由于以上原因，多年来，人们一直在探求电动机的调速问题。风机转速是通过驱动装置调节的，长期以来，对于需要调速的驱动机械，直流调速一直占主导地位，如晶闸管直流电机调速系统。但是由于直流电机本身结构上存在有机械整流器和电刷，给直流调速驱动系统带来了3个主要缺点:

（1）维护困难;
（2）设置环境受到限制，易燃易爆以及环境恶劣的地方不能适用;
（3）在结构上，制造大容量、高转速及高电压的直流电机比较困难。

　　所以也经常采用交流滑差离合器电机，交流电机的调压、变极、串电阻调速以及加装液力耦合器等交流电机调速方法。但这些交流电机调速方法在精度、效率、变比、平滑等方面都不够理想。所以，从电机结构和特性上看，采用改变电源频率进行调速是最理想的调速方法。

2　控制技术
　　从硬件上讲，以往电子装置的控制手段都是由分立元件组成控制电路。由于使用的硬件数量大、组装密度低、连线多，因而可靠性低，控制性能差。随着技术的进步，出现了新的控制手段:

    这里着重介绍一下矢量控制。所谓矢量控制的想法是模拟直流机的控制特点来进行交流电机的控制。大家知道，直流电机所以调速性能好的根本原因在于直流电机的转矩控制容易，分别控制电枢电流i和磁通φm两个参数就能控制转矩。电流和磁通之间互成直角且独立，可互不影响地分别进行调节。而异步机的转矩不仅与转子电流i和磁通φm有关，且与转速有关。电流i和磁通φm两个参数既不成直角又不是两个独立变量。转矩的这种复杂性是异步机难于控制的根本原因。如果通过坐标变换理论将交流电机的定子电流i分解成磁场定向坐标的磁场电流分量id和与之相垂直的坐标转矩电流分量iq，由于id、iq在同一个同步旋转坐标系上，其相对关系是静止的，相当于直流量，因此对这种直流量进行控制就同于直流机了，如图1所示。图2是异步电机矢量控制框图。

（a）三相坐标系下的三相交流绕组

（b）在同步旋转坐标系下的两相直流绕组

（c）两相静止坐标系下的两相交流绕组
图1　交流电机在不同坐标系下的等效绕组

图2　异步电机矢量控制框图

　　磁通矢量法不仅能精确地分解出电机的转矩分量和磁通分量，还能精确地控制，使异步电机可得到良好的转矩特性和速度控制特性，在当前计算机控制技术中已得到充分实现。

3　交流变频调速可能产生的问题
　　在发展交流变频调速技术的初级阶段，存在一些技术问题，使交流变频调速技术的应用受到了影响。

（1） 产生谐波电流
　　变频器产生的谐波电流除倍频谐波外，还有旁频谐波。这些谐波电流将使电机的损耗和温升增加，产生转矩脉动、振动和噪声。谐波电流还会对电网和其它设备造成影响。

（2）冲击电压及绝缘强度
　　由于换流时产生冲击电压，这一冲击电压迭加在电动机的运行电压上，其过电压将对绕组的对地绝缘构成威胁。

（3）振动和噪声
　　逆变器输出中包含的各种时间高次谐波与异步电机电磁部份固有的空间高次谐波相干涉，便引起各种磁激振力。因频率变化范围和转速变化范围都很大，故很难避免不与电动机机械结构部件产生共振现象。在低速传动时，出现明显的旋转不稳定现象。

（4）低速起动时不能很好的保持正常油膜

（5）轴电压和轴电流
　　与正弦波供电时相比，轴与大地之间的电压峰值有所增加。对于采用逆变器控制定子频率的异步电机，所施加的各相电压在正常情况下是平衡的，但若在某一瞬间各相电压失去平衡便会在该瞬间产生很大的轴电压。另外在变频器供电时，改变异步电机的中性点电位时，也会因静电感应而产生轴电压。

4　现代电力电子技术在高压交流电力拖动领域的应用
　　以tmeic的mv系列高压变频器为例，介绍电力电子技术在电力拖动领域的应用。mv系列变频器是以“为电源提供优质使用环境，为电动机提供优质动力源”为宗旨，集东芝三菱电机公司最先端的电力电子技术为一体的高压igbt变频装置。改变从前的依靠挡板，阀门来控制排风机，风扇，泵等平方转矩负载流量的传统方法，实现了对高压电动机的直接驱动调速控制。

4.1　多段电平pwm控制

图3　tmeic—mv的输出波形 

　　mv变频器采用多段电平pwm（pulse width modulation）脉冲宽度调制控制方式。使输出电压波形实现了阶段状的近似正弦波形输出，输出电流呈正弦波。tosvert—mv系列变频器采用了具有高频转换开关调整控制技术，使各igbt的开闭时点不仅在相间，且在线间也不会出现重叠现像，将电动机绝缘的“大敌”—尖脉冲杂波控制在最小值。即使是原设电动机也可实现可变速控制。图3为mv的输出波形。

4.2　对高次谐波的限制
　　专用的输入变压器次极的多重化，减少了电源端高次谐波电流。近年来，随着产业机械中电力电子器件使用的普及，这些机械对电网系统的影响也越来越明显。高次谐波电流流入电网造成电力系统电压的畸变，对其它负载形成潜在性的威胁。mv按照为电源提供优质使用环境的基本方针，利用专用变压器次极的多重化（相当于18相整流）将流入电源的高次谐波电流降低到最低值，实现了“电源使用环境的优质化”的变频器。与以前的机种相比高谐波电流大幅度减少，达到ieee—519（1992）所规定的高次谐波电流输出限制标准。图4和表1为mv的抑制高次谐波电流的特性和参数。不需要设置单独的高次谐波滤波器。

图4　tmeic—mv抑制高次谐波电流特性

表1　mv的电源端高次谐波含有率（1800kva实负载下的实测值）

4.3　转矩波动值减少到最低
　　由于高次谐波电流成分极小，故几乎消除了转矩波动值。如前所述，电动机电流中如含有高次谐波电流成分时，电动机轴输出转矩会发生波动，给驱动轴及负载附加上扭动转矩，当这一转矩波动的频率与轴机械系统的固有转动频率吻合时，会发生共振现象。这一共振现象使振动转矩成倍增大，甚至可造成电动机以及负载机械的损坏。由于tosvert—mv的输出电流中几乎不含有高次谐波成分，使这一转矩波动所带来的影响减少到了可以忽略不计的程度。

4.4　稳定的控制系统
　　mv实现了不设速度检测器的稳定控制速度运行。简易型无检测器矢量运算的v/f控制，实现了强力，平稳的运行。mpu（集中控制系统）采用了toshiba公司最新开发，生产的大型电力电子控制专用的32bit微机系统，具有极高的可靠性。图5是mv的系统控制框图。

图5　mv的逻辑控制框图

4.5　高效率、高功率的可变速运行
　　mv通过采用toshiba公司研制生产的高压igbt（额定电压1700v），以及独特的多段电平pwm控制，使主回路部件数量大幅减少。部件本身的高频损失大幅降低，加之变频器特有的电源端高谐波成分少，输入变压器一次线圈的高谐波损失少等因素，使运行效率达到97%以上。与需设高次谐波滤波器，改善功率因数的电容等的驱动系统相比，既避免了这些设备所造成的损失，又提高了系统中各环节的效率。mv的主回路以单相输出的pwm变频器的多段串联构成。采用二极管桥式整流方式，因此即使不设功率因数改善电容，也能达到高功率运行。另外，使用mv即使是低功率的多极电动机，也可达到电源端的高功率运行。如图6所示。

图6　tmeic-mv的效率和功率因数特性

图7　tmeic—mv的标准接线图

4.6　电气接线和结构特点
　　图7为mv的标准线路图。由图７可以看出，tosvert—mv变频器的电气接线非常简单明了，使安装接线工作变的极为方便。结构上充分考虑到日常维护保养的结构设计。维护方便的正面（前面）保养型结构，输入变压器柜同变频器柜为同列构造（不需要外接电缆）。采用风冷却方式，使igbt部件得到有效的冷却，且维护方便;采用可抽出式的三层结构的单元变频器，单元变频器由控制部，元件部，电容部三层组成，更换部件方便，可以以各部层为单位进行更换。

5　高压变频调速在火电厂锅炉引风系统中的应用实例
    大庆油田热电厂有3台200mw汽轮发电机组，每台机组配670t/h的锅炉，锅炉配有y4—73—12n031.5f型，通风量843000m3/h，压头3.727×10-3mpa，转速730r/min，惯性力矩22291kg.m2的引风机2台，其风机配套型号为yks6304—8型，额定功率1600kw，额定电压6000v，额定电流188a，额定频率50hz，转速740 r/min，惯性力矩689kg.m2电动机2台。

    据统计，我厂引风机年耗电大约平均在39301724kw.h，占我厂发电量和厂用电量的1.32%和16.46%。可见引风机系统的耗电是相当可观的，降低引风机系统耗电是减少厂用电的有效办法。

5.1　变频调速用于风机调节的节能原理
　　由电机学和拖动原理可知，如果降低供电电源频率，但还保持电源电压额定不变，则随着供电电源频率f1下降，磁通φm增加，电动机磁路本来就刚进入饱和状态，φm增加，磁路过饱和，励磁电流会急剧增加，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压。降低电源电压u1主要有两种控制方法。其一是保持e1/ f1=常数，降低频率f1调速，保持e1/f1=常数，则φm=常数，这是恒磁通控制方式。其二是保持u1/f1=常数，降低频率f1调速，保持u1/f1=常数，也就是保持磁通φm≈常数，这是近似恒转矩控制方式。由拖动原理可以证明以上两种控制方式下电机最大转矩mm和最大转矩处的转速降落δnm都为常数，如图8是变频调速的机械特性。变频调速时，若保持e1/ f1=常数，机械特性mm=常数，与频率无关;并且最大转矩处转速降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。

　　目前为止，笼形感应电动机的风扇，泵的驱动大多利用商用电源的定速控制，其流量，压力等的控制大多由挡板，阀门进行控制，能源的流失严重。变频器对风机，泵等平方转矩负载的可变速控制运行，可获得相当大的节能效果。如图9所示。

图8　保持e/f=常数时，变频调速的机械特性

图9 风机、泵定速和变速下的q—h曲线

　　由图9的q—h曲线可知，系统在定速运行和变速运行过程中，是通风阻抗r（风机机械特性）和扬程曲线h之间的相对变化，控制系统工作点的不同，使所得曲线下功率积分面积的变化，既系统轴功率的变化。由风机、泵等特性可知如下关系:

    电机转速n=60f（1-s）/p
    风机流量q∝n
    风机压力h∝n2
　　轴功率p∝n3（轴功率p=qh）
　　n—电动机转速，f—电源频率，p—极对数，s—转差率

　　例如:要求风量（流量）在80%的情况下，采用可变速运行控制时需要的动力p=（80%）3≈51%，可见，微小的风量（流量）变化便可带来大幅度的节能效果。
5.2　实施前、后的对比

　　我厂在2001年的#3机组大修中，对#3锅炉系统的2台引风机电动机进行了变频控制改造。根据历年引风机电动机运行平均功率统计，我厂引风机电动机在最大运行方式下其出力也没有超过1250kw，原设计1600kw是从其它角度考虑的容量，在正常运行中就存在一个利用效率低的问题。所以，在进行变频改造的调研和设计中充分考虑了我厂的实际情况，选择了2台容量为1800kva、158a、6.6kv的tosvert—mv变频器（轴功率为1400kw）。经近一段时间运行效果良好，以下是改造前后的运行数据。

（1） 2000年发电机组运行小时数和引风机耗电统计

表2　2000年发电机组及引风机运行数据

　　如表2所示，我厂发电机组的年平均运行小时数为5830.12h。扣除一些其它不确定因素，3台发电机组年平均运行小时数完全可以达到6000h以上，在以下的计算中取发电机组年运行小时数为6000h。

　　同时也可以看出，在机组年运行达5000h以上，引风机系统的耗电费就在300万元以上，其数额是相当巨大的。

（2）改变频控制与没有改变频控制的发电机组和引风机电动机日运行数据对比，如表3所示。

表3　2001年10月24日发电机组及引风机运行数据

　　由以上数据我们可以得到，加装变频控制和没有加装变频控制的系统运行参数对比图形。图10、11分别记录了2001年10月24日0时至24时的发电机有功功率和锅炉蒸汽量的变化情况，通过参数的比较，可以得出当日发电机组的运行工况基本上是相同的，当日的锅炉蒸汽量分别为#1炉12311t、#2炉12493t、#3炉12113t;发电量分别为#1机381.2万kw·h、#2机384.5万kw·h、#3机389.7万kw·h。既在当日全天范围内#1、2、3锅炉的引风机系统的运行工况是相当的，除个别情况下，全年发电机组的运行工况在不同季节也都是基本相同的。

　　图12、13改变频控制后的引风机电机运行电流和电压明显的低于没有改变频控制的引风机电机的电流和电压，且在发电机组的不同运行参数下，改变频控制的电机电流和电压在调速过程中是按v/f为常数的控制原则变化的，节电能力很大。而没有改变频控制的电机其运行参数，在全日不同负荷下的参数变化是通过挡板调节的，其变化当微小的，造成很高的功率损失。

 
图10　0—24小时发电机有功曲线
图11　0—24小时锅炉蒸汽量曲线
图12　0—14小时引风机电流曲线
图13　0—14小时引风机电压曲线
图14　0—14小时引风机频率曲线
图15　0—14小时引风机功率曲线

　　图14记录了当日变频器输出的电源频率的全过程，其被拖动负载的转速是随着机组负荷的变化而变化的，而没有改变频控制的电机一直运行在额定转速上。

　　图15记录了引风机电动机在当日不同负荷下，电机有功功率的变化。从图5中可以明显看出，改变频控制后的节能效果。

5.3　节省电能
　　笔者对2001年10月10日至17日，8天发电机发电量和#1、2、3锅炉引风机电机耗电量进行了统计见表4。

表4　发电机发电量及引风机耗电量统计

　　从表4中可得，在锅炉蒸汽量和发电机输出有功功率基本相当的情况下，通过对#1、2、3锅炉引风机系统电动机耗电的统计，可以推算出改变频调速后的年节能效果。

　　取#1、2炉引风机电机耗电量的平均值（376920+382320）/2=379620kw.h，8天内#1、2炉引风机电机较#3炉引风机电机多耗电379620-214560=165060kw.h。8天引风机系统运行小时数为8×24=192小时，取发电机组年运行小时数为6000h，可计算出全年#1、2炉引风机电机较#3炉引风机电机多耗电165060×6000/192=5158125kw.h，多耗电费为5158125×0.22=1134787.5元。根据2000年我厂的厂用电率水平，计算可降低厂用电率5158125/2935000000×100%=0.176%。节能效率达到165060×31.25/（379620×31.25）×100%=43.48%。由计算可知，如果将我厂其余的所有送风机和引风机电动机都改造成变频控制，可降低我厂厂用电率1%以上（我厂厂用电率占发电量的8%左右）。改变频控制后的锅炉引风机系统电动机节约电费按发电结算，每年可获得的经济效益在110万元以上，如电费按供电结算则可获得200万元以上的收益。如果把全年机组启、停机考虑进去，其效益将更好。即安装2台变频器运行，两年可收回全部投资。

6　结束语
　　采用变频调速后的节能效果是十分明显的，并且调速性能优越。电动机的转速可以按风量的实际需要进行精密调节，风机挡板全部打开，避免了气流通过产生的扰动，燃烧不稳定及管道振动等问题。且变频调速后还可以实现电动机的软起动，使电动机轴、连接轴及其它部件的机械应力大幅度下降，使电动机的寿命得以延长。降低了运行成本，减少了维护费用。

　　由对tosvert—mv变频器的介绍可知，由于应用电力电子器件，而给电网系统和负载设备带来的影响和危害几乎不存在，所以达到了“为电源提供优质使用环境，为电机提供优质动力源”的宗旨。

　　通过在我厂#3锅炉引风机电动机回路进行变频调速控制改造，节约了电能，降低了厂用电率和煤耗，延长了风机和电动机的使用寿命，减轻了检修维护量和运行人员的操作量，经过一段时间运行观察和测试，其电动机的振动、温升和环境噪声都有所降低，大大地改善了运行环境和劳动条件，深受运行、检修人员的欢迎。综上所述，如果在我厂其它平方转矩负载设备上都应用变频调速控制技术，将给我厂带来巨大的经济效益。