高效二相SVPWM变频专用电动机项目投资建议书.docx

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高效二相SVPWM变频专用电动机项目投资建议书

江门市科技计划项目

可行性研究报告

（技术开发）

项目名称：

高效二相SVPWM变频专用电动机

一、国际水平、现状及发展趋势

近10年来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，变频调速使笼型三相交流异步电动机实现了以往传统控制难以达到的优良调速性能，在调速范围、动态响应、调速精度、低速转矩、转差补偿、功率因数、工作效率、使用方便等方面越来越显示出优越性，且具有体积小、重量轻、通用性强、可靠性高和操作简便等优点，已成为电气调速传动的主流，正越来越多地取代传统的直流电动机调速传动和超越目前也在发展的永磁无刷电动机调速传动，因而深受各行各业的欢迎，广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、轻工和建材等工业设备，表现了高效的驱动性能和良好的控制特性，尤其是显著节电，经济和社会效益十分显著。

变频器自动控制性能仍在进一步改善，为变频调速系统提供了良好的发展前景。

作为变频调速执行电机的异步电动机，在电气传动中广泛应用已有100多年历史，设计和工艺技术十分成熟，在各种类型的电动机中，结构最简单坚固、运行最可靠和单价最低廉，因而使用量最大。

已有通用的工频供电异步电动机，例如相当于国内Y系列的中小型异步电动机和AO2系列的小功率异步电动机，可以直接作为通用变频器的执行电机，且事实上已使用于目前大部分的变频调速系统。

然而，用于变频调速的异步电动机由变频器供电，与电网直接供电不同。

其电动机端输入的电压、电流非正弦，其中的谐波分量对异步电动机的运行性能会产生显著影响，如电流增大，损耗增加，效率、功率因数降低，温升一般约提高10%～12%，还会出现转矩脉动、振动和噪声增大、绕组绝缘易老化等。

故变频调速异步电动机的设计与普通工频供电的异步电动机的设计存在相当的差别【3.1】。

尤其是通用异步电动机的传统结构未能配合目前逆变变频技术的发展，以取得更佳的效果。

例如，涤纶挤出轴变频驱动系统，若使用通用的异步电动机，系统效率将降低16%，电动机的体积将增大2个机座号和变频器配套功率需增大20%【3.1】。

又如，在90年代发展起来的空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术中，作为交流电动机原理基础的三相圆形旋转磁场概念已被空间矢量磁链圆所代替，采用该技术的变频调速系统，比传统系统可提高效率2%～3%和功率因数10%～20%，且显著降低振动与噪声【3.2】。

若采用通用异步电动机则难以显示该优点。

工业设备变频调速专用电动机应运而生。

例如，冶金等行业变频调速传动使用的高压大功率专用电动机均为特别设计制造；电梯和纺织机械的变频调速专用电动机目前已大批量定型生产使用，资料【3.1】指出：

“目前美国市场有近50%的调速电动机为变频调速电动机，其市场分额还有上升趋势”。

家用或类似小型电动设备为提高性能也已由传统的工频驱动逐步发展至变频驱动，但相对于工业设备变频调速有其特殊性，主要是其使用单相电源。

在洗衣机中建立单相的变频电源驱动以往的单相电容运转电动机的方法最简单，但电动机的状态随电源频率变化偏离对称运行点，影响效率和电磁振动噪声。

韩国三星电子该方法的专利申请【3.3】已撤回。

国外从90年代初开始，变频洗衣机、空调器和电冰箱以及工业缝纫机等推出市场，典型技术可见日本松下、日立、三洋和东芝等著名企业众多享有国外优先权的中国发明专利申请。

研究表明，这些技术的核心基本是工业设备已相当成熟和广泛使用的三相变频调速技术的移用，虽性能优良，且开发周期短，但用于小型电动器具显得成本过高而质量过剩。

例如：

——典型的逆变电路为桥式6单元，用于小功率单相器具供电，显得单元数偏多而单位元件额定容量利用不足。

复杂的电路也是系统的薄弱环节，通常需选用比较优秀的元件或设置较复杂的保护电路和控制程序，以至使用价格较高的智能功率模块（IPM）、16位单片机和高性能微处理器等；

——变频驱动系统宽广的调速范围在多数小型器具中利用不足。

例如，空调器或电冰箱压缩机电动机的调速范围达到3：

1已可满足需要；洗衣机由于频繁启动，对普通的洗涤方式以调速进行洗涤强度控制，与传统的通断比控制相比效果差不多，对低强度或精细洗涤过程需要适当调速，但调速范围达到2：

1已可满足要求；它们对调速的准确性和稳定性要求也往往比工业设备的要求低；

——部分产品进一步使用了复杂且价高的永磁无刷电动机；对于洗衣机，甚至为一体化的直接驱动系统。

它们虽有更优异的性能，但远不如使用传统的异步电动机价廉和坚固，且需要投资全新的电动机及传动系统制造工艺装备。

在发达国家，企业由于拥有专利权，且成本增加导致的产品价格为其市场消费能力所接受，所使用基本技术多年未见调整，但变频家电已逐步普及。

目前，日本市场的洗衣机、电冰箱、空调器和工业缝纫机，变频产品分别占40%～80%，表明该技术结构调整已趋于完成。

检索表明，国外对工业设备的三相变频调速系统所使用的专用电动机已有比较充分的研究，但重点是大功率电动机；对高效变频调速专用小功率异步电动机的研发报道不多，且未见到有定型的系列产品，尤其是未检索到对非对称变频调速专用电动机的研发报道。

二、国内相关产品与技术发展水平、现状

随着引进技术的吸收和设备利用，变频调速系统的应用自90年代开始在国内呈现出强劲的上升势头。

机械工业部于1993年发布的JB/T7118-1993《小型变频变压调速电动机及电源技术条件》，主要是围绕一些小型工业设备的需要提出的要求，涉及变频调速专用异步电动机的内容比较简单。

该标准最近按照JB/T8680.1-1998《Y2系列（IP54）三相异步电动机（机座号63-355）》修订为JB/T7118-2004《YVF2系列（IP54）变频调速专用三相异步电动机（机座号80-315）》，标准中电动机的功率等级、安装尺寸（总长除外）及其对应关系与Y2系列（IP54）三相异步电动机一致。

Y2系列（IP54）三相异步电动机即目前最普遍使用的中小型电动机。

同时还发布了JB/T10485-2004《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》。

除YVF2系列变频调速专用三相异步电动机外，目前其它比较有批量的定型产品有：

YTVF系列电梯专用变频电动机，与变频器适配，达到良好的调速性能和显著的节能效果，主要适用于电梯等要求低频恒转矩、高频恒功率的各种传动机械，变频范围一般为5～100Hz，功率为0.18～200kW，中心高为63～315mm；

YPNC系列变频主轴专用电动机，是专门为纺织等主轴驱动系统而设计的，配合变频器或主轴驱动器后达到较宽的调速范围，且在最高转速内保持恒功率和优良的控制特性；

YP系列变频调速专用电动机，按照各细分行业调速系统之实际需要，配合变频器之电源特性，有效抑制高频磁场谐波，配合精密的机械制造，使电磁和机械噪音得到有效控制。

关于变频调速专用异步电动机技术标准化的最新进展可见于国家标准GB/T20161-2006《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》和2007年12月3日首次发布，将于2008年5月1日起实施，由全国旋转电机标准化技术委员会归口，上海电器科学研究所（集团）有限公司、山东华力电机集团有限公司等起草的国家标准GB/T21209-2007《变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则》。

作为以工程实现为主的本项目将比较主要地执行该二标准。

至于小功率电动器具，国内从90年代末开始，变频洗衣机、空调器和电冰箱等家用电器和工业缝纫机等陆续推出市场，但比非变频产品价格高千元至1倍，明显偏离国内消费水平，与其所改善的性能极不相称，销售增长缓慢。

研究表明，它们使用技术的核心多属国外专利，由于缺乏自有知识产权和不能有效降低成本以适应国内市场，大多数停留于样品展示或偶尔生产，传统的工频驱动的产品仍在国内市场占主导地位。

2000年，控股本企业的江门金羚集团有限公司开始探索适合国内家电技术结构调整产业化的变频调速技术，思路是：

为克服传统的单相系统的弊病，针对家用电器功率小和调速的特殊性，研发核心技术具有自主知识产权的二相SVPWM变频调速系统应用于家用电器，在达到国外专利技术三相变频调速系统的实用性能指标的同时，减少逆变电力电子元件及驱动电路使用数量，以低成本提升传统产品的品质至国际先进水平。

江门金羚集团有限公司围绕二相变频调速系统于2000年12月递交了首件中国发明专利申请，至今共递交17件发明和9件实用新型专利申请，其中3件发明和7件实用新型已获专利权。

在这些专利或专利申请中，也包括专门关于二相变频调速系统所使用的电动机，见附录。

2004年7月，江门金羚集团有限公司技术中心申报的项目《二相交流变频调速技术研究及在家电产品上的应用》，经省经贸委组织专家论证，列入2004年广东省重点技术创新项目计划【3.4】。

2005年下半年起，该项目多个型号金羚牌经济型变频洗衣机陆续试制成功并投放市场和送国外展示。

但这些洗衣机中使用的电动机仍然是按照普通电磁设计，未考虑变频的特点，尤其是未考虑二相变频的不对称特点，因而在系统中的效率和振动噪声以及预期寿命未达到较佳的水平，为此要求本企业展开本项目，以实现与系统更好地配套。

2006年9月，华南智信微系统有限公司开始高效节能变频调速缝纫机研发，其后申报项目《异步电动机变频调速与伺服控制关键技术及装置》批准为广州市2007年科技计划项目【3.5】。

该项目注意到二相变频调速技术的优点，提出了应用二相变频调速技术及开发其专用电动机的要求。

本企业作为供应方为满足采购方研发对高效变频调速专用电动机的配套需要，在五邑大学黄险峰博士的配合下，于2007年展开本项目的实验对比和理论探讨等前期工作。

其中有已递交的发明专利申请《一种变频驱动系统及其电动机》（申请号：

200810026316.2）【3.6】和实用新型专利申请《一种变频驱动的缝纫机及其电动机》（申请号：

200820043984.1）【3.7】。

该二专利申请设计电动机的电磁非对称以克服二相变频电源的非对称，具有突出的创造性和国际先进性。

本项目技术与国外专利技术和传统技术对比如下：

指标

本项目技术

国外专利技术

传统技术

关键技术实现方式

自主开发

技术贸易

仿造

开发费用

中等

高

低

开发周期

3年

2年

1年

技术难度

高

一般

低

产品性能价格比

高

低（国内市场难接受）

一般

市场前景

好

不好

一般

三、立项必要性

《2008年江门市重点科技攻关项目指南》中第18项为：

机械制造关键工艺与装备技术——包括高性能变频调速装置。

本项目按此立项展开攻关，其必要性包括：

1、实施国家的电机系统节能工程

中国已是世界第3能耗大国，现有各类电机系统总装机容量约4.2亿千瓦，用电量约占全国用电量的60%，但80%以上的电机产品效率比国外先进水平低2－5个百分点；电机传动调速及系统控制技术差距较大，产品效率比国外先进水平低（20～30）%，系统运行效率比国外先进水平低（10～20）%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时，节电潜力巨大。

在用电动机中，交流电动机约占90%，但只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的，即市场占有率不足4%。

若按电动机总容量的10%进行调速改造和年平均运行4000时及节电率20%～25%计算，年节电潜力为320亿～400亿千瓦时，再加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿千瓦时，相当于10000兆瓦装机容量的火力发电厂的年发电量。

可见，电机系统节能是目前中国节能市场上最具商业潜力的领域。

例如，中国的变频器市场在过去10年保持平均26.8%的高速增长，并预期至少10年后，该市场才饱和并趋于成熟，市场潜力约1200亿～1800亿元。

因而，变频调速及相关电机的研发项目一直受到国家的高度重视，例如：

——国家经贸委“十五”期间组织实施的100项资源节约与环境保护重大示范工程（国经贸资源[