设想一下,如果电动机可以与电网配电线直接相连,那么就可以极大地节约能源、降低热耗和功耗,并且无需安装成本高昂的、需要日常维护的变压器和相关配电设备。更高的输出电压还意味着在相同的输出功率下输出电流更小。
你也许会说,这种电动机遥不可及?实际上CONTROL ENGINEERING China版权所有,已有一家制造商生产出该类电动机www.cechina.cn,并成功地将两台该类设备部署在恶劣的工业环境下。同时,其他电动机制造商也在考虑推出其高压产品。
早前,ABB Automation Technologies AB (瑞典)公司开发出一款可以产生高压并能向电网直接输电的发电机,在此基础上,ABB公司又推出一款新型的甚高压(VHV)交流同步电动机,可工作在20~70 kV的输入电压范围内。ABB公司的甚高压“Motorformer”电动机具有变压器和电动机的双重功能,并消除了安装中间变压器的需要。该设计适用于四极和六极电机。未做速度调节时,在50/60 Hz工频下,四极电机的同步转速可达1500/180
Motorformer电动机首先被用来驱动位于瑞典西海岸的某空气分离装置的一台压缩机。据ABB公司介绍,该同步电机输出的有功功率达6.5 MW,与42kV母线直接连接,可为工厂节约能耗达25%。该甚高压电机自2001年投入运行以来,没有报告发生过一起意外停机事故。
挪威的Statoil公司在其位于北海的“Troll A”油气开采平台上安装了两套Motorformer电动机。这两套电动机被用于一个压缩机模块,其输出功率为40 MW,供电电压为56 kV。此次应用还包括了对电动机的变速控制。这两套电动机计划在2004年秋冬季进行试车,并预计于2005年下半年投入生产。当前,ABB公司的甚高压电动机在市场上独一无二,还未有其他同类产品面世。包括ABB在内的很多制造商可以生产大型的常规交流电机(同步电机和感应电机),但这些产品的输入电压最高只有15 kV。
同步电机,而非感应电机
Motorformer电动机的发展方向趋向于同步电机而非感应电机。因为相较于感应电机,同步电机具有以下优势:功率等级更高(同步电机的输出功率可大于100 MW,而感应电机只有20 MW);效率更高;气隙更宽,便于设计;具有控制无功功率的能力。ABB公司的交流电动机业务拓展经理Johannes Ahlinder指出:“感应电机总是消耗无功功率。”对于在一个工作周期中有大量的大型电动机起动的主要工业地区,控制无功功率是稳定和保护该地区电网的重要议题。
令人惊讶的是,Motorformer的设计是基于传统的同步电动机技术。其中包括业已成熟的电动机部件CONTROL ENGINEERING China版权所有,如相同的凸极转子和传统的轴承(见剖面图)。据Ahlinder介绍,这种方法为Motorformer的设计提供了大量可供借鉴的经验,并提高了对产品可靠性的信心。Motorformer的突破之处在于其定子的设计。
绕组设计是关键
ABB公司在其Motorformer电动机的定子绕组和定子铁心槽中采用了独一无二的设计,并在电缆设计中进行了大量的分析、仿真和测试,其中包括电磁场有限元分析、热模拟和计算流体动力学建模。然而,用来确定定子铁心磁通密度的法则与常规电动机是一样的,这就限制了产品开发中的不确定性。
Ahlinder指出CONTROL ENGINEERING China版权所有,在常规电动机中采用的绝缘系统有一个15kV的电压极限,借助特殊的设计技术后,该电压极限可延伸至22~25 kV。他说:“若想超过这一极限控制工程网版权所有,就不可能用传统的技术来设计定子绕组。Motorformer的电缆采用圆柱形设计,可产生均一的电场强度,相较于传统的矩形绕组,它可有效地提高电压等级。”传统的绕组形状将导致不均匀的电场分布,例如,在高压下,电场将集中分布在导体边角处。
该圆柱形电缆具有交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料的固体电介质层,但没有使用金属屏蔽。目前,定子可承受70 kV的电源电压,根据需要,电缆设计可逐渐达到150 kV的极限。Ahlinder表示:“从经济的角度来说,电压低端约在20 kV左右,这由负载的情况决定。”
Motorformer的物理尺寸取决于输出功率,甚至连电动机轴中心高度这样的参数也取决于实际应用情况。虽然Motorformer的整机体积要大于具有相同额定功率的常规电动机,但一个甚高压系统(电动机和断路器)的总安装空间要小于一个带有变压器