变频器，即交流电动机变频调速控制器，是通过利用软硬件控制系统控制电力半导体器件的通断作用将工频电源(50Hz或60Hz)变换为各种频率，以实现电动机变速运行的设备。 

    在综述和分析变频器行业的宏观环境、行业和市场的现状及发展趋势等之前，本章将从变频器工作原理、产品优势、发展历程及其应用领域方面，简要介绍变频器产品的概况及相关概念。 

    第一节 变频器原理简介 

    简单地讲，变频器是利用交流电动机的转速与所供交流电的频率成正比的原理，改变电动机的供电频率从而达到改变电动机转速的目的。变频器通常采用交—直—交的方式，即先由交流电整流成直流，通过计算机芯片的运算，控制电力逆变元件，如GTR（大功率晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型功率管）等，将直流电源逆变成新的频率与电压的交流电源，从而达到控制电动机转速的目的。 

    1．变频器的分类 

    按照不同的分类标准，变频器可以分为若干类别。按照主电路工作方式分类，可以分为电压型和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM、PWM控制变频器；按照工作原理分类，主要分为V/F控制变频器、转差控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，主要分为通用变频器、专用变频器等。 

    另外，按照变频器所控制电动机的电压等级，变频器可以分为低压(110V，220V，380V等)、中压(660V/690V，1140V，2300V)和高压(3KV，3.3KV，6KV，6.6KV，10KV等)变频器，高压变频器通常采用IGBT多级串联的技术，而中压变频器和低压变频器不需要，由于这一技术方面明显的分界线，使得业内人士通常把中低压变频器归为一个大类，和高压变频器分开。慧聪行业研究院第三研究所在2007年9月份进行的变频器市场调研，主要集中于中低压变频器。 

    2．控制方式 

    控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展。自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。变频器的控制方式可以分为非智能和智能控制。其中，非智能控制方式包括V/F控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等；智能控制方式包括模糊控制、人工智能控制、专家系统等，目前还处在理论探索阶段，市场上尚没有相关产品。本节主要简要介绍目前市场上主流应用的几种控制方式。 

    ØV/F控制方式 

    早期变频器一般采用V/F控制方式，如东芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等系列变频器，大多数为开环恒压频比（V／F=常数）的控制方式。它是基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电机的磁通量不变的思想提出的。其优点是控制结构简单，尤其适合应用在风机、水泵上，缺点是低速时因电机定子电阻和逆变器死区效应的存在而调速性能下降、转矩响应慢，比较适合应用于对低频调速性能要求不高的场合。

    Ø转差频率控制 

    它是一种直接控制转矩的控制方式，是在V/F控制的基础上，根据已知的异步电机的转速对应的电源频率以及希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，以控制电机的输出转矩。利用转差频率控制方式，需要在控制系统中安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，是一种闭环控制方式，使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 

    Ø矢量控制 

    电流矢量控制方法，也称转子磁场定向控制，该方法于70年代提出。矢量控制方法实现了电机转矩和磁场的独立控制，使交流电动机的控制性能可以和直流电动机相媲美，开创了交流调速和直流调速相竞争的时代，典型产品如德国西门子的6SE70通用型系列。矢量控制方法发展至今，以其优越的控制性能，在变频器行业得到了最为广泛的应用，国外的高性能变频器普遍采用矢量控制方法。 

    Ø直接转矩控制 

    1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。该方法可以实现很快的转矩响应速度，其控制性能可以和矢量控制相媲美。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列是该控制方法的典型产品，但目前直接转矩控制技术在变频器行业未得到普遍使用，迄今为止仍只有ABB一家推出。 

    第二节 产品优势 

    应用于电动机的调速方面，变频器产品具有其它同类产品无以比拟的优越性，主要包括可观的节能效果和对控制工艺水准的提高。自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代，变频器产品已经在主要工业化国家广泛使用。 

    1．节约能源 

    节能已经成为我国的一项基本国策，而电能是目前最重要、最昂贵的一种能源。过度的电力消耗使得煤炭和石油（天然气）燃料枯竭，同时由于CO和NO的大量排放，造成环境污染，影响甚至危及人类的生存。于是，保护人类生存环境成为全世界人民共同的呼声，掀起了节能、环保的浪潮。早在1972年的瑞典斯德哥尔摩第一届世界人类环境宣言，到后来1994年的日本京都协议，均规定所有签约国应使其国家的CO及其它产生温室效应的有害气体排放量控制在1990年的水平，充分说明节约能源对环境保护的重要性。据估计，电气产品对环境污染的影响约占30%左右，因此节电就成为履行京都协议承诺的重要因素。电动机驱动是电能消耗的大户，在中国占全部用电量的60%以上。通过改善电动机驱动方式来节电，具有重要的现实意义。 

    变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节约电能。国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。据业内专家分析，我国电动机总装机容量约为5.8亿千瓦，占全国总耗电量的60%至70%。其中，交流电动机占90%左右，即5.22亿千瓦，但目前只有约5000万千瓦的电动机是带变频控制的，配置率不到10%。实际上交流电动机中约70-80%即3.5-4亿千瓦适合配置变频器，其中30-40%可以实现控制水平和运行效率的显著提高，还有至少40%也就是2亿千瓦具有明显的节能潜力。

如果这2亿千瓦适合做节能改造的电动机当中有1/4装配变频器，按年平均运行4000小时、平均节电率20%计算，年节电潜力为400亿千瓦时，接近2006年三峡电站的年发电量（三峡电站2006年完成发电量约492.49亿千瓦时）。由此可见，利用变频器实现电机运行系统的节能是目前中国节能市场上最具商业潜力的领域之一。 
    应用变频调速，可以使电机在最节能的转速下运行。以风机为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。另外，许多变动负载电机一般按最大需求来设计电动机的容量，裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大降低轻载运行时的电能消耗，节能潜力巨大。 

    作为节能目的，变频器广泛应用于煤炭、电力、油气开采、塑胶、冶金、石油、化工、市政等行业中。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长。同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力。 

    2．提高工艺控制水平 

    利用变频器调节电动机转速，可以明显改善设备的工艺控制水平。与发达国家相比，目前我国的设备控制水平比较低，制造工艺和效率不高。中国已成为WTO成员国之一，随着经贸领域与国际全面接轨进程的加速，产品质量和生产效率都需要面临国际竞争，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优越性，在许多需要精确速度控制的应用领域中，变频器产品能够明显提高工艺质量和生产效率。变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合。由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行，实现电机的软启动。 

    以纺织行业为例，中国具有世界最大的的纺织产品生产能力，市场范围遍及全球，产业规模庞大。纺织与化纤行业也是变频器应用最多、使用密度最高的行业。可应用变频器的棉纺设备有细纱机、粗纱机、精梳机等，在化纤机械设备有螺杆挤出机、纺丝机和后加工机等，这些设备都要求精确速度控制、多单元同步传动或比例同步(牵伸)传动等。采用变频调速技术，可以精确地控制各类电机地转速，从而提高工艺水平和产品质量，同时减轻工人劳动强度，提高生产效率。变频器已经成为我国纺织行业增强国际竞争力的重要装备。 

    另外，在食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等我国已具备相当产业规模的行业，变频器也都可以起到改进工艺或提高设备运行效能的作用。根据前文所述，5.22亿千瓦的交流电动机中约30-40%可以通过安装变频器达到提高控制水平和运行效率的效果，应用前景十分乐观。 
     第三节 中国变频器行业的发展历程 

    随着变频器产品在发达国家的广泛应用，上世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始涌进中国大陆，成为中国变频器行业的开端。经过20余年的推广和使用，变频器这一产品已经得到广大企业用户的认可，外资品牌从三肯、富士两个品牌发展到目前的40余个，同时涌现了近百个内资品牌，品牌总数达到140多个。从整体看，虽然国产品牌的数量众多，但绝大多数产销规模很小，综合竞争力较弱。

    与发达国家相比，我国的变频器技术相对落后。20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频器推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。1996年，国家原机械部等四部委推荐国产29个厂家33个规格的变频器，但由于大部分本土企业受技术、资金和体制等方面制约，发展较慢，难以形成和国外品牌抗争的局面。 

    21世纪以来，我国的变频器行业高度裂变。众多外资品牌在中国建厂，实施本地化经营。主要外资品牌在中国大陆的投资情况请见附录。另一方面，原有内资品牌的人员和资金不断分离，成立了众多企业，主要集中在沿海如广东、浙江、山东、上海等地区。在国家宏观政策的支持和鼓励之下，近几年内资品牌中出现了少数优势企业，其生产规模和产品综合性能已有较大提高。虽然尚未具备和西门子、ABB等国际顶级品牌展开全面竞争的实力，但与日本、台湾、韩国等地品牌相比已在部分细分产品和市场上显示出一定的竞争优势，市场份额逐步扩大，使国内变频器市场的竞争格局有了明显改观。 

    第四节 变频器产品的应用领域 

    变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器经历20多年的发展及应用已逐步被人们接受，20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及，并成为当代电机调速的主流。在节能应用与工艺控制中，变频器成为越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。 

    变频器的应用领域非常广阔，几乎涵盖国民经济的各个行业。由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，优于以往的任何调速方式，如变极调速，调压调速，滑差调速，串级调速，整流子电机调速，液力耦合调速等，广泛应用于公用工程，纺织与化纤、建材、石油、化工、食品饮料、烟草、煤炭、机械加工等行业。