【百科】解析变频器

概述
高压电器-变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。
目录
背景与意义
国外发展状况
国内发展状况
发展趋势
关键词
变频器 高压变频器 高压电器 传感器
背景与意义
随着现代社会科技水平的不断发展进步,在工农业生产、军事国防、日常生活等多个领域中,都对实现电能和机械能相互转化的电力传动系统产生了越来越多的需求。根据统计,全球约65%的能源使用都与电气传动系统有关。
电气传动系统是由控制、功率驱动和电机三个主要部分组成。电气传动主要研究方向是通过合理的控制电机,进行节约能源和准确控制机械系统的运行状态,如位置、速度、加减速等,进行电能机械能的转换,实现低耗、优质、高产的目标。电气传动主要分为二种,分别是交流调速传动和直流调速传动。而交流调速系统一般又可以进一步分为异步调速和同步调速。和交流调速相比,直流调速系统虽然起源早、技术成熟,同时也在不断的向前发展,但因为在结构上需要有电刷和机械换向器等,导致直流调速存在固有缺陷。所以,随着交流变频调速技术的不断发展和日渐成熟,交流调速已经成为市场主流,逐渐取代了直流调速的市场份额。
自从用于交流电机控制的变频器在20世纪60年代前后问世以来,80年代就己经在发达国家得到了推广应用。根据相关调查数据显示,在1990年全球调速应用领域中,交流传动就以60%的市场占有率超过了直流传动40%的市场占有率。目前,全球变频器市场中占据主导地位的企业主要是瑞士的、日本的安川和三菱、德国的西门子以及美国的艾默生等,基本都是来自欧美和日本等发达国家。相对这些全球变频器领导企业而言,我国的变频器研究起步比较晚,变频器市场也一直到20世纪90年代末才开始得到推广。但是我国变频器行业自起步以来,一直保持着惊人的发展速度。
然而,我们国产的变频器技术却和市场迅速发展形成了鲜明对照,和国际上的知名品牌相比,国产变频技术存在着明显的劣势。由于技术上的落后,国产变频器的市场份额仅有25%左右,而且主要集中在低端市场。因此,对交流电机的变压变频控制技术展开深入的研究和积极的探索将对我国工业技术水平的发展起到非常重要的推动作用。
国外发展状况
国外变频器问世于世纪年代,在年代就得到了推广应用。目前,在全球变频器市场中占据主导地位的企业主要来自欧美和日本等发达国家。国外变频调速传动的主要特点有:
1.功率等级高。随着和等功率器件对电压和电流承受能力的提高以及串联、并联技术的发展,电压等级高、功率值大的变频器已经在实际中得到了应用;
2.控制技术先进。近年来,随着矢量控制和转矩控制等最新的控制理论的问世,高性能变频器已经在工业生产中得到了应用;
3.微电子技术发展快。信号处理器6位的高速微处理器以及专用集成电路(技术的发展,极大的提高了变频器的性能和响应速度,同时为变频器的多功能化提供了硬件手段;
4.市场需求量不断增大。随着全球工业自动化程度的不断提高和不可再生能源的紧缺,在纺织、化工、机械等各个行业中都开始越来越广泛的使用变频器,经济效益都很显著。
国内发展状况
相比较国外变频器的发展状况,我国的变频器应用起步较晚,直到20世纪年代90末期才得到较为广泛的推广。在我国,60%的发电量是被电动机所消耗的,因此调速传动的优劣对电力能源的节约至关重要。目前各类行业使用的电机中以中小型异步电动机为主,大约可以占到80%以上随着改革开放后国内经济的高速发展,我国工业市场对变频器的需求急剧增加,形成了一个巨大的市场。但是,就目前而言,我国变频器产品的整体技术水平要低于国外同类产品,集中体现在对变频器核心技术的研究不成熟,技术积累少,整体的研发实力也不如国外的大企业,而且变频器的工艺水平也相对落后,这些导致国产变频器产品整体性能不如国外同类产品。在高压变频装置上,国内的发展相对较快,在一些核心关键技术上已经取得了一定的突破,相对国外同期产品,基本上可以说达到了一致的商业化产品性价比。目前国内在高压变频器上,代表性的公司有北京立德华福、成都佳灵和上海科达等。在国家“十一五”规划中,将有高达500亿元左右的资金投入到电机系统节能上,未来在我国变频调速系统将有着非常巨大的市场需求。
总结国内变频技术目前的发展状况,可以概括为:
1.变频器的整体技术相对落后,和国外在变频调速研究上取得的先进成果比,存在着较大的差距;
2.变频器使用的核心部件技术空白。目前来说,变频器的生产中需要的关键功率器件,在国内几乎没有厂家可以生产,导致我们核心技术受制于国外,必须依靠进口;
3.主要产品集中在低压产品和中低端市场。由于产品可靠性和工艺水平不高,目前国内变频器产品主要面向低压和对性能要求一般的市场,高性能、大功率市场主要被国外大公司占领。
发展趋势
通过变频器进行交流电机的调速传动控制可以实现节能效率高,调速范围宽,容易实现电动机的正反转切换,可以实现电气制动,可以用一台变频器进行多台电机控制,适应环境能力强等优点,同时使用变频器还可以组合成高性能的控制系统。
综合来看,变频器的未来发展趋势有以下几点:
1.主控一体化。随着日本三菱公司DIPIPM模块(双向直插式封装)的研制和推出,将逆变器的功率电路和控制电路一体化、智能化和高性能化的HVIC(高压IC )SOC(System on chip)就可以实现。这样可以降低变频器的成本和体积,同时提高变频器的可靠性,增强市场竞争力。
2.变频器的高性能化。随着矢量控制、转矩控制等控制理论的发展和高速数字信号处理器的应用,变频器的性能将越来越高。无速度传感器矢量控制( SVC)技术的发展成熟,使变频系统摆脱了硬件检测电机转速的束缚,系统体积更小。
    3.变频控制系统数字化程度的不断提高。受益计算机技术的进步,变频控制系统将实现交流调速系统和信息系统的紧密结合,同时还可以提高系统的整体性能。另外,随着交流电机控制理论的日益丰富,相关的控制策略和控制算法也越来越复杂,需要更多的计算和存储空间,目前全数字化的高性能交流调速系统中都广泛的应用DSP芯片。电机控制芯片典型的有TI公司的TMS320F240x和TMS320F280x,日本瑞萨公司的SH和RX系列。
4.变频控制系统的网络化。目前市场上新型变频器都内置了RS485接口,同时提供多种相互兼容的通信接口,支持多种通信协议,同时可以通过连接计算机,由计算机键盘来控制和操作变频器,并且可与多种现场总线进行联网通信。
5.变频器的绿色环保化。变频器的电磁兼容、谐波抑制、电机噪声抑制等技术都是目前人们关注的重点,变频器的环保问题显得越来越重要。很多国家都已经制定了限制谐波的有关规定和EMC标准。寻找解决好变频器的噪声和电磁污染的方法,也成为了很多研究人员工作的重心。
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相关词汇:低压电器高压电器电子元器件仪器仪表电子电器 
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