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行業新聞
《變頻器世界》視點 | 回眸變頻技術三十年(節?。?/div>
發布時間:2017-9-14  瀏覽次數:507

變頻技術在我國得到真正關注大約在上世紀70年代末,至今算來已有三十余年。進入21世紀以來,我國變頻器市場的增長速度高達20%左右,遠遠超過同期的GDP增速,增長速度居電氣行業之首。有報告顯示,我國變頻器行業多年來一直保持快速的發展勢頭,2008年行業實現銷售收入145.80億元,同比增長27.00%,2009年實現銷售收入165.80億元,同比增長13.72%,2010年實現銷售收入208.10億元,同比增長20.40%。最近幾年盡管變頻器銷售額有所回落,但2013年僅高壓變頻器(實際上3kV~10kV國外稱之為中壓變頻器)一項銷售收入為69.51億元,同比增長7.8%。據統計2015年高、低壓變頻器增速分別為15%和10%。預計到2017年,高、低壓變頻器的市場規模約分別為110億元和300億元。

變頻器的應用領域也在不斷擴大。從風機水泵、生產加工設備;從輕紡行業到重型機械;從電動汽車到高速鐵路;乃至冰箱、空調、洗衣機等家電產品,幾乎無所不能。大家都在關心,變頻技術已經發展到什么層面?在變頻技術發展和應用中有些什么可取的經驗?有哪些值得思考的問題?

變頻器產品飛速發展的三十年(略)

變頻器國產化道路(略

服務是變頻企業最重要的價值體現

變頻器不是簡單的產品,它的復雜性決定了銷售必須與服務合二為一,二者缺一不可。整個銷售過程中,既要介紹產品,又要提供必要的服務。例如售前要選型指導,提供方案設計,報價對比;售后還要技術培訓,安裝調試,日常維護和維修以及提供備品、備件等等。在這里,不能不提及變頻器企業和各級銷售商們,他們不僅將國內外的先進技術和方案介紹給客戶,還為客戶提供服務和維修,多年來培訓了一大批熟悉變頻器并掌握該技術的技術人員,為變頻器在中國的普及功不可沒,貢獻很大。而我國的高校憑借學科優勢,與這些銷售商一起為廣大用戶提供變頻器技術服務,例如當時上海鐵道學院、同濟安川、華南理工等都有對外維修服務的窗口。

世界上凡是出名的企業,無一不是具有良好的服務理念、服務水平、服務影響力。由于變頻器是一個涉及強電和弱電;涉及微電子和功率電子;涉及計算機和控制技術;涉及模擬技術和數字技術;涉及通信技術和傳輸技術;涉及測量和故障檢測;涉及去諧和電磁兼容理論等復雜的機電一體化系統,如果沒有各方面必要的服務,將無法發揮出變頻器的真正價值。

臺達公司長期與美國合作,在變頻器制造方面有很深的造詣,他們奉行“工業產品的專業精神”,建立了綿密、完備的服務網絡,他們承諾國內客戶2小時內響應您的問題;48小時內到現場服務。對海外客戶24小時響應,5天內提供相關服務。臺達的服務是全球聯網的,客戶只需一個途徑(電話、傳真、E-mail等)通知他們,就可以了。據了解,類似這樣做的公司不少。

變頻器的服務以后會成為一個經濟的增長點,ABB公司看到了這一點,2015年他們的服務收入提高了20%~25%。

而變頻器生產企業,則把技術配套作為自己的使命。

例如三菱變頻器憑借多年的積累,推出卷繞張力變頻控制整套方案,為用戶推薦變頻器、PID控制器以及張力傳感器整套產品,設計者完全考慮到了用戶的方便。

例如上面提到的明電舍所推出的可用于驅動異步或同步電動機的THYFREC VT 240S變頻器,它提供速度編碼器的自整定功能,使本來同步應用中較為復雜的事情變得簡單,自然受到用戶的喜歡。

例如同步切換問題對于設備安全運行是十分重要的,北京的合康億盛等企業的產品幾乎都提供運行狀態下變頻器與工頻電網之間的切換功能,這種無擾切換基于鎖相環技術,使變頻器輸出電壓的幅值、頻率、相位與工頻電網保持一致,這種技術也為重負載起動、多臺風機水泵的順序切換提供了方便。

例如英威騰致力于穩定、高效、免維護的逆變拓撲技術,成功推出iMars系列組串型光伏并網逆變器, 2012年支持上海個人用戶將分布式太陽能光伏系統與公共電網并網,成為非常成功的案例。

例如電動汽車的核心部件是“直-交”變頻器,你個人買了電動汽車就成為了變頻器用戶。如果使用的是可充電電池,就有充電樁的問題,就存在企業為用戶提供服務的問題。在實際使用中如果電動汽車一次充電(慢速)約8~10小時,每個充電位每天也就解決了3輛車的充電,在大城市里找這么多的地方來建設充電站成為難題;如果選擇快充,可能問題更大,所以新能源汽車是一個社會工程。對此,美國GE公司正在努力攻關,尋求解決方案。最近國家發改委、國家能源局、工信部、住建部聯合印發了《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015~2020年)》明確提出到2020年要完成500萬輛電動汽車配套的充電設施建設,其中充電站1.2萬座,分散充電樁480萬個。

有關專家指出,在移動通訊高速發展的今天,企業應該致力開發可以提供支持iPad、iPhone和安卓應用程序的變頻器產品,使技術人員可以在任何有無線網絡的地方查看變頻器運行狀況或修改參數,同樣也便利其他專業人員協助解決問題。

這些年來,我國的變頻器企業聯手配套企業,例如上海鷹峰電子科技有限公司等這類企業,基本上完成了交直流電抗器、正弦波電抗器、制動單元、制動電阻、四象限整流器、低電感母線、移相變壓器等的研制,滿足用戶應用和配套的需求。

在生產、推廣變頻器過程中,“我投資,你節能”,零風險的合同能源管理模式對于耗能企業具有強大的吸引力。北京動力源成功開發出中壓變頻器后即投入節能服務領域,2004年就開始成為國家發改委、財政部備案的全國首批節能服務公司。動力源將能源審計、節能診斷、能耗監控與管理、節能技術與產品應用、項目融資、項目實施、服務運營等環節進行系統整合,通過合同能源管理(EPC)模式,為用能企業提供系統綜合節能方案,取得雙贏的效果。

最近有專家提出了后市場服務的概念,據統計,目前國內約總量15%左右的高壓變頻器因產品質量或其他原因在現場未能正常投入運行,因此后市場服務被提上議事日程,即需要有人和專門的機構來回收利用或維修改造或升級換代等來將這些資源利用起來。

世界發展的現實告訴我們,全球的制造業正在從“生產型制造”向“服務型制造”轉變,我們應該跟上世界的潮流。

變頻器產業的出路之一是國際化

盡管近二十年是中國的變頻器企業發展最快的時期,但是從總體上講,多數產品的質量還難以達到國外品牌的水平,變頻器產業的出路在哪里?

1999年三墾力達電氣(江陰)有限公司由香港三墾力達有限公司投資創建,引進日本三墾變頻器生產線,組建研發隊伍,完成了他從銷售到制造的華麗轉身。

2011年6月,施耐德電氣宣布收購中國高壓變頻器的龍頭企業利德華福,在行業內轟動一時,這實際上就是一種國際間合作,既可以認為施耐德電氣重視中國龐大的中壓變頻器市場,也可以認為利德華福具有國際視野,通過此舉提升自己在國內行業的競爭力,并利用施耐德電氣的全球資源更好地走向國際市場。

2012年10月羅克韋爾自動化公司收購哈爾濱九洲電氣旗下中壓變頻器業務的資產,羅克韋爾借助九洲電氣的力量以加速實施新興市場的戰略,而九洲電氣則由此加入到全球領先的企業之中,并通過羅克韋爾獲得了穩定的全球客戶群。九洲電氣7、8年前,就開始了與羅克韋爾的成功合作,這才使上述收購水到渠成。

而這種合作即使在國外知名的企業之間也無時不在進行著,西門子2005年收購了高壓領域的佼佼者——羅賓康;同年西門子又收購了同是德國的弗蘭德公司(世界著名的減速箱制造企業),使西門子機械傳動產品的種類更齊全,涵蓋了所有工業產品的需要。目前,西門子自動化與驅動集團在中國擁有7家生產性公司,44個地區性辦事處,聘用員工約3,000名,活躍在中國的鋼鐵、機械、金屬、食品、飲料、包裝、自動化及石油化工等各個工業領域。幾年前,日本東芝GE自動化系統工程公司和三菱電機的產業系統事業部、電機制造事業部、電力電子事業部組成東芝三菱電機產業系統株式會社,強強聯合所誕生的產品即TMEIC(提邁克),這款高品質的高壓變頻器產品已為大家所熟知。

從本質上講,企業走向海外是我國經濟轉型、轉變經濟發展方式的措施之一,與發達國家的合作,有利于借此學習國外成熟的經驗,有助于提升中國企業的競爭力,這種世界層面的技術合作方興未艾,已經成為一種趨勢。中國企業被國外企業收購是否就意味著自主知識產權的喪失,這一點很值得研究。必須看到,中國的企業必須在國際舞臺上參與合作和競爭,企業才能真正強大;收購和被收購雙方的角色在一定的條件下是會轉化的,這一天對于中國的企業來說或許是重新出發的起點。

國際間合作的另一種形式是中外技術人員共同開發。以西門子為例,針對我國中壓變頻器市場,2013年開始在中國建立研發中心,讓更多的中國工程師有機會直接參與高水平的技術開發,這對我國變頻器人才的培養、技術的交流都有很大好處。同樣以中車株洲所為例,株洲所自從與ABB合作,至今已能生產世界上最高電流和電壓容量、最大直徑6英寸8200V的晶閘管,并已成功打造成功8英寸IGBT生產線,使我國的電力電子科技擠身于世界先進行列。

展望

今后變頻器的發展和應用方向,是大家非常關注的問題。

1 進一步拓展同步電動機變頻傳動的應用。

前面已經介紹過交流同步電動機的變頻傳動有很高的效率,而永磁同步電動機(也稱做“直流無換向器電機”或“無刷直流電動機”),由于電機是無刷結構,必須采用電力電子變流器(變頻器)來取代了直流電機的機械換向器,所以電機和變頻器無論在研究、制造以及應用,二者是無法割裂的。

無轉子位置傳感器的控制系統,已經取得重大進步和在市場的成功應用,自控變頻控制方式或他控變頻方式都可采用矢量控制,其按轉子磁場定向的矢量控制比異步電機更為簡單。今后的主要任務是進一步拓展同步電動機變頻傳動的應用范圍。

現在所生產的變頻器同步變頻系統和異步變頻系統在硬件上并無太大區別,甚至可以直接使用,其主要區別在控制軟件上。以ABB為例,欲將普通的交流傳動紙機系統改造成一個永磁同步傳動的紙機系統并不困難,紙廠僅需要購買新的傳動電機,同時將ABB的常規變頻器(包括早期生產的變頻器,如ACS600)通過下載PM-DTC軟件來升級即可。

2 矩陣變頻器實用化。

多年來,電氣傳動專家一直都認為“矩陣變換”技術的變頻器將會是下一代變頻器。自從1976年由L.Gyllglli提出矩陣變換理論后,世界幾個主要的傳動供應商都一直在研究該項技術,當然也包括我國的院校和研究單位在內。大家都知道,由于矩陣式交-交變頻器是一種新型交交直接變頻器,省去了中間直流環節,從而省去了體積大、價格貴的電解電容;它能實現功率因數為l,輸入電流為正弦且能四象限運行;系統的功率密度大,并能實現輕量化。典型的矩陣式變頻器由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關陣組成,輸出由三個電平組成,諧波含量比較??;其功率電路簡單、緊湊,并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓;矩陣變換器的輸入功率因數可控,可在四象限工作。

雖然矩陣變換器有很多優點,但是在其換流過程中不允許存在兩個開關同時導通的或者關斷的現象,實現起來比較困難;矩陣變換器最大輸出電壓能力低,器件承受電壓高也曾是此類變換器一個很大軟肋。

盡管矩陣變頻器的產品化過程比較艱難,但是最終可供商業化運行的產品終將誕生。日本安川經過長達20年的研究和開發,在2002年世界上首家推出低壓矩陣變頻器Varispeed AC系列;2004年4月漢諾威國際展覽會上安川展示了矩陣變頻器的原型;2005年首家推出高壓矩陣變頻器FS Drive-MX1S系列。2006年5月日本富士電機也推出了用于高速電梯FRENIC-MXC矩陣變頻器。 之后,安川又開發了高壓矩陣變頻器FS Drive-MX1H專用系列和用于風電的Enewin系列,電壓等級3kV,功率范圍 1.5MW~6MW。2015年3月,超越傳統變頻器的新一代安川電機矩陣式變頻器U1000隆重登場,U1000具有有效抑制電源高次諧波、充分利用再生能源、實現良好節能效果等卓越特點。1臺U1000可以幫助客戶實現損耗減少約19%、接線減少約70%、設置面積減少約65%、重量減少約81%,為客戶在節能降耗、節省設備空間提供了全新的解決方案。

3 變頻傳動系統的網絡化

在網絡化日益普及的今天,變頻傳動系統的網絡化已成趨勢。要求變頻器能通過現場總線??镻rofibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等非常簡單地集成到現有的網絡中去。而且通過現場總線???,可以不考慮變頻器的型號,而以同一種語言來與不同功率段、不同型號的變頻器進行組構,如功率、速度、轉矩、電流、設定值等。

通過高速通訊連接的變頻器系統可以最大程度上降低系統維護時間、提高生產效率、減少運行成本。由于采用了通訊方式,可以通過計算機來方便地進行組態和系統維護,包括上傳、下載、復制、監控、參數讀寫等。

4 優勝劣汰是規律

目前,據不完全統計我國的變頻器企業三百多個,數量很多,然而真正有實力、上規模有后勁的企業不過1/10,按照行業競爭和發展的規律,要不了多久變頻器也會像彩電、冰箱、洗衣機一樣,通過優勝劣汰最終留下為數不多的幾家企業,這是行業整合、發展的必由之路。這無論對國家、對行業、對品牌、對民生都是件好事。而將近30家的高壓變頻器生產企業,產品的拓撲結構相對單一,在功率以及性能方面與國外還有較大差距。

本文討論的今后變頻器的發展和應用方向或許并不準確,因為科技的飛速發展隨時會修改原先的判斷,就像“特斯拉”可能改變電動汽車的發展方向一樣。

限于篇幅,討論至此,文章所述難免有誤,觀點難免有所偏頗,還望批評指正。

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