变频方案与Vacon变频器主要结合点如下。

2.1 电动机增容与Vacon变频器工况相结合

众所周知，普通交流电动机的额定功率都是按照正弦波电源设计制造的。变频器提供给电动机的是由高载频脉冲包络而成的准正弦波电源，由于du/dt和di/dt的原因，导致电动机在变频工况下损耗增加，效率和性能比率降低，运行温度升高，额定功率下降。具体表现为：

1)使用变频器导致电机效率降低大约0.5%;

2)附加损耗导致电机升温，在满载下，电机温度更高，对于200 kW 的电机，定子损耗增加10%，热量大约增加18 kW，转子损耗增加100%，转子导电条热量增加大约60 kW;

3)通常降低电机负载以承受更大的损耗。

为此，适度增加电动机额定功率适应变频工况势在必行。采用本增容型高-低压变频方案，即可使普通高压电动机增加额定功率1～3个标准等级，不仅完全弥补了变频工况的功率损失，而且足以达到增产、节能和节材等多重目的。

本方案利用普通高压电动机的机座和铁心结构，改用“中压绝缘结构”和“低压接线结构”，实现低压增容变频调速。中压的范围为1 500～3 000 V，对比6 000 V和10 000 V的“高压绝缘结构”，绝缘厚度可适度减薄1/2～2/3，既能长期承受数倍于额定电压的高载频脉冲产生的自感电势和高次谐波峰值电压的变频工况，又提高了槽满率(导线的占空比>1/3～1/2)，使额定功率提高1～3个标准功率等级，效率提高0.5%～3%，功率因数提高0.1～0.2，同功率的高压电动机制造材料消耗可降低10%～20%。

2.1.1 确定高-低压电压等级

本增容型高-低压变频调速集成装置的高压输入电压，即用户的电网电压;而低压则是优选的。优选的原则是，对于560 kW及以下的高压电动机，选择Vacon NX5系列变频器440 V或500 V电压制式;

对于630 kW及以上的高压电动机，为了减少低压电缆压降和线损，宜选择Vacon NX6系列变频器690 V电压制式。

2.1.2 计算定子线圈新匝数

在保持原高压电动机(气隙、定子齿部和轭部)磁通密度不变的前提下，本方案定子线圈匝数W′为

2.2 变压器升压与Vacon变频器增容相结合

Vacon NX5系列变频器的标准电压制式为400～500 V，在中国只能运行在380 V低压动力电源上，可谓大材小用。如若增加一级动力变压器将380 V升至500 V，相当于增加一级变电站，投资大且占地面积亦大，颇不现实。因而导致大量的Vacon变频器欠压运行，造成宝贵资源的无谓浪费。

本方案提供“变频器输入电压补偿”，使Vacon变频器输入电压提升到其额定值的最高限，如440 V或500 V，实现变频器增容10%~30%。即通过一台多功能变压器T，对高压电动机改压后实施降压增容，又对变频器适度升压增容，一举多得。变频器升压增容前的实际输出功率Pp和增容后的最大输出功率P忆max，取决于变频器的最低额定功率Pnmin和