淺談變頻器的市場及應(yīng)用分析

    當然我們知道,預(yù)測對于中國市場來說是一件非常困難的事情,而對于正處于發(fā)展初期的中壓變頻器市場而言,數(shù)字性的預(yù)測更是一件不可完成的任務(wù)因此,經(jīng)上的數(shù)字是忽略了很多因素的一個簡單假設(shè).只是為了描述中壓變頻器市場將高速增長的趨勢.如果明年的這個時候,有供應(yīng)商告訴我們,他們的業(yè)績成長了一倍,那也是尺在情量之中的事情.但是可以肯定的是,3的之后再談?wù)撟冾l器市場的時候,中壓將不再是順帶提及的一個角色,而是成為與低壓并重的話題,而在這個過程中,也必然會孕育出一批頗具規(guī)模的企業(yè)__鹿獲誰手,還需拭目以待。   

1、引言 

    當今變頻器產(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60年代左右問世，到20世紀80年代，在主要工業(yè)化國家已廣泛使用，而從20世紀90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應(yīng)用越來越普及。 

    由于變頻器體積小、重量輕、精度高、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點，它優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子電機調(diào)速、液力耦合調(diào)速等，因而深受鋼鐵、有色、石油、石化、化工、化纖、紡織、機械、電力、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、卷煙、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。 

    我國的變頻器市場起步規(guī)模并不大，但是隨著國民經(jīng)濟近幾年的快速增長，大大帶動了變頻器市場的容量，2005年其總體銷售業(yè)績在70億元左右，今后還將以平均8～12％左右的速度發(fā)展，市場容量的擴大也帶動了變頻器國產(chǎn)化和變頻成套柜集成規(guī)模。 

2、變頻器的市場分析 

2.1前景廣闊的中國變頻器市場 

    中國擁有龐大的產(chǎn)業(yè)群，并保持著持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展；與國際接軌，眾多的企業(yè)需要提升國際競爭力；人們生活質(zhì)量不斷提高等。這些都是變頻器市場的增長驅(qū)動力和更廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。 

    中國的變頻器市場在過去幾年內(nèi)保持著12％～20％的高速增長，在2003年，由于工業(yè)行業(yè)及建筑業(yè)的迅猛發(fā)展以及各行業(yè)的大量投資，當年同比增長達到了近40％，市場規(guī)模超過了55億元人民幣。進入2004年，因2003年的市場基數(shù)突然增大，加上國家加強了對冶金、建材等行業(yè)的宏觀控制，變頻器市場增長率將大幅回落，但還是達到了11％左右，2004年變頻器的營業(yè)額達到了61億元左右的規(guī)模。到了2005年，隨著經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域逐步開始朝向環(huán)保工業(yè)、水工業(yè)、HVAC領(lǐng)域發(fā)展?jié)B透，據(jù)統(tǒng)計到年底變頻器市場規(guī)模已經(jīng)達到70億元。 

    從總體上看，由于中國經(jīng)濟的整體快速發(fā)展和中國加入WTO，市場對產(chǎn)品的要求將逐步提高，提升生產(chǎn)設(shè)備的水平勢在必行，用于生產(chǎn)工藝控制的變頻器將越來越多地被采用，另一方面，我國電力供需嚴重失衡，高峰季節(jié)的限閘拉電現(xiàn)象普遍，節(jié)能呼聲空前。因此，在未來3年內(nèi)，中國變頻器市場仍將保持著快速增長�，F(xiàn)在至少在10年以后，中國的變頻器市場才能飽和并趨于成熟，因此，中國的變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間。

    中國是能耗大國，在5.8億千瓦的電動機總?cè)萘恐�，只有不�?000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的，變頻控制電機市場占有率不足4%。綜合多家市場機構(gòu)的調(diào)查報告的數(shù)字分析，我國變頻器的市場潛力為1400億元～2000億元。 

2.22005變頻器各品牌市場占有率 

    2005年變頻器在高領(lǐng)域的市場份額為10億元人民幣左右，其中國產(chǎn)品牌利德華福等品牌效應(yīng)在逐漸形成，國產(chǎn)市場占有率已經(jīng)達到30%左右。    

2.3變頻器功率段的市場期望差異 

    國外資深調(diào)查機構(gòu)drivemag第一次對變頻器功率段的市場期望值在2004年度進行問卷調(diào)查后，在2005年度再次進行調(diào)查，調(diào)查分析表明：變頻器在低功率段的競爭愈來愈激烈，且要求越來越高，而大功率段的變頻器依然還是個賣方市場。此次問卷的讀者覆蓋面更廣，涉及全球各大洲的60個國家，涉及近60個國際和區(qū)域品牌，制造商分布在北美、歐洲、日本和中國，行業(yè)遍及重工、輕工、市政公用等，問卷的主體依然是從事商務(wù)、操作和設(shè)計的人員。 

    圖2所示為用戶和廠商對于變頻器不同功率段的市場期望值的差異比較。與2004年度最大的區(qū)別在于對于高功率的預(yù)期，無論是用戶和廠商都有了15％的上浮，假如未來高功率市場如預(yù)期的那么樂觀，將來會有越來越多的廠商介入其中，一些原先只做到如75kW級中功率變頻器的廠商就會把功率段放高到280kW甚至400kW以上。隨著大量廠商的加入，高功率變頻器的價格會隨之下滑，用戶對廠商的產(chǎn)品供應(yīng)鏈、服務(wù)環(huán)節(jié)就會更加嚴格。

2.4變頻器服務(wù)市場將進一步超值 

    變頻器的服務(wù)市場近年來為很多用戶和媒體所接受，因為變頻器不是一個單純的工業(yè)產(chǎn)品。在應(yīng)用工況復(fù)雜、傳動的計算機控制程度高、工廠信息化要求與執(zhí)行電機掛鉤的情況下，這時候用戶花費在變頻器系統(tǒng)設(shè)計、集成等上的服務(wù)費用將大大超過產(chǎn)品本身的價值，更可以達到6～8倍左右，比如在造紙生產(chǎn)線和冶金等行業(yè)應(yīng)用。因此，變頻器的服務(wù)市場將可以分為變頻器安裝、調(diào)試、維護、維修、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)設(shè)計等多方面所引發(fā)的綜合服務(wù)市場。 

    據(jù)調(diào)查中，變頻器服務(wù)市場的產(chǎn)值分布，2005年度比2004年度發(fā)生了一些明顯的變化，如變頻器制造商的占有率急驟下滑至18％、系統(tǒng)集成商的占有率則上升至48％、工業(yè)承銷商上升至10％。     就變頻器服務(wù)市場的發(fā)展趨勢來看，大致有以下可能： 

    （1）相對于變頻器產(chǎn)品技術(shù)和價格壓力而言，變頻器服務(wù)市場的技術(shù)要求會更高，價格壓力也將更重； 

    （2）變頻器制造商由于產(chǎn)品的通用型加強，在總線控制方面的公開程度越高，用戶的選擇余地會更大，就不一定要變頻器制造商來提供全方面的服務(wù)； 

    （3）系統(tǒng)集成商已經(jīng)對變頻器的嵌入式應(yīng)用程度進一步提升，在一個系統(tǒng)領(lǐng)域中，變頻器甚至只是一個小小的執(zhí)行器節(jié)點，而系統(tǒng)集成商的作用將會更大； 

    （4）工業(yè)承銷商在不斷進取的基礎(chǔ)上，逐步具備了系統(tǒng)集成和變頻器服務(wù)的能力，占有率自然上升。 

3、變頻器的節(jié)能市場分析 

3.1節(jié)能是變頻器的重要領(lǐng)域和潛力市場之一 

    電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一，國家發(fā)展規(guī)劃要求，當前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，即風(fēng)機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機械采用交流電動機變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間，我國將實現(xiàn)電機系統(tǒng)運行效率提高2個百分點，形成年節(jié)電能力達200億千瓦時的目標。 

    據(jù)估算，我國電動機總裝機容量約5.8億千瓦，占全國總耗電量的60%～70%。其中，交流電動機占90%左右。目前各類電機的運行效率加權(quán)平均比國外低3%～5%，風(fēng)機和泵的效率要比發(fā)達國家低2%～3%，整體在用的電機驅(qū)動系統(tǒng)運行效率比國外低近20%。如果按電動機總?cè)萘康?0%進行調(diào)速改造，按年平均運行4000時、節(jié)電率20%～25%計算，年節(jié)電潛力為320億～400億千瓦時。加上為改善工藝流程而進行調(diào)速改造的電動機可帶來的節(jié)電潛力，總節(jié)電潛力約為500億千瓦時，相當于10000兆瓦裝機容量的火力發(fā)電廠的年發(fā)電量。由此可見，電機系統(tǒng)節(jié)能是目前中國節(jié)能市場上最具商業(yè)潛力的領(lǐng)域。 

    眾所周知，風(fēng)機和水泵是變頻器節(jié)能的重要領(lǐng)域和潛力市場領(lǐng)域，其使用量占據(jù)變頻器市場份額的半壁江山。 

    采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟效益。我們知道，提高效率主要有兩個重要途徑： 

    第一個途徑是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機械速度、轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量； 

    第二個途徑則是將由生產(chǎn)機械中儲存的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，在這個途徑中既可以節(jié)能降耗，又可以實現(xiàn)電動機的精確制動，提高電動機的動態(tài)性能。 

    通用變頻器大都為電壓型交—直—交變頻器，三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)�破壞電機的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。 

（1）將反饋到直流回路的能量以制動電阻的熱能消耗掉的缺點 

    在這種情況下，要實現(xiàn)四象限運行只能通過外接制動單元和制動電阻來實現(xiàn)，也就是說將反饋到直流回路的能量以制動電阻的熱能消耗掉。所以說，這種制動方式又稱為能耗制動。該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點: 

    ●浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率； 

    ●電阻發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作； 

    ●簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高（制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好）。正是由于能量反饋在實現(xiàn)上的難度系數(shù)大，很多用戶甚至將此不作為節(jié)能看待，這是一個危險的信號。 

（2）能量回饋系統(tǒng)的特點 

    能量反饋系統(tǒng)在實際運行中主要有二種方式：單獨的能量反饋裝置和能量回饋技術(shù)的新發(fā)展——雙PWM控制技術(shù)。 

    所謂能量反饋裝置，就是把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。能量回饋單元的作用，就是取代原有的能耗電阻式制動單元，消除發(fā)熱源，改善現(xiàn)場電氣環(huán)境，可減少高溫對控制系統(tǒng)等部件的不良影響，延長了生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命。同時由于能量回饋單元，能有效的將變頻器電容中儲存的電能回饋20％～40％左右。 

能量反饋單元具有如下特點： 

    ●降低運行成本，包括減少電能損耗、提高功率因數(shù)、改善電網(wǎng)運行質(zhì)量等； 

    ●提高制動能力，如果以傳統(tǒng)的標準制動電阻器與變頻器的組合，制動力矩大約為120%額定力矩/10s，10%ED；而VS-656RC5與變頻器的組合，制動轉(zhuǎn)矩則提高到150%額定轉(zhuǎn)矩/30s或者100%額定轉(zhuǎn)矩/1min（25%ED）或者80%額定轉(zhuǎn)矩/連續(xù)再生。送給交流電網(wǎng)，供周邊其他用電設(shè)備使用，則可節(jié)約生產(chǎn)用電，一般節(jié)電率可達20。 

    雙PWM控制技術(shù)的工作原理:當電機處于拖動狀態(tài)時，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機;當電機處于減速運行狀態(tài)時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。 

    雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實現(xiàn)了電機的四象限運行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài)。 

    無論是能量反饋單元和雙PWM控制方式都能將能量反饋會電網(wǎng)，形成節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)的良好局面，其在變頻器節(jié)能領(lǐng)域的占有率將從目前不到3％快速上升到15%。 

    目前，中國的設(shè)備控制水平與發(fā)達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高。但隨著中國加入WTO，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都需要面臨國際競爭，因此提高設(shè)備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用，其市場容量占到整個變頻器市場容量的1/3左右。 

    應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時減輕了人工的勞動強度、提高了生產(chǎn)效率，可以說，變頻器在紡織、食品、飲料、包裝、造紙、機床、電梯等行業(yè)的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Χ疾豢尚∮U。 

    比如應(yīng)用在傳送帶上的變頻工藝控制系統(tǒng)，它采用一臺變頻器驅(qū)動生產(chǎn)線上的多臺傳送帶電機，根據(jù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過調(diào)整傳送帶的速度來提高生產(chǎn)率。在傳送帶上應(yīng)用變頻工藝控制系統(tǒng)具有以下3個優(yōu)點： 

    （1）提高生產(chǎn)率，通過設(shè)定變頻器的頻率，可控制傳送帶生產(chǎn)線的速度，從而達到了提高生產(chǎn)率達目的； 

    （2）可利用現(xiàn)有設(shè)備，可利用現(xiàn)有傳送帶上的齒輪馬達和現(xiàn)有的傳送帶進行改動； 

    （3）可用一臺變頻器來控制多數(shù)電動機的驅(qū)動，這些電動機均并接到一臺變頻器上，通過變頻器的頻率設(shè)定可以保證多臺電動機的同步運行。 

4.1變頻工藝控制系統(tǒng)的優(yōu)點 

    變頻工藝控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于它能大大地提高工藝的高效性，因為其變速不依賴于機械部分，具體表現(xiàn)特征如下： 

（1）控制電機的啟動電流 

    當電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7～8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉(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負載進行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應(yīng)增加。 

    這個對于輸送帶的起停控制、多段速控制尤其有效，由于電機經(jīng)常處于開關(guān)或繞組切換狀態(tài)，使用了變頻器后，就可以保證電動機的運行壽命。 

    變頻調(diào)速能在零速啟動并按照用戶的需要進行光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇（直線加速、S形加速或者自動加速）。而通過工頻啟動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產(chǎn)生劇烈的振動。這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命。另外，變頻啟動還能應(yīng)用在類似灌裝線上，以防止瓶子倒翻或損壞。 

（3）可調(diào)的運行速度 

    運用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過程，并能根據(jù)工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現(xiàn)速度變化。 

    通過變頻調(diào)速后，能夠設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來保護機械不致?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到3％～5％左右。在工頻狀態(tài)下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設(shè)置精確的轉(zhuǎn)矩值來動作。 

    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），同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統(tǒng)更加可靠，壽命也會相應(yīng)增加。 

（6）可逆運行控制 

    在變頻器控制中，要實現(xiàn)可逆運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，這樣就能降低維護成本和節(jié)省安裝空間。 

（7）減少機械傳動部件 

    由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出,從而節(jié)省齒輪箱等機械傳動部件,最終構(gòu)成直接變頻傳動系統(tǒng)。從而就能降低成本和空間,提高穩(wěn)定性。 

    當然，使用變頻器進行工藝控制，其優(yōu)點還有很多，根據(jù)不同的工藝控制選擇不同的變頻器運行方式，所產(chǎn)生的效果也不一樣。 

5、結(jié)束語 

    眾所周知，采用變頻調(diào)速技術(shù)是工業(yè)企業(yè)中節(jié)能降耗、保證工藝的重要途徑，在實際應(yīng)用中取得的效果和效益有目共睹，本文試圖從市場的角度剖析變頻器的容量、占有率和主要的應(yīng)用領(lǐng)域,與廣大讀者一同探討變頻器的發(fā)展。