我国变频器技术的发展应用与展望

摘要  本文简要介绍了我国变频调速技术的发展历程和现状，并对其发展前景做出了展望。 关键词  变频调速 变频器 发展 展望 1． 引言   近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进地发展，变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通信功能、智能控制、功率因素、节约电能、工作效率、使用方便等方面的优异性能，是其它的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、使用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益都非常显著。 2． 我国变频器技术的发展概况   随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。近十余年来，我国的变频器产业从无到有不断壮大，发展迅速。据统计，我国现有大大小小的变频器生产厂70多家，年销售额在7亿元左右，但这只占全国变频器市场容量的一小部分，80%~90%的国内市场被各种国外变频器所占领。回顾我国变频器的发展历程，结合我国国情开发出性能优越、适销对路的产品，逐步扩大市场份额，是国人的期盼。   我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，一个庞大的市场形成了，它既对国内市场开放，同时也对国外公司开放，很多先进的产品从发达国家进口。20世纪80年代末，大连电机厂从日本冬芝公司引进了一条变频器生产线，变频器的型号为130G，功率器件用的是大功率晶体管GTR，CPU是MCS-51芯片，调制方式是SPWM，控制策略是V/F=C，这可能是我国最早有规模的组装国外较先进的变频器，虽然这种变频器在当时不是最好的，但比用可控硅作为功率器件的变频器要先进得多，后者在工业应用中，负载过重时启动困难，经常出现功率器件GTR损坏，因此低速转矩和可靠性都较差。同时在我国销售的富士变频器是G5/P5，三垦变频器是SVF，在性能和可靠性上与130G不相上下。20世纪90年代初，台湾普传进入内地，带来的产品是pi89变频器，电源还不是开关电源，功率器件用的是大功率晶体管GTR，CPU是8085芯片，调制方式是SPWM，控制策略是V/F=C。台湾普传在内地的营销策略和其它的厂商不同，它是采用组建合资公司的形式。在不长的时间内，在广阔的国土上，先后组建了庆普、汉普、西普、上普、南普、纺普、普达、普天等合资公司，研发中心设在深圳，后来又在大连建了一个合资厂，这是当时国内最大和最完善的变频器营销网络。各合资公司组装变频器的机箱，主控制板都是在台湾做好后运来的。由于充分的整合国内的资源，台湾普传那几年的销售业绩非常好，pi89变频器成了当时国内变频器市场上的主打产品。由于其它方面的原因，以及后来性能和质量更好的变频器进入我国，pi89变频器市场在不长的时间内很快萎缩，直至被淘汰出局。   从台湾普传进入内地到现在已经过去十多年了，这十多年中，有过很多变频器厂商，前后算来接近百家。近几年，变频器的厂商发生了相当大的变化，进来的快，出去的也快，到现在剩下的也就几十家。另外，在国内还有不少国外和台湾厂商的独资公司、合资公司，如北京ABB、天津SIEMENS、富士、台安、台达等在国内都有独资公司或合资公司。在组装变频器的过程中，我国技术人员有机会接触变频器的先进技术和管理方法，这些人员成了国内变频器技术一支重要力量。市场竞争成就了国内几家大公司的崛起，如华为、森兰。作为国内最大的变频器制造商，森兰从做V/F控制的变频器开始，逐步完善和提高变频技术，通过多年的技术实践、积累和对国外先进技术的消化吸收，已经能够开发出具有先进水平转子磁链定向，磁通观测采用自校正算法的矢量控制变频器，实现了磁场和力矩的完全解耦，做到频率为1Hz 时达到200%的额定转矩，即使在零频也有100%的转矩，如SB80系列变频器。由此可见，尽管国内与国外在变频技术上相比还有差距，但已经大大缩小了。 3． 国内变频技术的现状和发展前景   国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国内这仍是一个空白。   变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。1995~1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。   据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS-485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。 4． 结论   随着变频技术的发展和市场竞争的加剧，要掌握市场的先机，必须重视研发技术，加大研发的力度，在资金、人力和政策上给予大力支持，开发出具有自主知识产权、特点鲜明的产品，不久后，我国生产的变频器在功能和品质上丝毫不会逊色于国外产品，变送器的国产化也将成为必然。 参考文献： [1] 吴秋生.交流传动的应用与展望[J].自动化博览，2004，4。 [2] 赵相宾，年培新.谈我国变调速技术的发展与应用[J].电气传动，2000，2。 [3] 杜俊明，龙勇.谈我国变频技术的发展. 自动化博览，2004，10。 [4] 韩安荣.通用变频器及应用.机械工业出版社，2000。 [5] 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社，1998。