變頻器現狀及未來技術發展方向探析

變頻技術的迅速發展是建立在電力電子技術的創新、電力電子器件及材料的開發及器件制造工藝水平提高基礎之上的，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管工IGCT器件的成功開發，使大功率變頻技術得以迅速發展，性能日益完善。目前市場上新型變頻器品牌繁多，各有千秋。通過分析發現，這類變頻器有許多共同點。下面對變頻器的現狀及其未來的技術發展方向進行分析介紹。
　　
　　1。變頻器的市場情況：
　　
　　我國50％～60％的發電量用于交流電動機，而容量在3kw以上，額定電壓一般為3～10kV的電動機占電動機總裝機容量的40％～50％。由于我國中壓變頻技術仍沒有形成產業化，落后于國外發達國家，因此這部分電動機在負載工況變化時，缺少經濟可靠的調速手段，每天都在浪費著大量的電能，因此國內潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場。國家計委預計在今后十五年內，使我國變頻器總需求的投資額在500億元以上，而其中60％～70％是中壓大功率變頻器。我國的高壓變頻器市場具有其特殊性，包括：（1）行業性很強，主要集中在冶金、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業。在工業用電中石油、煤炭等能源行業耗電占22.34％；化工占14.73％；冶金占14.18％；機械建材占10.96％；供水占10.53％。（2）目前全國各行業中，只有少數企業的高壓電機使用了調速方式，市場空白點多。（3）高壓變頻器屬投資類設備，主要用于節能和改善生產工藝。用戶是否購買此類設備與政府的政策導向關系很大。如政府推廣力度較大，市場啟動會快一些，反之則慢。另一方面市場還受國際、國內經濟大環境的影響以及國內某些行業的整體經濟效益好壞的影響。因此在未來市場發展過程中仍存在著一些不確定的因素。（4）海外公司的知名品牌產品大舉進入我國市場的可能性較大，各方應有所準備。
　　
　　2。變頻器的變頻技術的現狀
　　
　　交一交變頻是早期變頻的主要形式，適應于低轉速大容量的電動機負載。其主電路開關器件處于自然關斷狀態，不存在強迫換流問題，所以第一代電力電子器件—晶閘管就能完全滿足它的要求。由于其技術成熟，在國內開發研制也最多，目前在國內仍有一定的市場。交一交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管，結構復雜，維護工作量較大，并因采用移相控制方式，功率因數較低，一般僅有0.6～0.7，而且諧波成分大，需要無功補償和濾波裝置，使得總的造價提高。
　　
　　交一直一交變頻采用了多種拓撲結構，如中一低一中方式，其實質上還是低壓變頻，只不過從電網和電動機兩端來看是高壓。由于其存在著中間低壓環節，所以具有電流大、結構復雜、效率低、可靠性差等缺點。由于其發展較早，技術也比較成熟，所以目前仍廣泛應用。隨著中壓變頻技術的發展，特別是新型大功率可關斷器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趨勢。而直接中壓變頻方式，因沒有中間的低壓環節，結構上有著廣闊的發展前景。
　　
　　變頻器的逆變器普遍采用大功率場效應管MOSET、大功率晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO等的自關斷元件，其中GTR應用最為普遍。但是在調制策略發展和要求逆變器輸出諧波分量更小的情況下，必須提高開關頻率，為此，GTR滿足不了這個要求，于是開發出了一種新元件IGBT。IGBT的全稱是絕緣柵雙極晶體管，是一種把MOSET與GTR巧妙結合在一起的電壓型雙極／M05復合器件，IGBT具有輸入阻抗高、開關速度快、元件損耗小、驅動電路簡單、驅動功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量大、抗浪涌能力強、安全區寬、并聯容易、穩定可靠及模塊化等一系列優點，是一種極理想的開關元件。目前，電流2400A、電壓3300V、開關頻率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范圍內使用。IGBT不僅用于500V以下低壓變頻器，還可以用于IOOOV以上高壓變頻器以驅動高壓電動機。此類中壓、高壓變頻器采用多電平逆變器輸出高壓，也可用變壓器降壓～低壓變頻器一變壓器升壓的方式。由于IGBT具有性能特好的優勢，預計近十年內不會被新開發的元件所取代。
　　
　　變頻器的技術發展動向
　　
　　1。單元串聯多電平技術
　　
　　單元串聯多電平形式在諧波、效率和功率因數等方面存在著優勢，在不要求四象限運行時有著較廣泛的應用前景。其中三電平控制具有許多優點，包括：（1）采用三電平拓撲能有效地解決電力電子器件耐壓不高的問題，適用于高電壓大功率。（2）三電平拓撲單個橋能輸出三種電平（＋ud／2、-ud／2、0），線（相）電壓有更多的階梯來模擬正弦波，使輸出波形失真度減少，諧波大大減少。（3）多級電壓階梯波減少了du／dt，使得對電機繞組絕緣沖擊減小。（4）三電平PWM方法把第一組諧波分布帶移至2倍開關頻率的頻帶區，利用電機繞組電感能較好地抑制高次諧波對電機的影響。采用三電平PWM方法，每個功率單元的IGBT開關頻率為600Hz，若每相5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz，可以降低開關損耗，提高變頻器效率，這種變頻器可適用于任何普通的高壓電動機，且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲結構會使器件的數量增加，但由于驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，使系統在效率方面仍有較大的優勢，一般可達97％。并且，由于采用模塊化結構，所有功率單元可以互換，維修也比較方便。（5）三電平拓撲能產生3＊3＊3＝27種空間電壓矢量，可以帶來諧波消除算法的自由度，可以得到很好的輸出波形。
　　
　　2。功率母線技術
　　
　　在電力電子技術及應用裝置向高頻化發展的今天，系統中特別是連接線的寄生參數產生巨大的電應力，己成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素。從直流儲能電容至逆變器的器件之間的直流母線上的寄生電感在通常的硬開關逆變器中，由于瞬時切換時的過電壓，會使器件過熱，甚至有時使逆變器失控并超過器件的額定安全工作區而損壞，限制了開關工作頻率的提高。功率母線按其結構包括：
　　
　　（1）電纜絞線是最常用的傳統功率母線，價廉簡易，但在IGBT逆變器中，由于電纜線的自感大，與圓截面導線相比，扁平母線的自感只有圓導線的1／3一1／2，而所占的體積只有它的1／10一1／2。
　　
　　（2）印刷電路板母線主要用于小電流逆變器，但當母線直流電流達到150A時，要求電路板的復銅層很厚，造價太高，另外用來連接多層導線板的穿孔不但占據較大的空間，而且會影響整機的可靠性。
　　
　　（3）裸銅板母線（平面并行母線）是一種工業上廣泛應用的IGBT模塊饋電系統的傳統母線形式，其缺點是并行母線的互感較大。
　　
　　（4）支架式母線如果將正直流母線銅板放置在負直流母線板上方，中間用一層薄絕緣材料隔開的方法來制作母線，由于磁場的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工藝復雜，不宜規模化生產。
　　
　　基于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點，為此開發出了迭層功率母線。
國星光電副董事長余彬海認為，佛山LED照明需要一個樣板工程，能夠集中展示LED最前沿的產品。據悉，佛山照明燈具協會去年曾贊助佛山祖廟改造LED照明，但這項工程公益性太濃，對于企業的商業推廣價值并不高。

　　LED企業稱照明行業需要顛覆

　　這一合作設想源自當前LED企業商業模式所處的困境。“LED從根基上已經動搖了傳統照明，過程很迅速，但也有很大的缺陷：LED至今仍停留在替代傳統照明的思維上。”佛山藍箭電子LED事業部經理雒繼軍表示，LED不僅節能，更可以裝飾，但現在還是以替代為主，無論是政府項目、商場改造還是家居使用，都是用來替代傳統照明。而實際上LED更大的潛力、能量還沒有發揮出來。

　　此前，依靠EMC模式，一些LED企業大廠從政府工程中分到不少蛋糕，但在商業和家用市場，LED企業一直沒有找到合適的商業模式。

　　廣東昭信董事副總經理萬小承說，LED行業一直在不遺余力地向大眾推廣LED的節能效應，但從實際效果看，普通消費者并沒有認同LED的環保理念。“為什么很多家居照明還不會去使用？實際上消費者很精明，在他們的賬本中，照明電費所占比例太小，所以LED節能的效益與整個家庭支出對比就不明顯了，這是普通家庭很難認同LED的重要原因。”

　　“所有傳統照明企業都要革自己的命，這是行業的共識。就像手機從打電話功能演變成如今的智能系統，未來照明也要從功能化向智能化轉變。”廣東昭信董事副總經理萬小承表示，LED需要顛覆傳統照明來發揮自身優勢，比如結合智能化控制等，打造光的藝術、照明的藝術、生活的藝術。

　　但他坦言，要顛覆傳統照明，企業目前還不敢“大手筆”。“短期內，LED企業需要傳統形態的照明產品作為過渡橋梁。”

　　歐司朗把LED定義為電子產品，并沒有劃入照明產品序列，其所有的工藝跟傳統都不一樣。歐司朗廣州分公司業務發展經理林俏玲表示，歐司朗的概念設計中，未來照明會是“沒有燈具的照明”。

　　“LED不能停留在比拼壽命、節能的階段，就如同手機一樣，過去是功能性競爭，現在已快速發展至智能化競爭。”雪萊特光電市場經理魏志權告訴記者，該公司的第一代LED產品是全球最薄的LED臺燈，第二代產品是球泡燈，兩代都屬于替代型產品。而目前正在研發的第三代產品，思路上會發生變化，更加注重設計，比如健康照明、控制藍光溢出、控制頻閃等，再加上智能化技術，與過去的產品有很大不同。

　　創意園或成LED“試驗場”？

　　“我會投幾百萬、上千萬來做這個事情，我的商業模式需要有意思的燈光，燈光是園區改造和吸引力見效最快的方式之一。”丘代倫說，其不介意創意園成為佛山LED照明的試驗場，希望能夠有更大膽的方案。

　　該園區采購部負責人表示，創意園一直在尋找合作方，改善園區夜晚的燈光表現，但一直找不到合適的方案。

　　但丘代倫強調，創意園采購的不是燈泡，也不是燈具，“是燈光解決方案”。

　　國星光電副董事長余彬海認同這個模式。他稱，通用照明、景觀亮化、裝飾照明的融合會產生新的商機，而這種融合本身又需要新的技術模式、商業模式支撐。

　　去年底佛山祖廟正式啟用LED照明，這項工程就是由佛山照明燈具協會承擔，產品由歐司朗照明提供。此外，包括佛山福利院、南海福利院都獲得過該協會的LED捐贈，但這類公益性項目對于企業的商業推廣效果并不明顯。

　　“佛山LED照明需要一個樣板工程，能夠集中展示LED最前沿的產品。”余彬海認為。

　　萬小承稱，LED產業一定是協同創新、跨界整合。“不僅僅是散熱等技術上的問題，還包括工業設計、燈光設計，協同創新才是燈光的系統解決方案”。

一線國際大廠自是各顯身手拉開了激烈競爭的帷幕，更重要的是，中國LED企業要如何在深有潛力的中國市場上與這些國際大廠們同臺競技呢，先做到“知已知彼”或有必要。
　　
　　飛利浦：布局“智能照明”
　　
　　“隨著LED光源市場逐漸成熟，燈具市場走向數字與智能化的發展，占照明市場的比重將逐步拉升。”近期，臺工研院一位分析師在自己的調研報告中如此提到。
　　
　　這讓人聯想到飛利浦近期推出的“Hue智能照明系統”，據介紹，節能只是這種Hue系統的亮點之一，最大的賣點在于“其完美的多級可定制化效果”。用戶可以通過iOS應用或者是在飛利浦網站下載的軟件都可以對Hue電燈進行調節，且飛利浦現已向外部開發人員敞開其hue智能照明系統。
　　
　　“飛利浦花了很長時間在布局智能照明，而我們都知道照明控制系統的利潤是很高的。”，一位從事研究的業內資深人士如此說道：以飛利浦來說，目前它除了荷蘭總部外還有全球第二個綜合研發中心(上海研發中心)，飛利浦每年為此投入數億元研發經費(預估2015年將占研發支出達94.6%。)，“未來照明結合智慧控制系統將成為市場的一大主流，尤其在智能照明這個產業競爭的決戰點上，飛利浦從財力到人力可謂投入巨大，而且布局了足夠多的專利。”
　　
　　如果把眼光放長到5～10年，可以看到智能照明市場將會得到充分的發展，智能照明更將成為企業實現高價值增長的兵家“必爭之地”。
　　
　　那么，如果我們認同這個事實，認同飛利浦的策略，不禁要問，中國企業在這一領域將有怎樣的作為?至此，國內即使如雷士、佛山照明等知名品牌企業也尚未正式亮出LED智能照明概念。
　　
　　另據數據顯示，飛利浦預估至2020年全球總照明市場規模中，LED燈具及系統比重將擴大至57.4%。同時，就飛利浦來說，2013年LED占總照明比重將達33.7%。
　　
　　歐司朗：著重發展LED照明業務
　　
　　歐司朗執行長德亨(WolfgangDehen)于日前表示：“紹興工廠(主要制造傳統燈泡，擁有約2000名員工)的出售案將成為公司重組的另一個里程碑，而歐司朗將進一步提高LED占整體事業營收的比例。”由于照明市場正向半導體產品加速轉化，歐司朗正在全力推進公司轉型。
　　
　　2013年3月上旬，西門子公司旗下的歐司朗照明設備部門就傳出消息，在掛牌上市之前，欲出售位在中國紹興的工廠，精簡的目標是聚焦在LED燈上，西門子表示，出售工廠的同時還將投資1億歐元(1.3億美元)，在中國江蘇省建造新的LED組裝廠。
　　
　　幾番說上市，這次終于要成了現實?而無論是否最終能分拆上市，此舉無疑應看作是歐司朗從傳統照明跨向LED照明的一大步。
　　
　　晶電：私募?尋找新的出海口
　　
　　“在低價化趨勢下，LED產業難以再出現爆發性的成長，臺灣企業應該更注重規模經濟，同時與品牌廠合作打開出海口”，2013年3月，臺灣工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)分析師郭子菱表示。與時同時，也不時聽到晶元光電欲將引進私募的消息，“飛利浦或GE這樣的大企業，或將是晶電鎖定引進的私募對象”。從此舉看，或者晶元光電的眼光相比于早先一步與大陸企業合作的璨元更著眼于“國際化”。
　　
　　對于晶元光電來說，2013，首要問題即是要面臨背光市場漸趨飽和，必須尋找新的出海口的問題，“LED背光液晶電視滲透率今年可望來到90%，但成長空間已有限，晶電必須要找到新的出海口才能滿足產能需求。”晶元光電高管在今年如此表示。
　　
　　“同時，在LEDTV市場方面，可預期的是，2013年全球低價直下式LEDTV市場滲透率將高達50%以上，尤其三星旗下低價直下式LEDTV占其整體LEDTV產品線比重更將上看70%，因此預期低價直下式LEDTV可望成為2013年上游LED芯片供應商產品的主要出海口。”2013年，值得關注的一個趨勢是直下式LEDTV帶動的市場將更為強勁可觀，或可成為LED芯片廠兵家必爭之地。
　　
　　也正因此，晶元表示將透過大電流LED產品線，極力爭取低價直下式LEDTV客戶群青睞。
　　
　　億光：策略合作，伸入大陸市場
　　
　　有人說：“億光的強項在封裝器件和背光，轉戰LED照明的決心也不過這幾年”。
　　
　　尤其，與晶元光電等臺企“不與客戶搶客戶”的專注理念不同，億光可稱作是少有的突破了“代工”思維，且把目光投向大陸市場布局，這或許是不得已為之，臺灣的市場顯然有限。
　　
　　“今年會以通路布建為主，初期將鎖定室內照明為銷售市場”，據億光透露，目前已借助在上海組建的大陸行銷體系建立了策略合作聯盟。同時，億光透露，“億光今年在LED照明成長較大，去年占營收比重還不到10%，今年可望拉高到20%以上。”
　　
　　Cree：LED燈泡低價策略
　　
　　“Cree公司開始賣燈泡了，而且價格突破了10元大關，這對競爭對手威脅不小。”一位業內人士在自己的微博上表示。而Cree早在幾年前就收購了照明應用企業，可謂早有此意。
　　
　　近期，Cree公司推出10-14美元燈泡產品(三個型號：暖白色相當于60W，售價12.97美元;白光相當于60W，售價13.97美元;暖白色相當于40W，售價9.97美元。)對此，工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)分析師郭子菱表示：此舉將引發其他全球品牌廠跟進低價策略。——有趣的是，飛利浦近幾周也推出了替代60w的led燈泡，要價14.97美元，正好比Cree貴出了“一美元”。你會買傳統品牌的飛利浦，還是便宜一美元的CreeLED燈泡來試試看呢?
　　
　　另據相關報道，韓系廠商也在歐美市場采取“平價策略”。比如LG，取代傳統60W的LED燈泡在今年1月份歐洲市場售價約為28-30美元，略低于當地均價。不過，這與Cree相比仍在“高位”。
　　
　　Panasonic：2年內進入中國大陸銷售
　　
　　再看日本照明大廠Panasonic，原本以開發背光用LED等為主，而繼3年前與Colmo展開合作開發，尤其去年10月底宣布停產家用白熱燈泡產品后，旗下照明子公司PCESC也表示將在2015年度結束前，將家用熒光燈產品全數轉為LED照明;
　　
　　近期PCESC發表了34款可配合室內亮度自行變更顏色(白晝光或黃光)的LED照明產品，2013年度其營收目標為12億日元，標志著其將正式進軍照明用白光LED市場。
　　
　　從整體規劃上，松下在LED照明逐漸普及下初期將日本國內銷售，2年內展開以中國大陸為主的亞洲地區銷售。而為其代工的晶電、隆達等供應鏈將可望受惠。