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(jì)60年代左右問世，到20世紀(jì)80年代在主要工業(yè)化國(guó)家已廣泛使用，而從20世紀(jì)90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，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(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的上升、下降和變速運(yùn)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(jī)械部分)，同時(shí)可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。下面例舉使用變頻調(diào)速的10個(gè)理由，來說明變頻器應(yīng)用在國(guó)外日趨普及的基本認(rèn)識(shí):
(1) 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流。
當(dāng)電機(jī)通過工頻直接啟動(dòng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生7到8倍的電機(jī)額定電流。這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)(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(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動(dòng)電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機(jī)的維護(hù)成本將進(jìn)一步降低、電機(jī)的壽命則相應(yīng)增加。
(2) 降低電力線路電壓波動(dòng)。
在電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，電流劇增的同時(shí)，電壓也會(huì)大幅度波動(dòng)，電壓下降的幅度將取決于啟動(dòng)電機(jī)的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會(huì)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(jī)、傳感器、接近開關(guān)和接觸器等均會(huì)動(dòng)作出錯(cuò)。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，則能最大程度上消除電壓下降。
(3) 啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低。
電機(jī)功率與電流和電壓的乘積成正比, 那么通過工頻直接啟動(dòng)的電機(jī)消耗的功率將大大高于變頻啟動(dòng)所需要的功率。在一些工況下其配電系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了最高極限，其直接工頻啟動(dòng)電機(jī)所產(chǎn)生的電涌就會(huì)對(duì)同網(wǎng)上的其他用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的影響, 從而將受到電網(wǎng)運(yùn)行商的警告, 甚至罰款。如果采用變頻器進(jìn)行電機(jī)起停, 就不會(huì)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(dòng)并按照用戶的需要進(jìn)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(dòng)加速)。而通過工頻啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)或相連的機(jī)械部分軸或齒輪都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。這種振動(dòng)將進(jìn)一步加劇機(jī)械磨損和損耗，降低機(jī)械部件和電機(jī)的壽命。另外，變頻啟動(dòng)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(yùn)行速度。
運(yùn)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(yuǎn)控PLC或其他控制器來實(shí)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(hù)機(jī)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(dá)到3％～5％左右。在工頻狀態(tài)下，電機(jī)只能通過檢測(cè)電流值或熱保護(hù)來進(jìn)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(dòng)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(dòng))，同樣它能減少對(duì)機(jī)械部件和電機(jī)的沖擊，從而使整個(gè)系統(tǒng)更加可靠，壽命也會(huì)相應(yīng)增加。
(8) 節(jié)能
離心風(fēng)機(jī)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(yàn)中已經(jīng)得到體現(xiàn)。由于最終的能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后投資回報(bào)就更快，廠家也樂意接受。
(9) 可逆運(yùn)行控制
在變頻器控制中，要實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)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(hù)成本和節(jié)省安裝空間。
(10) 減少機(jī)械傳動(dòng)部件
由于目前矢量控制變頻器加上同步電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出, 從而節(jié)省齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)部件, 最終構(gòu)成直接變頻傳動(dòng)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(jí)換代、網(wǎng)絡(luò)變頻器的進(jìn)一步增強(qiáng)、矩陣變頻器的成形等特點(diǎn)，使得不同形式、不同類別、不同功能的變頻器在市場(chǎng)中異彩紛呈。
3.1 OEM化變頻器升級(jí)換代
對(duì)于異步電機(jī)的控制方式而言，普通工頻啟動(dòng)相對(duì)成本更省，而變頻器的花費(fèi)則會(huì)更高、體積會(huì)更大，所以在很多自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備中，變頻器采用率并不是很高，機(jī)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(jìn)行升級(jí)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(dòng)化展會(huì)上展出了其最新的OEM化產(chǎn)品Movitrac LT(如圖1)，是對(duì)原先的Movitrac的進(jìn)一步升級(jí)，非常適合OEM配套使用在風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)床工具和傳送帶上。由于采用最新先進(jìn)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(jiǎn)單，運(yùn)行調(diào)整則以基本的14個(gè)參數(shù)為前提。
該款變頻器具有更加強(qiáng)大的軟件功能(新增幫助卡)、更加安靜的噪音設(shè)計(jì)(開關(guān)頻率可達(dá)32kHz)、更加合理的散熱設(shè)計(jì)(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(qiáng)
數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)功能在2005年變頻器國(guó)際展會(huì)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(shí)PowerFlex 4變頻器可以通過裝有DriveExplorerTM或DriveExecutiveTM軟件的微機(jī)進(jìn)行編程和控制。
作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，變頻器的網(wǎng)絡(luò)化配置主要基于3個(gè)層面:設(shè)備層、控制層和信息層?？梢耘浣幼罨镜腞S232/RS485串行通訊協(xié)議、PROFIBUS等的現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(hù)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、減少運(yùn)行成本。目前安裝的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)和品牌，并非常簡(jiǎn)單地集成到現(xiàn)有地網(wǎng)絡(luò)中去。而且通過現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，可以不考慮變頻器的型號(hào)，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(hào)地變頻器進(jìn)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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l, 且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大, 因此矩陣變頻器一直成為國(guó)際大公司的研發(fā)對(duì)象。
在2004年4月份的漢諾威國(guó)際展覽會(huì)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(jì)劃在明年啟動(dòng)銷售策略，同時(shí)已經(jīng)在日本市場(chǎng)上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和運(yùn)行了好幾臺(tái)矩陣變頻器。在安川矩陣變頻器中有9個(gè)開關(guān)，每一個(gè)都有2個(gè)IGBT雙向開關(guān)組成，能允許正向電壓和負(fù)相電壓通到電機(jī)上。IGBT數(shù)量的增加是導(dǎo)致矩陣變頻器造價(jià)昂貴的其中一個(gè)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(jìn)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(gè)重要點(diǎn):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(shí)，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(dòng)方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動(dòng)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(jìn)行處理。總之，傳動(dòng)能在四象限高效率運(yùn)行。
安川公司起初的計(jì)劃是將新的矩陣變頻器主要用到能夠發(fā)揮其長(zhǎng)處和優(yōu)點(diǎn)的場(chǎng)合中, 如它的處理再生能量功能，在起重、電梯、離心機(jī)和其他需要連續(xù)電動(dòng)又連續(xù)制動(dòng)發(fā)電的場(chǎng)合。當(dāng)然，它也可以裝在那些需要制動(dòng)，但又沒有空間安裝制動(dòng)電阻或者安裝電阻會(huì)引起意外事故的地方，如酒精廠、化工廠等。另外一個(gè)非常有潛力的地方，就是需要有低諧波的應(yīng)用場(chǎng)合。如在輪船上，就能允許安裝更小的發(fā)電機(jī)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(jì)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(jí)的5.5~45kW變頻器。至于價(jià)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(chǎng)期望差異
如圖2所示，國(guó)外資深傳動(dòng)調(diào)查機(jī)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(dòng)功率在大功率段是個(gè)賣方市場(chǎng)。此次問卷的讀者覆蓋全球各大洲的40多個(gè)國(guó)家, 涉及的品牌多達(dá)55個(gè), 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(jì)人員。

圖2 2003年底到2004年底跨越整年度的市揚(yáng)調(diào)查描述
100%的買主都坦言他們購(gòu)買中低功率段的變頻器，同時(shí)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(rèn)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(duì)關(guān)注少一點(diǎn)。事實(shí)上，隨著功率的增加，用戶不需要更高功率的電機(jī)來運(yùn)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(huì)非常關(guān)心，因?yàn)楦吖β识巫冾l器的產(chǎn)值更高。
在問及今后變頻器的市場(chǎng)走向時(shí)，許多變頻器廠商相信，基于三個(gè)因素，在重工業(yè)采用高功率變頻器將會(huì)增速:
(1) 高功率段的變頻器價(jià)格相對(duì)低廉，平均每HP或每kW的價(jià)格大大低于中低功率段變頻器的價(jià)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(jì)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(jī)所需的變頻器產(chǎn)品相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用場(chǎng)合即使復(fù)雜，其控制思路還是大大簡(jiǎn)化。
假如未來高功率變頻器市場(chǎng)如預(yù)期的那么樂觀，將來會(huì)有越來越多的廠商介入其中，一些原先只做如75kW級(jí)中功率變頻器的廠商會(huì)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(jià)格將會(huì)下滑，用戶對(duì)廠商的產(chǎn)品供應(yīng)鏈、服務(wù)環(huán)節(jié)就會(huì)更加嚴(yán)格。
在高功率市場(chǎng)增長(zhǎng)的同時(shí), 其相應(yīng)的集成項(xiàng)目和成套產(chǎn)業(yè)也會(huì)大幅度增長(zhǎng), 將會(huì)大量涵蓋到不僅包括離心風(fēng)機(jī)和水泵在內(nèi)的其他高功率電機(jī)場(chǎng)合，如攪拌機(jī)、壓縮機(jī)等。

5 變頻器服務(wù)市場(chǎng)的進(jìn)一步超值
最近權(quán)威的市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):用戶將花費(fèi)在變頻器服務(wù)上的費(fèi)用更多, 其服務(wù)內(nèi)容包括施工、設(shè)計(jì)、配置、集成和在線支持, 而花費(fèi)在變頻器產(chǎn)品本身的費(fèi)用比重將大幅度降低。據(jù)估計(jì)2004年北美市場(chǎng)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(chǎng)的銷售額將至少有18億美元左右。
然而，相對(duì)于最終用戶而言，變頻器的服務(wù)價(jià)值與產(chǎn)品價(jià)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(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)就能基本符合用戶的要求，同時(shí)用戶經(jīng)驗(yàn)豐富，此時(shí)變頻器的服務(wù)費(fèi)用也許就只有產(chǎn)品費(fèi)用的20％，甚至更低。但是在應(yīng)用工況復(fù)雜、傳動(dòng)的計(jì)算機(jī)控制程度高、工廠信息化要求與執(zhí)行電機(jī)掛鉤的情況下，這時(shí)候用戶花費(fèi)在變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成等上的服務(wù)費(fèi)用將大大超過產(chǎn)品本身的價(jià)值，甚至可以達(dá)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(chǎng)的產(chǎn)值分布來看:傳動(dòng)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?jǐn)偂＞唧w分布圖如圖3所示。
就變頻器服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)來看, 大致有以下可能:
(1) 相對(duì)于變頻器產(chǎn)品技術(shù)和價(jià)格壓力而言，變頻器服務(wù)市場(chǎng)的技術(shù)要求會(huì)更高，價(jià)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(jī)制、更簡(jiǎn)潔的企業(yè)架構(gòu)才能在激烈的變頻器服務(wù)市場(chǎng)分得一杯羹;

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

6 結(jié)束語
本文介紹了對(duì)國(guó)外變頻器應(yīng)用的基本認(rèn)識(shí)，并介紹2004年國(guó)外變頻器的應(yīng)用情況以及市場(chǎng)動(dòng)向，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):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(chǎng)存在差異、變頻器服務(wù)市場(chǎng)進(jìn)一步超值。