變頻器電機機電一體化的特點(diǎn)

　　變頻器電機機電一體化的特點(diǎn)【1】

　　摘要：近年來(lái)，隨著(zhù)我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)也已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的成果。

　　其中，變頻器與電機一體化技術(shù)的實(shí)現，給我國電子工業(yè)以及家用電器生產(chǎn)都帶來(lái)了極大的便利。

　　對居民來(lái)說(shuō)，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(zhì)量。

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

　　關(guān)鍵詞：變頻調速電機; 變頻器;一體化

　　科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得變頻技術(shù)不斷取得新的成果，現在已經(jīng)具備節省空間、功率范圍擴大、功能多樣化等特點(diǎn)。

　　變頻器與電機一體化是變頻技術(shù)的一項重大突破，減少了電器在使用過(guò)程中的各種附加損耗，同時(shí)降低了制造成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益，因此，已經(jīng)被廣泛運用于工業(yè)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(chǎng)生產(chǎn)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(gè)電機提供動(dòng)力的裝置。

　　近年來(lái)，變頻技術(shù)已經(jīng)取得了重大的突破，已經(jīng)實(shí)現了變頻、電機的機電一體化。

　　在電機是整個(gè)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(chǎn)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(huì )產(chǎn)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(huì )產(chǎn)生較大影響，這些影響最大的副作用是會(huì )導致電機的供電系統中的電動(dòng)機的耗能增加，當然，產(chǎn)生機械能的一部分最終轉化為人熱能，使得整個(gè)工作系統的溫度升高，時(shí)間一長(cháng)，會(huì )在一定程度上影響電機工作系統的工作效率，甚至會(huì )出現整個(gè)系統工作不穩定的情況，且長(cháng)期在高溫下工作，電機系統的使用壽命會(huì )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(fā)揮最大的作用的同時(shí)對整個(gè)系統的影響最小成為業(yè)內研究的重點(diǎn)。

　　2.變頻器電機一體化的特點(diǎn)

　　2.1變頻器電機一體化的構造原理

　　在變頻機沒(méi)有出現之前，電機調速系統使用的傳統的電機，其不能實(shí)現自動(dòng)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(lèi)型主要包括加速電機、減速電機以及直流電機三種。

　　自動(dòng)化程度低，工作效率低下，整個(gè)電機系統需要耗費大量的資源，且耗能比較大，不利于生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

　　變頻機機電一體化的出現可以說(shuō)是在整個(gè)行業(yè)技術(shù)上的一個(gè)重大突破，在家用電器以及工業(yè)設備上的節能上起到了不可小覷的作用，已經(jīng)給很多行業(yè)帶來(lái)了便利，其既提高了整個(gè)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(gè)系統的工作越來(lái)越趨向于自動(dòng)化，工廠(chǎng)可以因此節省很多人力物力資源，且機電一體化的實(shí)現，使得整個(gè)生系統的占地面積大為減少，節省生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，從而實(shí)現企業(yè)市場(chǎng)競爭力的提升。

　　因此，已經(jīng)廣泛被運用在各個(gè)行業(yè)中。

　　目前很多行業(yè)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(jìn)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(shí)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(chǎng)的工作效率。

　　2.2變頻電機的主要特點(diǎn)與內容

　　變頻機發(fā)展到現在，使用的材料已經(jīng)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(lái)進(jìn)行涂漆，真空壓力涂漆有兩個(gè)方面的優(yōu)勢，一方面真空壓力涂漆，速度快，時(shí)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(cháng)期保持嶄新的狀態(tài)，大大延長(cháng)了整個(gè)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(chǎng)的生產(chǎn)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(gè)方面，內部零件更精密，變頻電機內部零件更精密可以說(shuō)是其一大特點(diǎn)，其使得整個(gè)電機系統工作性能更穩定，也更高速，提高了工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率。

　　散熱性能好，在整個(gè)電機系統工作的過(guò)程中，機械能的一部分會(huì )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(chǎn)企業(yè)的變頻機大多采用最先進(jìn)的散熱排風(fēng)扇裝置，這種排風(fēng)裝置不僅具有的很強的風(fēng)力，能夠及時(shí)為整個(gè)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(gè)生產(chǎn)區間的噪音，為工人提供了一個(gè)相對良好的工作環(huán)境，這也算是近年來(lái)變頻機的另一個(gè)技術(shù)突破。

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

　　2.3變頻電機中存在的問(wèn)題

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

　　變頻電機工作中的問(wèn)題主要體現在以下幾個(gè)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(jìn)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(gè)電機工作系統來(lái)說(shuō)，安全性是最重要的一點(diǎn)，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(shù)上已經(jīng)取得了重大的技術(shù)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(shí)產(chǎn)生了較高的熱量，對工作人員的身體產(chǎn)生較大的危害，若工廠(chǎng)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(huì )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(shí)現一個(gè)完美的平衡，需要做進(jìn)一步的技術(shù)研究。

　　靜音處理不夠完美，變頻機在靜音處理上已經(jīng)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(dòng)在目前還不能完全避免，尤其在系統產(chǎn)生共振時(shí)，會(huì )增加噪音的影響程度，這也需要做進(jìn)一步的處理。

　　3.變頻電機的節能特點(diǎn)

　　3.1變頻技術(shù)在工業(yè)節能方面的應用

　　變頻技術(shù)的出現最大的優(yōu)勢就在于其在節能方面取得了突破性的進(jìn)展，使得整個(gè)電機系統的生產(chǎn)成本大大降低，提高了生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益。

　　在工業(yè)中，電機系統工作的過(guò)程中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機和泵類(lèi)等設備，這些設備的耗電量非常大，且生產(chǎn)企業(yè)的工作時(shí)間以及工作周期都比較長(cháng)，因此，若采用傳統的加速電機以及減速電機進(jìn)行調速，耗能量非常大，這也是每個(gè)生產(chǎn)企業(yè)想解決的問(wèn)題。

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

　　3.2變頻技術(shù)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(shù)，其也在節能方面取得了突破性的進(jìn)展，降低了每個(gè)家庭的耗電量。

　　變頻技術(shù)的出現，改變了以前家用電器因為長(cháng)期處在短時(shí)重復狀態(tài)(開(kāi)/停)，導致起動(dòng)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(wèn)題的狀態(tài)，擴大了家用電器壓縮機的工作范圍，不需要壓縮機長(cháng)期處于運行狀態(tài)，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(lái)說(shuō)，由于其長(cháng)期處于全天工作狀態(tài)，能耗以及噪音問(wèn)題都比較嚴重，但變頻技術(shù)的出現可以讓壓縮機不必長(cháng)期處于運行狀態(tài)，從而減小甚至消除因壓縮機工作產(chǎn)生的噪音，當然，壓縮機這樣的工作狀態(tài)也降低了冰箱的能耗，節能效果明顯。

　　4.結語(yǔ)

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

　　另外，機電一體化技術(shù)的出現，在生產(chǎn)企業(yè)以及家用電器的節能上都取得了明顯的效果，這對整個(gè)行業(yè)的可持續發(fā)展有重要意義。

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　　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(diǎn)，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(jìn)行了論述。

　　設計的多通道變頻器具有以下特點(diǎn)：結構上支持盲拔插，共用時(shí)鐘模塊和電源模塊，也可以實(shí)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(fā)展。

　　關(guān)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(lǐng)域，是現在通信系統的核心部分[1]。

　　隨著(zhù)現代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對變頻設備提出了更高的要求，原來(lái)單一通道的變頻設備已經(jīng)不能滿(mǎn)足通信行業(yè)發(fā)展的需要;有時(shí)一個(gè)系統需要多路變頻通道才能滿(mǎn)足需要，這就需要由多個(gè)變頻設備組成，因此會(huì )造成整個(gè)系統體積龐大、功耗增加、使用的器件、材料也會(huì )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(hù)在使用時(shí)移動(dòng)、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(gè)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(gè)機箱，內部的變頻模塊共用一個(gè)電源，共用一個(gè)時(shí)鐘模塊，共用一個(gè)主控模塊，并且每個(gè)變頻模塊相互獨立，互不影響，可以單獨工作和關(guān)閉;變頻模塊也支持盲拔插，可以隨時(shí)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(hù)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(gè)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(chuàng )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(shí)鐘模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)共六個(gè)獨立的模塊。

　　(2) 模塊的布局

　　根據模塊之間的連線(xiàn)關(guān)系，把所有模塊在機箱內進(jìn)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(shí)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(guò)計算初步確定機箱的外形尺寸不大于500 mm(長(cháng))×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(gè)機箱，每個(gè)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(gè)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(pán)，用以顯示及控制操作，電源開(kāi)關(guān)用來(lái)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(shí)就要把六個(gè)通道在前面板的所需尺寸設計出來(lái)，根據通道在前面板的尺寸、VFD顯示屏尺寸和鍵盤(pán)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(jìn)線(xiàn)全在根部有固定夾具，插針和插孔都是用質(zhì)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(dòng)中確保不會(huì )脫離并接觸可靠，外殼材質(zhì)采用鎂鋁合金，堅固耐用;后面板上還有接地柱，保險管，RJ45網(wǎng)口，RS 485/232數據線(xiàn)串口和用于散熱的風(fēng)扇，保險管用來(lái)限制因電流過(guò)大而損壞設備，RJ45網(wǎng)口用來(lái)電腦實(shí)行遠程控制而RS 485/232數據線(xiàn)串口用來(lái)上位機控制。

　　根據內部的射頻線(xiàn)布局、電源線(xiàn)、串口線(xiàn)和網(wǎng)口線(xiàn)的連接，再經(jīng)過(guò)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(shí)采用滑軌技術(shù)[3]，在模塊的底端專(zhuān)門(mén)設計了直線(xiàn)導軌，同時(shí)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(shí)，模塊底端的滑軌就沿著(zhù)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(xiāo)，用來(lái)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(shí)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(kāi)關(guān)、射頻檢測端口、中頻檢測端口;電源開(kāi)關(guān)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(shí)可以打開(kāi)電源，其他變頻模塊的電源是關(guān)斷的(當需要時(shí)再打開(kāi)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(lái)檢測外部輸入的射頻信號是否正確，而中頻檢測端口用來(lái)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(xiàn)串口;射頻輸入端口用來(lái)連接外部的輸入信號，中頻輸出端口是輸出經(jīng)變頻后所需要的中頻信號，參考輸入端口用連接時(shí)鐘模塊的輸出信號，RS 485/232數據線(xiàn)串口用來(lái)連接主控板，對變頻模塊實(shí)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?xún)炔勘菊衲�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(shí)鐘模塊設計

　　時(shí)鐘模塊用來(lái)給各個(gè)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(shí)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(shí)鐘信號，然后再經(jīng)過(guò)時(shí)鐘模塊內部的功分電路，將時(shí)鐘信號分成六路等相位、等增益的時(shí)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(gè)電源供電，當所有通道都工作時(shí)，電源輸出的電流比較大，這就會(huì )造成電源負荷很大，發(fā)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(gè)額外的電源，當一個(gè)電源出現問(wèn)題不工作時(shí)。

　　另一個(gè)電源會(huì )迅速進(jìn)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(chǎng)家設計和生產(chǎn)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(shí)不會(huì )因為電源自身的紋波過(guò)大[6]，而給電路帶來(lái)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(shí)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(lái)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(chēng)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(guò)RJ45網(wǎng)口或DB9的串口來(lái)控制外部主控板，再通過(guò)外部主控板來(lái)控制通道模塊，上位機也可以通過(guò)每個(gè)通道單獨引出的DB9串口單獨控制通道內部的主控板來(lái)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(gè)變頻模塊和一個(gè)主控單元(包括顯示屏和鍵盤(pán))構成，其中變頻模塊內部也有一個(gè)獨立的主控電路(也能對本通道進(jìn)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(guò)鍵盤(pán)來(lái)設置參數，向主控板發(fā)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(gè)變頻模塊可單獨接收上位機的遙控命令，來(lái)進(jìn)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(gè)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(gè)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(dòng)試驗或運輸過(guò)程中的猛烈沖擊而造成的接口松動(dòng)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(zhì)的元器件，器件的安裝采用表貼工藝技術(shù)，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(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證的、比較成熟的電路，保證模塊在電路上不存在問(wèn)題，在進(jìn)行電路板設計時(shí)要充分考慮電磁兼容性問(wèn)題[8]，保證設備本身盡量不受電磁干擾，同時(shí)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(lái)濾除電源紋波到來(lái)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(yǔ)

　　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(guò)該設計方案，可以看到多通道變頻器在應用方面的實(shí)用性，每個(gè)通道模塊都是獨立的變頻模塊，可以根據需要開(kāi)啟使用或關(guān)閉，并且互不影響，因此不用的變頻模塊關(guān)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(gè)變頻通道共用一個(gè)機箱、一個(gè)時(shí)鐘模塊、一個(gè)電源模塊和一個(gè)控制模塊，這樣原來(lái)要用多個(gè)機箱、多個(gè)電源模塊、時(shí)鐘模塊和控制模塊的設備現在集成到了一個(gè)機箱。

　　因此大大縮小了機箱的體積，也大大節約了成本;每個(gè)變頻模塊支持盲拔插，可以根據需要隨時(shí)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(shí)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(fā)展前景。

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