變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張祥星，杜慧慧，張連營，劉 輝

（西南大學(xué)，a.工程技術(shù)學(xué)院；b.動物科技學(xué)院；c.重慶市潔凈能源與先進材料研究院，重慶 400715）

變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張祥星a，杜慧慧b，張連營c，劉 輝a

（西南大學(xué)，a.工程技術(shù)學(xué)院；b.動物科技學(xué)院；c.重慶市潔凈能源與先進材料研究院，重慶 400715）

主要介紹了變頻器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用以及應(yīng)用中存在的部分問題，并介紹了未來的發(fā)展趨勢，為今后我國變頻器的發(fā)展提供參考依據(jù)。

變頻器；控制；干擾；發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，自20世紀60年代起，變頻器問世到現(xiàn)在，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)開始逐漸成熟完善起來。尤其是高壓大功率變頻調(diào)速裝置，不斷成熟。近年來，一些新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，研制出了更好的器件或是單元串聯(lián)，這樣就進一步解決了一直以來困擾人們的高壓問題。使其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍更加廣泛，同時，也使得更為高效、合理地利用能源成為可能。20世紀80年代開始，變頻器在西方主要工業(yè)國家廣泛使用，并隨進口設(shè)備配套引入中國，至90年代時，在中國得到迅速推廣[1～3]。

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。電動機是國民經(jīng)濟中主要的耗電大戶，高壓大功率電動機更為突出，而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)，具有深遠的意義[4]。

同時，隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，中小功率的變頻器又逐漸突顯出其不可替代的作用。近年來，我國提出了建設(shè)節(jié)能型社會，倡導(dǎo)和諧發(fā)展。因此，在做好高壓大功率變頻器應(yīng)兼顧中小功率變頻器的發(fā)展，這是我國變頻器行業(yè)今后發(fā)展的一大總體趨勢。

1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外變頻器現(xiàn)狀

國外變頻器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史較長，除日本外，美、英、德、法、意等發(fā)達國家，目前也都已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。同時，幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能，完善的工藝水平，也是國外品牌的一大特點。目前西方各國現(xiàn)階段的發(fā)展狀況，主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較久，具有一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，生產(chǎn)經(jīng)驗、技術(shù)水平和產(chǎn)品品質(zhì)較高；

（2）能夠生產(chǎn)1萬kW以上的SCR變頻器，如美國的A-B公司等，但沒有10 kV高壓產(chǎn)品；

（3）與變頻器相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，能夠生產(chǎn)諸如IGBT、IGCT、SGCT等變頻器中的多種功率器件；

（4）新技術(shù)、新工藝不斷廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品中，促進了高壓、高功率、高精度、多功能、智能化變頻器的出現(xiàn)，使高壓變頻器在各個行業(yè)中被廣泛使用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益[5]。

1.2 國產(chǎn)變頻器現(xiàn)狀

目前，我國國產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，主要是交流380V的中小型變頻器，且大部分產(chǎn)品為低壓，而高壓大功率則很少，能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商更少，不過是少數(shù)幾個具備科研能力或資金實力強的企業(yè)。并且在技術(shù)方面，更是僅僅少數(shù)普遍采用V/F控制方式，對中、高壓電機進行的變頻調(diào)速改造。我國高壓變頻器的品種和性能，還處于發(fā)展的初步階段，仍需大量從國外進口。這一現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）國外各大品牌的產(chǎn)品，加快了占領(lǐng)國內(nèi)市場的步伐并將產(chǎn)品本地化，但我國目前變頻器市場較大，仍有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

（2）多數(shù)企業(yè)不具有足夠資金進行科研和規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)工藝相對落后，產(chǎn)品的技術(shù)含量低，品質(zhì)有待提高，但總體上價格低廉；

（3）國內(nèi)高壓變頻器尚未形成一套完備的標準，產(chǎn)品差異性大，需要進一步完備、完善高壓變頻器的標準，同時，國產(chǎn)高壓變頻器的功率等級較低，一般不超過3500 kW；

（4）高壓變頻器周邊產(chǎn)業(yè)少，不夠發(fā)達，約束了高壓變頻器的發(fā)展速度，很多變頻器中的主要功率器件，無法自行生產(chǎn)，如：驅(qū)動電路，電解電容等；

（5）自主研發(fā)能力在逐步提高，與發(fā)達國家的技術(shù)差距在縮小，自主創(chuàng)新的技術(shù)和產(chǎn)品也逐步得到應(yīng)用；

（6）已經(jīng)研制出具有瞬時掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等性能的變頻器，同時正在研發(fā)能夠進行四象限運行的高壓變頻器[6]。

2 變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

變頻技術(shù)發(fā)展至今，總結(jié)起來從控制的角度而言，先后經(jīng)歷了這樣4個階段：矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、智能（PWM）控制等這4個階段。

20世紀80年代后半期開始，歐美發(fā)達國家的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）變頻器，投入市場并廣泛應(yīng)用，使變頻器技術(shù)又達到一個新的水平[7]。

智能控制，是隨社會的發(fā)展，為了解決工程和技術(shù)問題的中實踐問題產(chǎn)生和發(fā)展起來的，隨著自動化程度的提高和普及，受控對象越來越復(fù)雜，對許多不易獲得數(shù)學(xué)模型或模型復(fù)雜的過程，經(jīng)常采用手動控制，這樣可以獲得更好的控制效果。由此，產(chǎn)生了在自動控制技術(shù)中借鑒熟練人員經(jīng)驗的想法，通過計算機控制技術(shù)來實現(xiàn)這一可能。

計算機在邏輯推理、判斷、識別、決策、學(xué)習(xí)等方面的功能，可以參照熟練操作人員和專家的經(jīng)驗與方法進行控制的工作。智能控制技術(shù)的發(fā)展，給交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略帶來了新思想、新方法，這也使得交流傳動系統(tǒng)的智能控制，成為當前的一個研究熱點[4～8]。

3 變頻器的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速

變頻器最早應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)，這也是變頻器產(chǎn)生的最初目的。目前，這一技術(shù)已經(jīng)成熟，尤其是在西方發(fā)達國家。西方工業(yè)發(fā)達國家由于發(fā)展較早，變頻器調(diào)速技術(shù)業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)化，具有相當規(guī)模和實力。

變頻調(diào)速，目的就是利用變頻器實現(xiàn)對電機的調(diào)速，來達到各種工作狀態(tài)的控制的要求；它是通過改變電機定子的供電頻率，來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。由電機轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式可知，電機的實際轉(zhuǎn)速，取決于電機定子的旋轉(zhuǎn)磁場

其中，對于某一電機來說，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速完全取決于供電頻率，t為時間常數(shù)，p為電機的極對數(shù)，f為供電電源頻率。對于某選定電機，p保持不變，若供電頻率 f發(fā)生改變，則轉(zhuǎn)速n會隨之發(fā)生改變，使公式中各量達到平衡，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的[9～10]。

變頻調(diào)速的優(yōu)點，是使得原來的機械調(diào)速轉(zhuǎn)變成純電氣化的智能調(diào)速，這種調(diào)速方式不但降低了成本，而且保持了原來的機械性能。變頻調(diào)速的具體特點有：

（1）可實現(xiàn)高效、高精度無級調(diào)速，調(diào)速比可達到20:1，符合傳動機械的要求；

（2）能夠軟啟、軟停，可以避免啟動時產(chǎn)生的沖擊電流對電網(wǎng)造成一定的破壞，啟動功耗小，壽命長，可靠性高；

（3）不受電源頻率的影響，可以實現(xiàn)多種控制，如：開環(huán)、閉環(huán)手動/自動控制；

（4）提高了電機的使用效率，功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速功率的增大而增大；

（5）內(nèi)部的微控制器，可以實現(xiàn)一機多控，具有良好的經(jīng)濟效益；

（6）為電機提供了多種保護功能，有利于電機的安全運行[11]。

3.2 高效節(jié)能

隨著社會的發(fā)展，能源危機日趨明顯，并制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性工業(yè)。但受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。

據(jù)調(diào)查顯示，針對注塑機采用變頻調(diào)速，且不改變注塑機原來的結(jié)構(gòu)，控制油泵幾個過程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），平均節(jié)電40%，較好地取代過去的比例閥節(jié)流調(diào)速方式，大幅度降低能耗，不少注塑廠都進行了變頻改造。如廈門燦坤改造470臺，威士茂科技改造95臺，東莞好景改造81臺，深圳富士康改造500多臺。

大慶新華電廠200MW發(fā)電機組，鍋爐引風(fēng)機為1250 kW/6 kV的2臺。1998年采用變頻調(diào)速技術(shù)拖動高壓引風(fēng)機，是我國電廠大型機組首次采用變頻調(diào)速，經(jīng)黑龍江電力科學(xué)院測試考核：發(fā)電機組在額定工況下（有功負載200MW）與未用變頻拖動相比，由原來的1790.4 kW下降了28.02%，在有功負荷80～180MW間運行下降了30%～56.3%。

石家莊煉油廠65 t/h中壓鍋爐引風(fēng)機采用變頻調(diào)后，年節(jié)電67萬kW·h，節(jié)電率為67.7%，鍋爐燃燒率提高1.6%，節(jié)省燃料油989 t[12]。

變頻器在其他方面的應(yīng)用，如變頻調(diào)速在供水、空調(diào)設(shè)備、過程控制、電梯、機床等方面的應(yīng)用，既保證了調(diào)節(jié)精度，又減輕了勞動工人的工作強度，還提高了經(jīng)濟效益。

變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的一種新的高科技技術(shù)。它以極好的調(diào)速、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。不但大大降低了能源消耗，而且還取得了非常好的經(jīng)濟效益。

由此可見，對能源的有效利用，在我國已經(jīng)非常迫切。尤其是作為能源消耗大戶之一的電動機，在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電動機的總裝機容量，已達4億kW，年耗電量達6000億kW·h，約占工業(yè)耗電量的80%。通過對它們采用變頻控制技術(shù)之后，獲得的效益，是顯而易見的，變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用，是不容忽視的。

4 變頻器技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢

4.1 變頻器技術(shù)存在的問題

變頻器在使用中存在的主要問題，是干擾問題。電網(wǎng)是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)諧波是對變頻器產(chǎn)生干擾的主要干擾源。諧波源的產(chǎn)生，主要有各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負載以及照明設(shè)備等等。這些設(shè)備在啟動和工作的時候，產(chǎn)生一些對電網(wǎng)的沖擊波（即電磁干涉），使得電網(wǎng)中的電壓、電流的波形發(fā)生一定的畸變，對電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生的這種諧波的影響，需要進行簡單的處理，即在接入變頻器處加裝電源濾波器，濾去干擾波，使變頻器盡可能小地收到電網(wǎng)中的這些諧波的影響，從而穩(wěn)定工作。其次，另一種共模干涉，則通過變頻器的控制線，對控制信號產(chǎn)生一定的干擾，影響其正常工作[13～14]。

4.2 變頻器的發(fā)展趨勢

隨著節(jié)約環(huán)保型社會發(fā)展模式的提出，人們開始更多地關(guān)注起生活的環(huán)境品質(zhì)。節(jié)能型、低噪聲變頻器，是今后一段時間發(fā)展的一個總趨勢。我國變頻器的生產(chǎn)商家雖然不少，但是缺少統(tǒng)一的、具體的規(guī)范標準，使得產(chǎn)品差異性較大。且大部分采用了V/F控制和電壓矢量控制，其精度較低，動態(tài)性能也不高，穩(wěn)定性能較差，這些方面與國外同等產(chǎn)品相比有一定的差距[1,3,5,7,15]。

就變頻器設(shè)備來說，其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）變頻器將朝著高壓大功率和低壓小功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展。

（2）工業(yè)高壓大功率變頻器，民用低壓中小功率變頻器潛力巨大。

（3）目前，IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR、GTO將會退出變頻器市場[2]。

（4）無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用，將趨于成熟。

（5）全面實現(xiàn)數(shù)字化和自動化：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)，過程自優(yōu)化技術(shù)，故障自診斷技術(shù)。

（6）高性能單片機的應(yīng)用，優(yōu)化了變頻器的性能，實現(xiàn)了變頻器的高精度和多功能。

（7）相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，社會分工逐漸明顯。

（8）伴隨著節(jié)約型社會的發(fā)展，變頻器在民用領(lǐng)域的使用，會逐步得到推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

總之，隨著節(jié)約、環(huán)保型社會的提出和發(fā)展，隨著人們對節(jié)能降耗、生活品質(zhì)、環(huán)保等等各方面認識的提高，變頻器的推廣將更加迅猛，市場需求將越來越大。未來變頻器在我國的發(fā)展，將會有更廣闊的前景。同時，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，變頻器的性能會更加優(yōu)良。

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Status and Development Tendency ofa Converter

ZHANG Xiang-xinga,DUHui-huib,ZHANG Lian-yingc,LIU Huia
(a.College of Engineering and Technology；b.College of Animal Science and Technology；c.Institute for Clean Energy&Advanced Materials(ICEAM)，Xinan University,Chongqing 400716,China)

This papermainly introduces the development status of the converter in home and abroad,as well as utilization and questions of it.Also we introduce the development tendency of it in the future,which will provide reference for the converter in China in the future.

converter；control；interface；development tendency

TN773

A

1672-545X（2011）09-0145-03

2011-06-13

南方丘陵山區(qū)微耕機系列產(chǎn)品及專用節(jié)能發(fā)動機研究（CSTC，2007AA1001）

張祥星（1983—），男，山東鄒城人，碩士研究生，農(nóng)業(yè)機械化工程專業(yè)，機電一體化方向；杜慧慧（1988-）女，山東泰安人，碩士研究生，微生物學(xué)專業(yè)，微生物代謝與調(diào)控方向；張連營（1986-）男，山東臨沂人，博士研究生，能源材料化學(xué)專業(yè)，電催化及能源工程方向；劉 輝（1985—），男，河南漯河人，碩士研究生，農(nóng)業(yè)機械化工程專業(yè)，機電一體化方向。