专用变频器专题调研报告

专用变频器专题调研报告

十三五以来，绿色发展理念逐渐深入人心，绿色制造在机械各行业积极推广，取得了显著成效。随着电机、变压器、锅炉等通用设备能效提升行动的实施，高效装备市场占比不断提升，新增变压器中高效变压器占比已由2015年的12%大幅提高至46%。一批风机、泵、压缩机等制造企业大力开发节能产品，面向建材、冶金、纺织等工业领域通用机械产品存量市场，采用租赁、合同能源管理等多种方式对在用高耗能产品进行节能改造，提供节能减排系统解决方案。内燃机整机再制造企业已形成具有特色的发展模式，尤其是部分试点示范企业持续投入使再制造产业规模不断扩大，初步形成了高效的回收体系和运营模式。传统的铸造产业正逐步撕掉脏乱差的标签，一些关键环节通过机器人代替人工操作，生产效率和质量明显提升，型砂使用减少，能耗和排放大幅降低，车间环境也得到明显改善。2015年至2019年中国机械工业联合会重点联系企业的万元产值综合能耗值能下降了34%，年均下降近10%。十三五以来，我国机械工业经济规模持续保持增长态势。2016-2019年，机械工业增加值增速分别为9．6%、10．7%、6．3%和5．1%。2020年，虽然受到新冠疫情影响，仍保持同比6%的增长速度，且高于同期全国工业和制造业3．2个百分点和2．6个百分点。截至2020年底，机械工业规模以上企业数量超过9万家，比2015年末增加近七千家;资产总额26．52万亿元，比2015年末增长37．7%，年均增长6．6%。高端装备行业面临的机遇与挑战（一）高端装备行业机遇1、高端装备行业产业政策大力支持高端装备制造是现代产业体系的脊梁，是一个国家制造水平的集中体现。工业自动化控制行业属于高端制造产业的范畴，是国家产业政策重点支持和鼓励的行业，多个政府部门先后出台政策或指导意见，鼓励行业的快速发展。2016年，工信部、财政部联合发布《智能制造发展规划（2016-2020年）》，指出制造行业要提高信息化水平，加大对关键技术装备、工业互联网等先进技术的建设；2018年，工信部发布《国家智能制造标准体系建设指南》，指出我国应推进智能制造的有序健康发展；2019年，工信部发布《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2019年版）》，提出贯彻落实关于促进装备制造业由大变强的总体要求，加快推进重大技术装备研制和推广应用；2021年3月，全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化、智能化、绿色化。培育先进制造业集群，推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备、先进电力装备、工程机械、高端数控机床、医药及医疗设备等产业创新发展。2、能源和环境现状促进高端装备行业发展目前，我国已成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥的主要消耗国，同时也是世界上最主要的能源消费国。在能源需求量持续增大的同时，我国的环境正面临严峻挑战，传统的能源高消耗的粗放型工业发展路线逐渐被淘汰。改造提升传统制造业，是建立资源节约型、环境友好型产业的必然选择。为实现节能减排目标，我国多部门陆续推出相关的政策及指导意见，促进全方位节能减排工作的落实。其中，2016年，《十三五节能减排综合工作方案》提出要促进制造业高端化、智能化、绿色化、服务化，构建绿色制造体系，推进产品全生命周期绿色管理。2019年，工信部发布《国家工业节能技术装备推荐目录（2019）》，提出在重点用能设备系统节能技术中推荐国产高性能低压变频技术，采用实时多任务控制技术、整流器技术、同步电机矢量控制技术等实现高效稳定，适用于冶金、船舶、港机等行业的低压高端变频调速领域。在该背景下，变频调速一体机、专用变频器等市场有望持续稳定增长。2021年，《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出到2030年，经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上。当前我国积极推进可持续发展的能源战略，加快调控转型，强化节能减排。再电气化对可持续发展能源战略具有重要意义，而推进再电气化则需深入实施电能替代策略，在工业、交通、商业等领域广泛推进以电代煤、以电代油。工业领域的再电气化将推动电驱化的不断发展，即使用电能代替燃煤、燃油、燃气等化石能源，实现用电结构优化，加快新旧动能转化。行业生产的变频调速一体机、专用变频器以及特种电机是实现工业生产电驱化的重要载体，在再电气化进程中面临广阔的市场空间。（二）高端装备行业挑战当前煤炭开采、油气钻采等领域的电气传动系统正处于加速进行的阶段，另一方面国家鼓励支持再电气化进程，推动工业领域加速实施―电驱化。良好的发展机遇为行业产品带来广阔的市场空间，亦将吸引具备一定技术实力的其他厂商加速进入，从而导致行业竞争加剧。尽管行业产品具备较高的技术和工艺壁垒，但随着其他厂商技术水平的不断进步，行业面临的竞争压力将逐渐增大，进而最终可能影响行业盈利水平。高性能IGBT是行业主要产品的关键零部件。因存在技术门槛高、资金投入大、市场开拓难等问题，国内企业在高性能IGBT产业化进程中取得进展，但国产化程度尚需持续提升。目前行业产品所使用国外品牌IGBT仍占较大比例，若受国际贸易摩擦持续升级或其他双边贸易摩擦等因素的影响，前述国家禁止或限制相关厂商向我国供应IGBT产品，将对行业IGBT的供给产生一定的影响。工业自动化控制系统发展现状工业革命是自动化发展的主要动力，前三次的工业革命促使全球工业自动化水平大幅提升。进入21世纪以来，以人工智能、机器人技术、电子信息技术、虚拟现实等为代表的第四次工业革命进一步整合机械和电子系统，工业自动化水平进一步提升。近年来，德国提出了工业4．0规划，美国提出了国家制造创新网络，日本提出了创新产业结构计划，其共同点是充分运用物联网、机器人、人工智能等技术手段提升制造业的智能化、无人化程度。与工业自动化控制行业快速发展相应的，工业自动化设备需求也不断增长。根据中间市场投资银行HarrisWilliams的分析，2020年全球工业自动化市场规模达到1，760亿美元，预计2024年全球工业自动化市场规模达到2，650亿美元。随着行业的快速发展，市场的竞争也越发激烈，目前以德国Siemens、瑞士ABB、松下、安川为代表的跨国巨头主导着全球工业自动化市场，其凭借技术先进、功能齐全的产品，拥有庞大的客户群和较高的市场知名度。我国工业自动化行业起步较晚，但发展势头强劲。近30年，我国成功实现了工业化的快速发展，制造业产值已处于全球领先地位。工业自动化行业是推动制造业从低端向中高端升级转型的关键，虽然我国工业自动化产业部分关键核心技术与外资品牌尚存在显著差距，但是近年来国家陆续推出了鼓励高端装备制造业的政策，为工业自动化行业的发展提供了有力的政策支持，中国工业自动化行业发展取得明显进步，进程加速。2021年，我国工业自动化市场规模达到2，530亿元，规模较为可观。近年来，国内制造业从业人数逐渐下行，同时制造业人均工资持续抬升，过去人口红利带来的低廉劳动力成本优势逐渐消退，劳动力相对自动化的性价比逐渐减弱，因此长期来看我国制造业亟需产业升级，将催生广阔的工控自动化产品及服务需求，工业自动化控制行业面临着良好的发展机遇。高端装备行业的区域性变频调速一体机、专用变频器、特种电机、电气控制及供电产品属于工业自动化领域电气传动与控制设备，其广泛应用于煤炭开采、油气钻采、工程机械、港口、冶金、船舶及水泥等行业，因此，其行业的区域性与其下游应用行业的区域性紧密相关。2035年远景目标到2035年，我国机械工业综合技术实力大幅提升，进入全球机械制造强国阵营中等水平。行业关键核心技术实现重大突破，优势行业形成创新引领能力;行业整体摆脱基础支撑能力弱的局面，在核心基础零部件、关键基础材料、先进基础工艺及装备、基础工业软件、专用生产及检测设备等方面实现突破发展;形成具有更强创新力、更高附加值、更安全可靠的产业链供应链，部分主导产业进入全球价值链中高端，培育一大批具有创新能力和国际竞争力的骨干企业;融合发展取得显著成效，智能制造、绿色制造和服务型制造全面普及，基本建成机械工业现代化产业体系。产业基础有所增强（一）一批产业共性技术取得突破攻克了一批制约行业发展的关键共性技术，在可靠性技术、试验验证技术、基础工艺技术等方面取得了一批重要成果，有效推动了机械装备及配套零部件的性能、质量水平的提升。可靠性及试验验证技术方面：突破大型升船机复杂系统可靠性多元评价方法与长寿命高可靠服役策略、大模数重型齿条制造技术与寿命评价、升船机可靠性评价准则与工程验证技术，有力支撑三峡和向家坝两大世界级升船机安全可靠运行;研制出具备工况环境模拟能力的数控高速冲压设备可靠性试验装置;建立了兆瓦级风电叶片全尺寸结构测试平台，推动了我国大型海上及低风速风电的发展;研制出汽车AMT变速器智能化在线检测试验设备，有效提升了我国变速器制造水平;国内首创的倒置40吨振动试验系统、振动复合转动三轴系统、可吸收电磁波三综合试验系统等环境试验系统，技术指标达到国际先进水平。基础工艺技术方面：掌握了大型复杂复合材料构件数字化柔性高效精确成形关键技术、复杂铸件无模复合成形制造关键技术、大型风电装备齿轮可控气氛渗碳和精密齿轮真空渗氮技术;掌握了难加工合金构件波动式高质加工技术及装备，实现了新一代飞机、发动机难加工结构加工质量瓶颈问题的突破;掌握了具有完全自主知识产权激光焊及激光-电弧复合焊关键应用技术、工程技术与成套装备，解决了国防装备、超级起重机、全新一代轨道车辆等一批重大装备关键部件的焊接难题，并在多个领域首次实现工业应用。（二）若干关键零部件实现国产化在国家强基工程的引导和市场需求的拉动下，一批具有自主知识产权的关键零部件实现了技术和规模应用的重大突破，部分核心零部件问题有所缓解。工程机械、大型锻压机械用高压、数字液压元件和系统，农业机械用静液压驱动系统等一批高端液压产品研发、生产取得重大突破。高端核级密封件系列产品实现。三峡升船机提升系统、海洋平台齿轮齿条升降传动装置、200km/h级高速客运机车和重载货运机车齿轮传动装置等高端齿轮产品已经基本满足配套需求。第三代轿车轮毂轴承单元技术水平达到国际先进水平，实现产业化并出口国外。重型燃气轮机不锈钢轮盘锻件、超超临界高中压转子锻件实现国产化。机器人用伺服电机、减速器、控制器等三大件的依赖进口问题正在扭转，部分产品进入产业化阶段。（三）部分基础制造装备取得进展近年来，国家和全社会逐步加大对基础制造装备的重视程度，通过科技重大专项、技术改造项目等渠道，不断推动高档数控机床及基础制造装备科研创新能力和核心竞争力的提升。十三五期间，以高精高效五轴加工中心、超重型数控机床、大型压力机等为代表的创新成果逐步进入航空航天、电力、汽车、船舶制造等重要领域，自主供给能力提升明显。高档数控机床平均故障间隔时间（MTBF）实现了从500小时到1600小时的跨越，部分达到国际先进的2000小时，精度整体提高20%。我国主持修订的S试件国际标准已获国际标准化组织（ISO）批准并正式发布，实现了我国在高档数控机床检测领域国际标准零的突破。28米超重型数控单柱移动立式铣车床研制成功，解决了我国核电、水电领域关键超大型构件制造难题。世界首台36000吨超大六向模锻压机投入运行，有效解决船用核电主泵泵壳、低速机曲轴、压力管路元件等大型复杂结构件的制造难题。12米级卧式双五轴镜像铣机床、1．5万吨航天构件充液拉深装备等填补国内空白。（四）质量品牌建设取得一定成效截至目前，我国机械行业已建成249家国家和行业质检机构，其中十三五期间新建30家，主要分布在新能源汽车、智能电网设备、工业机器人等新兴领域，各行业质检机构在业务范围、检测能力等方面都有了很大的发展，服务新兴领域、智能制造、互联网、物联网等能力进一步加强。品牌建设方面，十三五期间60家机械工业企业获得全国质量标杆称号，3个机械工业产业集群获得工信部产业集群品牌培育示范区称号。培育机械工业名牌产品和优质品牌135个，机械工业质量诚信企业51家，遴选机械工业质量品牌人物45名，优秀质量品牌工作者25名，优秀工匠108名，授予7个地区机械工业产业集群荣誉称号。（五）标准化工作取得了长足发展十三五以来，我国机械工业标准供给数量和质量不断提升，标准体系日益完善，标准化管理体制和运行机制更加顺畅，标准化人才队伍进一步壮大。十三五期间新发布国家标准2635项、机械行业标准2323项、中国机械工业联合会团体标准120项。强制性标准体系初步成形，推荐性标准与强制性标准的协调配套逐步完善，团体标准对国家标准和行业标准的补充雏形已渐渐显现。随着标准国际化进程的推进，截止2020年底机械工业国际标准转化率整体达到87%以上，并从单向采用国际标准向逐步主导制定国际标准转变。从机械工业标准化队伍发展看，机械工业标准化工作已经全面扩展到各利益相关方共同参与，已组建全国专业标准化技术委员会131个、分技术委员会178个，机械工业专业技术委员会及分技术委员会16个，专家有近1．2万人次。高端装备行业技术发展趋势（一）高端装备行业智能控制以现代控制理论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制，以形成高智能化的自动控制系统为现代自动化控制领域的发展方向。模糊控制依靠模糊控制器在执行控制过程中通过不断获取现场信息，及时调整模糊控制规律，改善系统性能，具有自学习功能。由于具有较强的鲁棒性和不敏感性，模糊控制使得控制系统的稳定性获得改善，可以提高控制精度、抑制振荡等现象；专家控制是人工智能领域的一个重要研究方法，在提高控制系统的灵活性和智能化方面具有优越性；神经网络控制从仿生学角度出发，对人体大脑神经系统进行模拟，使机器具有感知、学习和推理能力，神经网络能够不断逼近任意复杂的非线性关系，能学习与适应严重不确定的系统的动态性能，所有信息都等势分布储存于网络内各神经元，因此有极强的鲁棒性和容错性，在解决高度非线性和严重不确定系统控制方面有巨大潜力。（二）高端装备行业基于新材料的电力电子器件SiC（碳化硅）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。基于SiC的IGBT综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的优点，具有较大的通流能力。目前已有实验证明，使用SiC混合的IGBT与普通IGBT相比，功耗约减小30%，开关频率的提高也有效降低了输出谐波，减小了电机脉动转矩，使整个系统效率提高。基于SiC的新型电力电子器件的研发将成为未来一个主要发展方向。（三）高端装备行业边缘计算传统的工业自动化架构，围绕连接到远程现场设备的集中式可编程控制器搭建。随着计算能力逐渐嵌入到使用新型智能组件的自动化系统的边缘，与传统的集中策略相比，边缘计算在设计上具备更多优势：例如，采用整合输入/输出、控制、数据处理、通信和人机界面等功能的边缘可编程工业控制器，可以实现控制决策实时进行，在数据源附近即可获得、预处理和分析数据，从而减少边缘设备上游组件所需的网络带宽、数据存储和处理能力。同时，边缘计算可以与其它现场自动化平台的监控系统、企业数据库进行交互，甚至可以与云端交换数据。边缘计算实现了物联网技术前所未有的连接性、集中化和智能化，由此可以满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求，是未来实现分布式自治、工业控制自动化的重要支撑。（四）高端装备行业控制系统网络化随着计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展，传统的控制领域正经历着向网络化方向发展的变革。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统），语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了工业以太网与控制网络的结合。这种工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。（五）高端装备行业工业通信无线化随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。高端装备行业基本情况目前高端装备在国内外学术界和产业界尚未形成统一的界定，通常认为是指具有高技术、高附加值的装备。相应地高端装备制造业是生产制造高技术、高附加值的先进工业设施设备行业，其以高新技术为引领，处于价值链高端和产业链核心环节，决定着整个产业链综合竞争力的战略性新兴产业，是现代产业体系的脊梁，是推动工业转型升级的引擎。根据《战略性新兴产业分类（2018）》，高端装备制造产业包括智能制造装备产业、航空装备产业、卫星及应用产业、轨道交通装备产业、海洋工程装备产业五大产业。高端装备往往代表了科技创新的主线发展方向，是实现技术革命的基石，对推动制造业转型升级具有重要战略意义。近年来各国纷纷出台产业扶持政策鼓励高端装备制造业的发展，推动实现技术革命，以期主宰未来科技发展方向。2012年2月，美国国家科技委员会发布了《先进制造业国家战略计划》，将促进先进制造业发展提高到国家战略层面；2013年4月，德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上正式发布《保障德国制造业的未来：关于实施工业4．0战略的建议》，旨在推动第四次工业革命，提高制造业水平；2017年，日本经济产业省提出互联工业（CONNECTEDINDUSTRIES）战略，推进通过连接人、设备、技术等实现价值创造的互联工业。发达国家不断推进实施再工业化战略，积极推出支持高端装备制造业的新举措，通过政府、行业组织、企业等协同推进，培育高端制造业竞争优势。在此背景下，我国也相继出台多项产业规划指导高端装备制造业的发展。2016年11月，《十三五国家战略性新兴产业发展规划》将高端装备列入需进一步发展壮大的战略性新兴产业。新兴产业不断壮大十三五期间，我国机械工业中战略性新兴产业增长相对较快，规模不断壮大，成为行业新的增长点。新能源装备快速发展，2016-2020年，我国风电机组总产量达到11296万千瓦，较十二五时期增长38．9%;光伏设备总产量达到21017万千瓦，比十二五时期翻了两番还多。在新能源车领域，2015年以来我国新能源汽车产销量连续5年位居全球第一，产业技术水平显著提升，产业体系日趋完善，已形成从原材料供应、动力电池、整车控制器等关键零部件研发生产到整车设计制造的完整产业链，电池电机电控等技术也取得明显进步，具备较强的产业基础和优势。机器人产业蓬勃发展，自主品牌工业机器人销量由2015年的2．23万台增长到2019年的4．46万台，年均增速达19．0%;自主创新能力显著增强，机器人动力学控制、高性能伺服驱动等关键技术取得突破，高精密减速器研发取得重大进展。研发能力有所增强十三五时期，我国机械工业坚持创新驱动发展战略，行业技术创新体系进一步加强。2016-2020年，共分3批批准建设机械工业工程研究中心和重点实验室48家，其中工程研究中心24家，重点实验室23家，创新中心1家。截止至2020年底，已挂牌运行和正在筹建的创新平台241家，为加快提升我国机械工业技术研发和工程化试验能力、协同创新水平、促进我国机械产品在国内外市场形成竞争优势，切实发挥了重要作用。2016年至今，面向制造业创新发展重大需求的国家制造业创新中心建设迅速推进。截至2020年底，已论证通过和启动建设17家国家制造业创新中心，其中机