变频器电机机电一体化的特点

时间：2022-10-07 21:35:32 机电一体化毕业论文我要投稿

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变频器电机机电一体化的特点

　　变频器电机机电一体化的特点【1】

变频器电机机电一体化的特点

　　摘要：近年来，随着我国科学技术的发展，电子技术也已经取得了突飞猛进的成果。

　　其中，变频器与电机一体化技术的实现，给我国电子工业以及家用电器生产都带来了极大的便利。

　　对居民来说，变频器与电机一体化在家用电器的运用，节省了空间，提高了家庭生活质量。

　　本文主要介绍了变频器电机一体化的特点，并就变频技术在工业以及家用电器中的节能运用做了详细介绍，供同行参考。

　　关键词：变频调速电机; 变频器;一体化

　　科学技术的不断进步，使得变频技术不断取得新的成果，现在已经具备节省空间、功率范围扩大、功能多样化等特点。

　　变频器与电机一体化是变频技术的一项重大突破，减少了电器在使用过程中的各种附加损耗，同时降低了制造成本，提高了企业的经济效益，因此，已经被广泛运用于工业以及家用电器的制造中。

　　1.变频器对电机性能的影响

　　所谓变频器，即在工厂生产设备以及各种家用电机的变频调速系统中，作为供电电源，为整个电机提供动力的装置。

　　近年来，变频技术已经取得了重大的突破，已经实现了变频、电机的机电一体化。

　　在电机是整个变频调速系统中，电频起到了不可替代的作用，且对电机的性能产生很大的影响。

　　作为电机调速系统的供电电源，供电系统中会产生很高的高次谐波分量，这些能量对对电路中的谐波磁势和电路中的谐波电流都会产生较大影响，这些影响最大的副作用是会导致电机的供电系统中的电动机的耗能增加，当然，产生机械能的一部分最终转化为人热能，使得整个工作系统的温度升高，时间一长，会在一定程度上影响电机工作系统的工作效率，甚至会出现整个系统工作不稳定的情况，且长期在高温下工作，电机系统的使用寿命会受到影响。

　　因此，如何利用好变频器，让其在电机变频调速系统中发挥最大的作用的同时对整个系统的影响最小成为业内研究的重点。

　　2.变频器电机一体化的特点

　　2.1变频器电机一体化的构造原理

　　在变频机没有出现之前，电机调速系统使用的传统的电机，其不能实现自动调速，电机系统的调速只能依靠不同的电机之间相互转换，电机类型主要包括加速电机、减速电机以及直流电机三种。

　　自动化程度低，工作效率低下，整个电机系统需要耗费大量的资源，且耗能比较大，不利于生产企业降低生产成本。

　　变频机机电一体化的出现可以说是在整个行业技术上的一个重大突破，在家用电器以及工业设备上的节能上起到了不可小觑的作用，已经给很多行业带来了便利，其既提高了整个电机系统的工作效率，又能节省很多能量。

　　主要体现在其让整个系统的工作越来越趋向于自动化，工厂可以因此节省很多人力物力资源，且机电一体化的实现，使得整个生系统的占地面积大为减少，节省生产成本，提升企业的经济效益，从而实现企业市场竞争力的提升。

　　因此，已经广泛被运用在各个行业中。

　　目前很多行业也一直在致力于变频器电机机电一体化的研究，希望在节能方面取得更大的进展。

　　其工作原理是使得电机的输出功率可以在较大范围里变化，从而实现电机的调速，变频电机的出现取代了传统的工作模式，大大提高了工厂的工作效率。

　　2.2变频电机的主要特点与内容

　　变频机发展到现在，使用的材料已经更新了几代，现在大多采用的是高分子绝缘材料，并且利用了真空压力来进行涂漆，真空压力涂漆有两个方面的优势，一方面真空压力涂漆，速度快，时间短，几乎把空气完全隔绝，增加了变频机在工作中的安全性。

　　另一方面，利用真空压力，使得其能长期保持崭新的状态，大大延长了整个系统的使用寿命，在一定程度上减少了系统的维修与更换费用，节省了工厂的生产成本。

　　变频机与传统的电机相比，除了拥有更高的安全性以外，还体现在内部零件更精密以及散热性能好两个方面，内部零件更精密，变频电机内部零件更精密可以说是其一大特点，其使得整个电机系统工作性能更稳定，也更高速，提高了工厂的生产效率。

　　散热性能好，在整个电机系统工作的过程中，机械能的一部分会转化为热能，使得电机系统是温度升高，从而影响其稳定工作，变频机的散热处理得非常好，现在，很多生产企业的变频机大多采用最先进的散热排风扇装置，这种排风装置不仅具有的很强的风力，能够及时为整个电机系统做好散热处理，且还做了静音处理，大大降低了整个生产区间的噪音，为工人提供了一个相对良好的工作环境，这也算是近年来变频机的另一个技术突破。

　　良好的散热处理使得电机系统在较长的工作时间后，仍然能保证稳定的工作状态，提升了整个电机系统的工作效率。

　　2.3变频电机中存在的问题

　　尽管机电一体化的出现，提升整个工作系统的工作效率，且在节能方面取得了突破性的进展，但到目前为止，其也还存在一些问题，需要业内不断进行技术突破，使得变频电机能在工业上以及家用电器运用上取得更大的进展。

　　变频电机工作中的问题主要体现在以下几个方面，不同频率的电磁波造成电机系统能源损耗，不同的频率的电磁波对变频器的转子进行切割，其损耗不同于传统的电机，能量损耗要远远高于同一频率传统电机。

　　在绝缘方面存在缺陷，对于整个电机工作系统来说，安全性是最重要的一点，而绝缘效果则是决定安全性最重要的因素，变频电机在绝缘技术上已经取得了重大的技术突破，但还存在的一定的缺陷，主要体现在载波频率很高，在工作时产生了较高的热量，对工作人员的身体产生较大的危害，若工厂为了保障工作人员的人身安全采取不合适的绝缘方法，则会在一定程度上加快电机系统的损坏速率，目前，两者还不能实现一个完美的平衡，需要做进一步的技术研究。

　　静音处理不够完美，变频机在静音处理上已经取得了较大的成果，但还不能做到绝对静音，由电磁机械造成的机械振动在目前还不能完全避免，尤其在系统产生共振时，会增加噪音的影响程度，这也需要做进一步的处理。

　　3.变频电机的节能特点

　　3.1变频技术在工业节能方面的应用

　　变频技术的出现最大的优势就在于其在节能方面取得了突破性的进展，使得整个电机系统的生产成本大大降低，提高了生产企业的经济效益。

　　在工业中，电机系统工作的过程中大量使用的风扇、鼓风机和泵类等设备，这些设备的耗电量非常大，且生产企业的工作时间以及工作周期都比较长，因此，若采用传统的加速电机以及减速电机进行调速，耗能量非常大，这也是每个生产企业想解决的问题。

　　变频机的实现，使得电机的电磁波频率可以在较大范围里变化，从而实现电机系统的变速，达到较好的节能效果。

　　3.2变频技术在家电中的节能应用

　　现在，家用电器也大多采用了变频技术，其也在节能方面取得了突破性的进展，降低了每个家庭的耗电量。

　　变频技术的出现，改变了以前家用电器因为长期处在短时重复状态(开/停)，导致起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一些列问题的状态，扩大了家用电器压缩机的工作范围，不需要压缩机长期处于运行状态，就能保证家用电器的正常工作，大大降低了能耗，比如对于电冰箱来说，由于其长期处于全天工作状态，能耗以及噪音问题都比较严重，但变频技术的出现可以让压缩机不必长期处于运行状态，从而减小甚至消除因压缩机工作产生的噪音，当然，压缩机这样的工作状态也降低了冰箱的能耗，节能效果明显。

　　4.结语

　　综上所述，变频机电机机电一体化的出现是科技技术的一个重大发展，变频技术改变了传统电机的工作模式，提升了整个电机系统的工作效率。

　　另外，机电一体化技术的出现，在生产企业以及家用电器的节能上都取得了明显的效果，这对整个行业的可持续发展有重要意义。

　　参考文献：

　　[1] 中国电气工程大典编辑委员会.中国电气工程大典.第 9 卷.电气工程.北京.中国电力出版社，2008：112-116.

　　[2] 于小利.变频技术的发展趋势及其应用[OL].中国自动化网论坛，2009：3-7.

　　多通道一体化变频器总体设计与研究【2】

　　摘要：针对多通道变频器的特点，提出了详细的设计流程。

　　按照设计流程，分别对该设备的结构总体设计和详细的模块设计进行了论述。

　　设计的多通道变频器具有以下特点：结构上支持盲拔插，共用时钟模块和电源模块，也可以实现任意频段的上下变频组合，因此微波变频设备趋向于小型化、集成化、通用化的方向发展。

　　关键词：多通道变频器; 微波变频器; 总体设计; 上下变频组合

　　0 引言

　　微毫米波变频器广泛应用于微波通信、雷达系统、遥测遥感、导航系统、侦察和电子对抗等领域，是现在通信系统的核心部分[1]。

　　随着现代通信技术的飞速发展，对变频设备提出了更高的要求，原来单一通道的变频设备已经不能满足通信行业发展的需要;有时一个系统需要多路变频通道才能满足需要，这就需要由多个变频设备组成，因此会造成整个系统体积庞大、功耗增加、使用的器件、材料也会大大增加，造成了资源的大量浪费，成本也大大的提高，设备太多太大也不利于用户在使用时移动、运输和以后的维护;正因为如此就迫切需要研制一种集成有多个通道的变频设备[2]，不仅体积小、功耗少，而且方便使用也便于日后维护。

　　基于此种思想设计了一种高可靠性的多通道一体化变频器。

　　该变频器共用一个机箱，内部的变频模块共用一个电源，共用一个时钟模块，共用一个主控模块，并且每个变频模块相互独立，互不影响，可以单独工作和关闭;变频模块也支持盲拔插，可以随时取出或更换，因此大大减小了设备的体积，节约了成本，也方便了用户的使用和日后的维护。

　　1 设计流程

　　多通道一体化变频器的总体设计主要包括总体结构设计和各个部分的详细设计。

　　图1为多通道一体化变频器在结构方面的设计流程。

　　图1 设计流程框图

　　2 设计创新

　　2.1 总体设计

　　(1) 模块的划分

　　多通道一体化变频器由机箱和内部模块两部分组装而成。

　　按照电路的设计要求，内部的功能模块设计成变频通道模块、主控板模块、电源模块、时钟模块、显示模块、键盘共六个独立的模块。

　　(2) 模块的布局

　　根据模块之间的连线关系，把所有模块在机箱内进行布局设计，要考虑到模块之间的电磁兼容，避免模块之间的电磁干扰，力争模块的布局合理，便于安装和调试，也便于日后的维护。

　　图2为多通道通用变频器内部结构布局示意图。

　　图2 多通道通用变频器内部结构布局示意图

　　(3) 模块及总体尺寸

　　根据电路的设计，综合考虑安装、拆卸、调试和维护的方便性、实用性、抗冲击强度、散热性能、电磁屏蔽、模块的高度和接插件的位置等因素，通过计算初步确定机箱的外形尺寸不大于500 mm(长)×390(宽)×140 mm(高)，因此选用了常用的3U机箱，机箱深度确定为483 mm，宽度为380 mm，高度为134 mm。

　　2.2 详细模块设计

　　本机设计的是6路变频单元共用一个机箱，每个变频模块在结构上支持盲拔插，可以从机箱的前面板直接取出更换。

　　多通道通用变频器的整机结构主要分为六个部分：前面板设计、后面板设计、变频通道模块设计、晶振模块设计、电源模块设计和控制模块设计。

　　(1) 机箱的前面板设计

　　前面板主要有VFD显示屏和键盘，用以显示及控制操作，电源开关用来控制断电上电，另外变频模块可以从前面板取出和放入，因此设计时就要把六个通道在前面板的所需尺寸设计出来，根据通道在前面板的尺寸、VFD显示屏尺寸和键盘的尺寸设计前面板的布局，其布局结构如图3所示。

　　(2) 机箱的后面板设计

　　后面板作为射频和中频的输入、输出端，其端口的转接头采用常用的SMA接头，通用性比较强;电源输入端口采用航空接插件，所有的进线全在根部有固定夹具，插针和插孔都是用质量很好的磷铜片做成的大面积接触的方式并有准确的定(对位)装置，插头和插座全有锁扣装置，可在剧烈的振动中确保不会脱离并接触可靠，外壳材质采用镁铝合金，坚固耐用;后面板上还有接地柱，保险管，RJ45网口，RS 485/232数据线串口和用于散热的风扇，保险管用来限制因电流过大而损坏设备，RJ45网口用来电脑实行远程控制而RS 485/232数据线串口用来上位机控制。

　　根据内部的射频线布局、电源线、串口线和网口线的连接，再经过合理的布局，其后面板布局结构如图4所示。

　　(3) 变频通道模块设计

　　变频模块在结构上支持盲拔插，因此在设计时采用滑轨技术[3]，在模块的底端专门设计了直线导轨，同时也设计了相应导轨的轨槽，轨槽固定在机箱的底板上，这样当变频模块插入机箱时，模块底端的滑轨就沿着对应的轨槽滑入机箱，就可以把变频模块正确地放入到机箱，但是为了保证变频模块后端的DB9接口和SMA接口能和机箱内部的转接板精确对接并且很好的固定，所以在变频模块的后端设置了定位销，用来精确定位和固定变频模块。

　　在变频通道的前面板设计了螺钉安装孔，根据需要可以将变频模块固定安装在机箱内，也可以在需要更换时将螺钉去掉更换模块，这样既保证了变频模块的任意取出、放入和更换，也保证了设备的抗震抗冲击性能。

　　变频模块的前面板设有电源开关、射频检测端口、中频检测端口;电源开关可以单独控制模块的供电和断电，增加了模块的独立使用性能，当需要使用某一变频模块时可以打开电源，其他变频模块的电源是关断的(当需要时再打开其电源)，这样可以大大降低设备的功耗，节约了能源，增加了设备的通用性，也增加了设备的使用寿命;射频检测端口用来检测外部输入的射频信号是否正确，而中频检测端口用来检测变频后输出的中频信号是否是需要的中频信号。

　　变频模块的后端设有射频输入端口、中频输出端口、参考输入端口和RS 485/232数据线串口;射频输入端口用来连接外部的输入信号，中频输出端口是输出经变频后所需要的中频信号，参考输入端口用连接时钟模块的输出信号，RS 485/232数据线串口用来连接主控板，对变频模块实行本控或远控。

　　因为变频模块内部有本振模块和自检信号源模块，所以内部本振模块和自检信号源采用单独的腔体式结构，可以起到良好的屏蔽与隔离作用[4]，防止相互之间的干扰。

　　(4) 时钟模块设计

　　时钟模块用来给各个通道模块中的本振模块和自检信号源模块提供基准信号。

　　时钟模块的信号是由内部的恒温晶体振荡器提供高稳定度和高精确度的时钟信号，然后再经过时钟模块内部的功分电路，将时钟信号分成六路等相位、等增益的时钟信号，然后输出给本振信号作为基准信号。

　　(5) 电源模块设计

　　电源模块是将220 V的交流电转化为所需要的+12 V供电，本设备所有需要供电的模块，都共用一个电源供电，当所有通道都工作时，电源输出的电流比较大，这就会造成电源负荷很大，发热严重，因此要做好散热工作;为了保证设备供电的稳定性该电源模块采用热备份，备份一个额外的电源，当一个电源出现问题不工作时。

　　另一个电源会迅速进入工作模式，保证设备的正常运作;电源是采用外购的电源模块，因此要求厂家设计和生产的电源模块必须有很低的电源纹波[5]，这样才能保证在调试电路时不会因为电源自身的纹波过大[6]，而给电路带来很大的不确定性影响，另外电源设计的额定电流应该留足够的的余量，防止因为调试电路时需要添加一些有源电路而导致电流增大。

　　(6) 控制模块设计

　　控制模块主要是用来控制通道的衰减、增益、通道的识别、选择和本振模块等，本设备的控制模块分为两部分：一部分是中央控制模块(或称中央处理器)，另一部分是通道内部的控制模块(内部主控板)[7];上位机可以通过RJ45网口或DB9的串口来控制外部主控板，再通过外部主控板来控制通道模块，上位机也可以通过每个通道单独引出的DB9串口单独控制通道内部的主控板来单独控制通道模块。

　　3.3 系统控制设计

　　本系统主要是由六个变频模块和一个主控单元(包括显示屏和键盘)构成，其中变频模块内部也有一个独立的主控电路(也能对本通道进行单独控制)。

　　系统的控制方式分为两种：本地控制和遥控。

　　本地控制是根据需要通过键盘来设置参数，向主控板发送命令，控制需要控制的通道;遥控方式分为两种：

　　(1) 主控单元接收上位机的遥控命令，控制相应的变频模块。

　　(2) 各个变频模块可单独接收上位机的遥控命令，来进行控制该通道。

　　系统控制框图如图5所示。

　　4 系统可靠性设计

　　在总体设计上，主要采取以下几个方面提高整机系统的可靠性：

　　(1) 设备内部采用模块化设计，每个模块都是独立的单元，可以单独拆卸和安装，这样设计便于日后的维护;模块与模块之间的连接都采用50 Ω的刚性电缆连接，模块的控制接口和电源接口都采用带锁扣的接插件，这样设计可以防止因为振动试验或运输过程中的猛烈冲击而造成的接口松动或接触不良给设备的使用造成不稳定。

　　(2) 模块内部的电路使用的元器件都采用高品质的元器件，器件的安装采用表贴工艺技术，集成度高，功耗也低，可以提高模块的稳定性和可靠性。

　　(3) 在电路设计上，采用经过实践验证的、比较成熟的电路，保证模块在电路上不存在问题，在进行电路板设计时要充分考虑电磁兼容性问题[8]，保证设备本身尽量不受电磁干扰，同时也尽可能地减少该设备对外界其他设备的电磁干扰;模块采用金属外壳屏蔽接地[9]，内部电路采用高低频分离，高频电路采用屏蔽盒屏蔽，在电源的输入端和输出端都要加滤波，来滤除电源纹波到来的干扰。

　　(4) 电源采用浪涌保护电路，防止因雷击给设备造成损坏。

　　5 结语

　　本文详细地阐述了多通道一体化变频器的总体设计方案，通过该设计方案，可以看到多通道变频器在应用方面的实用性，每个通道模块都是独立的变频模块，可以根据需要开启使用或关闭，并且互不影响，因此不用的变频模块关闭电源，不仅大大节约了电力资源也提高了设备的使用寿命;多个变频通道共用一个机箱、一个时钟模块、一个电源模块和一个控制模块，这样原来要用多个机箱、多个电源模块、时钟模块和控制模块的设备现在集成到了一个机箱。

　　因此大大缩小了机箱的体积，也大大节约了成本;每个变频模块支持盲拔插，可以根据需要随时更换变频模块，并且适合任意频段的上下变频组合，增加了设备的通用性和实用性，也便于日后的维护。

　　多通道变频设备使微波变频设备走向了小型化、集成化和通用化[10]，设备的可靠性高并且日后的维修也很方便，因此多通道一体化变频器具有很好的发展前景。

　　参考文献

　　[1] 王培章，邵尉，余同彬.S波段上下变频器的设计[J].微波学报，2012(S2)：47?49.

　　[2] 郑志宽，何强，薛东方，等.基于数字下变频器件的雷达多通道中频接收机[J].探测与控制学报，2013(12)：23?27.

　　[3] 张雷，冯蕴雯，薛小峰，等.直滑轨式襟翼运动机构可靠性分析[J].机械科学与技术，2012(7)：67?69.

　　[4] 宋里瑾，海森，宋小勇.基于ADS的多通道下变频器仿真设计[J].遥测遥控，2011(2)：110?113.

　　[5] 程惠，任勇峰，王强.电源纹波的测量及抑制[J].电源技术，2012(12)：1899?1900.

　　[6] 姚晓平.电源纹波的产生、测量和抑制[J].电源世界，2009(11)：40?43.

　　[7] 陈志雷.PCI多通道采集与数字下变频模块设计[D].成都：电子科技大学，2013.

　　[8] 赵家升，杨显清，杨德强.电磁兼容原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

　　[9] 陈炜烽，刘伟莲，周香.电磁兼容及其测试技术[J].电子测量技术，2008(1)：101?104.