专利名称：增容型高－低压变频调速集成装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高压电动机，尤其是一种高压电动机增容型高-低压变频调速集成装置。
背景技术：
众所周知，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，10kV及以上的高压、3～6kV的中压电动机，人们习惯地统称为高压电动机，与低压电动机相比，虽然在数量(台数)的比例上约为20％∶80％，但在容量(kW)比例上却为60％∶40％。近年来，我国总消费电量高达12000亿kW·h以上，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12000×60％×60％×30％×30％＝388.8亿kW·h相当于新建80万kW、年运行5000小时的发电厂10座！综合电价若按0.5元/kW·h计算，我国宏观年节电价值可达0.5元/kW·h×388.8亿kW·h/a＝194.4亿元为此，1997年颁布的《中华人民共和国节约能源法》中规定“发展电机调速节电和电力电子节电技术”。其中，电力电子的核心技术就是变频技术，变频调速技术则是电机调速与电力电子的技术集成。特别是高压电动机变频调速技术，理所当然地成为我国节能技术措施中的“重中之重”。
目前公知的针对高压电动机所采用的变频调速技术方案主要有高—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，提供高压电动机变频调速。其缺点是升压变压器要么采用普通硅钢片磁性材料，要么采用非晶态磁性材料。后者成本高；前者变压器本体虽然成本低，但加装输出滤波器成本更高；两者在低频工况下效率低、功率因数亦低，而且占地面积都大。
高—中压型。它是通过单支高压变频器件，实现高压频率直接转换。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3-4.16kV居多。
高—高压型。它通过多支高压变频器件串联方式，实现高压频率直接转换。其缺点是多支高压器件串联的变频装置可靠性很差，造价很高。
多重化型。它通过一种特制的变压器将高压工频电源降为不同电角度的低压工频电源，经多个低压变频器模块叠加成多脉冲高压变频电源。其优点是输出波形更接近于正弦，高次谐波较低；缺点是变压器结构复杂，如6kV装置至少配置15个、10kV装置至少配置24个低压变频器模块，因而导致故障概率高，系统效率低，装置成本高。
内反馈型。它是传统的串级调速类型的一种改良型。无论内反馈，还是外反馈，都是基于绕线型电动机的晶闸管变频调速方式。其缺点一是绕线型转子因其滑环和电刷维护麻烦，故障多；二是变频器主器件晶闸管载频低，高次谐波大，往往超过了国家标准限度值4％，功率因数低，调速范围窄。况且，内反馈调速专用电动机比同等容量、同等电压等级的普通笼型电动机体积大，效率低，成本高。
常规高—低压型。采用变压器降压，改用普通低压电动机取代高压电动机实施低压变频调速。因受工艺条件所限，低压电动机的标准容量一般不超过500kW。大容量低压电动机制造周期目前长达半年以上；定子绕组长期在脉冲频率和高次谐波下运行将加速绝缘老化，乃至发生击穿烧毁事故。况且，相同容量的高压电动机与低压电动机的底座尺寸亦不同，还得重打基础，并须更换对轮。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比高压电动机的机座还大，势必也得重打基础并更换对轮，给现场改造带来麻烦！中国专利号02274200.X“面向高压电动机的高—低压变频调速集成装置”，由至少一侧绕组为延边三角形连接结构的降压变压器T、低压变频器LF、利用普通高压电动机HM通过绕组联结结构变化改制而成的特殊电压变频调速电动机HM′，以及变频/工频切换开关Ct、Cf、Cw所集成。其优点是，结构简单，效率高、功率因数高、可靠性高，谐波低、成本低、加工周期短。但仅仅通过改接线改压，往往定子绕组欠压而达不到电动机的额定功率。
以上针对高压电动机的变频调速技术方案虽然不同，却有一个共同的弊端，即电动机受变频电源内阻大、产生的高次谐波，以及电压降等因素影响，当变频频率达到工频时，电动机达不到额定功率，这就是“电动机改为变频调速后出力低”，甚至“不如液力偶合器有劲”的缘故。
例如，在实施02274200.X专利技术过程中，对一台JS1512-8型6kV、630kW、8极电动机，定子绕组由1路Y接改为8路Y接后，额定电压变为6kV÷8路并联＝750V，采用690V通用型变频器欠压运行，电动机的额定功率降到630kW×690/750＝580kW，相当于标准系列570kW。轻载时能正常变频运行，但重载时却发生电动机过流，即超过额定电流74A×8路并联＝592A。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的弊端，提供一种增容型高—低压变频调速集成装置，旨在①解决目前高压电动机实施变频调速技术方案中欠功率运行问题；②电动机增容有利于提高生产能力；③进一步提高电动机效率；④不增载则降低电动机运行温升。
增容型高—低压变频调速集成装置，由提供变频器合理升压增容的变压器T、容许过压10％～15％运行的低压大容量变频器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，其特征在于高压开关柜Cm的输出端与变压器T的高压输入端相连接，变压器T的低压输出端与工频/变频切换装置中的变频器输入侧开关Ct的进线端连接，开关Ct的出线端与低压变频器LF的输入端相连接，变频器LF的输出端与变频器LF的输出侧开关Cf的进线端相连接，开关Cf的出线端与增容型低压变频调速电动机HM′相连接，工频/变频切换装置中的旁路开关Cw与变压器T的低压输出端和电动机HM′并联连接。
增容型高—低压变频调速集成装置是面向高压电动机的高—低压变频调速集成装置的改进型，主要表现在增容型低压变频调速电动机HM′，定子铁心采用开启型槽结构，定子线圈采用高压等级绝缘，每槽导线总截面积/槽窗口面积即占空比大于1/3直至1/2。在保持原高压电动机磁通密度和电流密度不变前提下，可提高原电动机额定功率1～3个标准系列功率等级。对于绕线电动机，通过在绕线转子引出线根部加焊一个截面积Sr′为引出线截面积 倍的铜质短路环，从而改制成鼠笼型转子，不仅根除了滑环和电刷及其引出线，而且节省其电阻功耗，并与定子绕组改制相匹配共同增加电动机的额定功率。在电网电压相对稳定的场合，利用通用型低压变频器允许电网输入电压高于额定电压10％或15％的技术规定，通过变压器合理提升变频器的额定输入电压5％～10％，并设置变频器弱磁点电压比例参数至105％～110％，从而在变频器额定电流不变前提下，可提高其额定输出容量5％～10％。
以下结合附图和具体实施方式
对本技术方案作进一步详细说明。
图1是本实用新型的电路原理图。
图2是普通高压电动机定子绕组线圈截面图。
图3是本技术方案高压电动机改制后的定子绕组线圈截面图。
图4是普通高压绕线型电动机转子绕组引出线结构侧面图。
图5是本技术方案将高压绕线型电动机转子绕组改为鼠笼型结构短路环焊接侧面图。
图6是普通动力变压器绕组Y形接线图。
图7是本技术方案变压器高压侧或低压侧绕组带升压线圈的延边三角形接线图。
具体实施方式
图1，本技术方案由可供通用型低压变频器合理升压增容的变压器T、通用型低压大容量变频器LF、利用3kV～10kV普通高压电动机通过变换定子绕组接线结构及线圈绝缘结构改制而成的增容型380V～1140V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。其高压开关柜Cm的输出端与变压器T的高压绕组输入端相连接，T的低压绕组输出端与工频/变频切换装置中的开关Ct的进线端相连接，Ct的出线端与变频器LF的工频输入端相连接，LF的变频输出端与工频/变频切换装置中的开关Cf的进线端相连接，Cf的出线端与增容型低压变频调速电动机HM′相连接，工频/变频切换装置中的旁路开关Cw的输入端和输出端分别与变压器T的低压输出端和电动机HM′的输入端相连接。一旦变频器LF发生内部故障，通过开关Ct和Cf切出变频器，由旁路开关Cw将变压器T的低压输出端与电动机HM′的输入端直联，即可实施工频启动和工频运行。具体改制方法如下(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是已知的，即用户的电网电压；而低压则是优选的。优选的原则是，鉴于目前市售的通用型低压大容量变频器以400V～440V和690V居多，且技术成熟，运行可靠，功能较全，价格较低，对于500kW及以下的高压电动机，选择400V～440V大容量变频器更为经济；对于630kW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690V大容量变频器。
(2)计算本定子线圈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，本定子线圈匝数W′由下式决定W′＝W·Un′/Un·Kw′/Kw (式1)式中W——原高压电动机定子线圈匝数(匝)；Un′——本增容型变频调速电动机额定电压(V)；Un——原高压电动机额定电压(V)；Kw′——本电动机定子绕组接线常数，Y为1×并联支路数，Δ为 并联支路数；Kw——原高压电动机定子绕组接线常数，多数1路Y接为1，少数2路Y接为2，1路Δ接为√3。
适度提高磁通密度，新定子线圈匝数W′可反比减少，有助于进一步增大电动机容量。
(3)确定本定子线圈及导线的绝缘材料本电动机定子线圈导线的绝缘层可选择一层玻璃丝包绝缘。而常规额定电压6kV电动机的定子线圈导线多采用两层玻璃丝包绝缘，常规额定电压10kV电动机的定子线圈导线多采用三层玻璃丝包绝缘，故可减薄玻璃丝包绝缘厚度。
利用原高压电动机定子线圈的高等级绝缘外包扎，本电动机定子线圈的绝缘材料厚度8i′由下式决定δi′＝Ku·(2Un+1000)/Un′·iδ (式2)式中Ku——本电动机定子绕组耐压系数，标志适应变频脉冲工况及高次谐波产生的峰值电压的能力，可取6～10倍，对于3相6脉冲输出波形的变频器取高倍数，对于加有输出滤波器或者＞3相6脉冲输出波形的变频器取低倍数；2Un+1000——原高压电动机定子绕组的耐压指标(V)；δi——原高压电动机定子线圈的绝缘材料厚度。
采用耐压和耐热等级更高的绝缘材料，本定子线圈的绝缘材料占空比δ′可进而减小，线圈导线截面积可进而加大，有利于电动机进一步增容。
(4)计算本定子线圈导线截面积在保持原高压电动机定子线圈导线电流密度不变的前提下，本电动机定子线圈导线截面积Se′由下式决定Se′＝Kf′·Se·W/W′·i′/δi√δ (式3)式中
Kf′——本电动机定子线圈填充系数，可取0.85～0.9，对于单股导线截面积较大者，考虑导体电流的集肤效应和绝缘材料的机械强度而取低值，反之亦然； ——本电动机与原高压电动机定子线圈的绝缘材料厚度比的平方根。
原高压电动机定子槽导线总截面积的占空比δcu计算8cu＝Scu/Sfe(式4)式中Scu——原高压电动机定子槽导线总截面积。
Sfe——原高压电动机定子铁心槽窗口面积。
本增容型低压变频调速电动机定子槽导线总截面积的占空比δcu′计算δcu′＝Scu′/Sfe′ (式5)式中Scu′——本电动机定子槽导线总截面积。
Sfe′——本电动机定子铁心槽窗口面积。
(5)计算本电动机的额定电流在保持原高压电动机定子线圈导线电流密度不变的前提下，本电动机的额定电流In′由下式决定In′＝In·Kw′/Kw·Se′/Se (式6)式中In——原高压电动机的额定电流(A)。
(6)计算本电动机的额定功率本电动机的额定功率Pn′由下式决定
Pn′＝Pn·Un′/Un·In′/In (式7)式中Pn——原高压电动机的额定功率(kW)。
如果电动机只增容而未增载，相当于减小电流密度运行可降低电动机温升。
本实施例仍以JS系列6kV、630kW、8极电动机变频调速技术改造为例，该电动机定子绕组为1路Y接，线圈导线为两股2.1×4.1mm2双层玻璃丝包电磁线并绕，线圈外包扎8层云母带，每槽两只线圈，槽窗口面积为宽15×高70mm，F级绝缘。
本技术方案高压输入6000V，低压选用690V制式，定子绕组采用4路Δ接，参数计算如下依据(式1)计算本定子线圈匝数W′ 依据(式2)，本定子绕组耐压系数Ku取10倍，计算本定子线圈的绝缘材料厚度比δi′δi′＝10×(2×6000V+1000V)/10×690V×δi＝0.53δi采用3kV电动机的定子线圈绝缘材料即可。
依据(式3)，本定子线圈填充系数Kf取0.85，计算本定子线圈导线截面积Se′ 选用两股2.63×4.7mm2单层玻璃丝包电磁线并绕。
再依据(式4)和(式5)，分别验算原高压电动机和本电动机定子槽导线总截面积的占空比δcu和δcu′
δcu＝(2.1×4.1×2股并绕×每线圈10匝×每槽2线圈)/(15×70)＝0.328，即小于1/3；δcu′＝(2.63×4.7×2股并绕×每线圈8匝×每槽2线圈)/(15×70)＝0.377，即大于1/3。即本电动机比原高压电动机槽空间利用率提高了14.94％。线圈外包扎6层云母带，仍采用F级绝缘。
依据(式6)计算本额定电流In′In′=74A×3×4/1×(2.63×4.7×2)/(2.1×4.1×2)mm2=736A]]>依据(式7)计算新额定功率Pn′Pn′＝630kW×690V/6000V×736A/74A＝720kW本实施例电动机的额定功率对比原高压电动机的额定功率630kW，至少提高一个功率等级(超过JS标准系列700kW)。
另一改造方案是，鉴于本定子线圈导线截面积不大，线圈填充系数Ks还可取0.9，依据(式3)选用双股3.05×5.1mm2单层玻璃丝包电磁线并绕，线圈外包扎4层云母带，仍采用F级绝缘；依据(式4)已知原高压电动机定子槽线导线总截面积的占空比δcu为0.328，再依据(式5)计算本电动机定子槽线导线总截面积的占空比δcu′为0.474，后一方案槽空间利用率比原高压电动机提高了44.53％；比前一方案也提高了25.73％电流密度降至90％，则本电动机的额定电流In′可增至736A×(3.05×5.1mm2/2.63×4.7mm2)×0.9％＝833A，本额定功率Pn′可达720kW×833A/736A＝815kW(超过JS标准系列780kW)，进而又至少增容一个功率等级。
图2，常规高压电动机定子绕组单个线圈的截面图。
图3，本技术方案定子绕组单个线圈的截面图。显然，后者比前者的绝缘材料占空比明显减小了，而导线总截面积占空比则显著增大了。公知的高压电动机定子槽导线总截面积的占空比≤1/3，而本电动机定子槽导线总截面积占空比＞1/3，前者比后者可增大10％～50％，如本实施例即增大了14.94％～44.53％。在保持原高压电动机磁通密度和电流密度不变前提下，能提高其额定功率1～3个标准系列功率等级。同时，定子绕组线圈的绝缘材料适度减薄后还可改善机内的通风条件，使机内冷却空气量(m3/s)增加了20％左右，从而有效地降低了电动机的运行温升。
图4，常规高压绕线型电动机转子绕组接线结构图。其引出线、滑环和电刷产生压降损耗。
图5，本技术方案将高压绕线型电动机转子绕组改为笼型结构图。根除了引出线、滑环和电刷，并在转子内部引出线的根部加装一个截面积为引出线截面积√3倍的铜质短路环焊牢，从而改制成鼠笼型转子。与其定子绕组线圈改造相匹配共同提高电动机的功率等级。
图6，常规动力变压器绕组Y形接线图。
图7，本技术方案隔离变压器T高压侧/低压侧任意一侧绕组可适度升压的延边三角形接线图。用于容许电网电压波动+10％的低压大容量变频器，其升压线圈的升压比宜为现场实际电压的5％，尚预留了5％的电网电压上限波动值；对于容许电网电压波动+15％的低压大容量变频器，其升压线圈的升压比宜为现场实际电压的10％，仍预留5％的电网电压上限波动值。
本技术方案的经济特点与目前国内外高压电动机变频调速产品及其技术对比，具有高功率、高效率、高功率因数、高可靠性，低谐波、低成本、低温升，省能源、省原材料、早见效、早回收投资等特点。
(1)高功率。在保持高压电动机磁通密度和电流密度不变、且机械特性容许条件下，可提高额定功率1～3个功率等级。
(2)高效率。系统效率大于96％。其中变频器效率为98％，变压器效率为98.8％，电动机额定效率可提高0.5～2个百分点。
(3)高功率因数。系统功率因数可达0.95以上。
(4)高可靠性。一是采用无油枕全密封变压器或者干式变压器均系免维护型；二是选用技术成熟的低压大容量变频器安全可靠，使用寿命可长达70000小时；三是将高等级绝缘电动机运行在低压变频工况下，绝缘寿命无限长；四是自备变频/工频切换开关，以备变频器发生故障可切换到原工频模式，本切换装置既不增加成本，也不增加占地面积，无论是变频运行还是工频运行，电动机的额定功率均已提高。
(5)低谐波。电压总谐波可低于1.6％以下。因为本变压器绕组高/低压两侧绕组采取分立式绝缘隔离结构，高压侧或者低压侧采用带有升压线圈的延边三角形连接结构，可有效地隔离和吸收变频过程中产生的高次谐波，加上电动机的多路闭合回路的吸收作用，可显著降低电网侧的高次谐波分量，远低于国家标准限定值4％。
(6)低成本。所用全密封无油枕变压器、通用型低压大容量变频器以及变频/工频低压切换开关价格都较低，高压电动机的改制费也不过原价的40％，加上提高了功率等级，使每kW价格低于1000元；而目前国内外高压变频装置加上变频/工频切换高压开关柜，每kW价格仍高达1200元～2000元以上。
(7)低温升。通常高压电动机工频运行时，电网电压往往偏高，导致电动机定子过激磁而发热；或者因电网电压偏低，造成电动机转子滑差过大而发热。本技术方案一是实现了变压器、变频器与电动机的电压制式的最佳匹配；二是将电动机绝缘材料合理减薄，使机内冷却空气量(m3/s)增加20％左右，从而有效地降低了电动机运行温升；三是增容而未增载时，即相当于降低电流密度运行，将进一步延长电动机的使用寿命。
(8)早见效。变压器制造只要15～20天；变频器订货只需1个月左右；电动机改制不超过1个月；控制柜加工不超过1周；安装(包括敷设低压动力电缆和控制屏蔽电缆，而无须重打地基和更换对轮)约1周左右，当天调试当天投运。总施工期(即见效期)仅为1～2月左右。
(9)早回收投资。不但现场改造(电动机改绕定子绕组)成本低，而且新建项目(电动机采用新数据绕制，可节省改制费用和时间)成本更低，即投资省，见效快，投资回收期约为1～2年左右。
(10)省能源。实施本技术方案的微观(单台)节电率为30％～50％，宏观(全国)年节电能力近400亿kW·h。
(11)省原材料。采用本技术方案，一方面能增加变频器及电动机的额定容量，另一方面还可节省制造高压电动机的钢材、矽钢片、绝缘材料等。
本装置技术规格输入电压3相3～10kV±5％；输出功率200～2000kW；增容等级1～3级；输出频率0～55Hz；效率≥96％；功率因数≥0.95；电压总谐波小于2％(国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》限定值为4％)；启动模式变频软启动/工频减压启动，变频启动电流低于电动机额定电流；变频运行模式变频/工频切换，手控/自控切换，多路变频切换；控制接口为PLC、IPC、DCS或FCS系统控制预留模拟和数字接口0(4)～20mA，0(1)～5、0～10V；数字控制接口RS485通信接口和RS232计算机接口。
本装置应用领域(1)电厂及热电厂的鼓风机(即送风机)、引风机(即吸风机)、排粉机、给水泵、循环水泵、冷凝水泵、灰渣泵等。
(2)冶金行业的供水厂供水泵、尾渣泵、炼钢炉及除尘器引风机、中大型输油泵、中大型压缩机等。
(3)石油、化工行业的输油泵、注水泵、供水泵、加压泵等。
(4)自来水行业的中大型供水泵。
(5)建材行业的中大型水泥厂引(吸)风机、大型炉窑引(吸)风机等。
(6)交通行业的机动船和机车变频技术改造。
技术方案对比见表1-7
表1.增容型高—低压变频调速集成方案与常规高—低—高压方案对比
表2.增容型高—低压变频调速集成方案与国外高—中压单管方案对比
表3.增容型高—低压变频调速集成方案与高—高压多管串联方案对比
表4.增容型高—低压变频调速集成方案与国内外多重化方案对比
表5.增容型高—低压变频调速集成方案与内反馈方案对比
表6.增容型高—低压变频调速集成方案与国内外常规高—低压方案对比
表7.增容型高—低压变频调速集成方案与面向高压电动机的高—低压变频调速集成方案对比
权利要求1.增容型高—低压变频调速集成装置，由提供变频器合理升压增容的变压器T、容许过压10％～15％运行的低压大容量变频器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，其特征在于高压开关柜Cm的输出端与变压器T的高压输入端相连接，变压器T的低压输出端与工频/变频切换装置中的变频器输入侧开关Ct的进线端连接，开关Ct的出线端与低压变频器LF的输入端相连接，变频器LF的输出端与变频器LF的输出侧开关Cf的进线端相连接，开关Cf的出线端与增容型低压变频调速电动机HM′相连接，工频/变频切换装置中的旁路开关Cw与变压器T的低压输出端和电动机HM′并联连接。
2.根据权利要求1所述的增容型高—低压变频调速集成装置，其特征在于增容型低压变频调速电动机HM′，定子铁心采用开启型槽结构，定子线圈采用高压等级绝缘，每槽导线总截面积/槽窗口面积即占空比大于1/3直至1/2。
3.根据权利要求1所述的增容型高—低压变频调速集成装置，其特征在于增容型低压变频调速电动机HM′的绕线型电动机，去掉绕线转子上的滑环与电刷，在其引出线内部加焊一个截面积为引出线截面积 倍的铜质短路环，改制成鼠笼型转子，与定子绕组线圈改制相匹配共同增加电动机的额定功率。
4.根据权利要求1所述的增容型高—低压变频调速集成装置，其特征在于提供变频器合理升压增容的变压器T，通过变压器高压侧或者低压侧采用带有升压线圈的延边三角形绕组，合理提升变频器的额定输入电压5％～10％。
专利摘要增容型高－低压变频调速集成装置，其特征在于高压开关柜Cm的输出端与变压器T的高压输入端相连接，变压器T的低压输出端与工频/变频切换装置中的变频器输入侧开关Ct的进线端连接，开关Ct的出线端与低压变频器LF的输入端相连接，变频器LF的输出端与变频器LF的输出侧开关Cf的进线端相连接，开关Cf的出线端与增容型低压变频调速电动机HM′相连接，工频/变频切换装置中的旁路开关Cw与变压器T的低压输出端和电动机HM′并联连接。它广泛适用于量大面广的高压电动机增容与变频调速节能技术改造，以较少的投资和较短的工期，达到高功率、高效率、高功率因数、高可靠性、低谐波、低温升、节能、节材等经济目的。
文档编号H02P13/06GK2689591SQ20042003110
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者吕志斗 申请人:吕志斗