1 引言

當(dāng)今變頻器產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，變頻器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀60年代左右問世，到20世紀80年代在主要工業(yè)化國家已廣泛使用，而從20世紀90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應(yīng)用越來越普及。
2 變頻器應(yīng)用日趨普及
變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機拖動場合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應(yīng)用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴于機械部分)，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。下面例舉使用變頻調(diào)速的10個理由，來說明變頻器應(yīng)用在國外日趨普及的基本認識:
(1) 控制電機的啟動電流。
當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7到8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓啟動(當(dāng)然可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升)。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應(yīng)增加。
(2) 降低電力線路電壓波動。
在電機工頻啟動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如PC機、傳感器、接近開關(guān)和接觸器等均會動作出錯。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，則能最大程度上消除電壓下降。
(3) 啟動時需要的功率更低。
電機功率與電流和電壓的乘積成正比, 那么通過工頻直接啟動的電機消耗的功率將大大高于變頻啟動所需要的功率。在一些工況下其配電系統(tǒng)已經(jīng)達到了最高極限，其直接工頻啟動電機所產(chǎn)生的電涌就會對同網(wǎng)上的其他用戶產(chǎn)生嚴重的影響, 從而將受到電網(wǎng)運行商的警告, 甚至罰款。如果采用變頻器進行電機起停, 就不會產(chǎn)生類似的問題。
(4) 可控的加速功能。
變頻調(diào)速能在零速啟動并按照用戶的需要進行光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇(直線加速、S形加速或者自動加速)。而通過工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產(chǎn)生劇烈的振動。這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命。另外，變頻啟動還能應(yīng)用在類似灌裝線上，以防止瓶子倒翻或損壞。
(5) 可調(diào)的運行速度。
運用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過程，并能根據(jù)工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現(xiàn)速度變化。
(6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限。
通過變頻調(diào)速后，能夠設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來保護機械不致?lián)p壞，從而保證工藝過程的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。目前的變頻技術(shù)使得不僅轉(zhuǎn)矩極限可調(diào)，甚至轉(zhuǎn)矩的控制精度都能達到3％～5％左右。在工頻狀態(tài)下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設(shè)置精確的轉(zhuǎn)矩值來動作。
(7) 受控的停止方式。
如同可控的加速一樣, 在變頻調(diào)速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇(減速停車、自由停車、減速停車＋直流制動)，同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統(tǒng)更加可靠，壽命也會相應(yīng)增加。
(8) 節(jié)能
離心風(fēng)機或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗，這在十幾年的工程經(jīng)驗中已經(jīng)得到體現(xiàn)。由于最終的能耗是與電機的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后投資回報就更快，廠家也樂意接受。
(9) 可逆運行控制
在變頻器控制中，要實現(xiàn)可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣就能降低維護成本和節(jié)省安裝空間。
(10) 減少機械傳動部件
由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出, 從而節(jié)省齒輪箱等機械傳動部件, 最終構(gòu)成直接變頻傳動系統(tǒng)。從而就能降低成本和空間, 提高穩(wěn)定性。

3 變頻器產(chǎn)品的形式異彩紛呈
2004年出現(xiàn)了OEM化變頻器升級換代、網(wǎng)絡(luò)變頻器的進一步增強、矩陣變頻器的成形等特點，使得不同形式、不同類別、不同功能的變頻器在市場中異彩紛呈。
3.1 OEM化變頻器升級換代
對于異步電機的控制方式而言，普通工頻啟動相對成本更省，而變頻器的花費則會更高、體積會更大，所以在很多自動化機械設(shè)備中，變頻器采用率并不是很高，機械商也不是很積極地安裝變頻器，盡管變頻器有這樣或那樣的好處。通用型變頻器經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，OEM化變頻器在2004年已經(jīng)取得了關(guān)鍵性突破，并進行升級換代。

圖1 SEW公司的OEM化產(chǎn)品Movitrac LT
以SEW為例，其在2004年10月墨爾本自動化展會上展出了其最新的OEM化產(chǎn)品Movitrac LT(如圖1)，是對原先的Movitrac的進一步升級，非常適合OEM配套使用在風(fēng)機、水泵、機床工具和傳送帶上。由于采用最新先進工藝的功率模塊，其采用書架式的體積將更小。為了OEM商使用，其接線方式如同接觸器一般，安裝方式則更加簡單，運行調(diào)整則以基本的14個參數(shù)為前提。
該款變頻器具有更加強大的軟件功能(新增幫助卡)、更加安靜的噪音設(shè)計(開關(guān)頻率可達32kHz)、更加合理的散熱設(shè)計(接近冷盤功能)、更加友好的環(huán)保功能(內(nèi)置RFI濾波器)。
3.2 變頻器的網(wǎng)絡(luò)功能增強
數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)功能在2005年變頻器國際展會上都是重頭戲，包括AB公司的PF系列變頻器，都提供了網(wǎng)絡(luò)接入方案，如最新的PowerFlex 4變頻器具有內(nèi)置的RS485通訊能力，可以用在多種網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接中使用，同時PowerFlex 4變頻器可以通過裝有DriveExplorerTM或DriveExecutiveTM軟件的微機進行編程和控制。
作為執(zhí)行機構(gòu)，變頻器的網(wǎng)絡(luò)化配置主要基于3個層面:設(shè)備層、控制層和信息層。可以配接最基本的RS232/RS485串行通訊協(xié)議、PROFIBUS等的現(xiàn)場總線協(xié)議以及INTERNET局域網(wǎng)協(xié)議。
在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護時間、提高生產(chǎn)效率、減少運行成本。目前安裝的現(xiàn)場總線模塊有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和 Modbus Plus等。用戶可以有更大的自由根據(jù)生產(chǎn)過程來選擇PLC型號和品牌，并非常簡單地集成到現(xiàn)有地網(wǎng)絡(luò)中去。而且通過現(xiàn)場總線模塊，可以不考慮變頻器的型號，而以同一種編程語言和程序結(jié)構(gòu)來與不同功率段、不同型號地變頻器進行組構(gòu)，如功率、速度、轉(zhuǎn)矩、電流、設(shè)定值等。
3.3 矩陣變頻器的出現(xiàn)
大家都知道，由于矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié), 能實現(xiàn)功率因數(shù)為l, 且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大, 因此矩陣變頻器一直成為國際大公司的研發(fā)對象。
在2004年4月份的漢諾威國際展覽會上，安川展示了即將生產(chǎn)的矩陣變頻器的原型，并表示公司計劃在明年啟動銷售策略，同時已經(jīng)在日本市場上現(xiàn)場測試和運行了好幾臺矩陣變頻器。在安川矩陣變頻器中有9個開關(guān)，每一個都有2個IGBT雙向開關(guān)組成，能允許正向電壓和負相電壓通到電機上。IGBT數(shù)量的增加是導(dǎo)致矩陣變頻器造價昂貴的其中一個因素。矩陣變頻器使用了三相電壓輸入來控制輸出電壓，這就不僅能吸收任何電流雜波，也能提供清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。這也是矩陣變頻器吸引人們的一個重要點:能大大降低輸入電流諧波的產(chǎn)生，只有傳統(tǒng)交-直-交變頻器的20％左右。而且矩陣變頻器的電流幾乎是正弦波，即使在帶載情況下，也是如此。當(dāng)有再生發(fā)電時，電流能以180°轉(zhuǎn)換并反饋到電網(wǎng)中，而且也是以正弦波方式。在再生制動方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動電阻或特殊的變換器。反饋回的電亦無需額外的設(shè)備(如變壓器等)進行處理。總之，傳動能在四象限高效率運行。
安川公司起初的計劃是將新的矩陣變頻器主要用到能夠發(fā)揮其長處和優(yōu)點的場合中, 如它的處理再生能量功能，在起重、電梯、離心機和其他需要連續(xù)電動又連續(xù)制動發(fā)電的場合。當(dāng)然，它也可以裝在那些需要制動，但又沒有空間安裝制動電阻或者安裝電阻會引起意外事故的地方，如酒精廠、化工廠等。另外一個非常有潛力的地方，就是需要有低諧波的應(yīng)用場合。如在輪船上，就能允許安裝更小的發(fā)電機組。在一些隔離系統(tǒng)中能降低設(shè)備的體積，而省去了類似12脈沖變頻器系統(tǒng)中的額外變壓器。在安川的計劃中，矩陣變頻器將逐步覆蓋400V的5.5~22kW，直至75kW，當(dāng)然也有200V級的5.5~45kW變頻器。至于價格策略目前尚未公布，但基本上為目前通用功率段傳統(tǒng)變頻器的2倍左右。

4 變頻器不同功率段的市場期望差異
如圖2所示，國外資深傳動調(diào)查機構(gòu)drivemag從2003年底到2004年底跨越整年度的問卷表明:變頻器的傳動功率在大功率段是個賣方市場。此次問卷的讀者覆蓋全球各大洲的40多個國家, 涉及的品牌多達55個, 制造商分布在北美、歐洲、日本和亞洲新興地區(qū)，行業(yè)遍及重工、輕工、市政公用等，問卷的主體是從事商務(wù)、操作和設(shè)計人員。

圖2 2003年底到2004年底跨越整年度的市揚調(diào)查描述
100%的買主都坦言他們購買中低功率段的變頻器，同時所有的供應(yīng)商都能提供相應(yīng)功率段的變頻器。而在中高功率段(如超過10HP，即7.5kW)，大部分買主都認為其數(shù)量要少得多，供應(yīng)商則基本都能提供用戶所需求的功率段變頻器。
然而，更多的供應(yīng)商(廠商)更把目光放在中高功率段或更高的功率范圍內(nèi)，而買主(用戶)則相對關(guān)注少一點。事實上，隨著功率的增加，用戶不需要更高功率的電機來運作，所以也同樣不需要相應(yīng)的高功率變頻器。但是一旦有采用高功率段變頻器的用戶，廠商就會非常關(guān)心，因為高功率段變頻器的產(chǎn)值更高。
在問及今后變頻器的市場走向時，許多變頻器廠商相信，基于三個因素，在重工業(yè)采用高功率變頻器將會增速:
(1) 高功率段的變頻器價格相對低廉，平均每HP或每kW的價格大大低于中低功率段變頻器的價格;
(2) 高功率段的技術(shù)可靠性要大大高于小功率段，由于在制造成本和設(shè)計空間上沒有象小功率段那么苛刻，所以其故障率大大低于小功率段變頻器;
(3) 高功率段的電機所需的變頻器產(chǎn)品相對比較標準，應(yīng)用場合即使復(fù)雜，其控制思路還是大大簡化。
假如未來高功率變頻器市場如預(yù)期的那么樂觀，將來會有越來越多的廠商介入其中，一些原先只做如75kW級中功率變頻器的廠商會把功率段放高到280kW甚至400kW以上。隨著大量廠商加入，高功率變頻器價格將會下滑，用戶對廠商的產(chǎn)品供應(yīng)鏈、服務(wù)環(huán)節(jié)就會更加嚴格。
在高功率市場增長的同時, 其相應(yīng)的集成項目和成套產(chǎn)業(yè)也會大幅度增長, 將會大量涵蓋到不僅包括離心風(fēng)機和水泵在內(nèi)的其他高功率電機場合，如攪拌機、壓縮機等。

5 變頻器服務(wù)市場的進一步超值
最近權(quán)威的市場調(diào)查發(fā)現(xiàn):用戶將花費在變頻器服務(wù)上的費用更多, 其服務(wù)內(nèi)容包括施工、設(shè)計、配置、集成和在線支持, 而花費在變頻器產(chǎn)品本身的費用比重將大幅度降低。據(jù)估計2004年北美市場變頻器產(chǎn)品的銷售額在10億美元左右, 而變頻器服務(wù)市場的銷售額將至少有18億美元左右。
然而，相對于最終用戶而言，變頻器的服務(wù)價值與產(chǎn)品價值之間的關(guān)系并不一定一成不變，甚至差別很大。比如，在成熟的工業(yè)應(yīng)用中，一般的標準傳動就能基本符合用戶的要求，同時用戶經(jīng)驗豐富，此時變頻器的服務(wù)費用也許就只有產(chǎn)品費用的20％，甚至更低。但是在應(yīng)用工況復(fù)雜、傳動的計算機控制程度高、工廠信息化要求與執(zhí)行電機掛鉤的情況下，這時候用戶花費在變頻器系統(tǒng)設(shè)計、集成等上的服務(wù)費用將大大超過產(chǎn)品本身的價值，甚至可以達到6~8倍左右。比如在造紙生產(chǎn)線、冶金等行業(yè)。
經(jīng)調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，變頻器服務(wù)市場的產(chǎn)值分布來看:傳動制造商只獲得其中25％的份額，余下的75％將由集成商(占44％)、商業(yè)承銷商(7％)、工業(yè)承銷商(7％)、OEM客戶和其他(17％)分攤。具體分布圖如圖3所示。
就變頻器服務(wù)市場的發(fā)展趨勢來看, 大致有以下可能:
(1) 相對于變頻器產(chǎn)品技術(shù)和價格壓力而言，變頻器服務(wù)市場的技術(shù)要求會更高，價格壓力也將更重;
(2) 系統(tǒng)集成商和承銷商只有具備更靈活的機制、更簡潔的企業(yè)架構(gòu)才能在激烈的變頻器服務(wù)市場分得一杯羹;

(3) 盡管變頻器產(chǎn)品技術(shù)將朝著更先進的方向發(fā)展，其產(chǎn)品價值也將飛升，但并不意味著變頻器服務(wù)市場的蛋糕會少起來。

6 結(jié)束語
本文介紹了對國外變頻器應(yīng)用的基本認識，并介紹2004年國外變頻器的應(yīng)用情況以及市場動向，主要有以下幾個特點:變頻器應(yīng)用日趨普及、變頻器產(chǎn)品形式異彩紛呈、不同功率段的變頻器市場存在差異、變頻器服務(wù)市場進一步超值。