变频器现状及未来技术发展方向探析

变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。目前市场上新型变频器品牌繁多，各有千秋。通过分析发现，这类变频器有许多共同点。下面对变频器的现状及其未来的技术发展方向进行分析介绍。
　　
　　1。变频器的市场情况：
　　
　　我国50％～60％的发电量用于交流电动机，而容量在3kw以上，额定电压一般为3～10kV的电动机占电动机总装机容量的40％～50％。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化，落后于国外发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的电能，因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。国家计委预计在今后十五年内，使我国变频器总需求的投资额在500亿元以上，而其中60％～70％是中压大功率变频器。我国的高压变频器市场具有其特殊性，包括：（1）行业性很强，主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34％；化工占14.73％；冶金占14.18％；机械建材占10.96％；供水占10.53％。（2）目前全国各行业中，只有少数企业的高压电机使用了调速方式，市场空白点多。（3）高压变频器属投资类设备，主要用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。如政府推广力度较大，市场启动会快一些，反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内某些行业的整体经济效益好坏的影响。因此在未来市场发展过程中仍存在着一些不确定的因素。（4）海外公司的知名品牌产品大举进入我国市场的可能性较大，各方应有所准备。
　　
　　2。变频器的变频技术的现状
　　
　　交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件—晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.6～0.7，而且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。
　　
　　交一直一交变频采用了多种拓扑结构，如中一低一中方式，其实质上还是低压变频，只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍广泛应用。随着中压变频技术的发展，特别是新型大功率可关断器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。
　　
　　变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等的自关断元件，其中GTR应用最为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下，必须提高开关频率，为此，GTR满足不了这个要求，于是开发出了一种新元件IGBT。IGBT的全称是绝缘栅双极晶体管，是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极／M05复合器件，IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种极理想的开关元件。目前，电流2400A、电压3300V、开关频率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范围内使用。IGBT不仅用于500V以下低压变频器，还可以用于IOOOV以上高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器采用多电平逆变器输出高压，也可用变压器降压～低压变频器一变压器升压的方式。由于IGBT具有性能特好的优势，预计近十年内不会被新开发的元件所取代。
　　
　　变频器的技术发展动向
　　
　　1。单元串联多电平技术
　　
　　单元串联多电平形式在谐波、效率和功率因数等方面存在着优势，在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。其中三电平控制具有许多优点，包括：（1）采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，适用于高电压大功率。（2）三电平拓扑单个桥能输出三种电平（＋ud／2、-ud／2、0），线（相）电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使输出波形失真度减少，谐波大大减少。（3）多级电压阶梯波减少了du／dt，使得对电机绕组绝缘冲击减小。（4）三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区，利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。采用三电平PWM方法，每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz，若每相5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz，可以降低开关损耗，提高变频器效率，这种变频器可适用于任何普通的高压电动机，且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，一般可达97％。并且，由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。（5）三电平拓扑能产生3＊3＊3＝27种空间电压矢量，可以带来谐波消除算法的自由度，可以得到很好的输出波形。
　　
　　2。功率母线技术
　　
　　在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天，系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力，己成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素。从直流储能电容至逆变器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关逆变器中，由于瞬时切换时的过电压，会使器件过热，甚至有时使逆变器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了开关工作频率的提高。功率母线按其结构包括：
　　
　　（1）电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉简易，但在IGBT逆变器中，由于电缆线的自感大，与圆截面导线相比，扁平母线的自感只有圆导线的1／3一1／2，而所占的体积只有它的1／10一1／2。
　　
　　（2）印刷电路板母线主要用于小电流逆变器，但当母线直流电流达到150A时，要求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。
　　
　　（3）裸铜板母线（平面并行母线）是一种工业上广泛应用的IGBT模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是并行母线的互感较大。
　　
　　（4）支架式母线如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产。
　　
　　基于上述几种功率母线都存在着不同的缺点，为此开发出了迭层功率母线。
国星光电副董事长余彬海认为，佛山LED照明需要一个样板工程，能够集中展示LED最前沿的产品。据悉，佛山照明灯具协会去年曾赞助佛山祖庙改造LED照明，但这项工程公益性太浓，对于企业的商业推广价值并不高。

　　LED企业称照明行业需要颠覆

　　这一合作设想源自当前LED企业商业模式所处的困境。“LED从根基上已经动摇了传统照明，过程很迅速，但也有很大的缺陷：LED至今仍停留在替代传统照明的思维上。”佛山蓝箭电子LED事业部经理雒继军表示，LED不仅节能，更可以装饰，但现在还是以替代为主，无论是政府项目、商场改造还是家居使用，都是用来替代传统照明。而实际上LED更大的潜力、能量还没有发挥出来。

　　此前，依靠EMC模式，一些LED企业大厂从政府工程中分到不少蛋糕，但在商业和家用市场，LED企业一直没有找到合适的商业模式。

　　广东昭信董事副总经理万小承说，LED行业一直在不遗余力地向大众推广LED的节能效应，但从实际效果看，普通消费者并没有认同LED的环保理念。“为什么很多家居照明还不会去使用？实际上消费者很精明，在他们的账本中，照明电费所占比例太小，所以LED节能的效益与整个家庭支出对比就不明显了，这是普通家庭很难认同LED的重要原因。”

　　“所有传统照明企业都要革自己的命，这是行业的共识。就像手机从打电话功能演变成如今的智能系统，未来照明也要从功能化向智能化转变。”广东昭信董事副总经理万小承表示，LED需要颠覆传统照明来发挥自身优势，比如结合智能化控制等，打造光的艺术、照明的艺术、生活的艺术。

　　但他坦言，要颠覆传统照明，企业目前还不敢“大手笔”。“短期内，LED企业需要传统形态的照明产品作为过渡桥梁。”

　　欧司朗把LED定义为电子产品，并没有划入照明产品序列，其所有的工艺跟传统都不一样。欧司朗广州分公司业务发展经理林俏玲表示，欧司朗的概念设计中，未来照明会是“没有灯具的照明”。

　　“LED不能停留在比拼寿命、节能的阶段，就如同手机一样，过去是功能性竞争，现在已快速发展至智能化竞争。”雪莱特光电市场经理魏志权告诉记者，该公司的第一代LED产品是全球最薄的LED台灯，第二代产品是球泡灯，两代都属于替代型产品。而目前正在研发的第三代产品，思路上会发生变化，更加注重设计，比如健康照明、控制蓝光溢出、控制频闪等，再加上智能化技术，与过去的产品有很大不同。

　　创意园或成LED“试验场”？

　　“我会投几百万、上千万来做这个事情，我的商业模式需要有意思的灯光，灯光是园区改造和吸引力见效最快的方式之一。”丘代伦说，其不介意创意园成为佛山LED照明的试验场，希望能够有更大胆的方案。

　　该园区采购部负责人表示，创意园一直在寻找合作方，改善园区夜晚的灯光表现，但一直找不到合适的方案。

　　但丘代伦强调，创意园采购的不是灯泡，也不是灯具，“是灯光解决方案”。

　　国星光电副董事长余彬海认同这个模式。他称，通用照明、景观亮化、装饰照明的融合会产生新的商机，而这种融合本身又需要新的技术模式、商业模式支撑。

　　去年底佛山祖庙正式启用LED照明，这项工程就是由佛山照明灯具协会承担，产品由欧司朗照明提供。此外，包括佛山福利院、南海福利院都获得过该协会的LED捐赠，但这类公益性项目对于企业的商业推广效果并不明显。

　　“佛山LED照明需要一个样板工程，能够集中展示LED最前沿的产品。”余彬海认为。

　　万小承称，LED产业一定是协同创新、跨界整合。“不仅仅是散热等技术上的问题，还包括工业设计、灯光设计，协同创新才是灯光的系统解决方案”。

一线国际大厂自是各显身手拉开了激烈竞争的帷幕，更重要的是，中国LED企业要如何在深有潜力的中国市场上与这些国际大厂们同台竞技呢，先做到“知已知彼”或有必要。
　　
　　飞利浦：布局“智能照明”
　　
　　“随着LED光源市场逐渐成熟，灯具市场走向数字与智能化的发展，占照明市场的比重将逐步拉升。”近期，台工研院一位分析师在自己的调研报告中如此提到。
　　
　　这让人联想到飞利浦近期推出的“Hue智能照明系统”，据介绍，节能只是这种Hue系统的亮点之一，最大的卖点在于“其完美的多级可定制化效果”。用户可以通过iOS应用或者是在飞利浦网站下载的软件都可以对Hue电灯进行调节，且飞利浦现已向外部开发人员敞开其hue智能照明系统。
　　
　　“飞利浦花了很长时间在布局智能照明，而我们都知道照明控制系统的利润是很高的。”，一位从事研究的业内资深人士如此说道：以飞利浦来说，目前它除了荷兰总部外还有全球第二个综合研发中心(上海研发中心)，飞利浦每年为此投入数亿元研发经费(预估2015年将占研发支出达94.6%。)，“未来照明结合智慧控制系统将成为市场的一大主流，尤其在智能照明这个产业竞争的决战点上，飞利浦从财力到人力可谓投入巨大，而且布局了足够多的专利。”
　　
　　如果把眼光放长到5～10年，可以看到智能照明市场将会得到充分的发展，智能照明更将成为企业实现高价值增长的兵家“必争之地”。
　　
　　那么，如果我们认同这个事实，认同飞利浦的策略，不禁要问，中国企业在这一领域将有怎样的作为?至此，国内即使如雷士、佛山照明等知名品牌企业也尚未正式亮出LED智能照明概念。
　　
　　另据数据显示，飞利浦预估至2020年全球总照明市场规模中，LED灯具及系统比重将扩大至57.4%。同时，就飞利浦来说，2013年LED占总照明比重将达33.7%。
　　
　　欧司朗：着重发展LED照明业务
　　
　　欧司朗执行长德亨(WolfgangDehen)于日前表示：“绍兴工厂(主要制造传统灯泡，拥有约2000名员工)的出售案将成为公司重组的另一个里程碑，而欧司朗将进一步提高LED占整体事业营收的比例。”由于照明市场正向半导体产品加速转化，欧司朗正在全力推进公司转型。
　　
　　2013年3月上旬，西门子公司旗下的欧司朗照明设备部门就传出消息，在挂牌上市之前，欲出售位在中国绍兴的工厂，精简的目标是聚焦在LED灯上，西门子表示，出售工厂的同时还将投资1亿欧元(1.3亿美元)，在中国江苏省建造新的LED组装厂。
　　
　　几番说上市，这次终于要成了现实?而无论是否最终能分拆上市，此举无疑应看作是欧司朗从传统照明跨向LED照明的一大步。
　　
　　晶电：私募?寻找新的出海口
　　
　　“在低价化趋势下，LED产业难以再出现爆发性的成长，台湾企业应该更注重规模经济，同时与品牌厂合作打开出海口”，2013年3月，台湾工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)分析师郭子菱表示。与时同时，也不时听到晶元光电欲将引进私募的消息，“飞利浦或GE这样的大企业，或将是晶电锁定引进的私募对象”。从此举看，或者晶元光电的眼光相比于早先一步与大陆企业合作的璨元更着眼于“国际化”。
　　
　　对于晶元光电来说，2013，首要问题即是要面临背光市场渐趋饱和，必须寻找新的出海口的问题，“LED背光液晶电视渗透率今年可望来到90%，但成长空间已有限，晶电必须要找到新的出海口才能满足产能需求。”晶元光电高管在今年如此表示。
　　
　　“同时，在LEDTV市场方面，可预期的是，2013年全球低价直下式LEDTV市场渗透率将高达50%以上，尤其三星旗下低价直下式LEDTV占其整体LEDTV产品线比重更将上看70%，因此预期低价直下式LEDTV可望成为2013年上游LED芯片供应商产品的主要出海口。”2013年，值得关注的一个趋势是直下式LEDTV带动的市场将更为强劲可观，或可成为LED芯片厂兵家必争之地。
　　
　　也正因此，晶元表示将透过大电流LED产品线，极力争取低价直下式LEDTV客户群青睐。
　　
　　亿光：策略合作，伸入大陆市场
　　
　　有人说：“亿光的强项在封装器件和背光，转战LED照明的决心也不过这几年”。
　　
　　尤其，与晶元光电等台企“不与客户抢客户”的专注理念不同，亿光可称作是少有的突破了“代工”思维，且把目光投向大陆市场布局，这或许是不得已为之，台湾的市场显然有限。
　　
　　“今年会以通路布建为主，初期将锁定室内照明为销售市场”，据亿光透露，目前已借助在上海组建的大陆行销体系建立了策略合作联盟。同时，亿光透露，“亿光今年在LED照明成长较大，去年占营收比重还不到10%，今年可望拉高到20%以上。”
　　
　　Cree：LED灯泡低价策略
　　
　　“Cree公司开始卖灯泡了，而且价格突破了10元大关，这对竞争对手威胁不小。”一位业内人士在自己的微博上表示。而Cree早在几年前就收购了照明应用企业，可谓早有此意。
　　
　　近期，Cree公司推出10-14美元灯泡产品(三个型号：暖白色相当于60W，售价12.97美元;白光相当于60W，售价13.97美元;暖白色相当于40W，售价9.97美元。)对此，工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)分析师郭子菱表示：此举将引发其他全球品牌厂跟进低价策略。——有趣的是，飞利浦近几周也推出了替代60w的led灯泡，要价14.97美元，正好比Cree贵出了“一美元”。你会买传统品牌的飞利浦，还是便宜一美元的CreeLED灯泡来试试看呢?
　　
　　另据相关报道，韩系厂商也在欧美市场采取“平价策略”。比如LG，取代传统60W的LED灯泡在今年1月份欧洲市场售价约为28-30美元，略低于当地均价。不过，这与Cree相比仍在“高位”。
　　
　　Panasonic：2年内进入中国大陆销售
　　
　　再看日本照明大厂Panasonic，原本以开发背光用LED等为主，而继3年前与Colmo展开合作开发，尤其去年10月底宣布停产家用白热灯泡产品后，旗下照明子公司PCESC也表示将在2015年度结束前，将家用荧光灯产品全数转为LED照明;
　　
　　近期PCESC发表了34款可配合室内亮度自行变更颜色(白昼光或黄光)的LED照明产品，2013年度其营收目标为12亿日元，标志着其将正式进军照明用白光LED市场。
　　
　　从整体规划上，松下在LED照明逐渐普及下初期将日本国内销售，2年内展开以中国大陆为主的亚洲地区销售。而为其代工的晶电、隆达等供应链将可望受惠。