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2022年变频器行业市场发展前景分析

2022-08-29

来源:网络浏览次数:185

       变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备,主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等构成。

产品分类:

1.按输入电压等级分类

       变频器按输入电压等级可分低压变频器和高压变频器,低压变频器国内常见的有单相220 V变频器、三相220 V变频器、i相380 V变频器。高压变频器常见有6 kV、10 kV变压器,控制方式一般是按高低一高变频器或高一高变频器方式进行变换的。

2.按变换频率的方法分类

       变频器按频率变换的方法分为交-交型变频器和交-直交型变频器。交-交型变频器可将工频交流电直接转换成频率、电压均可以控制的交流,故称直接式变频器。交直-交型变频器则是先把工频交流电通过整流装置转变成直流电,然后再把直流电变换成频率、电压均可以调节的交流电,故又称为间接型变频器。

3.按直流电源的性质分类

      在交-直-交型变频器中,按主电路电源变换成直流电源的过程中,直流电源的性质分为电压型变频器和电流型变频器。

       变频器市场根据变频器电压等级可以分为低压变频器(690V以下)和中高压变频器(690V以上),其中低压变频器下游应用主要是电梯、空调、起重机械、纺织机械等行业,中高压变频器下游主要是冶金、电力、石化、采矿、发电厂、污水处理等。

       显示,随着国内工业生产规模不断扩大,我国变频器行业市场规模整体呈增长态势。根据数据显示,2020年,我国变频器行业市场规模达到541亿元,同比增长9.3%。

2022年变频器行业市场发展前景分析 .png


高压变频器类


       近年来,高压变频器行业在高效节能的市场需求与国家鼓励政策驱动下,市场规模一直保持着较高的增长率。根据数据显示,2020年,我国高压变频器市场规模约141亿元,占比26%。

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       在下游市场,高压变频器主要应用于电力、矿业、水泥、水泥、冶金、石化等领域,可实现对各类高压电动机驱动的软启动、智能控制和调速节能,进而提高工业企业的能源利用效率及自动化水平。根据数据显示,高压变频器行业应用领域中冶金、电力、石化、采矿占比分别为27%、14%、14%、12%。

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低压变频器类


       受中美贸易战、3C产品销售市场低迷等因素影响,我国低压变频器行业市场增速在2818-2020年明显放缓。根据数据显示,2020年,我国低压变频器行业市场规模约400亿元,市场份额占比74%。

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       在应用市场,低压变频器行业下游较为分散,在起重机械、电梯、纺织机械、冶金和电力领域均有所应用,市场份额占比分别为9.0%、9.0%、9.0%、8.0和8.0%,CR3仅为27%。

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ABB采用IGBT7的新一代高功率密度变频器ACS180系列


        ACS180紧凑型变频器是ABB北京设计的最新一代变频器产品,它体积小巧,使用方便,稳定可靠,应用广泛,具有很高的性价比,是各种紧凑型设备的可靠之选。
       ACS180 400V电压等级的R0至R2框架均使用了来自英飞凌的IGBT7技术。以ACS180-04x-17A0-4型号为例,得益于新技术的应用,其功率密度再上一个台阶。

ABB采用IGBT7的新一代高功率密度变频器ACS180系列

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数


       变频器尺寸: 202mm(高度)x120mm(宽度)x143mm(深度),大大低于友商同功率的同类产品。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

       额定电流IN=17.0A(连续输出时的额定电流);PId=7.5kW,ILD=16.2A(每10分钟可承受1分钟110%过载) ;Phd=5.5kW,IHD=12.6A(每10分钟可承受1分钟150%过载);Imax=22.7A (启动时可输出2秒钟)。

       用做5.5kW重载应用时,工作的环境温度为50℃以下无需降额, 90%额定电流可运行在60℃。且内部集成满足IEC61800-3(可调速电力驱动系统.第3部分:电磁兼容性(EMC)要求和特定试验法)的C3等级的EMC滤波器。

       ACS180是如何做到“小身材,大能量”的呢?这得益于不断发展的IGBT技术。

       IGBT是变频器实现电能转换的核心元件,它仿佛一双强有力的手,控制着电流的开通,和关断。如果这双手臂力气大,消耗少,无疑将会大大减小变频器的体积,增加变频器的效率。

       此款ACS180采用的IGBT是FP25R12W1T7,这是一款1200V/25A的IGBT模块,芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与目前市场上主流的IGBT4技术不同,IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术,沟道密度更高,芯片厚度更薄,元胞结构及间距也经过精心设计,并且优化了寄生电容参数,从而实现5kv/us下的最佳开关性能。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

       在现代功率半导体器件中,提高开关速度、开关频率和功率密度是大势所趋。然而,由于不同具体应用对器件性能需求有差异。就电机驱动应用特性而言,由于电机和电缆的固有隔离,开关斜率(dv/dt)通常被限制在2-10kV/μs的范围内,典型目标为5kV/μs。此外,用户采用的典型开关频率(fSW)也低于8kHz。这意味着,对电机驱动而言,降低静态损耗成为了功率半导体的发展重点,快速开关和高开关频率需求的重要性有所减弱,开关损耗变得次要了。针对上述需求,IGBT7进行了精心的优化。主要体现在:

1、更低损耗

       因为更薄的芯片厚度和优化的载流子分布,IGBT大幅降低了器件的损耗,饱和压降相比IGBT4降低了20%,例如FP25R12W2T7的Vce(sat)@25℃仅有1.6V,同时关断损耗仍旧与IGBT4维持在同一个水平。如下图所示,T7相比前代器件而言,其折衷曲线进一步逼近理想原点。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

2、可调dv/dt

       不同于IGBT4等主流器件,IGBT7里的沟槽有多种形式:其中最常见的是作为有源栅极使用。其次,MPT结构还能够实现发射极沟槽和伪栅极,两者都是无效沟槽。这三种沟槽的数量决定了IGBT7的可控性,使得开通和关断的dv/dt在很大范围内都可以通过门极电阻进行调节,并且在变频器典型dv/dt范围内(2-10kV/μs),实现最低的损耗。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数


3、175°C最大工作结温

基于优化功率模块设计,IGBT7将暂态的最高允许结温(Tj)提高至175°C时,比IGBT4提高了25℃,能够满足实际应用的过载运行需求。过载工况定义如下:
• 持续工作结温 Tj ≤ 150 °C
• 重复过载结温 Tj ≤ 175 °C ,过载时间 t1 ≤ 60 s
• 过载占空比 D=t1/T ≤ 20%

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

由此我们可以看到,IGBT7能给变频器带来如下益处:


      提升逆变器的输出电流


      IGBT7极低的饱和导通电压,意味着使用相同规格的IGBT4与IGBT7时,使用IGBT7的逆变器损耗更低,从而能输出更大的电流;或者采用比IGBT4模块规格更小的IGBT7模块,使逆变器输出相同的电流。
如下图所示,25A Easy2B的IGBT7可以比25A Easy2B的IGBT4提升35%的输出电流,而25A Easy1B的IGBT7也可以比25A Easy2B的IGBT4提升16%的输出电流。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数

       提升逆变器的功率密度

       IGBT7的损耗低,结温高(过载结温最高175℃),因此可以大大的减少散热器的尺寸。以典型条件的对比,25A Easy2B的IGBT7能够比25A Easy2B的IGBT4减小40%的散热器体积。

ACS180-04x-17A0-4变频器主要参数


电力电子器件的基片已从Si(硅)变换为SiC(碳化硅),使电力电子新元件具有耐高压、低功耗、耐高温的优点;并制造出体积小、容量大的驱动装置;永久磁铁电动机也正在开发研制之中。随着IT技术的迅速普及,变频器相关技术发展迅速,未来主要向以下几个方面发展:


网络智能化

       智能化的变频器使用时不必进行很多参数设定,本身具备故障自诊断功能,具有高稳定性、高可靠性及实用性。

       目前市场上新型变频器都内置了接口,同时提供多种相互兼容的通信接口,支持多种通信协议,同时可以通过连接计算机,由计算机键盘来控制和操作变频器,并且可与多种现场总线进行联网通信,可以实现多台变频器联动,甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。


专门化和一体化

       变频器的制造专门化,可以使变频器在某一领域的性能更强,如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外,变频器有与电动机一体化的趋势,使变频器成为电动机的一部分,可以使体积更小,控制更方便。


高性能化

       随着矢量控制、转矩控制等控制理论的发展和高速数字信号处理器的应用,变频器的性能将越来越高。无速度传感器矢量控制技术的发展成熟,使变频系统摆脱了硬件检测电机转速的束缚,系统体积更小。


数字化程度提高

        受益计算机技术的进步,变频控制系统将实现交流调速系统和信息系统的紧密结合,同时还可以提高系统的整体性能。另外,随着交流电机控制理论的日益丰富,相关的控制策略和控制算法也越来越复杂,需要更多的计算和存储空间,目前全数字化的高性能交流调速系统中都广泛的应用DSP芯片。


节能环保无公害

       变频器的电磁兼容、谐波抑制、电机噪声抑制等技术都是目前人们关注的重点,变频器的环保问题显得越来越重要。很多国家都已经制定了限制谐波的有关规定和标准。寻找解决好变频器的噪声和电磁污染的方法,也成为了很多研宄人员工作的重心。


适应新能源

       现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角,有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散,将来的变频器就要适应这样的新能源,既要高效,又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步,这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化、变频器的高性能化和多功能化、结构的小型化等方面。

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