高壓定子變頻與高壓轉(zhuǎn)子變頻對比

1、高壓(定子)變頻與高壓轉(zhuǎn)子變頻的技術(shù)及經(jīng)濟性能比較電機拖動系統(tǒng)調(diào)速來自兩方面的要求，一是生產(chǎn)工藝上的要求，二是節(jié)能的要求。以往只重視工藝要求，多采用耗能型工藝生產(chǎn)方式（如閥門、擋板調(diào)節(jié)流量）或低效的調(diào)速技術(shù)（如液力耦合器、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等），節(jié)能效率低，造成大量電能浪費，隨著“節(jié)能減排”的要求，目前均開始采用高效調(diào)速節(jié)能技術(shù)。在交流異步電機高效節(jié)能調(diào)速方面，據(jù)不同用途主要是用定子變頻調(diào)速技術(shù)或轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)。定子變頻技術(shù)控制電機的定子側(cè)供電電源,變流裝置要承受6Kv或10Kv高壓,控制電機全部功率;而轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)控制電機的轉(zhuǎn)子側(cè),變流裝置僅承受轉(zhuǎn)子回路低電壓,控制很小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率。就節(jié)電率而言

2、，轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)是最高的，就在泵與風機類負載應用上，轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)又是最為適合的。下面就變頻技術(shù)與轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速在技術(shù)實現(xiàn)方法及各自的特點上作如下簡要分析和比較：1.變頻調(diào)速三相異步電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度稱為同步轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)子及其拖動的泵、風機在額定負載下的轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速（稱為異步）。而旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（以下稱同步轉(zhuǎn)速）取決于供電電源頻率和電機極數(shù),而確定的電機其極數(shù)是確定的，則同步轉(zhuǎn)速只取決于電源頻率。在額定負載下，電機轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速也便取決于電源頻率。變頻調(diào)速技術(shù)是在電機供電電源與電機定子間加入一個可改變電機供電電源頻率的變流裝置，將通常50HZ工頻交流電源變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源（要同時調(diào)壓），

3、如下圖所示：圖 1高壓變頻調(diào)速示意圖這樣，變頻技術(shù)的根本點在于控制電機定子的供電電源的頻率和電壓。由于是改變電機供電電源的頻率，理論上講，它可以使電機從0轉(zhuǎn)速一直到任意轉(zhuǎn)速（達超同步速），當然實際上達不到。但它同樣帶來嚴重的技術(shù)困難和相對較大的自身功耗（影響節(jié)電率）。這是因為作為變頻器這種變流過程（包括轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置）都是由半導體電力電子器件進行整流及逆變而實現(xiàn)的。而變流過程需要電力電子器件能承受相應工作電壓（這是電力電子器件最重要的），同時在變流過程中產(chǎn)生功率損耗。功率損耗與通過變流裝置的電能功率成正比。如上所述，對于電廠或其它工業(yè)用高壓大電機，變頻器中的半導體開關(guān)器件等要承受6kv或10

4、kv高壓。目前單個半導體開關(guān)承受不了，因而在變頻器中采用各種降壓再升壓，或電力半導體器件串、并聯(lián)及復雜的整流逆變，矢量控制技術(shù)來解決承受高壓的困難。另外，通過變頻器的功率(或叫變頻器控制的功率)，是供給電機的全部功率，這就帶來幾個方面的問題：1） 自身裝置龐大、復雜、控制變壓器為電動機功率的1.25倍容量。2） 產(chǎn)生的對電網(wǎng)諧波及對電機的諧波大(因變流功率大)，所以需要加入各種抑制諧波的裝置。3） 雖一般稱變頻調(diào)速還可直接用原鼠籠電機，但一般鼠籠電機要考慮因轉(zhuǎn)速下降使冷卻通風量降低及諧波造成的電機發(fā)熱，絕緣老化等問題，因而對大型電機，最好改用特制的變頻電機。4） 由于裝置本身復雜、龐大，造價高

5、，維護費用很高。5） 在高壓大容量電機使用領(lǐng)域，技術(shù)尚欠穩(wěn)定可靠。6） 自身功耗大（一般為電機額定功率的36%），節(jié)電率受影響。7） 運行條件苛刻,須加防塵及大容量制冷散熱空調(diào)(因自身功耗大),進一步增加了電耗和運行維護量。2.轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速串級調(diào)速是十分經(jīng)典的電機調(diào)速方法。它的根本點不是去控制電機的供電電源頻率和電壓，轉(zhuǎn)而控制轉(zhuǎn)子電流，從而改變電機的轉(zhuǎn)差率進行調(diào)速。轉(zhuǎn)子變頻串級調(diào)速的原理如下圖所示：圖 2轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速原理圖電機定子供給轉(zhuǎn)子的功率（電磁功率）分為兩部分：大部分變成機械功率拖動泵與風機負載，一小部分成為因轉(zhuǎn)速差（比同步轉(zhuǎn)速低）而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差電功率。通過在轉(zhuǎn)子回路串入轉(zhuǎn)子變頻

6、調(diào)速裝置加入一個可調(diào)反電勢來控制轉(zhuǎn)子電流,從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速(改變了機械功率輸出),由于轉(zhuǎn)速差(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的差)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率又經(jīng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置反饋回電網(wǎng)或內(nèi)饋電機的定子反饋繞組而回收，從而達到調(diào)速和高效節(jié)能的目的。調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速以下均可,一般最低到45%額定轉(zhuǎn)速足已。由于轉(zhuǎn)子回路因調(diào)速而產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)差功率僅為電機額定功率的14.815%（對泵、風機類負載），轉(zhuǎn)子回路感應電壓僅為幾百伏，因而在轉(zhuǎn)子回路加入轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置（變流裝置），通過控制轉(zhuǎn)子回路反電勢大小來調(diào)速帶來如下突出的技術(shù)優(yōu)勢：1） 變流裝置（轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速裝置）中的電力半導體器件承壓僅為幾百伏，最高不超過1.5

7、kv,比6KV低得多，單只半導體開關(guān)足可安全承受。2） 變流裝置控制功率僅為電機額定功率的14.815，這便帶來諸多好處：A. 自身功耗不到電機額定功率的；節(jié)電率比變頻高出25個百分點。B. 自身因變流產(chǎn)生的諧波小(因變流的功率小)，無須加濾波裝置。C. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。D. 裝置尺寸小，對環(huán)境要求低,一般廠房自然環(huán)境既可，可靠性高。E. 本身造價低，維護簡單，費用少。因而，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速具有以控制低電壓進而控制高壓電機，以控制小功率進而控制大功率電機且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)電率高的特點，對于大多數(shù)泵、風機類需要低同步轉(zhuǎn)速調(diào)速（由額定轉(zhuǎn)速下調(diào)）的應用特別適合。特別對高壓大容量電機更有技術(shù)實現(xiàn)容

8、易和經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。這些結(jié)論，是業(yè)界專家公認的結(jié)論。當然，原使用鼠籠電機的場合，在使用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速時需要更換為繞線式電機。繞線式電機有滑環(huán)、碳刷的維護工作,但相比變頻器的空調(diào)防塵及裝置等的維護量要小的多。如加上更換電機的費用，整個轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的費用還要低于變頻器本身的價格（如也更換為變頻電機，則變頻系統(tǒng)價格更高）。一般在有一定調(diào)速深度的場合，投資回收期在12年。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的維修費用比變頻調(diào)速也要低的多,維修容易。加之節(jié)電率比變頻高出25個百分點，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，要比變頻有明顯的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)子變頻、高壓定子變頻綜合性價對比說明：本對比對轉(zhuǎn)子變頻器（中國獨有）、進口高壓變頻器、國產(chǎn)

9、高壓變頻進行綜合對比，包括技術(shù)、應用環(huán)境、投資組成等方面。由于變頻器容量越大，相對價格（每千瓦平均售價）越低，故選取市場占有份額較大的10kV額定電壓2000kW、1600kW、630kW額定功率電動機進行對比。國產(chǎn)高壓變頻相關(guān)數(shù)據(jù)采用國內(nèi)主要上市公司產(chǎn)品價格平均值，進口高壓變頻相關(guān)數(shù)據(jù)采用國內(nèi)普遍認同的羅賓康及AB變頻器。同時為保證公平，兩種技術(shù)均采用其專用調(diào)速電機，價格相當！ 產(chǎn)品內(nèi)容轉(zhuǎn)子變頻高壓變頻（國產(chǎn)）高壓變頻（進口）設(shè)備構(gòu)成起動旁路調(diào)速附屬起動旁路調(diào)速附屬起動旁路調(diào)速附屬液阻起動設(shè)備即旁路，無需單獨旁路設(shè)備轉(zhuǎn)子變頻器無需附屬設(shè)備，如空調(diào)、散熱風道、防塵等設(shè)備。無需專用房間。高壓變頻

10、起動配手動旁路器高壓變頻器（含移相變壓器）需加蓋專用房間。配獨立安裝室冷卻空調(diào)或者水冷卻循環(huán)系統(tǒng)、散熱風道、防塵設(shè)備等，這又是額外費用。高壓變頻起動配手動旁路器高壓變頻器（含移相變壓器）需加蓋專用房間。配獨立安裝室冷卻空調(diào)或者水冷卻循環(huán)系統(tǒng)、散熱風道、防塵設(shè)備等這又是額外費用。安裝條件安裝環(huán)境散熱環(huán)境自然環(huán)境安裝環(huán)境散熱環(huán)境自然環(huán)境安裝環(huán)境散熱環(huán)境自然環(huán)境無需獨立安裝室，可以與其他電氣柜使用同一安裝室無需專用空調(diào)或者水冷卻系統(tǒng)高海拔地區(qū)和低海拔地區(qū)容量區(qū)別微小需要獨立安裝室，這樣可以保證散熱充分和灰塵降低需安裝空調(diào)或者水冷卻系統(tǒng)，使得環(huán)境低于35度高海拔地區(qū)需特殊設(shè)計（有海拔與容量對照表）需要

11、獨立安裝室，這樣可以保證散熱充分和灰塵降低需安裝空調(diào)或者水冷卻系統(tǒng)，使得環(huán)境低于35度高海拔地區(qū)需特殊設(shè)計（有海拔與容量對照表）年維護費用人工器件人工器件人工器件第1年（假設(shè)1次）免費免費免費免費免費免費第2年（假設(shè)2次，且更換關(guān)鍵器件）1人差旅費（部分故障可以電話指導維護）EBM散熱風機、SCR/10000元左右1人差旅費（專人維護）散熱風機、濾網(wǎng)、功率單元/40000元左右1人（從下飛機開始計時，美元結(jié)算）行業(yè)秘密，通常不低于10萬美金設(shè)備耗能效率控制功率實際損耗效率控制容量實際損耗效率控制容量實際損耗99%20%Pe<2%Pe95%1.25Pe>5%Pe95%1.25Pe&g

12、t;5%Pe占地體積（mm）2000kW風機3600×1000×22008000×1350×25008000×1350×25001600kW風機2400×1000×22006400×1350×25006400×1350×2500630kW風機2400×1000×22005600×1350×25005600×1350×2500電纜（電纜高壓電纜之價格為低壓電纜價格數(shù)倍）配用方式配用方式使用方法配用方式使用方法配用三相高

13、壓電纜高壓開關(guān)柜高壓電動機配用三相高壓電纜高壓開關(guān)柜高壓變頻器高壓電機；系統(tǒng)旁路高壓開關(guān)柜高壓變頻器下端口；高壓開關(guān)柜軟起動器高壓變頻器下端口配用高壓電纜高壓開關(guān)柜高壓變頻器高壓電機；系統(tǒng)旁路高壓開關(guān)柜高壓電動機；高壓開關(guān)柜軟起動器高壓變頻器下端口配用低壓電纜電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子變頻電機反饋端故障后處理設(shè)備故障后，可直接轉(zhuǎn)入電機全速運行，無需停車。并可在電機全速時維修。設(shè)備故障后，電機必須停車，待變頻設(shè)備檢修完畢后再運行電機。或者直接啟動電機，啟動電流為8-10倍額定電流，這在水泥廠是不允許的。設(shè)備故障后，電機必須停車，待變頻設(shè)備檢修完畢后再運行電機?；蛘咧苯訂与姍C，啟動電流為8-10倍額定電流，這

14、在水泥廠是不允許的。改造項目土建電氣配套土建電氣配套土建電氣配套通常無需土建，因為占地面積小，且無需專用安裝室無需安裝空調(diào)，若為籠型電機，需增加一段低壓電纜通常需修建安裝室（或者增加箱式房，但需增加高壓電纜）安裝空調(diào)，原高壓電纜需要打斷，若仍不能滿足要求，則需更換或者增加高壓電纜通常需修建安裝室（或者增加箱式房，但需增加高壓電纜）安裝空調(diào)，原高壓電纜需要打斷，若仍不能滿足要求，則需更換或者增加高壓電纜綜合上表，轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)與高壓定子變頻相比，有以下諸多優(yōu)勢：一、原理對比1) 高壓定子變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)的是電機定子側(cè)功率。并且變頻調(diào)速并不只是改變電機定子側(cè)電源的頻率它是在變頻的同時還要改變電源電

15、壓，否則電機就不能穩(wěn)定運行。（要保證磁通恒定）。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)的電機轉(zhuǎn)子側(cè)功率。且只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路電流的大小就能實現(xiàn)功率的控制從而達到調(diào)速節(jié)能的目的，方法簡單可靠。2) 由于高壓定子變頻器直接控制電機定子（高壓），須解決器件耐壓問題，而目前世界上還無此類器件。解決耐壓問題只能采用器件串并聯(lián)方式，而均壓、均流問題又成了器件串并聯(lián)的弊病無法解決，從而造成高壓定子變頻器的運行可靠性絳低。 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速控制的是電機的轉(zhuǎn)子（低壓），現(xiàn)目前市場的器件均能滿足，器件根本無需再串并聯(lián)使用，為此可靠性大大提高。3) 由于高壓定子變頻器需體積龐大的變壓器，不僅大大降低了系統(tǒng)效率還使整個系統(tǒng)的占地面積增大。

16、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)由于沒有體積龐大的變壓器所以占地面積小而且效率高。二、性能使用對比1) 高壓定子變頻調(diào)速裝置所控制的電機為鼠籠電機。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速要求電機為普通繞線電機或內(nèi)反饋電機。此種電機與普通電機安裝尺寸一致并非特殊電機，目前國內(nèi)各大電機廠均可生產(chǎn)，價格也無太大差距。針對普通繞線機只需外附同電機額定容量20%的變壓器一臺即可充分實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能的目的。2) 高壓變頻調(diào)速的調(diào)速范圍寬。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速的調(diào)速范圍一般在風機水泵的高效區(qū)之間調(diào)節(jié)約50%95%。但是用戶的電機與負載在設(shè)計匹配時只留有很小的裕量，50%95%的調(diào)速范圍已經(jīng)足夠，脫離此調(diào)速范圍其實用價值不大。3) 由于高壓定子變頻調(diào)速系統(tǒng)

17、在電機定子與電網(wǎng)之間加設(shè)變壓器比轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)多了一級電能轉(zhuǎn)換所以多了一級損耗。相對來講轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速的效率比高壓定子變頻器高。4) 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法外環(huán)采用模糊邏輯技術(shù)和數(shù)字信號處理器DSP實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，內(nèi)環(huán)采用專利技術(shù)電流峰值兩點式控制，代替電流調(diào)節(jié)器和占空比發(fā)生器，不受升壓斬波非線性影響，誤差小，響應速度快，無需調(diào)整動態(tài)參數(shù)，使用簡單方便，在輕載及轉(zhuǎn)速極低的情況下亦能精確控制。遠程控制靈活，不僅能和DCS自控系統(tǒng)配合實現(xiàn)各種控制功能，而且還可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，此特點是高壓變頻器遠不可及的。5) 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)故障后保證電機在原調(diào)速狀態(tài)運行，并且可以帶電檢修；而高壓定子變頻調(diào)速系統(tǒng)必須停機后才可旁路，給設(shè)備運行造成很大的麻煩。三、檢修維護對比高壓定子變頻裝置直接接高壓，出現(xiàn)故障后會損壞很多器件，所以維修費用較高。而轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后極少損