“真正的”高压电机在这里

一目了然

高压电机

大型同步电动机

将电机直接连接到电网

变频驱动

边栏:什么是“高电压”?

想象一下，电动机直接从公用事业配电线路输入。只要想想节能，大幅减少热量和功率损耗，并消除昂贵的，易于维护的变压器和相关开关设备。更高的电压也允许在相同功率输出的较低电流下运行。

一个遥远的梦，你说?实际上，一家制造商已经生产了这种电机，并在坚固的工业环境中安装了两个装置。其他电机制造商也可能在考虑提供高压产品。

ABB自动化技术公司(瑞典)基于早期的工作，开发了一种用于产生直接传输到电网的高压发电机产品，推出了一种新型的“甚高压”(VHV)交流同步电机产品，能够在20-70千伏的输入范围内运行。VHV“电机变换器”，abb商标名称，结合了电机和变压器功能，消除了中间变压器的需要。该设计适用于四极和六极电机。当不调速时，四极电机在50/60 Hz运行时同步速度为1,500/1,800 rpm。(目前，ABB的发电机技术，名为Powerformer，被授权给阿尔斯通。那家公司已经建造并安装了几台发电机组。

第一次应用是在瑞典西海岸的一家空分厂驱动一台压缩机。根据ABB的数据，同步电机输出6.5兆瓦有功功率，直接连接到42千伏母线，并将工厂的能量损失减少了约25%。自2001年底开始运行以来，截至撰写本文为止，没有与特高压电机相关的意外停机报告。

第二个Motorformer应用涉及两个40兆瓦的装置，将在挪威国家石油公司位于北海的Troll A天然气生产平台的压缩机模块中以56千伏的电源运行。该应用包括电机的变速控制。旋转试验计划在2004年秋季和2004 / 2005年冬季进行，预计在2005年晚些时候开始生产。

ABB的甚高压电机似乎是一个独特的发展，没有其他类似的产品目前在市场上。包括ABB在内的许多制造商都可以提供大型传统交流电机(同步和感应)，但其最高输入约为15kv。

同步的，不是感应的

电机的发展更倾向于同步而不是感应电机类型，因为可以获得更高的功率水平(> 100mw vs.高达20mw);更高的内在效率;更宽的气隙，便于设计;ABB交流电机业务开发部的Johannes Ahlinder解释说:“感应电机总是消耗无功功率。”在主要工业区域的工作周期中，有大量大型电机启动，无功功率的控制是稳定和保护电网的一个重要问题。

令人惊讶的是，Motorformer的设计是基于传统的同步电机技术。包括许多经过验证的部件，如一个相同的显著极转子和传统轴承(见剖面图)。根据Ahlinder的说法，这种方法为产品提供了大量的经验和信心。主分压器是定子。

绕组设计是关键

ABB将独特的设计融入电机电机的定子绕组和定子铁心槽。广泛的分析、模拟和测试已经进入电缆设计，包括电磁有限元分析、热模拟和计算流体动力学建模。然而，定子铁心磁通密度的标准与传统电机相同，从而限制了产品开发中的不确定性。

Ahlinder指出，传统电机上使用的典型绝缘系统的电压限制在15 kV左右，通过特殊设计技术可扩展到22-25 kV范围。“超过这一点，就不可能用传统技术制造定子绕组，”他继续说。“(用于电机的)电缆呈圆柱形，可以产生均匀的电场强度，与传统的矩形绕组相比，可以提高电压水平。传统绕组的形状导致了不均匀的电场，例如，在高压下，电场集中在导体的角落。

圆柱形电缆采用交联聚乙烯(XLPE)绝缘的固体介电层，但不使用金属屏蔽。目前，定子可处理高达70kv的电压供应。然而，电缆设计可以工作到150千伏的限制。“实际上，从经济的角度来看，实际的电压下限大约是20kv，这也取决于负载，”Ahlinder说。

电机的物理尺寸根据其输出功率的不同而有很大的不同。甚至像电机轴高度这样的参数也高度依赖于应用。虽然电机本身比相同额定功率的传统装置大，但特高压系统的总安装空间电动机和断路器比带有变压器和相关设备的传统系统要小得多。

设计的挑战

大型高压电机的启动会消耗足够的能量，暂时扰乱电网和附近公用事业客户的电力供应。ABB开发了特殊的延迟启动方法，以避免供应中断。它采用电抗器设备将启动时间延长至20秒左右，并在启动时增加电容器以加强电网。

处理更高电压的能力也意味着xlpe包覆的电缆绕线定子必须通过冷却来满足温度限制-在较低功率水平下进行空气冷却，在较高功率下进行水冷却。电机的定子结构适应两种冷却方法。

ABB认为高压电机几乎没有什么限制。阿林德说:“任何限制都与传统产品的开发有关，比如转子设计。”然而，电缆的耐温能力被认为是一个限制因素，特别是在高温环境应用中，可能无法使用水冷却。

《控制工程》询问了几家主要的电机制造商，他们是否研究过高压电机。有些人没有回答。另一家公司说，它对高压电机技术进行了评估，认为这对我们的业务来说不是一个可行的选择。TECO-Westinghouse和艾默生电机技术公司提供了有用的观点，包括在“其他观点”侧栏中(见在线文章)。

今天申请，明天申请

Ahlinder解释说，目前对高压电机的兴趣主要来自海上工业，其趋势是用电力驱动取代燃气轮机驱动的设备。具体目标包括海上压缩机驱动器、浮式生产储存和卸载(FPSO)系统的发电机，以及可用作海上发电厂的其他船舶。这些船只可以通过适当的传输系统为周围的几个海上平台提供电力。

他说，从更大的角度来看，高压电机“技术将适用于今天传统同步电机的任何应用”。所引用的例子包括泵电机、用于纸浆和造纸的精炼电机、用于空分的压缩机电机、风扇、鼓风机、挤出机和蒸汽/燃气轮机驱动的发电机。

当然，高压电机并不意味着所有的应用，但更广泛的使用可能在前面。延长电缆绕组温度等级的新开发也在进行中。Ahlinder补充说:“这项技术已经被证明能够带来新的解决方案，就像挪威国家石油公司的Troll应用一样，其中超高压电机处于变速驱动控制之下。”

ABB在推广和支持这一激动人心的新技术方面发挥了真正的前瞻性作用。也许北美的应用和其他制造商的介绍在未来不会太远。

相关产品请访问www.globalelove.com/buyersguide;获取系统集成商帮助，请访问www.globalelove.com/ integrators;还访问:

www.abb.com/motors&drives
www.powerconv.alstom.com

在线额外

高压电机绝缘是其技术挑战之一。

TECO-Westinghouse电机公司副总裁George Gao博士说，交联聚乙烯(XLPE)缠绕电缆也已用于超高压机器(136千伏)发电机的定子绕组。他解释说，与云母带相比，这些电缆具有非常高的介电强度，并且电缆绝缘技术的挤压也允许更高和更一致的电缆绝缘质量。

“通过在XLPE材料中加入额外的添加剂，以提高导热性、介电强度和机械强度，用于甚高压(特高压)机器的电缆绕线定子概念在行业中应该有非常光明的前景。

毫无疑问，”高博士说。

TECO-Westinghouse表示，在成本方面，电缆缠绕与云母带线圈缠绕相比，可以节省高达20%的工艺和劳动力。

高博士也表达了其他可能阻碍高压电机应用的担忧:

电缆安装费用(需要额外的工具);和

电缆尺寸选择/交货限制(大多数发电机/电机制造商没有电缆生产能力)。

TECO-Westinghouse目前正在审查VHV概念。“我们认为，还需要10年的时间才能让行业接受这一概念。它会来的，”高博士补充道。

对于特殊情况，艾默生电机技术公司认为40千伏输入的电机“只在非常特殊的情况下可行”，包括10000马力(7.5兆瓦)或更高的超大型电机，以简化绕组设计。“即使在这种情况下，电机控制的问题也很重要，”艾默生工业电机部门营销和产品规划总监Tim Albers说。“电机控制组件(40kv及更高输入)的成本将非常高。”

艾默生为高压电机提出的问题之一是，需要大量增加绝缘材料，从而减少定子槽的填充量，增大电机尺寸。还提到需要更大的热间隙和更大的气隙。

艾默生MT技术人员提供的其他意见包括:

大型同步电机的设计是有意义的，因为功率因数是可控的。

“直接关闭公用事业”是有道理的，但电力公用事业公司可能不允许电机直接从配电线路运行，而没有中间的任何东西。

Albers补充说:“总的来说，可能会有一些独特的应用，比如大型同步电机直接运行在电力设施上。”

“高电压”到底是什么?

还有什么比定义电机的电压范围更简单的呢?嗯，再想想。高压远没有统一的定义。

高电压对不同的用户意味着不同的东西——取决于行业、全球位置、应用、标准制定机构和协会。例如，至少有一家制造商将其100- 240v的小型交流电机称为“高压电机”。“这可能与安全点有关，符合欧盟的低电压指令，其阈值为75 V。同样，一些伺服电机供应商自豪地宣称他们的460伏产品是“高电压”。

在美国，国家电气规范将HV定义为6,001 V及以上，将较低的601-6,000 V范围称为“中压”。“欧洲使用不同的名称。电气和电子工程师协会(IEEE)标准100将电力系统的高压定义为100千伏或更高，范围可达230千伏。230千伏以上是特高压(EHV)等级。对于电力电缆，IEEE标准100中还规定了其他范围。

高压在电力传输和互连电路中得到应用。这些范围可以达到500千伏和最近的765千伏。此外，目前正在探索1.1 MV传输的超高压(UHV)线路。

ABB已将其输入电压为20-70千伏的电机产品指定为特高压(VHV)电机，本文将其定义为VHV。

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