1、异步电机节电之根本在调速 2、要宽调速自调速就要在调速的方法上有所突破 3、本技术方法是：“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”。此属新创专有技术。 4、异步电机自身无级调速。 5、三相大功率无级调电压，以上都有待申请专利。 6、等匝和变匝元件的低谐波绕组及在调速上的应用。 一 风力发电发展的新途径 1、成果简介 （一）提高风力发电机的电机效率： （1）要在现有条件下增大风机对电网的有功输出： 即对低速 (10—4)m/s 的风能也要兼收入电网， 采用的方法是：当风机处于低风速运行时要实时降低加于风机端的电压，就是说要有可以“连续无级可调的三相电源”加于电机定子端，并配合以电压随风速而变动的“随动系统”，这样当风速大时，电机端电压就高，风速低时电机端电压就小，并达到需要的数值，这是不难做到的！-----这样一来，就可以有效地降低发电机的定子铁损及定子铜损，提高发电机的效率。 风力发电发展的新途径举一个1.5Mw的风力发电机为例，它是12/16极单绕组双速的：电压按70%给定时，不同风速下的效率如下； u=100% 16m/s η=93%， 12m/s 85% 10m/s 78%, 8m/s 65%, 6m/s, 44% 4m/s 20% 3.5m/s13% u=70% 16m/s 95%, 92% 88% 80% 64% 34% 25% Δη 2% 7% 10% 15% 20% 14% 12% 可见风速低时用低速 16极，当风速为 10m/s时效率比u=100%时可增大10个百分点，而当风速为6m/s 时，效率可增大20个百分点！ 从负载特性看，风能属于3次方特性，风速降一半，风能输入功率将降为八分之一，如果电压不变，则励磁严重过剩，白白消耗着多余的损耗，铁损是与电压的平方成正比的！电压降到70%，铁损就降低一半。 对风力发电而言，无级调压是必不可少的！需要强调，在本变极调速中能保持高低速的THD<5%,因此，本技术也可不用变流器，（汽轮发电机从来就不用变流器）又节省三个百分点，用低速又可以将机械损耗降低一半，这样就得到4.5个百分点，再适度实时调压可以在现有条件不变时增大风力发电机对电网的出力（8-10）%，则总共可提高13.5-个百分点。于是1.5Mw就增长为1.7Mw,售价相应提高。这一原则对各种风力发电机都是适用的。 本技术适用各类风力发电机的增容改造 （二）关于“低电压穿越”： 本技术中包含电源无级调压，在电网失电又再次恢复供电时，可以实现： （1）人为将风力发电机再投入电网,电网电压不论降到何值。或 （2）自动再投入电网，或单台或多台。 （3）风机投入电网时，电压是可以从0%到-100% 逐步增加的，因此没有“低电压穿越”的问题存在。 （4）“无级调压”是为提高风机出力的，并不是专为“低电压穿越”而专设的。 无级调压结构十分简单而可靠。她可用来完成一切负载的零电压零电流的起动，是最经济好用的“软起动器”;而当电压突发性跌落时可以断开电机与电网的开关联接，并接通限流电抗，电抗器的参数按6倍电机额定电流决定。与此同时还可调小风轮叶片的迎风角。 （三）关于风力发电机电压等级的确定： 功率加大，电压升高，电压超过 690——1140伏，则受制于变流器发电机处于低压状态，制造困难，而不用变流器，则电机与电压则无关，3，6，10千伏都可，这样用现有的高压电动机，只要是硬机械特性高压电机的即可。给发电机的制造提供了方便。 （四）关于风力发电机的容量： 容量的大小取决于风轮，电机与风轮匹配就是了。 (五) 风力发电机的心赃部位——发电机的设计 做直馈式，无变流器，可以借用异步电机高压现有产品，略改线圈，相应的铁芯不改动，如中心高：400，450，500，560，630，710，800，900，1000，1120——，从中选合用的，铁芯不改动，模子不动将省去大量工时和成本。 风力发电发展的过程，本来是用异步发电机两个速分别吸收强风能和弱风能的，美国GE公司和丹麦Micon公司这两位风能利用的“大师”应被认为是先驱领军者，之所以后人改变了发展的轨迹，前者发电的谐波严重有失其正弦度，为各国电网所不许，后者虽解决了谐波的问题，但实际两套电机两套齿轮箱，虽共容于一个舱体内，实为两个单体的聚合，成本太高，没有为同业采用。但他们共同为风能界指出一个风能利用的必须达到的标准： 发电的电势波形必须是正弦波，其谐波含量THD≤5%。 结构必定是简单耐用、成本低廉，且要将5-20M/S的风能尽收回馈给电网，加大对风能资源的利用。 没有使用变流装置，其原因也不单纯考虑风电成本，更重要的是降低风电每度的价格同时容易维护。 继GE和Micon两家大公司之后，就再也没有人走纯电机发电之路的了。人们认为只靠电机本身解决以上三个难点，实难于做到。于是求助电力电子，引出了双馈式及永磁式的新机型发电机，它们有一个共同的特点就是依靠变流器，完成风能向电能的转换，做到了THD≤5%；一般在风速8M/S时，风能量就舍去不再被吸收用了，彻底弃掉了低风能，其风能利用成本提高，并被视为正常。 “三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的异步电机新设计方法，正是为解决以上三个难题而研发的，它可以做到： 以单速电机的有效材料（包括硅钢板、电磁铜线），做出双速电机，其高速档的功率与用同等材料所做的单速电机的功率是完完全全等同的。其低速档的功率与用此单速材料所能做出的低速（近极比变极的低速）电机的恒力矩负载功率完全一样。它们高低两个速犹如（就完全等同）两台电机共容纳于一个电机机体内。当其低速等同于吸收弱风速风能时其电机的容量是富富有裕的（这很重要），为吸收弱风能时，发电机因自身效率已很低，而成为放弃不取成为原因，带来了新的校正其弊的动力源。 使用“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的新的设计方法，可以将高低两速（即近极比两个极）的绕组，无论是低速还是高速，即多极还是少极，都能调制成等效的60°相带，并选适合的跨距，实现THD≤5%。这是此技术的最可贵的功能，并可免去因变流而产生的谐波损耗及效率降低5%，这项收益是一个不小的数字。 省去变流器就可免去高昂变流器的造价，约降低40%。 可减少维护费用，一笔不小的开支，有报章报道一家公司在上风塔维修中，致使两个工作人员死于现场，这虽是个案，确也引人深思。 技术投资分析 应用“三相电源与由其衍生出的变相电源相融合”的新设计方法，对鼠笼式异步发电机进行设计，就可以将电机做成两速，做到高低双速都能将绕组调制为60°等效相带，使电势波形为理想的正弦波，使谐波含量 THD≤5%，能做到实现风能对电网的直接馈送——直馈，这也是从风力发电一开始选用鼠笼电机的原因。应该说明直馈谐波这是由电机齿槽产生的谐波，是完全不同于变流器产生的同等的THD≤5%谐波，变流器产生的谐波是时间的高次谐波，它是高频的。因为调制电流正弦波时它是由载频都在1KHz以上产生的，因此谐波是高频的，虽经滤波，但仍有残存。而直馈时的谐波是工频50Hz（或60Hz）的，用户因此在负载中引出的多余损耗是不同的，时间的高次谐波损耗，是大于工频谐波损耗的，这是公认的。 再者回馈中多了一道电力电子变频，就会多一级电力损耗，在变流器中的损耗约在5个百分点。 所以风力发电机的双馈式及永磁式发电会比异步发电直馈式的效率要低约5个百分点。 还有双馈式发电，要用异步绕线式转子结构，有碳刷接触，又有转子体的发电，而转子体的温度高，不利出力；而永磁结构的永磁铁一旦损坏难以修复。 总之，从安全运行可靠程度上考虑，鼠笼式电机是首选的机型。 应用“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的新设计方法，可实现将为双馈式发电和永磁式发电所放弃的低风速4-10M/S的风能也能收回。因为这种全新的设计方法在低速时，运行于低速时，由于低速的功率，当用足时可以达到高速额定功率的70%以上，这对于吸收10%额定功率的低速风能是有很大空间的，这就可以在低速运行中，用降低机械损耗，及降低电机励磁铁耗和铜耗的方法，两项合计就可以降低50%的无功功率。这样在高速档转速不变时，运行在低负荷下的很低的发电机效率大幅度提高5-20个百分点成为可能。这是该新设计技术用以吸收低风速风能时的一个凸出点，没有多用一点电机材料，却增多了发电量约13%的额定功率的能量。 异步风能的利用有功率因数无功的问题，这可以用电容补偿，可以动态补偿或静态补偿。 单绕组双速高出力发电机属于“双定速恒频”的一类，已有专文在“风力发电”2009年第4期中论述，这里不再赘写。 应用领域及前景分析 应用的领域：直馈是全国性世界性的，大量1MW及以下的异步发电“定速恒频”皆可改造为“双定速恒频”。4P的单速变为4/6P的双速，其4P的功率不变，多出6P的转速，可用以高效吸收低速风能。“双定速恒频”直馈式异步发电机，将很快为人们认识和推广，相信一定能为风电领域容纳接受并成为主体。 效益分析：它的效益表现在降低风电的投入成本约40%，用电可以减少附加的高频损耗，减少维护，尤适用海上大功率装机。 市场前景：由于新技术适用“直馈”，所以市场非常宽广，适用国内外整个风电领域。 厂房条件建议：没有要求 备注：应申请国内外发明专利。 二, 实现油田节能改造与新系列设计的新方法 1、成果简介 1．1油田电力拖动能否以“大马拉小车”来概括？ 油田抽油机的起动是第一要件，有的油井平衡块重复摆动一两次才起动，有的两次也起不动，选配电机的决定因素是起动，一点也不为过，但是运行起来却不足半载或1/3—1/4。即电机处于超低负载多耗电状态，即便这样，也不能一言以蔽之“大马拉小车”，因为起动时，“马”与“车”是配套的。运行时，如何变“大马”为“小马”使“大马”与“小车”匹配？回答只有一个：把“大马”变为合适的“小马”，适度降低电压！这是“正途”。 油田负载是工业负载中最为特殊的:或许可称之为”时变不对称高堵转力矩大转动惯量又叠加有震动负载”的负载。处理这类负载时,要看到它的普遍性,还要看到因井而异的特殊性,才能做到“马”与“车”的“无间隙”配套,做到最大限度节能.,设计时要留出可供调节的裕度。本人遍历我国各大油田，可为您提供满意服务。 2、要调冲次/每分：比如 9/ 6.7/5.4/45 冲次/分 方法有二: 一，为无级调速：这要做新电机，可以。 二，为四速 6/8/10/12p，这容易，用现有电机改一下绕组，再改动一下电源即可。 这两种方法都可由用户根据井下液面自定. 3、结论:(1)无级调压 (2)近极比变极变速4速。 (3)无级调速 4、节电:最大 20% 我国地域辽阔，有20多万口油井，世界就更多了，这些口井，它们都在巴不得去改造它们，市场之大，未可言表。美国又在输入开关磁阻电机（SRM）,是直流变频调速，其特点是 (1）机型全新，用户可以做比较，对比优劣及节电多少。 (2)性价比。 (3)维修难。 5、油田抽油机电机的系列产品设计： 每次中小型异步电机全国统一设计时，都提出对油田抽油机电动机的题目，但都无果。原因，堵转力矩大而运行功率太小，正常设计不好安排。 本人用“ 三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的新设计方法，保证起动力矩，（电机“大马”不变，）减小运行电压（电机由“大马”变“小马“，大幅节电便由此产生。 (1),用于国内 国内： 电机的改造与新机制造都立足于50周，因此功率与铁芯长度不变， 国内所有在油田积压的旧电机，包括 Jo2, Y, Y2, 都可使用，这是变旧为新，不是废物回用，是物尽其用！ 电机为 4个同步速时，为 6/8/10/12极，调速电源的容量：按 本机8极时的电机容量设计。 国外：当频率为 60周时，制造新机时，铁芯长在功率相等时应为 50周的5/6，即 83%。这一点要切切注意！ （2）油田电机设计： 直接由基本系列派生出来即可： 中心高：225，250，280，315，355 不论新旧电机都可派生。 油田抽油机负载的特点是起动力矩要求大，运行功率小，被称之谓“大马拉小车”，是困惑油田多年不得解决的痼疾！ 20多年前美国SARGENT油田专用设备公司的超高转差电机（UHSM）流入我国，搅动了国内几年，近年又有开关磁阻电机（SRM）在国内试运行，一句话就是都想调速，世界油田都想调速，以适应油田调冲次之需要。 我国有20万口油井，现有20万台以上的电机急需调速加以改造，。若能将此20万台电机加以改造，使之成为2速、3速、4速的，使它们得以调速兼得节电20%，直接由Y系列等旧电机派生而出，那将是节材又节能，方便耐用又易于实现，符合油田现场要求，那将是符合国家“节能减排”国策，难得的好方法。 本技术：“三相电源与由其衍生出的变相电源相融合”的新技术，正是适应异步电机调速的需求而研发的,近极比2速、3速、4速的全新方法，适用国内、国外油田的旧电机改造及新电机生产。 技术投资分析 对于油田负载的调速 用近极比4/6P、6/8P、8/10P、8/12P、10/12P、12/16P；4/6/8P、6/8/10P、6/8/12P、6/8/10/12P替代原单速电机调速是最适合 我国油田现状的。 本技术所述的“相控”是说基于三相的相控，根据变极的需要，根据负载的特点，来相应地改变其“时间相位角”，兼而改变其相幅值，使其满足不同变极之需要。 两速变极调速 4/6P、6/8P、8/10P、8/12P、10/12P、12/16P 。 已在辽河油田及长岑油田批量投产，运行良好。 三速四速变极调速 4/6/8P、6/8/10P、6/8/12P、6/8/10/12P 3速、4速变极调速是运用“三相电源与由其衍生的相控电源相融合”的方法（简称“相控”法），可以将现有运行着的单速电机变为3速、4速，设计时要考虑具体的负载状况，工艺要求，确定需要变得极数，以及就电机的使用状况，确定无功功率的给定值，并考虑实测负载的功率曲线来确定相幅值，注意相位角的确定精度。 注意：改造旧电机过程中风扇、风罩不得变。 应用领域及前景分析 适用范围 油田抽油机电机：目前最适用油田抽油机电机的改造及新制电机生产，从而实现抽油机风机泵类负载的多速调速：若稍加改动，增加一点铁心长，则可广用于风机泵类负载的多速调速，实现调节流量，节约电能的目的。 恒力矩负载的多速调速：如矿井下的采煤采矿等，不必引进意大利的高昂价格的设备。其它恒力矩负载的多速调速，如重物提升设备的调速。 效益分析 对于我国油田，是20万口油井20万台以上的电机，改旧为新，赋予节能节材，其经济效益是巨大的，十分可观。 市场前景 国家发改委在关于新技术的定义中这样说道：一项技术不但对新产品，对一个领域的发展有着积极的推动作用，而且对于现有旧设备的改造，也能发挥其创新并赋予其新的改造功能，成为全新的设备并发挥其新的独有功能，那这项技术就是新技术，高新技术，大有推广的价值-----这是技术发展的前进方向，是指路的明灯！本人努力遵从以进！ 市场前景不独在国内，而尤其在国外，本技术有与国外新技术竞争的技术基础及价格优势，是中小型电机生产厂家所瞩目的项目，应力争为先，莫滞行于后。 厂房条件建议 一般中小型电机生产厂家，不需要另置厂房，不增加工艺难度，现有施工能力已经足够用了。 备注：此项技术要申请国内及国际发明专利，抢先争占市场，扩大经营，为国争光。 三、 高压 3kv, 6kv, 10kv 异步电机自身有级和无级调速 成果简介： 异步电机的耗电量，占我国总发电量的 50% 以上，其中高压电机仍有 85%未得节能改造，究其原因，就是变频调速的大功率管IGBT IGCT 处于多个串并联时，要实现同时导通，同时关断是困难的，所以用户兜了一个大圈子： （一）现有运行着的高压电机： 1、市面上所用方法为，废去原高压电机，做一台低压电机以代之，然后对这台低压电机，用变频器调速。 这种方法是迫不得已的！ 2、 国内外现采用的变极近极比调速的方法是： 采用双绕组结构，这样高速挡出力降低 30%，或再多。 3、 用“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的方法，即本技术方法可以做到： （1）用现有单速电机即可改造出双速近极比的电机，其高速挡的功率与单速电机的一样，不降低功率。其低速挡的功率能适用恒力矩负载和风机水泵类负载，只对现电机的端部接线加以改动即可 （2）它的所带电压变压器，也做相应改动。 （3）还可近一步做无级调速：将电机分成两部分，用变相的方法实现无级调速。 （二）重新制造新电机： （1）对于风泵类负载：两个速的可以铁芯长保持不变，高速挡功率不变； （2）四个速的调速，通过调压调速也可以铁芯保持不变，功率微有下降。 （3）对于特殊场合，可以做成无级调速的。 （4）国外市场远大，要盯住，千万莫忽视！国外没有此项技术！ （5）国内系列电机，完全可以由基本系列直接派生而得， 包括中心高： 400，450，500，560，630，710，800，900，1000，1120， 所以新旧电机都可用，万不可做废物淘汰。 凡异步电机，在工业领域应用最广，其用电量占电网总量的50%以上。但调速困难，因此，至今大量消耗着电能。调速和提高效率两者相比，调速是重中之重！它节电是大数！ 要实现异步电机的全面调速，必须在理论上有突破，有创新！ 本项技术是为高压电机6-10千伏的大功率异步电动机的调速设计和改造，及低压电机提供一个全新的设计方法，即“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”。这是一项全新的设计方法。它没有制造上的难度，工艺性极好，而性能又很强，它能真正实现变一台电机为二台，而又集二台电机为一台，是高压电机生产厂家所首选的设计方法，并根据本厂的历史状况保持原型由单速改为双速，并进而改为三速四速电机。此项技术在国内外都不得见，属应申请专利者！ 高压3kV 6kV 10kV 近极比有级调速： 利用单速电动机现有结构的有效材料(包括硅钢板及电磁线)，做成双速、3速、4速的电动机。 2速电动机：做成近极比的4/6P，6/8P，8/10P，8/12P，10/12P，12/14P，12/16P，14/16P，14/18P，18/20P，18/24P，…… 双速电机的出力，其高速档与同等材料的单速电机一样，有效材料一样，而其低速档的出力可以做到按转速1次方输出，即恒转矩输出。 3速4速电机的出力，仍可达到高速档按单速电机的功率输出，同样低速档仍可按转速1次方输出，唯其铁心尺寸应适当放长约10%。即可做成 ：4/6/8/10极，6/8/10/12极，8/10/12/14极，10/12/16/20极,等。 使用的新设计方法： “三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”是所应用的新的设计方法。此时现有电机的结构保持不变。 此设计方法的特点： 用变频器调速是改变交流电的频率，而交流电的其他二个量：初始相位角不变，相幅值必须随[压/频]为恒定值来变；本成果技术则交流电的频率不变，要改变的是初始相位角差，及交流电的幅值，它究竟如何变，这取决于二个因素，一是要变的极数，二是电机所给出的定子槽数，并能衍生出均衡的多相负载。在权衡其特点时，是要兼顾相数的最小值和磁势波形的谐波含量的最小值。设计的关键与要点就聚聚于此。根据变极的需要，来改变相间的相位角差而其相幅值相应改变。被改变的相位角差是作用于转子体上，在转子上产生与三相电源相同效果的园旋转磁场，而转速得到近极比变极变速的效果。 电机定子绕组结构：保留原单速绕组，不变线圈，包括定子线圈的跨距、匝数、线规都不变，即整数等匝线圈，这大大提高了电机制造的工艺性，但电机的端部接线需要按变极与“变相”的要求加以配合改变。 因此该设计方法非但适应新电机双速的设计，兼而适应现在运行着的旧电机的改造，（甚至在现场的就地改造）。很明显，同样适用低压电机的调速设计与改造 将原电机的原配套电源变压器也要做相应的符合“变相”要求，对相数要做满足变极需要的改动，变压器的铁心结构维持原结构不变。变压器的铁芯是圆截面的，圆线圈是很容易改造的。 变频的方法在高压6~10KV的电机中用于调速有难以制造的沟壑，大功率的电力电子器件IGBT，IGCT因电压高必须多个元件串并联，要多个元件同时导通与关断，实属困难，因此迟滞了变频器在高压电机领域的调速应用，且成本太高，维护很难。 电机有级近极比调速，国内外的制造有二种方法：一为舍去1/4组槽，因而出力降低25%以上；另一方法为双绕组结构，高低速功率都降低30%以上，这也是不得已的办法，因为要得到调速节能的效果，舍此没有其他。 本技术成果可以实现单速变双速而出力不降低，电机磁动势波形的正弦度极佳，和单速电机一样，这是很难做到的。本技术在小容量电机中已模拟试验过了，说明这是一项很好的设计方法，确实是当今国内外所未见的新异. 本设计方法是用蜗轮蜗杆调磁路以调速，没有火花，因此防爆性能极好。 技术投资分析： 主要在人工，所用工时不多，现有高压电机生产厂家都易做到，照图施工，没有难点。 应用领域及前景分析 范围 此项技术适用国内外所有异步高压电机3kV、6kV、10kV 50-60Hz，电机定子的槽数48，60，72，84，90，96，108，120，126，144，168……中心高H=400，450，500，560，630，710，800，900，1000，1120，功率大小不限，涵盖整个高压电机及低压大功率电机的近极比变极调速。 效益分析 高压3kV、6kV、10kV中型电机绝大多数都用于传输流体负载，为风机、泵类、水、油液体，它们的运送管道在设备兴建之始都无例外地留出了裕量，如今在应用中必须调管道截面来调流量，这种原始方法可调流量而不节能，多消耗着大量电能，为人们所共认。 这些流体：液气负荷属3次方负载，即流量和转速1次方成正比，但力矩和转速2次方成正比，而功率则和转速3次方成正比，所以实施电机节能的根本途径在于调速，不是提高电机效率，调速节电是大数！可节电40-70%，此项成果已在低压电机中广为工业现场实验证实，而单纯提高电机效率，节电只在1-3%。 当今人们对调速特别关注于变频，但对高压电机，由于电机电压增高，变频器的制造难度，亦相应大增，成本和维护费用增大，用户难于承受，到目前为止，应立即改造为调速，而用户无力改造者据国家发改委公布的数字，仍有85%的高压电机，它们还在等待改造！其占电网总容量约为25-30%左右，多耗电量着实不小。 例： 一台H500 Y5004-4P电机 1400kW为例，拖动水泵负载， 一年按8000小时计，如以4P变4/6P双速改造，使用6P时间按40%计，节电率[1-(4/6)3]=70% → 按60%计，则一年可节电 1400×(8000×40%)×[1-(4/6)3]=268.8万度。1度电按0.5元计:268.8万度×0.5元/度=134万元。 一年的电费节省达134万元之巨。 莫怪有的变频器生产商以“先付变频器，使用后，从年终节电中提取每年一定比例，收回技术投入”这种方法与用户合作。 如果是H500 Y500-6P 1000kW，改造为6/8P电机，节电率=[1-(6/8)3]=58% → 按50%计，则一年节电1000×(8000×40%)×[1-(6/8)3]=160万度≒80万元。 可见节电量对调速的依存比例之大。 各种规格的节电数值及设计汇总将另文表述。 这样大的节电值，生产厂家的节电提取应多大，现在单速电机的价格，改造后双速的价格应定在多少上，生产厂家是可以自己选定的！ 市场前景 市场在国内和国外都是非常大的 厂房条件建议 对于现生产高压电机的厂家而言，不需要另造新厂，不需要增添设备，在大车间内化出一角即可。 本技术成果有极好的工艺性，特别适合于国内外所有中型大型生产厂家，应用本技术成果为用户大幅节电，为国家实现节能减排。 诚盼各位合力推动本技术成果的应用，我们全力共为，共享。 备注 只需要申请国内外发明专利并创造条件，抢先占有市场！ 技术持有人：李兆平 联系电话：68592437 电子邮箱：zhy1991@163.com