最火国外多家公司挑战高压电动机

国外多家公司“挑战”高压电动机

最新面世的交流同步电动机可工作在70 kV的输入电压下，并能够与电力工业输电线路直接连接，从而在降低能源损耗的同时带来其他益处。

设想一下，如果电动机可以与电配电线直接相连，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，已有一家制造商生产出该类电动机，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1500/1800 rpm。（现在，ABB公司已将自己的Powerformer发电机技术授权给Alstom公司。Alstom已安装了数套该发电机设备。）

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：“感应电机由于本次重组的谈判进入关键时期总是消耗无功功率。”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，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。生产进程中原材料的功效然而，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，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，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弹簧疲劳实验机的选购需谨慎质层，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和相关设备的常规系统。

设计挑战

大型高压电动机的起动会消耗大量能量，并会对电和附近用电设备的供电电源带来短暂干扰。ABB公司已成功地开发出一种延迟起动技术，用来避免供电中断。该技术使用电抗器将起动时间延长了20秒，并增加电容以巩固起动期间的电。

为了满足XLPE绝缘包层、线绕式定子的温度限制，该高压电动机需要采用合理的冷却方式——低功率时采用空冷却方式，高功率时采用水冷却方式。Motorformer的定子构造配备了以上两种冷却方式。

ABB公司认为高压电动机几乎不存在任何应用局限。Ahlinder说：“任何局限都与常规产品的发展相联系，例如，转子的设计。”然而，电缆温度仍然被视为一个限制因素，特别是在高热环境中而且水冷方式不可行的情况下。

CONTROL ENGINEERING曾向几家主要的电动机制造商征询过他们对高压电动机的看法。大多数厂商没有回音，有结果一家虽然回信说曾经调研过高压电动机技术，但最终确定其并非“未来业务的可行之选”。TECO-Westinghouse 公司和Emerson Motor Technologies公司反馈了一些有价值的观点，详情请浏览。

应用前景

据Ahlinder介绍，高压电动机目前主要应用在海上采油工业中，该产业的一大趋势是用电子驱动器取代气涡轮机传动设备。其应用领域包括海上压缩机驱动和浮式生产储油系统（FPSO）等海上发电站中所使用的发电机组。这些类似船舶的发电系统在与适当的输电系统连接后，可为周围的海上采油平台供电。

Ahlinder说：“从更广的角度看，高压电动机技术适用于当前传统型同步电动机所应用的任何领域，包括泵用电动机，制浆造纸中使用的精炼机电机，以及在空气分离、风扇、挤压机和气/蒸汽涡轮驱动发电机中用来拖动压缩机的电动机。”

当然，高压电动机也不是万能的，但其应用前景将越发广阔。提高电缆绕组温度等级的相关技术正在不断进步。Ahlinder解释说：“在Statoil公司的Troll 油气田项目中，甚高压电动机需经可变速驱动控制，而高压电动机技术直接导致了新解决方案的产生。”

当前，ABB公司扮演了先驱者的角色，全力支持和推动这一令人振奋的新技术。高压电动机在北美地区的实际应用以及其他制造商推出类似产品似乎已为期不远。

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“高压”有多高？

你也许会说，没什么比定义电动机的电压范围更简单的了。然而实际上，电动机的高压范围还未有一个统一的定义。

对于不同的用户，高压有不同的定义，这取决于行业、地理位置、应用环境、标准制定组织和协会等诸多因素。例如，至少有一家制造商将自己的100~240 V交流电动机称为“高压电动机”。这也许是出于安全考虑，为了符合欧盟低压规定（Low-Voltage Directive）中设定的75V阈值。类似地，一些伺服电机供应商也骄傲地宣称自己的460 V产品是“高压设备”。

在美国，国家电气规程（National Electric Code）将6001V以上的电压划定为高压，601V至6000V定义为中压。欧洲采用不同的标准。美国电子和电气工程师协会在IEEE Std. 100标准中将电力系统中的高压范围定义在100kV至230kV之间，大于230 kV定义为超高压（EHV）。IEEE Std. 100标准还定义了输电线的相关电压范围。

高压在电力传输和连接线路领域也有应用，相关电压范围超过500 kV，最近甚至上升到765 kV。同时，特高压（UHV）输电线已被用于1.1 MV电力传输中。

ABB公司将输入电压为20~70 kV的Motorformer产品确定为甚高压（VHV）电动机，这符合本文对甚高压的定义。