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回眸变频技术三十年(节选)

——同济大学 张宗桐

发布日期:2016-07-23 浏览次数:17533 作者:——同济大学 张宗桐
 前言(摘录)

变频技术在我国得到真正关注大约在上世纪70年代末,至今算来已有三十余年。进入21世纪以来,我国变频器市场的增长速度高达20%左右,远远超过同期的GDP增速,增长速度居电气行业之首。有报告显示,我国变频器行业多年来一直保持快速的发展势头,2008年行业实现销售收入145.80亿元,同比增长27.00%,2009年实现销售收入165.80亿元,同比增长13.72%,2010年实现销售收入208.10亿元,同比增长20.40%。最近几年尽管变频器销售额有所回落,但2013年仅高压变频器(实际上3kV~10kV国外称之为中压变频器)一项销售收入为69.51亿元,同比增长7.8%。据统计2015年高、低压变频器增速分别为15%10%。预计到2017年,高、低压变频器的市场规模约分别为110亿元和300亿元。

变频器的应用领域也在不断扩大。从风机水泵、生产加工设备;从轻纺行业到重型机械;从电动汽车到高速铁路;乃至冰箱、空调、洗衣机等家电产品,几乎无所不能。大家都在关心,变频技术已经发展到什么层面?在变频技术发展和应用中有些什么可取的经验?有哪些值得思考的问题?

一、变频器产品飞速发展的三十年(略)

二、变频器国产化道路(略)

三、服务是变频企业最重要的价值体现

变频器不是简单的产品,它的复杂性决定了销售必须与服务合二为一,二者缺一不可。整个销售过程中,既要介绍产品,又要提供必要的服务。例如售前要选型指导,提供方案设计,报价对比;售后还要技术培训,安装调试,日常维护和维修以及提供备品、备件等等。在这里,不能不提及变频器企业和各级销售商们,他们不仅将国内外的先进技术和方案介绍给客户,还为客户提供服务和维修,多年来培训了一大批熟悉变频器并掌握该技术的技术人员,为变频器在中国的普及功不可没,贡献很大。而我国的高校凭借学科优势,与这些销售商一起为广大用户提供变频器技术服务,例如当时上海铁道学院、同济安川、华南理工等都有对外维修服务的窗口。

世界上凡是出名的企业,无一不是具有良好的服务理念、服务水平、服务影响力。由于变频器是一个涉及强电和弱电;涉及微电子和功率电子;涉及计算机和控制技术;涉及模拟技术和数字技术;涉及通信技术和传输技术;涉及测量和故障检测;涉及去谐和电磁兼容理论等复杂的机电一体化系统,如果没有各方面必要的服务,将无法发挥出变频器的真正价值。

台达公司长期与美国合作,在变频器制造方面有很深的造诣,他们奉行“工业产品的专业精神”,建立了绵密、完备的服务网络,他们承诺国内客户2小时内响应您的问题;48小时内到现场服务。对海外客户24小时响应,5天内提供相关服务。台达的服务是全球联网的,客户只需一个途径(电话、传真、E-mail等)通知他们,就可以了。据了解,类似这样做的公司不少。

变频器的服务以后会成为一个经济的增长点,ABB公司看到了这一点,2015年他们的服务收入提高了20%~25%

而变频器生产企业,则把技术配套作为自己的使命。

例如三菱变频器凭借多年的积累,推出卷绕张力变频控制整套方案,为用户推荐变频器、PID控制器以及张力传感器整套产品,设计者完全考虑到了用户的方便。

例如上面提到的明电舍所推出的可用于驱动异步或同步电动机的THYFREC VT 240S变频器,它提供速度编码器的自整定功能,使本来同步应用中较为复杂的事情变得简单,自然受到用户的喜欢。

例如同步切换问题对于设备安全运行是十分重要的,北京的合康亿盛等企业的产品几乎都提供运行状态下变频器与工频电网之间的切换功能,这种无扰切换基于锁相环技术,使变频器输出电压的幅值、频率、相位与工频电网保持一致,这种技术也为重负载起动、多台风机水泵的顺序切换提供了方便。

例如英威腾致力于稳定、高效、免维护的逆变拓扑技术,成功推出iMars系列组串型光伏并网逆变器, 2012年支持上海个人用户将分布式太阳能光伏系统与公共电网并网,成为非常成功的案例。

例如电动汽车的核心部件是“直-交”变频器,你个人买了电动汽车就成为了变频器用户。如果使用的是可充电电池,就有充电桩的问题,就存在企业为用户提供服务的问题。在实际使用中如果电动汽车一次充电(慢速)约8~10小时,每个充电位每天也就解决了3辆车的充电,在大城市里找这么多的地方来建设充电站成为难题;如果选择快充,可能问题更大,所以新能源汽车是一个社会工程。对此,美国GE公司正在努力攻关,寻求解决方案。最近国家发改委、国家能源局、工信部、住建部联合印发了《电动汽车充电基础设施发展指南(2015~2020年)》明确提出到2020年要完成500万辆电动汽车配套的充电设施建设,其中充电站1.2万座,分散充电桩480万个。

有关专家指出,在移动通讯高速发展的今天,企业应该致力开发可以提供支持iPadiPhone和安卓应用程序的变频器产品,使技术人员可以在任何有无线网络的地方查看变频器运行状况或修改参数,同样也便利其他专业人员协助解决问题。

这些年来,我国的变频器企业联手配套企业,例如上海鹰峰电子科技有限公司等这类企业,基本上完成了交直流电抗器、正弦波电抗器、制动单元、制动电阻、四象限整流器、低电感母线、移相变压器等的研制,满足用户应用和配套的需求。

在生产、推广变频器过程中,“我投资,你节能”,零风险的合同能源管理模式对于耗能企业具有强大的吸引力。北京动力源成功开发出中压变频器后即投入节能服务领域,2004年就开始成为国家发改委、财政部备案的全国首批节能服务公司。动力源将能源审计、节能诊断、能耗监控与管理、节能技术与产品应用、项目融资、项目实施、服务运营等环节进行系统整合,通过合同能源管理(EPC)模式,为用能企业提供系统综合节能方案,取得双赢的效果。

最近有专家提出了后市场服务的概念,据统计,目前国内约总量15%左右的高压变频器因产品质量或其他原因在现场未能正常投入运行,因此后市场服务被提上议事日程,即需要有人和专门的机构来回收利用或维修改造或升级换代等来将这些资源利用起来。

世界发展的现实告诉我们,全球的制造业正在从“生产型制造”向“服务型制造”转变,我们应该跟上世界的潮流。

 

四、变频器产业的出路之一是国际化

尽管近二十年是中国的变频器企业发展最快的时期,但是从总体上讲,多数产品的质量还难以达到国外品牌的水平,变频器产业的出路在哪里?

1999年三垦力达电气(江阴)有限公司由香港三垦力达有限公司投资创建,引进日本三垦变频器生产线,组建研发队伍,完成了他从销售到制造的华丽转身。

20116月,施耐德电气宣布收购中国高压变频器的龙头企业利德华福,在行业内轰动一时,这实际上就是一种国际间合作,既可以认为施耐德电气重视中国庞大的中压变频器市场,也可以认为利德华福具有国际视野,通过此举提升自己在国内行业的竞争力,并利用施耐德电气的全球资源更好地走向国际市场。

201210月罗克韦尔自动化公司收购哈尔滨九洲电气旗下中压变频器业务的资产,罗克韦尔借助九洲电气的力量以加速实施新兴市场的战略,而九洲电气则由此加入到全球领先的企业之中,并通过罗克韦尔获得了稳定的全球客户群。九洲电气78年前,就开始了与罗克韦尔的成功合作,这才使上述收购水到渠成。

而这种合作即使在国外知名的企业之间也无时不在进行着,西门子2005年收购了高压领域的佼佼者——罗宾康;同年西门子又收购了同是德国的弗兰德公司(世界著名的减速箱制造企业),使西门子机械传动产品的种类更齐全,涵盖了所有工业产品的需要。目前,西门子自动化与驱动集团在中国拥有7家生产性公司,44个地区性办事处,聘用员工约3,000名,活跃在中国的钢铁、机械、金属、食品、饮料、包装、自动化及石油化工等各个工业领域。几年前,日本东芝GE自动化系统工程公司和三菱电机的产业系统事业部、电机制造事业部、电力电子事业部组成东芝三菱电机产业系统株式会社,强强联合所诞生的产品即TMEIC(提迈克),这款高品质的高压变频器产品已为大家所熟知。

从本质上讲,企业走向海外是我国经济转型、转变经济发展方式的措施之一,与发达国家的合作,有利于借此学习国外成熟的经验,有助于提升中国企业的竞争力,这种世界层面的技术合作方兴未艾,已经成为一种趋势。中国企业被国外企业收购是否就意味着自主知识产权的丧失,这一点很值得研究。必须看到,中国的企业必须在国际舞台上参与合作和竞争,企业才能真正强大;收购和被收购双方的角色在一定的条件下是会转化的,这一天对于中国的企业来说或许是重新出发的起点。

国际间合作的另一种形式是中外技术人员共同开发。以西门子为例,针对我国中压变频器市场,2013年开始在中国建立研发中心,让更多的中国工程师有机会直接参与高水平的技术开发,这对我国变频器人才的培养、技术的交流都有很大好处。同样以中车株洲所为例,株洲所自从与ABB合作,至今已能生产世界上最高电流和电压容量、最大直径6英寸8200V的晶闸管,并已成功打造成功8英寸IGBT生产线,使我国的电力电子科技挤身于世界先进行列。

五、展望

今后变频器的发展和应用方向,是大家非常关注的问题。

进一步拓展同步电动机变频传动的应用。

前面已经介绍过交流同步电动机的变频传动有很高的效率,而永磁同步电动机(也称做直流无换向器电机无刷直流电动机),由于电机是无刷结构,必须采用电力电子变流器(变频器)来取代了直流电机的机械换向器,所以电机和变频器无论在研究、制造以及应用,二者是无法割裂的。

无转子位置传感器的控制系统,已经取得重大进步和在市场的成功应用,自控变频控制方式或他控变频方式都可采用矢量控制,其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机更为简单。今后的主要任务是进一步拓展同步电动机变频传动的应用范围。

现在所生产的变频器同步变频系统和异步变频系统在硬件上并无太大区别,甚至可以直接使用,其主要区别在控制软件上。以ABB为例,欲将普通的交流传动纸机系统改造成一个永磁同步传动的纸机系统并不困难,纸厂仅需要购买新的传动电机,同时将ABB的常规变频器(包括早期生产的变频器,如ACS600)通过下载PM-DTC软件来升级即可。

    2  矩阵变频器实用化。

多年来,电气传动专家一直都认为矩阵变换技术的变频器将会是下一代变频器。自从1976年由L.Gyllglli提出矩阵变换理论后,世界几个主要的传动供应商都一直在研究该项技术,当然也包括我国的院校和研究单位在内。大家都知道,由于矩阵式交-交变频器是一种新型交交直接变频器,省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容;它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行;系统的功率密度大,并能实现轻量化。典型的矩阵式变频器由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成,输出由三个电平组成,谐波含量比较小;其功率电路简单、紧凑,并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控,可在四象限工作。 
虽然矩阵变换器有很多优点,但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象,实现起来比较困难;矩阵变换器最大输出电压能力低,器件承受电压高也曾是此类变换器一个很大软肋。

尽管矩阵变频器的产品化过程比较艰难,但是最终可供商业化运行的产品终将诞生。日本安川经过长达20年的研究和开发,在2002年世界上首家推出低压矩阵变频器Varispeed AC系列;20044汉诺威国际展览会上安川展示了矩阵变频器的原型2005年首家推出高压矩阵变频器FS Drive-MX1S系列20065月日本富士电机也推出了用于高速电梯FRENIC-MXC矩阵变频器。 之后,安川又开发了高压矩阵变频器FS Drive-MX1H专用系列和用于风电的Enewin系列,电压等级3kV,功率范围 1.5MW~6MW20153月,超越传统变频器的新一代安川电机矩阵式变频器U1000隆重登场,U1000具有有效抑制电源高次谐波、充分利用再生能源、实现良好节能效果等卓越特点。1U1000可以帮助客户实现损耗减少约19%、接线减少约70%、设置面积减少约65%、重量减少约81%,为客户在节能降耗、节省设备空间提供了全新的解决方案。


    3 
变频传动系统的网络化

在网络化日益普及的今天,变频传动系统的网络化已成趋势。要求变频器能通过现场总线模块ProfibusDPInterbusDeviceNetCANOpenModbusPlus等非常简单地集成到现有的网络中去。而且通过现场总线模块,可以不考虑变频器的型号,而以同一种语言来与不同功率段、不同型号的变频器进行组构,如功率、速度、转矩、电流、设定值等。

通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。由于采用了通讯方式,可以通过计算机来方便地进行组态和系统维护,包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。

    4  优胜劣汰是规律

目前,据不完全统计我国的变频器企业三百多个,数量很多,然而真正有实力、上规模有后劲的企业不过1/10,按照行业竞争和发展的规律,要不了多久变频器也会像彩电、冰箱、洗衣机一样,通过优胜劣汰最终留下为数不多的几家企业,这是行业整合、发展的必由之路。这无论对国家、对行业、对品牌、对民生都是件好事。而将近30家的高压变频器生产企业,产品的拓扑结构相对单一,在功率以及性能方面与国外还有较大差距。

本文讨论的今后变频器的发展和应用方向或许并不准确,因为科技的飞速发展随时会修改原先的判断,就像“特斯拉”可能改变电动汽车的发展方向一样。

限于篇幅,讨论至此,文章所述难免有误,观点难免有所偏颇,还望批评指正。

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