概述
1.定义
频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。
2.作用
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。
技术原理
1.变频器工作原理
1.1概述
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类[1]:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
1.2整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
1.3平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
1.4逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
2.变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。
2.1 1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.2 2电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2.3 矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.4 直接转矩控制(DTC)方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 2.5 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2％，无PG反馈)，高转矩精度(<＋3％)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150％～200％转矩。
3 变频器节能效果
3.1 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P（功率）＝Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40％一50％，从而达到节电的目的。
以上海正艺信息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来说：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8％，当转速下降到原转速的l／2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5％。
3.2 功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3.3 软启动节能
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
4变频调速技术的作用和节能原理
变频调速运行是根据负载转速的变化要求，改变供电电流的频率，并配合电压的调节，以获得合理的电机运行工矿。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善启动性能，保护电机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机和负载设备的工作精确度.实践证明，变频技术用于风机、泵类设备驱动控制场合，取得了显著的节电效果，普遍节电达到30%-50%。
国家对三相异步电动机运行区域作如下规定：负载率70%-100%之间为经济运行区；负载率在40%-70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区；一般负载率保持在60%-100%较为理想。在电机选型设计工作中，大部分电机功率选型均有适当的裕量，另外，在生产过程中的设备许多时间都是负荷不满或运行有峰谷时间，如果采用交流电动机恒速传动的方案运行，靠风门调节风机或靠阀门调节的泵类设备，使用效率较低，造成大量的能源浪费。
变频调速是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速N与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：
Q1/Q2=N1/N2……（1）；H1/H2=（N1/N2）2……（2）；P1/P2=（ N1/N2）3……（3）。
Q1、 H1、 P1……风机（或水泵）在N1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、 H2 、P2……风机（或水泵）在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。
由（1）、（2）、（3）可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机（或水泵）转速降低后，其轴功率所需的电功率亦可相应降低。就是说，通过调速方式改变风机风量（或泵流量），风量（或泵流量）下降一半时，即：假如N2/N1降低1/2，则P2/P1=1/8，由于轴功率（耗电）与转速的三次方成正比，因此可节电87%（在不考虑其它因素的情况下），降低转速可大大降低轴功率，这也是为什么变频调速在应用上节能十分显著的原因。
国内发展和应用现状
1.现状
近十年国内开始生产，从低压变频到高压变频，走过艰难历程，一直占有比重很小。近几年开始发力，随着内资企业在越来越多的行业销售业绩，国内企业也逐渐渗透并抢夺了原先外资厂商重点保护的大型客户，包括中石油、中石化、国家五大电力集团等大型企业。
目前国内市场上的变频器厂家有300多家。由于我国变频器配套产业的实力相对较弱，国产品牌无论在加工制造、工业设计等技术方面都与国外品牌存在一定差距。目前，外资品牌在国内变频器市场的占有率约为7成，本土变频器企业主要生产V/F控制产品，对于性能优越、技术含量高的矢量变频器，国内绝大多数企业开发的产品还不够成熟。
随着国产高压变频器的质量稳定和价格降低，已开始在新建电厂或企业技术改造中陆续使用。“十一五”国家节能减排计划20%，对高压变频器产业是一大利好，节能降耗在2006年终于从重视变为实际行动。一大批电站项目上马，增加了对高压变频器的需求，一次性投入避免了以后改造时重新施工、调试等麻烦。在电力紧缺的形势下，节能、挖潜、增效以及设备技术改造得到了前所未有的重视。
从2006-2008年来看，变频调速技术市场前景明朗，这一市场以每年超过50%的增长速度向前推进。电力行业近几年高速增长，在支持变频技术的应用。
2.发展前景
变频调速技术发展前景十分广阔，与已经完成的市场相比，未来的市场潜力巨大，在未来十年内，变频调速技术产品每年有上百亿元的市场潜力。建议在电力、石化、钢铁、有色、水泥、自来水、机械、纺织等行业大规模推广应用国产变频技术产品。新建项目从开始设计就应该考虑应用变频技术，技术改造首先考虑风机、泵类设备使用变频技术，逐步淘汰闸板、阀门等机械调节方式，全面推广应用变频技术，全国用电量将下降15%-20%而GDP保持不变，使我们最大限度地减少能源消耗和污染物排放，提高经济效益，为我国和世界节能减排做出贡献。
国外发展和应用现状
70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT（绝缘栅双极型晶体管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成门极换流型晶闸管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的发展及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP（数字信号处理器Digital Signal Processor）的诞生和发展（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。
信息技术的发展带动了变频技术的发展，变频调速因具有调速精度高、启动能耗低，占地少、工艺先进、功能丰富、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等特点，被认为是最理想的调速方案，代表电气传动的发展方向。
高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面存在很大的技术开发难度，因此也成为世界各大电气公司竞争的热点。目前国内诸多变频器生产厂家都在高压变频器领域投入大量的人力与物力，力求在目前变频器技术方面占领制高点。
供应商信息
国内利德华福、上海科达、东方日立、山东风光
国外企业主要有西门子（美国罗宾康含在内）、罗克韦尔（AB）、ABB、日本日立、日本安川
经典案例
高压变频器在扬州水厂的应用案例
来源：中国自动化网作者：未知
1 引言
众所周知,供水行业水泵机组实施变频调速方案,可以收到一定的节能效果和确保城市供水管网的运行安全。除直接经济效益外,还具有明显的社会效益。可以预计,大功率交流电机变频调速新技术的发展和应用是我国节能的主导方向之一,也是供水行业不断努力的目标。
2 目前现状
前些年，高压变频调速技术在大功率交流传动中推广应用较慢，其原因主要有两个：一是大功率电动机的供电电压高（笔者所在公司的29台三相交流异步电机均为6kV、单台最小功率185kW），而组成变频器的功率器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本也高，而一般的水泵等节能改造都要求低投入、高回报，从而造成微观经济效益上的难题。在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，目前，除罗克韦尔公司的电流型外，一般采用功率单元串联或功率器件串联的方法来解决高电压的问题。
3 主电路及控制电路的比较
3.1 主电路比较
目前市场上的高压变频器还没有低压变频器那样具有成熟的、一致性的主电路的拓朴结构，仅限于采用目前电压耐量的功率器件。如何面对高电压使用条件的要求，国内外各变频器生产厂家各有不尽一致的主电路结构，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。异步电机高压变频器先后出现了电流型高压变频器、功率单元串联型高压变频器、二极管箝位三电平高压变频器、电容箝位四电平高压变频器、直接串联IGBT高压变频器、电压型高—低—高式高压变频器等多种拓朴结构。大功率高电压的变频器尤其以电压型和电流型二种较为普遍。目前，市场上一些知名品牌的变频器属电压型或电流型变频器。
（1）电压型变频器
电压型变频器是采用低耐压器件串联进行电压叠加，来满足高电压电机的使用要求。这类变频器的优点是一次性投资略低，但从理论上来讲，器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极电容不同，而存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R（电阻）和RC（阻容）的均压措施，会使电路复杂，损耗增加;同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联器件同时导通和关断,否则由于各器件开断时间不一,承受电压不均,会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。
（2）电流型变频器
电流型变频器目前主要是罗克韦尔公司的产品，尤其以其近年推出新一代的6kV变频器PowerFlex7000系列，用新型功率器件即对称门极换流晶闸管（SGCT）代替原先的GTO，使驱动和吸收电路简化，系统效率提高，6kV系统每个桥臂采用三只耐压为6500V的SGCT。PWM整流器，标准的谐波滤波器及功率因数补偿器，以使其谐波符合IEEE519-1992标准的规定。
PowerFlex7000系列6kV变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行;输入端采用可控器件实现PWM整流，该变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案，结构简单，使用的功率器件最少。同时设置了进线电抗器及滤波器，满足电网及系统对谐波的要求。
PowerFlex7000的性能与电机的参数有关,具有自适应调整系统,消除了有些品牌变频器的电流的谐波成分大,污染和损耗较大,且共模电压高,对电机的绝缘有影响等不足。但PowerFlex7000的不足之处是一次性投资略高。
不同型式的6kV变频器，除主电路拓朴结构不相一致外，还有效率、谐波、和可靠性、冗余设计等问题也有所不同。
供水行业的机组变频调速装量的容量较大，随着人们节能意识的不断提高，对系统的效率问题认识也就愈加注重。采用不同的主电路拓朴结构，使用的功率器件的种类、数量的多少，以及变压器，滤波器等的使用，都会影响系统的效率。为了提高系统效率，必须设法尽量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗。在多种6kV变频器中，PowerFlex7000属高-高电压等级（6kV进线—6kV出线）的电流型变频器，系统采用了冗余设计，脉宽调制技术（PWM），电流源逆变器（CSI）作为驱动端逆变器等的运用，使系统的性能得到进一步的提高。它的功率单元结构简单、性价比高及稳定可靠，能适应较宽的电压和功率范围。电力半导体器件的额定反向峰值电压PIV高达6500V，同电压等级、同容量变频器中，其功率器件最少。采用有源前端的PWM整流器，因此，它不需要输入裂相隔离变压器就可满足IEEE-519的要求。PowerFlex7000可以向电动机提供接近正弦波的电流、电压，降低了对散热条件和绝缘强度的要求。电压波形的dv/dt小于10V/ms。困扰电压型逆变器（VSI）的反射波形和dv/dt的问题在PowerFlex7000根本不存在，同时还在逆变器中应用了谐波选择消除结构（SHE），消除主要阶次的谐波（如3、5、7次谐波等），集成在变频器中的输出小电容器消除了其余的高次谐波，使整个输出波型接近完美正弦波。该装置还使用了SGCT（带集成门极驱动器的改进门极关断晶闸管GTO）。门极驱动器的位置靠近SGCT，控制回路阻抗低，它在降低门极开关时电流和电压的起伏程度方面大大优于传统的功率器件。
3.2 控制电路比较
早期通用变频器如东芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比（V/F=常数）的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。对变频器U/F控制系统的改造主要经历了以下3个阶段；
（1）第1阶段:磁通轨迹控制
80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。1991年由富士电机推出的FVR与FRNG7/P7的设计中，三菱、日立，东芝等系列中也都有类似的产品。然而,在上述四种方法中,由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。
（2）第2阶段:磁场定向控制,也称矢量控制
它是70年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法，分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置传感器或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。因此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kW以上。
（3）第3阶段：直接转矩控制
PowerFlex7000变频器正是采用了无速度传感器的直接转矩控制方法。这种方法允许电动机转矩快速变化而不影响电动机的磁通，且无需使用测速发电机即可达到较高的控制精度。直接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）是1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出的。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化适应性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗、互感、电动机负载的转动惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型，估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度控制、转矩控制精度。直接转矩控制系统的技术性能指标：转矩响应速度已达到<2ms，在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到土0.1％的速度控制精度。
4 工程实例
扬州第四水厂变频调速节电项目改造工程是与泵房改造相结合进行实施的。为确保该工程的顺利完成。从2002年初就进行了市场调研和考察。根据四水厂改造前的实际情况（5台机组，4用1备），对部份机组进行变频调速节能改造，使四水厂的供水能力能满足2005年的供水的峰谷期的变化需求。改造前后四水厂的二泵房机泵设备对照表如表1所示。
在扬州四水厂变频器改造项目的调研、考察、招投标的期间,从变频器的主电路的拓朴结构、装置的可靠性、控制方式、控制精度、效率、谐波、性价比及供水行业的使用效果等因素方面综合考虑,最终选择了罗克韦尔公司的PowerFlex7000变频器。其变频器室的土建工程按照安装3台套6kV电压等级,功率为630kW的变频器进行建设,全部工程于2005年5月底进行调试并投入试生产。
在变频器的控制方面采用就地和远程控制两种方式，应用罗克韦尔公司的MicroLogix500型PLC控制系统，设置了工作日与节假日不相同的，每天分24个时间段的压力数据表，并可实时在线修改其数据，实现了变频器开停、出水阀门的开关、压力调整等操作，同时还具有频率实时显示、曲线跟踪以及报警功能。使其运行控制实现了闭环、全自动化的分时段恒压供水的目标。
5 改造效果
该工程自2005年5月底进行调试并投入生产以来，运行情况良好，并具有一定的节能效果。
5.1 微观经济效益
（1）根据泵的出口压力量测
目前机组的实际运行情况是将泵的出口压力从原先的基本维持在0.45Mpa，由变频器根据设定的数据表自动调整为0.38Mpa～0.45Mpa,忽略变频调整后的短时间0.45Mpa压力值，设泵的出口压力由0.45Mpa调整为0.38Mpa，近似计算如下：
水泵的流量与转速成正比关系：Q1/Q2=n1/n2
水泵的压力与转速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2
轴功率与转速的３次方成正比：P1/P2=（n1/n2）3
0.38Mpa/0.45Mpa=（n1/n2）2
n1/n2=0.919
P1/P2=（n1/n2）3=0.776=77.6%
由计算可知，电机消耗的功率为原来的77.6%，节能22.4%。
（2）由实际功耗测量节电效果
某季的单台630kW变频机组的实际功耗的日平均测试数如表2所示。
由表2的测试数据得:单台日节电量为2780kW•h，年节电量为2780×341=94.8万kW•h（全年以341天计算，扣除每月2天保养维护时间），考虑到变频器的效率为97.6%，则年实际节电量为92.5万kW•h，节约资金92.5×0.473=43.75万元。
5.2 宏观经济效益
（1）安全性
自该工程投运几年来，由于采用了恒压供水，从未发生过一起供水管网的主干管爆管事故，有效地保证了城市供水的安全，取得了较好的社会效益和经济效益，对维护城市的安定、和谐发挥了重要作用。
（2）政府奖励
由于该工程为扬州地区第一台6kV电压等级的大功率变频器项目，对本地区的各行业的高压变频器节能改造起到了示范作用。另一方面，由于该项目的成功实施，适应了电力需求侧负荷的调节要求，得到市政府和省政府能源主管部门的好评，并获得了江苏省节能项目奖。
6 结束语
电压等级为6kV的变频器目前市场上有较多的品牌，笔者认为，PowerFlex7000型变频器在供水行业6kV电机调速中应用效果较好。扬州水司根据该变频器在四水厂运行情况，于2006年下半年又购置了一台套PowerFlex7000型变频器，用于一水厂机组变频调速，以实现更好的经济效益和社会效益。笔者所述，供同行在选择6kV变频器设备时参考。
参考文献
[1]应用变频调速技术推进节能减排.
[2]变频调速节电技术及其应用技术
[3]http://baike.baidu.com/view/10353.htm#3
[4]中国变频器网http://www.cnelc.com/market/?key=10101
