调速电力传动的第一个里程碑是直流电机调速，随着电力电子元器件以及微电子技术、智能芯片的发展，交流调速可以说是调速电力传动技术进步的第二个里程碑。调速电力传动发展的第三个里程碑，应该是制造全新的电机，它不同于传统的直流电机，也不同于传统的交流电机，而是从整体优出开发新型电机。

当人们对传统的交流电机——同步机和异步机(包括笼型电机和绕线式电机)开发各种型式的变频器时，发现供电控制设备为了提高性能和可靠性而花费的代价相当昂贵，也就是指对传统电机采取的对策十分复杂而且总不是理想的。对用户来说人们需要高性能，安全可靠、节能、无污染且价格便宜的调速电力传动。于是越来越多的人们已开始认识到，从电网到电源变换和电机直到负载对象应该考虑整体的优势，即调速传动将进入到第三个里程碑的时代，就是首先要对传统的异步机和同步机进行变革的时代。为了对新型电机调速系统有更多的了解，记者特约采访了北京市电力电子学会名誉理事、原冶金部自动化研究院副总工程师丁蕴石先生。

利用优势 一体考虑

记  者：人们认识到一个比较理想的传动系统必须要改革传统电机，请您结合国外电机调速发展和中国具体实际谈谈我们应如何快速开拓调速传动市场。

丁蕴石：自从 1957 年美国通用电气公司首次发表关于晶闸管的信息以来，电气传动技术就进入了电力电子发展时期。据发达国家统计，75％ 的电能需要经过电力电子技术变换或控制后才能使用。20 世纪 80 年代电气传动领域最大的变革是交流调速技术突飞猛进的发展，今天谈交流传动取代直流传动已为大多数人所接受。交流调速在工业应用中，大体上有三个特点：①凡是能用直流调速的场合都能改用交流调速。②直流调速所达不到的，如大容量、高电压以及环境十分恶劣的场所都能使用交流调速。③原来不调速的风机、泵类负载，采用交流调速后可以大幅度节能。

国外还提出工业生态学的概念，即发展工业要从减少原料消耗、保护环境、改进生产程序并全部处理废料和可持续发展，也提出“环境+效率”是销售的依据，同时也是竞争胜出的一种手段。

我国发展调速传动技术应该避开国外市场竞争的锋芒，充分利用国内资源优势和国外的信息优势。结合中国的具体特征来快速开拓调速传动市场。我们应从以下五个方面考虑：

1)结合中国特色电力电子技术与机电技术发展一体化考虑。

2)电力电子技术与供电电源、电网一体化考虑(如低谐波和低无功)。

3)变频技术与电力电子元件的发展一体化考虑。

4)旧设备改造与新设备成套分别予以考虑。

5)国内外市场的现状与未来器件发展同时考虑。

记  者：由于近年来永磁材料、微电机技术、电力电子技术、数字信号处理器及控制技术的飞速发展进一步促进了永磁同步电机在工程中的应用，其应用范围也越来越广，请您介绍发展稀土永磁电机方面的情况。

丁蕴石：在学术方面 IECON，lAS，PESC 和APEC 等著名的国际会议都设有永磁同步电机的专题讨论会，吸引大批学者和工程师进行这方面的研究。德国西门子公司早就开始开发稀土永磁电机的制造技术，在印度已生产出 7000 kW 的钕铁硼永磁同步电机。原冶金部自动化研究院伺服传动研究所从 20 世纪 80 年代末着手系列生产 0.2~15 kW 的钕铁硼永磁电机及与其配套的变频器  (GTR ，IGBT) 组成高精度伺服传动系统，在首届“火炬杯”高新技术产品展评会评为优秀产品奖，并于 1988 年 10 月 6 日由国家专利局批准的实用新型专利证书(专利号：16052)。这种高精度稀土永磁交流伺服传动的国内市场非常宽广，广泛应用于数控机床、造币机、轻工系统、纺织行业和塑料制品等许多行业，也可以应用于电动汽车。原冶金部自动化研究院伺服传动研究所每年提供从钕铁硼永磁电机到电控装置成套供应，在 1998 年 4 月曾推出与世界先进水平接轨的产品，包括：①数字信号处理器。DSP 专用 32 位运动控制芯片(系美国德克萨斯 1997 年初推出的新系列产品)。②采用智能模块IPM，模块本身带有自我保护功能。

特别值得一提的是全世界稀土的资源优势在中国。据已知的储量，仅包头白云鄂博矿的稀土储量就占全世界的 5／6。我国中南五省的稀土储量也很丰富，据地质部门消息，我国共有 18 个省份都发现稀土矿藏，除我国以外，印度、美国也有极少量的稀土储藏。

在中国优势资源的条件下，不仅应该发展钕铁硼永磁电机的伺服传动，更应该发展中型和大型传动。总的来说采用钕铁硼永磁电机后的优点为：功率密度大、效率高、过载能力强、转子损耗小、散热性好、功率因数高、容易实现磁场定向、控制简单、传动系统动态响应速度快、转子无刷、无励磁电源控制系统，可以大大节省有色金属及电机硅钢片。并且特别有利于位置控制，可实现开环的高精度转速控制。

因此，在我国发展交流永磁电机及其变频调速系统不仅可以占领国内市场，而且可以占领国际市场，如果我国严格控制钕铁硼原材料出口，只限于制成品出口的话。

切合实际 满足要求

记    者：在工频供电 50 Hz 条件下，二极电机的最高转速只能达到 3000 r/min。但是在工业生产要求高速运转的场合下往往采用高速透平机传动，或者采用带有效率很低的升速机的电力传动。请您谈谈发展高速无刷励磁同步电动机变频调速系统的必要性。

丁蕴石：发电厂用 10 万 kW、20 万 kW、30 万kW 机组采用高压水泵的转速最好是 6000~7 000 r／min，过去传统的做法是采用透平传动加上价格昂贵的高压阀门来调节流量，而且这种高压阀门可靠性不高，损耗大，效率低，这类水泵的容量大约在 600 ~5000 kW。又比如石化系统也需要许多 5000~10 000 r／min 的泵类传动。再如我国石油天然气公司从陕北油气田向青海输气的增压风机需要 2 000 kW、10 000 r／min 传动，如采用 1500 kW 三级增速则传动效率仅为 0.943 = 0.83 。如果采用二极无刷励磁高速同步电动机，供给 167 Hz 变频电源，不仅效率高 (0.94 以上)，而且高速电机体积小、重量轻，既可以实现软起动，又可以进行调速调压控制，从总体来讲投资将成倍降低，并能够延长设备使用寿命。因此，发展高速无刷励磁同步电机及其变频调速就十分必要，而且市场前景广阔。石化系统的传动占工业用电的百分比很大 ( 15％ 以上)，石化系统的传动基本上都是风机和泵类传动，电厂自用电系统风机和泵类用电机比例也很大。

记  者：线棒材连轧机、热带连轧机等在生产工艺中只要求 ±10％ 范围内调速，水泵、风机等节能调速也只要求从 100% 下调到 70% 就足够了。在满足调速范围不宽的场合下，使用低压小功率变频器而能满足中、高压大功率的电机调速要求，为此发展了同步化运行的工频无刷调速电机，请您与传统同步电机进行比较。

丁蕴石：传统同步电机或异步电机是由容量大于电机功率的变频器供电。而交流励磁同步化运行的变频器只是通过励磁机提供两部分功率：①高压工频电机的励磁功率。②高压工频电机可变速度部分功率的1／2。励磁机由功率较小的变频器供电。例如一台电机转速从 100％ 调速至 70％ 的场合，采用该调速系统轴的输出功率的 85％ 由高压工频直接供电，最大只有 15％ 的功率由变频器供电，也就是变频器的输出额定功率只需电机额定功率的 15％，再加上励磁部分所需的功率就够了。不仅如此，变频器电压也只需常规的低电压。对高压工频大功率电动机来说，绝大部分功率由高压工频电网提供，昂贵的变频器造价将大幅度下降。

励磁机与主电机同轴，不需要电刷，进一步减小摩擦损耗，从而提高了电机的运行效率。由于没有火花，特别适合于运行在易燃、易爆的场合。

同步化运行的工频无刷调速电机还具有如下性能特征：

1)电机可以运行在电动状态，也可以运行在发电状态。

2)当电网电压突然变化时不会失去同步，只是励磁频率实时自动变化，也就是速度瞬间变化时仍维持同步运行(在自控式变频器励磁时可达到此目的，此时需在轴上装有位置测控器)。

3)当充分励磁时可以向高压工频电网提供无功，作为使电网进相的无功补偿装置，无功分量可以连续调节。

记  者：那么，励磁机转子开口电压和给励磁机供电的变频器的供电方式如何进行选择呢?

丁蕴石：励磁机转子开口电压不是随便确定的，而是与主同步电机极数与励磁机极数的比值密切相关，当同步机极数与励磁机极数相同时，则二者在工频输入时的开口电压亦相同。

主同步电机的工频供电可以是高压、中压或低压，即 10 kV、6 kV、3 kV 或 380 V。而为励磁机供电的变频器不再需要高压直接变频，或高—低—高方式变频，只需要普通低压直接变频方式就够了，即使是上万千瓦的大型电机，其低压小功率变频装置也不需要并联的电力电子元件来实现，在技术上不考虑任何串并联要求，则工程实践便成为非常容易的事了。同时所需变频器的频率范围非常低，一般在几个赫兹到几十个赫兹就足够了，电机的调速范围是 50±△f，也就是变频器可变化的频率是叠加在工频 50 Hz 之上工作的。因此，传统的采用晶闸管相控的交—交工频(也称循环变流器)就可以派上用场。大家知道交—交变频器的调频范围是不高的，一般在 1／3 工频以下，最高只能达到 1／2 工频。在这种情况下，交—交变频器变频不高的缺点已经不复存在，而且比任何其他变频方式造价都低得多的优点便被明显地发挥了作用。道理很简单，调频范围是 2△f，而电机转速是正比于工频 50±△f。

记  者：进一步来说，同步化运行的工频无刷调速电机在耐受冲击负荷能力、动态品质和调速设备的投资等方面具有什么优势?

丁蕴石：当作为变速恒频发电机运行时，电网突加负载和突然卸载时较传统恒速恒频同步发电机耐受冲击复合能力大为增加，可以大大增强电力网运行的稳定性和可靠性。

当认真对这种新型模式电机的结构尺寸进行研究以后发现，同样功率和转速的电机，其转动惯量比传统的同步电机、异步电机小得多，在同样调节器的水平将得到更好的动态调节品质。

在调速设备的投资方面，一般来说电机轴功率的绝大部分都是由电网高压工频直接输入，而只有很小一部分可调变化功率的 1／2 加上励磁功率是由变频器输入，于是变频器的功率变得很小了，当调速范围由 100％ 调整至 70％ 的工况条件下，变频器的功率不超过 20％，实际上只花 10％~15％ 的造价就可以达到同样的调速目的。

另外，工频同步电机的定子设计与传统同步电机的定子设计完全相同，传统同步电机的转子是直流励磁，而工频同步电机的转子设计在结构上与传统的异步电机绕线转子设计相似，也是三相分布绕组，但不同的是励磁功率加在转子上，所以转子安匝数要大于定子安匝数，而且希望转子绕组匝数尽量少，导线的截面尽量大，转子槽满率尽可能大。同步电机与交流励磁机同轴，同时取消电刷，励磁机转子绕组的相数和载流量与同轴的同步机转子完全相同，而转子匝比由同步机与励磁机的极数比来确定，如二者极数相同则转子匝数亦相同。

还有就是，作为低水头水力发电机和潮汐电站发电机的应用，采用工频同步电机调速方案时电机极数可以减少一半，这对数十极或上百极的低速电机来说在制造上的困难也将大为降低。

过去因为变频器太贵，初投入又大，大部分是多台电机中的少部分采用调速，要么采用高价变频器，要么采用效率很低、损耗很大、功率因数也很低的其他调速方式（如串级调速、液力耦合器等方式)。而采用变频交流励磁的工频电机调速装置，则是既大幅度降低调速投入成本，又有高性能、高效率、高功率因数，甚至可以向电网提供无功动态补偿。电网无功之不足，可谓一举三得。

降低能耗 创新发展

记  者：大容量常规转速下的风机、泵类负荷调速的目的主要是为了节能，而采用双馈调速设备费用最便宜，请您谈谈发展无刷双馈电机调速传动变频系统的应用情况。

丁蕴石：因为这一类传动的耗能是与转速的三次方成正比，当速度从 100％ 下调到 50％ 时，虽然流量只减少一半，可是功耗只剩下 0.53 = 0.13，再下调意义不大。因此，采用双馈调速设备费用最低，在这种情况下变频器的供电功率只需要电机轴动率的   1／4 。双馈调速的矢量控制系统在原冶金部自动化研究院于 20 世纪 80 年代初研制成功，在首钢焊管机上工业试验成功后，先后又在11台轧机上投入工业运行，曾获冶金工业部科技进步一等奖，最大功率在贵阳钢厂投运，达到 2800 kW。

双馈调速还有一个优点就是功率因数可以很高，如果特殊设计也可以接近 1。由于变频器功率小，所以投资小，即使采用普通晶闸管，不用可关断器件谐波也小，这对电网是十分有利的，并且还有利于开发工作。无刷双馈特别有利于大中型风机、水泵等调速范围不需要特别宽的场合，除风机、水泵外也适于中、小型连轧机的调速电力传动，其市场拥有量非常可观，由于造价便宜且性能好，非常有利于市场竞争。

无刷双馈电机实际上是将两台同轴电机的转子绕组直接联在一起，其中一台电机定子绕组接上 50 Hz 电源(一般为 10 kV 或 6 kV)，而另一台电机定子绕组接上变频电源，两台电机的极数可以相等也可以不等。50 Hz 电源的功率为轴功率的 1／4，变频器的频率变化范围为 0~16.7 Hz (即变频器可以是正相序或负相序)。

记  者：最后，请您谈谈发展中，大型电机多相技术的问题。

丁蕴石：传统的交流电机都是三相的，对于大功率电机来说，要么有大的额定电流，要么有高的额定电压；对于变频器来说，要么需要很好地解决电力电子元件的并联技术，要么很好地解决电力电子元件的串联技术。并联需要认真解决静、动态均流问题。串联需要认真解决静、动态均压问题。美国罗宾康公司开发的一种完美无谐波变频器，采用单元叠加的方式大幅度增加了元件的数量和主回路的复杂性，从而降低了设备的可靠性，而且同样遇到了高压产生的麻烦，由于 IGBT 开通时间很短，IGBT 将前沿很陡的脉冲电压加在电机绕组端头上的电压会成倍地增加，将电机绝缘击穿而烧毁电机。

为了避开串并联的困难和减少转矩脉动，发展大型电机的多相技术是十分有利的，不仅有利于电机，同时也有利于抑制电网的谐波污染。采用多相技术的同时，可以根据电力电子元件制造发展水平反过来确定电机的额定电压，对中、大型电机来说，电网可以是高压的，但电机电压在目前阶段应为 0.4 kV 到 1 kV 或 1.2 kV 为好，而电机随容量不同可以采用 6 相、9 相和 12 相等，而不采用串、并联。显然， 10000 kW 以下的电机很容易采用不串、不并技术。

扇形定子和直线电机的出现，也是电机的一项重要变革，它可以取消减速机，对变频器也提出了更为经济简单的新要求。其他形式的新思路的各种电机也在酝酿和孕育当中。