2005国外变频器应用和市场动向

1 引言 　　当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。 　　2 变频器应用日趋普及 　　变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性(变速不依赖于机械部分)，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。下面例举使用变频调速的10个理由，来说明变频器应用在国外日趋普及的基本认识: 　　(1) 控制电机的启动电流。 　　当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。 　　(2) 降低电力线路电压波动。 　　在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降。 　　(3) 启动时需要的功率更低。 　　电机功率与电流和电压的乘积成正比, 那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响, 从而将受到电网运行商的警告, 甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停, 就不会产生类似的问题。 　　(4) 可控的加速功能。 　　变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。 　　(5) 可调的运行速度。 　　运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。 　　(6) 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。 　　(7) 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。 　　(8) 节能 　　离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受。 　　(9) 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。 　　(10) 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。 　　3 变频器产品的形式异彩纷呈 　　2004年出现了OEM化变频器升级换代、网络变频器的进一步增强、矩阵变频器的成形等特点，使得不同形式、不同类别、不同功能的变频器在市场中异彩纷呈。 　　3.1 OEM化变频器升级换代 　　对于异步电机的控制方式而言，普通工频启动相对成本更省，而变频器的花费则会更高、体积会更大，所以在很多自动化机械设备中，变频器采用率并不是很高，机械商也不是很积极地安装变频器，尽管变频器有这样或那样的好处。通用型变频器经过数十年的发展，OEM化变频器在2004年已经取得了关键性突破，并进行升级换代。 　　SEW公司的OEM化产品Movitrac LT 　　以SEW为例，其在2004年10月墨尔本自动化展会上展出了其最新的OEM化产品Movitrac LT(如图1)，是对原先的Movitrac的进一步升级，非常适合OEM配套使用在风机、水泵、机床工具和传送带上。由于采用最新先进工艺的功率模块，其采用书架式的体积将更小。为了OEM商使用，其接线方式如同接触器一般，安装方式则更加简单，运行调整则以基本的14个参数为前提。 　　该款变频器具有更加强大的软件功能(新增帮助卡)、更加安静的噪音设计(开关频率可达32kHz)、更加合理的散热设计(接近冷盘功能)、更加友好的环保功能(内置RFI滤波器)。 　　3.2 变频器的网络功能增强 　　数字化网络功能在2005年变频器国际展会上都是重头戏，包括AB公司的PF系列变频器，都提供了网络接入方案，如最新的PowerFlex 4变频器具有内置的RS485通讯能力，可以用在多种网络联接中使用，同时PowerFlex 4变频器可以通过装DriveExplorerTM或DriveExecutiveTM软件的微机进行编程和控制。 　　作为执行机构，变频器的网络化配置主要基于3个层面:设备层、控制层和信息层。可以配接最基本的RS232/RS485串行通讯协议、PROFIBUS等的现场总线协议以及INTERNET局域网协议。 　　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。目前安装的现场总线模块有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和 Modbus Plus等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择PLC型号和品牌，并非常简单地集成到现有地网络中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，而以同一种编程语言和程序结构来与不同功率段、不同型号地变频器进行组构，如功率、速度、转矩、电流、设定值等。 　　3.3 矩阵变频器的出现 　　大家都知道，由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节, 能实现功率因数为l, 且能四象限运行，系统的功率密度大, 因此矩阵变频器一直成为国际大公司的研发对象。 　　在2004年4月份的汉诺威国际展览会上，安川展示了即将生产的矩阵变频器的原型，并表示公司计划在明年启动销售策略，同时已经在日本市场上现场测试和运行了好几台矩阵变频器。在安川矩阵变频器中有9个开关，每一个都有2个IGBT双向开关组成，能允许正向电压和负相电压通到电机上。IGBT数量的增加是导致矩阵变频器造价昂贵的其中一个因素。 　　矩阵变频器使用了三相电压输入来控制输出电压，这就不仅能吸收任何电流杂波，也能提供清洁的输出电压，也就是说“可以有效地进行输入电源电流控制与输出电压控制”。这也是矩阵变频器吸引人们的一个重要点:能大大降低输入电流谐波的产生，只有传统交-直-交变频器的20％左右。而且矩阵变频器的电流几乎是正弦波，即使在带载情况下，也是如此。当有再生发电时，电流能以180°转换并反馈到电网中，而且也是以正弦波方式。在再生制动方式的工作中，矩阵变频器不需要制动电阻或特殊的变换器。反馈回的电亦无需额外的设备(如变压器等)进行处理。总之，传动能在四象限高效率运行。 　 　　安川公司起初的计划是将新的矩阵变频器主要用到能够发挥其长处和优点的场合中, 如它的处理再生能量功能，在起重、电梯、离心机和其他需要连续电动又连续制动发电的场合。当然，它也可以装在那些需要制动，但又没有空间安装制动电阻或者安装电阻会引起意外事故的地方，如酒精厂、化工厂等。另外一个非常有潜力的地方，就是需要有低谐波的应用场合。如在轮船上，就能允许安装更小的发电机组。在一些隔离系统中能降低设备的体积，而省去了类似12脉冲变频器系统中的额外变压器。在安川的计划中，矩阵变频器将逐步覆盖400V的5.5~22kW，直至75kW，当然也有200V级的5.5~45kW变频器。至于价格策略目前尚未公布，但基本上为目前通用功率段传统变频器的2倍左右。 　　4　变频器不同功率段的市场期望差异 　 国外资深传动调查机构drivemag从2003年底到2004年底跨越整年度的问卷表明:变频器的传动功率在大功率段是个卖方市场。此次问卷的读者覆盖全球各大洲的40多个国家, 涉及的品牌多达55个, 制造商分布在北美、欧洲、日本和亚洲新兴地区，行业遍及重工、轻工、市政公用等，问卷的主体是从事商务、操作和设计人员。 　　2003年底到2004年底跨越整年度的市扬调查描述 　　100%的买主都坦言他们购买中低功率段的变频器，同时所有的供应商都能提供相应功率段的变频器。而在中高功率段(如超过10HP，即7.5kW)，大部分买主都认为其数量要少得多，供应商则基本都能提供用户所需求的功率段变频器。 　　然而，更多的供应商(厂商)更把目光放在中高功率段或更高的功率范围内，而买主(用户)则相对关注少一点。事实上，随着功率的增加，用户不需要更高功率的电机来运作，所以也同样不需要相应的高功率变频器。但是一旦有采用高功率段变频器的用户，厂商就会非常关心，因为高功率段变频器的产值更高。 　　在问及今后变频器的市场走向时，许多变频器厂商相信，基于三个因素，在重工业采用高功率变频器将会增速: 　　(1) 高功率段的变频器价格相对低廉，平均每HP或每kW的价格大大低于中低功率段变频器的价格; 　　(2) 高功率段的技术可靠性要大大高于小功率段，由