中礦傳動技術(shù)交流

行業(yè)研究

2021年11月22日發(fā)布

       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?？煞譃榻弧蛔冾l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機。在當今工業(yè)社會，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。

       變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。目前的運動控制系統(tǒng)已包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域， 總的發(fā)展趨勢是驅(qū)動的交流化、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，為實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無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電機的影響；二要看對電網(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，訂單增速放緩，我國變頻器市場出貨量下滑，國內(nèi)變頻器企業(yè)急需縮小技術(shù)差距，加強質(zhì)量控制，攻占高端市場。國內(nèi)變頻器市場增長率一直保持在12%～15%，市場潛在空間大約為1200億～1800億元。中低壓變頻器市場規(guī)模增長達10%～15%，預(yù)計市場規(guī)模接近200億元;高壓變頻器市場需求增速在40%以上，隨著需求持續(xù)攀升，市場規(guī)模有望達到121億元。

       在未來的兩年，冶金行業(yè)變頻器的市場需求主要集中在項目改造過程中的節(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)變頻器市場需求將進一步擴大，未來將保持20%左右的增長。

圖1  中礦傳動ACD系列變頻器

I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機。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、直流儲能和緩沖無功功率。

        交流電機變頻調(diào)速已成為當代電動機調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強、可靠性高、操作簡便、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。

        本文介紹了日、美、歐發(fā)達國家變頻調(diào)速技術(shù)進入我國市場和國產(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，價格不斷降低，行業(yè)組合兼并的結(jié)果，有向國外拓展的可能。

        交流電動機變頻調(diào)速已成為當代電機調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強、可靠性高、操作簡便、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、串級調(diào)速、整流子電動機調(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。

       運動控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，運動控制系統(tǒng)是作為機電能量變換器的電氣傳動技術(shù)的發(fā)展。當今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，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。

圖2  中礦傳動防爆系列變頻器

       變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實踐，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現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無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電機的影響，二要看對電網(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)上看在以下幾個方面會進一步得到發(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)損耗進一步降低。

2．變頻器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)方面：變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量的常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的采用多重化12脈沖以上的變流器。負載側(cè)變流器對低壓小容量的常采用兩電平的橋式逆變器，而對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．交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展：由標量控制（V／f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制）向高動態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展。開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

       進入21世紀，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。

        交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機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：

●智能化

       智能化的變頻器安裝到系統(tǒng)后，不必進行那么多的功能設(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，甚至可以進行部件自動轉(zhuǎn)換。利用互聯(lián)網(wǎng)可以遙控監(jiān)視，實現(xiàn)多臺變頻器按工藝程序聯(lián)動，形成最優(yōu)化的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。

      基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù)龋换诂F(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，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；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)保化

       保護環(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)和負載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，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，實現(xiàn)清潔電能的變換。

●專門化

       根據(jù)某一類負載的特性，有針對性地制造專門化的變頻器，這不但有利于經(jīng)濟有效地控制負載的電動機，而且可以降低制造成本。例如：風機、水泵用變頻器，起重機械專用變頻器，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，不僅使功能增強，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)報道，現(xiàn)在已經(jīng)研制出變頻器和電動機的一體化組合機，使整個系統(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，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計和測試提供了強有力的支持。

      總之，變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著智能、操作簡便、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。

圖3  中礦傳動PWM直流系列變頻器

        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，幾乎國民經(jīng)濟各行各業(yè)都與變頻器密不可分。從整體看，目前我國變頻器行業(yè)的競爭日趨激烈。由于市場極具吸引力，不但市場已形成一定規(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。隨著國內(nèi)廠家的技術(shù)進步和質(zhì)量穩(wěn)定性的提升，加上服務(wù)和價格方面的優(yōu)勢，預(yù)計未來幾年高端產(chǎn)品被國外廠家壟斷的市場局面將有所改觀。

      我國變頻器設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有300多家，但是實力與規(guī)模參差不齊，近年來，本土變頻器品牌經(jīng)過多年蓄力，逐步擴大市場占有率，進口產(chǎn)品的市場份額已經(jīng)被國內(nèi)變頻器企業(yè)超越。然而，我國變頻器配套產(chǎn)業(yè)實力相對較弱，缺乏技術(shù)優(yōu)勢，高端市場占有率依然與外資品牌存在差距。國內(nèi)變頻器企業(yè)在鞏固中低壓市場地位的同時，更加速推進高端化的產(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，未來市場占有率和盈利能力有望大幅提升。

      中國變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間，目前則達到100億元左右。隨著市場的擴大和用戶端需求的多樣化，國內(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，中國變頻器的市場保持著12-15%的增長率，預(yù)計至少在未來5年內(nèi)將會保持10%以上的增長率。 目前，中國市場上變頻器安裝容量(功率)的增長率實際上在20%左右，預(yù)計至少在10年以后，變頻器市場才能飽和并逐漸成熟。

圖4  中礦傳動智能電控系統(tǒng)

  （本稿件由中礦傳動市場部整理編輯，原文刊于2019《直驅(qū)與傳動》第六期。|作者：蔡曉偉 本文僅用于技術(shù)交流，如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系編者刪除。）

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