近10年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 1 我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實(shí)現(xiàn)電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機(jī)械越來越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能（節(jié)約15%～20%或更多），改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國60%的發(fā)電量是通過電動(dòng)機(jī)消耗的，因此調(diào)速春傳動(dòng)是一個(gè)重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。 我國電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始建于1954年當(dāng)時(shí)第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時(shí)在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司，這就是后來天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的前身。我國電氣傳動(dòng)與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡使見表1。現(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。 我國是一個(gè)發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運(yùn)行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。 國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但應(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴(yán)重。 目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況如下。 （1）晶閘管交流器和開關(guān)斷器件（DJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該市場雖在縮減，但由于我國舊設(shè)備改造任務(wù)多，以及它在幾百至一千多kW范圍內(nèi)價(jià)格比交流調(diào)速低得多，所以在短期內(nèi)市場不會(huì)縮減很多。國產(chǎn)設(shè)備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進(jìn)口數(shù)字控制器配國產(chǎn)功率裝置。 （2）IGBT或BJT PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺(tái)數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)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(chǎn)，其中合資企業(yè)占很大比重。 （3）負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在抽水蓄水能電站的機(jī)組起動(dòng)，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。 （4）交-交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機(jī)和礦井卷揚(yáng)傳動(dòng)方面有很大需求，臺(tái)數(shù)不多，功率大。主要靠進(jìn)口，國內(nèi)只有少數(shù)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(chǎn)，數(shù)字控制裝置進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。 變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。 （1）應(yīng)用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù)。 （2）是節(jié)約能源的高新技術(shù)。 （3）是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域。 （4）是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。 （5）是替代進(jìn)口，節(jié)約投資的最大領(lǐng)域之一。 2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比 2.1 國外現(xiàn)狀 在大功率交-交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬kW的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機(jī)容量為6萬kW的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為10 ～ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為100 ～ 900 kVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)反面，日本富士BJT變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700 kVA，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn)。 （1）市場的大量需求。隨著工業(yè)自動(dòng)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(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場合，應(yīng)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 （2）功率器件的發(fā)展。近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高抵押、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。 （3）控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)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(chǔ)；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(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。 （4）基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。 2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距10 ～ 15年。 在大功率-交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組起動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進(jìn)口。 國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下。 （1）變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國內(nèi)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(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 （2）變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 （3）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 （4）產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 3 未來的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)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(shù)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(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決（基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開發(fā)問題（在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)）。 其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng)。 （1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制?；陔妱?dòng)機(jī)和機(jī)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(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)?；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。 （2）開發(fā)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(shù)為1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)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(guān)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(fā)冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。 （4）高速度的數(shù)字控制。以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 （5）模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計(jì)和測試提供了強(qiáng)有力的支持。 主要的研究開發(fā)項(xiàng)目有如下各項(xiàng)。 （1）數(shù)字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動(dòng)設(shè)備。 （2）大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風(fēng)機(jī)和泵上的推廣應(yīng)用。 （3）電壓型GTO逆變器在鐵路機(jī)車上的推廣應(yīng)用。 （4）電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。如4象限運(yùn)行，帶有電極參數(shù)自測量與自設(shè)定和電機(jī)參數(shù)變化的自動(dòng)補(bǔ)償以及無傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 　?。?）風(fēng)機(jī)和泵用高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風(fēng)機(jī)和泵改用調(diào)速傳動(dòng)后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動(dòng)機(jī)，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟(jì)合理的高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法是當(dāng)今重大課題。 主要的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項(xiàng)。 （1）高壓、大電流技術(shù)：動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均壓技術(shù)（6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯(lián)，靜動(dòng)態(tài)均壓系數(shù)大于0.9）；均流技術(shù)，大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術(shù)，均流系數(shù)大于0.85）；浪涌吸收技術(shù)（10 kV、6kV回路中）；光控及電磁觸發(fā)技術(shù)（電/光，光/電變換技術(shù)）；導(dǎo)熱與散熱技術(shù)（主要解決導(dǎo)熱及散熱性好、電流出力大的技術(shù)，如熱管散熱技術(shù)）；高壓、大電流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)（抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計(jì)）；等效負(fù)載模擬技術(shù)。 （2）新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)；雙PWM逆變技術(shù)；循環(huán)變流 / 電流型交-直-交（CC / CSI0）變流技術(shù)（12脈波變頻技術(shù)）；同步機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行技術(shù)；軟開關(guān)PWM變流技術(shù)。 （3）全數(shù)字自動(dòng)化控制技術(shù)：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對象自辨識(shí)技術(shù)。 （4）現(xiàn)代控制技術(shù)：多變量解耦控制技術(shù)；矢量控制和直接力矩控制技術(shù)；自適應(yīng)技術(shù)。 4 變頻調(diào)速技術(shù)的因應(yīng)用 縱觀我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說來走的是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全民改善工藝水平，由手動(dòng)控制到自動(dòng)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(jīng)貿(mào)委一直會(huì)同國家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評測推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用。國家成力了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓(xùn)。1995 ～ 1997年3年間我國風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金3.5億元，改造總?cè)萘窟_(dá)100萬kW，可年節(jié)電7億kW＆#382; h，平均投資回收期約2年。 1997年朱榕基總理在國家經(jīng)貿(mào)委上報(bào)的“關(guān)于風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造工作情況的報(bào)告”上明確指示“這件事抓得好”。1998年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條，已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在國家經(jīng)貿(mào)委《“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要》中，變頻調(diào)速已被列入重點(diǎn)組織實(shí)施的10項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。即將出臺(tái)的限制性政策規(guī)定：對新建和擴(kuò)建工程需要調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和水泵，一律不準(zhǔn)采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量；對采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量的要分期、分批、有步驟地進(jìn)行調(diào)速改造。 據(jù)有關(guān)資料表明，我國變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了如下成績。 （1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機(jī)械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段。 如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果；長春第一汽車廠18個(gè)專業(yè)廠的輸送機(jī)械、空壓機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了162臺(tái)變頻器，保證了新車的制造迅速達(dá)到了生產(chǎn)指標(biāo)；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調(diào)速的普及率已達(dá)70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風(fēng)機(jī)機(jī)組上采用中壓變頻技術(shù)，保證了生產(chǎn)，節(jié)約了能源等。 （2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多用戶實(shí)踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在10% ～ 30%，有的高達(dá)40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。例如包鋼1150軋機(jī)采用變頻裝置后，年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費(fèi)約50萬元；儀征化纖聯(lián)合公司共用了300臺(tái)變頻器，頻率精度達(dá)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(tǒng)中采用變頻調(diào)速后，當(dāng)年節(jié)電達(dá)35%以上；石油系統(tǒng)從80年代末到1997年，油田和長輸管道在用的變頻裝置已達(dá)12萬kW，年節(jié)電量近2億kW＆#382; h。 5 結(jié)束語 變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。我國以后在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)積極做的工作如下。 （1）應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 （2）大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必需把我國變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個(gè)新水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程建設(shè)和市場的需求。 （3）規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。