变频器的现状和发展的趋势

变频器的现状和发展的趋势在当今工业社会，环保和节能显得越来越重要，而变频器在工业节能中发挥着越来越大和不可忽视作用。一．变频器的基本常识1.1什么是变频器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。可分为交—交变频器，交—直—交变频器。交—交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交—直—交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。1.2变频器的组成变频器是由主回路和控制回路两大部分组成的。主回路由整流器(整流模块)、滤波器(滤波电路)和逆变器(大功率晶体模块)三个主要部分组成。控制回路则由单片机、驱动电路和光电隔离电路组成。1.3变频器市场容量当前，电机是我国主要的工业耗电设备，据清华大学电机权威人士统计，我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用的电机拖动系统总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。另外据统计，对于塑胶行业的电费成本，约占整个生产成本的20%～50%。在发达国家，变频器在电机投用的普及率已达到80%，而我国变频器的运用还在起步阶段，普及率不到10%。从以上可以看出，变频调速系统在我国有着非常巨大的市场需求。从应用领域来说，国内变频调速技术在经过几年的应用推广下已得到了较快的发展，变频调速技术的领域已初步涉及到电子、机械、石化、冶炼、纺织、汽车等多种行业，应用范围已覆盖注塑机、空压机、空调、恒压供水、纺织机等各种交流电机设备。从发展区域来说，变频调速技术的应用在我国沿海省份和南方城市发展较快，目前已有向内地快速渗透的趋势。1.4变频调速的优点变频调速的优点主要有如下一些优点：1、调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速；2、启动电流小，而启动转矩大；3、启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；4、对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；5、具有显著的节电效果；6、通过调节电压和频率的关系方便的实现恒转矩或者恒功率调速。二．变频器发展过程和研究的相关技术2.1变频器的发展史早期通用变频器如东芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多数为开环恒压比(V/F=常数)的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U／F控制系统的改造主要经历了三个阶段；第一阶段：八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三垦)MF系列等。之后，1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与FRNG7／P7系列的设计中，三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。第二阶段：矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。第三阶段：1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueControl简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到正负0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS－676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%(无PG)，正负0.01％(带PG)的速度控制精度，转矩控制精度在正负3％左右。其他公司如日本富士电机推出的FRN5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。2.2变频技术的发展过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60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、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控制品闸管)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)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。2.3主要的研究开发项目(1)数字控制的大功率交--交变频器供电的传动设备。(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行，带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。2.4主要的研究关键技术(1)高压、大电流技术：动态、静态均压技术(6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9)；均流技术，大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85)；浪涌吸收技术(10kV、6kV回路中)；光控及电磁触发技术(电/光，光/电变换技术)；导热与散热技术(主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术)；高压、大电流系统保护技术(抗大电流电磁力结构、绝缘设计)；等效负载模拟技术。(2)新型电力电子器件的应用技术：可关断驱动技术；双PWM逆变技术；循环变流/电流型交-直-交(CC/CSI0)变流技术(12脉波变频技术)；同步机交流励磁变速运行技术；软开关PWM变流技术。(3)全数字自动化控制技术：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术；对象自辨识技术。(4)现代控制技术：多变量解耦控制技术；矢量控制和直接力矩控制技术；自适应技术。三．变频器目前现状和存在的问题3.1今后几年变频器产品的国内外市场状况变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性而成为电气传动发展的主流方向。中国大部分用户对于应用变频器首先是通过国外变频器来获得认识的。因此中国变频器产业的发展与生俱来便是处于与狼共舞。据统计，我国仅待调速节能的风机就有4000万台，耗电约1500亿kWh，节能潜力达450kWh/年；我国电网总容量为3.5亿kW，电机年耗用量约为86724亿kWh，其中高压电机占50%～60%，这是一个庞大的市场。据统计，我国1993年变频器总销售额为4亿元，1995年为7亿元，1999年为20亿元，可见，调速变频器尤其是高压变频器市场还处于初期开发阶段，但其20%～30%高速增长的速度及十五期间300多亿的市场容量，吸引了众多厂家和资金的投入，市场竞争加剧。当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业，在国外电力生产商之间充斥着十分剧烈的竞争，而世界范围内电力生产的市场化加速了生产商采用新技术；其次，严格的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使电力自动化设备尤其是高压大功率变频器的市场开发空间大大拓展。另外高压变频器的最终用户对变频器的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视顾客变频调速技术方面的需要，系统集成商将成为一个重要的销售渠道。变频器技术发展的另一个巨大推动力就是市场。一般讲，在占工业用电50%～60%的风机、泵和压缩机等通用机械上使用变频调速装置，可以节电30%左右。这一类通用机械的驱动电机一般是工频电机，具有各种可供选择功能的通用变频器，其输出频率在0～400Hz之间，正适合这类机械。因此，通用变频器应用非常广泛，市场潜力很大，目前已形成规模生产，所以成本较低，价格便宜。相对于通用变频器而言，专为某些有特殊要求的负载机械而设计制造的是专用变频器。这类专用变频器在国民经济各部门中也是必不可少的，但由于通用性不强，市场需求相对较小，因此成本较高。3.2交流调速技术的发展现状以及存在的问题近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取代的趋势，这是现代电力拖动发展的主要特征。电机及电气传动技术在国际上已形成相当规模的应用产业，变频器产业的发展，首先需要得到国家宏观政策的支持，其次作为生产厂家必须提高内功，需要提高变频器相关理论的研究工作，产品的设计和制造有关的技术，以及与产品应用有关的各种技术。由于国产厂家制造变频器历史比较短，技术积累相对较少。国内自动化行业的部分人士对国产变频器缺乏信心。但是未来变频器的发展趋势一定是走国产化的路，就象国产彩电工业一样。提高国产产品的质量是亟待解决的首要问题