Speisekarte
heimNavigation

Eingangs- und Ausgangsfilter für einen Frequenzumrichter – Zweck, Funktionsprinzip, Anschluss, Merkmale. Was ist elektromagnetisches Rauschen?

In der Industrie ein erheblicher Teil des Verbrauchs elektrische Energie Dazu gehören Lüftungs-, Pump- und Kompressoreinheiten, Förder- und Hebevorrichtungen, elektrische Antriebe von technologischen Anlagen und Werkzeugmaschinen. Diese Mechanismen werden am häufigsten von Asynchronmotoren angetrieben Wechselstrom. Zur Steuerung der Betriebsarten Asynchronmotoren Um auch ihren Energieverbrauch zu senken, bieten die weltweit größten Hersteller von Elektrogeräten spezielle Geräte an – Frequenzumrichter. Ohne Zweifel sind Frequenzumrichter (auch Frequenzumrichter, Wechselrichter oder kurz Wechselrichter genannt) äußerst nützliche Geräte, die die Inbetriebnahme und den Betrieb von Asynchronmotoren erheblich erleichtern können. In manchen Fällen können Frequenzumrichter aber auch negative Auswirkungen auf den angeschlossenen Elektromotor haben.

Aufgrund der Konstruktionsmerkmale des Frequenzumrichters haben dessen Ausgangsspannung und -strom eine verzerrte, nicht-sinusförmige Form mit vielen harmonischen Anteilen (Störungen). Der ungesteuerte Gleichrichter des Frequenzumrichters verbraucht nichtlinearen Strom und belastet das Stromversorgungsnetz mit höheren Harmonischen (5., 7., 11. Harmonische usw.). Der PWM-Inverter des Frequenzumrichters erzeugt ein breites Spektrum höherer Harmonischer mit einer Frequenz von 150 kHz-30 MHz. Die Versorgung der Motorwicklungen mit einem derart verzerrten nicht-sinusförmigen Strom führt zu negativen Folgen wie einem thermischen und elektrischen Durchbruch der Isolierung der Motorwicklungen, einer Erhöhung der Alterungsrate der Isolierung und einer Erhöhung des akustischen Geräuschpegels von a laufender Motor und Lagererosion. Darüber hinaus können Frequenzumrichter eine starke Lärmquelle im Stromversorgungsnetz darstellen und sich negativ auf andere an dieses Netz angeschlossene elektrische Geräte auswirken. Um die negativen Auswirkungen der vom Wechselrichter während des Betriebs erzeugten harmonischen Verzerrungen zu reduzieren, elektrisches Netzwerk, der Elektromotor und der Frequenzumrichter selbst verwenden verschiedene Filter.

In Verbindung mit Frequenzumrichtern verwendete Filter können in Eingang und Ausgang unterteilt werden. Eingangsfilter dienen zur Unterdrückung des negativen Einflusses des Gleichrichters und des PWM-Wechselrichters, Ausgangsfilter dienen zur Bekämpfung von Störungen durch den PWM-Wechselrichter und externe Rauschquellen. Zu den Eingangsfiltern gehören Netzdrosseln und EMI-Filter (HF-Filter), zu den Ausgangsfiltern gehören dU/dt-Filter, Motordrosseln, Sinusfilter und Hochfrequenz-Gleichtaktinterferenzfilter.

Netzwerkdrosseln

Die Netzdrossel ist ein Zwei-Wege-Puffer zwischen dem Stromversorgungsnetz und dem Frequenzumrichter und schützt das Netz vor höheren Harmonischen 5., 7., 11. Ordnung mit einer Frequenz von 250 Hz, 350 Hz, 550 Hz usw. Darüber hinaus ermöglichen Netzdrosseln den Schutz des Frequenzumrichters vor erhöhter Versorgungsspannung und Stromstößen bei transienten Vorgängen im Versorgungsnetz und der Belastung des Wechselrichters, insbesondere bei einem starken Sprung der Netzspannung, der beispielsweise auftritt. wenn leistungsstarke Asynchronmotoren abgeschaltet werden. Netzdrosseln mit einem vorgegebenen Spannungsabfall am Wicklungswiderstand von ca. 2 % des Nennwertes der Netzspannung sind für den Einsatz an Frequenzumrichtern vorgesehen, die die beim Abbremsen des Motors freiwerdende Energie nicht in das Stromnetz zurückspeisen. Drosseln mit einem spezifizierten Spannungsabfall über den Wicklungen von ca. 4 % dienen zum Betrieb von Kombinationen aus Umrichtern und Spartransformatoren mit der Funktion, Motorbremsenergie in das Stromnetz zurückzuspeisen.

  • wenn es zu erheblichen Störungen durch andere Geräte im Stromversorgungsnetz kommt;
  • wenn die Asymmetrie der Versorgungsspannung zwischen den Phasen mehr als 1,8 % der Nennspannung beträgt;
  • beim Anschluss des Frequenzumrichters an ein Versorgungsnetz mit sehr niedriger Impedanz (z. B. wenn der Wechselrichter von einem nahegelegenen Transformator gespeist wird, dessen Leistung mehr als 6-10 Mal größer ist als die Leistung des Wechselrichters);
  • beim Anschluss einer großen Anzahl von Frequenzumrichtern an eine Stromversorgungsleitung;
  • bei Stromversorgung über ein Netzwerk, an das andere nichtlineare Elemente angeschlossen sind, entstehen erhebliche Verzerrungen;
  • wenn im Stromversorgungskreis von Batterien Kondensatoren (Blindleistungskompensatoren) vorhanden sind, die den Leistungsfaktor des Netzes erhöhen.

Vorteile des Einsatzes von Netzwerkdrosseln:

  • Schützen Sie den Frequenzumrichter vor pulsierenden Spannungsspitzen im Netzwerk;
  • Schützen Sie den Frequenzumrichter vor Phasenungleichgewichten in der Versorgungsspannung;
  • Reduzieren Sie die Anstiegsgeschwindigkeit von Kurzschlussströmen in den Ausgangskreisen des Frequenzumrichters.
  • Erhöht die Lebensdauer des Kondensators im Link Gleichstrom WENN.

EMI-Filter

Bezogen auf das Versorgungsnetz ist der Frequenzumrichter (Wechselrichter + Motor) eine variable Last. In Kombination mit der Induktivität von Stromkabeln führt dies zu hochfrequenten Schwankungen des Netzstroms und der Netzspannung und damit zu elektromagnetischer Strahlung (EMR) von Stromkabeln, die den Betrieb anderer elektronischer Geräte beeinträchtigen kann. Elektromagnetische Strahlungsfilter sind erforderlich, um die elektromagnetische Verträglichkeit bei der Installation des Konverters an Orten sicherzustellen, die für den Störpegel des Stromversorgungsnetzes kritisch sind.

Aufbau und Umfang von dU/dt-Filtern

Der dU/dt-Filter ist ein L-förmiger Filter niedrige Frequenzen, bestehend aus Drosseln und Kondensatoren. Die Induktivitätswerte der Induktivitäten und Kondensatoren sind so gewählt, dass eine Unterdrückung von Frequenzen oberhalb der Schaltfrequenz der Leistungsschalter des Wechselrichters gewährleistet ist. Der Induktivitätswert der Filterdrosselwicklung dU/dt liegt im Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert µH, die Kapazität der dU/dt-Filterkondensatoren liegt üblicherweise im Bereich von mehreren zehn nF. Durch den Einsatz eines dU/dt-Filters ist es möglich, die Spitzenspannung und das dU/dt-Impulsverhältnis an den Motorklemmen auf etwa 500 V/µs zu reduzieren und so die Motorwicklung vor elektrischem Durchschlag zu schützen.

  • Frequenzgesteuerter Antrieb mit häufigem regenerativem Bremsen;
  • Antrieb mit einem Motor, der nicht für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter ausgelegt ist und nicht den Anforderungen der IEC 600034-25 entspricht;
  • Fahren Sie mit einem alten Motor (niedrige Isolationsklasse) oder mit einem Motor allgemeiner Zweck die Anforderungen der Norm IEC 600034-17 nicht erfüllen;
  • Antrieb mit kurzem Motorkabel (weniger als 15 Meter);
  • Frequenzumrichter, dessen Motor in einer aggressiven Umgebung installiert ist oder bei hohen Temperaturen arbeitet;

Da der dU/dt-Filter relativ niedrige Induktivitäts- und Kapazitätswerte aufweist, weist die Spannungswelle an den Motorwicklungen immer noch die Form einer Bipolarität auf Rechteckimpulse statt einer Sinuskurve. Der durch die Motorwicklungen fließende Strom hat jedoch bereits die Form einer nahezu regelmäßigen Sinuskurve. dU/dt-Filter können bei Schaltfrequenzen darunter verwendet werden Nennwert, sollte jedoch vermieden werden, sie mit einer höheren Schaltfrequenz als dem Nennwert zu verwenden, da dies zu einer Überhitzung des Filters führt. dU/dt-Filter werden manchmal auch Motordrosseln genannt. Die meisten Motordrosseln sind ohne Kondensatoren ausgelegt und die Spulenwicklungen weisen eine höhere Induktivität auf.

Aufbau und Umfang von Sinusfiltern

Der Aufbau von Sinusfiltern (Sinusfiltern) ähnelt dem Aufbau von dU/dt-Filtern mit dem einzigen Unterschied, dass sie mit Drosseln und Kondensatoren höherer Leistung ausgestattet sind, wodurch ein LC-Filter mit einer Resonanzfrequenz von weniger als 50 % der entsteht Schaltfrequenz (die Trägerfrequenz des PWM-Wechselrichters). Dies sorgt für eine effektivere Glättung und Unterdrückung hoher Frequenzen sowie einen Sinusverlauf der Phasenspannungen und -ströme des Motors. Die Induktivitätswerte eines Sinusfilters reichen von Hunderten von μH bis zu mehreren zehn mH, und die Kapazität der Sinusfilterkondensatoren reicht von Einheiten von μF bis zu Hunderten von μF. Daher sind die Abmessungen von Sinusfiltern groß und vergleichbar mit den Abmessungen des Frequenzumrichters, an den dieser Filter angeschlossen ist.

Beim Einsatz von Sinusfiltern ist der Einsatz von Spezialmotoren mit verstärkter Isolierung, die für den Betrieb mit Frequenzumrichtern zertifiziert sind, nicht erforderlich. Auch akustische Geräusche vom Motor und Lagerströme im Motor werden reduziert. Die durch hochfrequente Ströme verursachte Erwärmung der Motorwicklungen wird reduziert. Sinusfilter ermöglichen den Einsatz längerer Motorkabel in Anwendungen, bei denen der Motor weit vom Frequenzumrichter entfernt installiert ist. Gleichzeitig eliminiert der Sinusfilter Impulsreflexionen im Motorkabel und reduziert so Verluste im Frequenzumrichter selbst.

  • Wenn beim Schalten akustische Geräusche vom Motor eliminiert werden müssen;
  • Beim Starten alter Motoren mit verschlissener Isolierung;
  • Bei Betrieb mit häufigem regenerativem Bremsen und mit Motoren, die nicht den Anforderungen der Norm IEC 60034-17 entsprechen;
  • Wenn der Motor auf aggressiv eingestellt ist Außenumgebung oder bei hohen Temperaturen betrieben wird;
  • Beim Anschluss von Motoren mit geschirmten oder ungeschirmten Kabeln mit einer Länge von 150 bis 300 Metern. Der Einsatz von Motorkabeln mit einer Länge von mehr als 300 Metern hängt vom konkreten Anwendungsfall ab.
  • Erhöhen Sie ggf. das Motorwartungsintervall;
  • Bei schrittweiser Spannungserhöhung oder in anderen Fällen, in denen der Frequenzumrichter von einem Transformator gespeist wird;
  • Mit Allzweckmotoren mit 690 V.

Sinusfilter können bei Schaltfrequenzen über dem Nennwert verwendet werden, jedoch nicht bei Schaltfrequenzen, die (für ein bestimmtes Filtermodell) um mehr als 20 % unter dem Nennwert liegen. Daher sollten Sie in den Einstellungen des Frequenzumrichters die minimal mögliche Schaltfrequenz entsprechend den Passdaten des Filters begrenzen. Darüber hinaus wird bei Verwendung eines Sinusfilters davon abgeraten, die Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung über 70 Hz zu erhöhen. In manchen Fällen ist es notwendig, die Kapazitäts- und Induktivitätswerte des Sinusfilters in den Wechselrichter einzugeben.

Während des Betriebs kann ein Sinusfilter eine große Menge an Wärmeenergie (von mehreren zehn W bis zu mehreren kW) freisetzen. Daher wird empfohlen, ihn an gut belüfteten Orten zu installieren. Außerdem kann der Betrieb eines Sinusfilters mit akustischen Geräuschen einhergehen. Bei Nennlast des Antriebs entsteht am Sinusfilter ein Spannungsabfall von ca. 30 V. Dies muss bei der Auswahl eines Elektromotors berücksichtigt werden. Der Spannungsabfall kann teilweise kompensiert werden, indem der Feldschwächpunkt in den Einstellungen des Frequenzumrichters verringert wird. Bis zu diesem Punkt wird der Motor mit der richtigen Spannung versorgt, bei Nenndrehzahl wird die Spannung jedoch reduziert.

dU/dt-Drosseln, Motordrosseln und Sinusfilter müssen mit möglichst kurzen abgeschirmten Kabeln an den Ausgang des Frequenzumrichters angeschlossen werden. Maximal empfohlene Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Ausgangsfilter:

  • 2 Meter mit Antriebsleistung bis 7,5 kW;
  • 5-10 Meter mit Antriebsleistung von 7,5 bis 90 kW;
  • 10-15 Meter mit Antriebsleistung über 90 kW.

Aufbau und Umfang von Hochfrequenz-Gleichtaktfiltern

Der Hochfrequenz-Gleichtaktfilter ist ein Differentialtransformator mit Ferritkern, dessen „Wicklungen“ die Phasendrähte des Motorkabels sind. Der Hochpassfilter reduziert hochfrequente Gleichtaktströme, die mit elektrischen Entladungen im Motorlager einhergehen, und reduziert auch hochfrequente Emissionen aus dem Motorkabel, beispielsweise bei Verwendung ungeschirmter Kabel. Die Ferritringe des Hochfrequenz-Gleichtaktfilters sind oval geformt, um die Installation zu erleichtern. Alle drei Phasendrähte des Motorkabels werden durch das Loch im Ring geführt und an die Ausgangsklemmen U, V und W des Frequenzumrichters angeschlossen. Es ist wichtig, alle drei Phasen des Motorkabels durch den Ring zu führen, da es sonst in die Sättigung gerät. Ebenso wichtig ist es, weder den Schutzerdungsleiter PE noch andere Erdungsleiter oder Neutralleiter durch den Ring zu führen. Andernfalls verliert der Ring seine Eigenschaften. In einigen Anwendungen kann es erforderlich sein, ein Paket aus mehreren Ringen zusammenzustellen, um deren Sättigung zu verhindern.

Ferritperlen können am Motorkabel an den Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters (Klemmen U, V, W) oder im Motoranschlusskasten angebracht werden. Durch den Einbau von Ferritringen eines HF-Filters auf der Anschlussseite des Frequenzumrichters werden sowohl die Belastung der Motorlager als auch hochfrequente elektromagnetische Störungen durch das Motorkabel reduziert. Bei direkter Installation im Motoranschlusskasten reduziert der Gleichtaktfilter nur die Lagerbelastung und beeinflusst die EMI des Motorkabels nicht. Die erforderliche Anzahl der Ringe hängt von deren geometrischen Abmessungen, der Länge des Motorkabels und der Betriebsspannung des Frequenzumrichters ab.

Im Normalbetrieb überschreitet die Temperatur der Ringe 70 °C nicht. Ringtemperaturen über 70 °C weisen auf eine Sättigung hin. In diesem Fall müssen zusätzliche Ringe eingebaut werden. Wenn die Ringe weiterhin in die Sättigung geraten, ist das Motorkabel zu lang, es sind zu viele parallele Kabel vorhanden oder es wird ein Kabel mit hoher linearer Kapazität verwendet. Verwenden Sie auch kein Kabel mit sektorförmigen Adern als Motorkabel. Es sollten nur Kabel mit runden Adern verwendet werden. Wenn die Temperatur Umfeldüber 45 - 55 °C wird die Leistungsminderung des Filters erheblich.

Bei Verwendung mehrerer paralleler Kabel muss bei der Wahl der Anzahl der Ferritringe die Gesamtlänge dieser Kabel berücksichtigt werden. Beispielsweise entsprechen zwei Kabel von jeweils 50 m einem Kabel von 100 m. Werden viele parallele Motoren verwendet, muss an jedem Motor ein separater Ringsatz installiert werden. Ferritringe können vibrieren, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden. Diese Vibration kann dazu führen, dass das Ring- oder Kabelisolationsmaterial durch allmählichen mechanischen Abrieb beschädigt wird. Daher sollten die Ferritringe und das Kabel mit Kunststoffkabelbindern (Klemmen) fest fixiert werden.

Frequenzumrichter verzerren, wie viele andere elektronische Umrichter, die von einem Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 50 Hz gespeist werden, allein aufgrund ihrer Konstruktion die Form des aufgenommenen Stroms: Der Strom hängt nicht linear von der Spannung ab, da der Gleichrichter an der Die Eingabe des Geräts ist in der Regel normal, also unkontrollierbar. Gleiches gilt für den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters – sie unterscheiden sich auch in ihrer verzerrten Form und dem Vorhandensein vieler Oberwellen aufgrund des Betriebs des PWM-Wechselrichters.

Dadurch altert der Stator des Motors bei regelmäßiger Versorgung mit einem derart verzerrten Strom schneller, seine Isolierung altert, die Lager verschlechtern sich, das Motorgeräusch nimmt zu und die Wahrscheinlichkeit thermischer und elektrischer Ausfälle der Wicklungen steigt. Und für das Versorgungsnetz ist dieser Zustand immer mit Störungen behaftet, die andere Geräte, die über dasselbe Netz versorgt werden, schädigen können.

Um die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen, werden an Frequenzumrichtern und Motoren zusätzliche Eingangs- und Ausgangsfilter installiert, die sowohl das Versorgungsnetz selbst als auch den von diesem Frequenzumrichter angetriebenen Motor vor schädlichen Faktoren schützen.

Eingangsfilter sollen Störungen unterdrücken, die vom Gleichrichter und PWM-Wechselrichter des Frequenzumrichters erzeugt werden, und so das Netzwerk schützen. Ausgangsfilter schützen den Motor selbst vor Störungen, die vom PWM-Wechselrichter des Frequenzumrichters erzeugt werden. Die Eingangsfilter sind Drosseln und EMI-Filter, die Ausgangsfilter sind Gleichtaktfilter, Motordrosseln, Sinusfilter und dU/dt-Filter.

Die zwischen Netz und Frequenzumrichter geschaltete Drossel dient als eine Art Puffer. Die Netzdrossel verhindert, dass höhere Harmonische (250, 350, 550 Hz und darüber) vom Frequenzumrichter in das Netz gelangen, und schützt gleichzeitig den Umrichter selbst vor Spannungsstößen im Netz, vor Stromstößen bei transienten Vorgängen im Frequenzumrichter usw .

Der Spannungsabfall an einer solchen Drossel beträgt etwa 2 %, was optimal ist normale Operation Drosselklappe in Kombination mit einem Frequenzumrichter ohne die Funktion der Stromrückgewinnung beim Bremsen des Motors.

Daher werden Netzdrosseln zwischen dem Netz und dem Frequenzumrichter unter folgenden Bedingungen installiert: bei Vorhandensein von Störungen im Netz (aus verschiedenen Gründen); bei Phasenungleichgewicht; wenn es von einem relativ leistungsstarken (bis zu 10-fachen) Transformator gespeist wird; wenn mehrere Frequenzumrichter aus einer Quelle gespeist werden; wenn die Kondensatoren der KRM-Installation an das Netzwerk angeschlossen sind.

Die Netzdrossel bietet:

    Schutz des Frequenzumrichters vor Spannungsspitzen und Phasenungleichgewichten;

    Schutz der Stromkreise vor hohen Kurzschlussströmen im Motor;

    Verlängerung der Lebensdauer des Frequenzumrichters.

Um Strahlung zu eliminieren und die elektromagnetische Verträglichkeit mit strahlungsempfindlichen Geräten sicherzustellen, ist ein EMI-Filter genau das Richtige.

Der dreiphasige elektromagnetische Strahlungsfilter ist zur Unterdrückung von Störungen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz nach dem Faradayschen Käfigprinzip ausgelegt. Der EMI-Filter wird so nah wie möglich am Eingang des Frequenzumrichters angeschlossen, um umliegende Geräte zuverlässig vor allen Störungen zu schützen, die durch den PWM-Wechselrichter entstehen. Manchmal ist im Frequenzumrichter bereits ein EMI-Filter eingebaut.

Der sogenannte dU/dt-Filter ist ein dreiphasiger L-förmiger Tiefpassfilter, der aus Ketten von Induktivitäten und Kondensatoren besteht. Ein solcher Filter wird auch Motordrossel genannt. Oftmals verfügt er überhaupt über keine Kondensatoren und die Induktivität ist erheblich. Die Filterparameter sind so ausgelegt, dass alle Störungen bei Frequenzen oberhalb der Schaltfrequenz der Schalter des PWM-Inverters des Frequenzumrichters unterdrückt werden.

Wenn der Filter enthält, liegt die Kapazität jedes Filters im Bereich von mehreren zehn Nanofarad und bis zu mehreren hundert Mikrohenry. Dadurch reduziert dieser Filter die Spitzenspannung und Impulse an den Klemmen eines Drehstrommotors auf 500 V/µs, wodurch ein Ausfall der Statorwicklungen vermieden wird.

Wenn der Antrieb also häufig regenerativem Bremsen ausgesetzt ist, ursprünglich nicht für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter ausgelegt ist, eine niedrige Isolationsklasse oder ein kurzes Motorkabel aufweist, in einer aggressiven Betriebsumgebung installiert ist oder bei 690 Volt verwendet wird, gilt ein dU/dt Es wird empfohlen, einen Filter zwischen dem Frequenzumrichter und dem Motor einzubauen.

Auch wenn die vom Frequenzumrichter an den Motor gelieferte Spannung möglicherweise in Form von bipolaren Rechteckimpulsen und nicht in Form einer reinen Sinuswelle vorliegt, wirkt sich der dU/dt-Filter (mit seiner kleinen Kapazität und Induktivität) auf diese Weise auf den Strom aus dass es in den Wicklungen des Motors fast genau klappt. Es ist wichtig zu verstehen, dass es bei Verwendung eines dU/dt-Filters bei einer Frequenz über seinem Nennwert zu einer Überhitzung des Filters kommt, d. h. zu unnötigen Verlusten.

Ein Sinusfilter ähnelt einer Motordrossel oder einem dU/dt-Filter, der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Kapazitäten und Induktivitäten hier große Werte haben, sodass die Grenzfrequenz weniger als die Hälfte der Schaltfrequenz der PWM-Wechselrichterschalter beträgt. Auf diese Weise wird eine bessere Glättung hochfrequenter Störungen erreicht und die Form der Spannung an den Motorwicklungen und die Form des Stroms in ihnen kommt der idealen Sinuskurve viel näher.

Die Kapazitäten der Kondensatoren in einem Sinusfilter werden in Dutzenden und Hunderten Mikrofarad gemessen, und die Induktivitäten der Spulen werden in Einheiten und Dutzenden Millihenry gemessen. Der Sinusfilter ist daher im Vergleich zu den Abmessungen eines herkömmlichen Frequenzumrichters groß.

Durch die Verwendung eines Sinusfilters können Sie auch einen Motor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter verwenden, der ursprünglich (laut Spezifikation) aufgrund schlechter Isolierung nicht für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter vorgesehen war. In diesem Fall kommt es zu keinem erhöhten Geräuschpegel, zu keinem schnellen Lagerverschleiß und zu keiner Überhitzung der Wicklungen durch hochfrequente Ströme.

Es ist möglich, bei großer Entfernung zwischen Motor und Frequenzumrichter sicher ein langes Kabel zu verwenden, wodurch Impulsreflexionen im Kabel vermieden werden, die zu Verlusten in Form von Wärme im Frequenzumrichter führen können.

    Lärm muss reduziert werden; wenn der Motor schlecht isoliert ist;

    erlebt häufiges regeneratives Bremsen;

    arbeitet in einer aggressiven Umgebung; verbunden durch ein Kabel mit einer Länge von mehr als 150 Metern;

    sollte lange Zeit ohne Wartung funktionieren;

    Während der Motor läuft, erhöht sich die Spannung schrittweise.

    Die Nennbetriebsspannung des Motors beträgt 690 Volt.

Es ist zu beachten, dass ein Sinusfilter nicht mit einer Frequenz unterhalb seines Nennwerts verwendet werden kann (die maximal zulässige Frequenzabweichung nach unten beträgt 20 %), daher müssen Sie in den Einstellungen des Frequenzumrichters zunächst eine untere Frequenzgrenze einstellen. Und Frequenzen über 70 Hz müssen mit großer Vorsicht verwendet werden und in den Konvertereinstellungen nach Möglichkeit die Kapazitäts- und Induktivitätswerte des angeschlossenen Sinusfilters voreingestellt werden.

Denken Sie daran, dass der Filter selbst laut sein und eine merkliche Menge an Material abgeben kann, da er selbst bei Nennlast um etwa 30 Volt abfällt. Daher sollte der Filter unter geeigneten Kühlbedingungen installiert werden.

Alle Drosseln und Filter müssen mit einem abgeschirmten Kabel möglichst kurzer Länge in Reihe mit dem Motor verbunden werden. Also für einen 7,5-kW-Motor maximale Länge Das abgeschirmte Kabel sollte 2 Meter nicht überschreiten.

Gleichtaktfilter sollen hochfrequente Störungen unterdrücken. Dieser Filter Es handelt sich um einen Differentialtransformator auf einem Ferritring (genauer gesagt auf einem Oval), dessen Wicklungen direkt dreiphasige Drähte sind, die den Motor mit dem Frequenzumrichter verbinden.

Dieser Filter dient der Reduzierung von Gleichtaktströmen, die durch Entladungen in den Motorlagern entstehen. Dadurch reduziert der Gleichtaktfilter mögliche elektromagnetische Emissionen aus dem Motorkabel, insbesondere wenn das Kabel nicht abgeschirmt ist. Die drei Phasendrähte verlaufen durch das Kernfenster und der Schutzerdungsdraht bleibt draußen.

Der Kern wird mit einer Klemme am Kabel befestigt, um ihn vor den zerstörerischen Auswirkungen von Vibrationen auf den Ferrit zu schützen (während des Motorbetriebs vibriert der Ferritkern). Am besten installieren Sie den Filter am Kabel von der Anschlussseite des Frequenzumrichters aus. Erwärmt sich der Kern im Betrieb auf mehr als 70 °C, deutet dies auf eine Sättigung des Ferrits hin, sodass Sie weitere Adern hinzufügen oder das Kabel kürzen müssen. Besser ist es, mehrere parallele Drehstromkabel mit jeweils einer eigenen Ader auszustatten.

Kapitel 3

Übersicht über digitale Wechselrichter

Eine der bedeutendsten Veränderungen in der Spektrumanalyse ist seit den 1980er Jahren der Einsatz digitaler Technologie als Ersatz für bisher ausschließlich analoge Kombiinstrumente. Mit der Einführung leistungsstarker ADCs sind neue Spektrumanalysatoren in der Lage, das eingehende Signal viel schneller zu digitalisieren als Instrumente, die erst ein paar Jahre zuvor entwickelt wurden. Die dramatischsten Verbesserungen wurden im ZF-Bereich der Spektrumanalysatoren erzielt. Digital IF 1 hat dank der Verwendung von zu einer deutlichen Verbesserung der Geschwindigkeit, Genauigkeit und Fähigkeit zur Messung komplexer Signale geführt fortgeschrittene Technologien digitale Verarbeitung Signale.

Digitale Filter
In den Analysatoren der Agilent ESA-E-Serie erfolgt eine teilweise digitale Implementierung der IF-Schaltkreise. Während mit herkömmlichen analogen LC-Filtern und On-Chip-Filtern in der Regel Auflösungsbänder von 1 kHz und mehr erreicht werden können, werden die schmalsten Auflösungsbänder (1 Hz bis 300 Hz) digital realisiert. Wie in Abb. 3-1 wird das lineare Analogsignal auf 8,5 kHz ZF herunterkonvertiert und dann durch einen nur 1 kHz breiten Bandpassfilter geleitet. Dieses ZF-Signal wird verstärkt, dann mit 11,3 kHz abgetastet und digitalisiert.


Abbildung 3-1. Digitale Implementierung von Filtern mit einer Auflösung von 1, 2, 10, 30, 100 und 300 Hz in Geräten der ESA-E-Serie

Da sich das Signal bereits in einem digitalisierten Zustand befindet, durchläuft es den schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus. Um ein gültiges Signal umzuwandeln, muss sich der Analysator in einem festen Einstellungszustand (kein Sweep) befinden. Das heißt, die Konvertierung muss am Zeitbereichssignal durchgeführt werden. Aus diesem Grund verwenden die Analysatoren der ESA-E-Serie 900-Hz-Schritte anstelle eines kontinuierlichen Wobbelns im digitalen Bandpassmodus. Diese schrittweise Anpassung kann auf dem Display beobachtet werden, das während der digitalen Verarbeitung in 900-Hz-Schritten aktualisiert wird.
Wie wir gleich sehen werden, verwenden andere Spektrumanalysatoren – wie die PSA-Serie – eine vollständig digitale ZF und alle ihre Auflösungsfilter sind digital. Ein wesentlicher Vorteil der digitalen Verarbeitung dieser Analysatoren ist die Bandselektivität von etwa 4:1. Diese Selektivität ist bei den schmalsten Filtern verfügbar – denjenigen, die wir zum Trennen der engsten Signale benötigen.

In Kapitel 2 haben wir Selektivitätsberechnungen für zwei um 4 kHz getrennte Signale unter Verwendung eines 3-kHz-Analogfilters durchgeführt. Wiederholen wir diese Berechnung für den Fall der digitalen Filterung. Ein gutes Modell für die Selektivität digitaler Filter wäre ein nahezu Gaußsches Modell:

Wobei H(Δ f) – Filtergrenzwert, dB;
Δ f – Frequenzverstimmung von der Mitte, Hz;

α – Selektivitätskontrollparameter. Für einen idealen Gauß-Filter ist α=2. Die in Agilent-Analysatoren verwendeten Sweep-Filter basieren auf einem nahezu Gaußschen Modell mit α=2,12, das eine Selektivität von 4,1:1 bietet.

Wenn wir die Werte aus unserem Beispiel in diese Gleichung einsetzen, erhalten wir:


Beim 4-kHz-Offset sank der 3-kHz-Digitalfilter auf -24,1 dB, verglichen mit dem analogen Filter, der nur -14,8 dB anzeigte. Aufgrund seiner überlegenen Selektivität kann ein digitaler Filter zwischen viel näher beieinander liegenden Signalen unterscheiden.

Volldigitaler Wechselrichter
Die Spektrumanalysatoren der PSA-Serie von Agilent sind die ersten, die mehrere digitale Technologien zu einem vollständig kombinierten Gerät kombinieren digitaler Block WENN. Ein rein digitaler Wechselrichter bietet dem Anwender eine ganze Reihe von Vorteilen. Eine Kombination aus FFT-Analyse für schmale Schwaden und Sweep-Analyse für breite Schwaden optimiert den Sweep für schnellste Messungen. Architektonisch ist der ADC näher an den Eingangsport gerückt, was durch Verbesserungen bei Analog-Digital-Wandlern und anderen möglich wurde digitale Ausrüstung. Schauen wir uns zunächst das Blockdiagramm des volldigitalen ZF-Analysators der PSA-Serie an (siehe Abbildung 1). 3-2.

Abbildung 3-2. Blockschaltbild eines volldigitalen Wechselrichters in den Geräten der PSA-Serie

Hier sind alle 160 Auflösungsbänder implementiert digital. Allerdings gibt es auch analoge Schaltkreise vor dem ADC, beginnend mit mehreren Abwärtswandlungsstufen und endend mit einem Paar einpoliger Vorfilter (ein LC-Filter und ein On-Chip-Filter). Der Vorfilter trägt dazu bei, zu verhindern, dass Verzerrungen dritter Ordnung in die nachgeschaltete Schaltung gelangen, genau wie bei einer analogen ZF-Implementierung. Darüber hinaus ist es möglich, den Dynamikbereich um zu erweitern automatische Umschaltung Messbereiche. Das Signal vom Ausgang des einpoligen Vorfilters wird an den automatischen Schaltdetektor und an den Glättungsfilter gesendet.
Wie bei jeder FFT-basierten IF-Architektur ist ein Anti-Aliasing-Filter erforderlich, um Aliase (den Beitrag von Out-of-Band-Signalen zur ADC-Datenprobe) zu eliminieren. Dieser Filter ist mehrpolig und weist daher eine erhebliche Gruppenverzögerung auf. Selbst ein sehr stark ansteigender HF-Burst, der bis zur ZF übertragen wird, erfährt beim Durchlaufen des Anti-Aliasing-Filters eine Verzögerung von mehr als drei ADC-Takten (30 MHz). Die Verzögerung gibt Zeit, ein eingehendes großes Signal zu erkennen, bevor es den ADC überlastet. Die Logikschaltung, die den Autorange-Detektor steuert, reduziert die Verstärkung vor dem ADC, bevor das Signal eintrifft, und verhindert so eine Übersteuerung des Impulses. Bleibt die Signalhüllkurve über einen längeren Zeitraum niedrig, erhöht die Autotuning-Schaltung die Verstärkung und reduziert so das effektive Rauschen am Eingang. Die digitale Verstärkung nach dem ADC wird ebenfalls geändert, um sie an die analoge Verstärkung vor dem ADC anzupassen. Das Ergebnis ist ein Gleitkomma-ADC mit einem sehr großen Dynamikbereich, wenn das Autotuning im Sweep-Modus aktiviert ist.


Abbildung 3-3. Durch die automatische Abstimmung bleibt das ADC-Rauschen nahe am Träger und unter dem Lokaloszillatorrauschen oder es wird die Filterreaktion aktiviert

In Abb. Abbildung 3-3 zeigt das Sweep-Verhalten des Analysators der PSA-Serie. Ein einpoliger Vorfilter ermöglicht eine höhere Verstärkung, während der Analysator von der Trägerfrequenz abweicht. Wenn Sie sich dem Träger nähern, nimmt die Verstärkung ab und das ADC-Quantisierungsrauschen nimmt zu. Der Rauschpegel hängt vom Signalpegel und seinem Frequenzversatz zum Träger ab und erscheint daher als stufenförmiges Phasenrauschen. Aber Phasenrauschen unterscheidet sich von diesem Auto-Tuning-Rauschen. Phasenrauschen in Spektrumanalysatoren lässt sich nicht vermeiden. Allerdings trägt die Reduzierung der Vorfilterbreite dazu bei, das Autotuning-Rauschen bei den meisten Frequenzabweichungen vom Träger zu reduzieren. Da die Vorfilterbandbreite ungefähr das 2,5-fache der Auflösungsbandbreite beträgt, verringert eine Reduzierung der Auflösungsbandbreite das Autotuning-Rauschen.

Kundenspezifischer Signalverarbeitungs-IC
Kehren wir zum Blockschaltbild des digitalen Wechselrichters zurück (Abbildung 3-2). Sobald die ADC-Verstärkung auf die analoge Verstärkung eingestellt und durch die digitale Verstärkung angepasst wurde, beginnt der benutzerdefinierte IC mit der Probenverarbeitung. Zunächst werden die 30-MHz-ZF-Abtastwerte in Halbschritten (15 Millionen Paare pro Sekunde) in I- und Q-Paare aufgeteilt. Die I- und Q-Paare erhalten dann eine Hochfrequenzverstärkung durch einen einstufigen digitalen Filter, dessen Verstärkung und Phase ungefähr das Gegenteil von denen eines analogen einpoligen Vorfilters sind. Anschließend werden die I- und Q-Paare durch einen Tiefpassfilter mit linearem Phasengang und einem nahezu idealen Gaußschen Verlauf gefiltert Frequenzgang. Gaußsche Filter waren aufgrund des optimalen Kompromisses zwischen ihrem Verhalten schon immer am besten für die Frequenz-Sweep-Analyse geeignet Frequenzbereich(Formfaktor) und im Zeitbereich (Reaktion auf schnelles Sweep). Mit reduzierter Signalbandbreite können I- und Q-Paare nun dezimiert und zur FFT-Verarbeitung oder Demodulation an den Prozessor gesendet werden. Obwohl die FFT für ein Spannensegment von bis zu 10 MHz des Anti-Aliasing-Filterbands implementiert werden kann, würde die FFT selbst bei einer schmaleren Spanne von 1 kHz und einer schmalen Auflösungsbandbreite von 1 Hz 20 Millionen Datenpunkte erfordern. Durch die Verwendung der Datendezimierung für engere Intervalle wird die Anzahl der für die FFT erforderlichen Datenpunkte erheblich reduziert, was die Berechnungen erheblich beschleunigt.
Für die Frequenz-Sweep-Analyse werden die gefilterten I- und Q-Paare in Amplituden- und Phasenpaare umgewandelt. Bei der herkömmlichen Sweep-Analyse wird das Amplitudensignal über den Videostreifen gefiltert und von der Detektorschaltung des Displays abgetastet. Die Wahl des Anzeigemodus „logarithmisch/linear“ und der Skalierung „dB/Einheiten“ erfolgt im Prozessor, so dass das Ergebnis in jeder der Skalen ohne wiederholte Messungen angezeigt wird.

Zusätzliche Videoverarbeitungsfunktionen
Normalerweise glättet ein Video-Bandpassfilter den Logarithmus der Signalamplitude, hat aber einiges zu bieten Zusatzfunktionen. Es kann die logarithmische Amplitude vor der Filterung in die Spannungshüllkurve umwandeln und vor der Anzeigeerkennung zurückkonvertieren, um konsistente Messwerte zu gewährleisten.
Die Amplitudenfilterung im Netzspannungsmaßstab ist für die Beobachtung der Hüllkurven gepulster Funksignale bei einer Frequenzspanne von Null wünschenswert. Ein logarithmisches Amplitudensignal kann vor der Filterung auch in Leistung (Amplitude im Quadrat) umgewandelt werden und dann wieder zurück. Durch die Leistungsfilterung kann der Analysator auf Signale mit rauschähnlichen Eigenschaften (digitale Kommunikationssignale) die gleiche durchschnittliche Reaktion liefern wie auf Dauerstrichsignale mit der gleichen Effektivspannung. Heutzutage besteht ein zunehmender Bedarf an Messungen volle Kraft in einem Kanal oder über den gesamten Frequenzbereich. Bei solchen Messungen kann ein Punkt auf dem Display die durchschnittliche Leistung während der Zeit anzeigen, in der der lokale Oszillator diesen Punkt durchläuft. Der Videobandbreitenfilter kann so konfiguriert werden, dass er Daten sammelt, um eine Mittelung auf einer Logarithmus-, Spannungs- oder Leistungsskala durchzuführen.

Häufigkeitszählung
Frequenzsweep-Spektrumanalysatoren verfügen normalerweise über einen Frequenzzähler. Es zählt die Anzahl der Nulldurchgänge im ZF-Signal und passt diese Zählung an bekannte Verstimmungswerte des lokalen Oszillators im Rest der Konvertierungsschaltung an. Wenn die Zählung 1 Sekunde dauert, können Sie eine Frequenzauflösung von 1 Hz erhalten.
Dank der digitalen Lokaloszillatorsynthese und der vollständig digitalen Auflösungsbandbreite ist die inhärente Frequenzgenauigkeit der Analysatoren der PSA-Serie recht hoch (0,1 % der Spanne). Darüber hinaus verfügt der PSA über einen Frequenzzähler, der nicht nur Nulldurchgänge, sondern auch Phasenänderungen verfolgt. Somit kann es Frequenzen von mehreren zehn Millihertz in 0,1 Sekunden auflösen. Bei diesem Design wird die Fähigkeit zur Auflösung von Frequenzschwankungen nicht mehr durch den Spektrumanalysator, sondern durch das Rauschen des untersuchten Signals begrenzt.

Weitere Vorteile eines volldigitalen Antriebs
Wir haben bereits eine Reihe von Funktionen der PSA-Serie behandelt: Log-/Spannungs-/Leistungsfilterung, hochauflösende Frequenzabtastung, logarithmische/lineare Speicherskalierungsumschaltung, überlegene Formfaktoren, Anzeigepunkt-Mittelungsdetektormodus, 160 verschiedene Auflösungsbänder und Natürlich Frequenz-Sweep- oder FFT-Verarbeitungsmodus. Bei der Analyse eines Spektrums führt die Filterung mit auflösenden Filtern zu einem Fehler in den Amplituden- und Phasenmessungen, die Funktionen der Abtastrate sind. Für einen bestimmten festen Pegel solcher Fehler erlauben die Auflösungsfilter einer rein digitalen ZF mit linearer Phase mehr hohe Geschwindigkeiten Frequenzdurchlauf als analoge Filter. Die digitale Implementierung bietet außerdem eine bekannte Kompensation für Frequenz- und Amplitudendaten, was doppelt so hohe Sweep-Geschwindigkeiten wie bei älteren Analysatoren ermöglicht und selbst bei vierfachen Sweep-Geschwindigkeiten eine hervorragende Leistung liefert.
Implementiert in digitale Form Die logarithmische Verstärkung ist sehr genau. Typische Fehler, die für den Analysator insgesamt charakteristisch sind, sind viel kleiner als die Messfehler, mit denen der Hersteller die Zuverlässigkeit des Logarithmus bewertet. Am Eingangsmischer des Analysators wird der logarithmische Konfidenzwert für jeden Pegel bis hinunter zu -20 dBm mit ±0,07 dB angegeben. Logarithmischer Verstärkungsbereich bei niedrige Level schränkt die Zuverlässigkeit der Logarithmierung nicht ein, wie es bei einem analogen ZF der Fall wäre; Die Reichweite wird nur durch Rauschen von etwa -155 dBm im Eingangsmischer begrenzt. Aufgrund der Einzeltonkomprimierung in nachfolgenden Schaltkreisen bei höheren Leistungen verschlechtert sich die Wiedergabetreue auf ±0,13 dB bei Signalpegeln bis zu -10 dBm am Eingangsmischer. Im Vergleich dazu weist ein analoger Log-Verstärker typischerweise Toleranzen in der Größenordnung von ±1 dB auf.
Auch andere IF-bezogene Genauigkeiten konnten verbessert werden. Der ZF-Vorfilter ist analog und muss wie jeder analoge Filter abgestimmt werden, sodass es zu Abstimmungsfehlern kommen kann. Aber es ist immer noch besser als andere analoge Filter. Obwohl es nur eine einzige Stufe benötigt, kann es wesentlich stabiler gemacht werden als die 4- und 5-stufigen Filter, die in analogen ZF-Analysatoren zu finden sind. Dadurch können die Verstärkungsunterschiede zwischen den Aktivierungsfiltern innerhalb von ±0,03 dB gehalten werden, was zehnmal besser ist als bei rein analogen Designs.
Die Genauigkeit der ZF-Bandbreite wird durch die Einschränkungen der Einstellungen im digitalen Teil der Filterung und die Kalibrierungsunsicherheit im analogen Vorfilter bestimmt. Auch hier ist der Vorfilter sehr stabil und verursacht nur 20 % des Fehlers, der bei einer analogen Implementierung einer Auflösungsbandbreite bestehend aus fünf solcher Stufen vorhanden wäre. Infolgedessen passen die meisten Auflösungsbänder innerhalb von 2 Prozent ihrer angegebenen Breite, im Gegensatz zu 10–20 Prozent bei analogen ZF-Analysatoren.
Der wichtigste Aspekt der Bandbreitengenauigkeit ist die Minimierung des Fehlers bei der Kanalleistung und ähnlichen Messungen. Die Rauschbandbreite der Auflösungsfilter ist sogar besser als die 2-Prozent-Toleranz bei Einrichtungsprozessen, und Rauschmarker und Kanalleistungsmessungen werden auf ±0,5 % korrigiert. Daher tragen Bandbreitenfehler nur ±0,022 dB zur Messung der Rauschamplitudendichte und der Kanalleistung bei. Da schließlich überhaupt keine analogen Verstärkungsstufen vorhanden sind, die vom Referenzpegel abhängig sind, gibt es überhaupt keinen „ZF-Verstärkungs“-Fehler. Die Summe all dieser Verbesserungen besteht darin, dass eine rein digitale ZF eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der Spektralanalyse bietet. Es ist auch möglich, die Einstellungen des Analysators zu ändern, ohne dass sich dies wesentlich auf die Messgenauigkeit auswirkt. Wir werden im nächsten Kapitel mehr darüber sprechen.

1 Streng genommen befindet sich ein Signal, sobald es digitalisiert ist, nicht mehr auf der Zwischenfrequenz oder ZF. Ab diesem Zeitpunkt wird das Signal durch digitale Werte dargestellt. Allerdings verwenden wir den Begriff „digitale ZF“, um jene digitalen Prozesse zu beschreiben, die den analogen ZF-Bereich herkömmlicher Spektrumanalysatoren ersetzen.)