变频器的现状及发展趋势

张祥星，杜慧慧，张连营，刘 辉

（西南大学，a.工程技术学院；b.动物科技学院；c.重庆市洁净能源与先进材料研究院，重庆 400715）

变频器的现状及发展趋势

张祥星a，杜慧慧b，张连营c，刘 辉a

（西南大学，a.工程技术学院；b.动物科技学院；c.重庆市洁净能源与先进材料研究院，重庆 400715）

主要介绍了变频器的国内外发展现状、应用以及应用中存在的部分问题，并介绍了未来的发展趋势，为今后我国变频器的发展提供参考依据。

变频器；控制；干扰；发展趋势

随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，自20世纪60年代起，变频器问世到现在，经过数十年的发展，已经开始逐渐成熟完善起来。尤其是高压大功率变频调速装置，不断成熟。近年来，一些新技术、新材料的出现和应用，研制出了更好的器件或是单元串联，这样就进一步解决了一直以来困扰人们的高压问题。使其应用的领域和范围更加广泛，同时，也使得更为高效、合理地利用能源成为可能。20世纪80年代开始，变频器在西方主要工业国家广泛使用，并随进口设备配套引入中国，至90年代时，在中国得到迅速推广[1～3]。

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。电动机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率电动机更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，具有深远的意义[4]。

同时，随着社会的发展和人民生活水平的提高，中小功率的变频器又逐渐突显出其不可替代的作用。近年来，我国提出了建设节能型社会，倡导和谐发展。因此，在做好高压大功率变频器应兼顾中小功率变频器的发展，这是我国变频器行业今后发展的一大总体趋势。

1 变频器的发展现状

1.1 国外变频器现状

国外变频器产业发展历史较长，除日本外，美、英、德、法、意等发达国家，目前也都已形成了较完整的变频器技术产业体系。同时，几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平，也是国外品牌的一大特点。目前西方各国现阶段的发展状况，主要表现在如下方面：

（1）变频调速技术发展较久，具有一定的产业化规模，生产经验、技术水平和产品品质较高；

（2）能够生产1万kW以上的SCR变频器，如美国的A-B公司等，但没有10 kV高压产品；

（3）与变频器相关的产业已经初具规模，形成了产业化生产，能够生产诸如IGBT、IGCT、SGCT等变频器中的多种功率器件；

（4）新技术、新工艺不断广泛应用于产品中，促进了高压、高功率、高精度、多功能、智能化变频器的出现，使高压变频器在各个行业中被广泛使用，并取得了显著的经济效益[5]。

1.2 国产变频器现状

目前，我国国产变频器的生产，主要是交流380V的中小型变频器，且大部分产品为低压，而高压大功率则很少，能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商更少，不过是少数几个具备科研能力或资金实力强的企业。并且在技术方面，更是仅仅少数普遍采用V/F控制方式，对中、高压电机进行的变频调速改造。我国高压变频器的品种和性能，还处于发展的初步阶段，仍需大量从国外进口。这一现状主要表现在以下方面：

（1）国外各大品牌的产品，加快了占领国内市场的步伐并将产品本地化，但我国目前变频器市场较大，仍有巨大的发展潜力；

（2）多数企业不具有足够资金进行科研和规模化生产，生产工艺相对落后，产品的技术含量低，品质有待提高，但总体上价格低廉；

（3）国内高压变频器尚未形成一套完备的标准，产品差异性大，需要进一步完备、完善高压变频器的标准，同时，国产高压变频器的功率等级较低，一般不超过3500 kW；

（4）高压变频器周边产业少，不够发达，约束了高压变频器的发展速度，很多变频器中的主要功率器件，无法自行生产，如：驱动电路，电解电容等；

（5）自主研发能力在逐步提高，与发达国家的技术差距在缩小，自主创新的技术和产品也逐步得到应用；

（6）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等性能的变频器，同时正在研发能够进行四象限运行的高压变频器[6]。

2 变频技术的发展现状

变频技术发展至今，总结起来从控制的角度而言，先后经历了这样4个阶段：矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能（PWM）控制等这4个阶段。

20世纪80年代后半期开始，欧美发达国家的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）变频器，投入市场并广泛应用，使变频器技术又达到一个新的水平[7]。

智能控制，是随社会的发展，为了解决工程和技术问题的中实践问题产生和发展起来的，随着自动化程度的提高和普及，受控对象越来越复杂，对许多不易获得数学模型或模型复杂的过程，经常采用手动控制，这样可以获得更好的控制效果。由此，产生了在自动控制技术中借鉴熟练人员经验的想法，通过计算机控制技术来实现这一可能。

计算机在逻辑推理、判断、识别、决策、学习等方面的功能，可以参照熟练操作人员和专家的经验与方法进行控制的工作。智能控制技术的发展，给交流调速系统的控制策略带来了新思想、新方法，这也使得交流传动系统的智能控制，成为当前的一个研究热点[4～8]。

3 变频器的应用

3.1 变频调速

变频器最早应用于调速系统，这也是变频器产生的最初目的。目前，这一技术已经成熟，尤其是在西方发达国家。西方工业发达国家由于发展较早，变频器调速技术业已形成产业化，具有相当规模和实力。

变频调速，目的就是利用变频器实现对电机的调速，来达到各种工作状态的控制的要求；它是通过改变电机定子的供电频率，来改变同步转速而实现调速的。由电机转速的数学公式可知，电机的实际转速，取决于电机定子的旋转磁场

其中，对于某一电机来说，旋转磁场转速完全取决于供电频率，t为时间常数，p为电机的极对数，f为供电电源频率。对于某选定电机，p保持不变，若供电频率 f发生改变，则转速n会随之发生改变，使公式中各量达到平衡，从而实现调速的目的[9～10]。

变频调速的优点，是使得原来的机械调速转变成纯电气化的智能调速，这种调速方式不但降低了成本，而且保持了原来的机械性能。变频调速的具体特点有：

（1）可实现高效、高精度无级调速，调速比可达到20:1，符合传动机械的要求；

（2）能够软启、软停，可以避免启动时产生的冲击电流对电网造成一定的破坏，启动功耗小，寿命长，可靠性高；

（3）不受电源频率的影响，可以实现多种控制，如：开环、闭环手动/自动控制；

（4）提高了电机的使用效率，功率因数随转速功率的增大而增大；

（5）内部的微控制器，可以实现一机多控，具有良好的经济效益；

（6）为电机提供了多种保护功能，有利于电机的安全运行[11]。

3.2 高效节能

随着社会的发展，能源危机日趋明显，并制约着国民经济的发展和人民生活水平的提高，是国民经济发展的基础性工业。但受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。

据调查显示，针对注塑机采用变频调速，且不改变注塑机原来的结构，控制油泵几个过程的压力或流量（如锁模、合模、射胶、保压、脱模、退模等），平均节电40%，较好地取代过去的比例阀节流调速方式，大幅度降低能耗，不少注塑厂都进行了变频改造。如厦门灿坤改造470台，威士茂科技改造95台，东莞好景改造81台，深圳富士康改造500多台。

大庆新华电厂200MW发电机组，锅炉引风机为1250 kW/6 kV的2台。1998年采用变频调速技术拖动高压引风机，是我国电厂大型机组首次采用变频调速，经黑龙江电力科学院测试考核：发电机组在额定工况下（有功负载200MW）与未用变频拖动相比，由原来的1790.4 kW下降了28.02%，在有功负荷80～180MW间运行下降了30%～56.3%。

石家庄炼油厂65 t/h中压锅炉引风机采用变频调后，年节电67万kW·h，节电率为67.7%，锅炉燃烧率提高1.6%，节省燃料油989 t[12]。

变频器在其他方面的应用，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，既保证了调节精度，又减轻了劳动工人的工作强度，还提高了经济效益。

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的一种新的高科技技术。它以极好的调速、节能性能，在各行各业中得到了广泛的应用。不但大大降低了能源消耗，而且还取得了非常好的经济效益。

由此可见，对能源的有效利用，在我国已经非常迫切。尤其是作为能源消耗大户之一的电动机，在节能方面是大有潜力可挖的。我国电动机的总装机容量，已达4亿kW，年耗电量达6000亿kW·h，约占工业耗电量的80%。通过对它们采用变频控制技术之后，获得的效益，是显而易见的，变频器在节能方面的应用，是不容忽视的。

4 变频器技术存在的问题和发展趋势

4.1 变频器技术存在的问题

变频器在使用中存在的主要问题，是干扰问题。电网是一个非常复杂的结构，电网谐波是对变频器产生干扰的主要干扰源。谐波源的产生，主要有各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载以及照明设备等等。这些设备在启动和工作的时候，产生一些对电网的冲击波（即电磁干涉），使得电网中的电压、电流的波形发生一定的畸变，对电网中的其他设备产生的这种谐波的影响，需要进行简单的处理，即在接入变频器处加装电源滤波器，滤去干扰波，使变频器尽可能小地收到电网中的这些谐波的影响，从而稳定工作。其次，另一种共模干涉，则通过变频器的控制线，对控制信号产生一定的干扰，影响其正常工作[13～14]。

4.2 变频器的发展趋势

随着节约环保型社会发展模式的提出，人们开始更多地关注起生活的环境品质。节能型、低噪声变频器，是今后一段时间发展的一个总趋势。我国变频器的生产商家虽然不少，但是缺少统一的、具体的规范标准，使得产品差异性较大。且大部分采用了V/F控制和电压矢量控制，其精度较低，动态性能也不高，稳定性能较差，这些方面与国外同等产品相比有一定的差距[1,3,5,7,15]。

就变频器设备来说，其发展趋势主要表现在以下方面：

（1）变频器将朝着高压大功率和低压小功率、小型化、轻型化的方向发展。

（2）工业高压大功率变频器，民用低压中小功率变频器潜力巨大。

（3）目前，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场[2]。

（4）无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用，将趋于成熟。

（5）全面实现数字化和自动化：参数自设定技术，过程自优化技术，故障自诊断技术。

（6）高性能单片机的应用，优化了变频器的性能，实现了变频器的高精度和多功能。

（7）相关配套行业正朝着专业化、规模化发展，社会分工逐渐明显。

（8）伴随着节约型社会的发展，变频器在民用领域的使用，会逐步得到推广和应用。

5 结束语

总之，随着节约、环保型社会的提出和发展，随着人们对节能降耗、生活品质、环保等等各方面认识的提高，变频器的推广将更加迅猛，市场需求将越来越大。未来变频器在我国的发展，将会有更广阔的前景。同时，新技术的不断应用，变频器的性能会更加优良。

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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

南方丘陵山区微耕机系列产品及专用节能发动机研究（CSTC，2007AA1001）

张祥星（1983—），男，山东邹城人，硕士研究生，农业机械化工程专业，机电一体化方向；杜慧慧（1988-）女，山东泰安人，硕士研究生，微生物学专业，微生物代谢与调控方向；张连营（1986-）男，山东临沂人，博士研究生，能源材料化学专业，电催化及能源工程方向；刘 辉（1985—），男，河南漯河人，硕士研究生，农业机械化工程专业，机电一体化方向。