变频器生产研究报告Chenbingyun二一二年十一月二十五日一、变频器行业概况（一）变频器的概念变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），变频器是应用变频技术与传动控制技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在亚洲地区受欧美厂商影响而曾被称作VVVF（VariableVariableVariable Frequency Inverter）。（二）变频器基本原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。（三）变频器主要种类变频器的分类方法有多种。按变换的环节可分为（1）交直交变频器，即先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器；（2）交交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。按直流电源性质可分为：（1）电压型变频器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合；（2）电流型变频器，其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的优点是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。按照工作原理可分为：（1）V/f控制变频器；（2）转差频率控制变频器；（3）矢量控制变频器。按照开关方式可分为:（1）PAM控制变频器；（2）PWM控制变频器；（3）高载频PWM控制变频器。按照用途可分为:（1）通用变频器；（2）高性能专用变频器；（3）高频变频器；（4）单相变频器；（5）三相变频器等。按变频器调压方法可分为（1）PAM变频器，通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。（2）PWM变频器，在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。按工作原理可分为:（1）U/f控制变频器（VVVF控制）；（2）SF控制变频器（转差频率控制）；（3）VC控制变频器（Vectory Control矢量控制)。按电压等级可分为:（1）高压变频器（输入电压为3kv、3.3kv、6kv、10kv等）；（2）中压变频器（输入电压为690V、1140V、2300V等）；（3）低压变频器（输入电压不高于690V，常见的有110V、220V、380V）。本报告主要使用按输入电压等级分类方法。（四）变频器制造工艺1、高压变频器生产工艺流程图表 1 高压变频器生产工艺流程2、低压变频器生产工艺流程图表 2 低压变频器生产工艺流程3、中压变频器生产工艺流程图表 3 低压变频器生产工艺流程（五）变频器核心技术变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术分为功率和控制两大部分。前者杂解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要为全数字控制技术）。（六）变频器应用领域高压变频器，可细分为通用高压变频器和高性能高压变频器两大系列，应用领域涉及电力、矿业、水泥、冶金、石化等行业，可实现对各类高压电动机驱动的风机、水泵、空气压缩机、提升机、皮带机等负载的软启动、智能控制和调速节能，从而有效提高工业企业的能源利用率、工艺控制及自动化水平。图表 4 高压变频器应用领域高频变压器通用高压变频器应用于电力、矿业、冶金、水泥等领域的风机、泵类传动控制高性能高压变频器适用于矿井提升机牵引变频、轧机变频传动、船舶驱动以及高速机车主传动等高端领域低压变频器则根据不用同的应用场合对变频器性能要求的不同，分为高端、中端、低端三类市场。图表 5 低压变频器应用领域（七）变频器行业发展历程变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。20世纪50年代末，美国通用电气公司推出了晶闸管（可控硅SCR）这一电力电子器件，为变频器的发展提供了划时代的基础硬件。此后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。60年代，变频器在发达国家开始逐步产业化生产，世界变频器产业的发展拉开序幕。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速的研究得到突破，变频器的软件技术出现飞跃式发展：1971年德国、美国提出了矢量控制技术，使得变频器的调速性能可以和直流调速相媲美；1973年，美国提出了电子电子技术“采用电力半导体组件进行电力变换和控制的技术”这一新的技术学科；1979年，日本采用矢量控制的变频器开始实用化，变频调速技术上了新台阶。80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用，交流调速取代直流调速、计算机数控技术取代模拟控制技术成为应用技术的主流。电机交流变频调速技术被国内外公认为最有发展前途的调速方式。期间，美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。低压变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已经得到广泛应用，行业内知名企业主要包括瑞士ABB、德国SIEMENS、日本安川、日本三菱、美国艾默生等。相对于工业化国家来说，我国低压变频器行业起步比较晚。20世纪90年代末，低压变频器逐渐得到国内广大用户的认可，在国内开始广泛地推广使用，但仍以国际品牌为主。2000年以来，在国家的大力支持下，以汇川科技、英威腾、欧瑞传动、森兰为代表的国产低压变频器生产企业在吸收国外低压变频技术的基础上通过不断创新，开始尝试自主研发生产，极大地推动了低压变频器的国产化进程。二、全球变频器产业发展状况（一）全球变频器制造地区分布（二）全球主要厂商及市场份额1、高压变频器厂商 瑞士ABB、德国SIEMENS、日本日立1、 低压变频器厂商全球低压变频器产品领域的主要厂商为国际品牌厂商，包括瑞士ABB、西门子、日本安川电机、日本三菱、富士电机等。三、中国变频器产业发展状况（一）国内变频器产业发展现状变频器作业在我国已有20余年的发展历史。2003年后，几乎所有的国际知名品牌涌入国内市场，同时内资品牌大量出现，形成了充分的市场竞争格局，市场化程度高。近几年行业逐步走向成熟，未来几年将进入全面成熟和行业整合期。近年来，内资变频器品牌在与外资品牌的竞争中，获得越来越多的市场份额。2003年，内资品牌占整体市场不到10%，2005年份额扩大至15%，2007至2008年进一步扩大至24%左右。高压变频器方面。我国自20世纪90年代后才开始在电力、冶金等少数行业应用高压变频器，但产品和技术都被国外厂商垄断，行业发展缓慢。2000年后，国内企业在高压变频技术上逐步取得突破，生产制造工艺大幅提高，产品稳定性和可靠性也显著提升，生产成本不断下降，高压变频器开始进入快速发展时期，行业应用领域不断拓宽。市场上，由于起步时市场容量小、国内高压电动机的工作电压X围与发达国家不同等原因，外资品牌的高压变频器产品进入中国市场的规模有限。国内品牌凭借本土化优势，自2003年起，加快了替代国外产品的进程。在国内低压变频器市场，内资品牌数量最多，在加速替代外资中、高端产品的同时，内资之间的竞争也开始加剧。（二）国内涉足变频器产业厂商1、高压变频器厂商a利德华福电气技术某b某智光电气股份某c东方日立（某）电控设备某图表 6 2008年国内高压变频器市场份额（按订单金额计算）2、中低压变频器厂商我国中低压变频器的研发和生产主要集中在珠江三角洲和长江三角洲，其中某的变频器企业数量和销量明显超过其他区域，另外分布在某、某等地的生产企业也表现出一定的实力。d高瑞米兰e某希望森兰f某汇川g某英威腾电气图表 7 2008年国内高压变频器市场份额（按销售收入计算）（三）市场容量及增长趋势1、高压变频器图表 8 中国高压变频器市场规模及预测2、中低压变频器图表 9 中压变频器市场容量（单位：亿元）来源：英威腾电气招股书图表 10 低压变频器市场容量（单位：亿元）来源：英威腾电气招股书（四）细分行业市场表现1、高压变频器市场2、中低压变频器市场2、 图表 11 2008年我国中低压变频器市场分布情况（单位：亿元）序号行业名称低压变频器中压变频器中低压变频器合计1起重机械13.10.413.52纺织化纤12.912.93油气钻采7.22.8104冶金7.52.19.65石化和化工8.90.69.56煤炭3.85.297电梯888建材6.30.56.89电力60.66.610市政3.41.24.611食品饮料烟草3.93.912塑胶3.73.713机床2.82.814造纸印刷2.62.615其他7.60.78.3合计97.714.1111.8图表 12 2008年国内低压变频器在各行业应用的市场份额（按销售收入计算）（五）技术发展最新进展 国内变频技术是在不断消化吸收国外同行先进技术的基础上，根据国内应用特点进行适应性改造而逐步发展起来的。目前少数领先的内资品牌已在产品技术和性能上接近甚至达到了外资知名品牌的水平，成功进入高端应用领域。但从整体来看，内资企业的技术成熟度与外资知名品牌相比还有一定差距，产品规格和种类也有待进一步丰富。由于功率器件的耐电压强度目前尚不能完全满足高压使用条件，目前世界上的高压变频器不像低压变频器具有成熟一致的主电路拓扑结构，国内外各高压变频器生产厂商，采用不同的功率器件和主电路拓扑结构，以适应不同的电压等级和各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用X围上也各有差异。在我国市场上，基于低压IGBT功率单元串联的高压变频器逐渐成为国内市场上主流的技术。当前世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，使得高压变频器的行业应用X围不断扩大。如高压变频器已经由压频控制发展到动态矢量控制和直接转矩控制等高性能控制，能实现对吊车、港机、搅拌机、转炉倾动、高炉卷扬等重负载设备控制；CPU运算速度的提高使变频器控制系统能测定的最佳控制电压和电流矢量，还能检知瞬时