1 中大功率電機系統(tǒng)的特點
中大功率電機是指電機容量在200kW以上，200kW～20MW，其電壓高于380V，一般為660V、3000V、6000V、10kV等。中大功率電機主要應用于大型工業(yè)，例如冶金、有色、煤炭、電力、油氣開采和輸送、石化、牽引運輸，城市供排水等。
中大功率電機具有高電壓，大電流的特點，而目前電力電子變頻調速技術中電力半導體器件的電壓等級還無法達到中大功率電機供電標準，因此，中大功率變頻調速節(jié)能系統(tǒng)就面臨著如何解決電力電子元件電壓與電機供電電壓相適應，以及高電壓大電流的難題。由于技術與應用場合的因素，中大功率電機節(jié)能一般都是以工程形式來進行，具有非標準的特點，所以節(jié)能系統(tǒng)的設計，制造和現場服務就尤為重要。
對于中大功率電機傳動系統(tǒng)而言，一種類型為滿足大型工業(yè)生產工藝的要求，如大型軋鋼機的調速傳動、礦井提升機傳動、鐵路牽引機車傳動、大型輸油管道輸油泵調速傳動等。這一類型的電機和電力電子變換器為一體化設計，所以電機的電壓等級為適應電力電子元件的最佳狀態(tài)，多為非標準，特殊設計的。例如，軋鋼電機1650V、牽引電機1200V。另一種類型是大型風機、泵類的節(jié)能傳動，例如:高爐除塵風機、礦井能風機、油田注水泵、城市自來水供水泵等。它在工業(yè)應用中量大面廣，隨工況條件、工藝變化，需要調速節(jié)能。這一類型的電機按供電電壓標準設計，而電力電子變換器要適應標準供電電壓等級:6kV、10kV。
由于中大功率電機是大型工業(yè)動力的主體，同時也是工業(yè)用電的大戶，例如軋鋼機、油氣輸送、電力牽引等工業(yè)，電機傳動為工廠用電的主流，因此中大功率電機節(jié)能是工業(yè)電機系統(tǒng)節(jié)能的重點。
2 中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術
2.1 中大功率電機的軟啟動技術
由于大型電機在啟動時會產生5～7倍的電流沖擊，會造成供電電網的電壓降，影響電網安全，所以一般供電部門采取限制大型電機的啟動次數，電機啟動時采取停止其他用戶用電的措施。因此，大型電機采用電力電子變換器的軟啟動技術節(jié)能意義重大。
大型同步電機的軟啟動采用晶閘管交直交變頻調速技術，該技術簡單成熟，晶閘管串聯(lián)可以達到10kV供電，在高爐鼓風機20～40MW同步電機啟動，抽水管能電站50～200MW同步機啟動，制氧機5～10MW同步機啟動中正廣泛應用該技術。中國從80年代引進大型生產設備時也引進了軟啟動設備，目前國內制造廠已可以提供該裝置。
中大型異步電機的軟啟動可以采用變頻調速技術，也可以采用晶閘管調壓軟啟動技術。晶閘管調壓軟啟動技術在低壓電機中已廣泛采用，并有系列產品生產，而對于中大型高壓電機晶閘管調壓軟啟動技術應用較少。歐洲和日本在該領域多采用變頻調速技術，只有美國生產高壓晶閘管軟啟動裝置。
2.2 大功率風機、泵類調速節(jié)能技術
由于風機、泵類機械量大面廣，采用調速來調節(jié)流量可以實現節(jié)能20%～50%，同時高壓電機標準化生產，工況要求電機在調速和全速兩種狀態(tài)變化，所以變頻器的電壓等級必須適應電機的供電標準達到3kV、6kV、10kV。而當前單只電力電子元件的制造水平還達不到這一等級，所以如何使變頻器供電到高壓就成為變流技術的難題。
高壓變頻器解決高壓供電和元件制造水平矛盾的方法有:
(1) 變壓器降升壓
采用變壓器把高壓降到電力電子元件適應的低壓，采用低壓變頻，然后再用變壓器升到高壓，供電給電機，即所謂高-低-高方案。這一方法簡單，可靠，但采用兩級變壓器，效率低，體積大。有些公司(如SIEMENS)提出把電機也改為低壓，采用高-低-低方案來提高效率。
(2) 電力半導體器件串聯(lián)
將電力半導體元件串聯(lián)起來滿足高壓要求，但要同時解決元件串聯(lián)均壓、高低壓間絕緣和信息傳遞等難題。晶閘管元件串聯(lián)技術已成熟，而GTO、IGBT串聯(lián)技術尚在研究中，目前ROCKWELL公司POWERFLEX7000高壓變頻器采用SGCT元件直接串聯(lián)，ALSTOM 公司VDM5000高壓變頻器則采用IGBT元件直接串聯(lián)，達到6kV供電。
(3) 多電平技術
多電平是運用變頻器拓樸變化來達到提高電壓，減少諧波的新技術，近年來已形成中大功率高壓變頻的技術熱點和發(fā)展趨勢。
除高壓變頻調速技術外，風機泵類調速節(jié)能還有一些輔助調速技術，例如液力偶合器調速，由于價格低廉使其在一定范圍，一定時期等到推廣，同時，交流電機串級調速、內反饋電機等技術也在中大功率電機節(jié)能中占有一席之地，但這些技術由于技術和自身條件的局限性，不可能大面積推廣應用。
2.3 中大功率高性能調速技術
近年來，隨著電力電子和交流電機控制技術的發(fā)展，大型工業(yè)系統(tǒng)中軋鋼、提升機、造紙機等由傳統(tǒng)直流電機調速的場合均用交流調速取代直流調速，實現了提高性能，減少維護并達到節(jié)能20%～30%的效益。
對于大型軋機傳動，礦井提升機以及造紙機傳動廣泛采用晶閘管交-交變頻調速技術，該技術簡單，可靠效率高，過載能力強。在世界上已有500～1000臺2000kW以上大型電機采用了交-交變頻技術。國際上，西門子公司為該技術的代表，我國工程技術人員通過“八五”、“九五”科技攻關，已掌握該技術，提供了20余臺2000～5000kW大功率交-交變頻調速系統(tǒng)。
3 國內外中大功率變頻器情況
3.1 國外情況
根據國際ARC機構“2005年AC DRIVE全球展望”報告，國際大功率交流調速裝置1999年為24億美元，2005年將達到28億美元，年增長率3%。
國際上，中大功率電機系統(tǒng)技術的發(fā)展取決于大功率電力電子及變頻技術的發(fā)展，大功率IGBT/IGCT，IEGT等元件是近期的研制熱點，高壓變頻技術正處于一個高低高、元件串聯(lián)、變頻器級聯(lián)、多電平等技術多樣化的過渡期。目前，以美國ROBINCON公司和日本公司為代表的變頻器級聯(lián)高壓變頻在國內風機泵類市場中有較大影響;而以歐洲西門子、ABB公司為代表的交-交變頻器、三電平PWM變頻調速在大型工業(yè)系統(tǒng)調速設備中占主流。
3.2 國內情況
根據國際ARC機構預測，中國交流調速市場為10億美元，中大功率市場為2億美元;據機械部預測，該行業(yè)將以15%～20%年增長率發(fā)展。目前，我國電氣傳動裝置制造廠有近百家，但從事中大功率調速技術及裝備研制的只有天津電傳所、北京冶金自動化院、湖南株洲所三家，在國家的支持下已可以制造5000kW交-交變頻軋機主傳動、礦井提升機傳動、10000kW交-直-交同步電機啟動器、4000kW鐵道牽引驅動等裝備。
國家“十五”期間重點工程和重大技術裝備項目，如西氣東輸工程、大型熱冷連軋機交流傳動裝備、大型礦井提升裝備、高速鐵道牽引及磁懸浮驅動裝備等，都需要大量先進的大中功率交流傳動設備。
據市場統(tǒng)計，200kW以上大中功率傳動設備在中國電機系統(tǒng)的分布中占總市場的40%左右，其市場份額如圖3所示。
國際知名電氣公司，如西門子、ABB、三菱公司在中國設有電氣傳動設備生產合資工廠。近年來，由于市場需求和國家政策的導向，風機水泵中大功率高壓變頻技術市場成為企業(yè)、院校紛紛涉足的競爭熱點。目前，中國已有10多家公司在仿制美國ROBINCON公司的H橋級聯(lián)高壓變頻器，已研制成功3MVA，6kV H橋級聯(lián)高壓變頻器，涌現了先行、凱奇、科德華富等一批高壓變頻產品公司，但大多為樣機研制及試生產階段，沒有規(guī)模生產。
4 問題討論
4.1 供電標準與變頻器技術的矛盾
世界各國供電標準不同，美國工廠供電2300V、4160V，日本為3000V，歐洲為660V、3300V，電壓等級很多。我國電力部門從減小線路損耗角度出發(fā)，電壓標準序列從380V(低壓)之后，就跳到6kV、10kV，而6kV又要被淘汰，要求推行10kV供電，還有可能提高到20kV。380V供電的電動機系統(tǒng)以200kW為界線，作為國民經濟各部門各行業(yè)采用的主力電動機組，則是200～2000kW見多。按照有關標準，它們必須采用6kV，甚至10kV的電壓等級。這就給大功率高壓電機調速帶來了變頻器電壓與供電電壓不適應的問題。從國際電力電子技術發(fā)展情況來看，高壓變頻器在2～3年內達到2300～3300V，成為成熟的系列產品是可能的，但對于6kV，尤其是10kV等級的高壓變頻技術在2～3年內很難突破。隨電壓等級的提高，由于功率半導體器件的耐壓水平達不到，需要元件串聯(lián)，使用器件數量增大，使變頻器成本大幅度上升;380V供電時，變頻器售價600～800元/kW;6kV供電時，變頻器售價上升到2000～2400元/kW;10kV供電時，變頻器售價將達到2800～3000元/kW。因此，技術是阻礙中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能的主要因素。在技術尚未成熟的階段，使高壓變頻器的成本下降是很難實現的。
由此，建議380V供電的電機系統(tǒng)擴大到400kW，增加660V電壓等級，相應電動機和變頻器的容量可以擴大到600～1200kW。考慮到中電壓、大功率變頻器都有輸入網側隔離變壓器，10kV輸入，而副邊(電動機)電壓可以增加2.3kV、3kV、4.16kV和6kV四個檔次，使800～2000kW(2.3kV系統(tǒng))、1200～2500kW(3kV系統(tǒng))經濟合理，使大部分中電壓電動機調速裝置推廣中遇到的價格勢壘得到較大程度的降低。
4.2 對電網的污染
大功率變頻器對電網帶來諧波和無功沖擊，由于裝置容量大對電網的影響就十分嚴重，因此研制對電網污染小的變頻器，以及采用電網、變換器、工藝一體化設計尤為必要。采用晶閘管的交-交變頻器和交-直-交變頻器由于晶閘管換流機理對電網產生滯后的無功，需要容性無功對電網進行補償，而采用新型可關斷器件的PWM交-直-交變頻器則始終保持功率因數接近1。變頻器對電網帶來的諧波可以采用輸入變壓器移相的方法來削弱，為此，美國ROBICON公司提出了“完美無諧波變頻器”。但應當指出，增加輸入變壓器相移數將增加設備成本。實際上，12相整流消除了5，7次諧波，已基本滿足電網諧波要求，因此大功率變頻器多采用12相整流。
4.3 電機的影響
采用大功率變頻器供電的電機，供電諧波對電機會產生諧波電流和磁勢，使電機產生損耗發(fā)熱、轉矩脈動、嗓聲、軸電流以及絕緣老化等問題，這就要求中大電機必須重新設計，以適合于電力電子變頻器供電的條件。
近年來，PWM供電對電機產生的影響引起了廣泛關注，PWM供電產生的du/dt及回路電感引起的共模過電壓將使電機絕緣損傷。加輸出濾波器可消除其影響，但增加了損耗;采用多電平技術可有效地減少du/dt及共模電壓，但電平數的增加要以增加器件為代價。這樣，應當對電機絕緣、耐du/dt能力、器件電壓水平及變頻器電平數等因素綜合考慮，綜合平衡以提高系統(tǒng)的性能價格比。
4.4 電振蕩問題
大功率變頻器供電給電機，使電機產生諧波轉矩，諧波頻率很容易同機械的固有振蕩頻率諧振，產生機電振蕩，使系統(tǒng)無法運行以致造成重大設備事故。機電一體化分析以及振蕩的抑制是中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能應用的難題之一。
4.5 市場推廣的問題
我國中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術推廣處于市場的初期階段，目前大功率風機水泵高壓變頻每年只有100臺左右，并仍需政府在技術推廣中給予支持，而且，當前高壓變頻器基本上是國外公司提供，其價格為1500～2000元/kW，對于用戶1000元/kW仍很難接受，因此，中大功率電機系統(tǒng)節(jié)能技術由政府扶持轉為企業(yè)節(jié)能效益的自身需要還要相當長一段時間。
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