一文解析變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。可分為交—交變頻器，交—直—交變頻器。交—交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；目前使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。在當(dāng)今工業(yè)社會(huì)，環(huán)保和節(jié)能顯得越來越重要，而變頻器在工業(yè)節(jié)能中發(fā)揮著越來越大和不可忽視作用。

　　前言

　　變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是驅(qū)動(dòng)的交流化、功率變換器的高頻化、控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

　　隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，而且廠家仍在不斷地提高可靠性，為實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。辨別變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響；二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；最后還要看本身的能量損耗。

　　2018年，由于下游行業(yè)設(shè)備投資意愿不強(qiáng)，訂單增速放緩，我國(guó)變頻器市場(chǎng)出貨量下滑，國(guó)內(nèi)變頻器企業(yè)急需縮小技術(shù)差距，加強(qiáng)質(zhì)量控制，攻占高端市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率一直保持在12%～15%，市場(chǎng)潛在空間大約為1200億～1800億元。中低壓變頻器市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)達(dá)10%～15%，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模接近200億元;高壓變頻器市場(chǎng)需求增速在40%以上，隨著需求持續(xù)攀升，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到121億元。在未來的兩年，冶金行業(yè)變頻器的市場(chǎng)需求主要集中在項(xiàng)目改造過程中的節(jié)能減排設(shè)備上的使用，而在這方面，國(guó)家給予了積極的政策支持，企業(yè)單位也在大力推行中，因此，冶金行業(yè)變頻器市場(chǎng)需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，未來將保持20%左右的增長(zhǎng)。

　　1.發(fā)展現(xiàn)狀

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。

　　交流電機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電動(dòng)機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。文章介紹了日、美、歐發(fā)達(dá)國(guó)家變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)和國(guó)產(chǎn)企業(yè)崛起的概況，并指出變頻器在技術(shù)上向高性能、模塊化、專用化、多功能發(fā)展。用量不斷增加，價(jià)格不斷降低，行業(yè)組合兼并的結(jié)果，有向國(guó)外拓展的可能。

　　交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、整流子電動(dòng)機(jī)調(diào)速、液力偶合調(diào)速，乃至直流調(diào)速。因而在鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、吊車、城市供水、中央空調(diào)及污水處理行業(yè)得到普遍應(yīng)用。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是作為機(jī)電能量變換器的電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。

　　2.發(fā)展趨勢(shì)

　　變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響，二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗（即效率），這此以交—直—交變頻器為例，從技術(shù)上看在以下幾個(gè)方面會(huì)進(jìn)一步得到發(fā)展：

　　1．主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進(jìn)一步降低。

　　2．變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的常采用6脈沖變流器，而對(duì)中壓大容量的采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的常采用兩電平的橋式逆變器，而對(duì)中壓大容量的采用多電平逆變器。

　　3．脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法：正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制。消除指定次數(shù)諧波的PWM控制。電流跟蹤控制。電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。

　　4．交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展：由標(biāo)量控制（V／f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制）向高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展。開發(fā)無(wú)速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，電力電子的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅），使電力電子新器件進(jìn)入到高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、微小型化、智能化和低成本化的時(shí)代，多種適宜變頻調(diào)速的新型電氣設(shè)備正在開發(fā)研制之中。IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與變頻器相關(guān)的技術(shù)將影響其發(fā)展的趨勢(shì)。

　　交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決（基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開發(fā)問題（在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)）。其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng)：

　　智能化

　　智能化的變頻器安裝到系統(tǒng)后，不必進(jìn)行那么多的功能設(shè)定，就可以方便地操作使用，有明顯的工作狀態(tài)顯示，而且能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷與故障排除，甚至可以進(jìn)行部件自動(dòng)轉(zhuǎn)換。利用互聯(lián)網(wǎng)可以遙控監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器按工藝程序聯(lián)動(dòng)，形成最優(yōu)化的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。

　　基于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場(chǎng)控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)?；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。

　　環(huán)?；?/p>

　　保護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。今后的變頻器將更注重于節(jié)能和低公害，即盡量減少使用過程中的噪聲和諧波對(duì)電網(wǎng)及其他電氣設(shè)備的污染干擾。

　　清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對(duì)電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對(duì)大容量變流器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)清潔電能的變換。

　　專門化

　　根據(jù)某一類負(fù)載的特性，有針對(duì)性地制造專門化的變頻器，這不但有利于經(jīng)濟(jì)有效地控制負(fù)載的電動(dòng)機(jī)，而且可以降低制造成本。例如：風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器，起重機(jī)械專用變頻器，電梯控制專用變頻器，張力控制專用變頻器和空調(diào)專用變頻器等。

　　緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對(duì)縮小裝置的尺寸也很有效。

　　一體化

　　變頻器將相關(guān)的功能部件，如參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器和通信單元等有選擇地集成到內(nèi)部組成一體化機(jī)，不僅使功能增強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性增加，而且可有效縮小系統(tǒng)體積，減少外部電路的連接。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在已經(jīng)研制出變頻器和電動(dòng)機(jī)的一體化組合機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)體積更小，控制更方便。

　　以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了強(qiáng)有力的支持。

　　總之，變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著智能、操作簡(jiǎn)便、功能健全、安全可靠、環(huán)保低噪、低成本和小型化的方向發(fā)展。

　　3.變頻器發(fā)展方向

　　隨著變頻高速技術(shù)的發(fā)展與綜合利用，使變頻器行業(yè)在水泥、電梯、印刷、電力等現(xiàn)代化以及醫(yī)學(xué)、通訊、交通、運(yùn)輸、電力、電子、環(huán)保等領(lǐng)域得到空前的發(fā)展和應(yīng)用，幾乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)都與變頻器密不可分。從整體看，目前我國(guó)變頻器行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。由于市場(chǎng)極具吸引力，不但市場(chǎng)已形成一定規(guī)模，而且潛在容量也十分可觀，不斷吸引著行業(yè)新參與者。隨著國(guó)內(nèi)廠家的技術(shù)進(jìn)步和質(zhì)量穩(wěn)定性的提升，加上服務(wù)和價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來幾年高端產(chǎn)品被國(guó)外廠家壟斷的市場(chǎng)局面將有所改觀。

　　我國(guó)變頻器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有300多家，但是實(shí)力與規(guī)模參差不齊，近年來，本土變頻器品牌經(jīng)過多年蓄力，逐步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，進(jìn)口產(chǎn)品的市場(chǎng)份額已經(jīng)被國(guó)內(nèi)變頻器企業(yè)超越。然而，我國(guó)變頻器配套產(chǎn)業(yè)實(shí)力相對(duì)較弱，缺乏技術(shù)優(yōu)勢(shì)，高端市場(chǎng)占有率依然與外資品牌存在差距。國(guó)內(nèi)變頻器企業(yè)在鞏固中低壓市場(chǎng)地位的同時(shí)，更加速推進(jìn)高端化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，截至2018年底，雖然外資占據(jù)低壓變頻器高端市場(chǎng)80%以上份額，但內(nèi)資正處于從提供單一變頻器產(chǎn)品向提供綜合解決方案轉(zhuǎn)變的階段，未來市場(chǎng)占有率和盈利能力有望大幅提升。

　　中國(guó)變頻器市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間，目前則達(dá)到100億元左右。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大和用戶端需求的多樣化，國(guó)內(nèi)變頻器產(chǎn)品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化越來越高，并且已經(jīng)出現(xiàn)某些專用變頻器產(chǎn)品。據(jù)了解，近年來，中國(guó)變頻器的市場(chǎng)保持著12-15%的增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)至少在未來5年內(nèi)將會(huì)保持10%以上的增長(zhǎng)率。目前，中國(guó)市場(chǎng)上變頻器安裝容量（功率）的增長(zhǎng)率實(shí)際上在20%左右，預(yù)計(jì)至少在10年以后，變頻器市場(chǎng)才能飽和并逐漸成熟。
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