變頻器（以下簡(jiǎn)稱-VFD）是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換器。目前，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已覆蓋多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科，總的發(fā)展趨勢(shì)是交流傳動(dòng)、高頻功率變換器、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制。
隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，VFD的性價(jià)比越來越高，體積越來越小。而且，廠商也在不斷提高可靠性，為實(shí)現(xiàn)VFD的進(jìn)一步小型化、輕量化、高性能化、多功能化、無污染化做出新的努力。要區(qū)分VFD，必須看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響；二是取決于對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；最后，它取決于自身的能量損失。
2018年，由于下游行業(yè)設(shè)備投資意愿較弱，訂單增長(zhǎng)放緩，中國(guó)VFD市場(chǎng)出貨量下滑，國(guó)內(nèi)VFD企業(yè)迫切需要縮小技術(shù)差距，加強(qiáng)質(zhì)量管控，搶占高端市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)VFD市場(chǎng)增速一直保持在12% ~ 15%，潛在市場(chǎng)空間約1200億~ 1800億元。中低壓VFD市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)10% ~ 15%，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模接近200億元；高壓VFD市場(chǎng)需求增速在40%以上。隨著需求的不斷增加，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到121億元。未來兩年，冶金行業(yè)VFD的市場(chǎng)需求將主要集中在項(xiàng)目改造過程中節(jié)能減排設(shè)備的使用。在這方面，國(guó)家給予了積極的政策支持，企業(yè)也在大力實(shí)施。因此，冶金行業(yè)VFD的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，未來將保持20%左右的增長(zhǎng)。
1.發(fā)展?fàn)顩r
VFD是利用功率半導(dǎo)體器件的通斷功能將工頻電源轉(zhuǎn)換為另一種頻率的電能控制器件。我們現(xiàn)在使用的VFD主要采用交流-DC-交流模式(VVVF變頻或矢量控制變頻)。首先將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成DC電源，然后將DC電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可控的交流電源供給電機(jī)。VFD的電路一般由四部分組成:整流器、中間DC環(huán)節(jié)、逆變器和控制。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，輸出為PWM波形。中間的DC環(huán)節(jié)是濾波、DC儲(chǔ)能和無功功率緩沖。
交流電機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的趨勢(shì)。它體積小、重量輕、扭矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、通訊方便，優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式。因此廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙等。介紹了日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)和國(guó)內(nèi)企業(yè)崛起的概況，指出VFD在技術(shù)上正向高性能化、模塊化、專業(yè)化、多功能化方向發(fā)展。由于增加消費(fèi)、降低價(jià)格和行業(yè)合并，有可能向海外擴(kuò)張。
交流電機(jī)變頻調(diào)速已成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的趨勢(shì)。它體積小、重量輕、扭矩大、精度高、功能強(qiáng)、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、通訊方便，優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、換向器電機(jī)調(diào)速、液力偶合器調(diào)速甚至DC調(diào)速。因此廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色、石油、石化、化纖、紡織、機(jī)械、電力、電子、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、注塑、卷煙、起重機(jī)、城市供水、中央空調(diào)、污水處理等行業(yè)。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展VFD是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換器，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。今天的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)包括許多學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域?？偟陌l(fā)展趨勢(shì)是:交流傳動(dòng)、高頻功率變換器、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制。因此，VFD，作為系統(tǒng)重要的電源轉(zhuǎn)換部件，通過提供可控的高性能交流電源，實(shí)現(xiàn)變壓變頻，發(fā)展迅速。
2.發(fā)展趨勢(shì)
VFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)歷了大約30年的研發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，VFD的性價(jià)比越來越高，體積越來越小。但廠商仍在做出新的努力，不斷提高VFD的可靠性，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步小型化、輕量化、高性能、多功能、無污染。VFD的性能取決于其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響、對(duì)電網(wǎng)和輸入功率因數(shù)的諧波污染以及自身的能量損耗(即效率)。以AC-DC-AC VFD為例，在技術(shù)上，將在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展:
1.主電路中功率開關(guān)元件的自關(guān)斷、模塊化、集成化和智能化，提高開關(guān)頻率，進(jìn)一步降低開關(guān)損耗。
2.VFD主電路拓?fù)?VFD'的網(wǎng)側(cè)變流器通常采用6脈波變流器用于低壓小容量，而中壓大容量的則采用多個(gè)12脈波以上的變流器。對(duì)于低壓小容量，側(cè)邊變換器通常采用兩電平橋式逆變器，而對(duì)于中壓大容量，則采用多電平逆變器。
3.脈寬調(diào)制變壓器的控制方法VFD:正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制。消除特定階次諧波的脈寬調(diào)制控制。電流跟蹤控制?？臻g矢量控制(通量跟蹤控制)。
4.交流電機(jī)頻率控制方法的進(jìn)展:從標(biāo)量控制(電壓/頻率控制和轉(zhuǎn)差頻率控制)到高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。開發(fā)無速度傳感器矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
21世紀(jì)，電力電子的襯底已經(jīng)從Si(硅)轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC(碳化硅)，這使得電力電子新器件進(jìn)入了高電壓、大容量、高頻、組件模塊化、小型化、智能化、低成本的時(shí)代。各種適用于變頻調(diào)速的新型電氣設(shè)備正在開發(fā)中。隨著IT的快速發(fā)展和控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與VFD相關(guān)的技術(shù)將影響其發(fā)展趨勢(shì)。
交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電和機(jī)電一體化相結(jié)合的綜合技術(shù)。它不僅處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流和逆變)，還處理信息的收集、轉(zhuǎn)換和傳輸。因此，其常用技術(shù)必須分為成功率和控制兩部分。前者要解決高壓大電流相關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決硬件和軟件開發(fā)問題(目前主要是全數(shù)字控制技術(shù))(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略)。其主要發(fā)展方向如下:
智能化
系統(tǒng)中安裝了intelligent VFD后，無需那么多功能設(shè)置，即可輕松操作使用，工作狀態(tài)顯示、故障診斷與排除、甚至元件自動(dòng)轉(zhuǎn)換都很明顯?？衫没ヂ?lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多個(gè)VFD根據(jù)工藝程序聯(lián)動(dòng)，形成優(yōu)化的VFD集成管理控制系統(tǒng)。
基于電機(jī)和機(jī)械模型的控制策略包括矢量控制、磁場(chǎng)控制、直接轉(zhuǎn)矩傳遞控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?；诂F(xiàn)代理論的控制策略包括滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、利用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀測(cè)器、一定指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等?；谥悄芸刂扑枷氲目刂撇呗园：刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)以及各種自優(yōu)化和自診斷技術(shù)。
環(huán)境保護(hù)
保護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品，是人類的新概念。未來，VFD將更加注重節(jié)能和低污染，即盡量減少噪聲和諧波在使用過程中對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的污染干擾。
清潔功率變換器是指變換器的功率因數(shù)為1，電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波分量盡可能低，以減少對(duì)電網(wǎng)的污染和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)于中小容量變換器，采用脈寬調(diào)制控制提高開關(guān)頻率是有效的。對(duì)于大容量變流器，在常規(guī)開關(guān)頻率下，可以改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)清潔電能的轉(zhuǎn)換。
詳細(xì)說明
根據(jù)某類負(fù)載的特點(diǎn)，可以針對(duì)性地制造專用VFD不僅有利于經(jīng)濟(jì)有效地控制負(fù)載電機(jī)，還可以降低制造成本。例如VFD用于風(fēng)機(jī)和水泵，VFD用于起重機(jī)械，VFD用于電梯控制，VFD用于張力控制，VFD用于空調(diào)等。
緊湊型轉(zhuǎn)換器要求功率和控制元件高度集成，包括智能功率模塊、緊湊型光耦合器、高頻開關(guān)電源以及由新型電氣材料制成的小體積變壓器、電抗器和電容器。動(dòng)力裝置冷卻方式的改變(如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管)對(duì)于減小裝置尺寸也非常有效。
綜合
VFD有選擇地將參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器、通信單元等相關(guān)功能部件集成到一臺(tái)一體機(jī)中，不僅可以增強(qiáng)功能，增加系統(tǒng)可靠性，還可以有效減少系統(tǒng)體積和外部電路的連接。據(jù)悉，已經(jīng)開發(fā)出了VFD和電機(jī)的一體化組合機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)更小，控制更方便。
基于32位高速微處理器的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法。隨著Windows操作系統(tǒng)的引入，可以自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有了很大的發(fā)展。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器和各種CAD軟件的引入，為VFD，的設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了強(qiáng)有力的支持。
總之，VFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是向智能化、易操作、功能健全、安全可靠、環(huán)保、低噪音、低成本、小型化方向發(fā)展。
3.VFD發(fā)展方向
隨著高速變頻技術(shù)的發(fā)展和綜合利用，VFD工業(yè)在水泥、電梯、印刷、電力、醫(yī)藥、通信、交通、電力、電子、環(huán)保等領(lǐng)域的現(xiàn)代化得到了前所未有的發(fā)展和應(yīng)用。國(guó)民經(jīng)濟(jì)中幾乎各行各業(yè)都與VFD息息相關(guān)?？偟膩碚f，中國(guó)VFD行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。因?yàn)槭袌?chǎng)很有吸引力，不僅市場(chǎng)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，而且潛在的容量也相當(dāng)可觀，不斷吸引著行業(yè)的新參與者。隨著國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)進(jìn)步和質(zhì)量穩(wěn)定性的提高，以及服務(wù)和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來幾年國(guó)外廠商壟斷高端產(chǎn)品的市場(chǎng)情況將有所改善。
國(guó)內(nèi)有300多家VFD設(shè)備制造企業(yè)，但實(shí)力和規(guī)模參差不齊。近年來，本土VFD品牌經(jīng)過多年努力，市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大，進(jìn)口產(chǎn)品市場(chǎng)份額已被國(guó)產(chǎn)VFD企業(yè)超越。但中國(guó)VFD配套產(chǎn)業(yè)相對(duì)薄弱，缺乏技術(shù)優(yōu)勢(shì)，高端市場(chǎng)份額與國(guó)外品牌仍有差距。國(guó)內(nèi)VFD企業(yè)在鞏固中低壓市場(chǎng)地位的同時(shí)，加快高端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。截至2018年底，雖然低壓VFD高端市場(chǎng)外資占比超過80%，但國(guó)內(nèi)資本正處于從提供單一VFD產(chǎn)品向提供綜合解決方案轉(zhuǎn)型的階段，未來市場(chǎng)份額和盈利能力有望大幅提升。
中國(guó)變頻器廠家發(fā)展空間廣闊，目前100億元左右。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大和客戶需求的多樣化，國(guó)產(chǎn)VFD產(chǎn)品的功能不斷完善和增加，集成化和系統(tǒng)化程度越來越高，出現(xiàn)了一些特殊的VFD產(chǎn)品。據(jù)了解，近年來，中國(guó)VFD的市場(chǎng)保持了12-15%的增速，預(yù)計(jì)未來5年至少增速在10%以上。目前中國(guó)市場(chǎng)的VFD裝機(jī)(功率)增速實(shí)際在20%左右。預(yù)計(jì)至少10年后VFD市場(chǎng)將趨于飽和并逐漸成熟。
