Схемы частотники: Самодельный частотник. Разрабатываем преобразователь вместе

Содержание

Схема частотного преобразователя. Описание структуры преобразователей частоты для асинхронных электродвигателей.

Об асинхронных двигателях переменного тока, работой которых управляют частотные преобразователи, часто говорят, как о лучшей альтернативе электрическим приводам постоянного тока. Хотя система, регулирующая скорость, с которой вращается электродвигатель, в последних не отличается сложностью, высокая стоимость и не очень высокая надежность делают их невыгодными. Есть и иные проблемы: щетки чрезмерно искрят, из-за чего повышена электроэрозия и изнашивается коллектор. Поэтому такие электродвигатели нельзя применять в сильно запыленных местах и там, где велика потенциальная опасность взрыва.

Схему преобразователя частоты придумали в далеких 1930-х годах. Однако внедрить ее в жизнь удалось только когда появились полупроводники и транзисторные элементы. Основным недостатком, свойственным асинхронным двигателям, является сложность организации системы, регулирующей скорость, с которой вращается двигатель. Вот почему понадобились частотники.

Конструктивные особенности преобразователей частоты

Схема частотного преобразователя асинхронного двигателя имеет следующую ключевую задачу: изменить характеристики, которые имеет проходящий через нее ток. Задача решается транзисторным выпрямлением электротока, который затем преобразовывается до требуемых определенных значений. Схема преобразователя частоты включает в себя три основных части. Она оснащена основанной на микропроцессорах управляющей системой, звеном постоянного тока, импульсным инвертором.

Задачи, которые выполняет первая из вышеперечисленных частей, следующие: управлять работой систем преобразования, защищать частотник. В составе второй части используются устройства фильтрации и выпрямитель. Ими осуществляются прием сигнала на входе и перенаправление того к инвертору. Ну а третьей частью (импульсным инвертором) производится преобразование тока таким образом, что тот приобретает определенную амплитуду и частоту. Затем преобразованный ток подается на статор. Обычно в конструкции используются 6 транзисторов-ключей либо построенная на тиристорах схема.

Схема частотного преобразователя способна обеспечить четкость синусоиды, которую имеет сигнал на выходе, если она собрана с использованием не устаревших тиристоров, а IGBT-транзисторов (они работают как инверторные ключи).

Принцип функционирования частотника

Вообще, полноценный частотник комплектуется следующими устройствами: системой управления, инвертором, управляющим широтно-импульсной модуляцией модулем, диодным силовым выпрямителем, конденсатором фильтра и дросселем. Это его основные структурные элементы. Регуляцию напряжения и частоты на выходе схема преобразователя осуществляет с помощью высокочастотного широтно-импульсного управления. Последнее же имеет зависимость от того, какая периодичность у модуляции.

Модуляцию определяют как отрезок времени, на протяжении которого статором получаются поочередные сигналы посылаемые то отрицательным, то положительным полюсом. Продолжительность данного отрезка модулируется в согласии с законом гармонических частот, который называют синусоидальным. А в обмотках электродвигателя ток подвергается дополнительному преобразованию, и после прохождения фильтра ему присуща четко синусоидальная форма. И, как уже было сказано выше, крайне желательно, чтобы схема частотного преобразователя подключаемого в асинхронные электродвигатели была собрана на IGBT-транзисторах.

Кривую, которую имеет выходное напряжение (а по сути она является ничем иным, как двуполярной последовательностью высокой частоты), создают импульсы, имеющие прямоугольную конфигурацию. Их тоже регулирует широтно-импульсная модуляция. Модулирование ширины, которую имеют импульсы, производится в соответствии с синусоидальным законом. Есть два способа, используя которые схема преобразователя частоты изменяет параметры напряжения на выходе.

Один из этих способов заключается в регуляции значения, которое имеет напряжение на входе, дающей результат в виде изменения амплитуды. Второй способ такой: значение, которое имеет напряжение на входе не изменяется, но делаются корректировки в программе, контролирующей, с какой периодичностью переключаются переключатели (6 транзисторных ключей). Производимые сегодня IGBT-транзисторы делают применение второго из вышеописанных способов более предпочтительным. Соответственно, он очень широко используется. Сегодня уже не так часто встречается схема частотного преобразователя, собранная не на IGBT-транзисторах. ШИМ, конечно, тоже способна выдавать кривую тока, по форме близкую к синусоиде. Однако только потому, что обмотки электродвигателя играют роль фильтра.

Подключение и настройка частотного преобразователя

Частотный преобразователь используется для изменения частоты напряжения, питающего трехфазный двигатель. Кроме того, частотник позволяет подключить трехфазный электрический двигатель к однофазной сети без потерь мощности. В случае, когда для этих целей применяются конденсаторы, последнее невыполнимо.

Подключение частотника предполагает размещение перед ним автоматического выключателя, работающего с током, равным номинальному (или ближайшему большему в ряду номинальных токов автоматов) потребляемому току двигателя. Если ПЧ адаптирован на работу от трехфазной сети, необходимо задействовать трехфазный автомат, имеющий общий рычаг. Такой подход позволяет в случае короткого замыкания одной из фаз оперативно обесточить и все остальные фазы. Характеристики тока срабатывания должны полностью соответствовать току одной фазы электрического двигателя. Если же частотник предназначен для однофазного питания, имеет смысл применить одинарный автомат, рассчитанный на утроенный ток одной фазы. В любом случае, установка частотника не должна осуществляется путем включения автоматов в разрыв нулевого или заземляющего провода. Здесь подключение выполняется только напрямую.

Далее настройка преобразователя частоты предусматривает присоединение его фазных проводов к соответствующим контактам электрического двигателя. Перед этим необходимо соединить в электродвигателе обмотки по схеме «треугольник» или «звезда». Конкретный тип соединения определяется характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты.

Как правило, на корпусе двигателя приведены два значения напряжения. В ситуации, когда вырабатываемому частотником напряжению соответствует меньшее из указанных, необходимо применить схему «треугольник». В противном случае обмотки соединяются по принципу «звезды».

Пульт управления, входящий в комплект поставки частотного преобразователя, располагают в удобном месте. Подключить его необходимо согласно схеме, приведенной в инструкции к ПЧ. Далее рукоятка устанавливается в нулевое положение и выполняется включение автомата. При этом на пульте загорается световой индикатор. Для работы  преобразователя необходимо нажать кнопку «RUN» (запрограммировано по умолчанию). Затем необходимо немного повернуть рукоятку, чтобы электродвигатель начал постепенное вращение. В случае, если двигатель вращается в противоположную сторону, нажимается кнопка реверса. Далее следует настроить рукояткой необходимую частоту вращения. Важно учесть, что на пультах многих частотников отображается не частота вращения электрического двигателя (об/мин), а частота питающего электродвигатель напряжения, выраженная в герцах.

Схема подключения частотного преобразователя

Если у Вас остались вопросы по подключению и настройке преобразователей, обращайтесь за помощью к нашим техническим специалистам. Также предлагаем ознакомиться с каталогом частотных преобразователей Siemens и Prostar.

Другие полезные материалы:
Как правильно подобрать электродвигатель
Редуктор от «А» до «Я»
Как выбрать мотор-редуктор
Общие сведения об устройствах плавного пуска
Схемы подключения УПП

Как подключить частотный преобразователь к электродвигателю — основные этапы

Частотный преобразователь — это высокотехнологичный прибор с широкими возможностями. Подключение частотного преобразователя помогает автоматизировать различные производственные процессы, получить существенную экономию электроэнергии и заметно продлить ресурс оборудования.

Микропроцессорная база и встроенные компьютерные технологии делают прибор очень гибким по функционалу. Выбор комбинаций огромен, но для начала частотный преобразователь необходимо правильно подключить и настроить.

Установка частотника

Ошибки при подключении двигателя через частотный преобразователь способны значительно снизить срок его жизни и даже вывести электропривод из строя при первом же запуске. Важным этапом ввода в эксплуатацию является выбор предполагаемого места установки преобразователя. Необходимо учитывать комплекс условий, в числе которых:

  • Возможности питающей линии.
  • Диапазон рабочих температур.
  • Влажность.
  • Вибрации.
  • Наличие агрессивных сред (какой класс защиты IP требуется).

Частотник можно монтировать вдали от электродвигателя. Но есть нюансы с длиной кабеля. Чтобы избежать появления эффекта отраженной волны, перенапряжения и коронного заряда, длину питающего кабеля следует ограничить. При периоде ШИМ от 0,3 мс — не более 45 м, при ШИМ 0,1 мс — не более 16 м.

Если двигатель специально предназначен для работы совместно с преобразователем, то длина кабеля может быть любой. Например, двигатели, сертифицированные по стандарту NEMA Standart MG-1. Двигатель для ПЧ должен быть оснащен изоляцией класса F или выше, а также иметь фазовую изоляцию. Также, чтобы избежать нежелательных явлений при большой длине кабеля, можно установить сглаживающие реакторы и фильтры сразу после ПЧ и непосредственно перед электродвигателем.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю следует производить строго по инструкции производителя. Особенно внимательно нужно отнестись к подключению силовой части. Перед прибором необходимо установить автоматический выключатель, работающий с током ≥ номинальному потребляемому току электродвигателя. Входные клеммы должны быть подключены только к фазам питающей сети (заземление только к заземляющему контуру), а выходные клеммы — к питаемому электродвигателю. В компании «Веспер» разработаны наглядные схемы и даны подробные инструкции к каждой модели. Например, схема подключения частотного преобразователя «Веспер E4-8400»:

Сетевые технологии для управления

Настройка частотника и программирование режимов работы осуществляется непосредственно с панели управления, выносного пульта или, что наиболее удобно, с помощью компьютера. Операционное место может находиться за многие километры от ПЧ, для этого необходимо воспользоваться сетевыми технологиями.

Для совместной работы электродвигателя и системы автоматического управления используются различные протоколы передачи данных. Наибольшее распространение получил протокол связи Modbus с интерфейсом RS-485. Передача управляющего сигнала в линиях RS-485 осуществляется по проводу. Даже если сразу не требуется включать частотник в систему удаленного управления, на перспективу такой вариант подключения следует предусмотреть и заранее запланировать место, где удобнее проложить магистраль и подключиться к сети.

ПЧ — органы управления

Преобразователи «Веспер» оборудованы панелью с информационным ЖК-дисплеем и набором для управления и проведения пусконаладки. В зависимости от модели ПЧ, дисплеи могут отличаться количеством строчек. На дисплей прибора можно выводить данные о текущем состоянии параметров.

Для большего удобства и реализации более сложных систем управления через аналоговые и дискретные (релейные, транзисторные) выходы можно подключить выносной ДУ-пульт. А через линию интерфейсной связи — ПК (ноутбук или стационарный).

Ноутбук можно использовать в режиме осциллографа — для наблюдения за изменениями параметральных величин в реальном времени. В таком случае также необходимо заранее подготовить место с изолированной поверхностью и предусмотреть возможность работы ноутбука от батареи.

Настройка перед запуском

Частотные преобразователи — сложные компьютеризированные устройства со множеством функций и настроек. Чтобы облегчить и ускорить ввод прибора в эксплуатацию, на заводе уже проведены базовые настройки. При этом многие параметры «по умолчанию» могут быть оптимальными для решения поставленных задач.

В дополнение к базовым настройкам, преобразователи «Веспер» поддерживают функцию автонастройки — идентификационный пуск. В этом режиме ПЧ до запуска двигателя или уже у работающего двигателя автоматически определяет параметры обмоток.

Перед запуском также необходимо проверить и задать стартовый набор параметров:

  • Характеристики управляемого двигателя — напряжение, мощность, рабочий диапазон частоты вращения (эти параметры можно посмотреть в технической документации или на шильдике двигателя).
  • Канал задания — указать, из какого источника ПЧ следует брать задания (панель управления, дискретные/аналоговые выходы, удаленный интерфейс).
  • Канал управления — указать, откуда будут поступать управляющие команды (запуск/остановка). В качестве управляющего канала можно выбрать: панель управления, дискретные/аналоговые выходы, удаленный интерфейс.
  • Схема преобразования — если нет опыта, эту настройку лучше не менять, оставить по умолчанию.

Строго следуя инструкции и обладая базовыми знаниями, можно самостоятельно разобраться с тем, как подключить частотный преобразователь к электродвигателю. Но если нет желания или времени во все вникать — поручите это высококвалифицированным сотрудникам «Веспер». Они проведут пусконаладочные работы быстро и профессионально.

Видео

Вступительный фильм о типовых примерах применения преобразователей частоты Веспер. В видеоролике показаны преимущества использования частотно-регулируемого электропривода по отношению к другим типам приводов. Коротко представлена продукция нашей компании и география ее использования.


Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

  • Индукционные.
  • Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:
  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:
  • Выпрямитель.
  • Фильтр напряжения.
  • Инверторный узел.
  • Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:
  • Амплитудная.
  • Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:
  • Радиопомехи.
  • Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:
  • Ввод связи.
  • Контроллер.
  • Карта памяти.
  • Программа.
  • Дисплей.
  • Тормозной прерыватель с фильтром.
  • Охлаждение схемы вентилятором.
  • Прогрев двигателя.
Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение
Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.
  • Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
  • Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
  • Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
  • Компрессоры.
  • Дымососы.
  • Центрифуги.
  • Лифтовое оборудование.
  • Оборудование в деревообработке.
  • Робототехника.
Преимущества
  • Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
  • Возможность управления группой двигателей.
  • Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
  • Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
  • Образование многофункциональных систем управления приводами.
  • Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.
Похожие темы:

Преобразователи частоты: все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей

Двухтрансформаторная схема

Терристорные преобразователи частоты

Высоковольтные преобразователи частоты на IGB транзисторах

Преобразователи частоты — это устройства, которые предназначены для контроля оборотов асинхронных и синхронных электродвигателей. На сегодняшний день высоковольтные частотные преобразователи используются повсеместно, начиная от обычной бытовой техники, например кухонных комбайнов и заканчивая сложными промышленными роботами или портовыми кранами.

Огромное количество видов электродвигателей и необходимость их регулирования привело к появлению различных видов частотников, которые выполняя, в принципе одну и ту же задачу, могут очень сильно отличаться по внутреннему устройству, принципу работы и управления.

По состоянию на 2016 год рынок преобразователей частоты Украины считается насыщенным. Для решения практически любой задачи управления электродвигателем сейчас можно найти высоковольтные преобразователи частоты от именитых брендов, как например Scheneider Electric, Siemens или ABB, так и не дорогих, например от Азиатских брендов. При этом конкуренция здесь довольно высока. Европейские бренды постоянно пытаются снизить стоимость, сохранив при этом качество изделий, а китайские, корейские другие бренды с годами выпускают всё более и более надежные решения.

В нашей стране существует большая потребность в преобразователях частоты для электродвигателей среднего и высокого напряжения. Темой данной статьи являются высоковольтные частотные преобразователи для управления средне и высоковольтными электродвигателями. 

Высоковольтные преобразователи частоты: основные типы

Типовые схемы высоковольтных преобразователей частоты

Двухтрансформаторная схема.

Принцип работы заключается в том, что входящее напряжение в 6-10 кВ с помощью входного трансформатора снижается до 400-660В, далее с помощью обычного низковольтного частотника происходит модуляция выходного напряжения. После этого уже модулированное выходное напряжение повышается с помощью выходного трансформатора до необходимых 6-10 кВ.

Данная схема имеет огромное количество минусов и в основном не используется в качественных решениях. Хотя некоторые именитые бренды, например Schneider Electric пытается продвигать такие решения, как основные.

Практически единственный плюс от такого решения — цена, она в среднем в несколько раз ниже аналогов.

Из минусов можно отметить следующее:

  • пиковые перенапряжения на выходе частотника могут доходить до 1кВ, это угрожает выходом из строя повышающего выходного трансформатора. Из-за этого требуется установка защитного синусоидального фильтра, который является дорогостоящим устройством.
  • Высоковольтный преобразователь частоты, изготовленный по двухтрансформаторной схеме, из-за особенностей конструкции имеют существенное ограничение по диапазону регулирования оборотов. В основном она находится в диапазоне от 0,5 до 1nном
  • Так же при снижении частоты значительно снижается КПД управляемого электродвигателя
  • Размеры и вес устройства. Такой высоковольтный преобразователь частоты значительно больше и тяжелее частотников, построенных по другим схемам.
  • Появление большой реактивной мощности. Из-за особенностей конструкции данные устройства обладают низким коэффициентом мощности, что значительно снижает качество напряжение в питающей сети, если не производить его коррекцию с помощью установок компенсации реактивной мощности.

Терристорные преобразователи частоты

За основу теристорных частотных преобразователей берется 3-5 уровневые преобразователи частоты на высоковольтных теристорных приборах.

Теристорные высоковольтные преобразователи частоты в основном состоят из понижающего трансформатора, который преобразует трехфазное напряжение в 6-10 кВ  в две-три группы по 1-3 киловольтного напряжения.

Далее напряжение выправляют диоды. Для снижения высших гармоник используются 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей, Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 3 и 4 соответственно. 

В Украине существует несколько предприятий, изготавливающих по индивидуальному заказу теристорные преобразователи частоты. Например Запорожский завод «Преобразователь», но к сожалению, качество изделий от одной партии к другой может существенно отличаться.

Из минусов данной схемы можно отметить:

  • огромную реактивную мощность, которую так же необходимо уменьшать с помощью устройств компенсации реактивной мощности.
  • Необходимость в строгом согласовании работы электронных ключей, поскольку полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени.
  • Надежность. Использование высокоточных терристоров, которые должны открываться и закрываться с высокой синхронностью требует большого времени настройки системы и низкую ремонтнопригодность.
  • Обязательное наличие синус-фильтра

Из плюсов стоит отметить:

  • высокое КПД до 97%
  • Широкий диапазон выходной частоты от 0 до 300 Гц
  • малые габаритные размеры
  • В Украине это наиболее распространенная схема построения высоковольтных преобразователей частоты

Высоковольтные преобразователи частоты на IGB транзисторах

Частотные преобразователи изготовленный по данной технологии на данный момент являются наиболее современными из производимых в промышленных маштабах. Концепция чистой синусоиды включает в себя ряд инновационных решений

Частотник состоит из сухого входного трансформатора и транзисторных инверторных ячеек объединеннных в единый блок. Эти 2 блока уже поставляются в виде единой сборки и не требуют дополнительного монтажа. Принцип построения преобразователей на данной схеме похож на терристорную схему, отличие только в IGB транзисторах вместо тирристоров.

Для управления работой трансзисторов используются современные микроконтроллеры.

Всё вместе позволяет значительно увеличить надежность систем и значительно уменьшить габариты установки. Из плюсов так же стоит отметить малое количество гармоник, это не требует установки дополнительного защитного оборудования. 

Следует отметить так же почти идеальную синусоиду на выходе, что позволяет отказаться от синусоидального фильтра и подключать практически любые виды электродвигателей.

Отказ от выходного трансформатора и синусного фильтра позволяет использовать частотник в векторном режиме с или без датчика обратной связи.

Еще одним плюсом является широкий диапазон регулирования выходной частоты до 1:50

К сожалению, не все компании имеют достаточную производственную и научную базу для изготовления высоковольных преобразователей частоты на IGB транзисторов. Из представленных в Украине брендов, наверное можно отметить Siemens и корейский концерн LS Industrial Systems.

Разрабатываем частотник. Часть первая, силовая часть.

Самостоятельная разработка частотника для трехфазного электродвигателя, дело достаточно затратное и хлопотное. Но если есть желание и интерес к данной теме огромен, то можно попробовать. Данный пост не
претендует на оригинальность и писатель из меня честно говоря плохой. Итак обо всем по порядку.

Начнем с общей структурной схемы.

Данная структурная схема построена по так называемой схеме двойного преобразования. Трехфазное напряжение 380В частотой 50 Гц поступает на вход неуправляемого выпрямителя. На выходе выпрямителя напряжение составляет около 540 В. Это и есть первый этап преобразования. На втором этапе напряжение при помощи инвертора преобразуется в широтно-модулированные импульсы, которые и поступают на обмотки электродвигателя. Статорные обмотки имеют активно-индуктивный характер сопротивления и являются фильтрами, сглаживающими ток. Среднее значение тока будет зависеть от среднего значения приложенного напряжения, то есть от соотношения длительностей внутри периода ШИМ. Блок управления реализует основные алгоритмы управления инвертором. Обеспечивает диагностику силового модуля, а также выполняет функции противоаварийной защиты. Блок питания предназначен для питания цепей управления.

Выпрямитель.
Схема выпрямителя предельно проста.

На вход силового блока поступает трехфазное напряжение сети амплитудой 380 В, и частотой 50 Гц. Для защиты от перенапряжения в схеме используются варисторы VR1- VR3. Далее входное напряжение поступает на выпрямитель с промежуточным звеном постоянного тока. Выпрямитель 36МТ160 представляет собой трехфазную мостовую схему (т.н схема Ларионова) конструктивно выполненную в одном модуле.
Во время зарядки конденсатора промежуточного контура протекает очень большой кратковременный ток. Это может вывести из строя выпрямитель. Ток зарядки ограничивается включением балластного резистора R4 последовательно с конденсаторами DC-звена, который активизируется только при включении преобразователя. После зарядки конденсаторов резистор шунтируется, контактными реле К1. Большая емкость конденсаторов требуется для сглаживания напряжения промежуточного звена. После выключения инвертора из сети, конденсаторы сохраняют высокое напряжение в течение определенного времени.

Вот что получилось в итоге.

Блок питания.
Собран на микросхеме UC3843. Вообще, что касается блока питания, то вовсе не важно какой будет использован.
Хоть самодельный хоть купленный. Главное, на мой взгляд, по возможности питание драйвера IGBT и питания блока управления было от отдельных обмоток трансформатора.

Схема.

Фото.

Инвертор.
Схема инвертора.

IGBT-драйвер собран на транзисторах FGA25N120 и связке оптопары TLP250 и микросхемы TC4420. Что касается микросхемы TC4420 то ее мне посоветовал использовать один мой друг который занимается усилителями «класса D».

Готовый инвертор.

Подопытный кролик Электродвигатель.
Двигатель взял для начала малой мощности. Закрепил на нем инкрементальный энкодер «RO6345» фирмы «IFM».

Все это протестировано, проверено и ждет изготовления блока управления. Будем надеется что у меня хватит терпения, времени и сил довести этот проект до работающего прототипа.

Продолжение следует…

Централизованная или локальная установка преобразователей частоты. Какой вариант лучше?

Содержание:

  1. Какие варианты установки частотников используют на современных производствах?
  2. Особенности централизованного управления
  3. Особенности децентрализованной установки частотных преобразователей
  4. Сегментация управления электродвигателями на объекте

Когда речь идет об установке одного или нескольких частотных преобразователей в промышленных или бытовых условиях, вопрос о месте монтажа частотника обычно не возникает и его ставят там, где удобно. Когда же речь идет о модернизации производства, на котором используются десятки и даже сотни электродвигателей, управление которых переводят на систему, использующую частотный преобразователь, возникает необходимость в выборе общего решения, позволяющего построить единую, ремонтопригодную и простую в обслуживании в систему управления.

Поскольку такое оборудование используется уже достаточно давно, есть ряд наработок, каждая из которых отличается своими достоинствами и недостатками и может применяться в промышленности.

Какие варианты установки частотников используют на современных производствах

Наиболее часто среди промышленных решений, когда требуется организовать независимое управление десятками электромоторов, используются такие варианты:

  • централизованное управление. Предполагает установку единого шкафа с управляющим оборудованием, то есть с частотными преобразователями, откуда разводятся кабели питания на каждый электродвигатель;
  • децентрализованное управление. В этой модели установка частотника на двигатель производится либо непосредственно на электромотор, либо в шкаф управления станком, либо в отдельный бокс или даже просто на стену в непосредственной близости от мотора;
  • сегментированное управление. Предполагает локальную централизацию, когда несколько электромоторов, находящихся в непосредственной близости друг от друга, подключают к одному шкафу централизованного управления. При этом таких шкафов на объекте может быть несколько.

Каждый из этих вариантов подключения асинхронных электродвигателей одно и трехфазного тока имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые следует рассмотреть отдельно.

Особенности централизованного управления

Такая схема предполагает установку одного коммутационного шкафа, к которому подводится питающее напряжение электросети, размещаются частотные преобразователи, выходные кабеля с которых прокладываются к месту установки электромоторов. К достоинствам такого решения можно отнести:

  • упрощение работ по наладке частотных преобразователей;
  • более простое решение задачи поддержания оптимального температурного режима путем установки систем вентиляции и кондиционирования общего шкафа;
  • минимизация протяженности сетей мониторинга и контроля.

У такого решение есть также ряд существенных недостатков, среди которых:

  • значительное удаление электромотора от управляющего им частотного преобразователя приводит к росту потерь энергии в кабеле;
  • возможно превышение длины кабеля от шкафа к электромотору свыше значения, установленного производителем частотника;
  • рост уровня электромагнитных помех на объекте, который неизбежно связан с гармоническими колебаниями, образующимися в цепях силового питания электродвигателей после преобразователя частоты.

Поэтому такие решения используют, как правило, для управления относительно маломощными электромоторами, которые расположены на незначительном удалении от централизованного управляющего шкафа. При этом место для установки шкафа выбирается с точки зрения минимизации общей длины шлейфов подключения к электродвигателям, если, конечно, это допускает планировка объекта.

Особенности децентрализованной установки частотных преобразователей

Такая схема предполагает установку частотника непосредственно на электромотор, в рядом расположенный коммутационный шкаф или в само оборудование, например, в станок, если это позволяет его конструкция.

Преимущества такой схемы очевидны, особенно если выполняется переоборудование производства и к местам подключения электромоторов уже разведено питающее напряжение. В этом случае:

  • минимизируется длина дорогостоящего кабеля для подключения электромотора к частотнику;
  • снижается уровень помех в сети предприятия;
  • проще обнаружить и диагностировать поломку.

Недостатки у такого решения тоже можно найти, особенно если требуется обеспечить централизованное управление парком электродвигателей. В этом случае потребуется понести затраты на прокладку отдельных линий передачи данных к каждому частотнику.

Также потребуется отдельно решать задачи обеспечения температурного режима, защиты от пыли и влаги каждого частотного преобразователя по отдельности.

Поэтому часто для решения задачи комплексного внедрения частотников на крупных объектах применяют комбинированный вариант, который предполагает сегментацию централизованного и локального управления.

Сегментация управления электродвигателями на объекте

Технология предполагает группировку нескольких преобразователей частоты в коммутационном шкафу, при этом управляемые ими электромоторы находятся на незначительном расстоянии, не превышающем рекомендации производителя. Например, вариантом такой установки можно рассматривать монтаж одного такого шкафа по центру производственного цеха, в котором используется электромоторы.

Какая схема сегментации также предполагает возможность установки частотного преобразователя непосредственно на мотор, при этом критерием для такого решения может стать, например, высокая мощность электродвигателя, повышенные требования к точности системы обратной связи или другие конструктивные ограничения. Например, электромотор может быть установлен на значительном удалении от предполагаемого места размещения коммутационных шкафов и в этом случае дешевле и разумнее установить преобразователь непосредственно на него.

Кроме того, сегментация системы управления электромоторами позволяет выполнять раздельное обслуживание и ремонт таких шкафов, что не приводит к полной остановке производства.

Если вам необходимо определиться с выбором варианта подключения частотных преобразователей и места их установки, а также системы управления, вы всегда можете обратиться в нашу компанию за помощью в проектировании общей схемы объекта и выбором оптимального оборудования.

 


вернуться в блог

Резонанс серии

в последовательной резонансной цепи RLC

До сих пор мы проанализировали поведение последовательной RLC-цепи, напряжение источника которой является синусоидальным источником питания с фиксированной частотой в установившемся режиме. Мы также видели в нашем руководстве по последовательным цепям RLC, что два или более синусоидальных сигнала могут быть объединены с использованием векторов при условии, что они имеют одинаковую частоту питания.

Но что будет с характеристиками схемы, если на схему будет подано напряжение питания фиксированной амплитуды, но разных частот.Также, какова будет поведение «частотной характеристики» схемы на двух реактивных компонентах из-за этой изменяющейся частоты.

В последовательной цепи RLC становится частотной точкой, в которой индуктивное реактивное сопротивление катушки индуктивности становится равным по величине емкостному реактивному сопротивлению конденсатора. Другими словами, X L = X C . Точка, в которой это происходит, называется точкой резонансной частоты ( r ) схемы, и, когда мы анализируем последовательный контур RLC, эта резонансная частота создает последовательный резонанс .

Цепи серии Resonance являются одними из наиболее важных электрических и электронных цепей. Их можно найти в различных формах, таких как сетевые фильтры переменного тока, фильтры шумов, а также в схемах настройки радио и телевидения, создающих очень избирательную схему настройки для приема различных частотных каналов. Рассмотрим простую последовательную схему RLC ниже.

Цепь RLC серии

Во-первых, давайте определимся с тем, что мы уже знаем о последовательных цепях RLC.

Из приведенного выше уравнения для индуктивного реактивного сопротивления, если увеличить либо частоту , либо индуктивность , общее значение индуктивного реактивного сопротивления катушки индуктивности также увеличится. По мере приближения частоты к бесконечности реактивное сопротивление катушек индуктивности также будет увеличиваться до бесконечности, когда элемент схемы действует как разомкнутая цепь.

Однако, когда частота приближается к нулю или постоянному току, реактивное сопротивление катушек индуктивности уменьшится до нуля, вызывая противоположный эффект, действующий как короткое замыкание.Это означает, что индуктивное реактивное сопротивление составляет « пропорционально » частоте и мало на низких частотах и ​​высокое на более высоких частотах, что демонстрируется следующей кривой:

Индуктивное сопротивление относительно частоты

График зависимости индуктивного реактивного сопротивления от частоты представляет собой прямолинейную линейную кривую. Значение индуктивного реактивного сопротивления катушки индуктивности линейно увеличивается с увеличением частоты на ней. Следовательно, индуктивное реактивное сопротивление положительно и прямо пропорционально частоте (X L ∝ ƒ)

То же самое верно и для приведенной выше формулы емкостного реактивного сопротивления, но в обратном порядке.Если увеличить либо частоту , либо емкость , общее емкостное реактивное сопротивление уменьшится. По мере приближения частоты к бесконечности реактивное сопротивление конденсаторов снизится практически до нуля, в результате чего элемент схемы будет действовать как идеальный проводник с сопротивлением 0 Ом.

Но по мере приближения частоты к нулю или уровню постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов будет быстро увеличиваться до бесконечности, заставляя его действовать как очень большое сопротивление, становясь больше похожим на состояние разомкнутой цепи.Это означает, что емкостное реактивное сопротивление « обратно пропорционально » частоте для любого заданного значения емкости, как показано ниже:

Емкостное сопротивление против частоты

График зависимости емкостного реактивного сопротивления от частоты представляет собой гиперболическую кривую. Значение реактивного сопротивления конденсатора имеет очень высокое значение на низких частотах, но быстро уменьшается с увеличением частоты на нем. Следовательно, емкостное реактивное сопротивление отрицательно и обратно пропорционально частоте (X C ∝ ƒ -1 )

Мы видим, что значения этих сопротивлений зависят от частоты источника питания.На более высокой частоте X L высокий, а на низкой частоте X C высокий. Тогда должна быть точка частоты, в которой значение X L совпадает со значением X C и есть. Если теперь мы поместим кривую индуктивного реактивного сопротивления поверх кривой емкостного реактивного сопротивления так, чтобы обе кривые находились на одной оси, точка пересечения даст нам точку последовательной резонансной частоты ( r или ω r ) как показано ниже.

Частота резонанса серии

где: ƒ r в Герцах, L в Генри и C в Фарадах.

Электрический резонанс возникает в цепи переменного тока, когда два противоположных и равных реактивных сопротивления нейтрализуют друг друга как X L = X C . Точка на приведенном выше графике, в которой это происходит, находится там, где две кривые реактивного сопротивления пересекают друг друга. В последовательном резонансном контуре резонансная частота r баллов может быть рассчитана следующим образом.

Мы можем видеть, что в резонансе математически два реактивных сопротивления компенсируют друг друга как X L — X C = 0.Это заставляет последовательную комбинацию LC действовать как короткое замыкание с единственным противодействием току в последовательной резонансной цепи, являющимся сопротивлением, R

.

В сложной форме резонансная частота — это частота, при которой полный импеданс последовательной цепи RLC становится чисто «реальным» , то есть не существует мнимого импеданса. Это потому, что при резонансе они погашаются. Таким образом, полное сопротивление последовательной цепи становится просто значением сопротивления и, следовательно, Z = R.

Тогда в резонансе полное сопротивление последовательной цепи минимально и равно только сопротивлению R цепи. Импеданс контура в резонансе называется «динамическим импедансом» контура, и в зависимости от частоты X C (обычно на высоких частотах) или X L (обычно на низких частотах) будет доминировать с любой стороны резонанса, как показано. ниже.

Импеданс в цепи последовательного резонанса

Обратите внимание, что когда емкостное реактивное сопротивление доминирует в цепи, кривая импеданса имеет гиперболическую форму, но когда индуктивное реактивное сопротивление доминирует в цепи, кривая становится несимметричной из-за линейного отклика X L .

Вы также можете отметить, что если импеданс контуров минимален при резонансе, то, следовательно, проводимость контура должна быть максимальной, и одной из характеристик последовательного резонансного контура является то, что проводимость очень высока. Но это может быть плохо, потому что очень низкое значение сопротивления при резонансе означает, что результирующий ток, протекающий по цепи, может быть опасно высоким.

Мы напоминаем из предыдущего руководства о последовательном RLC-контуре, что напряжение на последовательной комбинации является векторной суммой V R , V L и V C .Затем, если в резонансе два реактивных сопротивления равны и компенсируются, два напряжения, представляющие V L и V C , также должны быть противоположными и равными по величине, тем самым компенсируя друг друга, потому что с чистыми компонентами напряжения векторов составляют +90 o и -90 o соответственно.

Затем в цепи резонанса серии , поскольку V L = -V C , результирующие реактивные напряжения равны нулю, и все напряжение питания падает на резисторе.Следовательно, V R = V обеспечивает , и именно по этой причине последовательные резонансные цепи известны как цепи резонанса напряжения (в отличие от параллельных резонансных цепей, которые являются цепями резонанса тока).

Цепь RLC серии

при резонансе

Поскольку ток, протекающий через последовательный резонансный контур, является произведением напряжения, деленного на импеданс, в резонансе импеданс Z имеет минимальное значение (= R). Следовательно, ток цепи на этой частоте будет иметь максимальное значение V / R, как показано ниже.

Цепи серии

при резонансе

Кривая частотной характеристики последовательного резонансного контура показывает, что величина тока является функцией частоты, и нанесение этого на график показывает нам, что отклик начинается с точки, близкой к нулю, достигает максимального значения на резонансной частоте, когда I MAX = I R , а затем снова падает почти до нуля, когда ƒ становится бесконечным. Результатом этого является то, что величины напряжений на катушке индуктивности L и конденсаторе C могут во много раз превышать напряжение питания даже при резонансе, но поскольку они равны и при противодействии, они компенсируют друг друга.

Поскольку последовательный резонансный контур работает только на резонансной частоте, этот тип контура также известен как Acceptor Circuit , потому что в резонансе импеданс контура минимален, поэтому легко принимает ток, частота которого равна его резонансной частоте. частота.

Вы также можете заметить, что, поскольку максимальный ток в цепи при резонансе ограничен только значением сопротивления (чистое и реальное значение), поэтому напряжение источника и ток цепи должны быть в фазе друг с другом на этой частоте.Тогда фазовый угол между напряжением и током последовательного резонансного контура также является функцией частоты для фиксированного напряжения питания и равен нулю в точке резонансной частоты, когда: V, I и V R находятся в фазе с каждым из них. другое, как показано ниже. Следовательно, если фазовый угол равен нулю, то коэффициент мощности должен быть равен единице.

Фазовый угол цепи последовательного резонанса

Также обратите внимание, что фазовый угол положительный для частот выше r и отрицательный для частот ниже ƒ r , и это может быть доказано с помощью,

Полоса пропускания последовательной резонансной цепи

Если последовательная цепь RLC управляется переменной частотой при постоянном напряжении, то величина тока I пропорциональна импедансу Z, поэтому в резонансе мощность, потребляемая цепью, должна быть максимальной, как P = I 2 Z.

Если теперь мы уменьшим или увеличим частоту до тех пор, пока средняя мощность, потребляемая резистором в последовательном резонансном контуре, не станет вдвое меньше его максимального значения при резонансе, мы получим две частотные точки, называемые точками половинной мощности , которые на -3 дБ ниже от максимума, принимая 0 дБ в качестве максимального опорного тока.

Эти точки -3 дБ дают нам значение тока, которое составляет 70,7% от его максимального резонансного значения, которое определяется как: 0,5 (I 2 R) = (0,707 x I) 2 R.Тогда точка, соответствующая нижней частоте на половине мощности, называется «нижней частотой среза», обозначенной ƒ L , а точка, соответствующая верхней частоте при половинной мощности, называется «верхней частотой среза», с надписью ƒ H . Расстояние между этими двумя точками, т.е. ( H — ƒ L ), называется полосой пропускания , (BW) и представляет собой диапазон частот, в котором обеспечивается по крайней мере половина максимальной мощности и тока, как показано .

Полоса пропускания последовательной резонансной цепи

Частотная характеристика приведенной выше величины тока в цепи относится к «резкости» резонанса в последовательном резонансном контуре. Резкость пика измеряется количественно и называется фактором качества , Q схемы. Добротность связывает максимальную или пиковую энергию, запасенную в цепи (реактивное сопротивление), с энергией, рассеиваемой (сопротивление) в течение каждого цикла колебаний, что означает, что это отношение резонансной частоты к ширине полосы, и чем выше Q в цепи, тем меньше ширина полосы Q = ƒ r / BW.

Поскольку полоса пропускания берется между двумя точками -3 дБ, селективность схемы является мерой ее способности отклонять любые частоты по обе стороны от этих точек. Более избирательная схема будет иметь более узкую полосу пропускания, тогда как менее избирательная схема будет иметь более широкую полосу пропускания. Селективностью последовательного резонансного контура можно управлять, регулируя только значение сопротивления, сохраняя все остальные компоненты одинаковыми, поскольку Q = (X L или X C ) / R.

Пропускная способность цепи последовательного резонанса RLC

Тогда соотношение между резонансом, полосой пропускания, селективностью и добротностью для последовательного резонансного контура определяется как:

1). Резонансная частота, (ƒ r )

2). Ток, (I)

3). Нижняя частота среза, (ƒ L )

4). Верхняя частота среза, (ƒ H )

5).Пропускная способность, (BW)

6). Фактор качества, (Q)

Пример резонанса серии

№1

Последовательная резонансная сеть, состоящая из резистора 30 Ом, конденсатора 2 мкФ и катушки индуктивности 20 мГн, подключена к синусоидальному напряжению питания, которое имеет постоянный выход 9 В на всех частотах. Рассчитайте резонансную частоту, ток в резонансе, напряжение на катушке индуктивности и конденсаторе в резонансе, добротность и полосу пропускания цепи.Также нарисуйте соответствующую форму волны тока для всех частот.

1. Резонансная частота, r

2. Резонансный ток цепи, I м

3. Индуктивное реактивное сопротивление при резонансе, X L

4. Напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе, В L , В C

Примечание: напряжение питания может составлять всего 9 вольт, но в резонансе реактивные напряжения на конденсаторе, V C и катушке индуктивности, V L составляют пиковое значение 30 вольт!

5.Добротность, Q

6. Пропускная способность, BW

7. Верхняя и нижняя точки частоты -3 дБ, H и ƒ L

8. Форма кривой тока

Пример резонанса серии

No2

Последовательная цепь состоит из сопротивления 4 Ом, индуктивности 500 мГн и переменной емкости, подключенных к источнику питания 100 В, 50 Гц. Рассчитайте емкость, необходимую для создания условия последовательного резонанса, и напряжения, генерируемые как на катушке индуктивности, так и на конденсаторе в точке резонанса.

Резонансная частота, r

Напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе, В L , В C

Резонансные обзоры серии

Возможно, вы заметили, что во время анализа последовательных резонансных цепей в этом руководстве мы смотрели на полосу пропускания, верхние и нижние частоты, точки -3 дБ и качество или добротность. Все эти термины используются при проектировании и создании полосовых фильтров (BPF), и действительно, резонансные цепи используются в конструкциях трехэлементных сетевых фильтров, чтобы пропускать все частоты в пределах «полосы пропускания», подавляя все остальные.

Однако основная цель этого руководства — проанализировать и понять концепцию того, как резонанс серии возникает в пассивных цепях серии RLC. Их использование в сетях и проектах RLC-фильтров выходит за рамки этого конкретного руководства и поэтому не будет рассматриваться здесь, извините.

  • Чтобы резонанс возник в любой цепи, она должна иметь как минимум одну катушку индуктивности и один конденсатор.
  • Резонанс — это результат колебаний в цепи, когда накопленная энергия передается от катушки индуктивности к конденсатору.
  • Резонанс возникает, когда X L = X C и мнимая часть передаточной функции равна нулю.
  • В резонансе полное сопротивление цепи равно значению сопротивления как Z = R.
  • На низких частотах последовательная цепь является емкостной, как: X C > X L , это дает схеме ведущий коэффициент мощности.
  • На высоких частотах последовательная цепь является индуктивной, как: X L > X C , это дает цепи отстающий коэффициент мощности.
  • Высокое значение тока при резонансе приводит к очень высоким значениям напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе.
  • Резонансные цепи серии
  • полезны для создания высокочастотных селективных фильтров. Однако его высокий ток и очень высокие значения напряжения компонентов могут вызвать повреждение цепи.
  • Наиболее характерной особенностью частотной характеристики резонансного контура является резкий резонансный пик на его амплитудных характеристиках.
  • Поскольку импеданс минимален, а ток максимален, последовательные резонансные цепи также называются цепями приемника .

В следующем уроке о параллельном резонансе мы рассмотрим, как частота влияет на характеристики параллельно подключенного контура RLC и как на этот раз добротность параллельного резонансного контура определяет его текущее увеличение.

Резонансных цепей RLC

Резонансные цепи используются для избирательного реагирования на сигналы заданной частоты при одновременном различении сигналов разных частот.Если характеристика схемы имеет более узкий пик около выбранной частоты, мы говорим, что схема имеет более высокую «избирательность». «Фактор качества» Q, как описано ниже, является мерой этой избирательности, и мы говорим о схеме, имеющей «высокую добротность», если она является более узкоселективной.

Примером применения резонансных схем является выбор радиоприемником AM радиостанций. Избирательность настройки должна быть достаточно высокой, чтобы четко различать станции выше и ниже по несущей частоте, но не настолько высокой, чтобы различать «боковые полосы», создаваемые наложением сигнала амплитудной модуляцией.

Селективность цепи зависит от величины сопротивления в цепи. Варианты последовательного резонансного контура справа следуют примеру Serway & Beichner. Чем меньше сопротивление, тем выше Q для данных значений L и C. Параллельный резонансный контур чаще используется в электронике, но алгебра, необходимая для характеристики резонанса, гораздо сложнее.

Используя те же параметры схемы, рисунок слева показывает мощность, рассеиваемую в цепи, как функцию частоты.Поскольку эта мощность зависит от квадрата тока, эти резонансные кривые кажутся круче и уже, чем резонансные пики для тока, указанные выше.

Добротность Q определяется по формуле

, где Δω — ширина резонансной кривой мощности на половине высоты.

Поскольку эта ширина оказывается равной Δω = R / L, значение Q также можно выразить как

Q — это обычно используемый параметр в электронике, значения которого обычно находятся в диапазоне от Q = 10 до 100 для схемных приложений.
Index

AC Circuits

Reference
Serway & Beichner
Ch 33

В индуктивной цепи, почему ток увеличивается при уменьшении частоты?

Почему ток (I) уменьшается при увеличении частоты в индуктивной цепи и наоборот?

Еще один вопрос из серии вопросов и ответов.

Объясните утверждение, что « В индуктивной цепи, почему ток в цепи увеличивается при уменьшении частоты ».

Связанные вопросы:

Пояснение:

Мы знаем, что в цепях постоянного тока:

I = V / R,

А в случае цепей переменного тока:

I = V / Z

Где «полное сопротивление цепей переменного тока = полное сопротивление = Z = √ (R 2 + (X L — X C 2

В случае индуктивной цепи:

  • Z = √ (R 2 + X L 2 )
  • I = V / X L или I = V / Z

Он показывает, что в индуктивной цепи ток обратно пропорционален индуктивности «L», а также индуктивному реактивному сопротивлению «X L », поскольку индуктивность и индуктивные реактивные сопротивления прямо пропорциональны друг другу.

Давайте проверим на примере, как уменьшается ток при увеличении частоты в случае индуктивной цепи.

При частоте = 50 Гц

Предположим, индуктивная цепь, где:

  • Напряжение = V = 3000 В
  • Индуктивность = L = 0,1 Генри
  • Сопротивление = R = 12 Ом
  • Частота = f = 50 Гц

Найти индуктивное сопротивление;

X L = 2π f L

X L = 2 x 3.1415 х 50 х 0,1

X L = 31,415 Ом

Сопротивление цепи Now:

Z = √ (R 2 + X L 2 )

Z = √ (12 2 + 31,415 2 )

Z = 33,63 Ом

Наконец, ток в индуктивной цепи:

I = V / Z

I = 3000 В / 33,63 Ом

I = 89,20 А

Связанные вопросы:

При частоте = 60 Гц

Теперь мы увеличили частоту с 50 Гц до 60 Гц.

В = 3 кВ, R = 12 Ом, L = 0,1 Гн, f = 60 Гц.

X L = 2π f L = 2 x 3,1415 x 60 x 0,1 = 37,7 Ом

Z = √ (R 2 + X L 2 ) = √ (12 2 + 37,7 2 ) = 39,56 Ом

I = V / Z = 3 кВ / 39,56 Ом

I = 75,83 А

Заключение:

Мы видим, что, когда частота была 50 Гц , тогда ток цепи был 89.20 А ,

Но когда частота цепи увеличилась с 50 Гц до 60 Гц , то ток уменьшился с 89,20 A до 75,83 A .

Следовательно доказано,

В индуктивной цепи, когда частота увеличивается, ток в цепи уменьшается, и наоборот.

f ∝ 1 / I

Устно или устно,

  • Индуктивное реактивное сопротивление — это разновидность сопротивления.Когда сопротивление увеличивается, ток в цепи уменьшается, и наоборот.
  • Индуктивность прямо пропорциональна индуктивному сопротивлению и частоте.

L f и L X L

  • Ток обратно пропорционален индуктивности, индуктивному сопротивлению и импедансу.

I 1 / L и I 1 / X L и I 1 / Z

  • Импеданс прямо пропорционален индуктивному сопротивлению

Z X L

  • В индуктивной цепи частота обратно пропорциональна току

I 1/ f

Связанные вопросы / ответы:

Контурные эффекты | Сигналы переменного тока смешанной частоты

Принцип несинусоидальных повторяющихся форм волны, эквивалентных серии синусоидальных волн на разных частотах, является фундаментальным свойством волн в целом и имеет большое практическое значение при изучении цепей переменного тока.

Это означает, что всякий раз, когда у нас есть форма волны, которая не имеет идеально синусоидальной формы, рассматриваемая схема будет реагировать так, как если бы на нее одновременно накладывалась совокупность напряжений различной частоты.

Когда цепь переменного тока подвергается воздействию источника напряжения, состоящего из смеси частот, компоненты в этой цепи по-разному реагируют на каждую составляющую частоту. Любой реактивный компонент, такой как конденсатор или катушка индуктивности, будет одновременно представлять уникальный импеданс для каждой частоты, присутствующей в цепи.

К счастью, анализ таких схем стал относительно простым благодаря применению теоремы суперпозиции , рассматривающей многочастотный источник как набор одночастотных источников напряжения, соединенных последовательно, и анализа схемы для одного источника за раз, суммирование результатов в конце для определения общей суммы:

Цепь, управляемая комбинацией частот: 60 Гц и 90 Гц

Схема анализа только для источника 60 Гц:

Схема для решения 60 Гц

Анализ схемы только для источника 90 Гц:

Схема решения 90 Гц

Наложив падение напряжения на резисторы R и C, получаем:

Поскольку два напряжения на каждом компоненте находятся на разных частотах, мы не можем объединить их в одно значение напряжения, как если бы мы складывали вместе два напряжения с разной амплитудой и / или фазовым углом на одной и той же частоте.

Обозначение комплексных чисел дает нам возможность представлять амплитуду формы волны (полярную величину) и фазовый угол (полярный угол), но не частоту.

Что мы можем сказать из этого применения теоремы суперпозиции, так это то, что на конденсаторе будет больше напряжения 60 Гц, чем напряжение 90 Гц. Как раз обратное верно для падения напряжения на резисторе.

Это стоит отметить, особенно в свете того факта, что два источника имеют одинаковое напряжение.Именно такой неравномерный отклик схемы на сигналы разной частоты будет предметом нашего особого внимания в следующей главе.

Мы также можем применить теорему суперпозиции к анализу цепи, питаемой несинусоидальным напряжением, например прямоугольной волной. Если мы знаем ряд Фурье (эквивалент нескольких синусоидальных / косинусоидальных волн) этой волны, мы можем рассматривать его как происходящий из последовательно соединенной цепочки из нескольких источников синусоидального напряжения с соответствующими амплитудами, частотами и фазовыми сдвигами.

Излишне говорить, что это может быть трудоемкой задачей для некоторых форм сигналов (считается, что точный ряд Фурье прямоугольной формы выражается с точностью до девятой гармоники, или всего пяти синусоидальных волн!), Но это возможно. Я упоминаю об этом не для того, чтобы напугать вас, а для того, чтобы проинформировать вас о потенциальной сложности, скрывающейся за, казалось бы, простыми формами сигналов.

Реальная схема будет реагировать на питание от прямоугольной волны точно так же, как и на питание от бесконечной серии синусоидальных волн с нечетно-кратными частотами и убывающими амплитудами.

Известно, что это приводит к неожиданным резонансам цепи, перегреву сердечника трансформатора и катушки индуктивности из-за вихревых токов, электромагнитного шума в широких диапазонах частотного спектра и т.п. Технические специалисты и инженеры должны быть осведомлены о потенциальных эффектах несинусоидальных сигналов в реактивных цепях.

Известно, что гармоники проявляют свое действие также в форме электромагнитного излучения.

Были проведены исследования потенциальных опасностей использования портативных компьютеров на борту пассажирских самолетов, со ссылкой на тот факт, что высокочастотные прямоугольные «часовые» сигналы напряжения компьютеров способны генерировать радиоволны, которые могут мешать работе электронной навигационной системы самолета. оборудование.

Достаточно плохо, что типичные частоты тактового сигнала микропроцессора находятся в пределах диапазона радиочастот самолета, но еще хуже то, что гармонические кратные этих основных частот охватывают еще больший диапазон из-за того, что напряжения тактового сигнала имеют квадратную форму. -волна по форме, а не синусоида.

Электромагнитное «излучение» такого рода может быть проблемой и в промышленных приложениях, поскольку гармоники присутствуют в очень больших количествах из-за (нелинейного) электронного управления мощностью двигателя и электропечи.

Основная частота линии электропередачи может составлять только 60 Гц, но эти кратные частоты гармоник теоретически простираются до бесконечно высоких частотных диапазонов. Низкочастотное напряжение и ток в линии электропередач не излучают в космос так же хорошо, как электромагнитная энергия, но высокие частоты излучают.

Кроме того, емкостная и индуктивная «связь», вызванная близкими проводниками, обычно более сильна на высоких частотах. Сигнальная проводка рядом с силовой проводкой будет иметь тенденцию «улавливать» гармонические помехи от силовой проводки в гораздо большей степени, чем чистые синусоидальные помехи.

Эта проблема может проявиться в промышленности, когда старые средства управления двигателем заменяются новыми, твердотельными электронными средствами управления двигателем, обеспечивающими большую энергоэффективность.

Внезапно на сигнальную проводку может появиться странный электрический шум, которого никогда не было, потому что старые элементы управления никогда не генерировали гармоники, и эти высокочастотные гармонические напряжения и токи имеют тенденцию индуктивно и емкостно «связываться» с соседними проводниками лучше, чем любые сигналы 60 Гц от старых элементов управления.

ОБЗОР:

  • Любая регулярная (повторяющаяся) несинусоидальная форма волны эквивалентна определенной серии синусоидальных / косинусоидальных волн разных частот, фаз и амплитуд, плюс при необходимости смещение постоянного напряжения. Математический процесс определения эквивалента синусоидальной формы волны для любой формы волны называется анализ Фурье .
  • Многочастотные источники напряжения можно смоделировать для анализа путем последовательного подключения нескольких одночастотных источников напряжения.Анализ напряжений и токов выполняется с помощью теоремы суперпозиции. ПРИМЕЧАНИЕ: наложенные напряжения и токи разных частот не могут быть суммированы вместе в форме комплексных чисел, поскольку комплексные числа учитывают только амплитуду и фазовый сдвиг, но не частоту!
  • Гармоники могут вызывать проблемы из-за наложения нежелательных («шумовых») сигналов напряжения на близлежащие цепи. Эти нежелательные сигналы могут поступать посредством емкостной связи, индуктивной связи, электромагнитного излучения или их комбинации.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Почему основные законы цепей нарушаются при высокой частоте переменного тока?

Хотя на этот вопрос уже несколько раз отвечали, я хотел бы добавить рассуждение, которое лично мне открывает больше всего, и оно взято из книги Тома Ли «Планарная микроволновая техника» (глава 2.3).

Как указано в других ответах, большинство людей забывают, что законы Кирхгофа — это просто приближения, которые выполняются при определенных условиях (сосредоточенный режим), когда предполагается квазистатическое поведение.Как это доходит до этих приближений?

Начнем с котировок Максвелла в свободном пространстве:

$$ \ nabla \ mu_0 H = 0 \ qquad (1) \\ \ nabla \ epsilon_0 E = \ rho \ qquad (2) \\ \ nabla \ times H = J + \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} \ qquad (3) \\ \ nabla \ times E = — \ mu_0 \ frac {\ partial H} {\ partial t} \ qquad (4) \\ $

Уравнение 1 утверждает, что в магнитном поле нет дивергенции и, следовательно, нет магнитных монополей (обратите внимание на мое имя пользователя! ;-))

Уравнение 2 является законом Гаусса и утверждает, что существуют электрические заряды (монополи).Это источники расходимости электрического поля.

Уравнение 3 — это закон Ампера с модификацией Максвелла: он утверждает, что обычный ток, а также изменяющееся во времени электрическое поле создают магнитное поле (и последнее соответствует знаменитому току смещения в конденсаторе).

Уравнение 4 является законом Фарадея и утверждает, что изменяющееся магнитное поле вызывает изменение (завихрение) электрического поля.

Уравнение 1-2 не имеет значения для этого обсуждения, но уравнение 3-4 дает ответ на вопрос о том, откуда происходит волновое поведение (и поскольку уравнения Максвелла являются наиболее общими, они применимы ко всем цепям, включая постоянный ток): изменение E вызывает вероятность H что вызывает изменение E и так далее.Это условия связи , которые создают волновое поведение !

Теперь предположим, что mu0 равно нулю. Тогда электрическое поле не имеет завитков и может быть выражено как градиент потенциала, что также означает, что линейный интеграл вокруг любого замкнутого пути равен нулю:

$$ V = \ oint E dl = 0 $

Вуаля, это просто теоретико-полевое выражение Закона Кирхгофа о напряжении.

Аналогично, установка epsilon0 в ноль приводит к

$$ \ nabla J = \ nabla (\ nabla \ times H) = 0 $

Это означает, что отклонение J равно нулю, что означает, что (чистый) ток не может нарастать ни в одном узле.Это не что иное, как Текущий закон Кирхгофа .

На самом деле epsilon0 и mu0, конечно, не равны нулю. Однако они фигурируют в определении скорости света:

.

$$ c = \ sqrt {\ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0}} $

При бесконечной скорости света члены связи исчезли бы, и волновое поведение не было бы вообще. Однако, когда физические размеры системы малы по сравнению с длинами волн, то конечность скорости света не заметна (аналогично тому, как замедление времени всегда существует, но не будет заметно для низких скоростей, и, следовательно, уравнения Ньютона являются приближением Теория относительности Эйнштейна).

Основы высокочастотных аналоговых интегральных схем КМОП

‘) var cartStepActive = true var buybox = document.querySelector («[data-id = id _» + timestamp + «]»). parentNode ; []. slice.call (buybox.querySelectorAll («. покупка-опция»)). forEach (initCollapsibles) функция initCollapsibles (подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector («. цена-варианта-покупки») subscription.classList.remove («расширенный») var form = subscription.querySelector («. Purchase-option-form») if (form && cartStepActive) { var formAction = form.getAttribute («действие») form.setAttribute («действие», formAction.replace («/ checkout», «/ cart»)) document.querySelector («# скриптов электронной торговли»).addEventListener («load», bindModal (form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = subscription.querySelector («. price-info») var buyOption = toggle.parentElement if (переключить && форму && priceInfo) { toggle.setAttribute («роль», «кнопка») toggle.setAttribute («tabindex», «0») переключать.addEventListener («клик», функция (событие) { var extended = toggle.getAttribute («aria-extended») === «true» || ложный toggle.setAttribute («расширенный ария»,! расширенный) form.hidden = расширенный если (! расширено) { buyOption.classList.add («расширенный») } еще { buyOption.classList.удалить («развернутый») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } function bindModal (form, formAction, timestamp, index) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from return function () { var Buybox = EcommScripts? EcommScripts.Buybox: null var Modal = EcommScripts? EcommScripts.Модальный: нуль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + отметка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) function close () { form.querySelector («кнопка [тип = отправить]»).фокус () } form.setAttribute ( «действие», formAction.replace («/ checkout», «/ cart? messageOnly = 1») ) form.addEventListener ( «Отправить», Buybox.interceptFormSubmit ( Buybox.fetchFormAction (window.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess (модальный), console.log, ), ложный ) document.body.appendChild (modal.domEl) } } } function initKeyControls () { документ.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains («покупка-опция-цена») && (event.code === «Space» || event.code === «Enter»)) { if (document.activeElement) { event.preventDefault () document.activeElement.click () } } }, ложный) } function initialStateOpen () { var buyboxWidth = buybox.offsetWidth ; []. slice.call (buybox.querySelectorAll («. покупка-опция»)). forEach (function (option, index) { var toggle = option.querySelector («. покупка-вариант-цена») var form = option.querySelector («. Purchase-option-form») var priceInfo = option.querySelector («. цена-информация») if (buyboxWidth> 480) { toggle.click () } еще { if (index === 0) { переключать.нажмите () } еще { toggle.setAttribute («расширенная ария», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрыто» } } }) } initialStateOpen () если (window.buyboxInitialised) вернуть window.buyboxInitialised = true initKeyControls () }) ()

LC Circuits — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

LC схема

Начнем с правила схемы Кирхгофа.

V = L dI + q
дт С

Возьмите производную каждого члена.

dV = L d 2 I + 1 dq
дт дт 2 С дт

Напряжение аккумулятора постоянно, поэтому производная равна нулю.Производная заряда — это ток, что дает нам дифференциальное уравнение второго порядка.

0 = L d 2 I + 1 I
dt 2 С

Переставить немного…

д 2 I = — 1 I
dt 2 LC

, а затем сделайте паузу, чтобы рассмотреть решение.

Нам нужна функция, у которой вторая производная стоит со знаком минус. У нас есть два варианта: синус и косинус. Любой из них подходит, поскольку они в основном идентичны по функциям с фазовым сдвигом между ними на 90 °. Не умаляя общности, я выберу синус с произвольным фазовым углом (φ), который может равняться 90 °, если мы позволим. Или он мог быть равен какому-нибудь другому углу. Другими параметрами общей синусоидальной функции являются амплитуда ( I 0 ) и угловая частота (ω).

Базовый метод, который я начал, называется « угадывает и проверяет ». Мое предположение состоит в том, что функция выглядит как обычная синусоидальная функция…

I = I 0 sin (ω t + φ)

и check — это вернуть его в дифференциальное уравнение и посмотреть, что произойдет.

д 2 I 0 sin (ω t + φ) = — 1 I 0 sin (ω t + φ)
dt 2 LC
— ω 2 I 0 sin (ω t + φ) = — 1 I 0 sin (ω t + φ)
LC

В основном все отменяет, кроме одного параметра — угловой частоты.

Таким образом, LC-контур представляет собой колебательный контур. Частота такой цепи (в отличие от ее угловой частоты) равна…

f = ω = 1
2π√ ( LC )

И что? Чем это полезно?

Схема кроссовера аудио, состоящая из трех контуров LC, каждая из которых настроена на свою собственную частоту, показана справа.Катушки индуктивности ( L, ) находятся наверху схемы, а конденсаторы ( C ) — внизу. Слева схема «вуфера», настроенная на низкую звуковую частоту, справа схема «высокочастотного динамика», настроенная на высокую звуковую частоту, и промежуточная схема «среднечастотного динамика», настроенная на частоту в середине звукового спектра.

Цепи

RC — это в основном фильтры.

rcl circuit

Мне нужно написать эту часть.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *