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最新面世的交流同步電動(dòng)機(jī)可工作在70 kV的輸入電壓下，并能夠與電力工業(yè)輸電線路直接連接，從而在降低能源損耗的同時(shí)帶來其他益處。
　　設(shè)想一下，如果電動(dòng)機(jī)可以與電網(wǎng)配電線直接相連，那么就可以極大地節(jié)約能源、降低熱耗和功耗，并且無需安裝成本高昂的、需要日常維護(hù)的變壓器和相關(guān)配電設(shè)備。更高的輸出電壓還意味著在相同的輸出功率下輸出電流更小。

　　你也許會(huì)說，這種電動(dòng)機(jī)遙不可及？實(shí)際上，已有一家制造商生產(chǎn)出該類電動(dòng)機(jī)，并成功地將兩臺(tái)該類設(shè)備部署在惡劣的工業(yè)環(huán)境下。同時(shí)，其他電動(dòng)機(jī)制造商也在考慮推出其高壓產(chǎn)品。
　　早前，ABB Automation Technologies AB (瑞典)公司開發(fā)出一款可以產(chǎn)生高壓并能向電網(wǎng)直接輸電的發(fā)電機(jī)，在此基礎(chǔ)上，ABB公司又推出一款新型的甚高壓（VHV）交流同步電動(dòng)機(jī)，可工作在20~70 kV的輸入電壓范圍內(nèi)。ABB公司的甚高壓“Motorformer”電動(dòng)機(jī)具有變壓器和電動(dòng)機(jī)的雙重功能，并消除了安裝中間變壓器的需要。該設(shè)計(jì)適用于四極和六極電機(jī)。未做速度調(diào)節(jié)時(shí)，在50/60 Hz工頻下，四極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速可達(dá)1500/1800 rpm。（現(xiàn)在，ABB公司已將自己的Powerformer發(fā)電機(jī)技術(shù)授權(quán)給Alstom公司。Alstom已安裝了數(shù)套該發(fā)電機(jī)設(shè)備。）
　　Motorformer電動(dòng)機(jī)首先被用來驅(qū)動(dòng)位于瑞典西海岸的某空氣分離裝置的一臺(tái)壓縮機(jī)。據(jù)ABB公司介紹，該同步電機(jī)輸出的有功功率達(dá)6.5 MW，與42kV母線直接連接，可為工廠節(jié)約能耗達(dá)25％。該甚高壓電機(jī)自2001年投入運(yùn)行以來，沒有報(bào)告發(fā)生過一起意外停機(jī)事故。

　　挪威的Statoil公司在其位于北海的“Troll A”油氣開采平臺(tái)上安裝了兩套Motorformer電動(dòng)機(jī)。這兩套電動(dòng)機(jī)被用于一個(gè)壓縮機(jī)模塊，其輸出功率為40 MW，供電電壓為56 kV。此次應(yīng)用還包括了對(duì)電動(dòng)機(jī)的變速控制。這兩套電動(dòng)機(jī)計(jì)劃在2004年秋冬季進(jìn)行試車，并預(yù)計(jì)于2005年下半年投入生產(chǎn)。當(dāng)前，ABB公司的甚高壓電動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上獨(dú)一無二，還未有其他同類產(chǎn)品面世。包括ABB在內(nèi)的很多制造商可以生產(chǎn)大型的常規(guī)交流電機(jī)（同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)），但這些產(chǎn)品的輸入電壓最高只有15 kV。
　　同步電機(jī)，而非感應(yīng)電機(jī)
　　Motorformer電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向趨向于同步電機(jī)而非感應(yīng)電機(jī)。因?yàn)橄噍^于感應(yīng)電機(jī)，同步電機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：功率等級(jí)更高（同步電機(jī)的輸出功率可大于100 MW，而感應(yīng)電機(jī)只有20 MW）；效率更高；氣隙更寬，便于設(shè)計(jì)；具有控制無功功率的能力。ABB公司的交流電動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Johannes Ahlinder指出：“感應(yīng)電機(jī)總是消耗無功功率。”對(duì)于在一個(gè)工作周期中有大量的大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要工業(yè)地區(qū)，控制無功功率是穩(wěn)定和保護(hù)該地區(qū)電網(wǎng)的重要議題。
　　令人驚訝的是，Motorformer的設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)的同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)。其中包括業(yè)已成熟的電動(dòng)機(jī)部件，如相同的凸極轉(zhuǎn)子和傳統(tǒng)的軸承（見剖面圖）。據(jù)Ahlinder介紹，這種方法為Motorformer的設(shè)計(jì)提供了大量可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，并提高了對(duì)產(chǎn)品可靠性的信心。Motorformer的突破之處在于其定子的設(shè)計(jì)。

　　繞組設(shè)計(jì)是關(guān)鍵
　　ABB公司在其Motorformer電動(dòng)機(jī)的定子繞組和定子鐵心槽中采用了獨(dú)一無二的設(shè)計(jì)，并在電纜設(shè)計(jì)中進(jìn)行了大量的分析、仿真和測(cè)試，其中包括電磁場(chǎng)有限元分析、熱模擬和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模。然而，用來確定定子鐵心磁通密度的法則與常規(guī)電動(dòng)機(jī)是一樣的，這就限制了產(chǎn)品開發(fā)中的不確定性。
　　Ahlinder指出，在常規(guī)電動(dòng)機(jī)中采用的絕緣系統(tǒng)有一個(gè)15kV的電壓極限，借助特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)后，該電壓極限可延伸至22~25 kV。他說：“若想超過這一極限，就不可能用傳統(tǒng)的技術(shù)來設(shè)計(jì)定子繞組。Motorformer的電纜采用圓柱形設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生均一的電場(chǎng)強(qiáng)度，相較于傳統(tǒng)的矩形繞組，它可有效地提高電壓等級(jí)。”傳統(tǒng)的繞組形狀將導(dǎo)致不均勻的電場(chǎng)分布，例如，在高壓下，電場(chǎng)將集中分布在導(dǎo)體邊角處。
　　該圓柱形電纜具有交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣材料的固體電介質(zhì)層，但沒有使用金屬屏蔽。目前，定子可承受70 kV的電源電壓，根據(jù)需要，電纜設(shè)計(jì)可逐漸達(dá)到150 kV的極限。Ahlinder表示：“從經(jīng)濟(jì)的角度來說，電壓低端約在20 kV左右，這由負(fù)載的情況決定。”
　　Motorformer的物理尺寸取決于輸出功率，甚至連電動(dòng)機(jī)軸中心高度這樣的參數(shù)也取決于實(shí)際應(yīng)用情況。雖然Motorformer的整機(jī)體積要大于具有相同額定功率的常規(guī)電動(dòng)機(jī)，但一個(gè)甚高壓系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)和斷路器）的總安裝空間要小于一個(gè)帶有變壓器和相關(guān)設(shè)備的常規(guī)系統(tǒng)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
　　大型高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)會(huì)消耗大量能量，并會(huì)對(duì)電網(wǎng)和附近用電設(shè)備的供電電源帶來短暫干擾。ABB公司已成功地開發(fā)出一種延遲起動(dòng)技術(shù)，用來避免供電中斷。該技術(shù)使用電抗器將起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)了20秒，并增加電容以鞏固起動(dòng)期間的電網(wǎng)。
　　為了滿足XLPE絕緣包層、線繞式定子的溫度限制，該高壓電動(dòng)機(jī)需要采用合理的冷卻方式——低功率時(shí)采用空冷卻方式，高功率時(shí)采用水冷卻方式。Motorformer的定子構(gòu)造配備了以上兩種冷卻方式。
　　ABB公司認(rèn)為高壓電動(dòng)機(jī)幾乎不存在任何應(yīng)用局限。Ahlinder說：“任何局限都與常規(guī)產(chǎn)品的發(fā)展相聯(lián)系，例如，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)。”然而，電纜溫度仍然被視為一個(gè)限制因素，特別是在高熱環(huán)境中而且水冷方式不可行的情況下。
　　CONTROL ENGINEERING曾向幾家主要的電動(dòng)機(jī)制造商征詢過他們對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的看法。大多數(shù)廠商沒有回音，有一家雖然回信說曾經(jīng)調(diào)研過高壓電動(dòng)機(jī)技術(shù)，但最終確定其并非“未來業(yè)務(wù)的可行之選”。TECO-Westinghouse 公司和Emerson Motor Technologies公司反饋了一些有價(jià)值的觀點(diǎn)，詳情請(qǐng)瀏覽www.manufacturing.net/ctl/article/CA478480。

　　應(yīng)用前景
　　據(jù)Ahlinder介紹，高壓電動(dòng)機(jī)目前主要應(yīng)用在海上采油工業(yè)中，該產(chǎn)業(yè)的一大趨勢(shì)是用電子驅(qū)動(dòng)器取代氣渦輪機(jī)傳動(dòng)設(shè)備。其應(yīng)用領(lǐng)域包括海上壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)（FPSO）等海上發(fā)電站中所使用的發(fā)電機(jī)組。這些類似船舶的發(fā)電系統(tǒng)在與適當(dāng)?shù)妮旊娤到y(tǒng)連接后，可為周圍的海上采油平臺(tái)供電。
　　Ahlinder說：“從更廣的角度看，高壓電動(dòng)機(jī)技術(shù)適用于當(dāng)前傳統(tǒng)型同步電動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的任何領(lǐng)域，包括泵用電動(dòng)機(jī)，制漿造紙中使用的精煉機(jī)電機(jī)，以及在空氣分離、風(fēng)扇、擠壓機(jī)和氣/蒸汽渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)中用來拖動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)。”
　　當(dāng)然，高壓電動(dòng)機(jī)也不是萬能的，但其應(yīng)用前景將越發(fā)廣闊。提高電纜繞組溫度等級(jí)的相關(guān)技術(shù)正在不斷進(jìn)步。Ahlinder解釋說：“在Statoil公司的Troll 油氣田項(xiàng)目中，甚高壓電動(dòng)機(jī)需經(jīng)可變速驅(qū)動(dòng)控制，而高壓電動(dòng)機(jī)技術(shù)直接導(dǎo)致了新解決方案的產(chǎn)生。”
　　當(dāng)前，ABB公司扮演了先驅(qū)者的角色，全力支持和推動(dòng)這一令人振奮的新技術(shù)。高壓電動(dòng)機(jī)在北美地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用以及其他制造商推出類似產(chǎn)品似乎已為期不遠(yuǎn)。
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　　www.abb.com/motors&drives
　　http://www.powerconv.alstom.com/
　　http://www.tecowestinghouse.com/
　　http://www.emersonmotors.com/


　　“高壓”有多高？
　　你也許會(huì)說，沒什么比定義電動(dòng)機(jī)的電壓范圍更簡(jiǎn)單的了。然而實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)的高壓范圍還未有一個(gè)統(tǒng)一的定義。
　　對(duì)于不同的用戶，高壓有不同的定義，這取決于行業(yè)、地理位置、應(yīng)用環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)制定組織和協(xié)會(huì)等諸多因素。例如，至少有一家制造商將自己的100~240 V交流電動(dòng)機(jī)稱為“高壓電動(dòng)機(jī)”。這也許是出于安全考慮，為了符合歐盟低壓規(guī)定（Low-Voltage Directive）中設(shè)定的75V閾值。類似地，一些伺服電機(jī)供應(yīng)商也驕傲地宣稱自己的460 V產(chǎn)品是“高壓設(shè)備”。
　　在美國(guó)，國(guó)家電氣規(guī)程（National Electric Code）將6001V以上的電壓劃定為高壓，601V至6000V定義為中壓。歐洲采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)電子和電氣工程師協(xié)會(huì)在IEEE Std. 100標(biāo)準(zhǔn)中將電力系統(tǒng)中的高壓范圍定義在100kV至230kV之間，大于230 kV定義為超高壓（EHV）。IEEE Std. 100標(biāo)準(zhǔn)還定義了輸電線的相關(guān)電壓范圍。
　　高壓在電力傳輸和連接線路領(lǐng)域也有應(yīng)用，相關(guān)電壓范圍超過500 kV，最近甚至上升到765 kV。同時(shí)，特高壓（UHV）輸電線已被用于1.1 MV電力傳輸中。
　　ABB公司將輸入電壓為20~70 kV的Motorformer產(chǎn)品確定為甚高壓（VHV）電動(dòng)機(jī)，這符合本文對(duì)甚高壓的定義。