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?？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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、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。

　　前言

　　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)已包含多種學科的技術領域，總的發(fā)展趨勢是驅動的交流化、功率變換器的高頻化、控制的數字化、智能化和網絡化。

　　隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發(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；二要看對電網的諧波污染和輸入功率因數；最后還要看本身的能量損耗。

　　2018年，由于下游行業(yè)設備投資意愿不強，訂單增速放緩，我國變頻器市場出貨量下滑，國內變頻器企業(yè)急需縮小技術差距，加強質量控制，攻占高端市場。國內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。

　　1.發(fā)展現狀

　　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。我們現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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、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。

　　交流電機變頻調速已成為當代電動機調速的潮流，它以體積小、重量輕、轉矩大、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、中央空調及污水處理行業(yè)得到普遍應用。文章介紹了日、美、歐發(fā)達國家變頻調速技術進入我國市場和國產企業(yè)崛起的概況，并指出變頻器在技術上向高性能、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)組合兼并的結果，有向國外拓展的可能。

　　交流電動機變頻調速已成為當代電機調速的潮流，它以體積小、重量輕、轉矩大、精度高、功能強、可靠性高、操作簡便、便于通信等功能優(yōu)于以往的任何調速方式，如變極調速、調壓調速、滑差調速、串級調速、整流子電動機調速、液力偶合調速，乃至直流調速。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、中央空調及污水處理行業(yè)得到普遍應用。

　　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的發(fā)展。當今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學科的技術領域，總的發(fā)展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。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。

　　2.發(fā)展趨勢

　　變頻器技術的發(fā)展趨勢經歷大約三十年的研發(fā)與應用實踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發(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，二要看對電網的諧波污染和輸入功率因數，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．主電路功率開關元件的自關斷化、模塊化、集成化、智能化，開關頻率不斷提高，開關損耗進一步降低。

　　2．變頻器主電路的拓撲結構方面：變頻器的網側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．脈寬調制變壓變頻器的控制方法：正弦波脈寬調制（SPWM）控制。消除指定次數諧波的PWM控制。電流跟蹤控制。電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。

　　4．交流電動機變頻調整控制方法的進展：由標量控制（V／f控制和轉差頻率控制）向高動態(tài)性能的矢量控制和直接轉矩控制發(fā)展。開發(fā)無速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制系統(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，多種適宜變頻調速的新型電氣設備正在開發(fā)研制之中。IT技術的迅猛發(fā)展，以及控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與變頻器相關的技術將影響其發(fā)展的趨勢。

　　交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換（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的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決（基于現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字控制技術）。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，而且能夠實現故障診斷與故障排除，甚至可以進行部件自動轉換。利用互聯網可以遙控監(jiān)視，實現多臺變頻器按工藝程序聯動，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等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、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)控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術等。

　　環(huán)?；?/p>

　　保護環(huán)境，制造“綠色”產品是人類的新理念。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及其他電氣設備的污染干擾。

　　清潔電能變流器是指變流器的功率因數為1，網側和負載側有盡可能低的諧波分量，以減少對電網的公害和電動機的轉矩脈動。對中小容量變流器，提高開關頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，在常規(guī)的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現清潔電能的變換。

　　專門化

　　根據某一類負載的特性，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

　　變頻器將相關的功能部件，如參數辨識系統(tǒng)、PID調節(jié)器、PLC控制器和通信單元等有選擇地集成到內部組成一體化機，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。據報道，現在已經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的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發(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計和測試提供了強有力的支持。

　　總之，變頻器技術的發(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。

　　3.變頻器發(fā)展方向

　　隨著變頻高速技術的發(fā)展與綜合利用，使變頻器行業(yè)在水泥、電梯、印刷、電力等現代化以及醫(yī)學、通訊、交通、運輸、電力、電子、環(huán)保等領域得到空前的發(fā)展和應用，幾乎國民經濟各行各業(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。隨著國內廠家的技術進步和質量穩(wěn)定性的提升，加上服務和價格方面的優(yōu)勢，預計未來幾年高端產品被國外廠家壟斷的市場局面將有所改觀。

　　我國變頻器設備生產企業(yè)現有300多家，但是實力與規(guī)模參差不齊，近年來，本土變頻器品牌經過多年蓄力，逐步擴大市場占有率，進口產品的市場份額已經被國內變頻器企業(yè)超越。然而，我國變頻器配套產業(yè)實力相對較弱，缺乏技術優(yōu)勢，高端市場占有率依然與外資品牌存在差距。國內變頻器企業(yè)在鞏固中低壓市場地位的同時，更加速推進高端化的產品結構轉型，截至2018年底，雖然外資占據低壓變頻器高端市場80%以上份額，但內資正處于從提供單一變頻器產品向提供綜合解決方案轉變的階段，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，國內變頻器產品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化越來越高，并且已經出現某些專用變頻器產品。據了解，近年來，中國變頻器的市場保持著12-15%的增長率，預計至少在未來5年內將會保持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，預計至少在10年以后，變頻器市場才能飽和并逐漸成熟。
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