張祥星，杜慧慧，張連營(yíng)，劉 輝

（西南大學(xué)，a.工程技術(shù)學(xué)院；b.動(dòng)物科技學(xué)院；c.重慶市潔凈能源與先進(jìn)材料研究院，重慶 400715）

變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張祥星a，杜慧慧b，張連營(yíng)c，劉 輝a

（西南大學(xué)，a.工程技術(shù)學(xué)院；b.動(dòng)物科技學(xué)院；c.重慶市潔凈能源與先進(jìn)材料研究院，重慶 400715）

主要介紹了變頻器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用以及應(yīng)用中存在的部分問(wèn)題，并介紹了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為今后我國(guó)變頻器的發(fā)展提供參考依據(jù)。

變頻器；控制；干擾；發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，自20世紀(jì)60年代起，變頻器問(wèn)世到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始逐漸成熟完善起來(lái)。尤其是高壓大功率變頻調(diào)速裝置，不斷成熟。近年來(lái)，一些新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，研制出了更好的器件或是單元串聯(lián)，這樣就進(jìn)一步解決了一直以來(lái)困擾人們的高壓?jiǎn)栴}。使其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍更加廣泛，同時(shí)，也使得更為高效、合理地利用能源成為可能。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，變頻器在西方主要工業(yè)國(guó)家廣泛使用，并隨進(jìn)口設(shè)備配套引入中國(guó)，至90年代時(shí)，在中國(guó)得到迅速推廣[1～3]。

變頻器是利用電力半導(dǎo)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。電動(dòng)機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶，高壓大功率電動(dòng)機(jī)更為突出，而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)，具有深遠(yuǎn)的意義[4]。

同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，中小功率的變頻器又逐漸突顯出其不可替代的作用。近年來(lái)，我國(guó)提出了建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，倡導(dǎo)和諧發(fā)展。因此，在做好高壓大功率變頻器應(yīng)兼顧中小功率變頻器的發(fā)展，這是我國(guó)變頻器行業(yè)今后發(fā)展的一大總體趨勢(shì)。

1 變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外變頻器現(xiàn)狀

國(guó)外變頻器產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史較長(zhǎng)，除日本外，美、英、德、法、意等發(fā)達(dá)國(guó)家，目前也都已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。同時(shí)，幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能，完善的工藝水平，也是國(guó)外品牌的一大特點(diǎn)。目前西方各國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r，主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較久，具有一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和產(chǎn)品品質(zhì)較高；

（2）能夠生產(chǎn)1萬(wàn)kW以上的SCR變頻器，如美國(guó)的A-B公司等，但沒(méi)有10 kV高壓產(chǎn)品；

（3）與變頻器相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，能夠生產(chǎn)諸如IGBT、IGCT、SGCT等變頻器中的多種功率器件；

（4）新技術(shù)、新工藝不斷廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品中，促進(jìn)了高壓、高功率、高精度、多功能、智能化變頻器的出現(xiàn)，使高壓變頻器在各個(gè)行業(yè)中被廣泛使用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

1.2 國(guó)產(chǎn)變頻器現(xiàn)狀

目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，主要是交流380V的中小型變頻器，且大部分產(chǎn)品為低壓，而高壓大功率則很少，能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商更少，不過(guò)是少數(shù)幾個(gè)具備科研能力或資金實(shí)力強(qiáng)的企業(yè)。并且在技術(shù)方面，更是僅僅少數(shù)普遍采用V/F控制方式，對(duì)中、高壓電機(jī)進(jìn)行的變頻調(diào)速改造。我國(guó)高壓變頻器的品種和性能，還處于發(fā)展的初步階段，仍需大量從國(guó)外進(jìn)口。這一現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）國(guó)外各大品牌的產(chǎn)品，加快了占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的步伐并將產(chǎn)品本地化，但我國(guó)目前變頻器市場(chǎng)較大，仍有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

（2）多數(shù)企業(yè)不具有足夠資金進(jìn)行科研和規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝相對(duì)落后，產(chǎn)品的技術(shù)含量低，品質(zhì)有待提高，但總體上價(jià)格低廉；

（3）國(guó)內(nèi)高壓變頻器尚未形成一套完備的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品差異性大，需要進(jìn)一步完備、完善高壓變頻器的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的功率等級(jí)較低，一般不超過(guò)3500 kW；

（4）高壓變頻器周邊產(chǎn)業(yè)少，不夠發(fā)達(dá)，約束了高壓變頻器的發(fā)展速度，很多變頻器中的主要功率器件，無(wú)法自行生產(chǎn)，如：驅(qū)動(dòng)電路，電解電容等；

（5）自主研發(fā)能力在逐步提高，與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，自主創(chuàng)新的技術(shù)和產(chǎn)品也逐步得到應(yīng)用；

（6）已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等性能的變頻器，同時(shí)正在研發(fā)能夠進(jìn)行四象限運(yùn)行的高壓變頻器[6]。

2 變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

變頻技術(shù)發(fā)展至今，總結(jié)起來(lái)從控制的角度而言，先后經(jīng)歷了這樣4個(gè)階段：矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、智能（PWM）控制等這4個(gè)階段。

20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）變頻器，投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用，使變頻器技術(shù)又達(dá)到一個(gè)新的水平[7]。

智能控制，是隨社會(huì)的發(fā)展，為了解決工程和技術(shù)問(wèn)題的中實(shí)踐問(wèn)題產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，隨著自動(dòng)化程度的提高和普及，受控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)許多不易獲得數(shù)學(xué)模型或模型復(fù)雜的過(guò)程，經(jīng)常采用手動(dòng)控制，這樣可以獲得更好的控制效果。由此，產(chǎn)生了在自動(dòng)控制技術(shù)中借鑒熟練人員經(jīng)驗(yàn)的想法，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一可能。

計(jì)算機(jī)在邏輯推理、判斷、識(shí)別、決策、學(xué)習(xí)等方面的功能，可以參照熟練操作人員和專家的經(jīng)驗(yàn)與方法進(jìn)行控制的工作。智能控制技術(shù)的發(fā)展，給交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略帶來(lái)了新思想、新方法，這也使得交流傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制，成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[4～8]。

3 變頻器的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速

變頻器最早應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)，這也是變頻器產(chǎn)生的最初目的。目前，這一技術(shù)已經(jīng)成熟，尤其是在西方發(fā)達(dá)國(guó)家。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家由于發(fā)展較早，變頻器調(diào)速技術(shù)業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)化，具有相當(dāng)規(guī)模和實(shí)力。

變頻調(diào)速，目的就是利用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，來(lái)達(dá)到各種工作狀態(tài)的控制的要求；它是通過(guò)改變電機(jī)定子的供電頻率，來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式可知，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

其中，對(duì)于某一電機(jī)來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速完全取決于供電頻率，t為時(shí)間常數(shù)，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，f為供電電源頻率。對(duì)于某選定電機(jī)，p保持不變，若供電頻率 f發(fā)生改變，則轉(zhuǎn)速n會(huì)隨之發(fā)生改變，使公式中各量達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的[9～10]。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，是使得原來(lái)的機(jī)械調(diào)速轉(zhuǎn)變成純電氣化的智能調(diào)速，這種調(diào)速方式不但降低了成本，而且保持了原來(lái)的機(jī)械性能。變頻調(diào)速的具體特點(diǎn)有：

（1）可實(shí)現(xiàn)高效、高精度無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速比可達(dá)到20:1，符合傳動(dòng)機(jī)械的要求；

（2）能夠軟啟、軟停，可以避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成一定的破壞，啟動(dòng)功耗小，壽命長(zhǎng)，可靠性高；

（3）不受電源頻率的影響，可以實(shí)現(xiàn)多種控制，如：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制；

（4）提高了電機(jī)的使用效率，功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速功率的增大而增大；

（5）內(nèi)部的微控制器，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（6）為電機(jī)提供了多種保護(hù)功能，有利于電機(jī)的安全運(yùn)行[11]。

3.2 高效節(jié)能

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源危機(jī)日趨明顯，并制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性工業(yè)。但受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。

據(jù)調(diào)查顯示，針對(duì)注塑機(jī)采用變頻調(diào)速，且不改變注塑機(jī)原來(lái)的結(jié)構(gòu)，控制油泵幾個(gè)過(guò)程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），平均節(jié)電40%，較好地取代過(guò)去的比例閥節(jié)流調(diào)速方式，大幅度降低能耗，不少注塑廠都進(jìn)行了變頻改造。如廈門燦坤改造470臺(tái)，威士茂科技改造95臺(tái)，東莞好景改造81臺(tái)，深圳富士康改造500多臺(tái)。

大慶新華電廠200MW發(fā)電機(jī)組，鍋爐引風(fēng)機(jī)為1250 kW/6 kV的2臺(tái)。1998年采用變頻調(diào)速技術(shù)拖動(dòng)高壓引風(fēng)機(jī)，是我國(guó)電廠大型機(jī)組首次采用變頻調(diào)速，經(jīng)黑龍江電力科學(xué)院測(cè)試考核：發(fā)電機(jī)組在額定工況下（有功負(fù)載200MW）與未用變頻拖動(dòng)相比，由原來(lái)的1790.4 kW下降了28.02%，在有功負(fù)荷80～180MW間運(yùn)行下降了30%～56.3%。

石家莊煉油廠65 t/h中壓鍋爐引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)后，年節(jié)電67萬(wàn)kW·h，節(jié)電率為67.7%，鍋爐燃燒率提高1.6%，節(jié)省燃料油989 t[12]。

變頻器在其他方面的應(yīng)用，如變頻調(diào)速在供水、空調(diào)設(shè)備、過(guò)程控制、電梯、機(jī)床等方面的應(yīng)用，既保證了調(diào)節(jié)精度，又減輕了勞動(dòng)工人的工作強(qiáng)度，還提高了經(jīng)濟(jì)效益。

變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動(dòng)控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的一種新的高科技技術(shù)。它以極好的調(diào)速、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。不但大大降低了能源消耗，而且還取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

由此可見(jiàn)，對(duì)能源的有效利用，在我國(guó)已經(jīng)非常迫切。尤其是作為能源消耗大戶之一的電動(dòng)機(jī)，在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國(guó)電動(dòng)機(jī)的總裝機(jī)容量，已達(dá)4億kW，年耗電量達(dá)6000億kW·h，約占工業(yè)耗電量的80%。通過(guò)對(duì)它們采用變頻控制技術(shù)之后，獲得的效益，是顯而易見(jiàn)的，變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用，是不容忽視的。

4 變頻器技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

4.1 變頻器技術(shù)存在的問(wèn)題

變頻器在使用中存在的主要問(wèn)題，是干擾問(wèn)題。電網(wǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)諧波是對(duì)變頻器產(chǎn)生干擾的主要干擾源。諧波源的產(chǎn)生，主要有各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負(fù)載以及照明設(shè)備等等。這些設(shè)備在啟動(dòng)和工作的時(shí)候，產(chǎn)生一些對(duì)電網(wǎng)的沖擊波（即電磁干涉），使得電網(wǎng)中的電壓、電流的波形發(fā)生一定的畸變，對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生的這種諧波的影響，需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，即在接入變頻器處加裝電源濾波器，濾去干擾波，使變頻器盡可能小地收到電網(wǎng)中的這些諧波的影響，從而穩(wěn)定工作。其次，另一種共模干涉，則通過(guò)變頻器的控制線，對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，影響其正常工作[13～14]。

4.2 變頻器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著節(jié)約環(huán)保型社會(huì)發(fā)展模式的提出，人們開(kāi)始更多地關(guān)注起生活的環(huán)境品質(zhì)。節(jié)能型、低噪聲變頻器，是今后一段時(shí)間發(fā)展的一個(gè)總趨勢(shì)。我國(guó)變頻器的生產(chǎn)商家雖然不少，但是缺少統(tǒng)一的、具體的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使得產(chǎn)品差異性較大。且大部分采用了V/F控制和電壓矢量控制，其精度較低，動(dòng)態(tài)性能也不高，穩(wěn)定性能較差，這些方面與國(guó)外同等產(chǎn)品相比有一定的差距[1,3,5,7,15]。

就變頻器設(shè)備來(lái)說(shuō)，其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）變頻器將朝著高壓大功率和低壓小功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展。

（2）工業(yè)高壓大功率變頻器，民用低壓中小功率變頻器潛力巨大。

（3）目前，IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR、GTO將會(huì)退出變頻器市場(chǎng)[2]。

（4）無(wú)速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用，將趨于成熟。

（5）全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)，過(guò)程自優(yōu)化技術(shù)，故障自診斷技術(shù)。

（6）高性能單片機(jī)的應(yīng)用，優(yōu)化了變頻器的性能，實(shí)現(xiàn)了變頻器的高精度和多功能。

（7）相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，社會(huì)分工逐漸明顯。

（8）伴隨著節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展，變頻器在民用領(lǐng)域的使用，會(huì)逐步得到推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著節(jié)約、環(huán)保型社會(huì)的提出和發(fā)展，隨著人們對(duì)節(jié)能降耗、生活品質(zhì)、環(huán)保等等各方面認(rèn)識(shí)的提高，變頻器的推廣將更加迅猛，市場(chǎng)需求將越來(lái)越大。未來(lái)變頻器在我國(guó)的發(fā)展，將會(huì)有更廣闊的前景。同時(shí)，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，變頻器的性能會(huì)更加優(yōu)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

南方丘陵山區(qū)微耕機(jī)系列產(chǎn)品及專用節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)研究（CSTC，2007AA1001）

張祥星（1983—），男，山東鄒城人，碩士研究生，農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專業(yè)，機(jī)電一體化方向；杜慧慧（1988-）女，山東泰安人，碩士研究生，微生物學(xué)專業(yè)，微生物代謝與調(diào)控方向；張連營(yíng)（1986-）男，山東臨沂人，博士研究生，能源材料化學(xué)專業(yè)，電催化及能源工程方向；劉 輝（1985—），男，河南漯河人，碩士研究生，農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專業(yè)，機(jī)電一體化方向。