电力电子技术是现代高新技术之一。它由电力（强电）、电子（弱电）与控制技术融合而成，被誉为“节能之冠”和“节电之魁”。电力电子的核心技术是变频技术。变频技术的重点是高压变频调速技术。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”。作者面向高中压电动机提出4项高—低压变频调速集成技术（简称“高—低压方案”），均获国家专利权，本文介绍的是现今推出的“增容型高—低压变频调速集成装置”新方案，具有高功率、高效率、高功率因数、高可靠性、低成本、低谐波、低温升、低压安全、省工时、省投资、省能源和省原材料等特点，为3～10kv、200～3000kw中高压电动机的变频调速提供了一个最佳化高—低压变频调速方案。
2、高压电动机变频调速节能的潜力
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，其中高压（3kv～10kv及以上）电动机，与低压电动机相比，在数量（台数）比例上虽然是20%:80%，但在容量（kw）却为60%:40%。近年来，我国近年来总消费电量高达12000亿kwh以上，如按电动机的总耗电量占60%，高压电动机的耗电量占电动机的耗电量60%，可改造量占30%，微观（单台）节电率仅按30%预测，我国宏观年节电量可达:12000×60%×60%×30%×30%=388.8亿kwh/a，相当于新建80万kw、年运行5000h的发电厂10座。综合电价若按0.5元/kwh计算，我国宏观年节电价值可达:0.5元/kwh×388.8亿kwh/a＝194.4亿元/a。因此，针对高压电动机实施变频调速，成为我国暨我省节能技术措施中的重中之重。“面向高压电动机的高—低压变频调速集成装置”，是具有我国自主知识产权的专利技术。它与国内外高压电动机变频调速产品对比，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、低压安全，施工周期短、投资回收期短等特点。
3、针对高压电动机变频调速的国内外方案
目前，国内外对高压电动机所采用的变频调速技术方案主要有:
（1） 高—低—高压型
它通过一台降压变压器先将高压变为低压工频电源，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，提供高压电动机变频调速。其缺点是升压变压器必须采用非晶态磁性材料，在非正弦变频工况下，效率低、功率因数低、高次谐波大、成本高、占地面积大。如辽阳某公司引进一台6kv、250kw高—低—高压型变频装置，单价70万元，每kw造价2800元。参见比较表1。
（2） 高—中压型
它是通过单只高压变频器件，实现高压频率直接转换。其缺点是单只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。如鞍钢某水厂于2001年引进两套3kv、400kw高—高压型变频装置，花费190万元，每kw造价2375元，运行频率接近50hz时不节能，而且经常发生跳闸事故。参见比较表2。
（3） 高—高压型
它通过多只高压变频器件串联方式，实现高压频率直接转换。其缺点是多只高压器件串联的变频装置可靠性很差，造价更高。如青海格尔木某公司引进的4台6kv、500kw高—高压igct串联型变频装置，已有两台发生高压击穿，修复1台竟要80万元，每kw修复费1600元。参见比较表3所示。
（4） 多重化型
它通过一种特制的变压器将高压电降为不同电角度的低压电，经多台（6kv为15台，10kv为27台）低压变频器叠加成高压电。其优点是输出波形更接近于正弦波，高次谐波较低（其电压总谐波在1.4%以下）;缺点变压器结构复杂、效率低、成本高，特别是所用变频单元的数量是本方案的10余倍，故障概率取决于元器件的数量，成本高。如抚顺某电厂进口两套6kv、1250kw多重化变频装置总价500万元，每kw造价2000元。参见比较表4。
（5） 常规高—低压型
采用变压器降压，改用普通低压电动机实现低压变频调速。其成本虽然较低，但变频器高次谐波大（近5%，国家标准要求6～10kv电网不超过4%），普通低压电动机的绝缘又脆弱，长期在脉冲频率下运行将加速绝缘老化，甚至发生击穿或烧毁事故。况且，同等容量的低压电动机的机座一般要比高压电动机座小一号，势必因底座尺寸小且轴中心高度低不得不重打地基或者另加底垫，还因轴径细而需要更换对轮等。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座还要大，势必因底座尺寸大且轴中心高度问题也得重打地基或者给水泵添加底座，还因轴径问题需要更换对轮，甚至影响机组的动平衡，给现场改造带来不小的麻烦！如鞍钢新钢有限公司齐大山铁矿于1999年引进一套690v、1000hp（折合736kw）变频装置带变频调速专用电动机花费160万元，每kw造价2174元。参见比较表5。
（6） 内反馈型
它是传统的串级调速类型的一种改良型。不论内反馈（国外称克拉默方式），还是外反馈（国外称谢比乌斯方式），都是基于绕线电动机（亦称滑环电动机）的晶闸管变频调速方式。从传统的直流调速（因整流子和滑环、电刷维护不便），发展到交流绕线电动机串级调速（其滑环和电刷仍存在维护难问题），现已发展到交流笼型电动机变频调速（坚固耐用，维护简便），这就是电动机调速的发展史。内反馈型曾经起到了历史性的科技进步作用;但在高、低压笼型电动机变频调速技术业已成熟，价格大幅度下降，变频器已从第一代晶闸管，第二代gtr、gto，发展到第三代igbt、igct的今天，基于绕线电动机的内反馈型晶闸管变频方式已经落后了，价格上也失去了优势。况且，同等容量的内反馈调速专用电动机结构复杂，效率低，加工周期也长。此外，内反馈方式还存在调速范围窄（多为额定转数的50%～100%）、节能范围亦窄，高次谐波大（约5%，超过了国标限值4%）、功率因数低（加上补偿电容器和斩波技术也不过0.9）、逆变器易颠覆等缺点。如阜新市自来水公司某水站一台6kv、300kw供水泵内反馈调速电机，终因其故障频繁，现已停运，并立项改用变频调速装置取而代之。参见比较表6。
4、增容型高—低压变频调速装置的技术特点
4.1 结构与原理
增容型高－低压变频调速集成装置的原理如图1和图2所示。
图1 高——低压变频调速集成装置原理图
图2 面向高压电动机的高——低压变频调速集成装置
增容型高—低压变频调速装置是由至少一侧绕组为延边三角形（内三角形最大化即为△形）连接结构的降压变压器t、低压大容量变频器lf、普通高压电动机hm通过绕组联结结构和绝缘结构变化改制而成低压变频调速电动机hm′，以及变频/工频切换开关ct、cf、cw，实现电压最佳匹配、功率增容组合、功能优化集成。其中，变压器t为高效（效率为98.8%以上）节能免维护型，带有高次谐波吸收回路，它将高压降至适宜的低压，经与之电压相匹配的大容量变频器lf提供低压变频调速电源。高压电动机经改制其额定工作电压un′，由下列式确定:
u n′＝un/kw （1）
式中:kw—绕组结构系数，由式（2）确定:
kw=pe×le+p△×l△ （2）
式中:un—高压电动机的额定电压（v）;
pe—绕组延边部分的比例（%）;
le—绕组延边部分的并联支路数, 等于延边部分的极间绕组并联支路与极内线圈导线并联数之积;
p△—绕组△接部分的比例（%）;
l△—绕组△接部分的并联支路, 等于△接部分的极间绕组并联支路与极内线圈导线并联数之积。
当pe为零时，则绕组结构为△接，kw=×l△;当p△为零时，则绕组结构为y接，kw=1×le＝le。
4.2 主要技术规格
（1） 输入电压:3相3～15.7kv±10%;
（2） 输出功率:110～3000kw;
（3） 输出频率:0～55hz;
（4） 效 率:≥96%;
（5） 功率因数:≥0.95;
（6） 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%）;
（7） 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;
（8） 运行模式:变频/工频切换;
（9） 控制模式:手控／自控切换;
（10） 控制接口为plc、ipc、dcs或fcs系统控制预留模拟和数字接口:
模拟量控制接口:0（4）～20ma，0（1）～5、0～10v;
数字量控制接口:rs-485通信接口和rs-232计算机接口。
5、技术适用领域
（1） 火电厂暨热电厂
在高压电动机中，电厂占有相当大的比例，仅风机水泵的耗电量就占电厂内耗电量的65%以上，是本装置的第一应用领域。主要应用设备有:排粉机、鼓风机（即送风机）、引风机（即吸风机）、磨煤机;供水泵、循环泵、冷凝泵、灰渣泵等。
以20万kw发电机组改造为例，宜以三机四泵为改造重点。即:
送风机：多为1250kw双机组，多运行在低速段，而且挡板开度只有50%左右，节电潜力可达60%以上，应作为首选改造设备诊;
吸风机：多为1500kw左右的双机组，也多运行在低速段，挡板开度多在60%以下，节电潜力亦有50%左右，宜列为二号改造对象;
排粉机：多为440kw双机组，挡板开度多在65%以下，节电潜力约为40%;
给水泵：单机泵在1500kw左右（适用本高—低压变频方案），多机泵共用2000kw及以上的大机组（本变频方案目前最大功率可达3000kw），节电潜力均可达30%以上;
循环水泵：也有数百kw，节电潜力约为40%左右;
冷凝水泵：多为355kw左右的双机组，节电潜力也为40%左右;
灰渣泵：多为500～630kw机组，节电潜力在30%以上。
（2） 冶金行业
自备电厂或热电厂，同上;
水厂供水泵;
尾渣泵;
其它风机、水泵、油泵;
压缩机。
（3） 石油、化工行业
自备电厂或热电厂，同上;
中大型输油泵;
注水泵、供水泵、加压泵。
（4） 自来水行业
供水泵，例如调查沈阳市九个供水厂都有变频调速节能技术改造需求。
（5） 建材行业
中大型水泥厂引（吸）风机;
大型炉窑引（吸）风机。
（6） 船舶行业
机动船改造为电动变频船，可获得节能和环保双效益。
（7） 其他行业
大型风机高压电动机;
大型水泵高压电动机;
大型压缩机高压电动机;
其他大型设备高压电动机。
6、实例运行分析
由本专利许可单位—鞍山市权晟电子电力有限公司制造的hlvf-6600/690v-710kw高—低压变频调速集成装置，经2003年12月2-4日在鞍钢新钢铁有限责任公司齐大山铁矿的串联尾砂泵的试运行，发现电动机容量（630kw）不足，原因之一是上游生产量增加，二是泵出口管道升高，致使原电动机容量不够用了。当年12月29日通过变频/工频切换试验证明，电动机的轴功率至少得增容到680kw才能满足目前工况需求。
为此，特将原6000v、630kw电动机增容为690v、700kw，达到了预期效果。
6.1 电动机增容前后测试数据对比
依据沈阳电机股份有限公司于2003年11月12日对5#和6#机组原6000v、630kw电动机改造为750v、630kw电动机的检验《合格证》，对比2004年3月11日对5#和6#机组原750v、630kw电动机改造为690v、700kw电动机的检验《合格证》，额定功率增加了11.11%，同等功率的空载损耗下降了24%左右，考核温度下降了25℃。如表7所列。
6.2 增容后的高—低压变频调速集成装置与增容前工况数据对比
增容后的高—低压变频调速集成装置于2004年3月16-17日在运送三个系统尾浆加上事故井废液时的工况数据，与增容前的高—低压变频调速集成装置于2003年12月2-4日试运行期间相近工况的数据对比，虽然前者高压电压只有5800v，比后者低了3.3%，前者低压电压只有672～674v，比后者低了1.1%～2.3%，但电动机的最大运行电流却增加9.7%～15%，最高转速提高了0.6%～1.4%，在含砂浓度增加了4%工况下，泵的最大出口压力提高了6.7%，运送能力明显提高，并满足了正常工况需求。如表8所列。
增容后的高—低压变频调速集成装置于2004年3月19日在运送三个系统尾浆加上两个管路检修废水时的工况数据，与增容前的高—低压变频调速集成装置于2003年12月底在相近工况运行时的数据对比，增容后的电动机最大运行电流增加了15%，最高转速提高了4.4%，在含砂浓度增加了2%工况下，泵的最大出口压力提高了9%。运送能力更明显提高，并基本适应了非正常工况需要。如表9所列。
6.3 增容后的高—低压变频调速集成装置与液力耦合器工况数据对比
增容后的高—低压变频调速集成装置于2004年3月19日在三个系统尾浆加上两个管路检修废水重载工况运行时的实测数据，与液力耦合器在2004年1月29日相近工况运行时的实测数据对比，增容后的电动机最高转速提高了3.6%～6%，最高温升下降了3℃～5℃，在含砂浓度增加2%工况下，泵的最大出口压力提高了6%。如表10所列。
继而，2004年月3日又在3个系统尾浆加上2个管路检修废水和事故井废液的更重载工况运行时的实测数据，与液偶在2004年1月29日仅在3个系统尾浆加上2个管路检修废水重载工况运行时的实测数据对比，增容后的电动机最高转速提高了1.6%～5.2%，最高温升下降了2℃～4℃，在含砂浓度增加6个百分点的工况下，泵的最大出口压力提高了6%。如表11所列。最大运送能力提高了10%。
之后又经过了长期的正常生产（系指上游2～3个生产系统加上事故井废液泵同时运转）和非正常生产（系指正常生产设备外加上游两路检修废液管道同时排放），均能正常运行，并有明显的增容和节能效益。
7、结束语
通过成功地实践，增容型高—低压变频调速集成装置具有以下优点:
（1） 高功率
中高压电动机经本专利技术改制后，可提高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%。
（3） 高功率因数
系统功率因数可达0.95以上。本方案采用pwm调制方式，任何频段（速段）下都能保持高功率因数。
（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，亦可免维护，使用寿命长达70000h;三是将高等级绝缘的高压电动机运行在低压变频工况下，绝缘寿命无限长。在电动机改压过程中，同时进行一次彻底维修和保养，如除尘、清洗轴承并上润滑油，动平衡实验和参数测试，最后喷漆出厂。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。
（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/低压两侧开放式y形结构改为带有闭合回路的延边三角形（即部分△形结构，直至全封闭式△形结构），用于吸收来自变频器的高次谐波，加上lc滤波以及电动机的多路闭合回路作用，可显著降低高压侧的高次谐波。本实用案例业经东北电力谐波测试站多次现场测试，高压侧的电压总谐波仅为0.4%～1.3%，远低于国家标准限定值4%。
（6） 低成本
所用变压器、变频器费用以及高压电动机改压费都很低，低于目前国内外所有高压变频装置现价。每kw价格低于1000元;而国内外高压变频装置每kw价格高达1400元～3000元。
（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;也有因电网电压偏低，造成电动机转子滑差过大而发热。本变频方案则采用变压器、变频器与电动机相匹配的电压制式，并采取稳压稳频措施，从而有效地降低了电动机运行温升，进一步延长电动机的大修期和使用寿命。
（8） 低压安全
本变频装置实行变压器与变频器隔离方式，故变频器及电动机工作电压只有几百v，维护检修安全方便。
（9） 施工期短
变压器制造只要15～20天;变频器订货只需1个月左右;电动机改压不超过1周;控制柜加工只要1周;安装（无须重打地基、增加垫板、更换对轮）调试只需3天。总计施工期约两个月，因而见效快。其他方案的施工期至少得半年～1年。
（10） 投资回收期短
本方案由于投资省，见效快，投资回收期一般为1～2年。比国内外其他方案的投资回收期都短。
总之，本高—低压方案是用低压变频方案的成本，达到优于高压变频方案的目的。
