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变频器 |
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浅谈变频器的市场及应用分析 |
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作者： |
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1、引言
当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代，在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。
由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它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、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。
我国的变频器市场起步规模并不大，但是随着国民经济近几年的快速增长，大大带动了变频器市场的容量，2005年其总体销售业绩在70亿元左右，今后还将以平均8～12％左右的速度发展，市场容量的扩大也带动了变频器国产化和变频成套柜集成规模。
2、变频器的市场分析
2.1 前景广阔的中国变频器市场
中国拥有庞大的产业群，并保持着持续稳定的发展；与国际接轨，众多的企业需要提升国际竞争力；人们生活质量不断提高等。这些都是变频器市场的增长驱动力和更广泛应用的基础。
中国的变频器市场在过去几年内保持着12％～20％的高速增长，在2003年，由于工业行业及建筑业的迅猛发展以及各行业的大量投资，当年同比增长达到了近40％，市场规模超过了55亿元人民币。进入2004年，因2003年的市场基数突然增大，加上国家加强了对冶金、建材等行业的宏观控制，变频器市场增长率将大幅回落，但还是达到了11％左右，2004年变频器的营业额达到了61亿元左右的规模。到了2005年，随着经济的持续快速发展，变频器的应用领域逐步开始朝向环保工业、水工业、HVAC领域发展渗透，据统计到年底变频器市场规模已经达到70亿元。
从总体上看，由于中国经济的整体快速发展和中国加入WTO，市场对产品的要求将逐步提高，提升生产设备的水平势在必行，用于生产工艺控制的变频器将越来越多地被采用，另一方面，我国电力供需严重失衡，高峰季节的限闸拉电现象普遍，节能呼声空前。因此，在未来3年内，中国变频器市场仍将保持着快速增长。现在至少在10年以后，中国的变频器市场才能饱和并趋于成熟，因此，中国的变频器市场具有广阔的发展空间。
图1 变频器的市场容量趋势图
中国是能耗大国，在5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到 2000万千瓦的电动机是带变频控制的，变频控制电机市场占有率不足4%。综合多家市场机构的调查报告的数字分析，我国变频器的市场潜力为1400亿元～2000亿元。
2.2 2005变频器各品牌市场占有率
2005年变频器在低压领域的市场份额为60亿元人民币左右，不同品牌的市场营业额如下表1所示：表1 低压变频器市场品牌营业额
 2005年变频器在高领域的市场份额为10亿元人民币左右，其中国产品牌利德华福等品牌效应在逐渐形成，国产市场占有率已经达到30%左右。
2.3 变频器功率段的市场期望差异
国外资深调查机构drivemag第一次对变频器功率段的市场期望值在2004年度进行问卷调查后，在2005年度再次进行调查，调查分析表明：变频器在低功率段的竞争愈来愈激烈，且要求越来越高，而大功率段的变频器依然还是个卖方市场。此次问卷的读者覆盖面更广，涉及全球各大洲的60个国家，涉及近60个国际和区域品牌，制造商分布在北美、欧洲、日本和中国，行业遍及重工、轻工、市政公用等，问卷的主体依然是从事商务、操作和设计的人员。
图2所示为用户和厂商对于变频器不同功率段的市场期望值的差异比较。与2004年度最大的区别在于对于高功率的预期，无论是用户和厂商都有了15％的上浮，假如未来高功率市场如预期的那么乐观，将来会有越来越多的厂商介入其中，一些原先只做到如75kW级中功率变频器的厂商就会把功率段放高到280kW甚至400kW以上。随着大量厂商的加入，高功率变频器的价格会随之下滑，用户对厂商的产品供应链、服务环节就会更加严格。
图2 用户和厂商对于变频器不同功率段的市场期望值的差异比较
2.4 变频器服务市场将进一步超值
变频器的服务市场近年来为很多用户和媒体所接受，因为变频器不是一个单纯的工业产品。在应用工况复杂、传动的计算机控制程度高、工厂信息化要求与执行电机挂钩的情况下，这时候用户花费在变频器系统设计、集成等上的服务费用将大大超过产品本身的价值，更可以达到6～8倍左右，比如在造纸生产线和冶金等行业应用。因此，变频器的服务市场将可以分为变频器安装、调试、维护、维修、系统集成、系统设计等多方面所引发的综合服务市场。
据调查中，变频器服务市场的产值分布，2005年度比2004年度发生了一些明显的变化，如变频器制造商的占有率急骤下滑至18％、系统集成商的占有率则上升至48％、工业承销商上升至10％。见表2。表2 变频器服务市场的产值划分
 就变频器服务市场的发展趋势来看，大致有以下可能：
（1）相对于变频器产品技术和价格压力而言，变频器服务市场的技术要求会更高，价格压力也将更重；
（2）变频器制造商由于产品的通用型加强，在总线控制方面的公开程度越高，用户的选择余地会更大，就不一定要变频器制造商来提供全方面的服务；
（3）系统集成商已经对变频器的嵌入式应用程度进一步提升，在一个系统领域中，变频器甚至只是一个小小的执行器节点，而系统集成商的作用将会更大；
（4）工业承销商在不断进取的基础上，逐步具备了系统集成和变频器服务的能力，占有率自然上升。
3、变频器的节能市场分析
3.1 节能是变频器的重要领域和潜力市场之一
电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一，国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。在“十一五”期间，我国将实现电机系统运行效率提高2个百分点，形成年节电能力达200亿千瓦时的目标。
据估算，我国电动机总装机容量约5.8亿千瓦，占全国总耗电量的60%～70%。其中，交流电动机占90%左右。目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3%～5%，风机和泵的效率要比发达国家低2%～3%，整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近20%。如果按电动机总容量的10%进行调速改造，按年平均运行4000时、节电率20%～25%计算，年节电潜力为320亿～400亿千瓦时。加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机可带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿千瓦时，相当于10000兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。由此可见，电机系统节能是目前中国节能市场上最具商业潜力的领域。
众所周知，风机和水泵是变频器节能的重要领域和潜力市场领域，其使用量占据变频器市场份额的半壁江山。
3.2 节能及能量反馈
采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。我们知道，提高效率主要有两个重要途径：
第一个途径是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量；
第二个途径则是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，在这个途径中既可以节能降耗，又可以实现电动机的精确制动，提高电动机的动态性能。
通用变频器大都为电压型交—直—交变频器，三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。
（1）将反馈到直流回路的能量以制动电阻的热能消耗掉的缺点
在这种情况下，要实现四象限运行只能通过外接制动单元和制动电阻来实现，也就是说将反馈到直流回路的能量以制动电阻的热能消耗掉。所以说，这种制动方式又称为能耗制动。该方法虽然简单，但有如下严重缺点:
● 浪费能量，降低了系统的效率；
● 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；
● 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高（制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。正是由于能量反馈在实现上的难度系数大，很多用户甚至将此不作为节能看待，这是一个危险的信号。
（2）能量回馈系统的特点
能量反馈系统在实际运行中主要有二种方式：单独的能量反馈装置和能量回馈技术的新发展——双PWM控制技术。
所谓能量反馈装置，就是把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。能量回馈单元的作用，就是取代原有的能耗电阻式制动单元，消除发热源，改善现场电气环境，可减少高温对控制系统等部件的不良影响，延长了生产设备的使用寿命。同时由于能量回馈单元，能有效的将变频器电容中储存的电能回馈20％～40％左右。
能量反馈单元具有如下特点：
● 降低运行成本，包括减少电能损耗、提高功率因数、改善电网运行质量等；
● 提高制动能力，如果以传统的标准制动电阻器与变频器的组合，制动力矩大约为120%额定力矩/10s，10%ED；而VS-656RC5与变频器的组合，制动转矩则提高到150%额定转矩/30s或者100%额定转矩/1min（25%ED）或者80%额定转矩/连续再生。送给交流电网，供周边其他用电设备使用，则可节约生产用电，一般节电率可达20。
（3）双PWM控制技术
双PWM控制技术的工作原理:当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。
双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。
无论是能量反馈单元和双PWM控制方式都能将能量反馈会电网，形成节能降耗、清洁生产的良好局面，其在变频器节能领域的占有率将从目前不到3％快速上升到15%。
4、变频器的工艺调速市场分析
目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高。但随着中国加入WTO，产品质量和生产效率都需要面临国际竞争，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用，其市场容量占到整个变频器市场容量的1/3左右。
应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量，同时减轻了人工的劳动强度、提高了生产效率，可以说，变频器在纺织、食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业的应用前景和发展潜力都不可小觑。
比如应用在传送带上的变频工艺控制系统，它采用一台变频器驱动生产线上的多台传送带电机，根据所生产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下3个优点：
（1）提高生产率，通过设定变频器的频率，可控制传送带生产线的速度，从而达到了提高生产率达目的；
（2）可利用现有设备，可利用现有传送带上的齿轮马达和现有的传送带进行改动；
（3）可用一台变频器来控制多数电动机的驱动，这些电动机均并接到一台变频器上，通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同步运行。
4.1 变频工艺控制系统的优点
变频工艺控制系统的优点在于它能大大地提高工艺的高效性，因为其变速不依赖于机械部分，具体表现特征如下：
（1）控制电机的启动电流
当电机通过工频直接启动时，它将会产生7～8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。
这个对于输送带的起停控制、多段速控制尤其有效，由于电机经常处于开关或绕组切换状态，使用了变频器后，就可以保证电动机的运行寿命。
（2）可控的加速功能
变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速、S形加速或者自动加速)。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。
（3）可调的运行速度
运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。
（4）可调的转矩极限
通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3％～5％左右。在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。
（5）受控的停止方式
如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车、减速停车＋直流制动)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。
（6）可逆运行控制
在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。
（7）减少机械传动部件
由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出, 从而节省齿轮箱等机械传动部件, 最终构成直接变频传动系统。从而就能降低成本和空间, 提高稳定性。
当然，使用变频器进行工艺控制，其优点还有很多，根据不同的工艺控制选择不同的变频器运行方式，所产生的效果也不一样。
5、结束语
众所周知，采用变频调速技术是工业企业中节能降耗、保证工艺的重要途径，在实际应用中取得的效果和效益有目共睹，本文试图从市场的角度剖析变频器的容量、占有率和主要的应用领域,与广大读者一同探讨变频器的发展。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/9/2006) |
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