Фильтры для частотных преобразователей. Фильтры частотных преобразователей

Глава 3

Обзор цифровой ПЧ

Начиная с 80-х годов прошлого века одним из самых значительных изменений в анализе спектра стало применение цифровой технологии для замены блоков приборов, которые до этого имели исключительно аналоговое воплощение. С появлением высокопроизводительных АЦП, новые анализаторы спектра стали способны оцифровывать входящий сигнал гораздо быстрее, чем приборы, созданные буквально за пару лет до этого. Наиболее грандиозные улучшения произошли в секции ПЧ анализаторов спектра. Цифровая ПЧ 1 произвела сильный эффект улучшения в скорости, точности и способности измерять сложные сигналы, благодаря использованию передовых технологий цифровой обработки сигналов.

Цифровые фильтры
Частичное цифровое воплощение цепей ПЧ имеет место в анализаторах Agilent серии ESA-E. Если полосы разрешения в 1 кГц и шире обычно можно обеспечить традиционными аналоговыми LC-фильтрами и фильтрами на кристаллах, то самые узкие полосы разрешения (от 1 Гц до 300 Гц) реализуются цифровыми способами. Как показано на Рис. 3-1, линейный аналоговый сигнал конвертируется вниз по частоте до 8.5 кГц ПЧ и затем пропускается через полосовой фильтр шириной всего 1 кГц. Этот сигнал ПЧ усиливается, затем замеряется на отметке 11.3 кГц и оцифровывается.

Рисунок 3-1. Цифровое воплощение разрешающих фильтров 1, 2, 10, 30, 100 и 300 Гц в приборах серии ESA-E

Будучи уже в оцифрованном состоянии, сигнал пропускается через алгоритм быстрого преобразования Фурье. Чтобы преобразовать достоверный сигнал, анализатор должен быть в состоянии фиксированной настройки (без развертки). То есть, преобразование должно быть осуществлено над сигналом временной области. Поэтому в анализаторах серии ESA-E вместо непрерывной развертки в режиме цифровых разрешающих полос реализованы ступенчатые инкременты величиной 900 Гц. Такая ступенчатая настройка может наблюдаться на дисплее, который обновляется инкрементами в 900 Гц, пока выполняется цифровая обработка.
Как мы вскоре увидим, другие анализаторы спектра – например, приборы серии PSA, - используют полностью цифровую ПЧ, и все их разрешающие фильтры имеют цифровое исполнение. Ключевым плюсом цифровой обработки, осуществляемой этими анализаторами, является избирательность по полосе примерно 4:1. Такая избирательность доступна на самых узкополосных фильтрах – тех, которые нам нужны для разделения наиболее близко расположенных сигналов.

В Главе 2 мы провели расчет избирательности для двух сигналов, разнесенных на 4 кГц, при использовании 3-килогерцового аналогового фильтра. Давайте повторим этот расчет для случая цифровой фильтрации. Хорошей моделью избирательности цифрового фильтра будет около-гауссовская модель:

Где H(Δ f) – уровень отсечки фильтра, дБ;
Δ f – частотная отстройка от центра, Гц;

α – параметр управления избирательностью. Для идеального гауссовского фильтра α=2. Разрешающие фильтры с разверткой, применяемые в анализаторах фирмы Agilent, основаны на около-гауссовской модели с параметром α=2.12, что обеспечивает избирательность 4.1:1.

Подставляя значения из нашего примера в это уравнение, получим:

На отстройке 4 кГц, 3-килогерцовый цифровой фильтр опускается до -24.1 дБ, по сравнению с аналоговым фильтром, который показывал всего -14.8 дБ. Благодаря своей превосходящей избирательности, цифровой фильтр может различить гораздо более близко расположенные сигналы.

Полностью цифровая ПЧ
В анализаторах спектра серии PSA фирмы Agilent впервые было совмещено несколько цифровых технологий, чтобы создать полностью цифровой блок ПЧ. Чисто цифровая ПЧ обеспечивает целый букет преимуществ для пользователя. Комбинация БПФ-анализа для узких и анализа с разверткой для широких полос обзора оптимизирует развертку для обеспечения наибыстрейших измерений. Архитектурно АЦП передвинулся ближе ко входному порту, что стало возможным благодаря усовершенствованиям в аналогово-цифровых преобразователях и другом цифровом оборудовании. Давайте начнем с рассмотрения блок-схемы полностью цифровой ПЧ анализатора серии PSA, изображенной на Рис. 3-2.

Рисунок 3-2. Блок-схема полностью цифровой ПЧ в приборах серии PSA

Здесь все 160 полос разрешения реализованы цифровым способом. Хотя присутствуют и аналоговые цепи перед АЦП, начиная с нескольких ступеней преобразования «вниз» и заканчивая парой однополюсных предварительных фильтров (один LC-фильтр и один фильтр на кристалле). Предварительный фильтр помогает предотвратить попадание искажений третьего порядка в последующую цепь, точно так же, как и в аналоговой реализации ПЧ. Вдобавок, он делает возможным расширение динамического диапазона за счет автоматического переключения диапазонов измерения. Сигнал с выхода однополюсного предварительного фильтра направляется на детектор автоматического переключения и на сглаживающий фильтр.
Как и в случае любой архитектуры ПЧ, основанной на БПФ, сглаживающий фильтр необходим для устранения наложений (вклада внеполосных сигналов в выборку данных АЦП). Этот фильтр – многополюсный, поэтому обладает весомой групповой задержкой. Даже очень резко возрастающий радиочастотный всплеск, перенесенный вниз на ПЧ, испытает задержку на более чем три такта АЦП (30 МГц) при проходе через сглаживающий фильтр. Задержка дает время распознать поступающий сигнал большой величины до того, как он вызовет перегрузку АЦП. Логическая цепь, управляющая детектором автоматического переключения диапазонов, уменьшит усиление перед АЦП, до того, как сигнал туда поступит, чем предотвратит срезание импульса. Если огибающая сигнала будет оставаться низкой продолжительное время, автоподстроечная цепь увеличит усиление, понизив эффективный шум на входе. Цифровое усиление после АЦП также изменяется, чтобы соответствовать аналоговому усилению перед АЦП. Результат – АЦП с «плавающей точкой», очень широким динамическим диапазоном при активированной автоподстройке в режиме развертки.

Рисунок 3-3. Автоподстройка удерживает шум АЦП вблизи несущей и ниже уровня шума гетеродина или характеристики разрешающего фильтра

На Рис. 3-3 показано поведение анализатора серии PSA при развертке. Однополюсный предварительный фильтр позволяет увеличить усиление, пока анализатор отстроен далеко от несущей частоты. По мере приближения к несущей усиление уменьшается и шум квантования АЦП растет. Уровень шума будет зависеть от уровня сигнала и его частотной отстройки от несущей, поэтому он будет выглядеть как ступенчатый фазовый шум. Но фазовый шум отличен от этого шума автоподстройки. Фазового шума в анализаторах спектра избежать нельзя. Однако уменьшение ширины предварительной фильтрации помогает снизить шум автоподстройки на большинстве частотных отстроек от несущей. Поскольку ширина полосы предварительной фильтрации примерно в 2.5 раза больше ширины полосы разрешения, уменьшение полосы разрешения понижает шум автоподстройки.

Специализированная ИС обработки сигнала
Вернемся к блок-схеме цифровой ПЧ (Рис. 3-2). После того, как усиление АЦП было установлено в соответствии с усилением аналоговым и скорректировано усилением цифровым, специализированная ИС начинает обработку выборки. Сначала 30-мегагерцовые отсчеты ПЧ разбиваются на I и Q пары с половинным шагом (15 миллионов пар в секунду). Пары I и Q затем получают высокочастотное усиление при помощи одноступенчатого цифрового фильтра, чье усиление и фаза примерно противоположны таковым у аналогового однополюсного предварительного фильтра. Потом пары I и Q фильтруются ФНЧ с линейной фазовой характеристикой и почти идеальной гауссовой частотной характеристикой. Гауссовские фильтры всегда были самыми подходящими для анализа с разверткой частоты, благодаря оптимальному компромиссу между поведением в частотной области (фактор формы) и во временной области (отклик на быструю развертку). С пониженной шириной полосы сигнала, пары I и Q теперь могут быть прорежены и отправлены на процессор для БПФ-обработки или демодуляции. Даже притом, что БПФ может быть осуществлено для сегмента полосы обзора до 10 МГц полосы сглаживающего фильтра, даже в более узком интервале 1 кГц, с узкой полосой разрешения в 1 Гц, для БПФ потребуется 20 миллионов точек данных. Использование прореживания данных для более узких интервалов значительно уменьшает количество требуемых для БПФ точек данных, что серьезно ускоряет вычисления.
Для анализа с разверткой частоты, отфильтрованные пары I и Q преобразуются в пары амплитуды и фазы. В традиционном анализе с разверткой, сигнал амплитуды фильтруется по видео-полосе, и выборка производится детекторной цепью дисплея. Выбор режима отображения «логарифмический/линейный» и масштабирование «дБ/единицы» производится в процессоре, так что результат отображается в любом из масштабов без проведения повторных замеров.

Возможности дополнительной видеообработки
Обычно, фильтр видео-полосы сглаживает логарифм амплитуды сигнала, но у него есть немало дополнительных возможностей. Он может конвертировать логарифм амплитуды в огибающую напряжения перед фильтрацией, и переводить обратно перед детектированием дисплея, для согласованности показаний.
Фильтрация амплитуды в масштабе линейного напряжения желательна для наблюдения огибающих импульсных радиосигналов при нулевом частотном обзоре. Сигнал с логарифмической амплитудой также может быть пересчитан в мощность (квадрат амплитуды) перед фильтрацией, а затем обратно. Фильтрация мощности позволяет анализатору дать такой же средний отклик на сигналы с шумообразными характеристиками (сигналы цифровой связи), как и на незатухающие волновые сигналы с таким же среднеквадратичным напряжением. В наше время все чаще требуется измерять полную мощность в канале или во всем диапазоне частот. При таких измерениях, точка на дисплее может показывать среднюю мощность за то время, которое гетеродин проходит через эту точку. Фильтр видео-полосы может быть перенастроен на сбор данных для осуществления усреднения в масштабе логарифма, напряжения или мощности.

Отсчет частоты
В анализаторах спектра с разверткой частоты обычно есть счетчик частоты. Он отсчитывает количество пересечений нуля в сигнале ПЧ и отстраивает этот отсчет на известные величины отстройки от гетеродина на остальном участке цепи преобразования. Если счет будет идти 1 секунду, можно получить разрешение по частоте в 1 Гц.
Благодаря цифровому синтезу гетеродина и полностью цифровой реализации полосы разрешения, присущая анализаторам серии PSA точность по частоте довольно велика (0.1% от полосы обзора). Вдобавок, в PSA есть счетчик частоты, который отслеживает не только пересечения нулевой отметки, но и изменения фазы. Таким образом, он может разрешать частоты в десятки миллигерц за 0.1 секунды. С такой конструкцией способность разрешать частотные изменения ограничена уже не анализатором спектра, а, скорее, зашумленностью исследуемого сигнала.

Другие преимущества полностью цифровой ПЧ
Мы уже рассмотрели ряд особенностей приборов серии PSA: фильтрация логарифма/напряжения/мощности, отсчет частоты с высоким разрешением, переключение логарифмического/линейного масштаба хранящихся в памяти данных, превосходные факторы формы, режим детектора усреднения данных в дисплейной точке, 160 различных полос разрешения, и, конечно же, режим обработки с разверткой частоты или БПФ. При анализе спектра фильтрация на разрешающих фильтрах вносит погрешность в измерения амплитуды и фазы, являющихся функциями скорости развертки. При определенном фиксированном уровне таких погрешностей, разрешающие фильтры чисто цифровой ПЧ с линейной фазой допускают более высокие скорости развертки частоты, чем аналоговые фильтры. Цифровое воплощение также обеспечивает известную компенсацию при снятии данных частоты и амплитуды, допуская тем самым скорости развертки вдвое большие, чем у более старых анализаторов, и демонстрирует отличные показатели даже при учетверенной скорости развертки.
Реализованное в цифровом виде логарифмическое усиление отличается высокой точностью. Типичные погрешности, характерные для анализатора в целом, гораздо меньше погрешностей измерения, с помощью которых производитель оценивает достоверность логарифмирования. На входном смесителе анализатора значение достоверности логарифмирования определено в ±0.07 дБ для любого уровня вплоть до -20 дБм. Диапазон логарифмического усиления на низких уровнях не ограничивает достоверность логарифмирования, как это было бы при аналоговой ПЧ; диапазон ограничен только шумом порядка -155 дБм во входном смесителе. Из-за однотонового сжатия в последующих цепях на более высоких мощностях, параметр достоверности ухудшается до ±0.13 дБ для уровней сигналов до -10 дБм на входном смесителе. Для сравнения, аналоговый логарифмический усилитель обычно характеризуется допусками порядка ±1 дБ.
Другие точности, связанные с ПЧ, также испытали улучшение. Предварительный фильтр ПЧ – аналоговый, и должен быть настроен как любой аналоговый фильтр, так что он подвержен погрешностям настройки. Но он все равно лучше, чем прочие аналоговые фильтры. При том, что для него нужно изготовить всего одну ступень, ее можно сделать гораздо более стабильной, чем в случае 4- и 5-ступенчатых фильтров, которые используются в анализаторах с аналоговой ПЧ. В результате, перепады усиления между разрешающими фильтрами удается удержать в рамках величины ±0.03 дБ, что в десять раз лучше, чем для чисто аналоговых конструкций.
Точность полосы ПЧ определяется ограничениями установок в цифровой части фильтрации и погрешностью калибровки в аналоговом предварительном фильтре. И снова, предварительный фильтр - весьма стабилен, и привносит лишь 20% от той погрешности, которая бы присутствовала в аналоговой реализации полосы разрешения, состоящей из пяти таких ступеней. В результате, большинство разрешающих полос укладываются в 2 процента от своей заявленной ширины, в отличие от 10-20 процентов в случае анализаторов с аналоговой ПЧ.
Самый важный аспект точности по полосе – это минимизация погрешности измерения мощности в канале и подобных измерений. Полоса шума разрешающих фильтров имеет даже лучшие показатели, чем допуск в 2 процента на установочные процессы, а шумовые маркеры и измерение мощности в канале корректируется до ±0.5%. Таким образом, погрешности по полосе дают вклад всего ±0.022 дБ в погрешность плотности амплитуды шума и измерения мощности в канале. И, наконец, при полном отсутствии аналоговых ступеней усиления, зависящих от опорного уровня, вообще не существует погрешности «усиления ПЧ». Суммарное значение всех этих улучшений таково, что чисто цифровая ПЧ обеспечивает значительное улучшение в точности спектрального анализа. Также появляется возможность изменять настройки анализатора без сколько-нибудь значительного воздействия на точность измерения. В следующей главе мы поговорим об этом подробнее.

1 Строго говоря, как только сигнал оцифрован, он уже не находится на промежуточной частоте, или ПЧ. С этого момента сигнал представлен цифровыми значениями. Однако, мы используем термин «цифровая ПЧ» для описания тех цифровых процессов, которые пришли на смену аналоговой секции ПЧ, существовавшей в традиционных анализаторах спектра.)

Частотные преобразователи, как и многие другие электронные преобразователи с питанием от сети переменного тока с частотой 50 Гц, в силу одного лишь своего устройства искажают форму потребляемого тока: ток не линейно зависит от напряжения, поскольку выпрямитель на входе устройства стоит, как правило, обычный, то есть неуправляемый. Так же и выходные ток и напряжение преобразователя частоты - они тоже отличаются искаженной формой, наличием множества гармоник из-за работы ШИМ-инвертора.

В итоге, в процессе регулярного питания статора двигателя таким искаженным током, его изоляция быстрее стареет, подшипники портятся, шум двигателя усиливается, растет вероятность тепловых и электрических пробоев обмоток. А для сети, питающей , такое положение дел всегда чревато наличием помех, которые способны навредить другому оборудованию, питающемуся от этой же сети.

Для избавления от выше описанных проблем, к частотным преобразователям и двигателям устанавливают дополнительно входные и выходные фильтры, спасающие от вредных факторов и саму питающую сеть, и питаемый данным частотным преобразователем двигатель.

Входные фильтры призваны подавлять помехи генерируемые выпрямителем и ШИМ-инвертором преобразователя частоты, защищая таким образом сеть, а выходные фильтры - защищают сам двигатель от помех генерируемых ШИМ-инвертором частотного преобразователя. Входные фильтры - это дроссели и ЭМИ-фильтры, а выходные - это фильтры синфазные, моторные дроссели, синус-фильтры и фильтры dU/dt.

Дроссель, включаемый между сетью и частотным преобразователем, - это , он служит своего рода буфером. Сетевой дроссель не пускает от преобразователя частоты в сеть высшие гармоники (250, 350, 550 Гц и далее), одновременно защищая сам преобразователь от скачков напряжения в сети, от токовых бросков во время переходных процессов в преобразователе частоты и т. д.

Падение напряжения на таком дросселе составляет порядка 2%, что оптимально для нормальной работы дросселя в сочетании с преобразователем частоты без функции регенерации электроэнергии в момент торможения двигателя.

Так, сетевые дроссели устанавливают между сетью и преобразователем частоты при следующих условиях: при наличии помех в сети (по разным причинам); при перекосе фаз; при питании от сравнительно мощного (до 10 раз) трансформатора; если от одного источника питаются несколько преобразователей частоты; если к сети подключены конденсаторы установки КРМ.

Сетевой дроссель обеспечивает:

защиту преобразователя частоты от скачков сетевого напряжения и перекоса фаз;

защиту цепей от больших токов КЗ в двигателе;

продление срока службы преобразователя частоты.

Для устранения излучений, для обеспечения электромагнитной совместимости с чувствительными к излучениям приборами, как раз и необходим фильтр ЭМИ.

Трехфазный фильтр электромагнитных излучений призван подавить помехи в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц по принципу клетки Фарадея. ЭМИ-фильтр присоединяется по возможности как можно ближе к входу преобразователя частоты, чтобы обеспечить окружающим приборам надежную защиту от всех помех, создаваемых ШИМ-инвртором. Иногда ЭМИ-фильтр уже встроен в преобразователь частоты.

Так называемый фильтр dU/dt - это трехфазный Г-образный фильтр нижних частот, состоящий из цепочек индуктивностей и конденсаторов. Такой фильтр еще называют моторным дросселем, и часто он может вообще не иметь конденсаторов, а индуктивности при этом будут значительными. Параметры фильтра таковы, что все помехи на частотах выше частоты переключения ключей ШИМ-инвертора частотного преобразователя подавляются.

Если в составе фильтра имеются , то величина емкости каждого из них находится в пределах нескольких десятков нанофарад, а - до нескольких сотен микрогенри. В итоге данный фильтр понижает пиковое напряжение и импульсы на клеммах трехфазного двигателя до 500 В/мкс, что спасает обмотки статора от пробоя.

Итак, если привод испытывает частые рекуперативные торможения, изначально не приспособлен для работы с частотным преобразователем, имеет низкий класс изоляции или короткий моторный кабель, установлен в агрессивной рабочей среде или используется при напряжении 690 вольт, - фильтр dU/dt между частотным преобразователем и двигателем рекомендуется установить.

Даже несмотря на то, что напряжение, подаваемое на двигатель от преобразователя частоты, может иметь форму двуполярных прямоугольных импульсов, а не форму чистой синусоиды, фильтр dU/dt (со своими небольшими емкостью и индуктивностью) так действует на ток, что делает его в обмотках двигателя почти точно . Важно понимать, что если использовать фильтр dU/dt на частоте выше его номинала, то фильтр станет испытывать перегрев, то есть принесет лишние потери.

Синусный фильтр - подобие моторного дросселя или dU/dt-фильтра, отличие однако заключается в том, что емкости и индуктивности имеют здесь большие величины, такие, что частота среза составляет менее половины частоты коммутации ключей ШИМ-инвертора. Таким образом достигается лучшее сглаживание помех высоких частот, а форма напряжения на обмотках двигателя и форма тока в них, оказывается сильно ближе к идеальной синусоидальной.

Емкости конденсаторов в синус-фильтре измеряются десятками и сотнями микрофарад, а индуктивности катушек - единицами и десятками миллигенри. Синусный фильтр отличается поэтому крупным размером, по сравнению с габаритами традиционного частотного преобразователя.

Применение синусного фильтра позволяет использовать совместно с частотным преобразователем даже двигатель, изначально (по спецификации) не предназначенный для работы с частотным преобразователем по причине слабой изоляции. При этом не будет наблюдаться ни повышенного шума, ни быстрого износа подшипников, ни перегрева обмоток высокочастотными токами.

Появляется возможность без вреда использовать длинный кабель, соединяющий двигатель с преобразователем частоты, когда они расположены далеко друг от друга, при этом исключаются импульсные отражения в кабеле, могущие привести к потерям в форме тепла в преобразователе частоты.

необходимо снизить шум; если двигатель имеет слабую изоляцию;

испытывает частые рекуперативные торможения;

работает в условиях агрессивной среды; подключен кабелем длиной более 150 метров;

должен работать долго без обслуживания;

в процессе работы двигателя напряжение пошагово повышается;

номинальное рабочее напряжение двигателя составляет 690 вольт.

При этом следует помнить, что синусный фильтр нельзя использовать с частотой ниже его паспортного номинала (максимально допустимое отклонение частоты вниз - 20%), так что в настройках частотного преобразователя необходимо предварительно задать ограничение частоты снизу. А частоту выше 70 Гц нужно применять с большой осторожностью, и в настройках преобразователя, если это возможно, задать предварительно величины емкости и индуктивности подключаемого синусного фильтра.

Помните, что сам фильтр может шуметь и выделять ощутимое количество тела, ведь на нем даже при номинальной нагрузке падает порядка 30 вольт, поэтому фильтр следует устанавливать с соблюдением надлежащих условий охлаждения.

Все дроссели и фильтры необходимо соединять последовательно с двигателем экранированным кабелем по возможности минимальной длины. Так, для двигателя мощностью 7,5 кВт максимальная длина экранированного кабеля не должна превышать 2 метров.

Синфазные фильтры предназначены для подавления высокочастотных помех. Данный фильтр представляют собой дифференциальный трансформатор на ферритовом кольце (точнее - на овале), обмотками которого являются непосредственно трехфазные провода, соединяющие двигатель с частотным преобразователем.

Данный фильтр служит для снижения синфазных токов, порождаемых разрядами в подшипниках мотора. Как следствие, синфазный фильтр снижает возможные электромагнитные излучения от моторного кабеля, особенно если кабель этот не экранированный. Провода трех фаз проходят через окно сердечника, а защитный провод заземления остается снаружи.

Сердечник фиксируется на кабеле хомутом для защиты от разрушительного воздействия вибрации на феррит (во время работы двигателя ферритовый сердечник вибрирует). Фильтр лучше всего устанавливать на кабель со стороны клемм преобразователя частоты. Если сердечник в процессе эксплуатации нагревается более чем до 70°C, то это говорит о насыщении феррита, значит нужно добавить сердечников либо укоротить кабель. Несколько параллельных трехфазных кабелей лучше оснастить каждый - своим сердечником.

При работе двигателя нередко рождаются нежелательные явления, которые именуют «высшими гармониками». Они негативно сказываются на кабельных линиях и оборудовании электросети, приводят к нестабильной работе оборудования. При этом получается малоэффективное использование энергии, быстрое старение изоляции, сниженный процесс передачи и генерации.

Для решения данной проблемы необходимо выполнять требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), выполнение которых позволит обеспечить устойчивость технических средств к негативным воздействиям. В статье сделан небольшой экскурс в область электротехники, связанной с фильтрацией входных и выходных сигналов частотного преобразователя (ПЧ) и повышением эксплуатационных характеристик двигателей.

Что такое электромагнитные шумы?

Они возникают буквально от всех металлических антенн, собирающих и излучающих дезориентирующие энергетические волны. И сотовые телефоны, естественно, тоже наводят магнитоэлектрические волны, поэтому при взлете/посадке самолета стюардессы просят отключать аппаратуру.

Шумы разделяются по типу источников их возникновения, по спектру и характерным признакам. Электрическими и магнитными полями разных источников из-за наличия коммутационных связей создаютсяв кабельной линии ненужные разности потенциалов, нарастающие на полезные волны.

Возникающие в проводах помехи называются противофазными либо синфазными. Последние (они также называются несимметричными, продольными) образуются между кабелем и землей, и действуют на изоляционные свойства кабеля.

Наиболее распространенными шумовыми источниками является индуктивная аппаратура (содержащая катушки), такие, как асинхронные двигатели (АД), реле, генераторы и т. д. Шум может вступать в «конфликт» с некоторыми устройствами, индуцируя электротоки в их цепях, вызывая сбои в рабочем процессе.

Как шумы связаны с частотным преобразователем?

Преобразователи для асинхронных двигателей с динамически изменяющимся рабочим режимом, имея много положительного, обладают рядом недостатков - их использование приводит к возникновению интенсивных электромагнитных помех и наводок, которые формируются в аппаратах, связанных с ними по сети либо расположенными вблизи и подвергающимися излучению. Зачастую АД размещают удаленно от инвертора и соединяют с ним удлинённым проводом, что создаёт угрожающие предпосылки выхода электродвигателя из строя.

Наверняка кому-то приходилось столкнуться с импульсами от энкодера электродвигателя на контроллере либо с выдачей ошибки при использовании длинных проводов — все эти проблемы, так или иначе, связаны с совместимостью электронной техники.

Фильтры частотных преобразователей

Для повышения качества управления, ослабления отрицательного влияния используется фильтрующее устройство, представляющее собой элемент с нелинейной функцией. Задаётся частотный диапазон, вне которого реакция начинает ослабевать. С точки зрения электроники, этот термин довольно часто используется при обработке сигналов. Им определяется ограничительные условия для токовых импульсов. Основная функция частотника заключается в генерировании полезных, уменьшении нежелательных колебаний до уровня, установленного в соответствующих стандартах.

Существует два вида приборов в зависимости от места расположения в цепи, именуемые как входной и выходной. «Вход» и «выход» означает, что фильтрующие аппараты подсоединены к входной и выходной стороне преобразователя. Отличие между ними определяется их применением.

Входные служат для уменьшения шумовв кабельной линии электроснабжения. Они также влияют на устройства, подключенные к той же сети. Выходные предназначаются для помехоподавления для аппаратов, расположенныхрядом с инвертором и использующих одну и ту же землю.

Назначение фильтров для частотного преобразователя

В процессе функционирования частотный преобразователь – асинхронный двигатель, создаются нежелательные высшие гармоники, которые в совокупности с индуктивностью проводов приводят к ослаблению помехоустойчивости системы. По причине генерирования излучения электронная техника начинает неправильно работать. Активно функционирующие обеспечивают электромагнитную совместимость . К некоторому оборудованию предъявляются повышенные требования на предмет помехоустойчивости.

3-з фазные фильтры для частотника позволяют максимально снижать степень кондуктивных помех в широком частотном диапазоне. В итоге электропривод хорошо вписывается в единую сеть, где задействовано несколько оборудований. ЭМС-фильтры надлежит размещать на достаточно близком расстоянии к силовым входам/выходам преобразователя частоты, в виду зависимости уровня помех от длины и способа укладки силового кабеля. В отдельных случаях их устанавливают .

Фильтры необходимы для:

помехоустойчивости;
сглаживания амплитудного спектра, чтобы получить чистый электроток;
выбора частотных диапазонов и восстановления данных.

Все модели векторных частотных преобразователей снабжены сетевой фильтрацией. Наличие фильтрующих аппаратов обеспечивает необходимый уровень ЭМС для работы системы. Встроенное устройство позволяетделать минимальными наводки ишумы в электронной технике, и, следовательно,удовлетворяет требованиям по совместимости.

Отсутствие функции фильтрации в частотном преобразователе часто приводит к совокупительному нагреву питающего трансформатора, импульсным изменениям, искажениям формы питающей кривой, что вызывает сбой работы техники.

Аппараты, абсолютно необходимые для обеспечения стабильности работы сложной электронной техники. Между преобразователем частоты и сетью питания монтируется буфер с целью защиты линии от высших гармоник. Он способен сдерживать этиколебания волн,частота которых больше550 Гц. При остановке мощной асинхроннойдвигательной системы, может возникнуть скачок напряжения. В этот момент срабатывает защита.

Рекомендовано устанавливать для подавления высокочастотных гармоник и корректировки коэффициента системы. Важность установки состоит в том, чтобы уменьшить потери в статорах электродвигателя, нежелательный нагрев агрегата.

Сетевые дроссели обладают достоинствами. Правильно выбранная индуктивность устройства позволяет обеспечить:

защиту преобразователя частоты от перепадов напряжения и асимметричности фаз;
скорость роста тока КЗ понижается;
увеличивается длительность «жизни» конденсаторов.

Можно представить конденсатор как блокиратор. Поэтому в зависимости от способа подключения конденсатора, он может выступать в качестве:

низкочастотного, если подключить его параллельно к источнику;
высокочастотного, если подключить последовательно с источником.

В практических схемах может потребоваться резистор, чтобы ограничить электронный поток и достичь правильного отсечения частот.

2. Фильтры электромагнитного излучения (ЭМИ)

Вы используете ситечко для чая во время приготовления чая? Оно используются для предотвращения «нежелательных! элементов от входа в вашу систему. В электрических цепях есть множество подобных нежелательных явлений, которые появляются в различных частотах.

Электропривод в составе преобразователя частоты и электродвигателя, считается переменной нагрузкой. Эти аппараты и индуктивность проводоввызывают зарождение высокочастотных флуктуаций напряжения и, как следствие, электромагнитного излучения кабелей, что негативно сказывается на функционировании остальных устройств.

Это индуктор с двумя (или больше) обмотками, в котором течёт ток в противоположных направлениях. Использование этого устройства, состоящего из дросселя и конденсатора, имеет ряд преимуществ. Он более надежен и может применяться при самых низких рабочих температурах. Все это позволяет увеличить срок службы электродвигателя. Низкая индуктивность и малый размер также являются его ключевыми особенностями.

Применяются в тех случаях, когда:

от частотного преобразователя к электродвигателю протянуты кабели длиной до 15 м;
есть вероятность повреждение изоляции обмоток двигателя из-за пульсирующих скачков напряжения;
применяются старые агрегаты;
в системах с частым торможением;
агрессивность среды.

На довольно высоких частотах падение напряжения практически равняется нулю, и конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь. Фильтпресс изготовлен в виде делителя напряжения с резистором и конденсатором. Он, по сути, применяется для того, чтобы уменьшить пропускную способность, нестабильность и исправить скорость нарастания Uвых.

Говоря простыми словами, обычный дроссель исходит от слова «душить». И до сих пор используется, потому что довольно точно описывает своё предназначение. Подумайте, как сжимается «кулак» вокруг провода, чтобы препятствовать резким изменениям тока.

4. Синусоидальные фильтры

Переменный электроток представляет собой волну, некую комбинацию синуса и косинуса. Различные синусоидальные волны имеют разные частоты. Если знать, какие частоты присутствуют, какие нужно передать или удалить, то в результате можно получить сочетание «полезных» волн, то есть без шума. Это помогает в некоторой степени очистить токовый сигнал. Синусоидальный фильтр – это комбинация емкостных и индуктивных элементов.

Одной из мер по обеспечению электромагнитной совместимости является применение синусоидального аппарата, это бывает необходимо:

при групповом приводе с одним преобразователем;
при эксплуатации с минимумом коммутационных соединений с кабелями (без экрана) электродвигателя (к примеру, подключение шлейфным способом или подвесным энергетическим подводом);
для уменьшения потерь на длинных кабелях.

Назначение устройства заключается в предотвращении повреждения изоляторов обмотки электродвигателя. Благодаря почти полному поглощению высоких импульсов, на выходе напряжение принимает синусную форму. Его правильная установка – важный аспект для уменьшения уровня помех в сети и, следовательно, излучения. Это позволяет применять длинный провод и способствует снижению шумового уровня. Низкая индуктивность также означает меньший размер и более низкую цену. Устройства сконструированы по методу на фильтрации dU/dt с отличием в большую сторону по величине номинала элементов.

5. Высокочастотные фильтры синфазных помех

Если искаженная синусоида напряжения ведет себя как ряд гармонических сигналов добавленных к основной частоте, то фильтрующая схема позволяет пропускать только основную частоту, блокируя ненужные высшие гармоники. Входной аппарат фильтрации предназначается для подавления высокочастотного шума.

Приборы отличаются от выше рассмотренных более сложной конструкцией. Важнейшим способом снижения шумов служит соответствие требуемым правилам заземления в электрическом шкафу.

Как правильно выбрать входной и выходной фильтр ЭМС

Их отличительные достоинства заключаются в высоком помехопоглащающем коэффициенте. ЭМС применяются в устройствах с импульсными источниками питания. Стоит придерживаться требований инструкций по конкретной схеме управления асинхронных двигателей. Существуют общие принципы, определяющие правильность выбора.

Необходимо обратить внимание, что выбранная модель должна соответствовать:

параметрам частотного преобразователя и сети питания;
уровню снижения помех до требуемых пределов;
частотным параметрам электрических цепей и установок;
особенностям эксплуатации электрооборудования;
возможностямэлектромонтажа модели в систему управления и т. д.

Самый простой способ повысить качество электрической сети – это предпринять меры на стадии проектирования. Самое интересное, что при необоснованном отклонении от проектных решений вина полностью ложится на плечи электромонтажников.

Правильное решение по выбору типа частотного преобразователя, в совокупности с подходящей фильтровой аппаратурой, предотвращает возникновение большинства проблем для функционирования силового привода.

Обеспечение хорошей совместимости получается при правильном подборе параметров компонентов. Некорректное применение приборов может увеличить уровень помех. В реалии, входные и выходные фильтры иногда негативно влияют друг на друга. Это, особенно, касается случая, когда входной прибор встроен в частотный преобразователь. Выбор фильтрующего прибора к конкретному преобразователю осуществляется по техническим параметрам и лучше по компетентной рекомендации специалиста. Профессиональная консультация, возможно, принесёт вам существенную выгоду, так как дорогостоящей аппаратуре на самом деле всегда подбирается качественный недорогой аналог. Либо же она не действует в нужном частотном диапазоне.

Заключение

Электромагнитное воздействие влияет на оборудование, главным образом, на высоких частотах. Это означает, что правильная работа системы будет достигнута лишь тогда, когда соблюдаются правила электромонтажа и производственно-технические требования, а также выполняются требования к высокочастотному оборудованию (к примеру, экранирование, заземление, фильтрация).

Стоит заметить, что меры по повышению помехоустойчивости – это комплекс мероприятий. Использование лишь одних фильтров не решит проблему. Однако это наиболее эффективный способ удаления либо довольно значимого уменьшения вредоносных помех для нормальной электромагнитной совместимости электронной техники. Нельзя забывать также о том, что подходит или нет конкретная модель для решения задачи – определяется «на месте» либо путём эксперимента и тестирования.

В промышленности значительная часть потребления электрической энергии приходиться на вентиляционные, насосные и компрессорные установки, конвейера и подъемные механизмы, электроприводы технологических установок и станков. Данные механизмы чаще всего приводятся в действие асинхронными двигателями переменного тока. Для управления режимами работы асинхронных двигателей, в том числе и для снижения их энергопотребления, крупнейшие мировые производители электротехнического оборудования предлагают специализированные устройства - преобразователи частоты. Вне всякого сомнения, частотные преобразователи (которые еще называют преобразователями частоты, инверторами или сокращенно ПЧ) являются крайне полезными устройствами, способными значительно облегчить режимы пуска и работы асинхронных двигателей. Но в некоторых случаях преобразователи частоты могут оказывать и негативное влияние на подключенный электродвигатель.

Из-за особенностей конструкции частотного преобразователя его выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармонических составляющих (помех). Неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты потребляет нелинейный ток, загрязняющий сеть электроснабжения высшими гармониками (5, 7, 11 гармоника и т. д.). ШИМ - инвертор преобразователя частоты генерирует широкий спектр высших гармоник с частотой 150 кГц-30 МГц. Питание обмоток двигателя таким искаженным несинусоидальным током приводит к появлению таких негативных последствий как тепловой и электрический пробой изоляции обмоток двигателя, увеличение скорости старения изоляции, увеличение уровня акустических шумов работающего двигателя, эрозии подшипников. Кроме того, преобразователи частоты могут являться мощным источником помех в электрической сети питания, оказывая негативное влияние на другое электрическое оборудование, подключенное к этой сети. Для ослабления отрицательного воздействия гармонических искажений, генерируемых ПЧ в процессе работы, на электрическую сеть, электродвигатель и собственно сам преобразователь частоты применяют различные фильтры.

Применяемые совместно с преобразователями частоты фильтры можно условно разделить на входные и выходные. Входные фильтры служат для подавления негативного влияния выпрямителя и ШИМ-инвертора, выходные фильтры предназначены для борьбы с помехами, создаваемыми ШИМ – инвертором ПЧ и внешними источниками помех. К входным фильтрам относятся сетевые дроссели и ЭМИ–фильтры (РЧ-фильтры), к выходным фильтрам: фильтры dU/dt, моторные дроссели, синус фильтры, фильтры высокочастотных синфазных помех.

Сетевые дроссели

Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Сетевые дроссели с заданным падением напряжения на сопротивлении обмоток около 2% от номинальной величины сетевого напряжения предназначены для применения с преобразователями частоты не осуществляющими регенерацию энергии, освобождающейся при торможении двигателя обратно в систему электропитания. Дроссели с заданным падением напряжения на обмотках около 4% предназначены для работы комбинаций преобразователей и автотрансформаторов с функцией регенерации энергии торможения двигателя в систему электропитания.

при наличии в сети электропитания значительных помех от другого оборудования;
при асимметрии напряжения питания между фазами более 1,8 % от номинальной величины напряжения;
при присоединении преобразователя частоты к питающей сети с очень низким полным сопротивлением (например, при запитке ПЧ от рядом расположенного трансформатора, мощность которого более чем в 6-10 раз больше мощности ПЧ);
при присоединении большого количества преобразователей частоты к одной линии электропитания;
при питании от сети, к которой подключены другие нелинейные элементы, создающие существенные искажения;
при наличии в схеме электроснабжения батарей конденсаторов (компенсаторов реактивной мощности), повышающих коэффициент мощности сети.

Преимущества применения сетевых дросселей:

Защищают преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети;
Защищают преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения;
Уменьшают скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты;
Повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока ПЧ.

ЭМИ–фильтры

По отношению к питающей сети частотно регулируемый привод (ПЧ+двигатель) является переменной нагрузкой. В совокупности с индуктивностью силовых кабелей это приводит к возникновению высокочастотных флуктуаций сетевого тока и напряжения и, следовательно, к электромагнитному излучению (ЭМИ) силовых кабелей, что может отрицательно сказаться на работе других электронных приборов. Фильтры электромагнитных излучений необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости при установке преобразователя в местах, критичных к уровню помех питающей электросети.

Конструкция и область применения фильтров dU/dt

Фильтр dU/dt представляет собой Г-образный фильтр низких частот, состоящий из дросселей и конденсаторов. Номиналы индуктивностей дросселей и конденсаторов подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось подавление частот выше частоты коммутации силовых ключей инвертора ПЧ. Величина индуктивности обмотки дросселя фильтра dU/dt находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкГн, емкость конденсаторов фильтра dU/dt обычно находиться в пределах нескольких десятков нФ. За счет применения фильтра dU/dt удается снизить пиковое напряжение и отношение dU/dt импульсов на клеммах двигателя примерно до 500 В/мкс, тем самым защитив обмотку двигателя от электрического пробоя.

Частотноуправляемый привод с частым рекуперативным торможением;
Привод с двигателем, не рассчитанным на работу с преобразователем частоты и не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-25;
Привод со старым двигателем (с низким классом изоляции), или с двигателем общего назначения не соответствующим требованиям стандарта IEC 600034-17;
Привод с коротким моторным кабелем (менее 15 метров);
Частотнорегулируемый привод, двигатель которого установлен в агрессивной среде или работает при высоких температурах;

Так как фильтр dU/dt имеет сравнительно низкие значения индуктивности и емкости, то волна напряжения на обмотках двигателя еще имеет форму двуполярных прямоугольных импульсов вместо синусоиды. Но ток, протекающий через обмотки двигателя, уже имеет форму практически правильной синусоиды. Фильтры dU/dt могут использоваться на частоте коммутации ниже номинального значения, но следует избегать использовать их на частоте коммутации выше номинального значения, поскольку это вызовет перегрев фильтра. Фильтры dU/dt иногда называют моторными дросселями. В конструкции большинства моторных дросселей отсутствуют конденсаторы, а обмотки катушек имеют более высокую индуктивность.

Конструкция и область применения синусных фильтров

Конструкция синусных фильтров (синус-фильтров) аналогична конструкции фильтров dU/dt с той лишь разницей, что в них установлены дроссели и конденсаторы большего номинала, образующие LC-фильтр с частотой резонанса менее 50% от частоты коммутации (несущей частоты ШИМ-инвертора). За счет этого обеспечивается более эффективное сглаживание и подавление высоких частот и синусоидальная форма фазных напряжений и токов двигателя. Величина индуктивностей синусного фильтра находиться в пределах от сотен мкГн до десятков мГн, емкость конденсаторов синусоидального фильтра от единиц мкФ до сотен мкФ. Поэтому размеры синус-фильтров велики и сравнимы с размерами частотного преобразователя, к которому данный фильтр подключен.

При применении синусных фильтров отпадает необходимость в использовании специальных двигателей с усиленной изоляцией сертифицированных для работы с преобразователями частоты. Также уменьшается акустический шум от двигателя и подшипниковые токи в двигателе. Уменьшается нагрев обмоток двигателя, вызванный наличием токов высокой частоты. Синусные фильтры позволяют использовать более длинные моторные кабели в тех случаях применения, когда двигатель установлен далеко от преобразователя частоты. Одновременно с этим синусный фильтр устраняет импульсные отражения в моторном кабеле, благодаря чему уменьшаются потери в самом преобразователе частоты.

Когда требуется устранить акустический шум от двигателя при коммутации;
При запуске старых двигателей с изношенной изоляцией;
В случае эксплуатации с частым рекуперативным торможением и с двигателями, не соответствующими требованиям стандарта IEC 60034-17;
Когда двигатель установлен в агрессивной внешней среде или работает при высоких температурах;
При подключении двигателей экранированными или неэкранированными кабелями длиной от 150 до 300 метров. Использование кабелей двигателя длиной более 300 метров зависит от конкретного применения.
При необходимости увеличить интервал техобслуживания двигателя;
При пошаговом увеличении напряжения или в других случаях, когда преобразователь частоты питается от трансформатора;
С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.

Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус–фильтра.

В процессе работы синус–фильтр может выделять большое количество тепловой энергии (от десятков Вт до нескольких кВт) поэтому их рекомендуется устанавливать в хорошо вентилируемых местах. Также работа синус-фильтра может сопровождаться наличием акустического шума. При номинальной нагрузке привода на синус‐фильтре будет падать напряжение около 30 V. Это нужно учитывать при выборе электродвигателя. Падение напряжения может быть частично скомпенсировано уменьшением точки ослабления поля в настройках частотного преобразователя, и до этой точки на двигатель будет подаваться корректное значение напряжения, но на номинальной скорости напряжение будет пониженным.

Дроссели dU/dt, моторные дроссели и синусные фильтры должны соединяться с выходом преобразователя частоты экранированным кабелем минимально возможной длины. Максимальная рекомендованная длина кабеля между преобразователем частоты и выходным фильтром:

2 метра при мощности привода до 7,5 кВт;
5-10 метров при мощности привода от 7,5 до 90 кВт;
10-15 метров при мощности привода выше 90 кВт.

Конструкция и область применения высокочастотных фильтров синфазных помех

Высокочастотный фильтр синфазных помех представляет собой дифференциальный трансформатор с ферритовым сердечником, "обмотками" которого являются фазные провода моторного кабеля. Высокочастотный фильтр снижает высокочастотные синфазные токи, связанные с электрическими разрядами в подшипнике двигателя, а также уменьшает высокочастотные излучения от кабеля двигателя, например, в случаях использования не экранированных кабелей. Ферритовые кольца высокочастотного фильтра синфазных помех имеют овальную форму для упрощения монтажа. Через отверстие в кольце пропускаются все три фазных провода моторного кабеля, присоединенные к выходным клеммам U, V и W частотного преобразователя. Важно пропустить все три фазы моторного кабеля через кольцо, иначе оно будет насыщаться. Не менее важно не пропускать через кольцо провод защитного заземления PE, какие-либо другие провода заземления или нулевые проводники. В противном случае кольцо утратит свои свойства. В ряде случаев применения может потребоваться собрать пакет из нескольких колец для исключения их насыщения.

Ферритовые кольца могут быть установлены на моторном кабеле со стороны выходных клемм преобразователя частоты (клеммы U, V, W) или в соединительной коробке электродвигателя. Установка ферритовых колец ВЧ - фильтра со стороны клемм преобразователя частоты снижает как нагрузку на подшипники двигателя, так и высокочастотные электромагнитные помехи от кабеля двигателя. При установке непосредственно в соединительной коробке двигателя фильтр синфазных помех снижает только нагрузку на подшипники и не воздействует на электромагнитные помехи от кабеля двигателя. Необходимое количество колец зависит от их геометрических размеров, длины кабеля двигателя и рабочего напряжения преобразователя частоты.

При нормальной эксплуатации температура колец не превышает 70 °C. Температура колец выше 70 °C указывает на их насыщение. В этом случае требуется установить дополнительные кольца. Если кольца продолжают входить в режим насыщения, это означает, что моторный кабель слишком длинный, слишком большое число параллельных кабелей, либо используется кабель с высокой погонной емкостью. Также не следует использовать в качестве моторного кабеля кабель с жилами секторообразной формы. Следует применять только кабели с жилами круглой формы. Если температура окружающей среды выше 45 - 55 °C, то снижение номинальных характеристик фильтра становится весьма значительным.

При использовании нескольких параллельных кабелей при выборе количества ферритовых колец необходимо учитывать суммарную длину этих кабелей. Например, два кабеля длиной 50 м каждый эквивалентны одному кабелю длиной 100 м. Если используется много параллельных двигателей, то на каждом из них необходимо установить отдельный комплект колец. Ферритовые кольца могут вибрировать под воздействием переменного магнитного поля. Эта вибрация может привести к износу материала изоляции кольца или кабеля за счет постепенного механического истирания. Поэтому ферритовые кольца и кабель следует жестко зафиксировать пластиковыми кабельными стяжками (хомутами).