變頻器的現狀及發展趨勢

張祥星，杜慧慧，張連營，劉 輝

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

變頻器的現狀及發展趨勢

張祥星a，杜慧慧b，張連營c，劉 輝a

（西南大學，a.工程技術學院；b.動物科技學院；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外發展現狀、應用以及應用中存在的部分問題，并介紹了未來的發展趨勢，為今后我國變頻器的發展提供參考依據。

變頻器；控制；干擾；發展趨勢

隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，自20世紀60年代起，變頻器問世到現在，經過數十年的發展，已經開始逐漸成熟完善起來。尤其是高壓大功率變頻調速裝置，不斷成熟。近年來，一些新技術、新材料的出現和應用，研制出了更好的器件或是單元串聯，這樣就進一步解決了一直以來困擾人們的高壓問題。使其應用的領域和范圍更加廣泛，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國家廣泛使用，并隨進口設備配套引入中國，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，而這些設備大部分都有節能的潛力。大力發展高壓大功率變頻調速技術，具有深遠的意義[4]。

同時，隨著社會的發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，我國提出了建設節能型社會，倡導和諧發展。因此，在做好高壓大功率變頻器應兼顧中小功率變頻器的發展，這是我國變頻器行業今后發展的一大總體趨勢。

1 變頻器的發展現狀

1.1 國外變頻器現狀

國外變頻器產業發展歷史較長，除日本外，美、英、德、法、意等發達國家，目前也都已形成了較完整的變頻器技術產業體系。同時，幾乎所有的產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。目前西方各國現階段的發展狀況，主要表現在如下方面：

（1）變頻調速技術發展較久，具有一定的產業化規模，生產經驗、技術水平和產品品質較高；

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

（3）與變頻器相關的產業已經初具規模，形成了產業化生產，能夠生產諸如IGBT、IGCT、SGCT等變頻器中的多種功率器件；

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

1.2 國產變頻器現狀

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

（1）國外各大品牌的產品，加快了占領國內市場的步伐并將產品本地化，但我國目前變頻器市場較大，仍有巨大的發展潛力；

（2）多數企業不具有足夠資金進行科研和規?；a，生產工藝相對落后，產品的技術含量低，品質有待提高，但總體上價格低廉；

（3）國內高壓變頻器尚未形成一套完備的標準，產品差異性大，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）高壓變頻器周邊產業少，不夠發達，約束了高壓變頻器的發展速度，很多變頻器中的主要功率器件，無法自行生產，如：驅動電路，電解電容等；

（5）自主研發能力在逐步提高，與發達國家的技術差距在縮小，自主創新的技術和產品也逐步得到應用；

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

2 變頻技術的發展現狀

變頻技術發展至今，總結起來從控制的角度而言，先后經歷了這樣4個階段：矢量控制、磁通控制、轉矩控制、智能（PWM）控制等這4個階段。

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

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

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

3 變頻器的應用

3.1 變頻調速

變頻器最早應用于調速系統，這也是變頻器產生的最初目的。目前，這一技術已經成熟，尤其是在西方發達國家。西方工業發達國家由于發展較早，變頻器調速技術業已形成產業化，具有相當規模和實力。

變頻調速，目的就是利用變頻器實現對電機的調速，來達到各種工作狀態的控制的要求；它是通過改變電機定子的供電頻率，來改變同步轉速而實現調速的。由電機轉速的數學公式可知，電機的實際轉速，取決于電機定子的旋轉磁場

其中，對于某一電機來說，旋轉磁場轉速完全取決于供電頻率，t為時間常數，p為電機的極對數，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發生改變，則轉速n會隨之發生改變，使公式中各量達到平衡，從而實現調速的目的[9～10]。

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

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

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

（3）不受電源頻率的影響，可以實現多種控制，如：開環、閉環手動/自動控制；

（4）提高了電機的使用效率，功率因數隨轉速功率的增大而增大；

（5）內部的微控制器，可以實現一機多控，具有良好的經濟效益；

（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 高效節能

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

據調查顯示，針對注塑機采用變頻調速，且不改變注塑機原來的結構，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），平均節電40%，較好地取代過去的比例閥節流調速方式，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發電機組，鍋爐引風機為1250 kW/6 kV的2臺。1998年采用變頻調速技術拖動高壓引風機，是我國電廠大型機組首次采用變頻調速，經黑龍江電力科學院測試考核：發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中壓鍋爐引風機采用變頻調后，年節電67萬kW·h，節電率為67.7%，鍋爐燃燒率提高1.6%，節省燃料油989 t[12]。

變頻器在其他方面的應用，如變頻調速在供水、空調設備、過程控制、電梯、機床等方面的應用，既保證了調節精度，又減輕了勞動工人的工作強度，還提高了經濟效益。

變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的一種新的高科技技術。它以極好的調速、節能性能，在各行各業中得到了廣泛的應用。不但大大降低了能源消耗，而且還取得了非常好的經濟效益。

由此可見，對能源的有效利用，在我國已經非常迫切。尤其是作為能源消耗大戶之一的電動機，在節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，約占工業耗電量的80%。通過對它們采用變頻控制技術之后，獲得的效益，是顯而易見的，變頻器在節能方面的應用，是不容忽視的。

4 變頻器技術存在的問題和發展趨勢

4.1 變頻器技術存在的問題

變頻器在使用中存在的主要問題，是干擾問題。電網是一個非常復雜的結構，電網諧波是對變頻器產生干擾的主要干擾源。諧波源的產生，主要有各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備、非線性負載以及照明設備等等。這些設備在啟動和工作的時候，產生一些對電網的沖擊波（即電磁干涉），使得電網中的電壓、電流的波形發生一定的畸變，對電網中的其他設備產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中的這些諧波的影響，從而穩定工作。其次，另一種共模干涉，則通過變頻器的控制線，對控制信號產生一定的干擾，影響其正常工作[13～14]。

4.2 變頻器的發展趨勢

隨著節約環保型社會發展模式的提出，人們開始更多地關注起生活的環境品質。節能型、低噪聲變頻器，是今后一段時間發展的一個總趨勢。我國變頻器的生產商家雖然不少，但是缺少統一的、具體的規范標準，使得產品差異性較大。且大部分采用了V/F控制和電壓矢量控制，其精度較低，動態性能也不高，穩定性能較差，這些方面與國外同等產品相比有一定的差距[1,3,5,7,15]。

就變頻器設備來說，其發展趨勢主要表現在以下方面：

（1）變頻器將朝著高壓大功率和低壓小功率、小型化、輕型化的方向發展。

（2）工業高壓大功率變頻器，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、磁通控制和直接轉矩控制等技術的應用，將趨于成熟。

（5）全面實現數字化和自動化：參數自設定技術，過程自優化技術，故障自診斷技術。

（6）高性能單片機的應用，優化了變頻器的性能，實現了變頻器的高精度和多功能。

（7）相關配套行業正朝著專業化、規模化發展，社會分工逐漸明顯。

（8）伴隨著節約型社會的發展，變頻器在民用領域的使用，會逐步得到推廣和應用。

5 結束語

總之，隨著節約、環保型社會的提出和發展，隨著人們對節能降耗、生活品質、環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展，將會有更廣闊的前景。同時，新技術的不斷應用，變頻器的性能會更加優良。

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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

南方丘陵山區微耕機系列產品及專用節能發動機研究（CSTC，2007AA1001）

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