Розділ 3

Огляд цифрової ПЛ

Починаючи з 80-х років минулого століття однією з значних змін в аналізі спектру стало застосування цифрової технології для заміни блоків приладів, які до цього мали виключно аналогове втілення. З появою високопродуктивних АЦП нові аналізатори спектру стали здатні оцифровувати вхідний сигнал набагато швидше, ніж прилади, створені буквально за пару років до цього. Найбільш грандіозні покращення відбулися у секції ПЧ аналізаторів спектру. Цифрова ПЧ 1 справила сильний ефект поліпшення швидкості, точності і здатності вимірювати складні сигнали, завдяки використанню передових технологій цифрової обробки сигналів.

Цифрові фільтри
Часткове цифрове здійснення ланцюгів ПЧ має місце в аналізаторах Agilent серії ESA-E. Якщо смуги роздільної здатності в 1 кГц і ширше зазвичай можна забезпечити традиційними аналоговими LC-фільтрами та фільтрами на кристалах, то найвужчі смуги роздільної здатності (від 1 Гц до 300 Гц) реалізуються цифровими способами. Як показано на Мал. 3-1, лінійний аналоговий сигнал конвертується вниз частотою до 8.5 кГц ПЧ і потім пропускається через смуговий фільтр шириною всього 1 кГц. Цей сигнал ПЧ посилюється, потім вимірюється на позначці 11.3 кГц і оцифровується.

Малюнок 3-1. Цифрове втілення роздільних фільтрів 1, 2, 10, 30, 100 та 300 Гц у приладах серії ESA-E

Будучи вже в оцифрованому стані сигнал пропускається через алгоритм швидкого перетворення Фур'є. Щоб перетворити достовірний сигнал, аналізатор повинен бути у стані фіксованого налаштування (без розгортки). Тобто перетворення має бути здійснено над сигналом тимчасової області. Тому в аналізаторах серії ESA-E замість безперервної розгортки в режимі цифрових смуг реалізовані ступінчасті інкременти величиною 900 Гц. Таке ступінчасте налаштування може спостерігатися на дисплеї, який оновлюється інкрементами в 900 Гц, доки виконується цифрова обробка.
Як ми незабаром побачимо, інші аналізатори спектру - наприклад, прилади серії PSA - використовують повністю цифрову ПЧ, і всі їх фільтри мають цифрове виконання. Ключовим плюсом цифрової обробки, що здійснюється цими аналізаторами, є вибірковість смуги приблизно 4:1. Така вибірковість доступна на самих вузькосмугових фільтрах – тих, які нам потрібні для поділу найближчих сигналів.

У розділі 2 ми провели розрахунок вибірковості для двох сигналів, рознесених на 4 кГц при використанні 3-кілогерцового аналогового фільтра. Давайте повторимо цей розрахунок для цифрової фільтрації. Хорошою моделлю вибірковості цифрового фільтра буде близько-гауссівська модель:

Де H(? f) - рівень відсічення фільтра, дБ;
Δ f - частотне відбудова від центру, Гц;

α – параметр керування вибірковістю. Для ідеального фільтра гауса α=2. Розв'язувальні фільтри з розгорткою, що застосовуються в аналізаторах фірми Agilent, засновані на навколо-гауссівській моделі з параметром α=2.12, що забезпечує вибірковість 4.1:1.

Підставляючи значення з нашого прикладу цього рівняння, отримаємо:

На відбудові 4 кГц, 3-кілогерцевий цифровий фільтр опускається до -24.1 дБ, порівняно з аналоговим фільтром, який показував лише -14.8 дБ. Завдяки своїй переважній вибірковості, цифровий фільтр може розрізнити набагато ближче розташовані сигнали.

Цілком цифрова ПЧ
У аналізаторах спектру серії PSA фірми Agilent вперше було поєднано кілька цифрових технологій, щоб створити цифровий блок ПЧ. Суто цифрова ПЧ забезпечує цілий букет переваг для користувача. Комбінація БПФ-аналізу для вузьких та аналізу з розгорткою для широких смуг огляду оптимізує розгортку для забезпечення якнайшвидших вимірювань. Архітектурно АЦП пересунувся ближче до вхідного порту, що стало можливим завдяки вдосконаленням аналогово-цифрових перетворювачів та іншого цифрового обладнання. Почнемо з розгляду блок-схеми повністю цифрової ПЧ аналізатора серії PSA, зображеної на Рис. 3-2.

Малюнок 3-2. Блок-схема повністю цифрової ПЧ у приладах серії PSA

Тут усі 160 смуг дозволу реалізовані цифровим способом. Хоча є й аналогові ланцюги перед АЦП, починаючи з кількох щаблів перетворення «вниз» і закінчуючи парою однополюсних попередніх фільтрів (один LC-фільтр і один фільтр на кристалі). Попередній фільтр допомагає запобігти попаданню спотворень третього порядку в наступний ланцюг, так само, як і в аналоговій реалізації ПЧ. До того ж, він уможливлює розширення динамічного діапазону за рахунок автоматичного перемикання діапазонів вимірювання. Сигнал з виходу однополюсного попереднього фільтра направляється на детектор автоматичного перемикання та на фільтр, що згладжує.
Як і у разі будь-якої архітектури ПЧ, заснованої на БПФ, фільтр, що згладжує, необхідний для усунення накладень (вкладу позасмугових сигналів у вибірку даних АЦП). Цей фільтр – багатополюсний, тому має вагому групову затримку. Навіть дуже різко зростаючий радіочастотний сплеск, перенесений вниз на ПЧ, відчуває затримку більш ніж три такти АЦП (30 МГц) при проході через фільтр, що згладжує. Затримка дає час розпізнати сигнал великої величини до того, як він викличе перевантаження АЦП. Логічний ланцюг, що управляє детектором автоматичного перемикання діапазонів, зменшить посилення перед АЦП, до того, як сигнал туди надійде, ніж запобігатиме зрізанню імпульсу. Якщо сигнал, що огинає, залишатиметься низьким тривалий час, автопідстроювальний ланцюг збільшить посилення, знизивши ефективний шум на вході. Цифрове посилення після АЦП також змінюється, щоб відповідати аналоговому посилення перед АЦП. Результат – АЦП з «плаваючою точкою», дуже широким динамічним діапазоном під час активованого автопідстроювання в режимі розгортки.

Малюнок 3-3. Автопідстроювання утримує шум АЦП поблизу несучої і нижче рівня шуму гетеродина або характеристики фільтра, що дозволяє.

Рис. 3-3 показано поведінку аналізатора серії PSA під час розгорнення. Однополюсний попередній фільтр дозволяє збільшити посилення, поки аналізатор відбудований далеко від частоти, що несе. У міру наближення до несучої посилення зменшується і шум квантування АЦП зростає. Рівень шуму залежатиме від рівня сигналу та його частотної відбудови від несучої, тому він виглядатиме як ступінчастий фазовий шум. Але фазовий шум відрізняється від цього шуму автопідстроювання. Фазового шуму в аналізаторах діапазону уникнути не можна. Однак зменшення ширини попередньої фільтрації допомагає знизити шум автопідстроювання на більшості частотних відбудов від несучої. Оскільки ширина смуги попередньої фільтрації приблизно в 2.5 рази більша за ширину смуги роздільної здатності, зменшення смуги роздільної здатності знижує шум автопідстроювання.

Спеціалізована ІС обробки сигналу
Повернемося до блок-схеми цифрової ПЧ (Мал. 3-2). Після того, як посилення АЦП було встановлено відповідно до аналогового посилення і скориговано посиленням цифровим, спеціалізована ІС починає обробку вибірки. Спочатку 30-мегагерцовые відліки ПЧ розбиваються на I і Q пари з половинним кроком (15 мільйонів пар на секунду). Пари I і Q потім отримують високочастотне посилення за допомогою одноступінчастого цифрового фільтра, посилення якого і фаза приблизно протилежні таким у аналогового однополюсного попереднього фільтра. Потім пари I і Q фільтруються ФНЧ з лінійною фазовою характеристикою та майже ідеальною частотою гауса. Гауссівські фільтри завжди були найбільш підходящими для аналізу з розгорненням частоти, завдяки оптимальному компромісу між поведінкою в частотній області (фактор форми) та в часовій області (відгук на швидку розгортку). З пониженою шириною смуги сигналу, пари I і Q тепер можуть бути проріджені та відправлені на процесор для БПФ-обробки або демодуляції. Навіть при тому, що БПФ може бути здійснено для сегмента смуги огляду до 10 МГц смуги фільтра, що згладжує, навіть у більш вузькому інтервалі 1 кГц, з вузькою смугою дозволу в 1 Гц, для БПФ потрібно 20 мільйонів точок даних. Використання проріджування даних для більш вузьких інтервалів значно зменшує кількість необхідних БПФ точок даних, що серйозно прискорює обчислення.
Для аналізу з розгорткою частоти, відфільтровані пари I і Q перетворюються на пари амплітуди та фази. У традиційному аналізі з розгорткою сигнал амплітуди фільтрується по відео-смузі, і вибірка проводиться детекторним ланцюгом дисплея. Вибір режиму відображення «логарифмічний/лінійний» та масштабування «дБ/одиниці» здійснюється в процесорі, тому результат відображається в будь-якому з масштабів без проведення повторних вимірів.

Можливості додаткової відеообробки
Зазвичай, фільтр відео-смуги згладжує логарифм амплітуди сигналу, але має чимало додаткових можливостей. Він може конвертувати логарифм амплітуди в напругу, що огинає перед фільтрацією, і переводити назад перед детектуванням дисплея, для узгодженості показань.
Фільтрація амплітуди в масштабі лінійної напруги бажана для спостереження імпульсів, що огинають, радіосигналів при нульовому частотному огляді. Сигнал з логарифмічною амплітудою також може бути перерахований потужність (квадрат амплітуди) перед фільтрацією, а потім назад. Фільтрація потужності дозволяє аналізатору дати такий самий середній відгук на сигнали з шумоподібними характеристиками (сигнали цифрового зв'язку), як і на хвилеві сигнали, що незагасають, з такою ж середньоквадратичною напругою. В наш час все частіше потрібно вимірювати повну потужність у каналі або в усьому діапазоні частот. За таких вимірювань точка на дисплеї може показувати середню потужність за той час, який гетеродин проходить через цю точку. Фільтр відео-смуги може бути переналаштований на збір даних для здійснення усереднення в масштабі логарифму, напруги або потужності.

Відлік частоти
У аналізаторах спектра з розгорненням частоти зазвичай є лічильник частоти. Він відраховує кількість перетинів нуля в сигналі ПЧ і відбудовує цей відлік відомі величини відбудови від гетеродина на іншій ділянці ланцюга перетворення. Якщо рахунок триватиме 1 секунду, можна отримати роздільну здатність за частотою 1 Гц.
Завдяки цифровому синтезу гетеродина та повністю цифровій реалізації смуги роздільної здатності, властива аналізаторам серії PSA точність за частотою досить велика (0.1% від смуги огляду). Крім того, у PSA є лічильник частоти, який відстежує не тільки перетин нульової позначки, але й зміни фази. Таким чином, він може дозволяти частоти десятки мілігерц за 0.1 секунди. З такою конструкцією здатність дозволяти частотні зміни обмежена вже не аналізатором спектра, а швидше зашумленістю досліджуваного сигналу.

Інші переваги повністю цифровий ПЛ
Ми вже розглянули ряд особливостей приладів серії PSA: фільтрація логарифму/напруги/потужності, відлік частоти з високою роздільною здатністю, перемикання логарифмічного/лінійного масштабу даних, що зберігаються в пам'яті, чудові фактори форми, режим детектора усереднення даних в дисплейній точці, 160 різних смуг звичайно ж, режим обробки з розгорткою частоти або БПФ. При аналізі спектра фільтрація на дозвільних фільтрах вносить похибку вимірювання амплітуди і фази, що є функціями швидкості розгортки. При певному фіксованому рівні таких похибок, що дозволяють фільтри суто цифрової ПЧ з лінійною фазою допускають вищі швидкості розгорнення частоти, ніж аналогові фільтри. Цифрове втілення також забезпечує відому компенсацію при знятті даних частоти та амплітуди, допускаючи тим самим швидкості розгорнення вдвічі більші, ніж у більш старих аналізаторів, і демонструє відмінні показники навіть при вчетверо швидкості розгортки.
Реалізоване у цифровому вигляді логарифмічне посилення відрізняється високою точністю. Типові похибки, характерні для аналізатора в цілому, набагато менше похибок виміру, за допомогою яких виробник оцінює достовірність логарифмування. На вхідному змішувачі аналізатора значення достовірності логарифмування визначено ±0.07 дБ для будь-якого рівня аж до -20 дБм. Діапазон логарифмічного посилення на низьких рівнях не обмежує достовірність логарифмування, як це було б за аналогової ПЛ; діапазон обмежений лише шумом порядку -155 дБм у вхідному змішувачі. Через однотонове стискування в наступних ланцюгах на більш високих потужностях параметр достовірності погіршується до ±0.13 дБ для рівнів сигналів до -10 дБм на вхідному змішувачі. Для порівняння аналоговий логарифмічний підсилювач зазвичай характеризується допусками порядку ±1 дБ.
Інші точності, пов'язані з ПЛ, також зазнали поліпшення. Попередній фільтр ПЧ - аналоговий, і повинен бути налаштований як будь-який аналоговий фільтр, так що він схильний до похибок налаштування. Але він все одно краще, ніж інші аналогові фільтри. При тому, що для нього потрібно виготовити лише один щабель, його можна зробити набагато стабільнішим, ніж у випадку 4- та 5-ступінчастих фільтрів, які використовуються в аналізаторах з аналоговою ПЧ. В результаті перепади посилення між роздільними фільтрами вдається утримати в рамках величини ±0.03 дБ, що в десять разів краще, ніж для суто аналогових конструкцій.
Точність смуги ПЧ визначається обмеженнями установок у цифровій частині фільтрації та похибкою калібрування в аналоговому попередньому фільтрі. І знову, попередній фільтр - дуже стабільний, і привносить лише 20% від тієї похибки, яка була б присутня в аналоговій реалізації смуги дозволу, що складається з п'яти таких ступенів. В результаті, більшість роздільних смуг укладаються в 2 відсотки від своєї заявленої ширини, на відміну від 10-20 відсотків у разі аналізаторів з аналогової ПЧ.
Найважливіший аспект точності смугою – це мінімізація похибки вимірювання потужності в каналі та подібних вимірювань. Смуга шуму роздільних фільтрів має навіть кращі показники, ніж допуск у 2 відсотки на настановні процеси, а шумові маркери та вимірювання потужності каналу коригується до ±0.5%. Таким чином, похибки по смузі дають вклад всього ±0.022 дБ у похибку щільності амплітуди шуму та вимірювання потужності каналу. І, нарешті, за повної відсутності аналогових щаблів посилення, які від опорного рівня, взагалі немає похибки «посилення ПЧ». Сумарне значення всіх цих поліпшень таке, що цифрова ПЧ забезпечує значне поліпшення в точності спектрального аналізу. Також з'являється можливість змінювати налаштування аналізатора без значного впливу на точність вимірювання. У наступному розділі ми поговоримо про це детальніше.

1 Строго кажучи, щойно сигнал оцифрований, він не перебуває на проміжної частоті, чи ПЧ. З цього моменту сигнал подано цифровими значеннями. Однак ми використовуємо термін «цифрова ПЧ» для опису тих цифрових процесів, які прийшли на зміну аналогової секції ПЧ, що існувала в традиційних аналізаторах спектра.)

У промисловості значна частина споживання електричної енергії припадає на вентиляційні, насосні та компресорні установки, конвеєри та підйомні механізми, електроприводи технологічних установок та верстатів. Дані механізми найчастіше наводяться на дію асинхронними двигунами змінного струму. Для керування режимами роботи асинхронних двигунів, у тому числі і для зниження їх енергоспоживання, найбільші світові виробники електротехнічного обладнання пропонують спеціалізовані пристрої – перетворювачі частоти. Безперечно, частотні перетворювачі (які ще називають перетворювачами частоти, інверторами або скорочено ПЧ) є вкрай корисними пристроями, здатними значно полегшити режими пуску та роботи асинхронних двигунів. Але в деяких випадках перетворювачі частоти можуть негативно впливати на підключений електродвигун.

Через особливості конструкції частотного перетворювача його вихідна напруга і струм мають спотворену, несинусоїдальну форму з великою кількістю гармонійних складових (перешкод). Некерований випрямляч перетворювача частоти споживає нелінійний струм, що забруднює мережу електропостачання вищими гармоніками (5, 7, 11 гармоніка тощо). ШІМ – інвертор перетворювача частоти генерує широкий спектр вищих гармонік із частотою 150 кГц-30 МГц. Живлення обмоток двигуна таким спотвореним несинусоїдальним струмом призводить до появи таких негативних наслідків як тепловий та електричний пробій ізоляції обмоток двигуна, збільшення швидкості старіння ізоляції, збільшення рівня акустичних шумів працюючого двигуна, ерозії підшипників. Крім того, перетворювачі частоти можуть бути потужним джерелом перешкод в електричній мережі живлення, негативно впливаючи на інше електричне обладнання, підключене до цієї мережі. Для ослаблення негативного впливу гармонійних спотворень, що генеруються ПЧ у процесі роботи, на електричну мережу, електродвигун і сам перетворювач частоти застосовують різні фільтри.

Фільтри, що застосовуються спільно з перетворювачами частоти, можна умовно розділити на вхідні та вихідні. Вхідні фільтри служать для придушення негативного впливу випрямляча та ШІМ-інвертора, вихідні фільтри призначені для боротьби з перешкодами, створюваними ШІМ – інвертором ПЧ та зовнішніми джерелами перешкод. До вхідних фільтрів відносяться мережеві дроселі та ЕМІ-фільтри (РЧ-фільтри), до вихідних фільтрів: фільтри dU/dt, моторні дроселі, синус фільтри, фільтри високочастотних синфазних перешкод.

Мережеві дроселі

Мережевий дросель є двостороннім буфером між мережею електропостачання та перетворювачем частоти та захищає мережу від вищих гармонік 5, 7, 11 порядку з частотою 250Гц, 350 Гц, 550 Гц і т.д. Крім того, мережеві дроселі дозволяють захистити перетворювач частоти від підвищеної напруги мережі живлення і кидків струму при перехідних процесах в мережі живлення і навантаженні ПЧ, особливо при різкому стрибку напруги мережі, який буває, наприклад, при відключенні потужних асинхронних двигунів. Мережеві дроселі із заданим падінням напруги на опорі обмоток близько 2% від номінальної величини напруги мережі призначені для застосування з перетворювачами частоти не здійснюють регенерацію енергії, що звільняється при гальмуванні двигуна назад в систему електроживлення. Дроселі із заданим падінням напруги на обмотках близько 4% призначені для роботи комбінацій перетворювачів та автотрансформаторів із функцією регенерації енергії гальмування двигуна в систему електроживлення.

• за наявності мережі електроживлення значних перешкод від іншого устаткування;
• при асиметрії напруги живлення між фазами більше ніж 1,8 % від номінальної величини напруги;
• при приєднанні перетворювача частоти до мережі живлення з дуже низьким повним опором (наприклад, при запиті ПЧ від поруч розташованого трансформатора, потужність якого більш ніж у 6-10 разів більше потужності ПЧ);
• при приєднанні великої кількості перетворювачів частоти однієї лінії електроживлення;
• при живленні від мережі, до якої підключено інші нелінійні елементи, що створюють суттєві спотворення;
• за наявності у схемі електропостачання батарей конденсаторів (компенсаторів реактивної потужності), що підвищують коефіцієнт потужності мережі.

Переваги застосування мережевих дроселів:

• Захищають перетворювач частоти від імпульсних сплесків напруги у мережі;
• Захищають перетворювач частоти від перекосів фаз напруги живлення;
• Зменшують швидкість наростання струмів короткого замикання у вихідних ланцюгах перетворювача частоти;
• Підвищують термін служби конденсатора у ланці постійного струму ПЧ.

ЕМІ-фільтри

По відношенню до мережі живлення частотно регульований привід (ПЧ+двигун) є змінним навантаженням. Спільно з індуктивністю силових кабелів це призводить до виникнення високочастотних флуктуацій мережного струму і напруги і, отже, до електромагнітного випромінювання (ЕМІ) силових кабелів, що може негативно позначитися на роботі інших електронних приладів. Фільтри електромагнітних випромінювань необхідні забезпечення електромагнітної сумісності при встановленні перетворювача в місцях, критичних до рівня перешкод живильної електромережі.

Конструкція та сфера застосування фільтрів dU/dt

Фільтр dU/dt являє собою Г-подібний фільтр низьких частот, що складається з дроселів та конденсаторів. Номінали індуктивностей дроселів та конденсаторів підібрані таким чином, щоб забезпечувалося пригнічення частот вище за частоту комутації силових ключів інвертора ПЧ. Величина індуктивності обмотки дроселя фільтра dU/dt знаходиться в межах від кількох десятків до кількох сотень мкГн, ємність конденсаторів фільтра dU/dt зазвичай знаходиться в межах кількох десятків нФ. За рахунок застосування фільтра dU/dt вдається знизити пікову напругу і відношення імпульсів dU/dt на клемах двигуна приблизно до 500 В/мкс, тим самим захистивши обмотку двигуна від електричного пробою.

• Частотнокерований привід із частим рекуперативним гальмуванням;
• Привід із двигуном, не розрахованим на роботу з перетворювачем частоти та не відповідним вимогам стандарту IEC 600034-25;
• Привід зі старим двигуном (з низьким класом ізоляції), або з двигуном загального призначення, що не відповідає вимогам стандарту IEC 600034-17;
• Привід із коротким моторним кабелем (менше 15 метрів);
• Частотнорегульований привід двигун якого встановлено в агресивному середовищі або працює при високих температурах;

Так як фільтр dU/dt має порівняно низькі значення індуктивності та ємності, хвиля напруги на обмотках двигуна ще має форму двополярних прямокутних імпульсів замість синусоїди. Але струм, що протікає через обмотки двигуна, має форму практично правильної синусоїди. Фільтри dU/dt можуть використовуватися на частоті комутації нижче за номінальне значення, але слід уникати використовувати їх на частоті комутації вище за номінальне значення, оскільки це викликає перегрів фільтра. Фільтри dU/dt іноді називають моторними дроселями. У конструкції більшості моторних дроселів відсутні конденсатори, а обмотки котушок мають більш високу індуктивність.

Конструкція та область застосування синусних фільтрів

Конструкція синусних фільтрів (синус-фільтрів) аналогічна конструкції фільтрів dU/dt з тією лише різницею, що в них встановлені дроселі та конденсатори більшого номіналу, що утворюють LC-фільтр із частотою резонансу менше 50% від частоти комутації (несучої частоти ШІМ-інвертора). За рахунок цього забезпечується більш ефективне згладжування та пригнічення високих частот і синусоїдальна форма фазних напруг та струмів двигуна. Величина індуктивностей синусного фільтра знаходиться в межах від сотень мкГн до десятків мГн, ємність синусоїдального конденсаторів фільтра від одиниць мкФ до сотень мкФ. Тому розміри синус-фільтрів великі і можна порівняти з розмірами частотного перетворювача, якого даний фільтр підключений.

При застосуванні синусних фільтрів відпадає необхідність використання спеціальних двигунів з посиленою ізоляцією сертифікованих для роботи з перетворювачами частоти. Також зменшується акустичний шум від двигуна та підшипникові струми у двигуні. Зменшується нагрівання обмоток двигуна, викликане наявністю струмів високої частоти. Синусні фільтри дозволяють використовувати більш довгі моторні кабелі у випадках застосування, коли двигун встановлений далеко від перетворювача частоти. Одночасно з цим синусний фільтр усуває імпульсні відображення в моторному кабелі, завдяки чому зменшуються втрати в самому перетворювачі частоти.

• Коли потрібно усунути акустичний шум двигуна при комутації;
• При запуску старих двигунів із зношеною ізоляцією;
• У разі експлуатації з частим рекуперативним гальмуванням та двигунами, що не відповідають вимогам стандарту IEC 60034-17;
• Коли двигун встановлений у агресивному зовнішньому середовищі або працює при високих температурах;
• При підключенні двигунів екранованим або неекранованим кабелями довжиною від 150 до 300 метрів. Використання кабелів двигуна довжиною понад 300 метрів залежить від конкретного застосування.
• За необхідності збільшити інтервал технічного обслуговування двигуна;
• При покроковому збільшенні напруги або інших випадках, коли перетворювач частоти живиться від трансформатора;
• З двигунами загального призначення, що використовують напругу 690 Ст.

Синусні фільтри можуть використовуватися з частотою комутації вище за номінальне значення, але їх не можна використовувати при частоті комутації нижче за номінальне значення (для даної моделі фільтра) більш ніж на 20 %. Тому в налаштуваннях частотного перетворювача слід обмежити мінімально можливу частоту комутації відповідно до паспортних даних фільтра. Крім того, у разі застосування синусного фільтра не рекомендується підвищувати частоту вихідної напруги ПЧ понад 70 Гц. У певному випадку необхідно ввести в ПЧ значення ємності та індуктивності синус-фільтра.

У процесі роботи синус-фільтр може виділяти велику кількість теплової енергії (від десятків Вт до кількох кВт), тому їх рекомендується встановлювати в добре вентильованих місцях. Також робота синус-фільтра може супроводжуватись наявністю акустичного шуму. При номінальному навантаженні приводу на синус-фільтрі падатиме напруга близько 30 V. Це потрібно враховувати при виборі електродвигуна. Падіння напруги може бути частково компенсовано зменшенням точки ослаблення поля в налаштуваннях частотного перетворювача, і до цієї точки на двигун подаватиметься коректне значення напруги, але на номінальній швидкості напруга буде зниженою.

Дроселі dU/dt, моторні дроселі та синусні фільтри повинні з'єднуватися з виходом перетворювача частоти екранованим кабелем мінімально можливої ​​довжини. Максимальна рекомендована довжина кабелю між перетворювачем частоти та вихідним фільтром:

• 2 метри за потужності приводу до 7,5 кВт;
• 5-10 метрів за потужності приводу від 7,5 до 90 кВт;
• 10-15 метрів за потужності приводу вище 90 кВт.

Конструкція та область застосування високочастотних фільтрів синфазних перешкод

Високочастотний фільтр синфазних перешкод є диференціальним трансформатором з феритовим сердечником, "обмотками" якого є фазні проводи моторного кабелю. Високочастотний фільтр знижує високочастотні синфазні струми, пов'язані з електричними розрядами в підшипнику двигуна, а також зменшує високочастотні випромінювання від кабелю двигуна, наприклад, у випадках використання не екранованих кабелів. Феритові кільця високочастотного фільтра синфазних перешкод мають овальну форму для спрощення монтажу. Через отвір в кільці пропускаються всі три фазні дроти моторного кабелю, приєднані до вихідних клем U, V і W частотного перетворювача. Важливо пропустити всі три фази моторного кабелю через кільце, інакше воно насичуватиметься. Не менш важливо не пропускати через кільце провід захисного заземлення PE, будь-які інші дроти заземлення або нульові провідники. В іншому випадку кільце втратить свої властивості. У ряді випадків застосування може знадобитися зібрати пакет з кількох кілець для виключення їхнього насичення.

Ферритові кільця можуть бути встановлені на моторному кабелі з боку вихідних клем перетворювача частоти (клеми U, V, W) або у сполучній коробці електродвигуна. Установка феритових кілець ВЧ - фільтра з боку клем перетворювача частоти знижує навантаження як на підшипники двигуна, так і високочастотні електромагнітні перешкоди від кабелю двигуна. При установці безпосередньо в сполучній коробці двигуна фільтр синфазних перешкод знижує лише навантаження на підшипники і не впливає на електромагнітні перешкоди від кабелю двигуна. Необхідна кількість кілець залежить від їх геометричних розмірів, довжини кабелю двигуна та робочої напруги перетворювача частоти.

При нормальній експлуатації температура кілець не перевищує 70 °C. Температура кілець вище 70 °C вказує на їхнє насичення. У цьому випадку потрібно встановити додаткові кільця. Якщо кільця продовжують входити в режим насичення, це означає, що моторний кабель занадто довгий, занадто велика кількість паралельних кабелів або використовується кабель з високою ємністю. Також не слід використовувати як моторний кабель кабель з жилами сектороподібної форми. Слід застосовувати лише кабелі із жилами круглої форми. Якщо температура довкілля вище 45 - 55 °C, зниження номінальних характеристик фільтра стає дуже значним.

При використанні кількох паралельних кабелів для вибору кількості феритових кілець необхідно враховувати сумарну довжину цих кабелів. Наприклад, два кабелі довжиною 50 м кожен еквівалентні одному кабелю довжиною 100 м. Якщо використовується багато паралельних двигунів, то на кожному з них необхідно встановити окремий комплект кілець. Феритові кільця можуть вібрувати під впливом змінного магнітного поля. Ця вібрація може призвести до зношування матеріалу ізоляції кільця або кабелю за рахунок поступового механічного стирання. Тому феритові кільця та кабель слід жорстко зафіксувати пластиковими кабельними стяжками (хомутами).

Частотні перетворювачі, як і багато інших електронні перетворювачі з живленням від мережі змінного струму з частотою 50 Гц, в силу одного лише свого пристрою спотворюють форму струму, що споживається: струм не лінійно залежить від напруги, оскільки випрямляч на вході пристрою стоїть, як правило, звичайний, тобто некерований. Так само і вихідні струм і напруга перетворювача частоти – вони теж відрізняються спотвореною формою, наявністю безлічі гармонік через роботу ШІМ-інвертора.

У результаті, у процесі регулярного живлення статора двигуна таким спотвореним струмом, його ізоляція швидше старіє, підшипники псуються, шум двигуна посилюється, зростає ймовірність теплових та електричних пробоїв обмоток. А для мережі, що живить, такий стан справ завжди загрожує наявністю перешкод, які здатні нашкодити іншому устаткуванню, що живиться від цієї мережі.

Для позбавлення від вище описаних проблем, до частотних перетворювачів і двигунів встановлюють додатково вхідні і вихідні фільтри, що рятують від шкідливих факторів і мережу, що живить, і живиться цим частотним перетворювачем двигун.

Вхідні фільтри покликані пригнічувати перешкоди, що генеруються випрямлячем і ШІМ-інвертором перетворювача частоти, захищаючи таким чином мережу, а вихідні фільтри - захищають сам двигун від перешкод генерованих ШІМ-інвертором частотного перетворювача. Вхідні фільтри - це дроселі та ЕМІ-фільтри, а вихідні - це фільтри синфазні, моторні дроселі, синус-фільтри та фільтри dU/dt.

Дросель, що включає між мережею і частотним перетворювачем, - це , він служить свого роду буфером. Мережевий дросель не пускає від перетворювача частоти в мережу вищі гармоніки (250, 350, 550 Гц і далі), одночасно захищаючи сам перетворювач від стрибків напруги в мережі, струмових кидків під час перехідних процесів в перетворювачі частоти і т. д.

Падіння напруги на такому дроселі становить близько 2%, що оптимально для нормальної роботи дроселя у поєднанні з перетворювачем частоти без функції регенерації електроенергії в момент гальмування двигуна.

Так, мережеві дроселі встановлюють між мережею і перетворювачем частоти за таких умов: за наявності перешкод у мережі (з різних причин); при перекос фаз; при живленні від порівняно потужного (до 10 разів) трансформатора; якщо від джерела живляться кілька перетворювачів частоти; якщо до мережі підключено конденсатори установки КРМ.

Мережевий дросель забезпечує:

захист перетворювача частоти від стрибків мережевої напруги та перекосу фаз;

захист ланцюгів від великих струмів КЗ у двигуні;

продовження терміну служби перетворювача частоти.

Для усунення випромінювань, для забезпечення електромагнітної сумісності з чутливими до випромінювань приладами, потрібний фільтр ЕМІ.

Трифазний фільтр електромагнітних випромінювань має придушити перешкоди в діапазоні від 150 кГц до 30 МГц за принципом клітини Фарадея. ЕМІ-фільтр приєднується якомога ближче до входу перетворювача частоти, щоб забезпечити навколишнім приладам надійний захист від усіх перешкод, створюваних ШІМ-інвртором. Іноді ЕМІ-фільтр вже вбудований у перетворювач частоти.

Так званий фільтр dU/dt - це трифазний Г-подібний фільтр нижніх частот, що складається з ланцюжків індуктивностей та конденсаторів. Такий фільтр називають моторним дроселем, і часто він може взагалі не мати конденсаторів, а індуктивності при цьому будуть значними. Параметри фільтра такі, що всі перешкоди на частотах вищі за частоту перемикання ключів ШІМ-інвертора частотного перетворювача пригнічуються.

Якщо у складі фільтра є , то величина ємності кожного з них знаходиться в межах кількох десятків нанофарад, а до кількох сотень мікрогенрі. У результаті цей фільтр знижує пікову напругу та імпульси на клемах трифазного двигуна до 500 В/мкс, що рятує обмотки статора від пробою.

Отже, якщо привід зазнає часті рекуперативні гальмування, спочатку не пристосований для роботи з частотним перетворювачем, фільтр dU/dt між частотним перетворювачем і частотним перетворювачем встановити.

Навіть незважаючи на те, що напруга, що подається на двигун від перетворювача частоти, може мати форму двополярних прямокутних імпульсів, а не форму чистої синусоїди, фільтр dU/dt (зі своїми невеликими ємністю та індуктивністю) так діє на струм, що робить його в обмотках двигуна майже точно. Важливо розуміти, що якщо використовувати фільтр dU/dt на частоті вище за його номіналу, то фільтр стане відчувати перегрів, тобто принесе зайві втрати.

Синусний фільтр - подібність моторного дроселя або dU/dt-фільтра, однак відмінність полягає в тому, що ємності та індуктивності мають тут великі величини, такі, що частота зрізу становить менше половини частоти комутації ключів ШІМ-інвертора. Таким чином досягається краще згладжування перешкод високих частот, а форма напруги на обмотках двигуна і форма струму в них, виявляється сильно ближче до ідеальної синусоїдальної.

Ємності конденсаторів у синус-фільтрі вимірюються десятками та сотнями мікрофарад, а індуктивності котушок – одиницями та десятками мілігенрі. Тому синусний фільтр відрізняється великим розміром, в порівнянні з габаритами традиційного частотного перетворювача.

Застосування синусного фільтра дозволяє використовувати разом із частотним перетворювачем навіть двигун, спочатку (за специфікацією) не призначений до роботи з частотним перетворювачем через слабкої ізоляції. При цьому не спостерігатиметься ні підвищеного шуму, ні швидкого зносу підшипників, ні перегріву обмоток високочастотними струмами.

З'являється можливість без шкоди використовувати довгий кабель, що з'єднує двигун з перетворювачем частоти, коли вони розташовані далеко один від одного, при цьому виключаються імпульсні відбиття в кабелі, що можуть призвести до втрат у формі тепла в частотному перетворювачі.

необхідно зменшити шум; якщо двигун має слабку ізоляцію;

відчуває часті рекуперативні гальмування;

працює в умовах агресивного середовища; підключений кабелем довжиною понад 150 метрів;

має працювати довго без обслуговування;

у процесі роботи двигуна напруга покроково підвищується;

номінальна робоча напруга двигуна становить 690 вольт.

При цьому слід пам'ятати, що синусний фільтр не можна використовувати з частотою нижче за його паспортний номінал (максимально допустиме відхилення частоти вниз - 20%), так що в налаштуваннях частотного перетворювача необхідно попередньо встановити обмеження частоти знизу. А частоту вище 70 Гц потрібно застосовувати з великою обережністю, і в налаштуваннях перетворювача, якщо це можливо, задати попередньо величини ємності та індуктивності синусного фільтра, що підключається.

Пам'ятайте, що сам фільтр може шуміти і виділяти відчутну кількість тіла, адже на ньому навіть при номінальному навантаженні падає близько 30 вольт, тому слід встановлювати фільтр з дотриманням належних умов охолодження.

Усі дроселі та фільтри необхідно з'єднувати послідовно з двигуном екранованим кабелем по можливості мінімальної довжини. Так, для двигуна потужністю 7,5 кВт максимальна довжина екранованого кабелю має перевищувати 2 метрів.

Синфазні фільтри призначені для придушення високочастотних перешкод. Даний фільтр є диференціальним трансформатором на феритовому кільці (точніше - на овалі), обмотками якого є безпосередньо трифазні дроти, що з'єднують двигун з частотним перетворювачем.

Цей фільтр служить зниження синфазних струмів, породжуваних розрядами в підшипниках мотора. Як наслідок, синфазний фільтр знижує можливі електромагнітні випромінювання від моторного кабелю, особливо якщо цей кабель не екранований. Провід трьох фаз проходять через вікно сердечника, а захисний провід заземлення залишається зовні.

Серце фіксується на кабелі хомутом для захисту від руйнівного впливу вібрації на ферит (під час роботи двигуна феритовий сердечник вібрує). Фільтр найкраще встановлювати на кабель з боку клем перетворювача частоти. Якщо осердя в процесі експлуатації нагрівається більш ніж до 70°C, це говорить про насичення фериту, отже потрібно додати сердечників або укоротити кабель. Декілька паралельних трифазних кабелів краще оснастити кожен - своїм сердечником.

Працюючи двигуна нерідко народжуються небажані явища, які називають «вищими гармоніками». Вони негативно впливають на кабельні лінії та обладнання електромережі, призводять до нестабільної роботи обладнання. При цьому виходить малоефективне використання енергії, швидке старіння ізоляції, знижений процес передачі та генерації.

Для вирішення цієї проблеми необхідно виконувати вимоги щодо електромагнітної сумісності (ЕМС), виконання яких дозволить забезпечити стійкість технічних засобів до негативних впливів. У статті зроблено невеликий екскурс у область електротехніки, пов'язаної з фільтрацією вхідних та вихідних сигналів частотного перетворювача (ПЧ) та підвищенням експлуатаційних характеристик двигунів.

Що таке електромагнітні шуми?

Вони виникають буквально від усіх металевих антен, що збирають і випромінюють енергетичні хвилі, що дезорієнтують. І стільникові телефони, звичайно, теж наводять магнітоелектричні хвилі, тому при зльоті/посадці літака стюардеси просять відключати апаратуру.

Шуми поділяються за типом джерел їх виникнення, за спектром та характерними ознаками. Електричними та магнітними полями різних джерел через наявність комутаційних зв'язків створюються в кабельній лінії непотрібні різниці потенціалів, що наростають на корисні хвилі.

Виникають у проводах перешкоди називаються протифазними чи синфазними. Останні (вони також називаються несиметричними, поздовжніми) утворюються між кабелем та землею, і діють на ізоляційні властивості кабелю.

Найбільш поширеними шумовими джерелами є індуктивна апаратура (що містить котушки), такі, як асинхронні двигуни (АТ), реле, генератори і т. д. процесі.

Як шуми пов'язані із частотним перетворювачем?

Перетворювачі для асинхронних двигунів з робочим режимом, що динамічно змінюється, маючи багато позитивного, мають ряд недоліків - їх використання призводить до виникнення інтенсивних електромагнітних перешкод і наведень, які формуються в апаратах, пов'язаних з ними по мережі або розташованими поблизу і піддаються випромінюванню. Найчастіше АТ розміщують віддалено від інвертора і з'єднують з ним подовженим дротом, що створює загрозливі передумови виходу електродвигуна з ладу.

Напевно, комусь доводилося зіткнутися з імпульсами від енкодера електродвигуна на контролері або з видачею помилки при використанні довгих проводів — усі ці проблеми так чи інакше пов'язані із сумісністю електронної техніки.

Фільтри частотних перетворювачів

Для підвищення якості управління, послаблення негативного впливу використовується пристрій, що фільтрує, являє собою елемент з нелінійною функцією. Визначається частотний діапазон, поза яким реакція починає слабшати. З погляду електроніки цей термін досить часто використовується при обробці сигналів. Їм визначається обмежувальні умови для струмових імпульсів. Основна функція частотника полягає у генеруванні корисних, зменшення небажаних коливань до рівня, встановленого у відповідних стандартах.

Існує два види приладів залежно від місця розташування ланцюга, іменовані як вхідний і вихідний. "Вхід" і "вихід" означає, що фільтруючі апарати приєднані до вхідної та вихідної сторони перетворювача. Відмінність з-поміж них визначається їх застосуванням.

Вхідні служать для зменшення шумів кабельної лінії електропостачання. Вони також впливають на пристрої, підключені до тієї самої мережі. Вихідні призначаються для перешкод придушення для апаратів, розташованих поруч з інвертором і використовують одну й ту саму землю.

Призначення фільтрів для частотного перетворювача

У процесі функціонування частотний перетворювач – асинхронний двигун, створюються небажані вищі гармоніки, які разом із індуктивністю проводів призводять до ослаблення перешкодостійкості системи. Через генерування випромінювання електронна техніка починає неправильно працювати. Активно функціонуючі забезпечують електромагнітну сумісність. До деякого обладнання пред'являються підвищені вимоги щодо перешкодостійкості.

3-з фазні фільтри для частотника дозволяють максимально знижувати рівень кондуктивних перешкод у широкому частотному діапазоні. У результаті електропривод добре вписується в єдину мережу, де задіяно декілька обладнання. ЕМС-фільтри слід розміщувати на досить близькій відстані до силових входів/виходів перетворювача частоти, через залежність рівня перешкод від довжини і способу укладання силового кабелю. В окремих випадках їх встановлюють.

Фільтри необхідні для:

• завадостійкості;
• згладжування амплітудного спектру, щоб отримати чистий електрострум;
• вибору частотних діапазонів та відновлення даних.

Усі моделі векторних частотних перетворювачів забезпечені мережевою фільтрацією. Наявність фільтруючих апаратів забезпечує необхідний рівень ЕМС для роботи системи. Вбудований пристрій дозволяє робити мінімальними наведення ішуми в електронній техніці, і, отже, задовольняє вимогам сумісності.

Відсутність функції фільтрації в частотному перетворювачі часто призводить до сукупного нагрівання трансформатора живлення, імпульсних змін, спотворень форми живильної кривої, що викликає збій роботи техніки.

Апарати абсолютно необхідні для забезпечення стабільності роботи складної електронної техніки. Між перетворювачем частоти та мережею живлення монтується буфер з метою захисту лінії від найвищих гармонік. Він здатний стримувати ці коливання хвиль, частота яких більше 550 Гц. При зупинці потужної асинхронної рухової системи, може виникнути стрибок напруги. У цей момент спрацьовує захист.

Рекомендовано встановлювати для придушення високочастотних гармонік та коригування коефіцієнта системи. Важливість установки полягає в тому, щоб зменшити втрати в статорах електродвигуна, небажане нагрівання агрегату.

Мережеві дроселі мають переваги. Правильно обрана індуктивність пристрою дозволяє забезпечити:

• захист перетворювача частоти від перепадів напруги та асиметричності фаз;
• швидкість зростання струму КЗ знижується;
• збільшується тривалість «життя» конденсаторів.

Можна уявити конденсатор як блокатор. Тому в залежності від способу підключення конденсатора, він може виступати як:

• низькочастотного, якщо підключити його паралельно до джерела;
• високочастотного, якщо послідовно підключити з джерелом.

У практичних схемах може бути потрібний резистор, щоб обмежити електронний потік і досягти правильного відсікання частот.

2. Фільтри електромагнітного випромінювання (ЕМІ)

Ви використовуєте ситечко для чаю під час приготування чаю? Воно використовується для запобігання «небажаним! елементів від входу до вашої системи. В електричних ланцюгах є безліч подібних небажаних явищ, які з'являються у різних частотах.

Електропривод у складі перетворювача частоти та електродвигуна вважається змінним навантаженням. Ці апарати та індуктивність проводів викликають зародження високочастотних флуктуацій напруги і, як наслідок, електромагнітного випромінювання кабелів, що негативно позначається на функціонуванні інших пристроїв.

Це індуктор із двома (або більше) обмотками, в якому тече струм у протилежних напрямках. Використання цього пристрою, що складається з дроселя та конденсатора, має низку переваг. Він більш надійний і може застосовуватися за найнижчих робочих температур. Все це дозволяє збільшити термін служби електродвигуна. Низька індуктивність та малий розмір також є його ключовими рисами.

Застосовуються у випадках, коли:

• від частотного перетворювача до електродвигуна протягнуті кабелі завдовжки до 15 м;
• є ймовірність пошкодження ізоляції обмоток двигуна через пульсуючі стрибки напруги;
• використовуються старі агрегати;
• у системах із частим гальмуванням;
• агресивність середовища.

На досить високих частотах падіння напруги практично дорівнює нулю, і конденсатор поводиться як розімкнений ланцюг. Фільтпрес виготовлений у вигляді дільника напруги з резистором та конденсатором. Він, по суті, застосовується для того, щоб зменшити пропускну здатність, нестабільність та виправити швидкість наростання Uвих.

Говорячи простими словами, звичайний дросель походить від слова «душити». І досі використовується, тому що досить точно описує своє призначення. Подумайте, як стискається «кулак» навколо дроту, щоб запобігти різким змінам струму.

4. Синусоїдальні фільтри

Змінний електрострум є хвилю, деяку комбінацію синуса і косинуса. Різні синусоїдальні хвилі мають різні частоти. Якщо знати, які частоти є, які потрібно передати або видалити, то в результаті можна отримати поєднання «корисних» хвиль, тобто без шуму. Це допомагає певною мірою очистити струмовий сигнал. Синусоїдальний фільтр – це комбінація ємнісних та індуктивних елементів.

Одним із заходів щодо забезпечення електромагнітної сумісності є застосування синусоїдального апарату, це буває необхідно:

• при груповому приводі з одним перетворювачем;
• при експлуатації з мінімумом комутаційних з'єднань з кабелями (без екрану) електродвигуна (наприклад, підключення шлейфним способом або підвісним енергетичним підведенням);
• зменшення втрат на довгих кабелях.

Призначення пристрою полягає у запобіганні пошкодженню ізоляторів обмотки електродвигуна. Завдяки майже повному поглинанню високих імпульсів, на виході напруга набуває синусної форми. Його правильна установка – важливий аспект зменшення рівня перешкод у мережі і, отже, випромінювання. Це дозволяє застосовувати довгий провід та сприяє зниженню шумового рівня. Низька індуктивність також означає менший розмір та нижчу ціну. Пристрої сконструйовані методом на фільтрації dU/dt з відзнакою у велику сторону за величиною номіналу елементів.

5. Високочастотні фільтри синфазних перешкод

Якщо спотворена синусоїда напруги поводиться як ряд гармонійних сигналів доданих до основної частоти, то схема, що фільтрує, дозволяє пропускати тільки основну частоту, блокуючи непотрібні вищі гармоніки. Вхідний апарат фільтрації призначений для придушення високочастотного шуму.

Прилади відрізняються від вище розглянутих складнішою конструкцією. Найважливішим способом зниження шумів є відповідність необхідним правилам заземлення в електричній шафі.

Як правильно вибрати вхідний та вихідний фільтр ЕМС

Їх відмінні переваги полягають у високому помехопоглинаючому коефіцієнті. ЕМС застосовують у пристроях з імпульсними джерелами живлення. Варто дотримуватись вимог інструкцій щодо конкретної схеми керування асинхронних двигунів. Існують загальні принципи, що визначають правильність вибору.

Необхідно звернути увагу, що обрана модель має відповідати:

• параметрам частотного перетворювача та мережі живлення;
• рівню зниження перешкод до необхідних меж;
• частотним параметрам електричних кіл та установок;
• особливостям експлуатації електроустаткування;
• можливостям електромонтажу моделі в систему управління і т.д.

Найпростіший спосіб підвищити якість електричної мережі – це вжити заходів на стадії проектування. Найцікавіше, що за необґрунтованого відхилення від проектних рішень вина повністю лягає на плечі електромонтажників.

Правильне рішення щодо вибору типу частотного перетворювача, в сукупності з підходящою фільтровою апаратурою, запобігає виникненню більшості проблем для функціонування силового приводу.

Забезпечення хорошої сумісності виходить за умови правильного добору параметрів компонентів. Некоректне застосування приладів може підвищити рівень перешкод. У реалії, вхідні та вихідні фільтри іноді негативно впливають один на одного. Це особливо стосується випадку, коли вхідний прилад вбудований в частотний перетворювач. Вибір фільтруючого приладу до конкретного перетворювача здійснюється за технічними параметрами та краще за компетентною рекомендацією спеціаліста. Професійна консультація, можливо, принесе вам суттєву вигоду, оскільки дорогої апаратури насправді завжди підбирається якісний недорогий аналог. Або вона діє у потрібному частотному діапазоні.

Висновок

Електромагнітний вплив впливає обладнання, головним чином, на високих частотах. Це означає, що правильна робота системи буде досягнута лише тоді, коли дотримуються правил електромонтажу та виробничо-технічних вимог, а також виконуються вимоги до високочастотного обладнання (наприклад, екранування, заземлення, фільтрація).

Варто зауважити, що заходи щодо підвищення стійкості до перешкод – це комплекс заходів. Використання лише одних фільтрів не вирішить проблему. Однак це найбільш ефективний спосіб видалення або досить значного зменшення шкідливих перешкод для нормальної електромагнітної сумісності електронної техніки. Не можна забувати також у тому, що підходить чи ні конкретна модель на вирішення завдання – визначається «на місці» чи шляхом експерименту і тестування.