高压定子变频与高压转子变频对比.docx
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高压定子变频与高压转子变频对比
高压（定子）变频与高压转子变频
的技术及经济性能比较
电机拖动系统调速来自两方面的要求，一是生产工艺上的要求，二是节能的要求。
以往只重视工艺要求，多采用耗能型工艺生产方式（如阀门、挡板调节流量）或低效的调速技术（如液力耦合器、转子串电阻调速等），节能效率低，造成大量电能浪费，随着“节能减排”的要求，目前均开始采用高效调速节能技术。
在交流异步电机高效节能调速方面，据不同用途主要是用定子变频调速技术或转子变频技术。
定子变频技术控制电机的定子侧供电电源,变流装置要承受6Kv或10Kv高压,控制电机全部功率;而转子变频技术控制电机的转子侧,变流装置仅承受转子回路低电压,控制很小的转子转差功率。
就节电率而言，转子变频技术是最高的，就在泵与风机类负载应用上，转子变频技术又是最为适合的。
下面就变频技术与转子变频调速在技术实现方法及各自的特点上作如下简要分析和比较：
1.变频调速
三相异步电机定子旋转磁场的速度称为同步转速，电机转子及其拖动的泵、风机在额定负载下的转速略低于同步转速（称为异步）。
而旋转磁场转速（以下称同步转速）取决于供电电源频率和电机极数,而确定的电机其极数是确定的，则同步转速只取决于电源频率。
在额定负载下，电机转子的额定转速也便取决于电源频率。
变频调速技术是在电机供电电源与电机定子间加入一个可改变电机供电电源频率的变流装置，将通常50HZ工频交流电源变为频率可调的交流电源（要同时调压），如下图所示：
图5高压变频调速示意图
这样，变频技术的根本点在于控制电机定子的供电电源的频率和电压。
由于是改变电机供电电源的频率，理论上讲，它可以使电机从0转速一直到任意转速（达超同步速），当然实际上达不到。
但它同样带来严重的技术困难和相对较大的自身功耗（影响节电率）。
这是因为作为变频器这种变流过程（包括转子变频调速装置）都是由半导体电力电子器件进行整流及逆变而实现的。
而变流过程需要电力电子器件能承受相应工作电压（这是电力电子器件最重要的），同时在变流过程中产生功率损耗。
功率损耗与通过变流装置的电能功率成正比。
如上所述，对于电厂或其它工业用高压大电机，变频器中的半导体开关器件等要承受6kv或10kv高压。
目前单个半导体开关承受不了，因而在变频器中采用各种降压再升压，或电力半导体器件串、并联及复杂的整流逆变，矢量控制技术来解决承受高压的困难。
另外，通过变频器的功率（或叫变频器控制的功率），是供给电机的全部功率，这就带来几个方面的问题：
1）自身装置庞大、复杂、控制变压器为电动机功率的1.25倍容量。
2）产生的对电网谐波及对电机的谐波大（因变流功率大），所以需要加入各种抑制谐波的装置。
3）虽一般称变频调速还可直接用原鼠笼电机，但一般鼠笼电机要考虑因转速下降使冷却通风量降低及谐波造成的电机发热，绝缘老化等问题，因而对大型电机，最好改用特制的变频电机。
4）由于装置本身复杂、庞大，造价高，维护费用很高。
5）在高压大容量电机使用领域，技术尚欠稳定可靠。
6）自身功耗大（一般为电机额定功率的3~6%），节电率受影响。
7）运行条件苛刻,须加防尘及大容量制冷散热空调（因自身功耗大）,进一步增加了电耗和运行维护量。
2.转子变频调速
串级调速是十分经典的电机调速方法。
它的根本点不是去控制电机的供电电源频率和电压，转而控制转子电流，从而改变电机的转差率进行调速。
转子变频串级调速的原理如下图所示：
图6转子变频调速原理图
电机定子供给转子的功率（电磁功率）分为两部分：
大部分变成机械功率拖动泵与风机负载，一小部分成为因转速差（比同步转速低）而产生的转子回路的转差电功率。
通过在转子回路串入转子变频调速装置加入一个可调反电势来控制转子电流,从而调节电机的转速（改变了机械功率输出）,由于转速差（转子转速与同步转速的差）而产生的转子的转差功率又经转子变频调速装置反馈回电网或内馈电机的定子反馈绕组而回收，从而达到调速和高效节能的目的。
调速范围为额定转速以下均可,一般最低到45%额定转速足已。
由于转子回路因调速而产生的最大转差功率仅为电机额定功率的14.815%（对泵、风机类负载），转子回路感应电压仅为几百伏，因而在转子回路加入转子变频调速装置（变流装置），通过控制转子回路反电势大小来调速带来如下突出的技术优势：
1）变流装置（转子变频调速装置）中的电力半导体器件承压仅为几百伏，最高不超过1.5kv,比6KV低得多，单只半导体开关足可安全承受。
2）变流装置控制功率仅为电机额定功率的14.815％，这便带来诸多好处：
A.自身功耗不到电机额定功率的１％；节电率比变频高出2－5个百分点。
B.自身因变流产生的谐波小（因变流的功率小），无须加滤波装置。
C.系统结构简单，控制容易。
D.装置尺寸小，对环境要求低,一般厂房自然环境既可，可靠性高。
E.本身造价低，维护简单，费用少。
因而，转子变频调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控制小功率进而控制大功率电机且系统结构简单，节电率高的特点，对于大多数泵、风机类需要低同步转速调速（由额定转速下调）的应用特别适合。
特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。
这些结论，是业界专家公认的结论。
当然，原使用鼠笼电机的场合，在使用转子变频调速时需要更换为绕线式电机。
绕线式电机有滑环、碳刷的维护工作,但相比变频器的空调防尘及装置等的维护量要小的多。
如加上更换电机的费用，整个转子变频调速系统的费用还要低于变频器本身的价格（如也更换为变频电机，则变频系统价格更高）。
一般在有一定调速深度的场合，投资回收期在1—2年。
转子变频调速的维修费用比变频调速也要低的多,维修容易。
加之节电率比变频高出2—5个百分点，转子变频调速综合技术经济比较，要比变频有明显的优势。
转子变频、高压定子变频综合性价对比
说明：
本对比对转子变频器（中国独有）、进口高压变频器、国产高压变频进行综合对比，包括技术、应用环境、投资组成等方面。
由于变频器容量越大，相对价格（每千瓦平均售价）越低，故选取市场占有份额较大的10kV额定电压2000kW、1600kW、630kW额定功率电动机进行对比。
国产高压变频相关数据采用国内主要上市公司产品价格平均值，进口高压变频相关数据采用国内普遍认同的罗宾康及AB变频器。
同时为保证公平，两种技术均采用其专用调速电机，价格相当！
产品
内容
转子变频
高压变频（国产）
高压变频（进口）
设备构成
起动
旁路
调速
附属
起动
旁路
调速
附属
起动
旁路
调速
附属
液阻
起动设备即旁路，无需单独旁路设备
转子变频器
无需附属设备，如空调、散热风道、防尘等设备。
无需专用房间。
高压变频起动
配手动旁路器
高压变频器（含移相变压器）
需加盖专用房间。
配独立安装室冷却空调或者水冷却循环系统、散热风道、防尘设备等，这又是额外费用。
高压变频起动
配手动旁路器
高压变频器（含移相变压器）
需加盖专用房间。
配独立安装室冷却空调或者水冷却循环系统、散热风道、防尘设备等这又是额外费用。
安装条件
安装环境
散热环境
自然环境
安装环境
散热环境
自然环境
安装环境
散热环境
自然环境
无需独立安装室，可以与其他电气柜使用同一安装室
无需专用空调或者水冷却系统
高海拔地区和低海拔地区容量区别微小
需要独立安装室，这样可以保证散热充分和灰尘降低
需安装空调或者水冷却系统，使得环境低于35度
高海拔地区需特殊设计（有海拔与容量对照表）
需要独立安装室，这样可以保证散热充分和灰尘降低
需安装空调或者水冷却系统，使得环境低于35度
高海拔地区需特殊设计（有海拔与容量对照表）
年维护费用
人工
器件
人工
器件
人工
器件
第1年（假设1次）
免费
免费
免费
免费
免费
免费
第2年（假设2次，且更换关键器件）
1人差旅费（部分故障可以电话指导维护）
EBM散热风机、SCR/10000元左右
1人差旅费（专人维护）
散热风机、滤网、功率单元/40000元左右
1人（从下飞机开始计时，美元结算）
行业秘密，通常不低于10万美金
设备耗能
效率
控制功率
实际损耗
效率
控制容量
实际损耗
效率
控制容量
实际损耗
99%
20%Pe
<2%Pe
95%
1.25Pe
>5%Pe
95%
1.25Pe
>5%Pe
占地体积（mm）
2000kW风机
3600×1000×2200
8000×1350×2500
8000×1350×2500
1600kW风机
2400×1000×2200
6400×1350×2500
6400×1350×2500
630kW风机
2400×1000×2200
5600×1350×2500
5600×1350×2500
电缆
（电缆高压电缆之价格为低压电缆价格数倍）
配用方式
配用方式
使用方法
配用方式
使用方法
配用三相高压电缆
高压开关柜→高压电动机
配用三相高压电缆
高压开关柜→高压变频器→高压电机；
系统旁路高压开关柜→高压变频器下端口；
高压开关柜→软起动器→高压变频器下端口
配用高压电缆
高压开关柜→高压变频器→高压电机；
系统旁路高压开关柜→高压电动机；
高压开关柜→软起动器→高压变频器下端口
配用低压电缆
电机转子→转子变频→电机反馈端
故障后处理
设备故障后，可直接转入电机全速运行，无需停车。
并可在电机全速时维修。
设备故障后，电机必须停车，待变频设备检修完毕后再运行电机。
或者直接启动电机，启动电流为8-10倍额定电流，这在水泥厂是不允许的。
设备故障后，电机必须停车，待变频设备检修完毕后再运行电机。
或者直接启动电机，启动电流为8-10倍额定电流，这在水泥厂是不允许的。
改造项目
土建
电气配套
土建
电气配套
土建
电气配套
通常无需土建，因为占地面积小，且无需专用安装室
无需安装空调，若为笼型电机，需增加一段低压电缆
通常需修建安装室（或者增加箱式房，但需增加高压电缆）
安装空调，原高压电缆需要打断，若仍不能满足要求，则需更换或者增加高压电缆
通常需修建安装室（或者增加箱式房，但需增加高压电缆）
安装空调，原高压电缆需要打断，若仍不能满足要求，则需更换或者增加高压电缆
综合上表，转子变频调速系统与高压定子变频相比，有以下诸多优势：
一、原理对比
1）高压定子变频调速，调节的是电机定子侧功率。
并且变频调速并不只是改变电机定子侧电源的频率它是在变频的同时还要改变电源电压，否则电机就不能稳定运行。
（要保证磁通恒定）。
转子侧变频调速，调节的电机转子侧功率。
且只要调节转子回路电流的大小就能实现功率的控制从而达到调速节能的目的，方法简单可靠。
2）由于高压定子变频器直接控制电机定子（高压），须解决器件耐压问题，而目前世界上还无此类器件。
解决耐压问题只能采用器件串并联方式，而均压、均流问题又成了器件串并联的弊病无法解决，从而造成高压定子变频器的运行可靠性绛低。
转子侧变频调速控制的是电机的转子（低压），现目前市场的器件均能满足，器件根本无需再串并联使用，为此可靠性大大提高。
3）由于高压定子变频器需体积庞大的变压器，不仅大大降低了系统效率还使整个系统的占地面积增大。
转子侧变频调速系统由于没有体积庞大的变压器所以占地面积小而且效率高。
二、性能使用对比
1）高压定子变频调速装置所控制的电机为鼠笼电机。
转子侧变频调速要求电机为普通绕线电机或内反馈电机。
此种电机与普通电机安装尺寸一致并非特殊电机，目前国内各大电机厂均可生产，价格也无太大差距
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