變頻器的應用與發展

變頻器的應用

變頻器主要用于交流電動機(異步電機或同步電機)轉速的調節，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著的節能作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發展和廣泛的應用。在電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業以及公用工程（中央空調、供水、水處理、電梯等）中，變頻器都在發揮著重要作用。
　　
（1）變頻器與節能
　　
變頻器產生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60-70％為動力電，而在總容量為5.8億千瓦的電動機總容量中，只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據分析，在中國，帶變動負載、具有節能潛力的電機至少有1.8億千瓦。因此國家大力提倡節能措施，并著重推薦了變頻調速技術。
　　
應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。以風機水泵為例，根據流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非常可觀。與此類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產電動機的容量，故設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的節能潛力巨大。
　　
作為節能目的，變頻器廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調、水處理等行業。以電力行業為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求，降低內部電耗成為電廠關注焦點，因此變頻器在電力行業有著巨大的發展潛力，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。研究顯示，僅電力行業，2003年的變頻器市場規模就達到了2.5億元。因此，變頻器的節能應用前景非常廣闊。
　　
（2）變頻器與工藝控制（速度控制）
　　
目前，中國的設備控制水平與發達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設備控制水平至關重要。由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用。
　　
以紡織行業為例，中國具有世界最大的紡織產品生產能力，市場范圍遍及全球，產業規模龐大。紡織與化纖行業也是變頻器應用最多、使用密度最高的行業。在最常見的化纖機械設備中，選用變頻器的設備有螺桿擠出機、紡絲機和后加工機等。選用變頻器較多的棉紡設備主要有細紗機、粗紗機、精梳機等。這些設備都要求精確速度控制、多單元同步傳動或比例同步(牽伸)傳動等，應用變頻器可以提高工藝要求、提升產品質量，同時減輕了人工的勞動強度、提高了生產效率，可以說，變頻器是紡織行業增強國際競爭能力的重要裝備。市場調查顯示，2003年變頻器在紡織與化纖行業的市場規模超過了10億元。
　　
此外，在食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業，國內的企業需要擴大生產規模，提高生產技術，因此變頻器的應用前景和發展潛力都不可小覷。
　　
（3）變頻家電
　　
除了工業相關行業，在普通家庭中，節約電費、提高家電性能、保護環境等受到越來越多的關注，變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應用趨勢。帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調等，在節電、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的優勢。目前，中國是世界上最主要的家電供應國，但家電采用變頻器的比例很低，而在日本，90％以上的家電是變頻控制。據調查，2003年，中國的變頻家電同比增長超過200％，但體現在市場中的變頻家電并不多見，因此，變頻家電具有非常好的發展潛力。
　　
（4）前景廣闊的中國變頻器市場
　　
中國擁有龐大的產業群，并保持著持續穩定的發展；與國際接軌，眾多的企業需要提升國際競爭力；人們生活質量不斷提高等。這些都是變頻器市場的增長驅動力和更廣泛應用的基礎。
　　
中國工控網發布的2004中國變頻器市場研究報告顯示，中國的變頻器市場在過去幾年內保持著12％-20％的高速增長，在2003年，由于工業行業及建筑業的迅猛發展以及各行業的大量投資，當年同比增長達到了近40％，市場規模超過了55億元人民幣。進入2004年，因2003年的市場基數突然增大，加上國家加強了對冶金、建材等行業的宏觀控制，變頻器市場增長率將大幅回落。但由于中國經濟的整體快速發展和中國加入WTO，市場對產品的要求將逐步提高，提升生產設備的水平勢在必行，用于生產工藝控制的變頻器將越來越多地被采用，另一方面，我國電力供需嚴重失衡，高峰季節的限閘拉電現象普遍，節能呼聲空前。因此，在未來三年內，中國變頻器市場仍將保持著10％左右的快速增長。中國工控網的市場研究報告認為，至少在10年以后，中國的變頻器市場才能飽和并趨于成熟，因此，中國的變頻器市場具有廣闊的發展空間。

當今變頻器產業得到飛速發展，變頻器產品的產業化規模日趨壯大。交流變頻器自20世紀60年代問世，到20世紀80年代在主要工業化國家已廣泛使用，而從20世紀90年代以來，隨著人們節能環保意識的加強，變頻器的應用越來越普及。

　　一、變頻器應用日趨普及

　　變頻調速能夠應用在大部分的電機拖動部分，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴于機械部分)，同時可以比原來的定速運行電機更加節能。下面例舉使用變頻調速的10個理由，來說明變頻器應用在國外日趨普及的基本認識:

　　（一）控制電機的啟動電流

　　當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生7～8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調速則可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉矩提升）。一旦頻率和電壓的關系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應增加。

　　（二）降低電力線路電壓波動

　　在電機工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網的容量。電壓下降將會導致同一供電網絡中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常，如PC機、傳感器、接近開關和接觸器等均會動作出錯。而采用變頻調速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，則能最大程度上消除電壓下降。

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　　電機功率與電流和電壓的乘積成正比, 那么通過工頻直接啟動的電機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一些工況下其配電系統已經達到了最高極限，其直接工頻啟動電機所產生的電涌就會對同網上的其他用戶產生嚴重的影響, 從而將受到電網運行商的警告, 甚至罰款。如果采用變頻器進行電機起停, 就不會產生類似的問題。

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　　變頻調速能在零速啟動并按照用戶的需要進行光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇（直線加速、S形加速或者自動加速）。而通過工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產生劇烈的振動。這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命。另外，變頻啟動還能應用在類似灌裝線上，以防止瓶子倒翻或損壞。

　　（五）可調的運行速度

　　運用變頻調速能優化工藝過程，并能根據工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現速度變化。

　　（六）可調的轉矩極限

　　通過變頻調速后，能夠設置相應的轉矩極限來保護機械不致損壞，從而保證工藝過程的連續性和產品的可靠性。目前的變頻技術使得不僅轉矩極限可調，甚至轉矩的控制精度都能達到3％～5％。在工頻狀態下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設置精確的轉矩值來動作。

　　（七）受控的停止方式

　　如同可控的加速一樣, 在變頻調速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇（減速停車、自由停車、減速停車＋直流制動），同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統更加可靠，壽命也會相應增加。

　　（八）節能

　　離心風機或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗，這在十幾年的工程經驗中已經得到體現。由于最終的能耗是與電機的轉速成立方比，所以采用變頻后投資回報就更快，廠家也樂意接受。

　　（九）可逆運行控制

　　在變頻器控制中，要實現可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣就能降低維護成本和節省安裝空間。

　　（十）減少機械傳動部件

　　由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現高效的轉矩輸出,，從而節省齒輪箱等機械傳動部件, 最終構成直接變頻傳動系統。從而就能降低成本和空間, 提高穩定性。

　　 二、變頻器產品的形式異彩紛呈

　　2004年出現了OEM化變頻器升級換代、網絡變頻器的進一步增強、矩陣變頻器的成形等特點，使得不同形式、不同類別、不同功能的變頻器在市場中異彩紛呈。

　　（一） OEM化變頻器升級換代

對于異步電機的控制方式而言，普通工頻啟動相對成本更省，而變頻器的花費則會更高、體積會更大，所以在很多自動化機械設備中，變頻器采用率并不是很高，機械商也不是很積極地安裝變頻器，盡管變頻器有這樣或那樣的好處。通用型變頻器經過數十年的發展，OEM化變頻器在2004年已經取得了關鍵性突破，并進行升級換代。

SEW公司的OEM化產品Movitrac LT 以SEW為例，其在2004年10月墨爾本自動化展會上展出了其最新的OEM化產品Movitrac LT，是對原先的Movitrac的進一步升級，非常適合OEM配套使用在風機、水泵、機床工具和傳送帶上。由于采用最新先進工藝的功率模塊，其采用書架式的體積將更小。為了OEM商使用，其接線方式如同接觸器一般，安裝方式則更加簡單，運行調整則以基本的14個參數為前提。

該變頻器具有更加強大的軟件功能（新增幫助卡）、更加安靜的噪音設計（開關頻率可達32kHz）、更加合理的散熱設計（接近冷盤功能）、更加友好的環保功能（內置RFI濾波器）。

　　（二）變頻器的網絡功能增強

　　數字化網絡功能在2004年變頻器國際展會上就均是“重頭戲”，包括AB公司的PF系列變頻器，都提供了網絡接入方案，如最新的PowerFlex 4變頻器具有內置的RS485通訊能力，可以用在多種網絡聯接中使用，同時PowerFlex 4變頻器可以通過裝有DriveExplorerTM或DriveExecutiveTM軟件的微機進行編程和控制。

　　作為執行機構，變頻器的網絡化配置主要基于三個層面:設備層、控制層和信息層?？梢耘浣幼罨镜?SPAN lang=EN-US>RS232/RS485串行通訊協議、PROFIBUS等的現場總線協議以及INTERNET局域網協議。

　　在網絡化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通訊連接的變頻器系統可以最大程度上降低系統維護時間、提高生產效率、減少運行成本。目前安裝的現場總線模塊有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和 Modbus Plus等。用戶可以有更大的自由根據生產過程來選擇PLC型號和品牌，并非常簡單地集成到現有地網絡中去。而且通過現場總線模塊，可以不考慮變頻器的型號，而以同一種編程語言和程序結構來與不同功率段、不同型號地變頻器進行組構，如功率、速度、轉矩、電流、設定值等。

　　（三）矩陣變頻器的出現

大家都知道，由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節,，能實現功率因數為l，且能四象限運行，系統的功率密度大，因此矩陣變頻器一直成為國際大公司的研發對象。

　　在2004年4月的漢諾威國際展覽會上，安川公司展示了即將生產的矩陣變頻器的原型，并表示公司計劃在2005年啟動銷售策略，同時已經在日本市場上現場測試和運行了好幾臺矩陣變頻器。在安川矩陣變頻器中有9個開關，每一個都有2個IGBT雙向開關組成，能允許正向電壓和負相電壓通到電機上。IGBT數量的增加是導致矩陣變頻器造價昂貴的其中一個因素。矩陣變頻器使用了三相電壓輸入來控制輸出電壓，這就不僅能吸收任何電流雜波，也能提供清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。這也是矩陣變頻器吸引人們的一個重要點:能大大降低輸入電流諧波的產生，只有傳統交—直—交變頻器的約20％。而且矩陣變頻器的電流幾乎是正弦波，即使在帶載情況下，也是如此。當有再生發電時，電流能以180°轉換并反饋到電網中，而且也是以正弦波方式。在再生制動方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動電阻或特殊的變換器。反饋回的電亦無需額外的設備（如變壓器等）進行處理。總之，傳動能在四象限高效率運行。

　　安川公司起初的計劃是將新的矩陣變頻器主要用到能夠發揮其長處和優點的場合中，如它的處理再生能量功能，在起重、電梯、離心機和其他需要連續電動又連續制動發電的場合。當然，它也可以裝在那些需要制動，但又沒有空間安裝制動電阻或者安裝電阻會引起意外事故的地方，如酒精廠、化工廠等。另外一個非常有潛力的地方，就是需要有低諧波的應用場合。如在輪船上，就能允許安裝更小的發電機組。在一些隔離系統中能降低設備的體積，而省去了類似12脈沖變頻器系統中的額外變壓器。在安川的計劃中，矩陣變頻器將逐步覆蓋400V的5.5 kW～22kW，直至75kW，當然也有200V級的5.5 kW～45kW變頻器。至于價格策略目前尚未公布，但基本上為目前通用功率段傳統變頻器的約2倍。

三、變頻器不同功率段的市場期望差異

　　國外資深傳動調查機構drivemag從2003年底到2004年底跨越整年度的問卷表明:變頻器的傳動功率在大功率段是個賣方市場。此次問卷的讀者覆蓋全球各大洲的40多個國家，涉及的品牌多達55個，制造商分布在北美、歐洲、日本和亞洲新興地區，行業遍及重工、輕工、市政公用等，問卷的主體是從事商務、操作和設計人員。

　　100%的買方都坦言他們購買中低功率段的變頻器，同時所有的供應商都能提供相應功率段的變頻器。而在中高功率段（如超過10HP，即7.5kW），大部分買主都認為其數量要少得多，供應商則基本都能提供用戶所需求的功率段變頻器。

　　然而，更多的供應商（廠商）更把目光放在中高功率段或更高的功率范圍內，而買主(用戶)則相對關注少一點。事實上，隨著功率的增加，用戶不需要更高功率的電機來運作，所以也同樣不需要相應的高功率變頻器。但是一旦有采用高功率段變頻器的用戶，廠商就會非常關心，因為高功率段變頻器的產值更高。

　　在問及今后變頻器的市場走向時，許多變頻器廠商相信，基于三個因素，在重工業采用高功率變頻器將會增速:

　　1．高功率段的變頻器價格相對低廉，平均每HP或每kW的價格大大低于中低功率段變頻器的價格;

　　2．高功率段的技術可靠性要大大高于小功率段，由于在制造成本和設計空間上沒有象小功率段那么苛刻，所以其故障率大大低于小功率段變頻器;

　　3．高功率段的電機所需的變頻器產品相對比較標準，應用場合即使復雜，其控制思路還是大大簡化。

　　假如未來高功率變頻器市場如預期的那么樂觀，將來會有越來越多的廠商介入其中，一些原先只做如75kW級中功率變頻器的廠商會把功率段放高到280kW甚至400kW以上。隨著大量廠商加入，高功率變頻器價格將會下滑，用戶對廠商的產品供應鏈、服務環節就會更加嚴格。

　　在高功率市場增長的同時, 其相應的集成項目和成套產業也會大幅度增長, 將會大量涵蓋到不僅包括離心風機和水泵在內的其他高功率電機場合，如攪拌機、壓縮機等。

　　四、變頻器服務市場的進一步超值

　　據權威的市場調查表明，用戶將花費在變頻器服務上的費用更多, 其服務內容包括施工、設計、配置、集成和在線支持, 而花費在變頻器產品本身的費用比重將大幅度降低。據估計2004年北美市場變頻器產品的銷售額約為10億美元, 而變頻器服務市場的銷售額將至少有約18億美元。

　　然而，相對于最終用戶而言，變頻器的服務價值與產品價值之間的關系并不一定一成不變，甚至差別很大。比如，在成熟的工業應用中，一般的標準傳動就能基本符合用戶的要求，同時用戶經驗豐富，此時變頻器的服務費用也許就只有產品費用的20％，甚至更低。但是在應用工況復雜、傳動的計算機控制程度高、工廠信息化要求與執行電機掛鉤的情況下，這時候用戶花費在變頻器系統設計、集成等上的服務費用將大大超過產品本身的價值，甚至可以達到6～8倍。比如在造紙生產線、冶金等行業。

　　經調查中也發現，變頻器服務市場的產值分布來看:傳動制造商只獲得其中25％的份額，余下的75％將由集成商（占44％）、商業承銷商（7％）、工業承銷商（7％）、OEM客戶和其他（17％）分攤。

　　就變頻器服務市場的發展趨勢來看, 大致有以下可能:

　　1．相對于變頻器產品技術和價格壓力而言，變頻器服務市場的技術要求會更高，價格壓力也將更重;

　　2．系統集成商和承銷商只有具備更靈活的機制、更簡潔的企業架構才能在激烈的變頻器服務市場分得一杯羹;

　　3．盡管變頻器產品技術將朝著更先進的方向發展，其產品價值也將飛升，但并不意味著變頻器服務市場的蛋糕會少起來。

近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。

1 我國變頻調速技術的發展概況

電氣傳動控制系統通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動機以節約電能和控制機械的運轉狀態（位置、速度、加速度等），實現電能-機械能的轉換，達到優質、高產、低耗的目的。電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速又分