变频器基础及使用教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈山，朱莉，牛雪娟 著

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• 基础知识
• 应用实践

店铺： 墨林阁图书专营店

出版社： 化学工业出版社

ISBN：9787122166968

商品编码：29417796808

包装：平装

出版时间：2013-05-01

基本信息

书名：变频器基础及使用教程

定价：32.00元

作者：陈山,朱莉,牛雪娟

出版社：化学工业出版社

出版日期：2013-05-01

ISBN：9787122166968

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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　　本书对变频器的相关知识进行介绍，并给出了针对富士FRN2．2G11S—4CX为例的变频器实训参考。全书内容共分7章，包括电力电子器件、变频9S工作原理、变频外围配置及电磁干扰、变频器的选型、变频器维护与保养、通用变频9S操作实训及应用等。编写中文字叙述尽量做到深入浅出，循序渐进，便于读者自学。
　　本书可作为工程技术人员的入门读本，也可作为本科和高职院校电气自动化专业、机电一体化等相关专业的教材。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《工业自动化系统核心——变频器解析与应用实践》 一、 变频器在现代工业生产中的角色与重要性 在当今高度自动化和智能化的工业生产浪潮中，变频器（Variable Frequency Drive, VFD）已成为不可或缺的核心技术之一。它以其独特的电能转换和控制能力，深刻地改变了传统电机驱动方式，极大地提升了工业生产的效率、灵活性和节能水平。从精密制造到能源领域，从水泵、风机到起重设备，变频器几乎渗透到工业生产的每一个角落。 传统的电机驱动方式，特别是直接启动或使用电阻、电抗器等简单调速手段，往往存在启动冲击大、调速范围窄、能耗高、控制精度差等诸多弊端。这些问题不仅缩短了设备的使用寿命，增加了运行维护成本，更制约了生产工艺的优化和产品质量的提升。变频器的出现，彻底解决了这些难题。它能够精确控制电机输出的电压和频率，从而实现对电机转速的平滑、无级调节。这意味着，在不同的生产需求下，我们可以根据实际负载情况，为电机提供最适宜的运行状态，避免了“大马拉小车”的现象，显著降低了不必要的能源消耗。 更重要的是，变频器并非仅仅是简单的调速工具。它集成了一系列先进的控制算法和保护功能，使得电机运行更加稳定可靠。例如，它能够有效抑制电机启动时的浪涌电流，减少对电网和其他设备的冲击；在运行过程中，它能实时监测电机的电流、电压、温度等参数，一旦出现异常，能够及时采取措施，防止设备损坏。这些强大的功能，为实现工业生产的智能化、柔性化奠定了坚实的基础，使得生产过程更加安全、高效，并且易于维护。 变频器在提高生产效率方面也功不可没。通过精确的速度控制，我们可以对生产流程进行精细化管理，实现生产节程的优化匹配，提高生产线的整体throughput。例如，在包装生产线上，变频器可以根据包装物的大小和速度要求，动态调整传送带的速度，保证生产流程的顺畅衔接。在数控机床上，变频器对主轴电机的精确转速控制，直接关系到加工精度和表面质量。 此外，变频器在节能环保方面的贡献也日益凸显。据统计，在一些依赖大量电机运行的行业，如水处理、电力、冶金等，应用变频技术可实现15%至60%不等的节能效果。这不仅为企业节省了大量的运营成本，也为缓解日益严峻的能源危机、实现可持续发展目标做出了重要贡献。 因此，深入理解变频器的原理、结构、工作方式以及掌握其在不同工业场景下的应用技巧，对于每一位从事工业自动化、电气工程、机械制造等领域的专业人士而言，都具有极其重要的现实意义。这不仅是提升个人专业技能的必由之路，也是推动企业技术进步、提高市场竞争力的关键所在。 二、 变频器的工作原理深度解析 要深刻理解变频器如何实现对电机转速的精准控制，就必须深入剖析其内部精妙的工作原理。变频器本质上是一个能够将固定频率、固定电压的交流电转换为可变频率、可变电压的交流电的电力电子装置。这一转换过程通常包含三个主要环节：整流、直流环节（或称为中间环节）和逆变。 1. 整流环节：将交流电转换为脉动直流电。 变频器的输入端接入的是来自电网的工频交流电，例如50Hz或60Hz。整流环节的主要任务就是将这种交流电转换为直流电。最常用的方式是使用由二极管构成的不可控整流电路，或者由晶闸管（SCR）构成的可控整流电路。 不可控整流： 这种方式结构简单，成本较低。它将交流电的正负半周分别通过二极管桥式电路转换为单向的脉动直流电。输出的直流电压的平均值是固定的，但其脉动成分较大。 可控整流： 这种方式使用晶闸管作为换相元件。通过控制晶闸管的触发脉冲，可以调节输出直流电压的大小。这意味着，在整流环节，我们就可以对输出的直流电压进行一定程度的控制，这在某些特定的变频器设计中（例如，用于能量回馈的变频器）会显得尤为重要。 不论是哪种整流方式，输出的都是非纯净的直流电，其中含有较高的纹波。 2. 直流环节：滤波与平滑，为逆变提供稳定的直流源。 整流环节输出的脉动直流电，其纹波成分过高，无法直接用于驱动电机。因此，在直流环节，通常会加入一个滤波电路，最常见的是使用大容量的电解电容器。 滤波电容器： 电容器的作用是储存电荷，并在整流脉动直流电的低谷时期释放电荷，从而起到平滑作用，滤除直流电中的高频纹波，使其尽可能接近纯净的直流电。这样，就为后续的逆变环节提供了一个相对稳定、平滑的直流电压源。 储能电抗器（可选）： 有些变频器还会在直流环节串联一个电感（电抗器），它与电容器协同作用，进一步提高直流电压的平滑度，并有助于抑制电网侧的谐波。 制动单元（可选）： 当电机需要减速或停止时，其动能会转化为电能回馈给变频器。如果变频器设计没有能量回馈功能，这些能量就会储存在直流环节的电容器中，导致直流电压升高，可能损坏变频器。这时就需要制动单元，它包含一个制动电阻，可以将多余的能量以热能的形式耗散掉，从而保护变频器。 3. 逆变环节：将直流电转换为变频交流电。 逆变环节是变频器实现频率和电压控制的核心。它将直流环节提供的相对稳定的直流电，通过一系列的半导体开关器件（如IGBT、MOSFET等），按照预设的规律“斩断”成不同宽度、不同间隔的脉冲序列，然后再通过滤波或适当的控制策略，组合成具有所需频率和幅值的交流电输出给电机。 脉宽调制（PWM）： 这是目前最主流的逆变控制技术。通过改变脉冲的宽度来模拟不同幅值的交流电，通过改变脉冲的组合方式和周期来控制输出交流电的频率。PWM技术能够有效地降低输出交流电的谐波含量，使得输出电压波形更接近正弦波，从而实现对电机平滑、高效的驱动。 SPWM（正弦脉宽调制）： 是最常用的一种PWM调制方式，它通过将一个高频率的载波信号与一个低频率的正弦信号进行比较，产生控制脉冲。 输出滤波器（可选）： 有些变频器为了进一步提高输出波形的质量，减少对电机绝缘的冲击，会在逆变器输出端加装滤波器（如LC滤波器）。 总结而言， 变频器的工作原理就是一个“先变压后变频”的过程，即先将固定的交流电转换为可变的直流电（虽然整流出来的直流有纹波，但直流环节会进行平滑），然后再将这种可变的直流电转换为所需频率和电压的交流电。通过精确控制逆变环节的开关器件的导通和关断时序，变频器就能实现对电机输出电压和频率的独立控制，进而达到对电机转速的精确调控。 三、 变频器的主要类型与选型考量 变频器在技术发展过程中，不断涌现出各种类型，以满足不同应用场景的需求。了解这些类型及其特点，是正确选型和应用的基础。 1. 按控制方式分类： V/f（电压/频率）控制变频器： 这是最基础、最简单的控制方式。它通过保持电压与频率的比值恒定来实现对电机的软启动和调速。当频率降低时，电压也随之降低；当频率升高时，电压也随之升高。这种控制方式结构简单，成本较低，适用于要求不高、负载变化不大的场合，如普通风机、水泵等。然而，其动态性能较差，对负载变化反应不够灵敏，在重载或动态要求高的场合性能会受到限制。 矢量控制变频器（向量控制）： 这是目前应用最广泛、性能最先进的控制方式之一。矢量控制将电机三相定子电流分解为励磁分量和转矩分量，并对这两个分量进行独立控制。这种方式能够精确地控制电机的转矩，从而实现快速、平稳的调速，并能提供较高的启动转矩。矢量控制又可细分为： 无速度传感器矢量控制（磁通估计式矢量控制）： 这种方式不依赖于外部的速度传感器，而是通过检测电机的定子电流和电压，利用电机的数学模型估算出电机的转速和转矩。它简化了系统接线，降低了成本，适用于大多数工业应用，特别是对成本敏感的场合。 有速度传感器矢量控制（转速反馈式矢量控制）： 这种方式需要额外安装速度传感器（如编码器、测速发电机），将电机的实际转速反馈给变频器。由于有了实时的速度反馈，控制精度更高，动态响应更快，特别适用于对转速精度和动态响应要求极高的场合，如伺服系统、精确的位置控制等。 直接转矩控制（DTC）： DTC是另一种先进的控制技术，它直接控制电机的磁链和转矩，无需进行电流的解耦和坐标变换。DTC具有响应速度快、稳态精度高、抗干扰能力强等优点，但其控制算法相对复杂，对硬件要求较高。 2. 按功率器件分类： IGBT变频器： 目前主流的变频器普遍采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为功率开关器件。IGBT具有功率容量大、开关速度快、导通压降小等优点，能够满足大多数工业应用的需求。 MOSFET变频器： MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）适用于低功率、高频的场合，在一些小型变频器或特殊应用中可能见到。 3. 按应用场合分类： 通用型变频器： 适用于各种通用型负载，如风机、水泵、输送带等。 专用型变频器： 针对特定行业或负载设计的变频器，例如： 注塑机专用变频器： 针对注塑机液压系统特点进行优化，实现节能和精确控制。 纺织机专用变频器： 满足纺织机械对多电机同步控制、张力控制等特殊需求。 电梯专用变频器： 针对电梯运行特性，提供平稳、高效、安全的升降控制。 起重机专用变频器： 具备重载、频繁启停、精确制动等功能。 变频器选型时的关键考量因素： 电机功率与额定参数： 这是最基本的选型依据。变频器的额定输出功率必须大于或等于被驱动电机的额定功率。同时，需要关注电机的额定电压、额定电流、功率因数等参数。 负载特性： 负载的类型（恒转矩、风机/水泵型、重载等）决定了变频器的控制方式和性能要求。例如，风机和水泵负载的转矩与转速的平方成正比，适合采用V/f控制；而卷取、挤出等恒转矩负载则更适合采用矢量控制。 运行环境： 工作环境的温度、湿度、海拔高度、尘埃污染、电磁干扰等都会影响变频器的正常工作，需要根据实际情况选择具有相应防护等级（IP防护等级）、宽温设计或特殊散热方式的变频器。 控制精度与动态响应要求： 根据工艺流程对电机转速、转矩、位置等控制精度的要求，选择合适的控制方式（V/f、矢量控制、DTC等）和是否需要编码器反馈。 电源条件： 输入电源的电压、频率、稳定性以及电网容量都会影响变频器的选型。例如，在电网容量不足或存在较多谐波的场合，可能需要选择具有谐波抑制功能或配备滤波器/电抗器的变频器。 保护与扩展功能： 考虑变频器是否集成了足够的电机保护功能（过载、过压、欠压、过温、短路、接地等），以及是否支持通信接口（如RS485、Modbus、Profibus等）以实现上位机监控和PLC集成，是否支持多功能端子、模拟量输入/输出等扩展功能。 品牌与可靠性： 选择知名品牌、质量可靠的变频器，可以确保设备的长久稳定运行，并获得良好的售后服务支持。 经济性： 在满足性能要求的前提下，综合考虑变频器的购买成本、安装成本、运行成本（能耗）以及维护成本，选择性价比最高的方案。 四、 变频器在工业生产中的典型应用场景 变频器的通用性和高效性，使其在众多工业领域发挥着不可替代的作用。深入了解其在不同场景下的应用，有助于我们更好地发掘其价值。 1. 通用机械驱动： 风机与水泵： 这是变频器最广泛的应用领域之一。在中央空调系统、供水系统、污水处理厂、消防系统等，通过变频器调节风机和水泵的转速，可以根据实际需求精确控制风量和流量，实现大幅节能。例如，传统的水泵往往采用“开停”或“阀门节流”方式，能耗巨大且控制精度不高。变频器则可以通过改变转速来直接调节流量，节能效果可达30%以上。 输送带与包装机械： 在物流、食品、烟草等行业，输送带的速度往往需要根据生产节奏进行调整。变频器能够实现输送带的平滑启停和无级调速，保证生产流程的顺畅。在包装机上，变频器可以精确控制各部分的运动速度，协调完成包装、封口、贴标等一系列动作。 压缩机： 螺杆式、离心式压缩机的运行负荷波动较大。应用变频器后，可以根据实际气体需求的压力和流量，动态调节压缩机的转速，避免“大马拉小车”，显著降低能耗。 2. 起重与冶金行业： 起重机： 起重机的起升、运行、回转等机构的运动速度控制要求严格。变频器能够实现重载、高精度、平稳的起升和下降，避免了冲击；对于运行机构，可以实现平滑的启动和停止，提高装卸效率和安全性。尤其在冶金行业，起重机频繁起停，对变频器的动态响应和过载能力要求极高。 轧机、卷取机： 在钢铁、造纸、塑料薄膜等行业，轧机和卷取机的速度、张力控制是关键。变频器结合矢量控制技术，能够实现精确的张力控制和速度同步，保证产品质量。 3. 化工与制药行业： 搅拌器、反应釜： 化工和制药过程中，搅拌器的转速直接影响混合效果、反应速率和产品质量。变频器可以根据工艺要求，精确调节搅拌速度，甚至实现程序控制的转速变化。 离心机、泵： 在分离、输送过程中，变频器能够实现对离心机和各种泵类设备的精确调速，提高分离效率，优化物料输送。 4. 石油、天然气及矿业： 钻井设备： 钻井过程需要复杂的速度和扭矩控制，变频器能够提供强大的动力输出和精准的控制，提高钻井效率和安全性。 矿山提升机： 矿井的提升机需要强大的动力和精确的制动控制，变频器能够满足这些严苛的要求。 泵站与管道输送： 在石油、天然气输送系统中，变频器用于调节泵的转速，以满足输送压力和流量的要求，并实现节能。 5. 新能源领域： 风力发电： 在风力发电机组中，变频器扮演着关键角色，它将风力发电机产生的低频交流电转换成符合电网要求的电能，并能根据风速变化优化发电效率。 太阳能发电： 在一些大型太阳能电站中，变频器用于将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电并入电网。 6. 其他特殊应用： 数控机床： 主轴电机的精确转速控制是数控机床的核心之一，变频器能够提供高精度、宽范围的转速调节，保证加工精度。 印刷设备： 印刷过程涉及多组滚筒的同步、调速，变频器能够实现复杂的同步控制，保证印刷质量。 电梯： 高品质的电梯运行需要平稳、舒适的加速和减速，变频器能够提供这种优异的乘坐体验。 总而言之， 变频器作为工业自动化领域的“心脏”，其应用范围之广、重要性之高，是毋庸置疑的。在现代工业升级转型的大背景下，深入理解和掌握变频器的原理、选型和应用，对于提升设备性能、优化生产工艺、实现节能降耗、提高经济效益，都具有极其重要的价值。

评分☆☆☆☆☆

我一直对工业自动化设备的内部构造和工作原理感到非常好奇，尤其是那些能够精确控制电机速度的神秘装置。偶然间，我发现了这本书，然后就被它深深地吸引住了。它仿佛带我进入了一个充满逻辑和智慧的世界，让我看到了变频器是如何通过巧妙的电子线路和精密的算法，将交流电转化为可以灵活调控的能量。书中对功率器件（如IGBT）的工作特性、驱动电路的设计以及散热对变频器性能的影响，都进行了细致的讲解。我尤其对其中关于软启动和软停止的章节印象深刻，它用通俗易懂的语言解释了这两个功能如何减少电机的启动冲击和停止时的机械应力，从而延长设备的使用寿命。这本书还展示了变频器在各种工业设备中的实际应用，比如在起重机、传送带、数控机床等场合，让我感受到了科技的力量如何改变着我们的生产和生活。这本书不仅满足了我的求知欲，更点燃了我对自动化技术的进一步探索热情。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对自动化领域充满好奇的在校学生，一直想深入了解工业控制的核心设备之一——变频器。通过朋友的推荐，我找到了这本书，读完之后，我只能说，它的内容深度和广度都远超我的预期。它不仅覆盖了变频器的基本概念，还详细阐述了各种控制模式的数学模型和算法原理，这对于我理解变频器背后的“黑箱”运作至关重要。书中对电机的电磁特性、机械特性与变频器控制之间的相互作用进行了深入的剖析，让我对如何根据具体负载选择合适的变频器和优化控制参数有了更清晰的认识。此外，它还涉及了变频器在不同工业场景下的应用案例，从简单的风机水泵控制，到复杂的伺服系统集成，都给出了具体的解决方案和注意事项。书中提及的故障诊断和排除方法也非常实用，详细列举了各种常见的故障现象及其可能的原因和对应的处理步骤，这对于未来进入实际工作环境的我来说，无疑是一笔宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

我是一名产品研发工程师，工作中经常需要与变频器打交道，但之前主要依赖于供应商提供的技术文档和一些零散的培训资料。这本书的出现，为我提供了一个系统而全面的学习平台。它不仅清晰地梳理了变频器的发展历程和技术演进，更重要的是，它深入探讨了变频器在不同应用场景下的设计考量和优化策略。书中关于变频器电磁兼容性（EMC）设计的部分，让我对如何减少变频器产生的电磁干扰，以及如何提高系统的抗干扰能力有了更深刻的理解。此外，它还详细介绍了变频器的可靠性设计和寿命预测方法，这对于我在产品设计阶段评估变频器的选型和寿命具有指导意义。我特别欣赏书中关于变频器安全性防护的设计理念，包括过压、欠压、过温、短路等各种保护功能的实现机制，以及如何通过合理的系统设计来确保人身和设备安全。总而言之，这本书是一本兼具理论深度和工程实用性的佳作，为我提供了宝贵的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书我本来是抱着试试看的心态入手的，毕竟变频器这玩意儿听起来就挺专业的，想着能不能稍微入门了解一下。翻开第一页，就被里面细致的图文给吸引了。它不是那种枯燥的理论堆砌，而是通过一个个生动的案例，把变频器的基本原理给讲透了。我记得有一章讲的是变频器是如何控制电机转速的，里面用了好多比喻，什么“水龙头”啊、“油门”啊，一下子就感觉没那么抽象了。而且，它还深入浅出地介绍了不同类型的变频器，比如V/f控制、矢量控制，还解释了它们各自的优缺点以及适合的应用场景。最让我惊喜的是，这本书还附带了很多实际操作的步骤，配有详细的图示，简直就像有个老师在你旁边手把手教你一样。我按照书上的指导，在家里接线、设置参数，虽然一开始有点磕磕绊绊，但最终成功地让一个旧电机按照我设定的速度运转起来，那种成就感无与伦比！这不仅仅是一本书，更像是一个得力的实践助手，让我这个初学者也能跨出坚实的第一步。

评分☆☆☆☆☆

作为一个有多年电气维修经验的老技师，我总觉得现有的变频器知识体系中，总有那么一些细节之处让人捉摸不透。拿到这本书后，我花了几天时间仔细研读，发现它在一些关键技术点的阐述上，达到了前所未有的高度。比如，书中关于过载保护机制的详解，它不仅仅停留在“设置一个参数”的层面，而是深入到过载保护电路的设计原理、不同类型过载保护方式的优劣对比，以及如何在复杂工况下进行精细化设置，以避免误触发或保护失效。另外，对于变频器与PLC等上位控制器的通信协议，这本书也给予了极大的关注，详细介绍了RS485、Ethernet/IP等主流通信方式的配置步骤、数据帧结构以及常见通信故障的排查思路。书中的一些高级应用技巧，比如如何利用变频器实现多电机同步控制、如何进行能量优化以降低能耗，这些内容对我来说非常具有启发性，帮助我打开了新的技术视野，也为我解决一些棘手的工程问题提供了新的思路和方法。