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    近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。

    1 我國變頻調速技術的發展概況

    電氣傳動控制系統通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動機以節約電能和控制機械的運轉狀態（位置、速度、加速度等），實現電能-機械能的轉換，達到優質、高產、低耗的目的。電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速又分交流調速和直流調速兩種方式。不調速電動機直接由電網供電，但隨著電力電子技術的發展這類原本不調速的機械越來越多地改用調速傳動以節約電能（節約15%～20%或更多），改善產品質量，提高產量。在我國60%的發電量是通過電動機消耗的，因此調速春傳動是一個重要行業，一直得到國家重視，目前已有一定規模。

    近年來交流調速中最活躍、發展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變為可以充分利用的資源。

    我國電氣傳動產業始建于1954年當時第一批該專業范圍內的學生從各大專院校畢業，同時在機械工業部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調速技術的發展簡使見表1。現在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。

    我國是一個發展中國家，許多產品的科研開發能力仍落后于發達國家。至今自行開發生產的變頻調速產品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放，經濟高速發展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。 國內許多合資公司生產當今國際上先進的產品，國內的成套部分在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業的先進設備，自己開發應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統。雖然取得很大成績，但應看到由于國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重。

表1 我國電氣傳動與變頻調速技術的發展簡史

    目前國內主要的產品狀況如下:

    (1) 晶閘管交流器和開關斷器件（DJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調速設備。這類設備的市場很大，隨著交流調速的發展，該時常雖在縮減，但由于我國舊設備改造任務多，以及它在幾百至一千多kW范圍內價格比交流調速低得多，所以在短期內市場不會縮減很多。國產設備能滿足需要，部分出口。自行開發的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數字控制器配國產功率裝置。

    (2) IGBT或BJT PWM逆變器供電的交流變頻調速設備。這類設備的市場很大，總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產，其中合資企業占很大比重。

    (3) 負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調速設備。這類產品在抽水蓄水能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內配套，自行開發的控制裝置只有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發應用軟件。

    (4) 交-交變頻器供電的交流變頻調速設備。這類產品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數不多，功率大。主要靠進口，國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產，數字控制裝置進口，包括開發應用軟件。

    變頻調速技術在國民經濟和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。

    應用面廣，是工業企業和日常生活中普遍需要的新技術; 

    是節約能源的高新技術; 

    是國際上技術更新換代最快的領域; 

    是高科技領域的綜合性技術; 

    是替代進口，節約投資的最大領域之一。

    2 國內外技術現狀對比

    2.1 國外現狀

    在大功率交-交變頻（循環變流器）調速技術方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達3萬kW的電氣傳動設備用于船舶推進系統。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，意大利ABB公司提供了單機容量為6萬kW的設備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調速設備單機容量為100 ~ 900 kVA，其控制系統已實現全數字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調速技術反面，日本富士BJT變頻器最大單機容量可達700 kVA，IGBT變頻器已形成系列產品，其控制系統也已實現全數字化。

    國外交流變頻調速技術高速發展有以下特點。

    (1) 市場的大量需求。隨著工業自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業以及風機、水泵等的節能場合，應取得顯著的經濟效益。

    (2) 功率器件的發展。近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產以及并聯、串聯技術的發展應用，使高抵押、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。

    (3) 控制理論和微電子技術的發展。矢量控制、磁通控制、轉矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎；16位、32位高速微處理器以及信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）技術的快速發展，為實現變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。

    (4) 基礎工業和各種制造業的高速發展，變頻器相關配套件社會化、專業化生產。

    2.2 國內現狀

    從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距10 ~ 15年。

    在大功率-交、無換向器電機等變頻技術方面，國內只有少數科研單位有能力制造，但在數字化及系統可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質量還不能滿足市場需要，每年大量進口。

    國內交流變頻調速技術產業狀況表現如下:

    (1) 變頻器的整機技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規模。

    (2) 變頻器產品所用半導體功率器件的制造業幾乎是空白。

    (3) 相關配套產業及行業落后。

    (4) 產銷量少，可靠性及工藝水平不高。
 
    3 未來的發展方向

    交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決（基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開發問題（在目前狀況下主要全數字控制技術）。

    其主要發展方向有如下幾項:

    (1) 實現高水平的控制。基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。

    (2) 開發清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數為1，網側和負載側有盡可能低的諧波分量，以減少對電網的公害和電動機的轉矩脈動。對中小容量變流器，提高開關頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，在常規的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現清潔電能的變換。

    (3) 縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。

    (4) 高速度的數字控制。以32位高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows操作系統的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發展。

    (5) 模擬與計算機輔助設計（CAD）技術。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。

    主要的研究開發項目有如下各項:

    (1) 數字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動設備。

    (2) 大功率負載換流電流型逆變器供電的傳動設備在抽水蓄能電站、大型風機和泵上的推廣應用。

    (3) 電壓型GTO逆變器在鐵路機車上的推廣應用。

    (4) 電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動設備擴大功能，改善性能。如4象限運行，帶有電極參數自測量與自設定和電機參數變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉矩控制等。

    (5) 風機和泵用高壓電動機的節能調速研究。眾所周知，風機和泵改用調速傳動后節約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節能效果更顯著。研究經濟合理的高壓電動機調速方法是當今重大課題。
   
    主要的研究內容及關鍵技術有如下各項:

    (1) 高壓、大電流技術：動態、靜態均壓技術（6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯，靜動態均壓系數大于0.9）；均流技術，大功率晶閘管并聯的均流技術，均流系數大于0.85）；浪涌吸收技術（10 kV、6kV回路中）；光控及電磁觸發技術（電/光，光/電變換技術）；導熱與散熱技術（主要解決導熱及散熱性好、電流出力大的技術，如熱管散熱技術）；高壓、大電流系統保護技術（抗大電流電磁力結構、絕緣設計）；等效負載模擬技術。

    (2) 新型電力電子器件的應用技術：可關斷驅動技術；雙PWM逆變技術；循環變流 / 電流型交-直-交（CC / CSI0）變流技術（12脈波變頻技術）；同步機交流勵磁變速運行技術；軟開關PWM變流技術。

    (3) 全數字自動化控制技術：參數自設定技術；過程自優化技術；故障自診斷技術；對象自辨識技術。

    (4) 現代控制技術：多變量解耦控制技術；矢量控制和直接力矩控制技術；自適應技術。

    4 變頻調速技術的應用

    縱觀我國變頻調速技術的應用，總的說來走的是一個由試驗到實用，由零星到大范圍，由輔助系統到生產裝置，由單純考慮節能到全民改善工藝水平，由手動控制到自動控制，由于低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級到高級的過程。

    多年來，國家經貿委一直會同國家有關部門致力于變頻調速技術的開發及推廣應用，在技術開發、技術改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調速技術的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調速技術作為風機、水泵節能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展統貸統還方式，抓開發、抓示范工程、抓推廣應用。國家成力了風機水泵節能中心，開展信息咨詢和培訓。1995 ~ 1997年3年間我國風機水泵變頻調速技術改造投入資金3.5億元，改造總容量達100萬kW，可年節電7億kW? h，平均投資回收期約2年。

    1997年朱榕基總理在國家經貿委上報的“關于風機、水泵節能改造工作情況的報告”上明確指示“這件事抓得好”。1998年1月1日實施的《中華人民共和國節約能源法》第39條，已將變頻調速列入通用節能技術加以推廣。在國家經貿委《“九五”資源節能綜合利用工作綱要》中，變頻調速已被列入重點組織實施的10項資源節約綜合利用技術改造示范工程之一。即將出臺的限制性政策規定：對新建和擴建工程需要調速運行的風機和水泵，一律不準采用擋板和閥門調節流量；對采用擋板和閥門調節流量的要分期、分批、有步驟地進行調速改造。

    據有關資料表明，我國變頻調速技術已經取得了如下成績。

    (1) 變頻調速技術的應用范圍已發展到新階段。石油、石化、機械、冶金等行業都經過了單系統試用、大量使用和整套裝置系統使用3個發展階段。 如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現已發展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節能、增產的顯著效果；長春第一汽車廠18個專業廠的輸送機械、空壓機等設備應用了162臺變頻器，保證了新車的制造迅速達到了生產指標；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調速的普及率已達70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風機機組上采用中壓變頻技術，保證了生產，節約了能源等。

    (2) 變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施。很多用戶實踐的結果證明，節電率一般在10% ~ 30%，有的高達40%，更重要的是生產中一些技術難點也得到解決。例如包鋼1150軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下，大幅度提高了產品質量和產量，且年節約電費約50萬元；儀征化纖聯合公司共用了300臺變頻器，頻率精度達0.2%，做到了使用3年無一事故；烏魯木齊市熱力總公司在供熱系統中采用變頻調速后，當年節電達35%以上；石油系統從80年代末到1997年，油田和長輸管道在用的變頻裝置已達12萬kW，年節電量近2億kW? h。

    5 結束語

    變頻調速技術作為高新技術、基礎技術、和節能技術，已經滲透到經濟領域的所有技術部門中。我國以后在變頻調速技術方面應積極做的工作如下:

    (1) 應用變頻調速技術來改造傳統的產業，節約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益。

    (2) 大力發展變頻調速技術，必需把我國變頻調速技術提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發能力，滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求。

    (3) 規范我國變頻調速技術方面的標準，提高產品可靠性工藝水平，實現規模化、標準化生產。

    參考文獻

    [1] 揚竟衡，馬小亮，余錫仁. 第七屆全國電氣自動化電控系統學術年會論文集[C]. 中國電氣傳動.