基本信息
书名：变频器应用技术
定价：23.00元
作者：郭艳萍
出版社：北京师范大学出版社
出版日期：2009-02-01
ISBN：9787303097494
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.322kg
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内容提要
《变频器应用技术》是高职电气自动化、机电一体化、制冷及数控技术专业的核心课程，通过本课程的学习，能够使学生掌握变频调速技术、PLC应用技术等多学科综合知识与基本技能，具备变频调速系统的设计、安装、调试、维护及设备改造的综合应用能力。
该教材以“加强应用、注重技能、培养能力”为宗旨，从技术应用、实操的角度分析讲解变频器的工作原理、变频器常用功能解析以及变频器的常见控制电路等，淡化了变频器的变频原理及控制方式等理论分析，重点培养学生使用、操作变频器，并通过对变频器常用参数的分析，使学生学会如何正确设置变频器的参数。同时，随着变频器的广泛应用，变频器与PLC相结合构成控制系统已经成为自动化领域中的典型代表，为此，该教材精心挑选了变频器与PLC相结合的典型控制案例，详细分析了系统组成、变频器参数设置以及PLC的编程等，有利于拓展学生的思路，培养他们的综合思维能力和工程应用能力，有利于学生由模仿到创新，循序渐进地提高技术应用能力。
本教材共5章。章介绍变频器的变频原理、构成及控制方式。第2章介绍三菱FR-A540变频器的面板、控制电路端子的分配和功能，重点介绍变频器的几种运行操作模式。第3章对变频器的频率给定、加减速功能、外接端子及控制功能、变频器内置PID控制、程序控制及工频运行切换功能、保护和显示功能等进行了详细分析。第4章对变频器常用继电器控制电路和PLC控制电路的组成、工作原理、程序设计、参数设置等进行了详细论述。第5章介绍了变频器的选择、安装、布线和抗干扰措施。
目录
作者介绍
文摘
序言
变频器应用技术：赋能工业自动化与能源优化 一、 变频器技术概览与发展脉络 变频器，作为现代工业自动化控制领域的核心设备之一，其技术核心在于通过改变供给电机的交流电的频率和电压，从而实现对电机转速的精确控制。这种精确控制能力，不仅极大地提升了生产设备的灵活性和效率，更在能源消耗方面带来了革命性的改变。 早期的电机驱动方式，如直接启动、星三角启动等，存在启动冲击大、转速固定、能耗高、对设备损耗大等弊端。变频器的出现，彻底打破了这一格局。其发展大致经历了以下几个阶段： 早期阶段（20世纪70年代前）： 主要以电磁调速电机为主，技术成熟度有限，调速范围窄，效率不高。 模拟控制阶段（20世纪70-80年代）： 出现了以模拟电路控制的变频器，能够实现一定范围内的调速，但精度和稳定性相对较差，抗干扰能力弱。 数字控制阶段（20世纪80年代至今）： 随着微处理器和数字信号处理（DSP）技术的发展，数字控制变频器逐渐取代模拟变频器，实现了更高的控制精度、更强的抗干扰能力以及更丰富的功能。特别是基于PWM（脉冲宽度调制）技术的矢量控制和直接转矩控制（DTC），使得变频器在动态响应、低速转矩输出等方面取得了突破性进展。 智能化与网络化阶段（21世纪至今）： 现代变频器不仅具备了强大的控制功能，更融入了智能化、网络化技术。集成了PLC、HMI功能，支持多种通信协议（如Modbus、Profinet、EtherNet/IP等），能够与其他自动化设备无缝集成，实现生产过程的全面监控与优化。同时，内置的故障诊断、自学习、能量管理等功能，进一步提升了系统的可靠性和经济性。 二、 变频器的工作原理与核心技术 理解变频器的应用，离不开对其工作原理的深入掌握。变频器通常由整流单元、中间直流单元和逆变单元构成。 1. 整流单元： 将输入的固定频率、固定电压的交流电（通常为三相或单相电网电）转换为脉动的直流电。常用的整流方式有半波整流、全波整流（桥式整流）等。 2. 中间直流单元： 主要由滤波电容和可能存在的制动单元组成。滤波电容的作用是滤除整流后的脉动直流电中的交流成分，使其变得平滑，为逆变单元提供稳定的直流电压。制动单元（包括制动电阻或制动单元）则用于在电机减速或负载能量回馈时，吸收或利用制动产生的能量，防止中间直流电压过高损坏设备。 3. 逆变单元： 这是变频器实现调速的核心部分。它利用开关器件（如IGBT、MOSFET等）的快速开关动作，将直流电重新转换为具有可变频率和可变电压的交流电，以驱动电动机。PWM技术是逆变单元中最关键的调制方式，通过控制开关器件的通断时间和顺序，产生一系列脉冲，这些脉冲经过滤波后，就形成了特定频率和电压的输出波形。 关键核心技术包括： PWM（脉冲宽度调制）技术： 决定了输出电压和频率的精确控制。不同的PWM策略（如正弦波PWM、空间矢量PWM等）会影响输出波形的质量、谐波含量以及开关损耗。 矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）： 是一种先进的电机控制算法，它将电机定子电流分解为转矩分量和磁场分量，分别进行独立控制，从而实现对电机转矩和磁场的精确控制。相比于传统的V/f（电压/频率）控制，矢量控制在低速、动态响应和高转矩输出方面有显著优势，尤其适用于对动态性能要求高的场合。 直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）： 另一种先进的电机控制策略，它直接对电机的磁链和转矩进行控制，无需复杂的坐标变换和电流采样，具有响应速度快、鲁棒性强等优点，在某些应用中甚至优于矢量控制。 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件： 变频器逆变单元的核心功率开关器件，其性能（如开关速度、耐压、导通压降等）直接影响变频器的效率、功率密度和可靠性。 散热技术： 功率器件在工作时会产生大量热量，高效的散热系统（如风冷、水冷）对于保证变频器长时间稳定运行至关重要。 三、 变频器的选型原则与安装注意事项 正确选型是变频器成功应用的基础，它需要综合考虑负载特性、电网环境、控制要求以及经济性等因素。 选型基本原则： 1. 功率选型： 额定功率： 根据负载的额定功率选择变频器。通常，变频器的额定功率应大于或等于负载电机的额定功率。 过载能力： 针对启动时转矩需求较大（如重载起动）、负载频繁变化或需要短时超载的应用，需要选择过载能力更强的变频器。变频器一般会标注其“标准负载”和“重载”的额定功率，应根据实际负载类型进行选择。 电机额定电流与变频器输出电流： 变频器的额定输出电流是选型的重要依据。确保变频器的额定输出电流能够满足所驱动电机在额定负载下的运行电流，并且留有一定余量。 2. 电压等级： 选择与电网电压相匹配的变频器。常见的工业应用电压有380V（三相）、220V（单相）等。 3. 控制方式： V/f控制： 适用于一般负载，如风机、水泵等，结构简单，成本较低。 矢量控制： 适用于对转矩、速度有较高要求的场合，如起重机、卷扬机、数控机床、印刷机械等。 DTC控制： 适用于对动态性能要求极高的场合。 4. 特殊功能需求： 制动功能： 如果负载需要频繁减速或制动，需要选择带有制动单元（内置或外置）的变频器。 通信功能： 如果需要与PLC、上位机等进行通信，应选择支持相应通信协议的变频器。 多段速/PLC功能： 对于一些工艺流程控制，变频器内置的多段速或简单PLC功能可能就足够。 防水防尘等级（IP等级）： 如果变频器安装环境恶劣（如潮湿、多尘），需要选择具备相应防护等级的型号。 5. 品牌与可靠性： 选择知名品牌，其产品质量、技术支持和售后服务通常更有保障。 安装注意事项： 环境要求： 变频器应安装在通风良好、干燥、无腐蚀性气体、无导电尘埃的场所。避免阳光直射和强电磁干扰。 安装位置： 垂直安装，确保散热翅片散热顺畅。避免与发热设备、振动源靠近。 布线： 动力电缆： 采用屏蔽电缆，并将屏蔽层在变频器端可靠接地。 控制电缆： 使用屏蔽线，并与动力电缆分开敷设，避免干扰。 接地： 变频器外壳、电机外壳、电缆屏蔽层应进行可靠接地，接地电阻应符合要求。 进线滤波器/电抗器： 根据电网质量和变频器要求，可能需要加装进线电抗器或滤波器，以抑制谐波和提高功率因数。 散热： 确保变频器进出风口畅通无阻，留有足够的空间。如果多台变频器并列安装，应加大间隔距离，保证充分散热。 电磁兼容性（EMC）： 遵循EMC设计原则，采用屏蔽、滤波、合理布线等措施，降低变频器对周围设备的影响，同时也减少外部干扰对变频器本身的影响。 操作与维护： 确保操作面板易于触及，方便日常操作和参数设置。 四、 变频器的典型应用领域与行业实例 变频器的应用范围极其广泛，几乎渗透到所有工业领域，深刻地改变了传统工业的生产模式，提升了效率，降低了能耗。 1. 通用机械领域： 风机与水泵（HVAC）： 这是变频器最常见的应用之一。通过改变风机、水泵的转速，可以根据实际需求调节风量、水量，实现节能。例如，在中央空调系统中，变频器可以根据室内温度需求，自动调节风机盘管的风量和冷热水泵的流量，显著降低能耗。 空压机： 变频空压机可以根据用气量自动调整电机转速，避免传统定频空压机频繁启停造成的能耗浪费和冲击。 传送带与输送系统： 在物料搬运、装配生产线上，变频器可以实现传送带速度的平滑调节，满足不同生产环节的需求，提高生产效率和产品质量。 2. 起重与冶金行业： 起重机： 变频器使得起重机的起升、行走、回转等动作更加平稳、精确，避免了传统接触器控制带来的冲击和抖动，提高了作业安全性，并能实现微速运行，方便精确就位。 轧机： 在钢铁、铝材等冶金行业，变频器用于控制轧辊的速度，实现精确的轧制厚度和张力控制，提高产品质量。 3. 化工与制药行业： 搅拌器与反应釜： 变频器可以根据工艺要求，精确控制搅拌速度，影响化学反应速率和产品均匀性。 泵类设备： 化工过程中涉及大量的液体输送，变频器可以根据压力、流量等参数，对输送泵进行调速控制，实现精确的工艺流程控制和节能。 4. 纺织与印染行业： 络筒机、织布机： 变频器可以实现卷绕速度的精确控制，保证纱线的均匀卷绕，提高织物品质。 染缸： 染缸需要精确控制温度和搅拌速度，变频器能够满足这些动态和精确控制的要求。 5. 造纸与印刷行业： 造纸机： 造纸机是一个复杂的系统，变频器用于控制各个工段的速度同步，保证纸张的平稳生产。 印刷机： 变频器用于控制印刷机的进给速度、油墨供给速度等，实现高精度、高速度的印刷。 6. 地铁与轨道交通： 牵引系统： 现代地铁列车广泛采用变频调速技术，实现平稳的启动、加速、减速和制动，提高乘客的乘坐舒适度，同时实现能量再生，提高能源利用效率。 7. 节能改造项目： 在众多老旧工业设备上进行变频改造，是实现企业节能降耗、提升经济效益的重要手段。例如，对工厂中大量使用的电机进行变频改造，仅是提高电能利用效率，就能带来显著的经济效益。 五、 变频器的维护与故障排除 变频器虽然技术先进，但在实际应用中仍需要定期的维护和必要的故障排除。 日常维护： 清洁： 定期清理变频器散热器上的灰尘，保持通风口的畅通。 检查： 检查接线是否牢固，有无松动、发热迹象。 观察： 关注变频器运行时的指示灯、显示屏，有无异常报警。 记录： 记录变频器的运行参数、报警信息，便于日后分析。 环境检查： 检查安装环境是否符合要求，有无异常。 常见故障及排除： 变频器过载（OC）： 原因： 负载过重、电机堵转、参数设置不当、电机损坏。 排除： 检查负载情况，减小负载；检查电机是否损坏；检查参数设置，尤其是过载报警和允许时间。 变频器过压（OV）/欠压（UV）： 原因： 电网电压不稳定、制动单元故障、滤波电容老化。 排除： 检查电网电压；检查制动单元工作状态；检查滤波电容。 变频器过热（OH）： 原因： 环境温度过高、散热不良、风扇故障、功率模块损坏。 排除： 改善通风环境；检查风扇是否正常工作；检查功率模块。 输出短路（SC）： 原因： 电机或电缆短路、逆变模块损坏。 排除： 检查电机及电缆绝缘；检查逆变模块。 接地故障（GF）： 原因： 电机对地绝缘降低、电缆对地绝缘降低。 排除： 检查电机和电缆的对地绝缘电阻。 高级故障诊断： 当出现复杂故障时，可能需要借助变频器自带的故障代码、诊断日志，甚至联系厂家技术支持进行深入分析。理解变频器内部的保护机制和故障等级，有助于快速定位问题。 结论： 变频器作为工业自动化和能源优化的关键技术，其应用深度和广度不断拓展。深入理解其工作原理、掌握选型与安装要点、熟练掌握应用技巧以及做好日常维护，是充分发挥变频器效能，推动工业现代化发展的必然要求。随着技术的不断进步，未来的变频器将更加智能化、集成化和绿色化，为实现可持续发展做出更大贡献。
我是一名在校的电气工程专业学生，正在为毕业设计准备课题，选定的是基于PLC的工厂自动化流水线控制系统。手头上已经有不少通用的PLC编程书籍，但总觉得少了点“工业味道”和“真实感”。直到我翻阅了这本《工业自动化系统集成与调试案例解析》，我才找到那种“对味了”的感觉。这本书的厉害之处在于，它几乎把一个中型自动化项目的生命周期都涵盖进去了。《系统集成》这一部分，它详细阐述了如何进行设备选型、现场总线（Profibus和EtherNet/IP）的组网策略，以及不同厂家设备间的兼容性处理，这部分内容是课堂上老师们一笔带过但实际工程中至关重要的地方。更让我赞叹的是“调试案例解析”，里面记录了十几个真实项目的调试日志，包括项目启动初期因时序错误导致的“死锁”问题，以及最终如何通过优化扫描周期和中断处理来提升系统稳定性的过程。读起来完全不像在看教材，更像是在跟随一位经验丰富的高级工程师，一步步深入生产车间解决难题。这种将理论与工程实践无缝对接的能力，是很多教科书望尘莫及的。