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变频器市场竞争力深度评测

行业上下游中国仪表网2008年09月02日 08:29人气:513

随着市场需求的增长,技术也日益发展和完善。1971年,美国、德国提出了矢量控制技术,使得变频器的交流调速性能可以和直流调速相媲美。

   变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪50年代末,美国通用电气公司推出了电力半导体组件晶闸管(可控硅SCR),给变频技术提供了划时代意义的基础硬件。进入70年代,由于直流电机的调速局限性,交流电机越来越受到人们的青睐。随着市场需求的增长,技术也日益发展和完善。1971年,美国、德国提出了矢量控制技术,使得变频器的交流调速性能可以和直流调速相媲美。1973年,美国提出了电力电子技术这一新的技术学科,其最大应用领域就是调速传动。1979年,日本采用矢量控制的变频调速系统开始实用化,技术又上了一个新台阶。到了20世纪80年代,由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步,变频器性能及可靠性提高,生产成本下降,其应用开始普及。 
    几十年间,电力电子器件也从最初的SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管),经过BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管),发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件的更新促使变频器的应用领域更为广泛,市场规模随之迅速扩大。 
    步入20世纪80年代,全球变频器技术变革速度加快,走向成熟的变频产品被广泛应用在国民经济的各个行业领域。随着中国变成世界工厂,制造业的快速发展为变频器产品提供了越来越大的市场空间,然而时至今日,国内变频器市场还可以说是外国人的天下,日系和欧美瓜分了80%的市场份额,但近年来台湾变频品牌也有一些强势表现,国产品牌总体仍处于弱势。 
    国产变频曾经落后国外“10_15年”,近几年的奋起直追下,不仅在技术上有了很大突破,多家国产变频的发展也同国际接轨,具备了相当的企业竞争力。英威腾,易能,安邦信,智光电气等国产变频厂家,凭借价格优势,开始占据越来越多的市场份额,但不可否认真正决定国产变频是否具有竞争力的核心因素还是技术水平。 
    本评测选取了国内(包括台湾)具有代表性的变频品牌产品与国外产品,在可靠性(稳定性)、精度、速度、参数上进行比较。 
    品种和规格 
    品种和规格往往反应了一个企业所具有的技术实力的高低。纵观目前市场中的主流变频,欧美品牌通过模块化设计,可以做到很宽的功率段.而我国变频器配套产业的实力相对较弱,国产品牌无论在技术、加工制造、工业设计等方面还是在资金实力方面,都与国外品牌存在一定差距。目前,外资品牌在国内变频器市场的占有率约为80%。本土变频器企业主要生产V/F控制产品。对于性能优越、技术含量高的矢量变频器等产品,国内绝大多数企业还没有开发出成熟的产品。虽然个别表现突出的内资品牌如深圳英威腾、成都希望森兰等,已有同类档次较高的变频器产品问世,但与国际巨头相比,其产品的种类、规格还有待进一步充实和丰富。 
    外资品牌和本土品牌 
    中国市场的吸引力也导致台资、外资的介入,例如西门子、三菱、ABB、台湾普传等。到目前为止,活跃在中国市场的外资品牌约为40余个。同时涌现出近百家的内资品牌,这些变频器的生产厂商主要集中在沿海开放省市如广东、山东、江苏等地。目前内资品牌中市场份额最大的如深圳英威腾、成都希望森兰、烟台惠丰等企业06年的销售额都突破1亿元。深圳英威腾、成都希望森兰都推出了矢量产品,其中深圳英威腾不但低压矢量产品的功率规格已经比较丰富,还拥有成熟的中压矢量产品,其综合产品线齐全程度逐步接近国际顶级品牌,满足今后各领域的发展需要。    

    高可靠性(稳定性) 
    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。通常情况下采用变频器运转,随着电机的加速相应提高频率和电压,起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同,为125%~200%)。用工频电源直接起动时,起动电流为6~7倍,因此,将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍,起动转矩为70%~120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器,起动转矩为100%以上,可以带全负载起动。 
    通用变频器的主电路一般都是电压型交-直-交如图1所示。逆变元件现在一般都用IGBT、IPM,GTR已是淘汰产品。成都佳灵电气制造公司的JP6C-T9型容量从0.75~75kW逆变元件为IPM,75~280kW逆变元件为IGBT。这两种元件是世界上生产变频器最先进的元件,与传统的双极性GTR相比,其特点是IGBT具有MOSFET高输入阻抗、高速特性同时也具有GTR大电流密度的特点;IGBT为电压驱动,而GTR为电流驱动。IGBT驱动电流在100nA量级可控制几十安培电流输出,直流电源增益达108~109,几乎不消耗功率,驱动电路简单、效率高,因此功耗很小,变频器散热片面积比GTR小1/3,变频器外形尺寸小;IGBT的开关速度比GTR快,开关时间为10~100ns量级,GTR则以?s计,以至达到几十微妙,因此IGBT有较高的工作频率,用IGBT生产出来的变频器人们听到的噪声几乎没有,与GTR相比降低了20dB,可与电动机直接用工频电源驱动噪声相比,如图2所示。由于工作频率高,输出电流波形为一条圆滑的正弦波形;IGBT有正的电阻高温系数,具有良好的热稳定性,对过电流有自限流作用,多只同样管子的并联有自均流作用,这些都是GTR难以办到的;安全工作区大,具有高度线性化的跨导。为此在变频器逆变元件用IGBT逐步代替GTR是必然的趋势,JP6C-T9型用这样的逆变元件制造大容量的变频器可以说是世界上第一流的。IPM是智能化的IGBT,把IGBT功率元件的电路与驱动电路和保护电路集成在一个芯片上的模块,过去成千个元件组成的各种电路而现在是一个芯片,可靠性就大为增加,其失效率把几千个元件失效率变为1个,把可靠性提高到原分立元件的几千倍,同时减少了大量焊点,系统的可靠性就更高了。 
    智能化与网络化 
    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,通过高速通讯网络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。另外,通过现场总线模块,不同型号的变频器以同一种编程语言和通讯协议来与不同功率段、不同型号的变频器进行组态,如功率、速度、转矩、电流、设定值等。 
    随着国内对大规模变频装置的需求上升,高档变频产品的开发成功,变频器智能化的开发已经成为当务之急。我们的变频基本性能还没有达到相应的水准,市场还没有发育到这个程度。可喜的是,我们已经看到国内一些变频企业进行了有益的研发实践,一方面消化国外的先进技术,一方面尝试推出自己的变频标准。 
    ZINVERT高压变频器将多个功率单元的输出电压串联叠加直接形成高压输出,此方法类似于干电池叠加,通过若干个功率单元的叠加可产生所需要的相电压数值。每个功率单元输出1/n的额定电压、1/3n的额定功率,单元的功率模块只承受1/n的额定相电压,因此可选择低压功率模块,单元电势差由变压器线圈来承受。 
    该变频器通过“功率裂变”与高压“再生”技术,直接带动高压电机,因此输出谐波小、对电网污染小。每个功率单元输出三电平,通过移相叠加输出电压近似正弦波,不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动等特点,不必加装输出滤波器就可以用于普通异步电动机。并且电压的跳变仅为单个功率单元直流电压值,因此dv/dt小,对电机无伤害,可直接适应于普通异步电动机的节能改造。
  性能指标 
    变频器的性能指标可以从输出功率\电压等级等方面来衡量.变频器可以分为低压(110V,220V,380V等)、中压(660V/690V,1140V,2300V)和高压(3KV,3.3KV,6KV,6.6KV,10KV等)变频器,高压变频器通常采用IGBT多级串联的技术,而中压变频器和低压变频器不需要,由于这一技术方面明显的分界线,使得业内人士通常把中低压变频器归为一个大类,和高压变频器分开。 
    总结 
    国产变频与国外变频存在差距这是事实,但这差距并不像想象中那么大。市场在扩大、技术在进步、人才在增加,随着国家扶持力度的加大及民营企业投入的增长,国产变频必将迎来自己的“春天”。曾经有位业内人士谈到国产变频的情景时表示,60%靠技术,40%靠市场。国内变频企业过多地关注在低价格的竞争中,迫使彼此之间疲与争斗,而无暇顾及技术研发。可喜的是,以智光为代表的国内变频企业正不断增加人力、物力、财力的投入,奋起直追,期待超越! 
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