Kapitel 3
Digital IF översikt
Sedan 1980-talet har en av de viktigaste förändringarna inom spektrumanalys varit användningen av digital teknik för att ersätta instrumentkluster som tidigare uteslutande var analoga. Med tillkomsten av högpresterande ADC:er kan nya spektrumanalysatorer digitalisera den inkommande signalen mycket snabbare än instrument som skapats bara ett par år tidigare. De största förbättringarna har kommit i IF-delen av spektrumanalysatorerna. Digital IF 1 har producerat en stark förbättringseffekt i hastighet, noggrannhet och förmåga att mäta komplexa signaler genom användning av avancerad digital signalbehandlingsteknik.
Digitala filter
En partiell digital implementering av IF-kretsarna sker i analysatorerna i Agilent ESA-E-serien. Medan upplösningsbandbredder på 1 kHz och bredare vanligtvis kan uppnås med traditionella analoga LC- och chipfilter, realiseras de smalaste upplösningsbandbredderna (1 Hz till 300 Hz) digitalt. Som visas i fig. 3-1, nedkonverteras den linjära analoga signalen till 8,5 kHz IF och passerar sedan genom ett bandpassfilter endast 1 kHz brett. Denna IF-signal förstärks, mäts sedan vid 11,3 kHz och digitaliseras.
Bild 3-1. Digital implementering av upplösningsfilter 1, 2, 10, 30, 100 och 300 Hz i enheter i ESA-E-serien
Eftersom signalen redan är i det digitaliserade tillståndet passerar den genom Fast Fourier Transform-algoritmen. För att konvertera en giltig signal måste analysatorn vara i ett fast läge (inget svep). Det vill säga transformationen måste utföras på tidsdomänsignalen. Därför, istället för ett kontinuerligt svep i det digitala upplösningsbandbreddsläget, implementerar ESA-E-seriens analysatorer stegvisa steg på 900 Hz. Denna stegvisa inställning kan observeras på displayen, som uppdateras i steg om 900 Hz medan digital bearbetning utförs.
Som vi snart kommer att se använder andra spektrumanalysatorer, såsom PSA-serien, en heldigital IF och alla deras upplösningsfilter är digitala. En viktig fördel med den digitala bearbetningen som utförs av dessa analysatorer är bandbreddselektiviteten på ungefär 4:1. Denna selektivitet är tillgänglig på de smalaste filtren - de vi behöver för att separera de närmaste signalerna.
I kapitel 2 utförde vi selektivitetsberäkningar för två signaler separerade med 4 kHz med hjälp av ett 3 kHz analogt filter. Låt oss upprepa denna beräkning för fallet med digital filtrering. En bra modell för selektiviteten hos ett digitalt filter skulle vara en nästan Gaussisk modell:
Där H(Af) är filtrets cutoff-nivå, dB;
Δ f – frekvensavstämning från mitten, Hz;
a är selektivitetskontrollparametern. För ett idealiskt Gaussiskt filter α=2. De svepande upplösningsfiltren som används i Agilent-analysatorer är baserade på en nästan Gaussisk modell med α=2,12, vilket ger en selektivitet på 4,1:1.
Genom att ersätta värdena från vårt exempel i denna ekvation får vi:
Vid 4kHz offset sjunker det digitala 3kHz-filtret till -24,1dB, jämfört med det analoga filtret, som endast var -14,8dB. På grund av sin överlägsna selektivitet kan det digitala filtret särskilja signaler som ligger mycket närmare varandra.
Helt digital IF
För första gången kombinerade Agilents PSA-spektrumanalysatorer flera digitala teknologier för att skapa en helt digital IF-enhet. En ren digital IF ger en mängd fördelar för användaren. Kombinationen av FFT-analys för smal och svepanalys för breda spann optimerar svepet för att ge de snabbaste mätningarna. Arkitektoniskt har ADC flyttats närmare ingångsporten, möjliggjort av förbättringar av analog-till-digital-omvandlare och annan digital utrustning. Låt oss börja med att titta på blockschemat för PSA-seriens heldigitala IF-analysator som visas i fig. 3-2.
Bild 3-2. Blockschema över en helt digital IF i PSA-serien
Här är alla 160 upplösningsbanden implementerade digitalt. Även om det finns analoga kretsar före ADC, börjar med flera steg av nedkonvertering och slutar med ett par enpoliga förfilter (ett LC-filter och ett on-chip-filter). Förfiltret hjälper till att förhindra tredje ordningens distorsion från att komma in i nedströmskretsen, precis som i en analog IF-implementering. Dessutom gör det möjligt att utöka det dynamiska området genom att automatiskt byta mätområden. Signalen från utgången på det enpoliga förfiltret dirigeras till en auto-switch-detektor och ett anti-aliasing-filter.
Som med vilken FFT-baserad IF-arkitektur som helst, behövs ett utjämningsfilter för att eliminera aliasing (bidraget av signaler utanför bandet till ADC-dataprovet). Detta filter är flerpoligt, så det har en betydande gruppfördröjning. Även en mycket kraftigt stigande RF-skur som överförs ner till IF kommer att uppleva en fördröjning på mer än tre ADC-cykler (30 MHz) när den passerar genom kantutjämningsfiltret. Fördröjningen ger tid att känna igen en stor inkommande signal innan den får ADC:n att överbelastas. Den logiska kretsen som driver autoavståndsdetektorn kommer att minska förstärkningen framför ADC:n innan signalen når dit, vilket förhindrar klippning. Om enveloppen för signalen förblir låg under en lång tid, kommer den automatiska inställningskretsen att öka förstärkningen, vilket minskar det effektiva bruset vid ingången. Den digitala förstärkningen efter ADC ändras också för att matcha den analoga förstärkningen före ADC. Resultatet är en flyttals-ADC med ett mycket brett dynamiskt omfång när autotuning är aktiverad i svepläge.
Bild 3-3. Automatisk justering håller ADC-bruset nära bäraren och under LO-brusgolvet eller upplösningsfiltrets egenskaper
På fig. Figur 3-3 visar PSA Series Analyzers svepbeteende. Det enpoliga förfiltret gör att förstärkningen kan ökas medan analysatorn är avstämd från bärvågsfrekvensen. När du kommer närmare bäraren minskar förstärkningen och ADC-kvantiseringsbruset ökar. Brusnivån kommer att bero på nivån på signalen och dess frekvensförskjutning från bärvågen, så det kommer att se ut som stegvis fasbrus. Men fasbruset skiljer sig från detta autotuningbrus. Fasbrus i spektrumanalysatorer kan inte undvikas. Att minska förfiltreringsbredden hjälper dock till att minska inlåsningsbruset vid de flesta frekvensförskjutningar från bärvågen. Eftersom förfiltrets bandbredd är cirka 2,5 gånger upplösningsbandbredden, minskar en minskning av upplösningsbandbredden inlåsningsbruset.
Dedikerad signalbehandling IC
Låt oss återgå till det digitala IF-blockdiagrammet (Fig. 3-2). Efter att ADC-förstärkningen har ställts in för att matcha den analoga förstärkningen och korrigerats av den digitala förstärkningen, börjar ASIC:n bearbeta samplet. Först delas 30 MHz IF-samplen i I- och Q-par i halva steg (15 miljoner par per sekund). I- och Q-paren är sedan högfrekventa förstärkta av ett digitalt enstegsfilter vars förstärkning och fas är ungefär motsatta de hos ett analogt enpoligt förfilter. I- och Q-paren filtreras sedan av ett lågpassfilter med en linjär fasrespons och en nästan perfekt Gaussisk frekvensrespons. Gaussiska filter har alltid varit de mest lämpliga för frekvenssvepanalys på grund av den optimala kompromissen mellan frekvensdomänbeteende (formfaktor) och tidsdomänbeteende (snabb svepsvar). Med den reducerade signalbandbredden kan I- och Q-paren nu decimeras och skickas till processorn för FFT-behandling eller demodulering. Även om FFT kan utföras för upp till 10 MHz spännsegment av anti-aliasing filterbandet, även i det smalare 1 kHz intervallet, med en smal upplösningsbandbredd på 1 Hz, skulle FFT kräva 20 miljoner datapunkter. Att använda datadecimering för smalare intervall minskar avsevärt antalet datapunkter som krävs för FFT, vilket avsevärt snabbar upp beräkningarna.
För frekvenssvept analys omvandlas de filtrerade I- och Q-paren till amplitud- och faspar. I traditionell svepanalys filtreras amplitudsignalen över videobandbredden och samplas av displayens detektorkrets. Valet av visningsläge "log/linjär" och skalning "dB/enhet" görs i processorn, så att resultatet visas i någon av skalorna utan ommätning.
Ytterligare videobearbetningsalternativ
Vanligtvis jämnar ett videobandpassfilter ut logaritmen för signalamplituden, men det har en hel del ytterligare funktioner. Den kan omvandla logaritmen för amplituden till spänningsomslaget före filtrering, och översätta tillbaka innan displayen detekteras, för konsekventa avläsningar.
Linje-till-linje spänningsamplitudfiltrering är önskvärd för att observera enveloppen av pulsade radiosignaler med nollfrekvenssvep. En signal med logaritmisk amplitud kan också omvandlas till effekt (amplitud i kvadrat) före filtrering och sedan tillbaka. Effektfiltrering gör att analysatorn kan ge samma genomsnittliga svar på brusiga signaler (digitala kommunikationssignaler) som på CW-signaler med samma RMS-spänning. Numera är det alltmer nödvändigt att mäta den totala effekten i en kanal eller över hela frekvensområdet. Med dessa mätningar kan en punkt på displayen visa den genomsnittliga effekten över tiden som lokaloscillatorn passerar genom denna punkt. Videobandfiltret kan omkonfigureras för att samla in data för logaritm, spänning eller effektmedelvärde.
Frekvensräkning
Frekvenssvepspektrumanalysatorer har vanligtvis en frekvensräknare. Den räknar antalet nollgenomgångar i IF-signalen och förskjuter detta antal med kända förskjutningar från lokaloscillatorn i resten av omvandlingskedjan. Om räkningen går 1 sekund kan du få en frekvensupplösning på 1 Hz.
Tack vare digital oscillatorsyntes och helt digital upplösningsbandbreddsimplementering är den inneboende frekvensnoggrannheten hos PSA-seriens analysatorer ganska hög (0,1 % av spann). Dessutom har PSA en frekvensräknare som spårar inte bara nollgenomgångar utan även fasförändringar. Således kan den lösa frekvenser i tiotals millihertz på 0,1 sekunder. Med denna design är förmågan att lösa frekvensvariationer inte längre begränsad av spektrumanalysatorn, utan snarare av brusigheten hos den undersökta signalen.
Andra fördelar med en helt digital IF
Vi har redan täckt ett antal funktioner i PSA-serien: logaritm/spänning/effektfiltrering, högupplöst frekvensavläsning, logaritmisk/linjär skala omkoppling av lagrad data, utmärkta formfaktorer, datapunktmedeldetektorläge, 160 olika upplösningsbandbredder , och, naturligtvis, frekvenssvep eller FFT-behandlingsläge. När man analyserar ett spektrum introducerar filtrering på upplösningsfilter ett fel i amplitud- och fasmätningarna, som är funktioner av svephastigheten. Vid en viss fast nivå av sådana fel tillåter linjärfas rena digitala IF-upplösningsfilter högre frekvenssvephastigheter än analoga filter. Den digitala implementeringen ger också viss kompensation i frekvens- och amplitudförvärv, vilket tillåter svephastigheter dubbelt så snabba som äldre analysatorer, och presterar bra även vid fyrdubbling av svephastigheten.
Den digitalt implementerade logaritmiska förstärkningen är mycket exakt. Typiska fel som är typiska för analysatorn som helhet är mycket mindre än de mätfel med vilka tillverkaren utvärderar tillförlitligheten hos logaritmen. Vid analysatorns ingångsmixer anges logkonfidens som ±0,07 dB för alla nivåer ner till -20 dBm. Omfånget för logaritmisk förstärkning vid låga nivåer begränsar inte tillförlitligheten hos logaritmen, som det skulle göra med en analog IF; räckvidden begränsas endast av brus i storleksordningen -155 dBm vid ingångsmixern. På grund av enkeltonskomprimering i efterföljande kedjor vid högre effekter, försämras konfidensparametern till ±0,13 dB för signalnivåer ner till -10 dBm vid ingångsmixern. Som jämförelse har en analog logaritmisk förstärkare typiskt toleranser i storleksordningen ±1 dB.
Andra IF-relaterade noggrannheter upplevde också förbättringar. IF-förfiltret är analogt och måste konfigureras som vilket analogt filter som helst, så det är föremål för inställningsfel. Men det är fortfarande bättre än andra analoga filter. Även om endast ett steg behöver göras för det, kan det göras mycket mer stabilt än de 4- och 5-stegsfilter som används i analoga IF-analysatorer. Som ett resultat kan förstärkningsfall mellan upplösningsfilter hållas inom ±0,03 dB, tio gånger bättre än rena analoga konstruktioner.
IF-bandbreddens noggrannhet bestäms av begränsningarna för inställningarna i den digitala delen av filtret och kalibreringsosäkerheten i det analoga förfiltret. Återigen är förfiltret mycket stabilt och introducerar endast 20 % av felet som skulle finnas i en analog implementering av en upplösningsbandbredd som består av fem sådana steg. Som ett resultat ryms de flesta upplösningsbandbredder inom 2 procent av deras annonserade bredd, till skillnad från 10-20 procent för analoga IF-analysatorer.
Den viktigaste aspekten av bandbreddsnoggrannhet är att minimera felet i kanaleffektmätningar och liknande mätningar. Brusbandbredden för upplösningsfiltren är till och med bättre än toleransen på 2 procent för installationsprocesser, och brusmarkörer och kanaleffektmätningar korrigeras till ±0,5 %. Således bidrar bandbreddsfel endast ±0,022 dB till brusamplituddensitet och kanaleffektmätningsfel. Och slutligen, med den totala frånvaron av analoga förstärkningssteg beroende på referensnivån, finns det inget "IF-förstärkning"-fel alls. Summan av alla dessa förbättringar är sådan att en ren digital IF ger en betydande förbättring av spektralanalysnoggrannheten. Det är också möjligt att ändra analysatorns inställningar utan någon betydande inverkan på mätningens noggrannhet. Vi kommer att prata mer om detta i nästa kapitel.
1 Strängt taget, när en signal väl är digitaliserad, är den inte längre på mellanfrekvensen, eller IF. Från och med nu representeras signalen av digitala värden. Men vi använder termen "digital IF" för att beskriva de digitala processer som har ersatt den analoga IF-delen av traditionella spektrumanalysatorer.)
Frekvensomvandlare, liksom många andra elektroniska omvandlare som drivs av växelströmsnätet med en frekvens på 50 Hz, enbart på grund av sin enhet, förvränger formen på den förbrukade strömmen: strömmen beror inte linjärt på spänningen, eftersom likriktaren vid ingången till enheten är vanligtvis normal, d.v.s. okontrollerbar. Så är utgångsströmmen och spänningen från frekvensomformaren - de skiljer sig också i en förvrängd form, närvaron av många övertoner på grund av driften av PWM-omriktaren.
Som ett resultat, i processen att regelbundet förse motorstatorn med en sådan förvrängd ström, åldras dess isolering snabbare, lagren försämras, motorljudet ökar och sannolikheten för termiska och elektriska sammanbrott av lindningarna ökar. Och för nätverket som matar är detta tillstånd alltid fyllt av störningar som kan skada annan utrustning som drivs av samma nätverk.
För att bli av med de ovan beskrivna problemen installeras ytterligare in- och utgångsfilter på frekvensomformare och motorer, vilket sparar både själva försörjningsnätet och motorn som matas av denna frekvensomformare från skadliga faktorer.
Ingångsfilter är utformade för att undertrycka störningar som genereras av frekvensomformarens likriktare och PWM-växelriktare, vilket skyddar nätverket, och utgångsfilter skyddar själva motorn från störningar som genereras av frekvensomformarens PWM-växelriktare. Ingångsfiltren är drosslar och EMI-filter, och utgångsfiltren är common mode-filter, motordrosslar, sinusfilter och dU/dt-filter.
Induktorn, som är ansluten mellan nätverket och frekvensomformaren, är, den fungerar som en slags buffert. Nätdrosseln tillåter inte högre övertoner (250, 350, 550 Hz och däröver) från frekvensomformaren till nätet, samtidigt som den skyddar omvandlaren själv från strömstötar i nätet, från strömstötar under transienter i frekvensomformaren, etc.
Spänningsfallet över ett sådant gasspjäll är cirka 2%, vilket är optimalt för normal drift av gasreglaget i kombination med en frekvensomvandlare utan funktionen att regenerera elektricitet i det ögonblick då motorn bromsas.
Så, linjedrosslar installeras mellan nätverket och frekvensomformaren under följande förhållanden: i närvaro av störningar i nätverket (av olika skäl); när faserna är skeva; när den drivs av en relativt kraftfull (upp till 10 gånger) transformator; om flera frekvensomvandlare matas från en källa; om kondensatorer för KRM-installationen är anslutna till nätverket.
Linjechoken ger:
skydd av frekvensomformaren mot nätspänningsstötar och fasobalans;
kretsskydd mot höga kortslutningsströmmar i motorn;
förlänger frekvensomformarens livslängd.
För att eliminera strålning, för att säkerställa elektromagnetisk kompatibilitet med strålningskänsliga enheter, behövs bara ett EMI-filter.
Trefas EMI-filtret är designat för att undertrycka störningar i området från 150 kHz till 30 MHz enligt Faradays burprincip. EMI-filtret ansluts så nära frekvensomformarens ingång som möjligt för att ge omgivande enheter ett tillförlitligt skydd mot alla störningar som genereras av PWM-omriktaren. Ibland är EMI-filtret redan inbyggt i frekvensomformaren.
Det så kallade dU/dt-filtret är ett trefas L-format lågpassfilter, bestående av kedjor av induktorer och kondensatorer. Ett sådant filter kallas också en motorchoke, och ofta har det kanske inga kondensatorer alls, medan induktanserna kommer att vara betydande. Filterparametrarna är sådana att all störning vid frekvenser högre än kopplingsfrekvensen för tangenterna på frekvensomformarens PWM-växelriktare undertrycks.
Om filtret innehåller , är kapacitansen för var och en av dem i intervallet flera tiotals nanofarader och - upp till flera hundra mikrohenries. Som ett resultat minskar detta filter toppspänningen och pulserna vid terminalerna på en trefasmotor till 500 V / µs, vilket sparar statorlindningarna från sammanbrott.
Så om frekvensomriktaren utsätts för frekventa regenerativa bromsningar, är initialt inte lämplig för drift med en frekvensomformare, har en låg isoleringsklass eller en kort motorkabel, installeras i en aggressiv miljö eller används vid en spänning på 690 volt, en dU / dt filter mellan frekvensomformaren och motorn rekommenderas installera.
Även om spänningen som tillförs motorn av frekvensomformaren kan vara i form av bipolära fyrkantsvågor snarare än en ren sinusvåg, så verkar dU/dt-filtret (med sin lilla kapacitans och induktans) på strömmen på ett sådant sätt att det gör det i lindningsmotorn nästan exakt. Det är viktigt att förstå att om du använder ett dU / dt-filter vid en frekvens som är högre än dess nominella värde, kommer filtret att uppleva överhettning, det vill säga det kommer att medföra onödiga förluster.
Ett sinusfilter liknar en motordrossel eller dU/dt-filter, men skillnaden är att kapacitanserna och induktanserna är stora här, så att gränsfrekvensen är mindre än halva kopplingsfrekvensen för PWM-växelriktaromkopplarna. Således uppnås en bättre utjämning av högfrekvent interferens, och spänningsformen på motorlindningarna och strömformen i dem är mycket närmare den ideala sinusformen.
Kapacitanser i ett sinusfilter mäts i tiotals och hundratals mikrofarader, och spolinduktanser i enheter och tiotals millihenries. Sinusfiltret kännetecknas därför av en stor storlek jämfört med dimensionerna hos en konventionell frekvensomformare.
Användningen av ett sinusfilter gör det möjligt att tillsammans med en frekvensomformare använda även en motor som ursprungligen (enligt specifikationen) inte var avsedd för drift med en frekvensomformare på grund av dålig isolering. I det här fallet blir det inget ökat brus, inget snabbt slitage av lagren, ingen överhettning av lindningarna av högfrekventa strömmar.
Det är möjligt att säkert använda en lång kabel som ansluter motorn till frekvensomformaren när de är långt ifrån varandra, samtidigt som man undviker impulsreflektioner i kabeln som kan leda till förluster i form av värme i frekvensomformaren.
bullret måste minskas. om motorn har dålig isolering;
upplever frekvent regenerativ bromsning;
arbetar i en aggressiv miljö; ansluten med en kabel längre än 150 meter;
bör fungera under lång tid utan underhåll;
under motordrift stiger spänningen steg för steg;
motorns märkspänning är 690 volt.
Samtidigt bör man komma ihåg att ett sinusfilter inte kan användas med en frekvens under dess passklassificering (den maximala tillåtna nedåtgående frekvensavvikelsen är 20%), så i inställningarna för frekvensomformaren måste du först ställa in frekvensen gräns underifrån. En frekvens över 70 Hz måste användas med stor försiktighet och i omvandlarens inställningar förinställ om möjligt kapacitansen och induktansen för det anslutna sinusfiltret.
Kom ihåg att filtret i sig kan göra oljud och avge en märkbar mängd kropp, eftersom även vid nominell belastning faller cirka 30 volt på det, så filtret bör installeras under lämpliga kylförhållanden.
Alla drosslar och filter ska anslutas i serie med motorn med en så kort skärmad kabel som möjligt. Så för en 7,5 kW motor bör den maximala längden på den skärmade kabeln inte överstiga 2 meter.
Common mode-filter är utformade för att dämpa högfrekvent brus. Detta filter är en differentialtransformator på en ferritring (mer exakt på en oval), vars lindningar är direkt trefasiga ledningar som ansluter motorn till frekvensomformaren.
Detta filter används för att reducera common mode-strömmar som genereras av urladdningar i motorlagren. Som en konsekvens reducerar common mode-filtret möjliga elektromagnetiska emissioner från motorkabeln, särskilt om kabeln inte är skärmad. De trefasiga ledningarna passerar genom kärnfönstret, medan den skyddande jordledningen förblir utanför.
Kärnan fästs på kabeln med en klämma för att skydda ferriten från de skadliga effekterna av vibrationer på ferriten (under motordrift vibrerar ferritkärnan). Filtret installeras bäst på kabeln från terminalsidan av frekvensomformaren. Om kärnan under drift värms upp till mer än 70 ° C, indikerar detta mättnad av ferriten, vilket innebär att du måste lägga till kärnor eller förkorta kabeln. Det är bättre att utrusta flera parallella trefaskablar var och en med sin egen kärna.
När motorn är igång föds ofta oönskade fenomen som kallas "högre övertoner". De har en negativ inverkan på kabelledningar och elnätsutrustning, leder till instabil drift av utrustningen. Detta resulterar i ineffektiv energianvändning, snabb åldrande av isolering, minskad överföring och produktionsprocess.
För att lösa detta problem är det nödvändigt att uppfylla kraven för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), vars uppfyllande kommer att säkerställa stabiliteten hos tekniska medel mot negativ påverkan. Artikeln gjorde en liten utvikning till området för elektroteknik relaterad till filtrering av in- och utsignalerna från en frekvensomvandlare (FC) och förbättring av motorernas prestanda.
De uppstår från bokstavligen alla metallantenner som samlar in och utstrålar desorienterande energivågor. Och mobiltelefoner inducerar förstås även magnetoelektriska vågor, så när man lyfter/landar ett flygplan uppmanas flygvärdinnor att stänga av utrustningen.
Buller är uppdelade efter typen av källor till deras förekomst, enligt spektrum och karakteristiska egenskaper. På grund av närvaron av kopplingsanslutningar skapar elektriska och magnetiska fält från olika källor onödiga potentialskillnader i kabelledningen som växer på användbara vågor.
Det brus som uppstår i ledningarna kallas anti-fas eller common-mode. De senare (de kallas också asymmetriska, längsgående) bildas mellan kabeln och marken och verkar på kabelns isolerande egenskaper.
De vanligaste bruskällorna är induktiva apparater (innehållande spolar), såsom induktionsmotorer (IM), reläer, generatorer etc. Buller kan "komma i konflikt" med vissa enheter, inducera elektriska strömmar i deras kretsar, vilket orsakar funktionsfel i arbetsprocessen.
Omvandlare för asynkronmotorer med ett dynamiskt föränderligt driftläge, som har många positiva egenskaper, har ett antal nackdelar - deras användning leder till intensiv elektromagnetisk störning och pickuper som bildas i enheter som är anslutna till dem via ett nätverk eller som är belägna i närheten och utsätts för strålning. Ofta placeras AD på avstånd från växelriktaren och ansluts till den med en långsträckt tråd, vilket skapar hotfulla förhållanden för fel på elmotorn.
Säkert var någon tvungen att hantera pulser från motorkodaren på styrenheten eller med ett fel vid användning av långa ledningar - alla dessa problem, på ett eller annat sätt, är relaterade till kompatibiliteten hos elektronisk utrustning.
För att förbättra kvaliteten på kontrollen, för att minska den negativa påverkan, används en filtreringsanordning, som är ett element med en icke-linjär funktion. Frekvensomfånget utanför vilket svaret börjar försvagas ställs in. När det gäller elektronik används denna term ganska ofta inom signalbehandling. Den bestämmer de restriktiva villkoren för strömpulser. Chastotnikens huvudfunktion är att generera användbara, minska oönskade fluktuationer till den nivå som fastställts i relevanta standarder.
Det finns två typer av enheter, beroende på platsen i kretsen, som kallas ingång och utgång. "Input" och "output" betyder att filterenheter är anslutna till växelriktarens ingångs- och utgångssida. Skillnaden mellan dem bestäms av deras tillämpning.
Ingångarna används för att minska brus i kabelns strömförsörjningsledning. De påverkar också enheter som är anslutna till samma nätverk. Utgångarna är avsedda för brusdämpning för enheter som är placerade nära växelriktaren och som delar samma jord.
Under driften av frekvensomformaren - en asynkronmotor, skapas oönskade högre övertoner, som tillsammans med ledningarnas induktans leder till en försvagning av systemets brusimmunitet. På grund av genereringen av strålning börjar elektronisk utrustning att fungera felaktigt. Aktivt fungerande ger elektromagnetisk kompatibilitet. Viss utrustning har ökade krav på bullerimmunitet.
3-fasfilter för frekvensomformaren gör att du kan minimera graden av ledningsstörningar inom ett brett frekvensområde. Som ett resultat passar den elektriska enheten väl in i ett enda nätverk, där flera utrustningar är inblandade. EMC-filter bör placeras tillräckligt nära frekvensomformarens strömingångar/utgångar, på grund av störningsnivåns beroende av längden och metoden för att lägga strömkabeln. I vissa fall är de installerade.
Filter behövs för:
Alla modeller av vektorfrekvensomvandlare är utrustade med nätfiltrering. Närvaron av filtreringsanordningar ger den nödvändiga nivån av EMC för driften av systemet. Den inbyggda enheten gör det möjligt att minimera störningar och brus i elektronisk utrustning och uppfyller därför kraven på kompatibilitet.
Frånvaron av en filtreringsfunktion i frekvensomformaren leder ofta till kumulativ uppvärmning av matningstransformatorn, impulsförändringar, förvrängningar i formen av matningskurvan, vilket orsakar utrustningsfel.
Utrustning som är absolut nödvändig för att säkerställa stabiliteten hos komplex elektronisk utrustning. En buffert är monterad mellan frekvensomformaren och strömförsörjningen för att skydda ledningen från högre övertoner. Den kan hålla tillbaka dessa svängningar av vågor vars frekvens är mer än 550 Hz. När ett kraftfullt asynkronmotorsystem stannar kan en strömstörning inträffa. Vid det här laget kommer skyddet in.
Det rekommenderas att ställa in för att undertrycka högfrekventa övertoner och korrigera systemkoefficienten. Vikten av installationen är att minska förlusterna i elmotorns statorer, oönskad uppvärmning av enheten.
Nätstrålar har fördelar. Korrekt vald enhetsinduktans låter dig tillhandahålla:
Du kan tänka på en kondensator som en blockerare. Därför, beroende på hur kondensatorn är ansluten, kan den fungera som:
I praktiska kretsar kan ett motstånd krävas för att begränsa elektronflödet och uppnå korrekt frekvensavskärning.
Använder du en tesil när du gör te? Det används för att förhindra "oönskade! objekt från att logga in på ditt system. I elektriska kretsar finns det många liknande oönskade fenomen som uppträder vid olika frekvenser.
Den elektriska drivenheten som består av en frekvensomformare och en elmotor anses vara en variabel belastning. Dessa enheter och ledningarnas induktans orsakar uppkomsten av högfrekventa spänningsfluktuationer och, som ett resultat, elektromagnetisk strålning från kablarna, vilket negativt påverkar funktionen hos andra enheter.
Det är en induktor med två (eller flera) lindningar där ström flyter i motsatta riktningar. Användningen av denna enhet, som består av en choke och en kondensator, har flera fördelar. Den är mer pålitlig och kan användas vid de lägsta driftstemperaturerna. Allt detta gör det möjligt att öka livslängden för elmotorn. Låg induktans och liten storlek är också dess nyckelegenskaper.
De används när:
Vid ganska höga frekvenser är spänningsfallet praktiskt taget noll, och kondensatorn beter sig som en öppen krets. Filterpressen är gjord i form av en spänningsdelare med ett motstånd och en kondensator. Det används faktiskt för att minska bandbredd, instabilitet och korrigera svänghastigheten för Uout.
Med enkla ord kommer den vanliga choken från ordet "choke". Och det används fortfarande idag, eftersom det beskriver dess syfte ganska exakt. Tänk på hur "näven" sluter sig runt ledningen för att förhindra plötsliga förändringar i strömmen.
En elektrisk växelström är en våg, en kombination av sinus och cosinus. Olika sinusvågor har olika frekvenser. Om du vet vilka frekvenser som finns, vilka som behöver sändas eller tas bort, kan du som ett resultat få en kombination av "användbara" vågor, det vill säga utan brus. Detta hjälper till att rensa upp den aktuella signalen till viss del. Ett sinusvågsfilter är en kombination av kapacitiva och induktiva element.
En av åtgärderna för att säkerställa elektromagnetisk kompatibilitet är användningen av en sinusformad apparat, detta kan vara nödvändigt:
Syftet med enheten är att förhindra skador på motorlindningsisolatorerna. På grund av den nästan fullständiga absorptionen av höga pulser antar utspänningen sinusform. Dess korrekta installation är en viktig aspekt för att minska störningsnivån i nätverket och därmed strålningen. Detta tillåter användning av en lång tråd och hjälper till att minska ljudnivån. Låg induktans innebär också mindre storlek och lägre pris. Enheterna är designade enligt dU/dt-filtreringsmetoden med en skillnad på den större sidan vad gäller elementens värde.
Om den förvrängda spänningens sinusvåg beter sig som en serie övertoner som läggs till grundfrekvensen, tillåter filtreringskretsen endast grundfrekvensen att passera, vilket blockerar onödiga högre övertoner. Ingångsfiltreringsenheten är utformad för att dämpa högfrekvent brus.
Anordningarna skiljer sig från de som diskuterats ovan i en mer komplex design. Det viktigaste sättet att minska buller är att följa de jordningsregler som krävs i elskåpet.
Deras utmärkande fördelar ligger i en hög ljudabsorberande koefficient. EMC används i enheter med växlande strömförsörjning. Det är värt att följa kraven i instruktionerna för ett specifikt styrschema för asynkronmotorer. Det finns allmänna principer som avgör valets riktighet.
Observera att den valda modellen måste överensstämma med:
Det enklaste sättet att förbättra kvaliteten på ett elnät är att vidta åtgärder i designstadiet. Det mest intressanta är att vid en orimlig avvikelse från designbesluten faller skulden helt på elektrikernas axlar.
Rätt beslut om val av typ av frekvensomformare, i kombination med lämplig filtreringsutrustning, förhindrar de flesta problem för driften av drivenheten.
Att säkerställa god kompatibilitet erhålls med korrekt val av parametrar för komponenterna. Felaktig användning av enheter kan öka störningsnivån. I verkligheten påverkar in- och utfilter ibland varandra negativt. Detta är särskilt fallet när ingångsenheten är inbyggd i frekvensomformaren. Valet av en filtreringsanordning för en viss omvandlare utförs enligt de tekniska parametrarna och, bättre, på behörig rekommendation av en specialist. Professionell rådgivning, kanske, kommer att ge dig betydande fördelar, eftersom dyr utrustning faktiskt alltid väljs för en högkvalitativ billig analog. Eller så fungerar den inte inom det önskade frekvensområdet.
Elektromagnetisk påverkan påverkar utrustning främst vid höga frekvenser. Detta innebär att systemets korrekta funktion endast kommer att uppnås när ledningsreglerna och produktions- och tekniska krav följs, liksom kraven på högfrekvent utrustning (till exempel skärmning, jordning, filtrering) är uppfyllda.
Det är värt att notera att åtgärder för att förbättra bullerimmuniteten är en uppsättning åtgärder. Att använda filter enbart kommer inte att lösa problemet. Detta är dock det mest effektiva sättet att ta bort eller avsevärt minska skadliga störningar för den normala elektromagnetiska kompatibiliteten hos elektronisk utrustning. Vi får inte heller glömma att huruvida en specifik modell är lämplig för att lösa ett problem eller inte avgörs "på plats" eller genom experiment och testning.
Inom industrin faller en betydande del av förbrukningen av elektrisk energi på ventilations-, pump- och kompressorinstallationer, transportörer och lyftmekanismer, elektriska drivningar av tekniska installationer och verktygsmaskiner. Dessa mekanismer drivs oftast av AC-induktionsmotorer. För att styra driftsätten för asynkronmotorer, inklusive för att minska deras energiförbrukning, erbjuder världens största tillverkare av elektrisk utrustning specialiserade enheter - frekvensomvandlare. Utan tvekan är frekvensomformare (som också kallas frekvensomformare, växelriktare eller förkortat IF) extremt användbara enheter som avsevärt kan underlätta start och drift av asynkronmotorer. I vissa fall kan dock frekvensomformare även påverka den anslutna motorn negativt.
På grund av frekvensomformarens designegenskaper har dess utspänning och ström en förvrängd, icke-sinusformad form med ett stort antal övertonskomponenter (brus). Frekvensomformarens okontrollerade likriktare förbrukar en icke-linjär ström som förorenar strömförsörjningsnätet med högre övertoner (5:e, 7:e, 11:e övertonen, etc.). PWM - frekvensomvandlare genererar ett brett utbud av högre övertoner med en frekvens på 150 kHz-30 MHz. Tillförseln av motorlindningar med en sådan förvrängd icke-sinusformad ström leder till sådana negativa konsekvenser som termisk och elektrisk nedbrytning av motorlindningsisoleringen, en ökning av isoleringens åldringshastighet, en ökning av nivån av akustiskt brus från en löpande motor och lagererosion. Dessutom kan frekvensomformare vara en kraftfull störningskälla i det elektriska försörjningsnätet, vilket har en negativ inverkan på annan elektrisk utrustning som är ansluten till detta nätverk. För att minska den negativa effekten av harmonisk distorsion som genereras av omriktaren under drift, används olika filter på det elektriska nätverket, elmotorn och själva frekvensomformaren.
De filter som används tillsammans med frekvensomformare kan villkorligt delas in i ingångs- och utgångsfilter. Ingångsfilter används för att undertrycka den negativa påverkan av likriktaren och PWM-växelriktaren, utgångsfilter är utformade för att bekämpa störningar som genereras av PWM-växelriktaren och externa störningskällor. Ingångsfilter inkluderar nätdrosslar och EMI-filter (RF-filter), utgångsfilter: dU/dt-filter, motordrosslar, sinusfilter, högfrekventa common-mode brusfilter.
Nätdrosseln är en tvåvägsbuffert mellan strömförsörjningsnätet och frekvensomformaren och skyddar nätet från högre övertoner av 5:e, 7:e, 11:e ordningen med en frekvens på 250Hz, 350Hz, 550Hz, etc. Dessutom hjälper linjedrosslar till att skydda frekvensomformaren från ökad nätspänning och strömstötar under transienter i nättillförseln och belastningen på växelriktaren, särskilt under en kraftig ökning av nätspänningen, vilket till exempel inträffar när kraftfulla asynkronmotorer vrids av. Nätdrosslar med ett specificerat spänningsfall över lindningsresistansen på cirka 2 % av nätspänningens nominella värde är konstruerade för användning med frekvensomformare som inte regenererar den energi som frigörs när motorn bromsas tillbaka in i strömförsörjningssystemet. Choker med ett specificerat spänningsfall på lindningarna på cirka 4% är utformade för att driva kombinationer av omvandlare och autotransformatorer med funktionen att regenerera motorns bromsenergi till strömförsörjningssystemet.
Fördelar med att använda linjedrossel:
I förhållande till försörjningsnätet är frekvensomformaren (FC+motor) en variabel belastning. Tillsammans med strömkablarnas induktans leder detta till högfrekventa fluktuationer i nätströmmen och spänningen och följaktligen till elektromagnetisk strålning (EMR) från strömkablarna, vilket kan påverka funktionen hos andra elektroniska enheter negativt. EMI-filter är nödvändiga för att säkerställa elektromagnetisk kompatibilitet när omvandlaren installeras på platser som är kritiska för störningsnivån från elnätet.
dU/dt-filtret är ett L-format lågpassfilter som består av chokes och kondensatorer. Induktansvärdena för droslarna och kondensatorerna är valda på ett sådant sätt att de säkerställer undertryckning av frekvenser över kopplingsfrekvensen för strömbrytarna på FC-växelriktaren. Induktansen för filterinduktorlindningen dU / dt ligger i intervallet från flera tiotal till flera hundra μH, kapacitansen för filterkondensatorerna dU / dt är vanligtvis i intervallet flera tiotals nF. Genom att använda ett dU/dt-filter är det möjligt att reducera toppspänningen och förhållandet mellan dU/dt-pulserna vid motorterminalerna till ungefär 500 V/µs, och därigenom skydda motorlindningen från elektriskt genombrott.
Eftersom dU/dt-filtret har relativt låga induktans- och kapacitansvärden har spänningsvågen på motorlindningarna fortfarande formen av bipolära rektangulära pulser istället för en sinusform. Men strömmen som flyter genom motorlindningarna har redan formen av en nästan vanlig sinusoid. dU/dt-filter kan användas vid en kopplingsfrekvens under det nominella värdet, men de bör undvikas vid en kopplingsfrekvens över det nominella värdet eftersom detta kommer att få filtret att överhettas. dU/dt-filter kallas ibland för motordrosslar. De flesta motordrosslar är konstruerade utan kondensatorer, och spollindningarna har en högre induktans.
Utformningen av sinusfilter (sinusfilter) liknar designen av dU/dt-filter, med den enda skillnaden att de har större drosslar och kondensatorer som bildar ett LC-filter med en resonansfrekvens på mindre än 50 % av omkopplingsfrekvensen ( PWM-växelriktarens bärfrekvens). Detta ger mer effektiv utjämning och undertryckning av höga frekvenser och en sinusform av fasspänningar och motorströmmar. Värdet på sinusfiltrets induktans ligger i intervallet från hundratals μH till tiotals mH, kapacitansen för sinusvågsfilterkondensatorerna är från enheter av μF till hundratals μF. Därför är dimensionerna på sinusfilter stora och jämförbara med dimensionerna på frekvensomformaren som detta filter är anslutet till.
Vid användning av sinusfilter finns det inget behov av att använda speciella motorer med förstärkt isolering certifierade för drift med frekvensomformare. Det minskar också akustiskt brus från motorn och lagerströmmar i motorn. Uppvärmningen av motorlindningarna som orsakas av närvaron av högfrekventa strömmar reduceras. Sinusfilter gör att längre motorkablar kan användas i applikationer där motorn är installerad långt från frekvensomformaren. Samtidigt eliminerar sinusfiltret impulsreflektioner i motorkabeln och minskar därmed förlusterna i själva frekvensomformaren.
Sinusfilter kan användas med en switchfrekvens som är högre än det nominella värdet, men de kan inte användas med en switchfrekvens som är lägre än det nominella värdet (för denna filtermodell) med mer än 20 %. Därför är det i frekvensomformarens inställningar nödvändigt att begränsa den minsta möjliga omkopplingsfrekvensen i enlighet med filtrets märkdata. Dessutom, när du använder ett sinusfilter, rekommenderas det inte att öka frekvensen på växelriktarens utspänning över 70 Hz. I vissa fall är det nödvändigt att ange kapacitans- och induktansvärdena för sinusfiltret i växelriktaren.
Under drift kan ett sinusfilter frigöra en stor mängd värmeenergi (från tiotals W till flera kW), så det rekommenderas att installera dem på välventilerade platser. Dessutom kan driften av ett sinusfilter åtföljas av närvaron av akustiskt brus. Vid frekvensomriktarens nominella belastning kommer en spänning på ca 30 V att falla över sinusfiltret Detta måste beaktas vid val av elmotor. Spänningsfallet kan delvis kompenseras genom att reducera fältförsvagningspunkten i frekvensomformarens inställningar, och fram till denna punkt kommer rätt spänning att läggas på motorn, men vid nominell hastighet kommer spänningen att minska.
dU/dt-drossel, motordrossel och sinusfilter måste anslutas till frekvensomformarens utgång med kortast möjliga skärmade kabel. Maximal rekommenderad kabellängd mellan frekvensomformare och utgångsfilter:
Det högfrekventa common mode-filtret är en differentialtransformator med en ferritkärna, vars "lindningar" är motorkabelns fasledningar. Högpassfiltret reducerar högfrekventa common-mode-strömmar förknippade med elektriska urladdningar i motorlagret och reducerar även högfrekventa emissioner från motorkabeln, till exempel i de fall där oskärmade kablar används. Ferritringarna i det högfrekventa common-mode-filtret är ovala för enkel installation. Genom hålet i ringen förs motorkabelns alla tre fasledningar, anslutna till utgångsterminalerna U, V och W på frekvensomformaren. Det är viktigt att föra alla tre faserna av motorkabeln genom ringen, annars kommer den att mättas. Det är lika viktigt att inte föra den skyddande jordledningen PE, några andra jordledningar eller nollledare genom ringen. Annars kommer ringen att förlora sina egenskaper. I vissa applikationer kan det vara nödvändigt att sätta ihop ett paket med flera ringar för att förhindra deras mättnad.
Ferritringar kan installeras på motorkabeln vid frekvensomformarens utgångsterminaler (plintarna U, V, W) eller i motoranslutningsboxen. Installation av högfrekventa filterferritringar på terminalsidan av frekvensomformaren minskar både belastningen på motorlagren och den högfrekventa elektromagnetiska störningen från motorkabeln. När det installeras direkt i motorkopplingsdosan, minskar common mode-filtret endast belastningen på lagren och påverkar inte EMI från motorkabeln. Det erforderliga antalet ringar beror på deras geometriska dimensioner, längden på motorkabeln och frekvensomformarens driftspänning.
Under normal drift överstiger inte ringarnas temperatur 70 °C. Ringtemperaturer över 70 °C indikerar mättnad. I det här fallet måste du installera ytterligare ringar. Om ringarna fortsätter att mättas betyder det att motorkabeln är för lång, att det finns för många parallella kablar eller att en kabel med hög kapacitans används. Använd inte heller en sektorformad kabel som motorkabel. Endast kablar med rund kärna ska användas. Om omgivningstemperaturen är över 45 - 55 °C blir nedstämplingen av filtret mycket betydande.
Vid användning av flera parallella kablar måste den totala längden på dessa kablar beaktas vid val av antal ferritringar. Till exempel motsvarar två kablar på 50 m vardera en kabel på 100 m. Om många parallella motorer används måste en separat uppsättning ringar installeras på var och en av dem. Ferritringar kan vibrera när de utsätts för ett växlande magnetfält. Denna vibration kan slita på ringens eller kabelns isoleringsmaterial genom gradvis mekanisk nötning. Därför bör ferritringarna och kabeln fästas ordentligt med buntband av plast (klämmor).
