1 中大功率电机系统的特点
中大功率电机是指电机容量在200kW以上，200kW～20MW，其电压高于380V，一般为660V、3000V、6000V、10kV等。中大功率电机主要应用于大型工业，例如冶金、有色、煤炭、电力、油气开采和输送、石化、牵引运输，城市供排水等。
中大功率电机具有高电压，大电流的特点，而目前电力电子变频调速技术中电力半导体器件的电压等级还无法达到中大功率电机供电标准，因此，中大功率变频调速节能系统就面临着如何解决电力电子元件电压与电机供电电压相适应，以及高电压大电流的难题。由于技术与应用场合的因素，中大功率电机节能一般都是以工程形式来进行，具有非标准的特点，所以节能系统的设计，制造和现场服务就尤为重要。
对于中大功率电机传动系统而言，一种类型为满足大型工业生产工艺的要求，如大型轧钢机的调速传动、矿井提升机传动、铁路牵引机车传动、大型输油管道输油泵调速传动等。这一类型的电机和电力电子变换器为一体化设计，所以电机的电压等级为适应电力电子元件的最佳状态，多为非标准，特殊设计的。例如，轧钢电机1650V、牵引电机1200V。另一种类型是大型风机、泵类的节能传动，例如:高炉除尘风机、矿井能风机、油田注水泵、城市自来水供水泵等。它在工业应用中量大面广，随工况条件、工艺变化，需要调速节能。这一类型的电机按供电电压标准设计，而电力电子变换器要适应标准供电电压等级:6kV、10kV。
由于中大功率电机是大型工业动力的主体，同时也是工业用电的大户，例如轧钢机、油气输送、电力牵引等工业，电机传动为工厂用电的主流，因此中大功率电机节能是工业电机系统节能的重点。
2 中大功率电机系统节能技术
2.1 中大功率电机的软启动技术
由于大型电机在启动时会产生5～7倍的电流冲击，会造成供电电网的电压降，影响电网安全，所以一般供电部门采取限制大型电机的启动次数，电机启动时采取停止其他用户用电的措施。因此，大型电机采用电力电子变换器的软启动技术节能意义重大。
大型同步电机的软启动采用晶闸管交直交变频调速技术，该技术简单成熟，晶闸管串联可以达到10kV供电，在高炉鼓风机20～40MW同步电机启动，抽水管能电站50～200MW同步机启动，制氧机5～10MW同步机启动中正广泛应用该技术。中国从80年代引进大型生产设备时也引进了软启动设备，目前国内制造厂已可以提供该装置。
中大型异步电机的软启动可以采用变频调速技术，也可以采用晶闸管调压软启动技术。晶闸管调压软启动技术在低压电机中已广泛采用，并有系列产品生产，而对于中大型高压电机晶闸管调压软启动技术应用较少。欧洲和日本在该领域多采用变频调速技术，只有美国生产高压晶闸管软启动装置。
2.2 大功率风机、泵类调速节能技术
由于风机、泵类机械量大面广，采用调速来调节流量可以实现节能20%～50%，同时高压电机标准化生产，工况要求电机在调速和全速两种状态变化，所以变频器的电压等级必须适应电机的供电标准达到3kV、6kV、10kV。而当前单只电力电子元件的制造水平还达不到这一等级，所以如何使变频器供电到高压就成为变流技术的难题。
高压变频器解决高压供电和元件制造水平矛盾的方法有:
(1) 变压器降升压
采用变压器把高压降到电力电子元件适应的低压，采用低压变频，然后再用变压器升到高压，供电给电机，即所谓高-低-高方案。这一方法简单，可靠，但采用两级变压器，效率低，体积大。有些公司(如SIEMENS)提出把电机也改为低压，采用高-低-低方案来提高效率。
(2) 电力半导体器件串联
将电力半导体元件串联起来满足高压要求，但要同时解决元件串联均压、高低压间绝缘和信息传递等难题。晶闸管元件串联技术已成熟，而GTO、IGBT串联技术尚在研究中，目前ROCKWELL公司POWERFLEX7000高压变频器采用SGCT元件直接串联，ALSTOM 公司VDM5000高压变频器则采用IGBT元件直接串联，达到6kV供电。
(3) 多电平技术
多电平是运用变频器拓朴变化来达到提高电压，减少谐波的新技术，近年来已形成中大功率高压变频的技术热点和发展趋势。
除高压变频调速技术外，风机泵类调速节能还有一些辅助调速技术，例如液力偶合器调速，由于价格低廉使其在一定范围，一定时期等到推广，同时，交流电机串级调速、内反馈电机等技术也在中大功率电机节能中占有一席之地，但这些技术由于技术和自身条件的局限性，不可能大面积推广应用。
2.3 中大功率高性能调速技术
近年来，随着电力电子和交流电机控制技术的发展，大型工业系统中轧钢、提升机、造纸机等由传统直流电机调速的场合均用交流调速取代直流调速，实现了提高性能，减少维护并达到节能20%～30%的效益。
对于大型轧机传动，矿井提升机以及造纸机传动广泛采用晶闸管交-交变频调速技术，该技术简单，可靠效率高，过载能力强。在世界上已有500～1000台2000kW以上大型电机采用了交-交变频技术。国际上，西门子公司为该技术的代表，我国工程技术人员通过“八五”、“九五”科技攻关，已掌握该技术，提供了20余台2000～5000kW大功率交-交变频调速系统。
3 国内外中大功率变频器情况
3.1 国外情况
根据国际ARC机构“2005年AC DRIVE全球展望”报告，国际大功率交流调速装置1999年为24亿美元，2005年将达到28亿美元，年增长率3%。
国际上，中大功率电机系统技术的发展取决于大功率电力电子及变频技术的发展，大功率IGBT/IGCT，IEGT等元件是近期的研制热点，高压变频技术正处于一个高低高、元件串联、变频器级联、多电平等技术多样化的过渡期。目前，以美国ROBINCON公司和日本公司为代表的变频器级联高压变频在国内风机泵类市场中有较大影响;而以欧洲西门子、ABB公司为代表的交-交变频器、三电平PWM变频调速在大型工业系统调速设备中占主流。
3.2 国内情况
根据国际ARC机构预测，中国交流调速市场为10亿美元，中大功率市场为2亿美元;据机械部预测，该行业将以15%～20%年增长率发展。目前，我国电气传动装置制造厂有近百家，但从事中大功率调速技术及装备研制的只有天津电传所、北京冶金自动化院、湖南株洲所三家，在国家的支持下已可以制造5000kW交-交变频轧机主传动、矿井提升机传动、10000kW交-直-交同步电机启动器、4000kW铁道牵引驱动等装备。
国家“十五”期间重点工程和重大技术装备项目，如西气东输工程、大型热冷连轧机交流传动装备、大型矿井提升装备、高速铁道牵引及磁悬浮驱动装备等，都需要大量先进的大中功率交流传动设备。
据市场统计，200kW以上大中功率传动设备在中国电机系统的分布中占总市场的40%左右，其市场份额如图3所示。
国际知名电气公司，如西门子、ABB、三菱公司在中国设有电气传动设备生产合资工厂。近年来，由于市场需求和国家政策的导向，风机水泵中大功率高压变频技术市场成为企业、院校纷纷涉足的竞争热点。目前，中国已有10多家公司在仿制美国ROBINCON公司的H桥级联高压变频器，已研制成功3MVA，6kV H桥级联高压变频器，涌现了先行、凯奇、科德华富等一批高压变频产品公司，但大多为样机研制及试生产阶段，没有规模生产。
4 问题讨论
4.1 供电标准与变频器技术的矛盾
世界各国供电标准不同，美国工厂供电2300V、4160V，日本为3000V，欧洲为660V、3300V，电压等级很多。我国电力部门从减小线路损耗角度出发，电压标准序列从380V(低压)之后，就跳到6kV、10kV，而6kV又要被淘汰，要求推行10kV供电，还有可能提高到20kV。380V供电的电动机系统以200kW为界线，作为国民经济各部门各行业采用的主力电动机组，则是200～2000kW见多。按照有关标准，它们必须采用6kV，甚至10kV的电压等级。这就给大功率高压电机调速带来了变频器电压与供电电压不适应的问题。从国际电力电子技术发展情况来看，高压变频器在2～3年内达到2300～3300V，成为成熟的系列产品是可能的，但对于6kV，尤其是10kV等级的高压变频技术在2～3年内很难突破。随电压等级的提高，由于功率半导体器件的耐压水平达不到，需要元件串联，使用器件数量增大，使变频器成本大幅度上升;380V供电时，变频器售价600～800元/kW;6kV供电时，变频器售价上升到2000～2400元/kW;10kV供电时，变频器售价将达到2800～3000元/kW。因此，技术是阻碍中大功率电机系统节能的主要因素。在技术尚未成熟的阶段，使高压变频器的成本下降是很难实现的。
由此，建议380V供电的电机系统扩大到400kW，增加660V电压等级，相应电动机和变频器的容量可以扩大到600～1200kW。考虑到中电压、大功率变频器都有输入网侧隔离变压器，10kV输入，而副边(电动机)电压可以增加2.3kV、3kV、4.16kV和6kV四个档次，使800～2000kW(2.3kV系统)、1200～2500kW(3kV系统)经济合理，使大部分中电压电动机调速装置推广中遇到的价格势垒得到较大程度的降低。
4.2 对电网的污染
大功率变频器对电网带来谐波和无功冲击，由于装置容量大对电网的影响就十分严重，因此研制对电网污染小的变频器，以及采用电网、变换器、工艺一体化设计尤为必要。采用晶闸管的交-交变频器和交-直-交变频器由于晶闸管换流机理对电网产生滞后的无功，需要容性无功对电网进行补偿，而采用新型可关断器件的PWM交-直-交变频器则始终保持功率因数接近1。变频器对电网带来的谐波可以采用输入变压器移相的方法来削弱，为此，美国ROBICON公司提出了“完美无谐波变频器”。但应当指出，增加输入变压器相移数将增加设备成本。实际上，12相整流消除了5，7次谐波，已基本满足电网谐波要求，因此大功率变频器多采用12相整流。
4.3 电机的影响
采用大功率变频器供电的电机，供电谐波对电机会产生谐波电流和磁势，使电机产生损耗发热、转矩脉动、嗓声、轴电流以及绝缘老化等问题，这就要求中大电机必须重新设计，以适合于电力电子变频器供电的条件。
近年来，PWM供电对电机产生的影响引起了广泛关注，PWM供电产生的du/dt及回路电感引起的共模过电压将使电机绝缘损伤。加输出滤波器可消除其影响，但增加了损耗;采用多电平技术可有效地减少du/dt及共模电压，但电平数的增加要以增加器件为代价。这样，应当对电机绝缘、耐du/dt能力、器件电压水平及变频器电平数等因素综合考虑，综合平衡以提高系统的性能价格比。
4.4 电振荡问题
大功率变频器供电给电机，使电机产生谐波转矩，谐波频率很容易同机械的固有振荡频率谐振，产生机电振荡，使系统无法运行以致造成重大设备事故。机电一体化分析以及振荡的抑制是中大功率电机系统节能应用的难题之一。
4.5 市场推广的问题
我国中大功率电机系统节能技术推广处于市场的初期阶段，目前大功率风机水泵高压变频每年只有100台左右，并仍需政府在技术推广中给予支持，而且，当前高压变频器基本上是国外公司提供，其价格为1500～2000元/kW，对于用户1000元/kW仍很难接受，因此，中大功率电机系统节能技术由政府扶持转为企业节能效益的自身需要还要相当长一段时间。
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