فیلترهای ورودی و خروجی برای مبدل فرکانس - هدف، اصل کار، اتصال، ویژگی ها. نویز الکترومغناطیسی چیست؟

در صنعت، بخش قابل توجهی از مصرف انرژی الکتریکیواحدهای تهویه، پمپاژ و کمپرسور، نوار نقاله ها و مکانیسم های بالابر، محرک های الکتریکی تاسیسات تکنولوژیکی و ماشین آلات را شامل می شود. این مکانیسم ها اغلب توسط موتورهای ناهمزمان هدایت می شوند جریان متناوب. برای کنترل حالت های عملیاتی موتورهای آسنکرون، از جمله برای کاهش مصرف انرژی خود، بزرگترین تولید کنندگان تجهیزات الکتریکی در جهان دستگاه های تخصصی - مبدل های فرکانس را ارائه می دهند. بدون شک، مبدل های فرکانس (که به اختصار مبدل فرکانس، اینورتر یا اینورتر نیز نامیده می شود) دستگاه های بسیار مفیدی هستند که می توانند راه اندازی و کارکرد موتورهای ناهمزمان را به میزان قابل توجهی تسهیل کنند. اما در برخی موارد، مبدل های فرکانس نیز می توانند تأثیر منفی بر موتور الکتریکی متصل داشته باشند.

با توجه به ویژگی های طراحی مبدل فرکانس، ولتاژ و جریان خروجی آن دارای شکل غیر سینوسی با تعداد زیادی اجزای هارمونیک (تداخل) است. یکسو کننده کنترل نشده مبدل فرکانس جریان غیرخطی مصرف می کند و شبکه منبع تغذیه را با هارمونیک های بالاتر (هارمونیک های پنجم، هفتم، یازدهم و غیره) آلوده می کند. اینورتر PWM مبدل فرکانس طیف وسیعی از هارمونیک های بالاتر را با فرکانس 150 کیلوهرتز تا 30 مگاهرتز تولید می کند. برق رسانی به سیم پیچ های موتور با چنین جریان غیر سینوسی تحریف شده ای منجر به پیامدهای منفی مانند شکست حرارتی و الکتریکی عایق سیم پیچ های موتور، افزایش سرعت پیری عایق، افزایش سطح نویز صوتی یک موتور می شود. موتور در حال اجرا و فرسایش بلبرینگ. علاوه بر این، مبدل‌های فرکانس می‌توانند منبع قدرتمندی برای ایجاد نویز در شبکه منبع تغذیه باشند و بر سایر تجهیزات الکتریکی متصل به آن شبکه تأثیر منفی بگذارند. برای کاهش تأثیر منفی اعوجاج هارمونیک ایجاد شده توسط اینورتر در حین کار، شبکه برق، موتور الکتریکی و خود مبدل فرکانس از فیلترهای مختلفی استفاده می کنند.

فیلترهای مورد استفاده در ارتباط با مبدل های فرکانس را می توان به ورودی و خروجی تقسیم کرد. فیلترهای ورودی برای سرکوب تأثیر منفی یکسو کننده و اینورتر PWM استفاده می شود، فیلترهای خروجی برای مقابله با تداخل ایجاد شده توسط اینورتر PWM و منابع نویز خارجی طراحی شده اند. فیلترهای ورودی شامل چوک های اصلی و فیلترهای EMI (فیلترهای RF)، فیلترهای خروجی شامل فیلترهای dU/dt، چوک موتور، فیلترهای سینوسی، فیلترهای تداخل حالت معمولی فرکانس بالا می باشند.

شبکه خفه می شود

چوک خط یک بافر دو طرفه بین شبکه منبع تغذیه و مبدل فرکانس است و شبکه را در برابر هارمونیک های بالاتر درجه 5، 7، 11 با فرکانس های 250 هرتز، 350 هرتز، 550 هرتز و غیره محافظت می کند. علاوه بر این، چوک های خط این امکان را فراهم می کند که مبدل فرکانس را از افزایش ولتاژ تغذیه و افزایش جریان در طی فرآیندهای گذرا در شبکه تغذیه و بار اینورتر، به ویژه در هنگام پرش شدید ولتاژ خط، که به عنوان مثال رخ می دهد، محافظت کند. هنگامی که موتورهای ناهمزمان قدرتمند خاموش می شوند. چوک های شبکه با افت ولتاژ مشخص در مقاومت سیم پیچ حدود 2% از مقدار اسمی ولتاژ شبکه برای استفاده با مبدل های فرکانس در نظر گرفته شده اند که انرژی آزاد شده هنگام ترمز موتور به سیستم منبع تغذیه را بازسازی نمی کنند. چوک هایی با افت ولتاژ مشخص در سراسر سیم پیچ ها در حدود 4٪ برای عملکرد ترکیبی از مبدل ها و ترانسفورماتورهای خودکار با عملکرد بازسازی انرژی ترمز موتور در سیستم منبع تغذیه طراحی شده اند.

• اگر تداخل قابل توجهی از سایر تجهیزات در شبکه منبع تغذیه وجود داشته باشد.
• هنگامی که عدم تقارن ولتاژ تغذیه بین فازها بیش از 1.8٪ ولتاژ نامی باشد.
• هنگام اتصال مبدل فرکانس به یک شبکه تغذیه با امپدانس بسیار کم (به عنوان مثال، هنگام تغذیه اینورتر از یک ترانسفورماتور نزدیک، که قدرت آن بیش از 6-10 برابر بیشتر از قدرت اینورتر است).
• هنگام اتصال تعداد زیادی مبدل فرکانس به یک خط منبع تغذیه؛
• هنگامی که از شبکه ای تغذیه می شود که سایر عناصر غیر خطی به آن متصل هستند و اعوجاج های قابل توجهی ایجاد می کند.
• در صورت وجود خازن ( جبران کننده توان راکتیو ) در مدار منبع تغذیه باتری ها که ضریب توان شبکه را افزایش می دهد.

مزایای استفاده از چوک شبکه:

• مبدل فرکانس را از نوسانات ولتاژ پالسی در شبکه محافظت کنید.
• مبدل فرکانس را از عدم تعادل فاز در ولتاژ تغذیه محافظت کنید.
• کاهش سرعت افزایش جریان اتصال کوتاه در مدارهای خروجی مبدل فرکانس.
• طول عمر خازن در لینک را افزایش می دهد جریان مستقیماگر.

فیلترهای EMI

در رابطه با شبکه تامین، درایو فرکانس متغیر (اینورتر + موتور) یک بار متغیر است. همراه با القایی کابل های برق، این امر منجر به نوسانات فرکانس بالا در جریان و ولتاژ خط و در نتیجه تابش الکترومغناطیسی (EMR) از کابل های برق می شود که می تواند بر عملکرد سایر دستگاه های الکترونیکی تأثیر منفی بگذارد. فیلترهای تشعشع الکترومغناطیسی برای اطمینان از سازگاری الکترومغناطیسی هنگام نصب مبدل در مکان‌های حیاتی برای سطح تداخل شبکه منبع تغذیه ضروری هستند.

طراحی و محدوده فیلترهای dU/dt

فیلتر dU/dt یک فیلتر L شکل است فرکانس های پایین، متشکل از چوک و خازن. رتبه های القایی سلف ها و خازن ها به گونه ای انتخاب می شوند که از سرکوب فرکانس های بالاتر از فرکانس سوئیچینگ سوئیچ های قدرت اینورتر اطمینان حاصل شود. مقدار اندوکتانس سیم پیچ چوک فیلتر dU/dt در محدوده چند ده تا چند صد میکروH است، ظرفیت خازن های فیلتر dU/dt معمولاً در محدوده چند ده nF است. با استفاده از فیلتر dU/dt، می‌توان پیک ولتاژ و نسبت پالس dU/dt را در پایانه‌های موتور تا حدود 500 V/µs کاهش داد و در نتیجه از سیم‌پیچ موتور در برابر خرابی الکتریکی محافظت کرد.

• درایو کنترل شده فرکانس با ترمزهای احیا کننده مکرر؛
• درایو با موتوری که برای کار با مبدل فرکانس طراحی نشده است و با الزامات IEC 600034-25 مطابقت ندارد.
• با موتور قدیمی (کلاس عایق پایین) یا با موتور رانندگی کنید همه منظورهعدم رعایت الزامات استاندارد IEC 600034-17؛
• رانندگی با کابل موتور کوتاه (کمتر از 15 متر)؛
• درایو فرکانس متغیر که موتور آن در یک محیط تهاجمی نصب شده است یا در دمای بالا کار می کند.

از آنجایی که فیلتر dU/dt مقادیر اندوکتانس و ظرفیت خازنی نسبتاً کمی دارد، موج ولتاژ روی سیم‌پیچ‌های موتور همچنان به شکل دوقطبی است. پالس های مستطیلیبه جای سینوسی اما جریانی که از سیم‌پیچ‌های موتور عبور می‌کند، شکل یک سینوسی تقریباً منظم را دارد. فیلترهای dU/dt را می توان در فرکانس های سوئیچینگ زیر استفاده کرد ارزش اسمی، اما باید از استفاده از آنها در فرکانس سوئیچینگ بالاتر از مقدار نامی خودداری شود زیرا باعث گرم شدن بیش از حد فیلتر می شود. فیلترهای dU/dt گاهی اوقات چوک موتور نامیده می شوند. اکثر چوک های موتور بدون خازن طراحی می شوند و سیم پیچ های سیم پیچ دارای اندوکتانس بالاتری هستند.

طراحی و محدوده فیلترهای سینوسی

طراحی فیلترهای سینوسی (فیلترهای سینوسی) شبیه به طراحی فیلترهای dU/dt است با این تفاوت که در آنها چوک ها و خازن هایی با درجه بالاتر نصب شده است که یک فیلتر LC با فرکانس تشدید کمتر از 50 درصد را تشکیل می دهد. فرکانس سوئیچینگ (فرکانس حامل اینورتر PWM). این امر صاف کردن و سرکوب موثرتر فرکانس های بالا و شکل سینوسی ولتاژها و جریان های فاز موتور را تضمین می کند. مقادیر القایی یک فیلتر موج سینوسی از صدها میکروH تا ده‌ها میلی‌اول و ظرفیت خازن‌های فیلتر موج سینوسی از واحدهای μF تا صدها میکروفن متغیر است. بنابراین ابعاد فیلترهای سینوسی بزرگ و قابل مقایسه با ابعاد مبدل فرکانسی است که این فیلتر به آن متصل است.

هنگام استفاده از فیلترهای موج سینوسی، نیازی به استفاده از موتورهای خاص با عایق تقویت شده برای کار با مبدل های فرکانس نیست. صدای آکوستیک موتور و جریان های بلبرینگ در موتور نیز کاهش می یابد. گرمایش سیم پیچ های موتور ناشی از وجود جریان های فرکانس بالا کاهش می یابد. فیلترهای موج سینوسی امکان استفاده از کابل های موتور بلندتر را در کاربردهایی که موتور دور از مبدل فرکانس نصب می شود، می دهد. در عین حال، فیلتر سینوسی بازتاب پالس در کابل موتور را از بین می برد و در نتیجه تلفات خود مبدل فرکانس را کاهش می دهد.

• هنگامی که لازم است صدای صوتی از موتور در طول کموتاسیون حذف شود.
• هنگام راه اندازی موتورهای قدیمی با عایق فرسوده؛
• در صورت کار با ترمزهای احیا کننده مکرر و با موتورهایی که با الزامات استاندارد IEC 60034-17 مطابقت ندارند.
• وقتی موتور روی حالت تهاجمی تنظیم می شود محیط خارجییا در دمای بالا کار می کند.
• هنگام اتصال موتورها با کابل های شیلددار یا بدون محافظ به طول 150 تا 300 متر. استفاده از کابل های موتور بیشتر از 300 متر بستگی به کاربرد خاص دارد.
• در صورت لزوم، فاصله تعمیر و نگهداری موتور را افزایش دهید.
• هنگام افزایش ولتاژ مرحله به مرحله یا در موارد دیگر که مبدل فرکانس توسط یک ترانسفورماتور تغذیه می شود.
• با موتورهای عمومی با استفاده از 690 ولت.

فیلترهای موج سینوسی را می توان در فرکانس های سوئیچینگ بالاتر از مقدار نامی استفاده کرد، اما نمی توان آنها را در فرکانس های سوئیچینگ زیر مقدار نامی (برای یک مدل فیلتر معین) بیش از 20٪ استفاده کرد. بنابراین، در تنظیمات مبدل فرکانس، باید حداقل فرکانس سوئیچینگ ممکن را مطابق با اطلاعات پاسپورت فیلتر محدود کنید. علاوه بر این، هنگام استفاده از فیلتر سینوسی، افزایش فرکانس ولتاژ خروجی اینورتر بالاتر از 70 هرتز توصیه نمی شود. در برخی موارد، لازم است مقادیر خازن و اندوکتانس فیلتر سینوسی را در اینورتر وارد کنید.

در حین کار، یک فیلتر سینوسی می تواند مقدار زیادی انرژی حرارتی (از ده ها وات تا چند کیلو وات) آزاد کند، بنابراین توصیه می شود آنها را در مکان هایی با تهویه مناسب نصب کنید. همچنین عملکرد یک فیلتر سینوسی ممکن است با وجود نویز صوتی همراه باشد. در بار نامی درایو، یک افت ولتاژ حدود 30 ولت در سراسر فیلتر سینوسی رخ می دهد. این باید در هنگام انتخاب یک موتور الکتریکی در نظر گرفته شود. افت ولتاژ را می توان با کاهش نقطه تضعیف میدان در تنظیمات مبدل فرکانس تا حدی جبران کرد و تا این مرحله ولتاژ صحیح به موتور داده می شود اما در سرعت نامی ولتاژ کاهش می یابد.

چوک های dU/dt، چوک های موتور و فیلترهای موج سینوسی باید با استفاده از کابل محافظ با کوتاه ترین طول ممکن به خروجی مبدل فرکانس متصل شوند. حداکثر طول کابل توصیه شده بین مبدل فرکانس و فیلتر خروجی:

• 2 متر با قدرت درایو تا 7.5 کیلو وات؛
• 5-10 متر با قدرت درایو از 7.5 تا 90 کیلو وات؛
• 10-15 متر با قدرت درایو بالای 90 کیلو وات.

طراحی و محدوده فیلترهای حالت مشترک با فرکانس بالا

فیلتر حالت مشترک با فرکانس بالا یک ترانسفورماتور دیفرانسیل با هسته فریت است که "سیم پیچ" های آن سیم های فاز کابل موتور هستند. فیلتر بالاگذر جریان‌های حالت مشترک با فرکانس بالا را که با تخلیه الکتریکی در یاتاقان موتور همراه است کاهش می‌دهد و همچنین انتشار فرکانس بالا از کابل موتور را کاهش می‌دهد، به عنوان مثال، در مواردی که از کابل‌های بدون محافظ استفاده می‌شود. حلقه های فریت فیلتر حالت معمولی با فرکانس بالا برای سهولت در نصب بیضی شکل هستند. هر سه سیم فاز کابل موتور از سوراخ حلقه عبور داده می شود که به پایانه های خروجی U، V و W مبدل فرکانس متصل است. مهم است که هر سه فاز کابل موتور را از حلقه عبور دهید، در غیر این صورت اشباع می شود. به همان اندازه مهم است که سیم اتصال زمین محافظ پلی اتیلن، سایر سیم های اتصال زمین یا هادی های خنثی را از طریق حلقه عبور ندهید. در غیر این صورت انگشتر خاصیت خود را از دست می دهد. در برخی از کاربردها، ممکن است لازم باشد یک بسته از چندین حلقه برای جلوگیری از اشباع شدن آنها جمع آوری شود.

دانه های فریت را می توان روی کابل موتور در پایانه های خروجی مبدل فرکانس (ترمینال های U, V, W) یا در جعبه اتصال موتور نصب کرد. نصب حلقه های فریت یک فیلتر RF در سمت ترمینال مبدل فرکانس باعث کاهش بار روی یاتاقان های موتور و تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا از کابل موتور می شود. هنگامی که فیلتر حالت مشترک به طور مستقیم در جعبه اتصال موتور نصب می شود، فقط بارهای باربری را کاهش می دهد و بر EMI کابل موتور تأثیر نمی گذارد. تعداد حلقه های مورد نیاز به ابعاد هندسی، طول کابل موتور و ولتاژ کاری مبدل فرکانس بستگی دارد.

در حین کار معمولی، دمای حلقه ها از 70 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند. دمای حلقه بالاتر از 70 درجه سانتیگراد نشان دهنده اشباع است. در این مورد، حلقه های اضافی باید نصب شوند. اگر حلقه‌ها به حالت اشباع ادامه می‌دهند، کابل موتور خیلی طولانی است، کابل‌های موازی زیادی وجود دارد یا از یک کابل خازن خطی بالا استفاده می‌شود. همچنین از کابل با هسته های سکتوری به عنوان کابل موتور استفاده نکنید. فقط باید از کابل هایی با هسته های گرد استفاده کرد. اگر درجه حرارت محیطدر دمای بالای 45 تا 55 درجه سانتیگراد، درجه بندی فیلتر بسیار قابل توجه است.

هنگام استفاده از چندین کابل موازی، در انتخاب تعداد حلقه های فریت باید طول کل این کابل ها را در نظر گرفت. به عنوان مثال، دو کابل 50 متری هر کدام معادل یک کابل 100 متری است، اگر از موتورهای موازی زیادی استفاده می شود، باید یک مجموعه رینگ جداگانه روی هر موتور نصب شود. حلقه های فریت زمانی که در معرض میدان مغناطیسی متناوب قرار می گیرند می توانند ارتعاش کنند. این لرزش می تواند باعث خراب شدن مواد عایق حلقه یا کابل از طریق ساییدگی تدریجی مکانیکی شود. بنابراین، حلقه‌های فریت و کابل باید با کابل‌های پلاستیکی (گیره) محکم ثابت شوند.

مبدل های فرکانس، مانند بسیاری از مبدل های الکترونیکی دیگر که توسط یک شبکه جریان متناوب با فرکانس 50 هرتز تغذیه می شوند، به دلیل طراحی خود به تنهایی شکل جریان مصرفی را مخدوش می کنند: جریان به طور خطی به ولتاژ بستگی ندارد، زیرا یکسو کننده در ورودی دستگاه، به عنوان یک قاعده، معمولی است، یعنی غیر قابل کنترل است. همین امر در مورد جریان و ولتاژ خروجی مبدل فرکانس نیز صدق می کند - آنها همچنین از نظر شکل تحریف شده و وجود هارمونیک های زیادی به دلیل عملکرد اینورتر PWM متفاوت هستند.

در نتیجه، در فرآیند تغذیه منظم استاتور موتور با چنین جریان تحریف شده، عایق آن سریعتر پیر می شود، یاتاقان ها خراب می شوند، صدای موتور افزایش می یابد و احتمال خرابی های حرارتی و الکتریکی سیم پیچ ها افزایش می یابد. و برای شبکه تامین، این وضعیت همیشه مملو از تداخلی است که می تواند به سایر تجهیزات تغذیه شده از همان شبکه آسیب برساند.

برای رهایی از مشکلاتی که در بالا توضیح داده شد، فیلترهای ورودی و خروجی اضافی روی مبدل های فرکانس و موتورها نصب می شوند که هم خود شبکه تغذیه و هم موتوری که توسط این مبدل فرکانس تغذیه می شود را از عوامل مضر نجات می دهد.

فیلترهای ورودی برای سرکوب تداخل ایجاد شده توسط یکسو کننده و اینورتر PWM مبدل فرکانس طراحی شده اند، بنابراین از شبکه محافظت می کنند و فیلترهای خروجی از خود موتور در برابر تداخل ایجاد شده توسط اینورتر PWM مبدل فرکانس محافظت می کنند. فیلترهای ورودی چوک و فیلتر EMI و فیلترهای خروجی فیلترهای حالت معمولی، چوک موتور، فیلترهای سینوسی و فیلترهای dU/dt هستند.

چوک متصل بین شبکه و مبدل فرکانس است، به عنوان نوعی بافر عمل می کند. چوک شبکه از ورود هارمونیک های بالاتر (250، 350، 550 هرتز و بالاتر) از مبدل فرکانس به شبکه جلوگیری می کند و همزمان از خود مبدل در برابر نوسانات ولتاژ در شبکه، از نوسانات جریان در طی فرآیندهای گذرا در مبدل فرکانس و غیره محافظت می کند. .

افت ولتاژ در چنین چوک حدود 2٪ است که برای آن بهینه است عملکرد عادیدریچه گاز در ترکیب با مبدل فرکانس بدون عملکرد بازسازی الکتریسیته در هنگام ترمز موتور.

بنابراین، چوک های شبکه بین شبکه و مبدل فرکانس تحت شرایط زیر نصب می شوند: در صورت وجود تداخل در شبکه (به دلایل مختلف). در صورت عدم تعادل فاز؛ هنگامی که توسط یک ترانسفورماتور نسبتا قدرتمند (تا 10 برابر) تغذیه می شود. اگر چندین مبدل فرکانس از یک منبع تغذیه شوند. اگر خازن های نصب KRM به شبکه متصل باشند.

خفه کننده خط ارائه می دهد:

محافظت از مبدل فرکانس در برابر افزایش ولتاژ شبکه و عدم تعادل فاز؛

حفاظت از مدارها در برابر جریان های اتصال کوتاه بالا در موتور؛

افزایش طول عمر مبدل فرکانس

برای حذف تشعشعات و اطمینان از سازگاری الکترومغناطیسی با دستگاه های حساس به تشعشع، فیلتر EMI دقیقا همان چیزی است که مورد نیاز است.

فیلتر تابش الکترومغناطیسی سه فاز برای سرکوب تداخل در محدوده 150 کیلوهرتز تا 30 مگاهرتز با استفاده از اصل قفس فارادی طراحی شده است. فیلتر EMI تا حد امکان به ورودی مبدل فرکانس متصل می شود تا دستگاه های اطراف را با محافظت مطمئن در برابر تمام تداخل ایجاد شده توسط اینورتر PWM ارائه دهد. گاهی اوقات یک فیلتر EMI از قبل در مبدل فرکانس تعبیه شده است.

فیلتر dU/dt یک فیلتر کم گذر سه فاز L شکل است که از زنجیره های سلف و خازن تشکیل شده است. به چنین فیلتری چوک موتور نیز می گویند و اغلب ممکن است اصلاً خازن نداشته باشد و اندوکتانس آن قابل توجه خواهد بود. پارامترهای فیلتر به گونه ای است که تمام تداخل در فرکانس های بالاتر از فرکانس سوئیچینگ سوئیچ های اینورتر PWM مبدل فرکانس سرکوب می شود.

اگر فیلتر حاوی 1 باشد، ظرفیت هر یک از آنها در چند ده نانوفاراد و تا چند صد میکروهنری است. در نتیجه این فیلتر پیک ولتاژ را کاهش می دهد و در پایانه های یک موتور سه فاز به 500 V/μs پالس می کند که از خرابی سیم پیچ های استاتور جلوگیری می کند.

بنابراین، اگر درایو دچار ترمزهای احیاکننده مکرر شود، در ابتدا برای کار با مبدل فرکانس طراحی نشده باشد، دارای کلاس عایق پایین یا کابل موتور کوتاه باشد، در یک محیط عملیاتی متخاصم نصب شده باشد، یا در ولتاژ 690 ولت، dU/dt استفاده شود. نصب فیلتر بین مبدل فرکانس و موتور توصیه می شود.

حتی اگر ولتاژ وارد شده به موتور از مبدل فرکانس ممکن است به شکل پالس های موج مربعی دوقطبی باشد تا یک موج سینوسی خالص، فیلتر dU/dt (با ظرفیت خازنی و اندوکتانس کوچک خود) به گونه ای بر روی جریان عمل می کند. که تقریباً دقیقاً آن را در موتور سیم پیچی می سازد. درک این نکته مهم است که اگر از فیلتر dU/dt در فرکانس بالاتر از مقدار اسمی آن استفاده کنید، فیلتر دچار گرمای بیش از حد می شود، یعنی باعث تلفات غیر ضروری می شود.

فیلتر سینوسی شبیه چوک موتور یا فیلتر dU/dt است، با این حال تفاوت این است که ظرفیت‌ها و اندوکتانس‌ها در اینجا مقادیر زیادی دارند، به طوری که فرکانس قطع کمتر از نصف فرکانس سوئیچینگ سوئیچ‌های اینورتر PWM است. به این ترتیب، هموارسازی بهتر تداخل فرکانس بالا حاصل می‌شود و شکل ولتاژ روی سیم‌پیچ‌های موتور و شکل جریان در آنها بسیار نزدیک‌تر به سینوسی ایده‌آل می‌شود.

ظرفیت خازن ها در یک فیلتر سینوسی با ده ها و صدها میکروفاراد و اندوکتانس سیم پیچ ها بر حسب واحد و ده ها میلیهنری اندازه گیری می شود. بنابراین فیلتر سینوسی در مقایسه با ابعاد یک مبدل فرکانس سنتی بزرگ است.

استفاده از فیلتر سینوسی به شما امکان می دهد حتی از یک موتور به همراه مبدل فرکانس استفاده کنید که در ابتدا (طبق مشخصات) به دلیل عایق بندی ضعیف برای کار با مبدل فرکانس در نظر گرفته نشده بود. در این حالت، هیچ صدای افزایش یافته، بدون سایش سریع یاتاقان ها، بدون گرم شدن بیش از حد سیم پیچ ها با جریان های فرکانس بالا وجود نخواهد داشت.

می توان با خیال راحت از کابل بلندی که موتور را به مبدل فرکانس متصل می کند، زمانی که آنها دور از هم قرار دارند استفاده کرد، در نتیجه بازتاب پالس در کابل را حذف کرد، که می تواند منجر به تلفات به شکل گرما در مبدل فرکانس شود.

سر و صدا باید کاهش یابد. اگر موتور عایق ضعیفی دارد؛

ترمزهای احیا کننده مکرر را تجربه می کند.

در یک محیط تهاجمی کار می کند؛ با کابلی به طول بیش از 150 متر متصل می شود.

باید برای مدت طولانی بدون تعمیر کار کند.

همانطور که موتور کار می کند، ولتاژ مرحله به مرحله افزایش می یابد.

ولتاژ نامی کارکرد موتور 690 ولت است.

لازم به یادآوری است که نمی توان از فیلتر سینوسی با فرکانس کمتر از مقدار اسمی آن استفاده کرد (حداکثر انحراف فرکانس رو به پایین مجاز 20٪ است)، بنابراین در تنظیمات مبدل فرکانس ابتدا باید حد فرکانس کمتری را تعیین کنید. و فرکانس های بالای 70 هرتز باید با دقت زیاد استفاده شوند و در تنظیمات مبدل در صورت امکان مقادیر خازن و اندوکتانس فیلتر سینوسی متصل را از قبل تنظیم کنید.

به یاد داشته باشید که خود فیلتر می تواند نویز داشته باشد و مقدار قابل توجهی از مواد را آزاد کند، زیرا حتی در بار نامی حدود 30 ولت افت می کند، بنابراین فیلتر باید در شرایط خنک کننده مناسب نصب شود.

تمام چوک ها و فیلترها باید با استفاده از یک کابل محافظ با کوتاه ترین طول ممکن به صورت سری به موتور متصل شوند. بنابراین، برای یک موتور 7.5 کیلووات حداکثر طولکابل محافظ نباید بیش از 2 متر باشد.

فیلترهای حالت معمول برای سرکوب تداخل فرکانس بالا طراحی شده اند. این فیلترآنها یک ترانسفورماتور دیفرانسیل روی یک حلقه فریت (به طور دقیق تر، روی یک بیضی) هستند که سیم پیچ های آن مستقیماً سیم های سه فازی هستند که موتور را به مبدل فرکانس متصل می کنند.

این فیلتر برای کاهش جریان های معمولی تولید شده توسط تخلیه در یاتاقان های موتور عمل می کند. در نتیجه، فیلتر حالت مشترک انتشار الکترومغناطیسی احتمالی از کابل موتور را کاهش می دهد، به خصوص اگر کابل محافظ نباشد. سیم های سه فاز از پنجره هسته عبور می کنند و سیم محافظ زمین در بیرون باقی می ماند.

هسته با یک گیره روی کابل ثابت می شود تا از اثرات مخرب ارتعاش بر فریت محافظت شود (در حین کار موتور، هسته فریت می لرزد). بهتر است فیلتر را از سمت ترمینال مبدل فرکانس روی کابل نصب کنید. اگر هسته در حین کار بیش از 70 درجه سانتیگراد گرم شود، این نشان دهنده اشباع شدن فریت است، به این معنی که باید هسته های بیشتری اضافه کنید یا کابل را کوتاه کنید. بهتر است چندین کابل سه فاز موازی با هر کدام دارای هسته مخصوص به خود تجهیز شود.

فصل 3

نمای کلی اینورتر دیجیتال

از دهه 1980، یکی از مهم ترین تغییرات در تجزیه و تحلیل طیف، استفاده از فناوری دیجیتال برای جایگزینی خوشه های ابزاری است که قبلاً منحصراً آنالوگ بودند. با ظهور ADC های با کارایی بالا، آنالایزرهای طیف جدید می توانند سیگنال دریافتی را بسیار سریعتر از ابزارهای ایجاد شده در چند سال قبل دیجیتالی کنند. چشمگیرترین پیشرفت ها در بخش IF تحلیلگرهای طیف رخ داده است. دیجیتال IF 1 به لطف استفاده از فناوری های پیشرفته پردازش دیجیتالسیگنال ها

فیلترهای دیجیتال
اجرای دیجیتال جزئی مدارهای IF در آنالایزرهای سری Agilent ESA-E انجام می شود. در حالی که معمولاً باندهای وضوح 1 کیلوهرتز و بیشتر را می توان با فیلترهای LC آنالوگ سنتی و فیلترهای روی تراشه به دست آورد، باریک ترین باندهای وضوح (1 هرتز تا 300 هرتز) به صورت دیجیتالی تحقق می یابد. همانطور که در شکل نشان داده شده است. 3-1، سیگنال آنالوگ خطی به 8.5 کیلوهرتز IF تبدیل می شود و سپس از یک فیلتر باند گذر با عرض تنها 1 کیلوهرتز عبور می کند. این سیگنال IF تقویت می شود، سپس با فرکانس 11.3 کیلوهرتز نمونه برداری می شود و دیجیتالی می شود.

شکل 3-1. اجرای دیجیتال فیلترهای 1، 2، 10، 30، 100 و 300 هرتز در دستگاه های سری ESA-E

سیگنال در حال حاضر در حالت دیجیتالی شده از طریق الگوریتم تبدیل فوریه سریع عبور داده می شود. برای تبدیل یک سیگنال معتبر، آنالایزر باید در حالت تنظیم ثابت (بدون رفت و برگشت) باشد. یعنی تبدیل باید روی سیگنال حوزه زمان انجام شود. به همین دلیل است که آنالایزرهای سری ESA-E به جای جارو کردن مداوم در حالت باند گذر دیجیتال، از افزایش گامی 900 هرتز استفاده می کنند. این تنظیم مرحله را می توان روی نمایشگر مشاهده کرد که در حین انجام پردازش دیجیتال با افزایش 900 هرتز به روز می شود.
همانطور که به زودی خواهیم دید، سایر آنالایزرهای طیف - مانند سری PSA - از یک IF کاملا دیجیتال استفاده می کنند و تمام فیلترهای وضوح آنها دیجیتال هستند. مزیت کلیدی پردازش دیجیتال ارائه شده توسط این تحلیلگرها انتخاب باند تقریباً 4:1 است. این گزینش پذیری در باریکترین فیلترها وجود دارد - فیلترهایی که برای جدا کردن نزدیکترین سیگنالها به آنها نیاز داریم.

در فصل 2، ما محاسبات گزینش پذیری را برای دو سیگنال که با فرکانس 4 کیلوهرتز از هم جدا شده اند، با استفاده از یک فیلتر آنالوگ 3 کیلوهرتز انجام دادیم. بیایید این محاسبه را برای مورد فیلتر دیجیتال تکرار کنیم. یک مدل خوب از انتخاب فیلتر دیجیتال یک مدل نزدیک به گاوس است:

جایی که H(Δ f) – سطح قطع فیلتر، dB.
Δ f – جداسازی فرکانس از مرکز، هرتز.

α – پارامتر کنترل انتخابی. برای یک فیلتر گاوسی ایده آل α=2. فیلترهای جاروب مورد استفاده در تحلیلگرهای Agilent بر اساس مدل نزدیک به گاوسی با α=2.12 است که گزینش پذیری 4.1:1 را ارائه می دهد.

با جایگزینی مقادیر مثال ما در این معادله، دریافت می کنیم:

در آفست 4 کیلوهرتز، فیلتر دیجیتال 3 کیلوهرتز به -24.1 دسی بل کاهش یافت، در مقایسه با فیلتر آنالوگ که فقط 14.8 دسی بل را نشان داد. با توجه به گزینش پذیری عالی، فیلتر دیجیتال می تواند سیگنال های بسیار نزدیک تر را تشخیص دهد.

اینورتر تمام دیجیتال
آنالایزرهای طیف سری PSA Agilent اولین کسانی هستند که چندین فناوری دیجیتال را برای ایجاد یک سیستم کاملاً ترکیب می کنند. بلوک دیجیتالاگر. یک اینورتر صرفاً دیجیتال، مجموعه ای کامل از مزایای را برای کاربر فراهم می کند. ترکیبی از تجزیه و تحلیل FFT برای نوارهای باریک و تجزیه و تحلیل رفت و برگشت برای نوارهای گسترده، رفت و برگشت را برای سریع ترین اندازه گیری ها بهینه می کند. از نظر معماری، ADC به درگاه ورودی نزدیک‌تر شده است که با بهبود مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و سایر موارد ممکن شده است. تجهیزات دیجیتال. بیایید با نگاه کردن به بلوک دیاگرام تحلیلگر تمام دیجیتال IF سری PSA که در شکل 1 نشان داده شده است، شروع کنیم. 3-2.

شکل 3-2. بلوک دیاگرام یک اینورتر کاملا دیجیتال در دستگاه های سری PSA

تمام 160 باند وضوح در اینجا پیاده سازی شده است به صورت دیجیتالی. اگرچه مدارهای آنالوگ قبل از ADC نیز وجود دارد که با چندین مرحله تبدیل پایین شروع می شود و با یک جفت پیش فیلتر تک قطبی (یک فیلتر LC و یک فیلتر روی تراشه) پایان می یابد. پیش فیلتر از ورود اعوجاج مرتبه سوم به مدار پایین دست جلوگیری می کند، درست مانند اجرای IF آنالوگ. علاوه بر این، امکان گسترش دامنه دینامیکی را نیز فراهم می کند سوئیچینگ خودکارمحدوده های اندازه گیری سیگنال خروجی پیش فیلتر تک قطبی به آشکارساز سوئیچینگ اتوماتیک و فیلتر صاف کننده ارسال می شود.
مانند هر معماری IF مبتنی بر FFT، برای حذف نام‌های مستعار (سهم سیگنال‌های خارج از باند به نمونه داده ADC) به یک فیلتر ضد الایاسینگ نیاز است. این فیلتر چند قطبی است، بنابراین تاخیر گروهی قابل توجهی دارد. حتی افزایش شدید انفجار RF که به IF منتقل می شود، در هنگام عبور از فیلتر ضد آلیاسینگ، تاخیر بیش از سه ساعت ADC (30 مگاهرتز) را تجربه می کند. تأخیر زمان می دهد تا یک سیگنال بزرگ ورودی قبل از بارگذاری بیش از حد ADC شناسایی شود. مدار منطقی که آشکارساز خودرانژ را کنترل می کند، بهره را در مقابل ADC قبل از رسیدن سیگنال کاهش می دهد و در نتیجه از قطع شدن پالس جلوگیری می کند. اگر پوشش سیگنال برای مدت طولانی پایین بماند، مدار تنظیم خودکار بهره را افزایش می دهد و نویز موثر در ورودی را کاهش می دهد. بهره دیجیتال بعد از ADC نیز برای مطابقت با بهره آنالوگ قبل از ADC تغییر می کند. نتیجه یک ADC ممیز شناور با دامنه دینامیکی بسیار گسترده است، زمانی که تنظیم خودکار در حالت رفت و برگشت فعال می شود.

شکل 3-3. تنظیم خودکار نویز ADC را نزدیک به حامل و زیر نویز نوسانگر محلی نگه می دارد یا پاسخ فیلتر را فعال می کند

در شکل شکل 3-3 رفتار جارویی تحلیلگر سری PSA را نشان می دهد. یک پیش فیلتر تک قطبی امکان افزایش بهره را فراهم می کند در حالی که آنالایزر دور از فرکانس حامل تنظیم شده است. با نزدیک شدن به حامل، بهره کاهش می یابد و نویز کوانتیزاسیون ADC افزایش می یابد. سطح نویز به سطح سیگنال و فرکانس آن از حامل بستگی دارد، بنابراین به صورت نویز فاز پلکانی ظاهر می شود. اما نویز فاز با این نویز تنظیم خودکار متفاوت است. از نویز فاز در آنالایزرهای طیف نمی توان اجتناب کرد. با این حال، کاهش عرض پیش فیلتر به کاهش نویز تنظیم خودکار در اکثر فرکانس‌ها از حامل کمک می‌کند. از آنجایی که پهنای باند پیش فیلتر تقریباً 2.5 برابر پهنای باند وضوح است، کاهش پهنای باند وضوح باعث کاهش نویز تنظیم خودکار می شود.

آی سی پردازش سیگنال سفارشی
بیایید به بلوک دیاگرام اینورتر دیجیتال برگردیم (شکل 3-2). هنگامی که بهره ADC مطابق با بهره آنالوگ تنظیم شد و توسط بهره دیجیتال تنظیم شد، آی سی سفارشی پردازش نمونه را آغاز می کند. ابتدا، نمونه های IF 30 مگاهرتز به جفت های I و Q در نیم گام (15 میلیون جفت در ثانیه) تقسیم می شوند. سپس جفت I و Q توسط یک فیلتر دیجیتال تک مرحله‌ای تقویت می‌شوند که بهره و فاز آن تقریباً برعکس یک پیش فیلتر آنالوگ تک قطبی است. سپس جفت I و Q توسط یک فیلتر پایین گذر با پاسخ فاز خطی و گاوسی تقریبا ایده آل فیلتر می شوند. پاسخ فرکانس. فیلترهای گاوسی به دلیل تطابق بهینه بین رفتار آنها همیشه مناسب ترین برای تجزیه و تحلیل جابجایی فرکانس بوده اند. دامنه بسامد(فرم فاکتور) و در حوزه زمان (پاسخ به جارو سریع). با کاهش پهنای باند سیگنال، جفت های I و Q اکنون می توانند از بین بروند و برای پردازش FFT یا دمدولاسیون به پردازنده ارسال شوند. حتی اگر FFT را می توان برای یک بخش دهانه تا 10 مگاهرتز از باند فیلتر ضد آلیاسینگ، حتی در دهانه 1 کیلوهرتز باریکتر، با پهنای باند وضوح باریک 1 هرتز، پیاده سازی کرد، FFT به 20 میلیون نقطه داده نیاز دارد. استفاده از حذف داده ها برای فواصل باریک تر، تعداد نقاط داده مورد نیاز برای FFT را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، که به طور قابل توجهی سرعت محاسبات را افزایش می دهد.
برای تحلیل رفت و برگشت فرکانس، جفت های I و Q فیلتر شده به جفت های دامنه و فاز تبدیل می شوند. در آنالیز جاروب سنتی، سیگنال دامنه در سراسر نوار ویدئویی فیلتر شده و توسط مدار آشکارساز نمایشگر نمونه برداری می شود. انتخاب حالت نمایش "لگاریتمی/خطی" و مقیاس بندی "dB/واحدها" در پردازنده انجام می شود، به طوری که نتیجه در هر یک از مقیاس ها بدون اندازه گیری های مکرر نمایش داده می شود.

قابلیت های اضافی پردازش ویدیو
به طور معمول، یک فیلتر باند گذر ویدیویی لگاریتم دامنه سیگنال را صاف می کند، اما مقدار کمی دارد. ویژگی های اضافی. این می تواند دامنه ورود به سیستم را قبل از فیلتر کردن به پاکت ولتاژ تبدیل کند، و قبل از تشخیص نمایشگر، برای خوانش های ثابت، دوباره تبدیل شود.
فیلتر دامنه در مقیاس ولتاژ خط برای مشاهده پوشش سیگنال های رادیویی پالسی در فرکانس صفر مطلوب است. یک سیگنال دامنه لگاریتمی نیز می تواند قبل از فیلتر کردن به توان (مربع دامنه) تبدیل شود و سپس دوباره برگردد. فیلتر توان به تحلیلگر اجازه می‌دهد تا به سیگنال‌هایی با ویژگی‌های نویز مانند (سیگنال‌های ارتباطات دیجیتال) پاسخ متوسطی را به سیگنال‌های موج پیوسته با ولتاژ RMS یکسان بدهد. امروزه نیاز روزافزونی به اندازه گیری وجود دارد قدرت کاملدر یک کانال یا در کل محدوده فرکانس. با چنین اندازه‌گیری‌هایی، یک نقطه روی نمایشگر می‌تواند میانگین توان را در طول زمانی که نوسان‌گر محلی از این نقطه عبور می‌کند، نشان دهد. فیلتر پهنای باند ویدئویی را می‌توان برای جمع‌آوری داده‌ها برای انجام میانگین‌گیری در مقیاس لگاریتمی، ولتاژ یا توان پیکربندی کرد.

شمارش فرکانس
آنالایزرهای طیف جاروب فرکانس معمولا دارای فرکانس شمار هستند. تعداد گذرگاه‌های صفر را در سیگنال IF شمارش می‌کند و این تعداد را با مقادیر شناخته‌شده تنظیم از نوسان‌گر محلی در بقیه مدار تبدیل تنظیم می‌کند. اگر شمارش 1 ثانیه طول بکشد، می توانید وضوح فرکانس 1 هرتز را دریافت کنید.
به لطف سنتز نوسانگر محلی دیجیتال و پهنای باند وضوح کاملاً دیجیتالی، دقت فرکانس ذاتی آنالایزرهای سری PSA بسیار بالا است (0.1٪ از دهانه). علاوه بر این، PSA دارای یک شمارنده فرکانس است که نه تنها عبور از صفر، بلکه تغییرات فاز را نیز ردیابی می کند. بنابراین، می تواند فرکانس های ده ها میلی هرتز را در 0.1 ثانیه حل کند. با این طراحی، توانایی حل تغییرات فرکانس دیگر توسط آنالایزر طیف محدود نمی شود، بلکه بیشتر به دلیل نویز سیگنال مورد بررسی است.

سایر مزایای یک درایو کاملا دیجیتال
ما قبلاً تعدادی از ویژگی‌های سری PSA را پوشش داده‌ایم: فیلتر ورود / ولتاژ / توان، نمونه‌برداری فرکانس با وضوح بالا، سوئیچینگ مقیاس‌بندی حافظه log/خطی، فاکتورهای شکل برتر، حالت آشکارساز میانگین نقطه نمایش، 160 باند وضوح مختلف، و البته، رفت و برگشت فرکانس یا حالت پردازش FFT. هنگام تجزیه و تحلیل یک طیف، فیلتر کردن با فیلترهای تفکیک کننده خطا در اندازه گیری های دامنه و فاز ایجاد می کند که تابعی از سرعت اسکن هستند. برای سطح ثابت معینی از چنین خطاهایی، فیلترهای وضوح یک IF صرفا دیجیتال با فاز خطی اجازه بیشتری می دهند. سرعت های بالاجارو فرکانس نسبت به فیلترهای آنالوگ پیاده سازی دیجیتال همچنین جبران شناخته شده ای را برای داده های فرکانس و دامنه فراهم می کند، به سرعت جابجایی دو برابر بیشتر از آنالایزرهای قدیمی اجازه می دهد، و عملکرد عالی را حتی در سرعت جابجایی چهارگانه نشان می دهد.
اجرا شده در فرم دیجیتالبهره لگاریتمی بسیار دقیق است. خطاهای معمولی مشخصه آنالیزور به عنوان یک کل بسیار کوچکتر از خطاهای اندازه گیری است که سازنده با آن قابلیت اطمینان لگاریتم را ارزیابی می کند. در میکسر ورودی آنالایزر، مقدار اطمینان ورود به سیستم 0.07 ± دسی بل برای هر سطح تا 20- دسی بل تعیین می شود. دامنه بهره لگاریتمی در سطوح پایینقابلیت اطمینان لگاریتم سازی را محدود نمی کند، همانطور که در مورد IF آنالوگ وجود دارد. محدوده فقط با نویز حدود -155 دسی بل در میکسر ورودی محدود می شود. به دلیل فشرده سازی تک تون در مدارهای بعدی در توان های بالاتر، وفاداری به 0.13 dB برای سطوح سیگنال به -10 dBm در میکسر ورودی کاهش می یابد. در مقایسه، تقویت‌کننده لاگ آنالوگ معمولاً دارای تلورانس‌هایی در حدود ۱± دسی‌بل است.
سایر دقت های مرتبط با IF نیز بهبود یافته اند. پیش فیلتر IF آنالوگ است و باید مانند هر فیلتر آنالوگ تنظیم شود، بنابراین در معرض خطاهای تنظیم است. اما باز هم بهتر از سایر فیلترهای آنالوگ است. اگرچه فقط به یک مرحله نیاز دارد، اما می توان آن را بسیار پایدارتر از فیلترهای 4 و 5 مرحله ای موجود در تحلیلگرهای IF آنالوگ ساخت. در نتیجه، تفاوت بهره بین فیلترهای فعال را می توان در ± 0.03 دسی بل نگه داشت، که ده برابر بهتر از طراحی های کاملا آنالوگ است.
دقت پهنای باند IF با محدودیت های تنظیمات در قسمت دیجیتال فیلتر و عدم قطعیت کالیبراسیون در پیش فیلتر آنالوگ تعیین می شود. مجدداً، پیش فیلتر بسیار پایدار است، و تنها 20٪ از خطا را در اجرای آنالوگ پهنای باند وضوح متشکل از پنج مرحله ایجاد می کند. در نتیجه، بیشتر باندهای وضوح در 2 درصد از عرض بیان شده خود قرار می گیرند، در مقابل 10-20 درصد برای تحلیلگرهای IF آنالوگ.
مهمترین جنبه دقت پهنای باند به حداقل رساندن خطا در توان کانال و اندازه گیری های مشابه است. پهنای باند نویز فیلترهای رزولوشن حتی بهتر از تحمل 2 درصد در فرآیندهای راه اندازی است و نشانگرهای نویز و اندازه گیری توان کانال تا 0.5 ± تصحیح می شوند. بنابراین، خطاهای پهنای باند تنها 0.022 dB به چگالی دامنه نویز و اندازه‌گیری توان کانال کمک می‌کند. در نهایت، بدون هیچ مرحله بهره آنالوگ وابسته به سطح مرجع، به هیچ وجه خطای "IF gain" وجود ندارد. مجموع همه این پیشرفت ها این است که یک IF دیجیتال خالص بهبود قابل توجهی در دقت تجزیه و تحلیل طیفی ایجاد می کند. همچنین امکان تغییر تنظیمات آنالایزر بدون تاثیر قابل توجهی بر دقت اندازه گیری وجود دارد. در فصل بعدی بیشتر در این مورد صحبت خواهیم کرد.

1 به طور دقیق، هنگامی که یک سیگنال دیجیتالی می شود، دیگر در فرکانس متوسط ​​یا IF نیست. از این نقطه به بعد، سیگنال با مقادیر دیجیتال نشان داده می شود. با این حال، ما از اصطلاح "IF دیجیتال" برای توصیف آن دسته از فرآیندهای دیجیتالی استفاده می‌کنیم که جایگزین بخش IF آنالوگ در تحلیلگرهای طیف سنتی می‌شوند.)