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浅析变频器发展现状和趋势

文:蔡晓伟 长春环保科技有限公司 | 2019年第六期 (0) | (0)

摘要: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;目前使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。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。

关键词:变频器、运动控制、整流器、逆变器

前言

变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前的运动控制系统已包含多种学科的技术领域,总的发展趋势是驱动的交流化、功率变换器的高频化、控制的数字化、智能化和网络化。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,变频器的性能价格比越来越高,体积越来越小,而且厂家仍在不断地提高可靠性,为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。辨别变频器性能的优劣,一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响;二要看对电网的谐波污染和输入功率因数;最后还要看本身的能量损耗。

2018年,由于下游行业设备投资意愿不强,订单增速放缓,我国变频器市场出货量下滑,国内变频器企业急需缩小技术差距,加强质量控制,攻占高端市场。国内变频器市场增长率一直保持在12%~15%,市场潜在空间大约为1200亿~1800亿元。中低压变频器市场规模增长达10%~15%,预计市场规模接近200亿元;高压变频器市场需求增速在40%以上,随着需求持续攀升,市场规模有望达到121亿元。在未来的两年,冶金行业变频器的市场需求主要集中在项目改造过程中的节能减排设备上的使用,而在这方面,国家给予了积极的政策支持,企业单位也在大力推行中,因此,冶金行业变频器市场需求将进一步扩大,未来将保持20%左右的增长。

1.发展现状

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。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

交流电机变频调速已成为当代电动机调速的潮流,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简便、便于通信等功能优于以往的任何调速方式,因而在钢铁、有色、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水、中央空调及污水处理行业得到普遍应用。文章介绍了日、美、欧发达国家变频调速技术进入我国市场和国产企业崛起的概况,并指出变频器在技术上向高性能、模块化、专用化、多功能发展。用量不断增加,价格不断降低,行业组合兼并的结果,有向国外拓展的可能。

交流电动机变频调速已成为当代电机调速的潮流,它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简便、便于通信等功能优于以往的任何调速方式,如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电动机调速、液力偶合调速,乃至直流调速。因而在钢铁、有色、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水、中央空调及污水处理行业得到普遍应用。

运动控制系统的发展变频器是运动控制系统中的功率变换器,运动控制系统是作为机电能量变换器的电气传动技术的发展。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域,总的发展趋势是:驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制的数字化、智能化和网络化。因此,变频器作为系统的重要功率变换部件,提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

2.发展趋势

变频器技术的发展趋势经历大约三十年的研发与应用实践,随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,变频器的性能价格比越来越高,体积越来越小,而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣,一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响,二要看对电网的谐波污染和输入功率因数,三要看本身的能量损耗(即效率),这此以交—直—交变频器为例,从技术上看在以下几个方面会进一步得到发展:

1.主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化,开关频率不断提高,开关损耗进一步降低。

2.变频器主电路的拓扑结构方面:变频器的网侧变流器对低压小容量的常采用6脉冲变流器,而对中压大容量的采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量的常采用两电平的桥式逆变器,而对中压大容量的采用多电平逆变器。

3.脉宽调制变压变频器的控制方法:正弦波脉宽调制(SPWM)控制。消除指定次数谐波的PWM控制。电流跟踪控制。电压空间矢量控制(磁链跟踪控制)。

4.交流电动机变频调整控制方法的进展:由标量控制(V/f控制和转差频率控制)向高动态性能的矢量控制和直接转矩控制发展。开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统。

进入21世纪,电力电子的基片已从Si(硅)变换为SiC(碳化硅),使电力电子新器件进入到高电压大容量化、高频化、组件模块化、微小型化、智能化和低成本化的时代,多种适宜变频调速的新型电气设备正在开发研制之中。IT技术的迅猛发展,以及控制理论的不断创新,这些与变频器相关的技术将影响其发展的趋势。

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要全数字控制技术)。其主要发展方向有如下几项:

智能化

智能化的变频器安装到系统后,不必进行那么多的功能设定,就可以方便地操作使用,有明显的工作状态显示,而且能够实现故障诊断与故障排除,甚至可以进行部件自动转换。利用互联网可以遥控监视,实现多台变频器按工艺程序联动,形成最优化的变频器综合管理控制系统。

基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

环保化

保护环境,制造“绿色”产品是人类的新理念。今后的变频器将更注重于节能和低公害,即尽量减少使用过程中的噪声和谐波对电网及其他电气设备的污染干扰。

清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器,提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器,在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。

专门化

根据某一类负载的特性,有针对性地制造专门化的变频器,这不但有利于经济有效地控制负载的电动机,而且可以降低制造成本。例如:风机、水泵用变频器,起重机械专用变频器,电梯控制专用变频器,张力控制专用变频器和空调专用变频器等。

紧凑型变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块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。

一体化

变频器将相关的功能部件,如参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通信单元等有选择地集成到内部组成一体化机,不仅使功能增强,系统可靠性增加,而且可有效缩小系统体积,减少外部电路的连接。据报道,现在已经研制出变频器和电动机的一体化组合机,使整个系统体积更小,控制更方便。

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法,Windows操作系统的引入使得可自由设计,图形编程的控制技术也有很大的发展。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

总之,变频器技术的发展趋势是朝着智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。

3.变频器发展方向

随着变频高速技术的发展与综合利用,使变频器行业在水泥、电梯、印刷、电力等现代化以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用,几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。从整体看,目前我国变频器行业的竞争日趋激烈。由于市场极具吸引力,不但市场已形成一定规模,而且潜在容量也十分可观,不断吸引着行业新参与者。随着国内厂家的技术进步和质量稳定性的提升,加上服务和价格方面的优势,预计未来几年高端产品被国外厂家垄断的市场局面将有所改观。

我国变频器设备生产企业现有300多家,但是实力与规模参差不齐,近年来,本土变频器品牌经过多年蓄力,逐步扩大市场占有率,进口产品的市场份额已经被国内变频器企业超越。然而,我国变频器配套产业实力相对较弱,缺乏技术优势,高端市场占有率依然与外资品牌存在差距。国内变频器企业在巩固中低压市场地位的同时,更加速推进高端化的产品结构转型,截至2018年底,虽然外资占据低压变频器高端市场80%以上份额,但内资正处于从提供单一变频器产品向提供综合解决方案转变的阶段,未来市场占有率和盈利能力有望大幅提升。

中国变频器市场具有广阔的发展空间,目前则达到100亿元左右。随着市场的扩大和用户端需求的多样化,国内变频器产品的功能在不断完善和增加,集成度和系统化越来越高,并且已经出现某些专用变频器产品。据了解,近年来,中国变频器的市场保持着12-15%的增长率,预计至少在未来5年内将会保持10%以上的增长率。目前,中国市场上变频器安装容量(功率)的增长率实际上在20%左右,预计至少在10年以后,变频器市场才能饱和并逐渐成熟。

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