變頻器電機機電一體化的特點

時間：2022-10-07 21:35:32 機電一體化畢業論文我要投稿

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變頻器電機機電一體化的特點

　　變頻器電機機電一體化的特點【1】

變頻器電機機電一體化的特點

　　摘要：近年來，隨著我國科學技術的發展，電子技術也已經取得了突飛猛進的成果。

　　其中，變頻器與電機一體化技術的實現，給我國電子工業以及家用電器生產都帶來了極大的便利。

　　對居民來說，變頻器與電機一體化在家用電器的運用，節省了空間，提高了家庭生活質量。

　　本文主要介紹了變頻器電機一體化的特點，并就變頻技術在工業以及家用電器中的節能運用做了詳細介紹，供同行參考。

　　關鍵詞：變頻調速電機; 變頻器;一體化

　　科學技術的不斷進步，使得變頻技術不斷取得新的成果，現在已經具備節省空間、功率范圍擴大、功能多樣化等特點。

　　變頻器與電機一體化是變頻技術的一項重大突破，減少了電器在使用過程中的各種附加損耗，同時降低了制造成本，提高了企業的經濟效益，因此，已經被廣泛運用于工業以及家用電器的制造中。

　　1.變頻器對電機性能的影響

　　所謂變頻器，即在工廠生產設備以及各種家用電機的變頻調速系統中，作為供電電源，為整個電機提供動力的裝置。

　　近年來，變頻技術已經取得了重大的突破，已經實現了變頻、電機的機電一體化。

　　在電機是整個變頻調速系統中，電頻起到了不可替代的作用，且對電機的性能產生很大的影響。

　　作為電機調速系統的供電電源，供電系統中會產生很高的高次諧波分量，這些能量對對電路中的諧波磁勢和電路中的諧波電流都會產生較大影響，這些影響最大的副作用是會導致電機的供電系統中的電動機的耗能增加，當然，產生機械能的一部分最終轉化為人熱能，使得整個工作系統的溫度升高，時間一長，會在一定程度上影響電機工作系統的工作效率，甚至會出現整個系統工作不穩定的情況，且長期在高溫下工作，電機系統的使用壽命會受到影響。

　　因此，如何利用好變頻器，讓其在電機變頻調速系統中發揮最大的作用的同時對整個系統的影響最小成為業內研究的重點。

　　2.變頻器電機一體化的特點

　　2.1變頻器電機一體化的構造原理

　　在變頻機沒有出現之前，電機調速系統使用的傳統的電機，其不能實現自動調速，電機系統的調速只能依靠不同的電機之間相互轉換，電機類型主要包括加速電機、減速電機以及直流電機三種。

　　自動化程度低，工作效率低下，整個電機系統需要耗費大量的資源，且耗能比較大，不利于生產企業降低生產成本。

　　變頻機機電一體化的出現可以說是在整個行業技術上的一個重大突破，在家用電器以及工業設備上的節能上起到了不可小覷的作用，已經給很多行業帶來了便利，其既提高了整個電機系統的工作效率，又能節省很多能量。

　　主要體現在其讓整個系統的工作越來越趨向于自動化，工廠可以因此節省很多人力物力資源，且機電一體化的實現，使得整個生系統的占地面積大為減少，節省生產成本，提升企業的經濟效益，從而實現企業市場競爭力的提升。

　　因此，已經廣泛被運用在各個行業中。

　　目前很多行業也一直在致力于變頻器電機機電一體化的研究，希望在節能方面取得更大的進展。

　　其工作原理是使得電機的輸出功率可以在較大范圍里變化，從而實現電機的調速，變頻電機的出現取代了傳統的工作模式，大大提高了工廠的工作效率。

　　2.2變頻電機的主要特點與內容

　　變頻機發展到現在，使用的材料已經更新了幾代，現在大多采用的是高分子絕緣材料，并且利用了真空壓力來進行涂漆，真空壓力涂漆有兩個方面的優勢，一方面真空壓力涂漆，速度快，時間短，幾乎把空氣完全隔絕，增加了變頻機在工作中的安全性。

　　另一方面，利用真空壓力，使得其能長期保持嶄新的狀態，大大延長了整個系統的使用壽命，在一定程度上減少了系統的維修與更換費用，節省了工廠的生產成本。

　　變頻機與傳統的電機相比，除了擁有更高的安全性以外，還體現在內部零件更精密以及散熱性能好兩個方面，內部零件更精密，變頻電機內部零件更精密可以說是其一大特點，其使得整個電機系統工作性能更穩定，也更高速，提高了工廠的生產效率。

　　散熱性能好，在整個電機系統工作的過程中，機械能的一部分會轉化為熱能，使得電機系統是溫度升高，從而影響其穩定工作，變頻機的散熱處理得非常好，現在，很多生產企業的變頻機大多采用最先進的散熱排風扇裝置，這種排風裝置不僅具有的很強的風力，能夠及時為整個電機系統做好散熱處理，且還做了靜音處理，大大降低了整個生產區間的噪音，為工人提供了一個相對良好的工作環境，這也算是近年來變頻機的另一個技術突破。

　　良好的散熱處理使得電機系統在較長的工作時間后，仍然能保證穩定的工作狀態，提升了整個電機系統的工作效率。

　　2.3變頻電機中存在的問題

　　盡管機電一體化的出現，提升整個工作系統的工作效率，且在節能方面取得了突破性的進展，但到目前為止，其也還存在一些問題，需要業內不斷進行技術突破，使得變頻電機能在工業上以及家用電器運用上取得更大的進展。

　　變頻電機工作中的問題主要體現在以下幾個方面，不同頻率的電磁波造成電機系統能源損耗，不同的頻率的電磁波對變頻器的轉子進行切割，其損耗不同于傳統的電機，能量損耗要遠遠高于同一頻率傳統電機。

　　在絕緣方面存在缺陷，對于整個電機工作系統來說，安全性是最重要的一點，而絕緣效果則是決定安全性最重要的因素，變頻電機在絕緣技術上已經取得了重大的技術突破，但還存在的一定的缺陷，主要體現在載波頻率很高，在工作時產生了較高的熱量，對工作人員的身體產生較大的危害，若工廠為了保障工作人員的人身安全采取不合適的絕緣方法，則會在一定程度上加快電機系統的損壞速率，目前，兩者還不能實現一個完美的平衡，需要做進一步的技術研究。

　　靜音處理不夠完美，變頻機在靜音處理上已經取得了較大的成果，但還不能做到絕對靜音，由電磁機械造成的機械振動在目前還不能完全避免，尤其在系統產生共振時，會增加噪音的影響程度，這也需要做進一步的處理。

　　3.變頻電機的節能特點

　　3.1變頻技術在工業節能方面的應用

　　變頻技術的出現最大的優勢就在于其在節能方面取得了突破性的進展，使得整個電機系統的生產成本大大降低，提高了生產企業的經濟效益。

　　在工業中，電機系統工作的過程中大量使用的風扇、鼓風機和泵類等設備，這些設備的耗電量非常大，且生產企業的工作時間以及工作周期都比較長，因此，若采用傳統的加速電機以及減速電機進行調速，耗能量非常大，這也是每個生產企業想解決的問題。

　　變頻機的實現，使得電機的電磁波頻率可以在較大范圍里變化，從而實現電機系統的變速，達到較好的節能效果。

　　3.2變頻技術在家電中的節能應用

　　現在，家用電器也大多采用了變頻技術，其也在節能方面取得了突破性的進展，降低了每個家庭的耗電量。

　　變頻技術的出現，改變了以前家用電器因為長期處在短時重復狀態(開/停)，導致起動頻繁、噪聲大、電機壽命短、溫度穩定性差以及能耗高等一些列問題的狀態，擴大了家用電器壓縮機的工作范圍，不需要壓縮機長期處于運行狀態，就能保證家用電器的正常工作，大大降低了能耗，比如對于電冰箱來說，由于其長期處于全天工作狀態，能耗以及噪音問題都比較嚴重，但變頻技術的出現可以讓壓縮機不必長期處于運行狀態，從而減小甚至消除因壓縮機工作產生的噪音，當然，壓縮機這樣的工作狀態也降低了冰箱的能耗，節能效果明顯。

　　4.結語

　　綜上所述，變頻機電機機電一體化的出現是科技技術的一個重大發展，變頻技術改變了傳統電機的工作模式，提升了整個電機系統的工作效率。

　　另外，機電一體化技術的出現，在生產企業以及家用電器的節能上都取得了明顯的效果，這對整個行業的可持續發展有重要意義。

　　參考文獻：

　　[1] 中國電氣工程大典編輯委員會.中國電氣工程大典.第 9 卷.電氣工程.北京.中國電力出版社，2008：112-116.

　　[2] 于小利.變頻技術的發展趨勢及其應用[OL].中國自動化網論壇，2009：3-7.

　　多通道一體化變頻器總體設計與研究【2】

　　摘要：針對多通道變頻器的特點，提出了詳細的設計流程。

　　按照設計流程，分別對該設備的結構總體設計和詳細的模塊設計進行了論述。

　　設計的多通道變頻器具有以下特點：結構上支持盲拔插，共用時鐘模塊和電源模塊，也可以實現任意頻段的上下變頻組合，因此微波變頻設備趨向于小型化、集成化、通用化的方向發展。

　　關鍵詞：多通道變頻器; 微波變頻器; 總體設計; 上下變頻組合

　　0 引言

　　微毫米波變頻器廣泛應用于微波通信、雷達系統、遙測遙感、導航系統、偵察和電子對抗等領域，是現在通信系統的核心部分[1]。

　　隨著現代通信技術的飛速發展，對變頻設備提出了更高的要求，原來單一通道的變頻設備已經不能滿足通信行業發展的需要;有時一個系統需要多路變頻通道才能滿足需要，這就需要由多個變頻設備組成，因此會造成整個系統體積龐大、功耗增加、使用的器件、材料也會大大增加，造成了資源的大量浪費，成本也大大的提高，設備太多太大也不利于用戶在使用時移動、運輸和以后的維護;正因為如此就迫切需要研制一種集成有多個通道的變頻設備[2]，不僅體積小、功耗少，而且方便使用也便于日后維護。

　　基于此種思想設計了一種高可靠性的多通道一體化變頻器。

　　該變頻器共用一個機箱，內部的變頻模塊共用一個電源，共用一個時鐘模塊，共用一個主控模塊，并且每個變頻模塊相互獨立，互不影響，可以單獨工作和關閉;變頻模塊也支持盲拔插，可以隨時取出或更換，因此大大減小了設備的體積，節約了成本，也方便了用戶的使用和日后的維護。

　　1 設計流程

　　多通道一體化變頻器的總體設計主要包括總體結構設計和各個部分的詳細設計。

　　圖1為多通道一體化變頻器在結構方面的設計流程。

　　圖1 設計流程框圖

　　2 設計創新

　　2.1 總體設計

　　(1) 模塊的劃分

　　多通道一體化變頻器由機箱和內部模塊兩部分組裝而成。

　　按照電路的設計要求，內部的功能模塊設計成變頻通道模塊、主控板模塊、電源模塊、時鐘模塊、顯示模塊、鍵盤共六個獨立的模塊。

　　(2) 模塊的布局

　　根據模塊之間的連線關系，把所有模塊在機箱內進行布局設計，要考慮到模塊之間的電磁兼容，避免模塊之間的電磁干擾，力爭模塊的布局合理，便于安裝和調試，也便于日后的維護。

　　圖2為多通道通用變頻器內部結構布局示意圖。

　　圖2 多通道通用變頻器內部結構布局示意圖

　　(3) 模塊及總體尺寸

　　根據電路的設計，綜合考慮安裝、拆卸、調試和維護的方便性、實用性、抗沖擊強度、散熱性能、電磁屏蔽、模塊的高度和接插件的位置等因素，通過計算初步確定機箱的外形尺寸不大于500 mm(長)×390(寬)×140 mm(高)，因此選用了常用的3U機箱，機箱深度確定為483 mm，寬度為380 mm，高度為134 mm。

　　2.2 詳細模塊設計

　　本機設計的是6路變頻單元共用一個機箱，每個變頻模塊在結構上支持盲拔插，可以從機箱的前面板直接取出更換。

　　多通道通用變頻器的整機結構主要分為六個部分：前面板設計、后面板設計、變頻通道模塊設計、晶振模塊設計、電源模塊設計和控制模塊設計。

　　(1) 機箱的前面板設計

　　前面板主要有VFD顯示屏和鍵盤，用以顯示及控制操作，電源開關用來控制斷電上電，另外變頻模塊可以從前面板取出和放入，因此設計時就要把六個通道在前面板的所需尺寸設計出來，根據通道在前面板的尺寸、VFD顯示屏尺寸和鍵盤的尺寸設計前面板的布局，其布局結構如圖3所示。

　　(2) 機箱的后面板設計

　　后面板作為射頻和中頻的輸入、輸出端，其端口的轉接頭采用常用的SMA接頭，通用性比較強;電源輸入端口采用航空接插件，所有的進線全在根部有固定夾具，插針和插孔都是用質量很好的磷銅片做成的大面積接觸的方式并有準確的定(對位)裝置，插頭和插座全有鎖扣裝置，可在劇烈的振動中確保不會脫離并接觸可靠，外殼材質采用鎂鋁合金，堅固耐用;后面板上還有接地柱，保險管，RJ45網口，RS 485/232數據線串口和用于散熱的風扇，保險管用來限制因電流過大而損壞設備，RJ45網口用來電腦實行遠程控制而RS 485/232數據線串口用來上位機控制。

　　根據內部的射頻線布局、電源線、串口線和網口線的連接，再經過合理的布局，其后面板布局結構如圖4所示。

　　(3) 變頻通道模塊設計

　　變頻模塊在結構上支持盲拔插，因此在設計時采用滑軌技術[3]，在模塊的底端專門設計了直線導軌，同時也設計了相應導軌的軌槽，軌槽固定在機箱的底板上，這樣當變頻模塊插入機箱時，模塊底端的滑軌就沿著對應的軌槽滑入機箱，就可以把變頻模塊正確地放入到機箱，但是為了保證變頻模塊后端的DB9接口和SMA接口能和機箱內部的轉接板精確對接并且很好的固定，所以在變頻模塊的后端設置了定位銷，用來精確定位和固定變頻模塊。

　　在變頻通道的前面板設計了螺釘安裝孔，根據需要可以將變頻模塊固定安裝在機箱內，也可以在需要更換時將螺釘去掉更換模塊，這樣既保證了變頻模塊的任意取出、放入和更換，也保證了設備的抗震抗沖擊性能。

　　變頻模塊的前面板設有電源開關、射頻檢測端口、中頻檢測端口;電源開關可以單獨控制模塊的供電和斷電，增加了模塊的獨立使用性能，當需要使用某一變頻模塊時可以打開電源，其他變頻模塊的電源是關斷的(當需要時再打開其電源)，這樣可以大大降低設備的功耗，節約了能源，增加了設備的通用性，也增加了設備的使用壽命;射頻檢測端口用來檢測外部輸入的射頻信號是否正確，而中頻檢測端口用來檢測變頻后輸出的中頻信號是否是需要的中頻信號。

　　變頻模塊的后端設有射頻輸入端口、中頻輸出端口、參考輸入端口和RS 485/232數據線串口;射頻輸入端口用來連接外部的輸入信號，中頻輸出端口是輸出經變頻后所需要的中頻信號，參考輸入端口用連接時鐘模塊的輸出信號，RS 485/232數據線串口用來連接主控板，對變頻模塊實行本控或遠控。

　　因為變頻模塊內部有本振模塊和自檢信號源模塊，所以內部本振模塊和自檢信號源采用單獨的腔體式結構，可以起到良好的屏蔽與隔離作用[4]，防止相互之間的干擾。

　　(4) 時鐘模塊設計

　　時鐘模塊用來給各個通道模塊中的本振模塊和自檢信號源模塊提供基準信號。

　　時鐘模塊的信號是由內部的恒溫晶體振蕩器提供高穩定度和高精確度的時鐘信號，然后再經過時鐘模塊內部的功分電路，將時鐘信號分成六路等相位、等增益的時鐘信號，然后輸出給本振信號作為基準信號。

　　(5) 電源模塊設計

　　電源模塊是將220 V的交流電轉化為所需要的+12 V供電，本設備所有需要供電的模塊，都共用一個電源供電，當所有通道都工作時，電源輸出的電流比較大，這就會造成電源負荷很大，發熱嚴重，因此要做好散熱工作;為了保證設備供電的穩定性該電源模塊采用熱備份，備份一個額外的電源，當一個電源出現問題不工作時。

　　另一個電源會迅速進入工作模式，保證設備的正常運作;電源是采用外購的電源模塊，因此要求廠家設計和生產的電源模塊必須有很低的電源紋波[5]，這樣才能保證在調試電路時不會因為電源自身的紋波過大[6]，而給電路帶來很大的不確定性影響，另外電源設計的額定電流應該留足夠的的余量，防止因為調試電路時需要添加一些有源電路而導致電流增大。

　　(6) 控制模塊設計

　　控制模塊主要是用來控制通道的衰減、增益、通道的識別、選擇和本振模塊等，本設備的控制模塊分為兩部分：一部分是中央控制模塊(或稱中央處理器)，另一部分是通道內部的控制模塊(內部主控板)[7];上位機可以通過RJ45網口或DB9的串口來控制外部主控板，再通過外部主控板來控制通道模塊，上位機也可以通過每個通道單獨引出的DB9串口單獨控制通道內部的主控板來單獨控制通道模塊。

　　3.3 系統控制設計

　　本系統主要是由六個變頻模塊和一個主控單元(包括顯示屏和鍵盤)構成，其中變頻模塊內部也有一個獨立的主控電路(也能對本通道進行單獨控制)。

　　系統的控制方式分為兩種：本地控制和遙控。

　　本地控制是根據需要通過鍵盤來設置參數，向主控板發送命令，控制需要控制的通道;遙控方式分為兩種：

　　(1) 主控單元接收上位機的遙控命令，控制相應的變頻模塊。

　　(2) 各個變頻模塊可單獨接收上位機的遙控命令，來進行控制該通道。

　　系統控制框圖如圖5所示。

　　4 系統可靠性設計

　　在總體設計上，主要采取以下幾個方面提高整機系統的可靠性：

　　(1) 設備內部采用模塊化設計，每個模塊都是獨立的單元，可以單獨拆卸和安裝，這樣設計便于日后的維護;模塊與模塊之間的連接都采用50 Ω的剛性電纜連接，模塊的控制接口和電源接口都采用帶鎖扣的接插件，這樣設計可以防止因為振動試驗或運輸過程中的猛烈沖擊而造成的接口松動或接觸不良給設備的使用造成不穩定。

　　(2) 模塊內部的電路使用的元器件都采用高品質的元器件，器件的安裝采用表貼工藝技術，集成度高，功耗也低，可以提高模塊的穩定性和可靠性。

　　(3) 在電路設計上，采用經過實踐驗證的、比較成熟的電路，保證模塊在電路上不存在問題，在進行電路板設計時要充分考慮電磁兼容性問題[8]，保證設備本身盡量不受電磁干擾，同時也盡可能地減少該設備對外界其他設備的電磁干擾;模塊采用金屬外殼屏蔽接地[9]，內部電路采用高低頻分離，高頻電路采用屏蔽盒屏蔽，在電源的輸入端和輸出端都要加濾波，來濾除電源紋波到來的干擾。

　　(4) 電源采用浪涌保護電路，防止因雷擊給設備造成損壞。

　　5 結語

　　本文詳細地闡述了多通道一體化變頻器的總體設計方案，通過該設計方案，可以看到多通道變頻器在應用方面的實用性，每個通道模塊都是獨立的變頻模塊，可以根據需要開啟使用或關閉，并且互不影響，因此不用的變頻模塊關閉電源，不僅大大節約了電力資源也提高了設備的使用壽命;多個變頻通道共用一個機箱、一個時鐘模塊、一個電源模塊和一個控制模塊，這樣原來要用多個機箱、多個電源模塊、時鐘模塊和控制模塊的設備現在集成到了一個機箱。

　　因此大大縮小了機箱的體積，也大大節約了成本;每個變頻模塊支持盲拔插，可以根據需要隨時更換變頻模塊，并且適合任意頻段的上下變頻組合，增加了設備的通用性和實用性，也便于日后的維護。

　　多通道變頻設備使微波變頻設備走向了小型化、集成化和通用化[10]，設備的可靠性高并且日后的維修也很方便，因此多通道一體化變頻器具有很好的發展前景。

　　參考文獻

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　　[6] 姚曉平.電源紋波的產生、測量和抑制[J].電源世界，2009(11)：40?43.

　　[7] 陳志雷.PCI多通道采集與數字下變頻模塊設計[D].成都：電子科技大學，2013.

　　[8] 趙家升，楊顯清，楊德強.電磁兼容原理與技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

　　[9] 陳煒烽，劉偉蓮，周香.電磁兼容及其測試技術[J].電子測量技術，2008(1)：101?104.