高压电机节能的现状与发展.ppt

1、高压电机节能的现状与发展 广东明阳龙源电力电子有限公司,地址：广东中山火炬高科技产业开发区大岭管理区,2006 (广州) 国际节电设备与技术展览会,交流电机发展简史,1889年，俄国人德多布罗沃利斯基和美国人特斯拉发明感应电机 1895年美国西屋公司15马力近代感应电机 1896年美国GE公司150马力大型电机 目前，世界各工业化国家的电机消耗本国电力水平基本在60%左右，而大型电机占其中的3/4左右，即总量的45%,为什么要使用高压交流电机？,交流感应电机结构简单，维护方便，制造成本低； 大功率电机使用电压增高，电流下降，减少输电线路损耗； 电压等级提高，如10kV可以省去配电变压器，进一步

2、降低能耗； 目前高压电机等级有1140V、3kV、6kV、10kV，国外有35kV电缆电机。,降低损耗的要求,普遍存在电动机功率高配，“大马拉小车”； 电机结构设计存在优化空间； 风机、水泵类变转矩负载保有量大，存在工艺节能空间； 运行功率因数低 部分需要恒转矩、恒张力的高性能拖动系统使用直流电机较多。,高压电机运行现状,针对电机结构采取的方法,感应电机常见的节能运行方法（一）,减少电机齿槽效应损耗，采用磁性槽楔； 改进绕组结构，降低气隙磁场谐波； 针对调速要求，采用变极结构； 使用极幅调制技术，变速运行。,针对输出轴调速采取的方法,感应电机常见的节能运行方法（二）,电机拖动变转矩负载，调速即

3、可节能。 变速齿轮箱调速； 小功率下使用电涡流耦合器调速； 大功率使用液力耦合器调速，可到数MW规模。 后两种属损耗型调速，调速范围较窄。,针对电机转子采取的方法,感应电机常见的节能运行方法（三）,绕线转子改变转子电阻，调节运行转差率，调速运行； 绕线转子附加电势，串级（整流管+晶闸管电源换相）调速运行； 绕线转子双馈（交流励磁）调速。,针对电机定子采取的方法,感应电机常见的节能运行方法（四）,调节定子电压的调压运行，提高电机功率因数； 针对恒速变转矩负载，可显著提高功率因数和电机的效率。 调节定子电压和频率的变频调速方法。 对调速负载广泛适用的一种方法，现代交流调速主要使用的方法。,现有工艺

4、：出口截流 如水泵类负载,调速节能基本原理（一）,现有工艺：入口挡板 如风机类负载,调速节能基本原理（二）,调速工艺：变频调速 或液力耦合器,调速节能基本原理（三）,节能分析,调速节能基本原理（四）,水泵、风机参数变化与功耗的关系 （以泵类为例） 流量Q和(电动机轴)转速n成正比： Qn 水压(压头)H和转速n的平方成正比：Hn2 轴功率P和转速n的立方成正比：Pn3 由此可见，当流量减少10%时，则相应降低电机转速，电机功耗可降低30%；,效率比较：定速节流运行,调速节能基本原理（五）,常用的定速泵采用节流阀控制，将节流阀关小，泵的工作点由额定的A点变化到B点，流量减少而压力增加，效率降低,

5、效率比较：调速不节流运行,调速节能基本原理（六）,调速控制不采用节流（入口挡板、出口阀），依靠改变电机转速，即叶轮转速来调节流量，转速降低，压力减少，流量减少，工作点从A到C，效率增加。,液力耦合器与变频比较,调速节能基本原理（七）,液力耦合器传递转矩，变化转速，输入转速接近同步速，近似为n1，自耗功率为：P12=P1-P2=M(n1-n2)=sP1=P2s/(1-s) 对平方律负载,转差率s=1/3时,损耗最大。如额定速度下1000kW,80%速度时轴输出降为512kW,自损为128kW,效率80%。 变频控制时，此时的效率约97%，自损仅512/0.97-512=16kW 计算忽略电机效率

6、，结论是变频比液力耦合器更节能。 与变频相比，液力耦合器成本低，维护难度大，潜在漏油故障,高压感应电机变频调速方案（一）,针对特大功率，低速运行要求的循环变流器方案，适用于低频，有多种结构。由于晶闸管电流大电压高，因而，高低压均有。应用如抽水蓄能电站的60MW机组。,高压感应电机变频调速方案（二）,电流源方案，运行功率因数低，对过载频繁的系统适用,高压感应电机变频调速方案（三）,高压变频方案：早期的“高-低-高”方式， 适用500kW以下。6kV降到380V，输出升到6kV,两电平电压源型,高压感应电机变频调速方案（四）,高压变频方案：三电平“高-高”方式， 适用3kV、6kV、10kV电机，

7、也适用于其它电压,三电平中性点箝位电压型,高压感应电机变频调速方案（五）,高压变频方案：多单元串联多电平“高-高”方式， 适用3kV、6kV、10kV电机，也适用于其它电压。 调制算法采用水平移相多重化方法，使用低压器件,功率模块单元,多重化电压型,高压感应电机变频调速方案（六）,高压变频方案对比： “高-低-高”方式，输入、输出均要使用变压器，效率低，基本淘汰； “高-中-高”，中间电压取2300V，西门子使用； 三电平“高-高”：器件少，适用于高性能驱动； 串联多电平“高-高”：使用低压器件，输出无需滤波器即可实现低谐波； 循环变流器、电流源型适用特大功率、特殊使用场合，如轧机等。,高压感

8、应电机节能的未来,采用新材料、新工艺，从电磁结构上降低损耗、提高效率； 采用新的轴承和支撑结构，如低速电机的磁浮轴承和高速电机的气浮轴承等； 使用电力电子技术，进行调压、变频控制： 采用新的控制原理； 采用新的开关器件； 采用新型的电路拓扑结构。,高压变频技术在电机设备中的应用,高压大功率交流电动机的调速和控制，方法从软启动、定频调压（VVCF）到调频调压（VVVF），解决了电动机从安全运行到节能、安全运行的转变。这些都得益于电力电子技术和产品的不断进步，而工业上的普遍应用需求也促进了电力电子器件向高压、大功率化的发展。 高压大功率变频器以其节能效果显著得到广泛应用： a、火力发电：给水泵、一

9、次风机、引风机、灰浆泵、送风机、压缩机、凝结泵、循环水泵 b、采矿和冶金：泥浆泵、高压送风机、通风风机、除尘风机、除垢泵、离心进料泵、高炉风机、压缩机、冷却水泵 c、石油及化工工业：主管道泵、注水泵、混合器、气体压缩机、引风机、挤压器、卤水泵、潜油泵、锅炉给水泵,高压变频器的优势,降低生产成本 风机，水泵，压缩机的电能节省 机械设备维护费用的降低 机械设备寿命的增长 提高过程控制水平 增加生产能力 提高系统灵活性 满足环境要求 电机的软起动软停车控制 消除电压跌落 减轻冲击电流 延长设备使用寿命 相对降压起动的较高起动力矩,应用高压变频的电机设备节能效果,采用变频调节以后，拖动风机、水泵的电动

10、机的速度可调，风机、水泵本身不再是定速运行，而是变速可调 由于采用变频调节风量、流量，不存在截流损耗，系统能更经济运行 节能效益明显，可达3060%,高压变频器的应用线路对比,双PWM 型 输出PWM电压方波，dv/dt较大对电机影响较大。 功率因数与转数成正比，低转速时功率因数较低。 输入输出端需要加滤波器，解决电网谐波污染，增加能量损失。,VSI-PWM 三电平 IGCT 逆变开关器件 器件数量少 可靠性高 可实现四象限运行,VSI-PWM 级连多电平 (CML) LV IGBT逆变开关器件 模块化结构 无输出滤波器,电流源型,三电平电压源型,级连多单元电压源型,高压变频器的改造方案,高压

11、变频节能改造实例分析,1、大唐洛阳双源热电#1、#2炉甲侧送风机 2、广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵,在洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机上的应用,MLVERT-D06系列 多单元串联多电平高压变频器,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（一）,电机参数 型号： YFKK5003-6 额定功率：710kW 额定电压：6000V 额定电流：85A 额定转速：990 RPM 风机参数 型号： G4-73-12No22D 流量： 64.72 M3/s 全压： 6870 Pa,电机及风机参数,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（二）,通过风门的开度进行风量调节，在额定工况下,风机风门

12、开度仅为60%。 挡板调节造成风道压流损失严重； 挡板动作迟缓，手动时运行人员不易操作，而且操作不当会造成送风机震动；自动时很难满足最佳调节品质。 挡板执行机构为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，使送风调节系统一直不易正常投入自动运行。,原有调节方法及缺点,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（三）,使用主电路拓扑结构为IGBT多单元串联多电平、型号为MLVERT-D06/1000.A的高压变频调速装置进行设备改造。 改造后风门开度为100，通过变频器调节风机转速。 工频情况下，满负荷时电机输入电流在52A，小负载情况下约45A； 变频情况下，满负荷时变频器运行频率32H

13、z左右，输入电流约30A。小负载情况下变频器输入电流约11A左右。,改造后工艺,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（四）,现场控制：通过变频器上的触摸屏，可进行启动、停止变频器、调整转速、功能设定、参数设定等操作。 远程控制：通过420mA模拟量给定到变频器PLC来调节电机转速。 现场可以根据实际情况选择开环/闭环控制。,现场控制,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（五）,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（六）,当锅炉蒸汽为270t/h时： 工频方式：P11.732*U1*I*cos1.732*6*45*0.85=398 (kW) 变频方式：P2=1.732*U*I*cos

14、1.732*6*11*0.96=110 (kW) 节约功率：P11=P1-P2=398-110=288 (kW); 当锅炉蒸汽为300t/h时：工频45A,变频13A,节约功率268 (kW) 当锅炉蒸汽为350t/h时：工频48A,变频20A,节约功率224 (kW) 当锅炉蒸汽为420t/h时：工频52A,变频30A,节约功率160 (kW) 平均计算日节能24x（288+268+224+160）/4=5640 (kWh) 扣除空调照明等耗电（8kW）后，按年运行8000小时计算节电约180万kWh,效益分析,大唐洛阳双源热电厂1#、2#炉甲侧送风机（七）,在广东粤电集团湛江电厂#4机组凝

15、结水泵的应用,MLVERT-S06系列 三电平IGCT串联高压变频器,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（一）,电机参数 额定功率 1000KW 额定电压 6KV 额定电流 118.8A 额定转速 1487r/min 效 率 93.1% 功率因数 0.87 水泵参数 水泵扬程 244米 流量 870 M3/H 转 速 1480 RPM 轴功率 750KW 效 率 78%,电机及风机参数,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（二）,保证两个出水阀门后的凝结水管处的管道压力要大于1.3MPa，控制在1.6MPa。,工艺要求,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（三）,保证除氧器水位高度在2米。

16、水位如果超过2.3米，则会自动打开溢出阀门，导致浪费。 水位高度如果超过2.7米，则会自动打开事故阀门，造成事故。,工艺要求,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（四）,A泵运行，B泵备用,A泵出水阀门全开，通过调节除氧器上水调整门开度来控制除氧器水位高度在2米。 如果此时凝结水处的管道水压小于1.3MPa,则启动备用泵B,保证压力大于1.6MPa；这种情况下，经常会出现除氧器水位超过2.3米而自动打开溢出阀门，造成浪费。 由于在选用电机时，其额定功率远大于满负荷时所需功率，通过调节阀门开度控制水位，这时除氧器上水调整门开度总在30左右，造成能量浪费。,原有调节方法,广东粤电集团湛江电厂#4机

17、组凝结水泵（五）,使用二极管中点箝位三电平电压源逆变器拓扑结构的MLVERT-S06/1500.D型变频调速装置来驱动A泵的运行，B泵备用。,控制室通过将“启/停”信号送变频器；变频器将“就绪、停止、告警、运行、停止”等送控制室；用户DCS系统通过420mA电流环信号设置变频器频率，完成水位的闭环控制。,变频改造,现场控制,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（六）,启动变频器时，B泵处于运行状态；此时在控制室收到变频器就绪信号有效后，合变频进线6KV断路器，变频器自动启动，在变频器频率上升到设置的最低运行频率后，打开A泵出水阀门，停止B泵电动机。,变频启动,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水

18、泵（七）,变频器根据DCS下传的设定频率信号来输出相应频率，从而控制水位在设定位置2米，此时变频器运行频率在3848Hz范围内运行。由于此时变频器运行频率较低，可以适当提高除氧器上水调整门开度（50），减少能耗。变频器进线电流与工频运行时电机电流相比较减少了20A左右，节能效果比较明显。,水位控制,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（八）,除氧器上水调整门开度增大，则凝结水母管压力减少。 如果母管压力P小于1.6 MPa，而此时除氧器水位高度又相对较低，则停止减少阀门开度； 如果母管压力P小于1.3 MPa，则自动启动另外一台备用的凝结水泵；如果此时水位高度相对较高，则可以减少调整门开度来增

19、大凝结水母管压力，使管道压力达到1.6 MPa。,管道压力控制,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（九）,现场运行表明，变频改造前后工作电流约在71A/51A，节能计算如下： P11.732*U1*I*cos1.732*6*71*0.87=642 kW P21.732*U1*I*cos1.732*6*51*0.96 = 509 kW P11= 133kW 若按年运行8000小时，则年节能约106 万kWh,效益分析,广东粤电集团湛江电厂#4机组凝结水泵（十）,需要注意的问题,高压变频改造、操作及维护,1、变频器容量选择问题 2、继电保护配置问题 3、成组电动机、大容量电动机启动问题 4、最低

20、频率设置问题 5、运行维护与检修问题,变频器容量选择问题,选定容量过大，造成浪费；选定的容量偏小，恶劣工况下可能造成设备出力不满足生产需要，造成重大经济损失。 动态要求高，调速要求快，要考虑飞轮矩因素引起的过载和再生发电引起的直流环节过电压，适当选大变频器容量可解决。 建议原则：考虑工频运行历史记录的最大稳态电流，选择变频器的额定输出电流。增加10%20%的余量，留给瞬态调节需要以及其它设备老化引起的需量增加。 条件允许，适当考虑高选。盲目低选，可能导致含维护成本在内的运行总成本增加，用户最终将自食苦果。,继电保护配置问题,起动过电流保护问题：变频器运行时，起动电流甚至小于电机额定电流，因而原起动保护一般不动作，但也无需特别处理。 运行中的过流、逆序等与原电机运行相同，不需特别处理。 一般大容量电动机（如2000kW以上）