Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице «Контакты» способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты. 

 

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей.

Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
   • Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
   • Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10).

Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля.

Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

 

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует. )

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 

---

Сделать заказ на частотный преобразователь

Принцип работы частотного преобразователя — Электро-Актив

Частотный преобразователь — сложное электронное устройство, принцип работы которого основан на множестве взаимосвязанных механизмов. Попробуем разобрать всё по полочкам.

Каждый преобразователь — уникальный механизм с определённым расположением механизмов и предназначением. Но некоторынее части основные части остаются неизменными.

Входной неуправляемый выпрямитель.
Благодаря ему напряжение сети (220 или 380 V) выпрямляется диодным мостом.
Конденсаторы.
Совершают второй шаг после выпрямителя — фильтруют и сглаживают напряжение.
СУИ ШИМ.
Функция ШИМ состоит в формировании заданной последовательности импульсов определённой частоты (заданной пользователем или производителем). Это происходит за счёт управляемых микросхем и IGBT ключей.

Заданная цель каждого частотного преобразователя — интеграция и преобразование напряжения в график, близкий к синусоиде, достигается в самом конце. Прямоугольные пачки импульсов, выходящие из частотного преобразователя, превращаются в синусоидальное напряжение за счёт самого асинхронного двигателя — механизма, к которому он подключается, а именно способности его обмоток к индуктивности.
На схеме вы можете увидеть правильное подключение преобразователя по требованиям ЭМС. Не забывайте об основных требованиях эксплуатации: влажности менее 90%, недопустимости проникновения воды, воздействия электромагнитных импульсов вблизи устройства. Важно обеспечить хорошую вентиляцию в помещении с установленным преобразователем.
Таким образом, частотный преобразователь даёт массу преимуществ пользователям асинхронных двигателей. Особенно полезны они станут владельцам заводов и фабрик, которые уже давно используют преобразователи и получают массу плюсов, окупающих приобретение.

При правильном подключении и использовании, пусковые токи можно уменьшить в 4-5 раз. Экономия электроэнергии даже для трёхфазных и более систем может составлять 50% и более. Самостоятельная настройка оборудования становится намного легче, появляется возможность установки обратных связей между смежными проводами.

Как работает частотник? Принцип работы преобразователя.

Частотник служит для изменения характеристик энергии, поступающей от электросети к производственному оборудованию. Речь идёт о требуемом выборе частоты тока, вида напряжения. Технические возможности изменения этих понятий лежат в определённом диапазоне. Их показатели могут отличаться и быть выше данных, получаемых от первичного энергоисточника, так и гораздо ниже его.

Состав, конструкция схема

Оборудование преобразования частоты (ПЧ) компонуют из двух секций. Первая — с управляющими функциями, состоит из микропроцессоров. Их задача: регулировать коммутацию ключей, контролировать работу, выполнять диагностику и защиту. Вторая — силовая секция. Её комплектуют на транзисторах (тиристорах), выполняющих функцию переключателей.

Характеристика

Большинство распространённых электрорегулируемых приводов используют преобразователей частоты ПЧ двух классов. Основными признаками их разделения являются структурное отличие и принцип работы силовой части устройства. Свои функции ПЧ выполняет с промежуточным узлом, действующим с постоянным током, или осуществляется прямая связь с источником.

Положительной особенностью является высокая эффективность. Отдача достигает 98,5% и более. Используется для управления мощными высоковольтными приводами. Частотник значится относительно дешёвым, несмотря на дополнительную комплектацию схем регулирования. Эффективный способ его применения оценивают, рассматривая класс, преимущества или недостатки. Сначала использовались преобразователи с прямым, непосредственным подсоединением к сети. (рисунок 1).

То есть, источник питания подключается к статорным обмоткам двигателя через открытые вентили. Конструкция силовой части состояла из выпрямителей, выполненных на полупроводниковых приборах — тиристорах.

Обладающих свойствами электровентиля. И системы управления (СУ). Которая, попеременно их открывая, подключала к сети обмотки электродвигателя. Напряжение поступает на тиристоры, имея трёхфазный вид синусоиды Ua, Uв, Uс. На выходе преобразователя сформировано напряжение U вых.

Это показано на одной фазе с вырезанной полосой (рисунок 1). Увеличенный, он имеет зазубренный вид, который аппроксимирует линия синего цвета. Выходная частота устройства значится в границах 0—30 Гц.
Этот короткий диапазон лимитирует возможность привода регулировать скорость асинхронного электродвигателя. Такое подключение на практике даёт результат один к десяти. Хотя технологические процессы диктуют значительного увеличения этого соотношения.

Применение неуправляемых тиристоров считается недостатком конструкции, так как их использование требует усовершенствовать систему регулирования. Она становится более сложной. Кроме того, «зазубренная» форма напряжения на выходе (рис. 2), приводит к появлению высших гармоник. Их наличие сопровождается дополнительными потерями. Которые наблюдаются, в увеличении перегрева электродвигателя, уменьшение крутящего усилия (момент) на валу и появление помех в сети. Поэтому дополнительный монтаж деталей и узлов для устранения этих недостатков, повышает стоимость устройства. Увеличивают его габариты, вес и уменьшают эффективность привода.

В настоящее время преобразователи с прямой (непосредственной) связью не применяют. Сейчас в системах дополнительно включён узел с функцией постоянного тока. При этом задействовано удвоенное трансформирование электроэнергии. Напряжение на входе, с неизменной амплитудой, частотой и формой синусоиды, поступает на клеммы выпрямительного блока (B). Дальше проходит фильтр (Ф), уменьшающий пульсацию высших гармоник. Назначение (И) инвертора — преобразовать постоянное напряжение в переменное варьируемой частоты и амплитуды. При этом используются отдельные внутренние блоки.
Функции электронных ключей, в составе инверторов, выполняют запираемые GTO тиристоры. Или заменяемые его типы: GCT, IGCT, SGCT, а также трёхэлектродным полупроводниковым элементом с изолированным затвором IGBT.

Преимуществом частотника на тиристорах обоих классов является возможность использовать их при повышенных показателях напряжения и тока. Они выдерживают длительную работу, электроимпульсные скачки. Устойчивое функционирование преобразователи частоты поддерживают в широком диапазоне мощностей. С вилкой от сотни кВт до десятка мВт. На выходе ПЧ напряжение составляет от 3 до 10 кв. Однако, сравнивая цену по отношению к мощности, она остаётся завышенной.

Устройства регулируемого привода, в состав которого входили запираемые тиристоры, занимали преобладающее место. Но, потом их сменил транзистор IGBT с изолированным затвором.
Применение тиристора усложняет средство управления. Являясь полупроводниковым элементом, он подключается подачей импульса на регулируемый контакт, достаточно сменить полярность напряжение или понизить величину тока близкую к нулю. Сложность процесса и дополнительные элементы делают систему регулировки более громоздкой.

Транзисторы IGBT отличаются простым способом управления с незначительной затратой расхода энергии. Большой рабочий диапазон частот расширяет границы выбора оборотов электромотора и увеличивает скоростную характеристику. Совместное действие транзистора с микропроцессорным управлением влияет на степень высших гармоник. Кроме того, отмечаются следующие особенности.

• В обмотках и магнитопроводе электродвигателя уменьшаются потери.
• Снижается тепло подогрев.
• Минимум проявлений пульсаций момента.
• Исключаются рывки ротора в зоне небольших частот.
• Сокращаются потери в конденсаторах, трансформаторах, проводах тем самым увеличиваются сроки их эксплуатационной пригодности.
• Приборы измерений и защиты (особенно индукционные) допускают меньшее неточностей, искажённых срабатываний.

Сравнивая ПЧ одинаковой выходной мощности с другими схемами, устройства на транзисторах IGBT отличаются надёжностью, меньшими габаритами, массой. Достигается это за счёт модульной конструкции аппаратных средств. Минимальным набора элементов, составляющих устройство. Защитой от резких колебаний тока и напряжения. Снижением количества отказов и остановок электропривода. Лучшим теплоотводом

Высокая цена низковольтных преобразователей (IGBT) на единицу выходной мощности объясняется трудностью изготовления транзисторных модулей. Рассматривая цену и качество, они предпочтительнее тиристорных. И также надо учитывать постоянную динамику сокращения стоимости производства устройств. Тенденцию к её снижению.

Затруднение в применении высоковольтного привода с прямым изменением частоты является ограничение по мощности свыше двух мВт. Так как увеличение напряжения и рабочего тока укрупняют габариты транзисторного модуля, необходим более высокоэффективный теплоотвод от полупроводника. И как выход, до появления новейших биполярных элементов, модули в преобразователях соединяют последовательно по несколько штук.

Низковольтный ПЧ на IGB транзисторах.

Устройство, особенности

Рисунок 3 показывает блочную схему и функции основных узлов. После каждого из них, отображены линии выходных параметров электроэнергии. Подаваемая энергия (Uвх.), в форме синусоиды, неизменной амплитуды, частоты. Дальше — узел постоянного тока, состоящий из неуправляемого или регулируемого выпрямителя 1. Емкостного фильтра 2, с функциями сглаживания пульсации (U выпр.). Потом, сигнал Ud поступает на независимый, автономный инвертор 3, работающий с нагрузкой, которая потребляет ту же частоту.

Он преобразует одно или 3-фазный ток постоянной величины в переменный, имеет приемлемый уровень гармоник, добавленных к выходному напряжению. Собранный на полностью регулируемых полупроводниковых приборах IGBT. Сигналы СУ подсоединяют обмотку электродвигателя к соответствующим полюсам, используя силовые транзисторы. Подключение происходит в период импульсов, моделируемых по синусоиде амплитудой и частотой. Управляемые выпрямители (1) регулируют величину Ud. Функцию сглаживания выполняет электрофильтр (4).

Вывод

В результате работы частотника получают переменное напряжение с варьируемыми показателями. Подавая энергию с такими параметрами на обмотки электродвигателя, выбирают требуемую скорость вращения вала. Статические ПЧ являются наиболее применяемыми в регулировке исполнительных механизмов. Установка управляемого электропривода экономически обоснована в энергосберегающих технологиях.

Частотный преобразователь

Дмитрий Левкин

Частотный преобразователь, или преобразователь частоты — электротехническое устройство (система управления), используемое для контроля скорости и/или момента двигателей переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания электродвигателя.

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Частотный преобразователь небольшой мощности

Высоковольтный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
• максимальный КПД;
• широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
• быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
• максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
• надежность, интуитивное управление.

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Функциональная схема частотного преобразователя

На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное обеспечение, которое управляет основными параметрами электродвигателя (скоростью и моментом). Основные методы управления бесщеточными двигателями, используемые в частотных преобразователях представлены в таблице ниже.

Характеристики основных способов управления электродвигателями используемых в частотных преобразователях [3]

Примечание:

1. Без обратной связи.
2. С обратной связью.
3. В установившемся режиме

Широкое развитие силовых электрических преобразователей в последние десятилетия привело к увеличению количества исследований в области модуляции. Метод модуляции непосредственно влияет на эффективность всей энергосистемы (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Главная цель методов модуляции – добиться лучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены посредством использования правильного способа модуляции, такие как уменьшение синфазной помехи, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, снижение скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, необходим компромисс. Каждая схема силового преобразователя и каждое приложение должны быть глубоко изучены для определения наиболее подходящего метода модуляции.

Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
• ШИМ — широтно-импульсная модуляция
• ПВМ — пространственно-векторная модуляция
• гармоническая модуляция
• методы переключения переменной частоты

Корни силовой электроники уходят к 1901 году, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный вентиль. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого представления управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Затем развитие продолжалось в области новых полупроводниковых структур, материалов и в производстве, давая рынку много новых устройств с более высокой мощностью и улучшенными характеристиками. Сегодня силовая электроника строится на металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторах (MOSFET — metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT — Insulated-gate bipolar transistors), а для диапазона очень высоких мощностей — на тиристорах с интегрированным управлением (IGCT – Integrated gate-commutated thyristor). Также сейчас доступны интегрированные силовые модули. Новая эра высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных технологий открывается многообещающими полупроводниковыми устройствами, основанными на широкой запрещенной зоне карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые устройства всегда инициируют развитие новых топологий преобразователей [3].

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Фазное напряжение двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Недостатками данных преобразователей являются:
• Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
• Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Схема каскадного преобразователя

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Фазное напряжение каскадного преобразователя

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Схема инвертора тока с выпрямителем

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Схема циклоконвертера

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Схема прямого матричного преобразователя

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Схема непрямого матричного преобразователя

Схема разреженного матричного преобразователя

Библиографический список

• ГОСТ Р 50369-92 Электроприводы. Термины и определения.
• Rahul Dixit, Bindeshwar Singh, Nupur Mittal. Adjustable speeds drives: Review on different inverter topologies.- Sultanpur, India.:International Journal of Reviews in Computing, 2012.
• Marian P. Kazmierkowski, Leopoldo G. Franquelo, Jose Rodriguez, Marcelo A. Perez, Jose I. Leon, «High-Performance Motor Drives», IEEE Industrial Electronicsd, vol. 5, no. 3, pp. 6-26, Sep.2011.

Как работает частотный преобразователь для электродвигателя

Производимая скорость, с которой будет работать электродвигатель, зависит исключительно от частоты питающего напряжения. Поэтому, чтобы управлять скоростью вала электродвигателя, необходимо управлять самой частотой. Такую возможность позволяют устройства, называемые преобразователями частоты, главное действие которых — это преобразование выходного напряжения с постоянной частотой и амплитудой в напряжение имеющее переменные параметры. Процесс такого управления электродвигателем выполняется в плавном режиме с широким скоростным диапазоном и не сопровождается увеличением скольжения, за счёт чего имеет лишь незначительные потери мощности.

В большинстве случаев, состоят частотные преобразователи из таких основных узлов:

• неуправляемое звено постоянного тока, состоящее из диодного силового выпрямителя и фильтра;
• импульсный силовой автономный инвертор, состоящий из 6-ти транзисторных ключей для подключения обмоток электродвигателя к выводам выпрямителя с отрицательным и положительным сигналом;
• система управления;
• система авторегулирования;
• конденсатор фильтра;
• дроссель.

Регулирование выходного параметра напряжения и частоты выполняется путём влияния широтно-импульсного высокочастотного управления, которое определяется как период модуляции, в котором обмотка статора выполняет поочерёдное подключение к обоим полюсам выпрямителя в поочерёдности. Это образует кривую выходного напряжения в форме прямоугольных импульсов с двухполярной высокочастотной последовательностью. Регулирование такого напряжения на инверторе может быть выполнено:

• амплитудным способом, путём выполнения изменений входного напряжения;
• широтно-импульсным, через внесение изменений в программу переключения вентилей при постоянном напряжении.

Благодаря современному развитию микропроцессорной и прочей элементной базы, второй способ получил большее распространение при изготовлении современных образцов преобразователей частоты. В первую очередь это произошло благодаря умению широтно-импульсной модуляции приводить возникающую на статорных обмотках форму токов, посредством воздействия фильтрующих свойств самих обмоток, в форму близкую к синусоидальному значению. Такой тип управления имеет высокий КПД и соответствует аналоговому управлению амплитудой и частотой напряжения. Также этот показатель достигается благодаря выполнению преобразователей с использованием запираемых транзисторов или имеющих изолированный затвор биполярных транзисторов.

Прослеживая подобнее схемы, можно увидеть, что поочерёдное переключение по определённому алгоритму всех ключей, позволяет протекать через них требуемых активных составляющих переменного тока электропривода, в то время как через диоды проходит его реактивные составляющие.

Отличается ли работа частотников с электродвигателями от работы с другими устройствами

Главная задача частотника, как уже говорилось – задать выходной параметр частоты тока и напряжения для питания электродвигателя. Эти величины и будут влиять на скорость его работы. И поскольку во всех приводных устройствах основным движущим механизмом является электродвигатель, суть выполнения действия одно – вращение ведущего вала. Сегодня выпускаются инверторы для различных агрегатов: промышленных вентиляторов, насосов, холодильных установок, кранового и прочего оборудования. И во всех из них одна приводная система, базирующаяся на роторно-статорном механизме, называемом электрический двигатель.

Единственная разница заключается в наборе технологических параметров, позволяющих использовать в тех или иных агрегатах, например, современные многие частотные преобразователи Веспер изготавливаются из расчёта на мощные силовые нагрузки, связанные с подъёмно-грузовыми действиями. Возможен вариант малых мощностей для бытовых насосов или мини насосных станций. Именно по техническим параметрам и определяется будущее назначение, выраженное в характеристиках через тип нагрузки:

• общепромышленные;
• лифтовые и крановые;
• вентиляторные и насосные.

Не изменяется назначение и при использовании устройства плавного пуска, с единственной разницей в отсутствии воздействия на частотник излишних токов, связанных с заданием электродвигателю торможений, когда, как известно, последний частично приобретает функции электрогенератора. Для улучшения работы преобразователей и управления ими используют различное оборудование, по типу протоколов, регуляторов, пультов и прочих аксессуаров.

Частотные преобразователи

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Принцип работы частотного преобразователя и критерии выбора

Неотъемлемой частью конструкций современных электродвигателей являются частотные преобразователи. Эти устройства позволяют получать «на выходе» частоту переменного тока, соответствующую заданному диапазону.

Преобразователи востребованы во всех сферах жизнедеятельности, связанных с электрической энергией. Результатом их действия становится стабильная работа сложных приводных механизмов без задействования традиционной регулирующей аппаратуры с минимизацией энергопотребления. При использовании таких устройств значительно повышается КПД используемого оборудования.

Сферы применения и преимущества использования

Рассматриваемые устройства обеспечивают плавное регулирование скорости электродвигателей. Этим и определяются области их использования, а именно:

• Вентиляционные системы.
• Приводные механизмы.
• Компрессоры.
• Дымососы.
• Конвейеры.
• Грузоподъемное оборудование.
• Деревообрабатывающее оборудование.

Современные модели отличаются расширенным перечнем функциональных возможностей. Это сохранение работоспособного состояния при нестабильном питании, исключение резонансных частот (продление срока эксплуатации), оптимальная работа в системе автоматического управления и возможность проведения идентификационного пуска, позволяющего настроить устройство под параметры обмоток вращающегося двигателя.

Подключение и настройка преобразователя частоты позволяет не только сгладить работу электродвигателя при его запуске и торможении, но и управлять целой группой двигателей (создание систем). Они значительно упрощают управление с повышением его надежности. Еще одно преимущество преобразователей — это возможность корректировки настроек в процессе работы.

Типы управления – особенности, достоинства

Существует два основных принципа управления частотных преобразователей для электродвигателей применимые во всех областях их использования, это:

• Скалярное. Оптимальный вариант для реализации управления более простыми механизмами. Выходное напряжение и выходная частота поддерживаются в постоянном соотношении (неизменно отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки) – перегрузочная способность электродвигателя. Диапазон регулирования 1 : 40.
• Векторное. Осуществление контроля над тремя параметрами: выходное напряжение, выходная частота, фаза. Регулирование скорости и момента на валу электродвигателя производится независимо на основе данных величины и угла пространственного вектора. Работа при частотах близких к нулю. Диапазон регулирования 1 : 1000 (гарантированная высокая точность).

Многофункциональность таких устройств значительно облегчает многие процессы. Лучше всего выбрать частотный преобразователь со встроенным логическим контроллером и возможностью подключения дополнительной платы для расширения входов/выходов.

Принцип работы устройства

В основе работы данного устройства лежит принцип двойного преобразования напряжения, подающегося на вход. Конструкция представлена силовым механизмом на базе тиристоров/транзисторов и управляющего механизма (микропроцессор).

Обязательно последовательное исполнение 3 этапов:

• Выпрямление с помощью диодного блока.
• Фильтрация через конденсаторы.
• Инвертирование. Изменение характеристик тока с целью его преобразования из постоянного в переменный, и последующей возможности регулирования скорости вращения ротора двигателя.

В процессе преобразования принимает участие и сам двигатель, его индуктивность также влияет на кривую (сглаживание).

Схема подключения частотного преобразователя

Как сделать правильный выбор?

Современный рынок электротехнических устройств отличается широким ассортиментом, что значительно усложняет процесс подбора необходимого оборудования. В процессе приобретения обязательно учитываются следующие критерии:

• Мощность. При расчете учитывается мощность двигателя и его перегрузочная способность. Предпочтение отдается моделям с наиболее широким диапазоном мощностей.
• Функциональность.
• Напряжение питающей сети. Два варианта: однофазная сеть 220-240 В и промышленная сеть 380 В.
• Система охлаждения. Воздушное (радиаторы на поверхности задней стенки) или жидкостное охлаждение.
• Тип двигателя (синхронный/асинхронный, низковольтный/высоковольтный).
• Способ управления (пульт, входы управления, контроллер, ПК).
• Безопасность и защита (система ограничения тока при пуске, продолжительной работе/остановке, защита от перепадов напряжения и перегрева).

Каждый параметр определяется в индивидуальном порядке. Внимание обращается и на габаритные размеры устройства, а также материал его изготовления и герметичность корпуса. Частотные преобразователи в каталоге нашей компании представлены по максимально выгодным ценам.

Мы предлагаем своим клиентам качественную продукцию от ведущих производителей. Для того чтобы получить профессиональную консультацию и заказать промышленную технику звоните по телефонам: +375 (17) 513-99-91 или +375 (17) 513-99-93. Наши специалисты ответят на все вопросы и помогут сделать правильный выбор!

Использование частотных преобразователей для управления промышленными компрессорами

Оптимальным с точки зрения энергоэффективности считается такой режим эксплуатации промышленных компрессоров, когда среднесуточный коэффициент их загрузки составляет не менее 85%. Этот режим подразумевает минимальные колебания потребления сжатого воздуха в течение дня и стабильную работу компрессора на номинальной расчётной мощности.

Фактически же в данном режиме работает не более 15% промышленных компрессоров. Для оставшихся 85% актуальным является вопрос повышения эффективности регулирования производительности. Сегодня можно выделить следующие наиболее распространенные способы регулирования давления сжатого воздуха: пуск/останов компрессора, сброс излишнего давления (разгрузка), переход на холостой ход, частотное регулирование мощности компрессора. Последний способ выглядит наиболее совершенным, поскольку обеспечивает более точное регулирование давления, снижение энергоемкости процесса и продление срока эксплуатации оборудования.

Например, включения/выключения электродвигателя во время пусков/остановов компрессора негативно сказываются как на самом электродвигателе, так и на общей эффективности процесса: давление регулируется скачкообразно, повышенные в 5-7 раз пусковые токи увеличивают расход энергии и приводят к перегреву и ускоренному износу двигателя. Методы сброса излишнего давления и перехода на холостой и вовсе говорят сами за себя: периодически агрегат потребляет энергию впустую.

При использовании частотного преобразователя  (рис.1) компрессор потребляет ровно столько энергии, сколько необходимо при текущем уровне потребления сжатого воздуха. При изменении расхода сжатого воздуха электродвигатель компрессора лишь снижает или повышает число оборотов. Таким образом обеспечивается:

• более точное поддержание уровня давления;

• высокую эффективность работы компрессора в режиме частичной нагрузки;

• отсутствие дополнительной запорно-регулирующей арматуры;

• точное поддержание давления сжатого воздуха;

• соответствие потребляемой мощности фактическому расходу сжатого воздуха;

• исключение фаз холостого хода;

• исключение избыточного сжатия и потерь воздуха при разгрузке системы;

• снижение пусковых токов и исключение колебаний в электрической сети во время пусков.

Работа на пониженных мощностях и отсутствие пусковых токов  позволяет компрессорам, оснащенным частотным преобразователем, экономить до 30% электроэнергии, что при нынешних ценах приводит к окупаемости установки преобразователя за 1,5-2 года.

Для реализации рассмотренной выше системы частотного регулирования давления путем управления скоростью вращения двигателя компрессора необходим частотный преобразователь со встроенным ПИД-регулятором и источник сигнала обратной связи (датчик давления).

PowerFlex 400: частотный преобразователь для компрессоров

Частотный преобразователь PowerFlex 400 является одним из наиболее экономичных и в тоже время функциональных продуктов линейки ЧРП Allen-Bradley. В ЧРП PowerFlex 400 реализован ряд встроенных функций, позволяющих повысить эффективность управление компрессорами. Преобразователи этой серии оснащены встроенным ПИД-регулятором, который используется для поддержания заданной технологической величины, например давления или расхода сжатого газа. С источника сигнала обратной связи (датчика давления) в систему поступают данные о текущем потреблении сжатого воздуха, на основании которых регулятор вычисляет требуемую скорость вращения электродвигателя. Задание регулятора можно устанавливать как непосредственно с панели управления приводом, так и с внешнего потенциометра источника, потенциометра или по сети. В итоге система управления на выходе подает на двигатель ровно столько энергии, сколько необходимо в текущий момент, пропорционально расходу сжатого воздуха.

Использование частотного преобразователя для покрытия пиковых нагрузок компрессора

В последние годы большее распространение получают системы, состоящие из нескольких менее мощных компрессоров, соединенных в единую сеть. В такой системе один или несколько приводов, работающих в штатном режиме, обеспечивают стабильное поддержание давления при номинальных нагрузках. Для покрытия пиковых нагрузок и выполнения функции резервирования используется дополнительный компрессор, оснащенный частотным преобразователем. В некоторых случаях такая схема работы позволяет снизить общую стоимость системы и повысить эффективность управления.

Функция каскадного управления, реализованная в преобразователях PowerFlex 400, позволяет запускать до трех двигателей с непосредственным пуском в дополнение к тому, работа которого управляется напрямую частотным преобразователем. Это позволяет изменять выход системы от 0 до 400%, распределять нагрузку между несколькими компрессорами, продлевая их общий срок эксплуатации.

Узнать более подробно о характеристиках ЧРП PowerFlex 400, ознакомиться с технической документацией и подобрать конфигурацию преобразователя под ваши задачи можно здесь: http://powerflex.su/category.html?cid=6

Функция преобразователя частоты и базовая.

Преобразователь частоты преобразует частоту переменного тока, то есть преобразует переменный ток 50 или 60 Гц в переменный ток любой желаемой частоты. Устройство также может изменять напряжение, если это необходимо.

Зачем нужен преобразователь частоты

Преобразователи частоты

используются для облегчения точного управления критическими процессами, такими как: система охлаждения (радиаторы, насосы), топливная система (бустер, нагреватели…), вентиляция (вентиляция машинного зала).Преобразователь частоты также является энергосберегающим и во многих случаях ограничителем шума.

Как работает преобразователь частоты:

Для изменения частоты переменного тока преобразователь частоты проходит через двухступенчатое преобразование. Сначала он преобразует переменный ток в постоянный, затем, во-вторых, постоянный ток в переменный ток желаемой частоты.

Итак, преобразователь частоты имеет два рабочих набора: сначала схема выпрямителя преобразует переменный ток в постоянный ток, а затем схема инвертора с тиристорами / IGCT / IGBT преобразует постоянный ток в переменный ток с желаемой частотой.Изменение или сдвиг частоты происходит в ступени преобразователя.

Если требуется преобразование напряжения, трансформатор обычно включается в цепь входа или выхода переменного тока, и этот трансформатор может также обеспечивать гальваническую развязку между цепями входа и выхода переменного тока.
Батарея также может быть добавлена ​​в схему постоянного тока, чтобы улучшить работу преобразователя при кратковременных перебоях в подаче питания.

преобразователь частоты базовый Блок-схема преобразователя частоты

1. переменного тока Напряжение сети -3 x 400… 500 В переменного тока, 50/60 Гц.
2. Сетевой фильтр — Ограничивает электрические помехи в сети электроснабжения общего пользования и улучшает электромагнитную совместимость
   устройства в отношении помех от сети электроснабжения.
3. Выпрямитель — Преобразует трехфазное напряжение переменного тока в постоянное.
4. Шина постоянного тока — Напряжение постоянного тока в режиме ожидания = √2 x линейное напряжение [В]
5. Конденсаторы шины постоянного тока — Сглаживает напряжение шины постоянного тока
6. Инвертор — Преобразует D.C. напряжение в переменное напряжение переменного тока с переменной частотой.
7. Напряжение двигателя — Переменное напряжение переменного тока, 0-95% напряжения питания.
   Переменная выходная частота: 0 — 700 Гц
8. Плата управления — Плата управления управляет преобразователем частоты. Он генерирует последовательность импульсов, которая используется для преобразования
   напряжения постоянного тока в переменное напряжение переменного тока с переменной частотой.

Принципиальная схема силовой части преобразователя

Блок-схема преобразователя частоты принципиальная схема преобразователя частоты

AS Блокировка запуска; EW Трансформатор замыкания на землю; Выпрямитель GL с тиристорной подзарядкой; SE Текущее обнаружение; Блок питания импульсный СНТ; WS Управление инвертором; Инвертор WR; Шина постоянного тока ZK Вариант устройства
; BC Тормозной прерыватель.
Принадлежности
BW Тормозной резистор; MF Моторный фильтр; Сетевой фильтр NF

Типичный IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором

Дополнительная литература

Основные компоненты и их функции в преобразователе частоты

7 основных компонентов и их функции в преобразователе частоты

7.1 Выпрямитель — первый главный компонент преобразователя частоты

Согласно принципу работы преобразователя частоты, преобразователь частоты преобразует переменный ток в постоянный, а затем преобразует постоянный ток в переменный.На первом этапе частоту можно легко изменить в процессе преобразования постоянного тока в переменный, поэтому первым основным компонентом преобразователя частоты является выпрямитель.

Трехфазный выпрямитель

Принцип работы выпрямителя такой же, как и у зарядного устройства для преобразования переменного тока в постоянный. В выпрямителе используются диодные мосты, чтобы синусоидальная волна переменного тока распространялась в одном и том же направлении. В результате форма волны переменного тока полностью изменяется на форму волны постоянного тока, а частота переменного тока изменяется на частоту постоянного тока (значение = ноль).Как показано на рисунке выше, трехфазный преобразователь получает три независимых входных фазы переменного тока и преобразует их только в один выход постоянного тока.

Если трехфазный преобразователь частоты получает только одну фазу на вход нейтрали, возьмите трехфазный вход 380 В, например, есть 3 набора входов фаза-нейтраль на 220 В, но принимает только фазу 220 В на нейтраль, поскольку две другие фазы на нейтральные входы отсутствуют, генерируемый постоянный ток пропорционально уменьшается. В результате выходная мощность трехфазного преобразователя уменьшится.С другой стороны, однофазный преобразователь частоты использует однофазный вход для выработки постоянного тока на выходе, который пропорционален входному.

7.2 Инвертор IGBT — второй основной компонент преобразователя частоты

Инвертор

IGBT в основном используется для преобразования постоянного тока в переменный с регулируемой частотой. В современном преобразователе частоты используется технология, известная как «широтно-импульсная модуляция» (ШИМ) для регулирования напряжения и частоты. Инверторы IGBT генерируют «импульсы» постоянного тока через три набора высокоскоростных переключающих транзисторов, а три набора импульсов имитируют синусоидальные волны переменного тока.Причем эти импульсы определяют не только напряжение, но и частоту волны.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой трехконтактное силовое полупроводниковое устройство, в основном используемое в качестве электронного переключателя, который объединен в инвертор и используется для обеспечения высокой эффективности и быстрого переключения. Его можно использовать как усилитель и для увеличения сигнала, как в радио или стерео, или как переключатель для простого включения и выключения сигналов. IGBT может генерировать очень высокие скорости переключения до 16000 Гц, но с меньшим тепловыделением.Чем выше скорость переключения, тем выше точность моделирования волн переменного тока. Меньший нагрев означает меньшие размеры радиаторов и преобразователь частоты, а также меньшую занимаемую площадь для преобразователя частоты.

7.3 Фильтр мощности — третий основной компонент преобразователя частоты

Силовой фильтр — это схема волнового фильтра, состоящая из емкости, индуктивности и сопротивления. В преобразователе частоты фильтр может эффективно фильтровать определенную частоту, чтобы получить необходимую частоту, или исключить определенную частоту.

На входной стороне силового фильтра присутствует синфазная индуктивность. То есть две линии источника питания намотаны вокруг сердечника в одном направлении. Если на линии питания присутствует синфазный сигнал, магнитное поле, создаваемое синфазной индуктивностью, будет складываться, поэтому будет большее сопротивление. Магнитное поле, создаваемое синфазной индуктивностью, уравновешивает друг друга, поэтому дифференциальный сигнал может проходить через синфазную индуктивность.Ток, протекающий через источник питания, в основном является дифференциальным, но шум может проявляться в виде дифференциального режима. Чтобы подавить шум дифференциального режима, необходимо использовать индукторы дифференциального режима или отдельные индукторы в каждой фазе.

7,4 Фильтр электромагнитных помех — четвертый основной компонент преобразователя частоты

Фильтр электромагнитных помех обычно представляет собой схему фильтра нижних частот, состоящую из последовательного реактора и шунтирующего конденсатора. Его функция в преобразователе частоты состоит в том, чтобы позволить частотному сигналу оборудования проникать в оборудование, когда оно работает нормально, но препятствовать высокочастотному сигналу помех.

Фильтр электромагнитных помех или фильтр электромагнитных помех — это электронное пассивное устройство, используемое для подавления проводящих помех в сигнальной или силовой линии. Большинство фильтров EMI состоят из компонентов для подавления дифференциальных синфазных помех.

Основная функция фильтра EMI — предотвращение электромагнитных помех, создаваемых электронным или электрическим оборудованием, а также предотвращение влияния помех питания на электронное оборудование. Даже если на источник питания серьезно влияют помехи от источника питания, они могут работать без помех.

Типичные фильтры электромагнитных помех обычно состоят из пассивных компонентов, включая конденсаторы и катушки индуктивности, которые соединены вместе, образуя LC-цепи.

7,5 изолирующий трансформатор — основной компонент преобразователя частоты

Его функция изолирующего трансформатора заключается в уменьшении шума в преобразователе частоты и улучшении отношения сигнал / шум преобразователя частоты.

Изолирующий трансформатор

также является своего рода трансформатором, который используется для передачи электроэнергии от источника переменного тока к некоторому оборудованию или устройствам и изоляции нагрузочного оборудования от преобразователя частоты, как правило, по соображениям безопасности.Изолирующие трансформаторы обеспечивают изоляцию тока для предотвращения поражения электрическим током, подавления электрических помех в чувствительных устройствах или передачи энергии между двумя отключенными цепями. Трансформаторы, продаваемые для изоляции, обычно используют специальную изоляцию между первичной обмоткой и вторичной обмоткой и предусматривают, что они могут выдерживать высокое напряжение между обмотками

.

Изолирующие трансформаторы блокируют передачу составляющей постоянного тока в сигналах от одной цепи к другой, но позволяют проходить составляющим переменного тока в сигналах.Трансформаторы с соотношением 1: 1 между первичной и вторичной обмотками часто используются для защиты вторичных цепей и людей от поражения электрическим током между проводниками под напряжением и заземлением. Изолирующие трансформаторы соответствующей конструкции блокируют помехи, вызванные контурами заземления. Изолирующие трансформаторы с электростатическими экранами используются для источников питания чувствительного оборудования, такого как компьютеры, медицинские устройства или лабораторные приборы.

Изолирующий трансформатор предотвращает передачу составляющей постоянного тока из одной цепи в другую в сигнале, но позволяет пропускать составляющую переменного тока в сигнале.Трансформаторы с соотношением между первичной и вторичной обмотками 1: 1 обычно используются для защиты вторичных цепей и людей от ударов. Правильно спроектированный изолирующий трансформатор может предотвратить помехи, вызванные цепью заземления. Изолирующие трансформаторы со статическим экранированием используются для питания чувствительного оборудования, такого как компьютеры, медицинское оборудование или лабораторные инструменты.

Подробнее статьи о преобразователе частоты

2 Объяснение простых схем преобразователя напряжения в частоту

Схема преобразователя напряжения в частоту преобразует пропорционально изменяющееся входное напряжение в пропорционально изменяющуюся выходную частоту.

В первой конструкции используется микросхема IC VFC32, которая представляет собой усовершенствованное устройство преобразования напряжения в частоту от BURR-BROWN, специально разработанное для получения чрезвычайно пропорциональной частотной характеристики подаваемому входному напряжению для заданного применения схемы преобразователя напряжения в частоту.

Как работает устройство

Если входное напряжение изменяется, выходная частота следует этому и изменяется пропорционально с большой степенью точности.

Выход IC представляет собой транзистор с открытым коллектором, которому просто требуется внешний подтягивающий резистор, подключенный к источнику 5 В, чтобы выход был совместим со всеми стандартными устройствами CMOS, TTL и MCU.

Можно ожидать, что выходной сигнал этой ИС будет устойчивым к шумам и с превосходной линейностью.

Полный диапазон преобразования выходного сигнала определяется включением внешнего резистора и конденсатора, размеры которых могут быть выбраны для получения достаточно широкого диапазона отклика.

Основные характеристики VFC32

Устройство VFC32 также оснащено функцией работы в обратном порядке, то есть его можно настроить для работы также как преобразователь частоты в напряжение с аналогичной точностью и эффективностью.Об этом мы подробно поговорим в следующей статье.

ИС может поставляться в различных упаковках в зависимости от требований вашего приложения.

На первом рисунке ниже изображена стандартная схема преобразователя напряжения в частоту, где R1 используется для настройки диапазона обнаружения входного напряжения.

Включение обнаружения полной шкалы

Резистор 40 кОм может быть выбран для получения обнаружения входа полной шкалы от 0 до 10 В, другие диапазоны могут быть достигнуты простым решением следующей формулы:

R1 = Vfs / 0.25 мА

Предпочтительно R1 должен быть типа MFR для обеспечения повышенной стабильности. Регулируя значение R1, можно уменьшить доступный диапазон входного напряжения.

Для достижения регулируемого выходного диапазона FSD вводится диапазон C1, значение которого может быть соответствующим образом выбрано для назначения любого желаемого диапазона преобразования выходной частоты, здесь, на рисунке, он выбран, чтобы дать шкалу от 0 до 10 кГц для входного диапазона от 0 до 10 В. .

Однако следует отметить, что качество C1 может напрямую влиять на линейность или точность выходного сигнала, поэтому рекомендуется использовать конденсатор высокого качества.Возможно, тантал станет хорошим кандидатом для этого типа области применения.

Для более высоких диапазонов порядка 200 кГц и выше можно выбрать конденсатор большего размера для C1, в то время как R1 можно установить на 20 кОм.

Соответствующий конденсатор C2 не обязательно влияет на работу C1, однако значение C2 не должно выходить за заданный предел. Значение C2, как показано на рисунке ниже, не следует понижать, хотя увеличение его значения выше этого может быть нормальным. что выходной каскад, подключенный к этому выводу, будет испытывать только понижающуюся характеристику напряжения / тока (низкий логический уровень) для предлагаемого преобразования напряжения в частоту.

Чтобы получить переменную логическую реакцию вместо ответа только на «понижающийся ток» (низкий логический уровень) от этой распиновки, нам необходимо подключить внешний подтягивающий резистор с питанием 5 В, как показано на второй диаграмме выше.

Это обеспечивает поочередно изменяющийся логический высокий / низкий отклик в этой распиновке для подключенного каскада внешней схемы.

Возможные применения

Описанная схема преобразователя напряжения в частоту может использоваться для многих конкретных приложений пользователя и может быть настроена для любых соответствующих требований.Одним из таких приложений может быть создание цифрового измерителя мощности для записи потребления электроэнергии для данной нагрузки.

Идея состоит в том, чтобы подключить резистор, чувствительный к току, последовательно с рассматриваемой нагрузкой, а затем интегрировать развивающееся нарастание тока на этом резисторе с описанной выше схемой преобразователя напряжения в частоту.

Поскольку ток, нарастающий на чувствительном резисторе, будет пропорционален потребляемой нагрузке, эти данные будут точно и пропорционально преобразованы в частоту с помощью описанной схемы.

Преобразование частоты может быть дополнительно интегрировано со схемой частотомера IC 4033 для получения цифровых калиброванных показаний потребления нагрузки, и это может быть сохранено для будущей оценки.

Предоставлено: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/vfc32.pdf

2) Использование IC 4151

Следующая высокопроизводительная схема преобразователя частоты в напряжение построена на основе нескольких компонентов и ИС. на основе коммутационной схемы. При значениях деталей, указанных на схеме, коэффициент преобразования достигается с линейной характеристикой прибл.1%. При подаче входного напряжения от 0 до 10 В оно преобразуется в пропорциональную величину выходного напряжения прямоугольной формы от 0 до 10 кГц.

С помощью потенциометра P1 можно настроить схему так, чтобы входное напряжение 0 В генерировало выходную частоту 0 Гц. Компонентами, отвечающими за фиксацию частотного диапазона, являются резисторы R2, R3, R5, P1 вместе с конденсатором C2.

Применяя формулы, показанные ниже, можно изменить отношение напряжения к частоте, чтобы схема работала очень хорошо для нескольких уникальных приложений.

При определении произведения T = 1.1.R3.C2 вы должны убедиться, что оно всегда меньше половины минимального периода вывода, то есть положительный выходной импульс всегда должен быть минимальным до тех пор, пока отрицательный импульс.

f0 / Uin = [0,486. (R5 + P1) / R2. R3. C2]. [кГц / В]

T = 1,1. R3. C2

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими новаторскими идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

О преобразователях частоты

Нажмите здесь, чтобы найти производителей преобразователей частоты

Преобразователи частоты предназначены для изменения тока одной частоты на новую частоту. Например, типичный преобразователь частоты может обеспечивать выходной ток 50 Гц от входящего переменного тока 60 Гц.Приложения для таких устройств в основном предназначены для обеспечения надлежащего стандарта мощности для машины, поскольку переменный ток неправильной частоты может вызвать короткое замыкание и отказ системы в некоторых устройствах. Преобразователи частоты также используются в двигателях переменного тока, где они позволяют управлять скоростью и крутящим моментом. Изменяя частоту тока, подаваемого на двигатель переменного тока, они обеспечивают возможность изменять выходную мощность двигателя без необходимости использования червячных передач или других редукторов скорости.

Базовый преобразователь частоты не изменяет напряжение или количество фаз, хотя некоторые устройства могут быть предназначены для выполнения этих функций.Однако такие операции выходят за рамки преобразования частоты, которое имеет дело исключительно с входящей и исходящей частотой. Стандартные преобразователи частоты предназначены для преобразования переменного тока с частотой от 50 Гц до 60 Гц, от 60 Гц до 50 Гц или от 50 или 60 Гц до 400 Гц, и конструкции могут быть однофазными или трехфазными.

Двумя основными типами преобразователей частоты являются роторные и твердотельные, с твердотельными преобразователями, работающими электронно, и роторными преобразователями, работающими электромеханически.Эти устройства рассчитаны на входную и выходную мощность, а также по частоте и могут быть разработаны для работы с минимальными количествами энергии при чрезвычайно высоком токе мощности. Они часто соединяются с трансформаторами, чтобы обеспечить различное выходное напряжение, а также изменение частоты. Типичные преобразователи частоты используют набор полупроводников и диодов для достижения правильного изменения частоты. Эти устройства обычно применяются в оборудовании, требующем двигателей переменного тока с регулируемой скоростью, а также в системах, в которых требуется переменный ток другой частоты, чем от доступного источника.

Статический преобразователь частоты

| Статический преобразователь частоты 400 Гц

Твердотельный наземный блок питания MAK

Наш твердотельный наземный блок питания / статический преобразователь частоты теперь является частью нашего стандартного наземного вспомогательного оборудования и является самым безопасным и надежным решением для требований к электроснабжению самолетов.

Блоки статического преобразователя частоты

Mak спроектированы с поправкой на коэффициент мощности, чтобы гарантировать идеальный синусоидальный входной ток от 25% до 150% нагрузки и низкий THDi (

СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ / ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ GPU

Статический преобразователь частоты

Наш статический преобразователь частоты используется для питания колебаний напряжения и нагрузки.Выходная частота полностью зависит от элементов, которые должны управлять включением / выключением статических устройств преобразователей частоты. Таким образом, он полностью независим от колебаний частоты и напряжения переменного тока. статический преобразователь частоты также работает независимо от колебаний нагрузки. В преобразователе частоты асинхронного двигателя. Варианты скорости иногда из-за крутящего момента ротора, но он будет постоянным во всем диапазоне скоростей, разработанном Mak Controls and Systems.

Производство и разработка

Mak Controls. Статические преобразователи частоты имеют очень низкие затраты на установку, не требуют тяжелого оборудования и тщательной юстировки.Он занимает меньше места и предлагает низкий уровень шума по сравнению с механическими преобразователями с тяжелой техникой и широкий диапазон напряжений для статических преобразователей частоты с отличным контролем благодаря своей независимости от изменений напряжения источника питания -SFC

Основные особенности

• Сертификат CE
• Современная полупроводниковая техника
• Коэффициент мощности Unity через APFC
• Высокий КПД (до 95%)
• Низкий коэффициент нелинейных искажений <2% при линейной нагрузке
• Регистрация данных
• Мониторинг и управление на базе MCU
• Зеленый режим ожидания
• Компенсация падения напряжения в сети
• Совместимость с бесперебойной передачей мощности (NBPT)
• Удобная панель управления
• IP 54 Корпуса для наружного применения
• Низкий уровень шума (<65 дБА на расстоянии 1 м)

Технические характеристики

ВХОДЫ
Напряжение	: 3 фазы 400 В / 415 В переменного тока ± 15%
Частота	: от 45 Гц до 65 Гц ± 5%
ВЫХОДЫ
Напряжение	: 3 фазы 200 В переменного тока -400 Гц ± 1%
Общий КПД	: 87% -95%
Макс.Крест-фактор	: 1,4: 1
ВЫПРЯМИТЕЛЬ
4 квадрантный рабочий диапазон напряжения переменного тока	: 25% + 10%
КПД	: 93% -97%
Отклонение входной частоты	: ± 5%
Перегрузочная способность	: 150% непрерывно
Пусковой ток	: Нет
Общий предел тока	: 120% непрерывно
КОНФИГУРАЦИЯ МОНТАЖА
ФИКСИРОВАННЫЙ / ПРИЦЕП / РЕАКТИВНЫЙ МОСТ
ИНВЕРТОР
Статическое регулирование 0 — нагрузка 100%	: ± 1%
Динамическое регулирование 100%	: 5%, восстановление до 1% в течение 40 мс
Полный коэффициент гармонических искажений	: <2% (линейная нагрузка)
Электронный предел перегрузки	: 120% через 60 с; 150% за 5 с; 200% за 2 с ***
Перегрузочная способность (IGBT)	: 150% непрерывно
Стабильность частоты	: ± 0.01% Кристалл контролируемый
Коэффициент мощности нагрузки	: 0-1
КПД	: 93% -98%
ЗАЩИТЫ
Защита от короткого замыкания ограничением и отключением электрического тока
УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рабочая температура	: от 0 ° C до +55 ° C (при 100% нагрузке)
Относительная влажность	: 10% -100%
Уровень шума	: <65 дБА на расстоянии 1 м
Высота	: до 2500 м без снижения

Примечание: В связи с постоянным развитием размеры, компоновка, конфигурация и технические характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления.

3 способа преобразования частоты генератора для выработки мощности 50 Гц и 60 Гц

Преобразование частоты системы электроснабжения требуется, когда существует разность нагрузок между источником питания и оборудованием, на которое подается питание. По крайней мере, оборудование, предназначенное для работы на частоте, отличной от имеющейся мощности, будет работать неэффективно, а в худшем случае может выйти из строя или вообще не работать.

Поскольку европейская электросеть работает на частоте 50 Гц, а сеть Северной Америки — на частоте 60 Гц, могут возникнуть проблемы, когда оборудование, произведенное в одном месте, используется в другом.

Вот почему так важно преобразовывать частоты генератора по мере необходимости.

Существует три основных метода преобразования промышленной частоты: изменение частоты вращения двигателя, использование преобразователя частоты или использование генератора с регулируемой частотой вращения.

Варьируйте скорость двигателя, чтобы изменить частоту генератора

Современные двигатели-генераторы подключены напрямую к генератору переменного тока для производства электроэнергии. При изменении числа оборотов генератора в минуту (об / мин) выходная частота (Гц) изменяется по следующей формуле:

Количество магнитных полюсов (P) * двигатель (N) об / мин ÷ 120 = частота генератора (f)

Или, точнее:

P * N / 120 = f

Следовательно, для выработки выходной частоты 60 Гц трехполюсному генератору требуется частота вращения двигателя 2200 об / мин.Однако снижение частоты вращения двигателя до 2000 об / мин приводит к выходной частоте 50 Гц. Двухполюсный генератор с частотой вращения двигателя 3600 об / мин обеспечивает выходную частоту 60 Гц, а при снижении скорости до 3000 об / мин выходная частота падает до 50 Гц.

Используйте преобразователь частоты

Однако вы можете использовать генератор с фиксированной скоростью. В этом случае вам понадобится преобразователь частоты для изменения частоты переменного тока (AC) генератора. Выпрямитель преобразует выход переменного тока в постоянный ток (DC), который инвертор затем преобразует обратно в желаемую выходную частоту переменного тока.Первоначально преобразователи частоты были электромагнитными компонентами с ременным приводом, но теперь используют твердотельную технологию.

Хотя преобразователь частоты может использоваться, как отмечалось выше, для решения проблемы оборудования, произведенного в одной части мира, используемого в другой, существуют и другие применения. В железнодорожных системах обычно используется мощность 100 Гц, а в самолетах — 400 Гц, что также требует преобразования частоты 50 Гц / 60 Гц. Итак, в последнем примере преобразование частоты позволяет пассажирам использовать / заряжать свои электронные устройства во время полета.

Использовать генератор с регулируемой скоростью

В новейшем методе преобразования частоты используется генераторная установка с регулируемой скоростью. В отличие от изменения оборотов генератора с одной фиксированной скорости на другую для изменения частоты или использования преобразователя для изменения частот, этот метод, также известный как частотно-регулируемый привод (VFD), позволяет генератору вращаться с разными скоростями, сохраняя при этом ту же частоту. выход.

В ветряных турбинах

эта технология используется для обеспечения одинаковой мощности при постоянно меняющихся скоростях ветра.Кроме того, развязка скорости от выходной мощности означает, что эти генераторы значительно легче своих традиционных аналогов.

Однако проникновение на рынок

все еще относительно невелико, поскольку его электронные компоненты недостаточно надежны для работы в суровых условиях и в окружающей среде, которые типичны для крупномасштабных промышленных проектов, удаленных от электросети.

Признайтесь: в различных ситуациях по разным причинам преобразование частоты генератора будет иметь первостепенное значение.

В частности, вы хотите избежать ненужных проблем, которые могут возникнуть, если выходная частота не соответствует техническим характеристикам оборудования. Пришло время определить, какая стратегия (или стратегии!) Преобразования частоты будет для вас лучше всего.

Более 25 лет Depco Power Systems продает новые, подержанные и восстановленные генераторы и двигатели. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы мы могли помочь вам с вашими потребностями в производстве электроэнергии.

Преобразователь частоты

— обзор

VII.M Транзисторные усилители

В начале 1970-х годов была завершена достаточная исследовательская работа по СВЧ-транзисторам, чтобы ясно показать, что GaAs FET предлагает интригующие возможности в применениях в усилителях мощности, приемных усилителях и преобразователях частоты. Производительность этого класса транзисторов является результатом высокой подвижности электронов элементов класса III – V в периодической таблице и способности проектировать геометрию транзистора, более близкую к планарной. У этих транзисторов были менее строгие требования к пространству, чем у эквивалентных биполярных блоков, и, как следствие, они могли предложить лучшие высокочастотные характеристики для данной степени сложности производства.

Последовала разработка схем, и впервые активные микроволновые схемы были разработаны с использованием подхода к проектированию эквивалентных схем, который был достаточно подробным, чтобы точно предсказать производительность, и в то же время достаточно простым, чтобы подойти для прямых расчетов геометрия устройства. Схемы усилителя могут быть спроектированы так, чтобы покрывать 10% полосы пропускания, поэтому регулировка частоты в полевых условиях не требуется. Это явное преимущество перед применением планарных триодных ламп и диодных усилителей IMPATT.Усилитель мощностью 2 Вт и частотой 4 ГГц был разработан для замены планарного триодного усилителя во многих приложениях, за ним последовала версия с мощностью 5 Вт, которая дала возможность увеличить мощность более старых релейных систем с мощностью 2 Вт. Опыт эксплуатации усилителей мощности на полевых транзисторах с GaAs показал, что после короткого периода приработки отказы случаются редко, а производительность достаточно стабильна, поэтому плановое обслуживание не требуется. Это приводит к значительной экономической экономии для тех, кто владеет и эксплуатирует эти системы.

Низкий собственный шум GaAs FET-транзистора используется для увеличения чувствительности приемной части ретранслятора.Были созданы усилители с коэффициентом шума 2 дБ, которые обеспечивают улучшение чувствительности приемника как минимум в 2 раза. Чтобы получить наилучший коэффициент шума, длина и ширина затвора транзистора должны быть минимальными. Использование общего транзисторного малошумящего усилителя в прямоугольном волноводе с несколькими репитерами в тандеме обеспечивает низкий коэффициент шума для всех устройств при значительной экономии затрат. Обычный усилитель на входе приемника, если он не спроектирован так, чтобы иметь низкие характеристики интермодуляции, может привести к нежелательным межканальным перекрестным помехам в условиях сильного избирательного замирания.Следовательно, конструкции линейных усилителей иногда необходимы в приложениях низкого уровня на входе приемника.

В начале 1980-х дальнейшие разработки полупроводников продолжали оказывать влияние на возможности компонентов для микроволновых радиорелейных систем. Разработка полевого транзистора с двумя электродами затвора позволила разработать новую группу преобразователей частоты и схем управления усилением с достаточным усилением, чтобы замаскировать шум от последующих элементов схемы.Специальные легирующие составы, введение индия и улучшенная геометрия полупроводника привели к более высокой подвижности электронов, более близким расстояниям, более тонким проводникам и лучшему основанию. Возможность добавления элементов согласования схемы на полупроводниковом кристалле повысила характеристики СВЧ. Монолитные схемы с одним или несколькими каскадами на одном кристалле и устройства с высокой подвижностью электронов являются примерами этих улучшений. Разработчики схем смогли внедрить значимые программы компьютерного проектирования, которые позволяют более полную оценку схем и вариантов окружающей среды на стадии проектирования.

Типичные рабочие характеристики теперь включают уровни мощности до 100 Вт на низких микроволновых частотах (1 ГГц) и до 8 Вт на 18 ГГц. Полоса пропускания с относительно постоянным усилением была расширена до октавы или более. Усилители для цифровой модуляции квадратурной амплитудной модуляции имеют выходную мощность 4 Вт или более при насыщении, а также коэффициенты усиления и линейности, которые равны или превышают таковые у ЛБВ.