浅谈变频器技术在工业节能领域的应用

宁志刚

(海马（郑州）汽车有限公司，河南 郑州 450016)

前言

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

1 变频器的应用现状

1.1 变频器与节能

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。

1.2 变频器与工艺控制（速度控制）

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

2 国内变频技术的现状和发展前景

2.1 变频器的发展历程

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪50年代末，美国通用电气公司推出了电力半导体组件晶闸管（可控硅SCR），给变频技术提供了划时代意义的基础硬件。进入70年代，由于直流电机的调速局限性，交流电机越来越受到人们的青睐。随着市场需求的增长，技术也日益发展和完善。1971年，美国、德国提出了矢量控制技术，使得变频器的交流调速性能可以和直流调速相媲美。1973年，美国提出了电力电子技术这一新的技术学科，其最大应用领域就是调速传动。1979年，日本采用矢量控制的变频调速系统开始实用化，技术又上了一个新台阶。到了20世纪80年代，由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步，变频器性能及可靠性提高，生产成本下降，其应用开始普及。

几十年间，电力电子器件也从最初的SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管），经过BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管），发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使变频器的应用领域更为广泛，市场规模随之迅速扩大。

2.1.1 品种和规格

品种和规格往往反应了一个企业所具有的技术实力的高低。纵观目前市场中的主流变频，欧美品牌通过模块化设计，可以做到很宽的功率段。而我国变频器配套产业的实力相对较弱，国产品牌无论在技术、加工制造、工业设计等方面还是在资金实力方面，都与国外品牌存在一定差距。目前，外资品牌在国内变频器市场的占有率约为80%。本土变频器企业主要生产V/F控制产品。对于性能优越、技术含量高的矢量变频器等产品，国内绝大多数企业还没有开发出成熟的产品。（这个是最大的问题，没有真正的高端产品，就只有在低端拼价格，最终的结果是内资品牌互斗俱伤）虽然个别表现突出的内资品牌如深圳英威腾、成都希望森兰等，已有同类档次较高的变频器产品问世，但与国际巨头相比，其产品的种类、规格还有待进一步充实和丰富。

2.1.2 高可靠性（稳定性）

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通常情况下采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%～200%）。用工频电源直接起动时，起动电流为6～7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。起动电流为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为70%～120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。

2.1.3 智能化与网络化

在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯网络连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。另外，通过现场总线模块，不同型号的变频器以同一种编程语言和通讯协议来与不同功率段、不同型号的变频器进行组态，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。

随着国内对大规模变频装置的需求上升，高档变频产品的开发成功，变频器智能化的开发已经成为当务之急。我们的变频基本性能还没有达到相应的水准，市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们已经看到国内一些变频企业进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的变频标准。

2.1.4性能指标

变频器的性能指标可以从输出功率电压等级等方面来衡量.变频器可以分为低压（110V，220V，380V 等）、 中 压（660V/690V，1140V，2300V） 和 高 压（3kv，3.3kv，6kv，6.6kv，10kv等）变频器，高压变频器通常采用IGBT多级串联的技术，而中压变频器和低压变频器不需要，由于这一技术方面明显的分界线，使得业内人士通常把中低压变频器归为一个大类，和高压变频器分开。

2.2 变频器的现状

2.2.1 可调的转矩极限

通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3%～5%左右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。

2.2.2 受控的停止方式

如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。

2.2.3 可逆运行控制

在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。

2.2.4 减少机械传动部件

由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出，从而节省齿轮箱等机械传动部件，最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间，提高稳定性。

当然，使用变频器进行工艺控制，其优点还有很多，根据不同的工艺控制选择不同的变频器运行方式，所产生的效果也不一样。

3 结语

采用变频调速技术是工业企业中节能降耗、保证工艺的重要途径，在实际应用中取得的效果和效益有目共睹，以上试图从市场的角度剖析变频器的容量、占有率和主要的应用领域，与广大读者一同探讨变频器的发展。

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