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馬竹梧（1931—）男，廣東廣州人，教授級高級工程師，冶金部勞動模范，1978全國科學(xué)大會先進工作者，原冶金部自動化研究院副院長、院總工程師，現(xiàn)為中國鋼鐵協(xié)會信息化自動化推進中心顧問，中國自動化學(xué)會專家咨詢委員會委員。
所獲獎項：
1978年全國科學(xué)大會獎2項。
國家級科學(xué)技術(shù)進步一等獎1項。
冶金工業(yè)部科學(xué)技術(shù)進步一等獎1項，二等獎2項，不分等科學(xué)技術(shù)獎3項，專利4項。
發(fā)表科學(xué)技術(shù)論文100多篇，其中5篇被選參加國際會議（包括被選參加IFAC成立及在莫斯科第一屆學(xué)術(shù)會議）。
著作有：已出版著書9本（其中合著7本，獨著2本），已交稿即將出版書本3本（包括ASEA“冶金自動化”及“冶金自動化工程設(shè)計”），翻譯已出版英、俄、日文書4本。
1 鋼鐵工業(yè)流程及交流調(diào)速
鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣，發(fā)展最快的金屬材料，是建筑、汽車、鐵路、航運、電器、電力、食品等工業(yè)不可缺少的材料。
鋼鐵企業(yè)是由一系列工廠組成，是聯(lián)合企業(yè)型式，包括采礦、選礦、然后把選得的精礦燒結(jié)或球團，造成適合于高爐所需塊度的原料，經(jīng)高爐煉成生鐵，再由轉(zhuǎn)爐或電爐煉成鋼，鑄成錠以后，經(jīng)各式軋機軋成板材、管材、型材和線材等，生產(chǎn)過程十分復(fù)雜，規(guī)模大，設(shè)備極其不同。由礦石到鋼材的生產(chǎn)有多種流程，但主要是兩種流程[2]：采礦選礦-燒結(jié)球團和焦化-高爐-轉(zhuǎn)爐-軋機流程、直接還原或熔融還原或廢鋼-電爐-軋機流程。前者稱為長流程，后者稱為短流程。兩者都是由一系列分廠或車間組成的鋼鐵總廠。
由于下列原因：
（1）鋼鐵工業(yè)耗電量極大，我國冶金系統(tǒng)年耗電量約占全國發(fā)電量的9.3%左右[1]，驅(qū)動的電動機占很大一部分，其中要求調(diào)速的占80%以上(據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵工業(yè)要求調(diào)速的電動機從數(shù)量上說約為20%，而容量上說卻占80%)，故其有效操作和節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。
（2）鋼鐵工業(yè)產(chǎn)量大、經(jīng)濟效益大，要求作業(yè)率高。如板帶熱連軋廠年產(chǎn)量大都超過600萬噸，稍有故障停車，損失就很大，故提高作業(yè)率極為重要。鋼鐵企業(yè)使用的電動機有直流電動機和交流電動機，由于許多要求調(diào)速的生產(chǎn)機械對電氣控制系統(tǒng)有一定的要求，如調(diào)速范圍、動態(tài)響應(yīng)、靜差度等，過去直流電動機一直占主導(dǎo)地位，但直流電動機有一系列缺點，如結(jié)構(gòu)上有換向器及電刷使日常維護量增加、電刷與整流子經(jīng)常產(chǎn)生火花而要求安裝環(huán)境較好及不能用于易燃易爆場所、與同容量交流電動機比體積和重量及轉(zhuǎn)動慣量都較大、價格也較高、效率比交流電動機低2~3%等，交流電動機則無直流電動機的缺點，維護量較少，作業(yè)率較高。特別是近十多年隨著電力電子和微電子技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)代控制理論應(yīng)用，使交流調(diào)速迅速發(fā)展，其調(diào)速特性與直流調(diào)速性能完全一樣甚至超過，完全可代替直流電動機及其調(diào)速系統(tǒng)。
（3）變頻調(diào)速經(jīng)濟效益高。交流調(diào)速有多種方法（異步電動機的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，液力耦合器調(diào)速、機械差動調(diào)速、變頻調(diào)速等），但主流是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的變頻電源有旋轉(zhuǎn)變頻機組和靜止變頻裝置。前者由異步或同步電動機-直流發(fā)電機和直流電動機-同步發(fā)電機兩套機組組成。后者則由電力電子器件和微電子器件組成，無可動部分。由于旋轉(zhuǎn)變頻機組設(shè)備龐大、有可動部分、維護量大、效率低和性能差，故已被靜止變頻裝置代替。現(xiàn)在所指的變頻調(diào)速是指靜止變頻調(diào)速裝置)。據(jù)統(tǒng)計使用靜止變頻調(diào)速以后，可節(jié)電1~3%。
因此交流電動機驅(qū)動和變頻調(diào)速在鋼鐵廠已廣泛應(yīng)用，特別是新建的機組，甚至大功率（單機達10000kW）、要求嚴格的帶鋼熱連軋機也使用交流電動機驅(qū)動和交流調(diào)速。
2 交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的進展
變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的應(yīng)用，大致如表1所示，經(jīng)過多個階段。
表1 交流變頻調(diào)速在鋼鐵工業(yè)的進展：
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項目名稱 |
第一階段 |
第二階段 |
第三階段 |
第四階段 |
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簡 況 |
主要用于風(fēng)機、水泵及小功率的工控電動機 |
個別工廠如連鑄全交流化，大功率的軋鋼主傳動僅試用，如粗軋機 |
各廠(燒結(jié)球團、高爐、焦化、煉鋼、軋鋼等) 全交流化，包括大功率的板、管、型鋼軋機主傳動。高壓變頻器投產(chǎn)。新型電子控制器。變頻器產(chǎn)業(yè)化。 |
交－交，交－直－交為主，趨向完全取代直流調(diào)速，高精度化多功能化，進一步產(chǎn)業(yè)化 |
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控制理論 |
經(jīng)典控制理論 |
現(xiàn)代控制理論 |
控制理論、傳動理論、信息技術(shù)、計算技術(shù)等多學(xué)科交叉 | |
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控制裝置 |
模擬電路、晶閘管 |
數(shù)字技術(shù)、晶閘管、大功率晶體管 |
以IGBT、IGCT為代表的新一代電力電子器件；計算機；傳動-PLC一體化（通過現(xiàn)場總線，PLC執(zhí)行控制） | |
表2 板帶熱連軋機使用交流變頻調(diào)速情況及趨勢：
交流調(diào)速開始為節(jié)能而用于風(fēng)機、水泵代替要耗能的恒速運行但調(diào)節(jié)閥門的方法，到80年代初日本川崎鋼鐵公司首先在連鑄車間全交流化，取得了良好的效果，以后，不但在連鑄車間使用，而且推及到各工序、各車間全交流化。由于熱軋板帶軋機要求嚴格、產(chǎn)量大(年產(chǎn)600萬噸以上)，稍有故障或性能達不到要求，損失就很大, 故直到數(shù)字控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)完全實用化(矢量控制的電動機軸上裝有脈沖發(fā)生器，并以此進行速度反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，用數(shù)字控制方式進行速度控制或力矩控制，因而調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，動態(tài)性能已達到直流調(diào)速。而VVVF控制為開環(huán)系統(tǒng)，按照電壓/頻率(V/F)一定，用模擬技術(shù)進行控制，因而調(diào)速范圍小，約為1:40，調(diào)速精度受限制，動態(tài)性能不如直流調(diào)速，尤其是小容量、低速情況下不理想),才為熱軋板帶軋鋼廠軋機主傳動交流化創(chuàng)造基礎(chǔ)，但開始仍只限于在要求沒有串列的精軋機嚴格的粗軋機，然后經(jīng)過試驗和多年后才用于精軋機(表2)。
要求嚴格、技術(shù)復(fù)雜和產(chǎn)量大的熱軋板帶軋機工廠實現(xiàn)全交流化，事實上鋼鐵工業(yè)全交流化就已實現(xiàn)，冷板帶連軋機、中厚板軋機、線棒軋機、型鋼軋機、鋼管軋機包括主、輔傳動都相繼使用交流變頻調(diào)速。直接連接(非高-低-高變換)式的高壓交流變頻調(diào)速裝置的研制成功，使那些需要調(diào)速6kV的高壓電動機如礦井提升機也得到解決。
由于傳動裝置和變頻裝置是工業(yè)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在CIMS系統(tǒng)六級結(jié)構(gòu)中屬于L1級，要實現(xiàn)全線或部分自動化，需要與PLC或工業(yè)控制器相連，也開發(fā)了“傳動-PLC一體化”，它一般通過現(xiàn)場總線相連。
3 交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)實際應(yīng)用
交流調(diào)速及變頻器在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用大致有兩個方面(表3) ：① 要求調(diào)速的機組，包括傳統(tǒng)的用閥門調(diào)節(jié)流量的風(fēng)機、水泵和鐵-鋼-軋機組的驅(qū)動電動機；② 不要求調(diào)速的大功率的同步電動機（如功率超過7600kW的燒結(jié)主抽鼓風(fēng)機等）和異步電動機（如選礦的球磨機等）也需要使用調(diào)速的軟啟動和停車。
表3 交流變頻裝置在鋼鐵工業(yè)主要工序的典型應(yīng)用：
4 交流調(diào)速及變頻器實際應(yīng)用中要注意的幾個問題
變頻裝置主要分為交-直-交變頻和交-交變頻兩大類，交-直-交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交-交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。變頻控制方式分為電壓型、電流型、脈沖寬度調(diào)制型等。其主回路的拓撲、控制策略都有多種方式可以選擇，如功率器件有SCR（晶閘管，Thyristor）、GTO（門極關(guān)斷晶閘管，Gate Turn-Off Thyristor）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管，Insulated-Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門極換流晶閘管，Integrated Gate Commutated Thyristor，是一種新型半導(dǎo)體功率器件，在GTO的基礎(chǔ)發(fā)展起來的）等；主回路的拓撲結(jié)構(gòu)可選擇兩電平、三電平、負載換相式SCR電流型變頻器等，控制策略可選擇V/f控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖幅度調(diào)制（PAM）等，電壓也有高壓（3~6kV，主要是大容量的同步或異步電動機）、中壓或低壓（如一般的小功率380V和軋鋼輔傳動的電動機）等。此外，變頻調(diào)速還有變極調(diào)速，無級調(diào)速還有矢量控制方式、變壓變頻(VVVF)控制方式等，價格極為不同，如何選擇是一大問題。
表4示出了我國寶鋼從日本引進的于1989年投產(chǎn)的1900mm板坯連鑄全交流方式。從表中可以看出，變頻調(diào)速采用變極、VVVF和矢量變換控制三種方式，在調(diào)速要求不需無級的只須有限變速的采用變極控制方式，要求速度控制不嚴格的如輥道速度控制采用變壓變頻(VVVF)方式，要求速度控制嚴格的才采用矢量變換控制方式，這樣目的是節(jié)約投資和簡化維護，這種按工藝要求選擇變頻器的方法可作為為其他車間交流化作為準則，如燒結(jié)的全交流化，其配料的變頻器采用VVVF方式，臺車采用矢量變換控制方式。
表4 寶鋼1900mm板坯連鑄車間主要變速驅(qū)動及控制方式一覽表：
對于變頻器生產(chǎn)，國外電氣公司都已產(chǎn)業(yè)化了，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典ABB、美國GE、意大利ANSOLDO、日本日立、日本三菱、日本安川等公司都生產(chǎn)各種容量、不同電壓的通用變頻器可供選用，選擇時可適當(dāng)參照其業(yè)績及在類似或同樣機組使用情況和經(jīng)驗與效果。
變頻所用電動機也需注意，一般1000kW以下的電動機，采用異步電動機性能價格比較好，對于容量較大的可采用同步電動機或異步電動機。異步電動機一般采用線繞電機，而容量較小的電動機一般采用鼠籠電機。由于傳動控制系統(tǒng)一般采用PWM變頻器，故電機也須特殊設(shè)計，以滿足PWM變頻調(diào)速的要求（按不同機組情況，包括允許過載%、過載時間、工作制、絕緣等級、保護等級、額定電壓等）。
一般來說，還須考慮電源污染對電網(wǎng)造成的影響問題，特別對容量特大并使用交-交變頻裝置的場合，考慮裝設(shè)無功動態(tài)補償裝置(SVC)是要認真考慮的.
5 交流調(diào)速及變頻器國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化
交流變頻調(diào)速裝置在鋼鐵工業(yè)占重要地位，無論從生產(chǎn)需要或經(jīng)濟效益，其重要性是不言而喻。但大多是引進，特別是大功率的軋鋼主傳動，從早期引進的寶鋼2050mm熱連軋R2、包鋼1150mm初軋機、鞍鋼1150mm初軋機到“十一五”建設(shè)的寶鋼1880mm熱連軋。這需要花大量外匯和資金，據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)的交-交變頻器，價格約為500元RMB/KVA(不包括整流變壓器)，而引進約為1.5倍國產(chǎn)價格，而一個大型板帶熱連軋廠主傳動可達100,000kW，因此國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化和可靠性以及有所創(chuàng)造是關(guān)鍵問題。
國內(nèi)許多單位，如天津電氣傳動研究設(shè)計所、冶金自動化研究設(shè)計院(前身為冶金部自動化研究院)等遠在上世紀70年代末，就已致力于交流變頻調(diào)速的研究和國產(chǎn)化與實用化工作。大概可分為三個階段。
第一階段為上世紀70年代末至1985年。開始從事交流調(diào)速研究及工業(yè)試驗與應(yīng)用，并在實用化取得初步成績，例如1983年研制成功線繞型感應(yīng)電動機雙饋變頻調(diào)速裝置并在15T冷拔機組中良好使用。
第二階段為1985年至1993年。在這階段是研究各種交流變頻調(diào)速機理、特性與工業(yè)應(yīng)用以及數(shù)字調(diào)節(jié)器等，同時引進單體變頻器自行設(shè)計系統(tǒng)，以后又自行設(shè)計和制造的國產(chǎn)化和具有自己知識產(chǎn)權(quán)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和裝置，其中典型的是冶金部自動化研究院的1988年4月成功地投產(chǎn)湘鋼金屬制品分廠的24#6/350活套拉絲機變頻調(diào)速系統(tǒng)（引進日本富士PWM逆變器），以后自行設(shè)計和制造，1988年10月成功地投產(chǎn)軋鋼廠輥道控制的電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)和裝置。1993年2月制成大功率交交變頻矢量控制的雙饋變頻調(diào)速裝置，并用于首鋼帶鋼廠φ500mm窄帶熱連軋主傳動650kW交流電動機上。1993年制成第一套國產(chǎn)的2500kW交交變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)(獲冶金科技進步一等獎)，并用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機。
第三階段為1993年至現(xiàn)在。其特點是現(xiàn)代化、高性能化、全數(shù)字化，并大力應(yīng)用于實際工業(yè)現(xiàn)場中。在鋼鐵工業(yè)中代表是1996年制成第一套國產(chǎn)的全數(shù)字的4000kW交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于重鋼五廠2450mm中板軋機；1999年制成第一套國產(chǎn)的雙機傳動的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于武鋼軋板廠中板軋機；2000年制成第一套熱連軋機傳動的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，并用于攀枝花鋼鐵公司軋板廠；2001年完成第一套特大型全數(shù)字交交變頻主井提升裝置。此外，2003年投產(chǎn)的營口中板廠精軋機2×4200kW主電機交交變頻調(diào)速系統(tǒng)；2004年投產(chǎn)的勝利油田臨盤采油廠560kW注水泵電動機的高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)(交-直-交方式，H橋串聯(lián)式)以及多套棒線軋機主輔傳動交流變頻調(diào)速系統(tǒng)都是國產(chǎn)化例子。
在這階段交交變頻調(diào)速系統(tǒng)有較大的發(fā)展，例如冶金部自動化研究院的交交變頻調(diào)速技術(shù)與在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用規(guī)模已超過美國GE、法國Alston、意大利Ansaldo，達到Siemens、Toshiba、ABB的世界先進水平。各項技術(shù)性能指標與國外Siemens、Toshiba相同，達到國際先進水平；該院交交變頻占國產(chǎn)化市場的80％左右，單機功率也最大(4000kW)，大功率交交變頻裝置已為國內(nèi)提供208套，容量共2000MW，占全國首位。該院還在交交變頻調(diào)速系統(tǒng)有所突破，表現(xiàn)為：① 提出同步電機磁場定向控制理論與方法，阻尼磁鏈定向發(fā)明專利，提高了交交變頻系統(tǒng)的技術(shù)性能；② 提出電機、電網(wǎng)、系統(tǒng)一體化理論與仿真，解決了大型交流調(diào)速對電網(wǎng)影響問題；③ 研制了現(xiàn)代控制理論的負荷觀測器，解決了熱連軋機電振蕩問題；④ 建立了交交變頻工程設(shè)計與調(diào)試方法，使工程規(guī)范化，推廣應(yīng)用規(guī)模化;⑤ 研制成功4英寸大功率晶閘管及大功率變流裝置，功率全范圍覆蓋，單機達到20MW；⑥ 樹立了國產(chǎn)化樣板，第一套熱連軋交流調(diào)速，第一套礦井提升機交流傳動；⑦在863項目支持下，研制成功7500kW的IGCT變流器，完成了3600kW同步電機的工業(yè)試驗。并研發(fā)電子控制器。
6 國產(chǎn)化的問題與展望
國產(chǎn)化近年來取得很大的成功和重大的經(jīng)濟效益，包括國內(nèi)許多公司開發(fā)的高壓直接變頻調(diào)速系統(tǒng)，但如果冷靜地分析一下，國內(nèi)大多數(shù)公司和單位，大多是設(shè)計主回路，而核心技術(shù)如數(shù)字式的電子控制器和電力電子器件都是外購，其中電子控制器都是外國公司如西門子公司生產(chǎn)(實際上完全國產(chǎn)化的大功率變頻系統(tǒng)只有模擬式控制系統(tǒng)，如包鋼軌梁廠850型鋼軋機的2500kW交交變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng))，電力電子器件則只有晶閘管國內(nèi)可生產(chǎn)，而第三代可關(guān)斷電力電子器件，包括IGBT、IGCT等，全部進口，國內(nèi)交交變頻之所以得到蓬勃發(fā)展，主要依托國內(nèi)多年的晶閘管生產(chǎn)技術(shù)和較便宜的價格。無可置疑，交直交變頻特別對電源污染方面都是優(yōu)于交交變頻方式(從表3已經(jīng)看出其趨向)，但IGBT、IGCT等電力電子器件依靠國外而使交直交變頻發(fā)展較慢。但要開發(fā)和生產(chǎn)IGBT、IGCT等電力電子器件要投入財力物力太大，一個單位難以負擔(dān)，需要國家大力投資研發(fā)和生產(chǎn)。
現(xiàn)在國內(nèi)電氣公司越來越多，分出來也越來越多，原因是傳動調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)濟效益大，設(shè)計主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調(diào)試，已越來越多人掌握，辦個組裝車間也非難事，但人力分散，研發(fā)和基礎(chǔ)工作——電子控制器和電力電子器件卻很少人也無力致力于研發(fā)和生產(chǎn)。當(dāng)今合并組成大型集團公司是世界也是國內(nèi)趨向，我們應(yīng)效仿，這樣才能更有力量和利于發(fā)展并和西方大電氣公司競爭。目前只批判“短視行為”不足以解決，看來，除了國家大力和有效投資研發(fā)和生產(chǎn)電力電子器件，還應(yīng)把有影響的電氣傳動公司和電力電子器公司及著名的研究院所合并成大型的集團公司，才足以有此財力和人力，來進一步發(fā)展交流變頻調(diào)速技術(shù)，并和國際著名公司（如西門子公司）等競爭，化進口為出口。
目前集團公司有些不問專業(yè)而以工藝行業(yè)進行合并，例如冶金系統(tǒng)的自動化專業(yè)的研究院與工藝方面的研究院合并而成鋼鐵集團公司，看上去似乎合理，但實質(zhì)上是過去冶金部、煤炭部、化工部等小而全方式，這樣很難有大的發(fā)展，反觀國外，大都是專業(yè)合并，三足鼎立——機械設(shè)備、電氣、工藝，如德國德馬克等機械公司、西門子等電氣公司、蒂森等鋼鐵公司(及其他化工、輕工等工藝公司)，美國也如是，如Wean-United等機械公司、GE等電氣公司、美鋼聯(lián)等鋼鐵公司(及其他如杜邦化工等工藝公司)，日本也如是，如IHI、三菱重工等機械公司，東芝等電氣公司，新日鐵、日本鋼管等鋼鐵公司(及其他化工、石油等工藝公司)。因為強大的專業(yè)，無論技術(shù)、生產(chǎn)能力或開發(fā)才有可能最大發(fā)展，故應(yīng)跳出過去工藝行業(yè)，集中組織電氣集團公司，才能和德國西門子公司、日本三菱公司、法國阿爾斯通公司、瑞典ABB公司競爭。
我國目前電動機裝機容量估計是6.22億kW，其用電量占全國發(fā)電量的60~70%，其中交流電動機約占90%，是調(diào)速的主要對象。風(fēng)機、泵類和壓縮機等總?cè)萘窟_2.3億kW，其用電量占全國發(fā)電量>30%，目前其流量調(diào)節(jié)90%以上仍用落后的調(diào)節(jié)擋板或閥門方式。據(jù)調(diào)查，交流電動機的70%應(yīng)該調(diào)速運行，改造率約50%、2.6億kW，若以全國發(fā)電量28344億kW-h為基數(shù)、平均節(jié)電率按20%計算，其節(jié)電潛力為400億kW-h，占全國發(fā)電量的4.4%，可相應(yīng)減小發(fā)電裝機1660萬kW，減小電力基建投資800億元以上，可減小發(fā)電用煤4000萬t，相應(yīng)減少CO2排放量約2000萬t（煤計算），減少SO2排放量約40萬t，按調(diào)速裝置造價和平均節(jié)電率計算，節(jié)電投資為500~2500元/ kW，僅為新建電廠造價的1/10~1/2.，可見交流調(diào)速的節(jié)電潛力和社會效益相當(dāng)顯著[4]。
參考文獻：
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[2]馬竹梧.鋼鐵工業(yè)及變頻器的應(yīng)用[J].《變頻器世界》，2007(1)，A冶金《變頻器世界》行業(yè)應(yīng)用專刊：3-4.
[3]李崇堅.大功率電力電子技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用[J].《變頻器世界》，2007(1)，A冶金《變頻器世界》行業(yè)應(yīng)用專刊：4-5.
[4]周德賢.大力推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[J].《世界儀表與自動化》，2007(8) ：13-16.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號