+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Принцип работы частотного преобразователя

Частотные преобразователи – это инверторы, которые имеют двойное преобразование напряжения. Принцип работы этого устройства достаточно простой.

  • Первый этап. Сначала сетевое напряжение, которое равняется 220 или 380 В выпрямляется с помощью входного диодного моста, после этого происходит его сглаживание. Следующий этап – это фильтрация, которая производится с участием конденсаторов. На этом и заканчивается первая часть изменения.
  • В ходе следующего этапа из постоянного напряжения формируется ШИП последовательность, которая имеет конкретную частоту и скважность. Происходит это с помощью микросхем управления, в преобразовании также участвуют мостовые IGBT, называемые выходными ключами.
  • Третий этап – это выход частотного преобразователя, на котором и выдаются пачки импульсов, которые имеют прямоугольную форму. Здесь они интегрируются и наконец-то и превращаются в напряжение, которое близко к синусоиде.

Благодаря частотным преобразователям можно контролировать частоту напряжения питания трех фаз, которое регулируется двигателем в районе от нуля до 400 Гц. Двигатель разгоняется и тормозит плавно, при необходимости применяется даже линейный закон от времени. Также такой преобразователь осуществляет реверс двигателя. Только представьте, если разогнать преобразователь, он может увеличить до ста пятидесяти процентов моменты динамические и пусковые.

Например, частотники Siemens созданы с настраиваемой электронной самозащитой, также здесь есть защита двигателей, которая способна уберечь от перегрузки по току, также защищается от перегрева и утечек. Частотные преобразователи помогают отслеживать выходной сигнал, для этого здесь есть цифровой индикатор. Сигнал этот уведомляет о заданном значении системы.

Также, важно отметить, что в зависимости от того, какой используется вид нагрузки – формируется необходимые вольт-частотные выходные характеристики.

А, например, в таких преобразователях, как Hyundai и вовсе существует векторное управления, которое может работать с полным моментом двигателя даже при нулевых частотах, также такие преобразователи поддерживают оптимальную скорость, даже если нагрузка переменная, и даже без датчиков обратной связи. Они точно контролируют момент на валу двигателя.

Частотные преобразователи используются в различных областях, так на их базе реализовываются системы регулирования скорости различных объектов, таких, как:

  • насосы как холодной, так и горячей воды;
  • питатели и дозаторы;
  • мешалки, мельницы, дробилки;
  • лифтовое оборудование;
  • оборудование, предназначенное для прокатных станков;
  • крановое и экскаваторное оборудование;
  • механизмы высокооборотные и системы.

Такие системы могут быть с любыми функциями, реализовать их можно за счет встроенных программируемых контролеров или же за счет дополнительных контролеров. И те и другие работают вместе с преобразователями.

Особый эффект дает использование частотных преобразователей для того, чтобы регулировать производительность насосных агрегатов.

Преимущества использования частотных преобразователей

Частотные преобразователи имеют множество преимуществ, ведь в них сочетаются уникальные качества, наряду с тем, что они надежны, имеют невысокую цену и высокий технический уровень.

  • Первое преимущество заключается в том, что на базе таких преобразователей создаются гибкие системы электропривода, также с помощью них регулируются технологические параметры.
  • Второе преимущество в том, что преобразователи можно встраивать в системы, которые уже существуют, при этом не нужно даже останавливать технологический процесс. К тому же, они легко приспосабливаются и модифицируются.
  • Третий важный аспект заключается в том, что преобразователи имеют широкий диапазон мощностей, благодаря разным вариантам систем управления можно подобрать решения для множества задач управления.
  • Еще одно важное преимущество в том, что благодаря этим преобразователям происходит экономия электроэнергии. Подсчитано, что в среднем эта экономия составляет от 50 до 79 процентов мощности.

Помимо уже перечисленных положительных сторон использования преобразователей, так же стоит отметить, что преобразователи способны повысить срок жизни двигателя с помощью того, что они ограничивают пуск тока на уровне номинального значения. Таким преимуществом обладают многие преобразователи, в частности и Toshiba.

Действующие технологические агрегаты можно модернизировать, не заменяя при этом насосное оборудование, и даже практически не нарушая его работу. На это способны и преобразователи частоты Веспер.

У преобразователей стандартный интерфейс, также здесь стандартные сигналы на выходе и на входе, все это для того, чтобы можно было включать их внешними управляющими системами, которые имеют более высокий уровень. Это также необходимо для того, чтобы подключать устройства, которые имеют дистанционное управление.

Частотные преобразователи

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:

8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Виды и принцип работы частотных преобразователей

Частотный преобразователь является устройством, которое выполняет функцию по преобразованию переменного тока с одной частотой в ток иной частоты.Современные преобразователи сделаны по схеме двойного преобразования. Микропроцессор предназначен для отслеживания системы, с его помощью проводиться диагностика аппаратуры, распределяется мощность, корректируется работа.

Разновидности частотных преобразователей

Они бывают двух классов – с непрерывной связью и с промежуточным звеном. Каждый имеет плюсы и минусы, поэтому задумав купить частотный преобразователь, сначала выясните, подходит ли его класс для подконтрольной системы электрического привода.

Устройства с непрерывной связью оснащены управляемым выпрямителем, который выполняет функцию электрического модуля. Работа в этом случае проводится благодаря поочередному отпиранию тиристоров и подключению обмоток электрического привода к сети.

Частота выходного напряжения будет всегда меньшей от частоты, которая питает сеть. Это обуславливается небольшим диапазоном управления частотой вращения электропривода.

Эти виды устройств практически невозможно применять к двигателям, выполненным по современным технологиям.


Чем отличаются устройства с промежуточным звеном?

Эти частотные преобразователи наиболее распространены, подразумевают технологию двойного преобразования электрической энергии. Благодаря специальному выпрямителю происходит выпрямление, сглаживание и фильтрование входного переменного тока. Инвертор позволяет переходить постоянному току в переменный, который наделен изменяемой частотой и амплитудой.

Купить частотный преобразователь – отличное решение, ведь он является энергосберегающим устройством, выбрать подходящий исходя из конкретного случая можно на нашем сайте. На устройства предоставляется гарантия, а качество порадует любого покупателя.

риемлемые цены, а качество порадует любого покупателя. Ознакомиться подробно с понравившимся товаром помогут предоставленные на сайте технические характеристики и краткое описание.

Частотный преобразователь (регулятор) для вентилятора

Описание

Частотный преобразователь вентилятора – это устройство, которое служит для плавного регулирования производительности (расхода воздуха) 3-х фазных вентиляторов путем изменения подаваемой на двигатель частоты и напряжения. Предлагаемые нашей компанией преобразователи частоты вентилятора производятся на заводах Западной Европы. Они рассчитаны на двигатели мощностью до 45 кВт. Мы гарантируем 100% совместимость с любыми 3-х фазными вентиляторами.Частотный преобразователи для вентилятора имеются в наличии на складе. Мы предоставляем минимальные цены и осуществляем доставку.

Принцип действия

Принцип действия частотного преобразователя для вентилятора заключается в питании двигателя переменным напряжением с меняющимися при этом по мере необходимости, значениями амплитуды и частоты тока. В то же время поддержка пропорции напряжение/частота остаются на постоянном уровне. Воспроизведение переменного напряжения происходит за счет силовому преобразователя электронного типа.

Принцип работы преобразователь частоты вентилятора подразумевает использование так называемой широтно-импульсной модуляции. Этот принцип предполагает подачу частотным регулятором скорости вращения вентилятора импульсного напряжения на обмотки электродвигателя вентилятора с амплитудой эквивалентной напряжению, полученному от выпрямителя. При частотном регулировании вентиляторов импульсы модулированы по ширине и генерируют напряжение переменного тока с переменной амплитудой. Наглядным примером могут считаться кривые межфазного напряжения и силы тока в одной обмотке электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник».

Основные элементы

Частотный регулятор скорости вентилятора имеет в своем составе следующие компоненты:

  • Мостовой выпрямитель на одну или три фазы, он имеет конденсатор на выходе и является источником постоянного напряжения частотного привода вентилятора.
  • Мостовой инвертор, который питается напряжением постоянной величины с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для создания напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой
  • Модуль управления, который подает сигналы проводимости на инверто, т. е. осуществляет частотное управление вентилятором. Они зависят от сигналов, передаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).
Производство

Наша компания производит широкий спектр оборудования для вентиляции и кондиционирования.

Доставка оборудования

Служба логистики опертивно доставит оборудование до вашего объекта, склада или до терминала транспортной компании.

Монтажный отдел

Cпециалисы монтажного отдела сделают монтаж и пуско-наладку системы вентиляции и кондиционирования «под ключ»

Сервисная служба

Cпециалисы сервисного отдела осуществляют плановое обслуживание оборудования, а также его гарантийный и постгарантийный ремонт

Персональный менеджер

Обратившись к нам, Вы будете закреплены за одним менеджером, который будет сопровождать Вас на всех этапах работы.

Акции августа 2021

В этом месяце на ряд продукции проходит сезонная акция. Цены снижены. Товары в наличии на складе.

Преобразователи частоты для насосов — подбор по характеристикам

Большинство общепромышленных моделей частотных преобразователей можно использовать для управления насосами, но для этого необходимо их запрограммировать специальным образом.

Преобразователи частоты для насосов являются адаптированными приборами и показывают лучшие результаты в работе с насосным оборудованием. Частотные преобразователи для насосов более экономичны и функциональны в своей сфере.


Модели приборов и аналоги

Ниже в таблице представлен краткий обзор нескольких оптимизированных под управление насосами моделей. Подробную информацию по моделям можно получить на карточке соответствующего частотного преобразователя.

Выбрать и купить частотный преобразователь для насоса вы можете в интернет-магазине

Выбрать и купить частотный преобразователь для насоса вы можете в интернет-магазине …


Области применения преобразователей частоты для насосов

ПЧ для насосов оптимизированы для следующих приложений:

  • Системы вентиляции и кондиционирования (компрессоры и т.п.)
  • ЖКХ, системы водоснабжения и водоотведения, отопления (насосы горячей/холодной воды, оборудование котельных, канализация)
  • Энергетика (оборудование ТЭС, ТЭЦ, котлоагрегатов)
  • Технологические линии в обогатительной отрасли (песковые, пульповые насосы)
  • Прочие насосные агрегаты (станции подкачки для водопроводных сетей либо силовых распределительных пунктов)
  • Погружные, скважинные насосы

Несмотря на вышеуказанные применения, такие приборы пригодны и для общепромышленного применения.


Назначение частотных преобразователей для насосов
  • Оптимизированное управление в насосных системах с целью поддержания определенных параметров на заданном уровне (давление, температура, уровень, расход, потребление воды)
  • Групповое управление насосами
  • Экономия воды и электроэнергии на предприятиях, ресурсосбережение на станциях подкачки
  • Защита трубопроводов от гидроударов, увеличение срока службы арматуры
  • Полная защита электродвигателей в насосных установках
  • Автоматизация насосных станций


Преимущества

Преобразователи частоты для насосов имеют преимущества:

  • Как правило, имеют более высокий уровень защиты
  • Благодаря своей специализации реализуют наиболее эффективное управление в насосных системах
  • В большинстве случаев представляют собой многофункциональные устройства, способное полностью автоматизировать насосную станцию


Недостатки

На недостатки приборов влияют используемые в них принципов регулирования. В зависимости от того скалярный это или векторный преобразователь, ему присущи те или иные недостатки. (ссылки на страницы)


Принцип работы частотных преобразователей для насосов

Преобразователь частоты для насосов преобразует входное силовое напряжение в оптимальное для выбранного режима работы насоса выходное. При этом в системе формируется контур управления с обратной связью по выбранному параметру (например, по давлению воды в системе водоснабжения). Датчик давления передает информацию в электронный блок ПЧ, а преобразователь, в свою очередь, изменяет выход (частоту, напряжение) в ту или иную сторону для поддержания постоянного давления воды в трубопроводе.

Примеры представлены на рисунках:

Насос (автоматическое поддержание заданного давления, энергосбережение)


Насосная станция на два насоса
(автоматическое поддержание давления, пуск дополнительного насоса от сети)

Выбрать и купить частотный преобразователь для насоса вы можете в интернет-магазине РусАвтоматизация …

Частотный преобразователь для вентилятора: устройство и функции

Управление вентиляционным оборудованием позволяет существенно сократить расход электроэнергии и повысить эксплуатационный ресурс оборудования. Качественный частотный преобразователь для вентилятора позволяет решить подобные задачи максимально эффективно.

Управление вентиляционным оборудованием позволяет существенно сократить расход электроэнергии и повысить эксплуатационный ресурс оборудования. Качественный частотный преобразователь для вентилятора позволяет решить подобные задачи максимально эффективно. Выбрать прибор для использования в составе вентиляционной системы можно в каталоге нашей компании. Все представленные модели имеют хорошие технические характеристики, отличаются надежностью и износостойкостью.

Принцип действия и назначение частотных преобразователей

В зависимости от требований к системе, частотный преобразователь для вентилятора отслеживает такие показатели датчиков, как расход воздуха, давление, температуру. На основании полученной информации изменяется частота вращения вала электродвигателя, соответственно уменьшается скорость исходящего потока. Использование оборудования позволяет добиться следующих целей:
  • снизить расходы электроэнергии при эксплуатации охлаждающих систем:
  • исключить скачки напряжения при запуске и остановке электродвигателей вентиляционного оборудования, снизить частоту отказов и повысить надежность техники;
  • требуемые условия в помещении поддерживаются в автоматическом режиме, в соответствиис заданными настройками;
  • работа климатического оборудования регулируетсямаксимально эффективно, с высоким показателями КПД.

Надежный и качественный частотный преобразователь для вентилятора может использоваться в составе оборудования нефтегазового комплекса, системах охлаждения и кондиционирования. Частотные регуляторы используются в компрессорных установках, пневматических системах, другом промышленном оборудовании. Приобрести нужную модель можно в нашей компании. Для этого достаточно оставить заявку на сайте или связаться с менеджерами по телефону.

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

  • Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
  • Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее – от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

Статический преобразователь частоты ЧСП-20

Частотные преобразователи – это специальные устройства, используемые для плавного изменения оборотов двигателя асинхронного типа. Плавность регулирования заключается в создании трехфазного напряжения переменной частоты на выходе преобразователя. Изменение напряжения и частоты зависит от сложности случая. Так, при простой необходимости регулирования напряжения и частоты активным является регулирование с уже заданным параметром V/f, а если дело обстоит со сложной моделью, то такие преобразователи обладают возможностью векторного управления.

Что касается принципа работы, то преобразователь напряжения и частоты, или инвертор, работает следующим образом. Блок диодов отвечает за выпрямление переменного напряжения сети, в то время как батарея емкостных конденсаторов проводит ее фильтрацию, чтобы снизить уровень пульсации напряжения. Выпрямленное и частотно заниженное напряжение переходит на так называемую мостовую схему, представленную шестью управляемыми IGBT (либо MOSFET) транзисторами. Последние включены антипараллельно для собственной защиты от пробоя напряжения. Помимо этого, схема часто дополняется транзистором и резистором большой мощности рассеивания.

Принцип работы преобразователя частоты, области применение преобразователей

Использование частотного преобразователя СПЧ-20 в рабочей цепи с асинхронным двигателем представляет собой альтернативу электроприводу постоянного тока. Поскольку данные электродвигатели отличаются относительно простой системой регулирования скорости, во время работы есть вероятность искрения щеток, что не позволяет его использовать на взрывоопасном производстве.

По этой причине асинхронные двигатели в сочетании с преобразователями обладают более существенной степенью безопасности, отличаются надежностью и мощностью. Современные устройства, позволяющие регулировать частоту вращения механизма, включают в себя несколько видов:

  • механические вариаторы,
  • гидравлические муфты,
  • электромеханические преобразователи частоты,

Но именно статический преобразователь частоты СПЧ-20 позволит добиться наибольшей производительности работы системы, поскольку имеется возможность высокоточного регулирования частоты. Данные устройства также позволяют существенно сэкономить на их установке. Если вы решили купить частотный преобразователь, то мы готовы предложить вам надежное и долговечное устройство, сконструированное с полным соблюдением стандартов качества.

Отправить заявку

Преобразователи частоты

Для некоторых приложений требуются определенные Герцы и Вольты, вы можете купить преобразователь частоты GoHz как для однофазной, так и для трехфазной частоты по разумной цене, затем вы можете преобразовать Герцы из 40 Гц в 499,9 Гц, вольты из однофазного 0-300 В и 0- 520 В трехфазный, например:
Преобразование однофазного
110 В 60 Гц в 220 В 50 Гц;
230 В 50 Гц до 110 В 60 Гц;
120 В 60 Гц до 240 В 50 Гц;
… …
Преобразование трехфазного
480 В 60 Гц в 400 В 50 Гц;
380 В 50 Гц до 460 В 60 Гц;
… …
И Герцы, и Вольт регулируются по отдельности с улучшенной выходной чистой синусоидой. Однофазный преобразователь в трехфазный — это трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, соединенный звездой. Он преобразует однофазное напряжение 380 В с частотой 50 Гц (через УФ-вход) в трехфазное напряжение 380 В (UVW) с небольшим дисбалансом (5%) напряжения. Он широко используется на железных дорогах, электровозах 25 кВ, 50 Гц, для привода трехфазных электродвигателей мощностью 150 кВА вспомогательных приводов, таких как компрессоры, нагнетатели, насосы……….. больше десятка.

Представьте себе трехфазный двигатель, работающий от трехфазного входа; затем отключается одна линия. То, что происходит, может удивить многих; двигатель продолжает работать и передавать нагрузку (но с уменьшенным крутящим моментом) с небольшим падением скорости. Напряжение на трех фазах остается (почти) неизменным, и можно ожидать дисбаланса 5%. Если требуется сбалансированный трехфазный выход; Статический инверторный путь — это нормально (как это практикуется в современных электровозах на 25 кВ).

Преобразователи частоты

могут быть мощным инструментом в поддержании процессов с помощью диагностики для решения проблем с производительностью преобразователя частоты и устранения неисправностей связанных процессов.Понимание того, как преобразователь частоты взаимодействует с технологическим процессом, может помочь вам улучшить общее производство и качество продукции. Многие неисправности вызваны неправильным использованием преобразователя частоты. Изменения процесса, такие как изменения нагрузки или скорости; проблемы с питанием, такие как переключение мощности коммунальным предприятием; или изменения в условиях окружающей среды не очевидны сразу, но могут стать основной причиной отказа преобразователя частоты. Оцените последовательность и состояние процесса, пытаясь определить причину сбоя.

Я слышу об использовании преобразователя частоты с моим насосом и двигателем установка для лучшего управления потоком вместо регулирующих клапанов. Стоит ли оно того? Нужен ли мне еще какой-нибудь контроль потока, помимо запорного клапана? Я думаю, что управление преобразователем частоты может обеспечить более высокий КПД, но снижение точности управления, времени отклика и эффективности отключения.
Решение преобразователя частоты ничем не отличается от управления частота вращения паровой турбины для регулирования потока от компрессора.Это становится все более распространенным с развитием электроники и повышенная доступность преобразователей частоты и двигателей для этого услуга.

Преобразователи частоты становятся почти стандартной частью оборудования для помещений для занятий водными видами спорта. Большинство преобразователей частоты довольно просты в установке и эксплуатации, однако они довольно сложны с точки зрения их сложной аппаратной и программной реализации.Функциональные возможности преобразователя частоты и его работа могут быть значительно улучшены за счет понимания базовой теории преобразователя частоты, терминологии и вариантов интерфейса.

Первоочередной и очевидной целью экономии энергии с использованием преобразователей частоты являются старые механические системы, обычно использующие центробежные насосы и вентиляторы, которые изменяют поток воды или воздуха в здании или на промышленном объекте. Чтобы определить, производители преобразователей частоты максимально упрощают расчет возможной экономии, предоставляя приложения для ПК и даже iTunes в дополнение к ноу-хау для выполнения быстрых расчетов на месте для количественной оценки потенциальной экономии энергии.

Установка контактора на выходе преобразователя частоты обеспечит немедленное снятие напряжения с двигателя, что вам и нужно. С другой стороны, некоторые инверторы легко повредить при включении их выхода, и что возможно, что двигатель может быть повторно подключен к выходу инвертора, который работал выше нулевой частоты, и это также может повредить инвертор. (Фактически прямой (не плавный) пуск или пуск при полном напряжении на выходе преобразователя частоты)

В преобразователях частоты с вектором потока

используется метод управления крутящим моментом, аналогичный тому, который используется в системах привода постоянного тока, включая широкий диапазон регулирования скорости с быстрым откликом.Преобразователи частоты с вектором магнитного потока имеют ту же силовую секцию, что и все преобразователи частоты с ШИМ, но используют сложную систему управления с обратной связью от двигателя до микропроцессора преобразователя частоты. Положение и скорость ротора двигателя отслеживаются в реальном времени с помощью резольвера или цифрового энкодера для определения и управления фактической скоростью, крутящим моментом и производимой мощностью двигателя.

Применение преобразователя частоты в конкретном приложении не является секретом, если вы понимаете требования нагрузки.Проще говоря, преобразователь частоты должен иметь достаточный ток для двигателя, чтобы двигатель мог создавать требуемый крутящий момент для нагрузки. Вы должны помнить, что крутящий момент машины не зависит от скорости двигателя и что мощность нагрузки линейно увеличивается с частотой вращения.

Отраженные волны, вызванные несоответствием импеданса кабеля и двигателя, распространены во всех применениях преобразователей частоты. Масштабы проблемы зависят от длины кабеля, времени нарастания несущей волны ШИМ (широтно-импульсной модуляции), напряжения преобразователя частоты и величины разницы импедансов между двигателем и кабелем.

Среди наиболее успешных стратегий, имеющихся в распоряжении менеджеров для управления использованием электроэнергии и минимизации затрат на коммунальные услуги, является использование преобразователей частоты. Включение преобразователей частоты в такие приложения, как вентиляторы, насосы и градирни, может снизить потребление энергии до 50 процентов при частичных нагрузках за счет согласования скорости двигателя с изменяющейся нагрузкой и требованиями системы.

Преобразователи частоты используются в любых приложениях, где есть механическое оборудование, приводимое в действие двигателями; инверторы обеспечивают чрезвычайно точное управление электродвигателем, так что скорость двигателя может увеличиваться и уменьшаться и поддерживаться на требуемой скорости; при этом используется только необходимая энергия, вместо того, чтобы двигатель работал с постоянной (фиксированной) скоростью и использовал избыток энергии.

Эти рекомендации развеивают путаницу в отношении согласования частотных преобразователей (частотно-регулируемых приводов) и двигателей с вентиляторами и насосами, которые обычно используются в коммерческих зданиях. Хотя мотивация к повышению энергоэффективности может быть финансовой (снижение затрат на энергию) или этической (сокращение выбросов парниковых газов, связанных с производством электроэнергии), считается само собой разумеющимся, что преобразователи частоты являются простым способом повышения энергоэффективности в двигателях.Помня об этих благородных намерениях, инженер определит частотный преобразователь для своего клиента. Часто для инженера на этом история не заканчивается.

В данной заявке описывается энергосберегающая реконструкция вентиляторов внутреннего и наружного диаметров котла 4 # китайской нефтяной компании, описываются цель реконструкции, схема, реализация и принцип действия. Проанализирован эффект реконструкции, особенно эффект экономии, проиллюстрирован смысл реконструкции.Регулировка переменной частоты — эффективный способ управления экономией источников.

Преобразователи некоторых производителей могут обеспечивать 100% крутящий момент при нулевой скорости без энкодера. Двигатель должным образом рассчитан и спроектирован для работы с нулевой скоростью и полным крутящим моментом (часто называемые двигателями с диапазоном скоростей 1000: 1). Это типичное требование к двигателю для намотчиков и перемотчиков бумаги, а также для моталок и разматывателей стали.

Когда установлен преобразователь частоты, он может снизить скорость насоса с N1 до N2 при неизменной кривой сопротивления трубопроводной сети (1), так что рабочее пересечение A переходит в C.В это время потребляемая мощность оси может быть представлена ​​площадью h4COQ2. По сравнению с h2BOQ2 легко обнаружить, что инвертор обладает значительной способностью к энергосбережению.

Преобразователь частоты серии

Gozuk EDS1000 может полностью удовлетворить потребности экструзионных машин, легко достичь цели управления, в то же время, имеет функцию «нулевого сервопривода», которая может обеспечить высокий крутящий момент машины при работе с частотой 0 Гц. Функция автоматического энергосбережения снизит выходной ток при изменении крутящего момента.Эта функция может не только экономить электроэнергию, но и гарантировать надежность и устойчивость системы с технической точки зрения, которая стала предпочтительным вариантом для экструдера.

Преобразователь частоты

Gozuk EDS2000 обладает такими преимуществами, как высокий крутящий момент, высокая точность скорости и полная функциональность. Он может автоматически проверять динамические рабочие параметры и соответствующим образом регулировать, чтобы двигатель работал в наилучшем состоянии. Следовательно, инвертор Gozuk может заменить сервосистему переменного тока благодаря своему высокому соотношению цены и качества.Он широко используется в токарных станках с ЧПУ.

Использование преобразователя частоты Gozuk с усовершенствованным векторным управлением может обеспечивать больший крутящий момент, когда машина работает на низкой скорости, и автоматически компенсировать изменение скорости при работе с высокой нагрузкой. Отличная динамика, а также отличная перегрузочная способность могут удовлетворить различные потребности во многих областях.

В литьевой машине обычно используется тройной асинхронный двигатель переменного тока, который не может изменять свою скорость, постоянный лопастной насос, который тормозит, и поток выходящего гидравлического масла не может быть изменен.В пластиковой машине, которая работает на низкой скорости, избыточная жидкость возвращается через перепускные клапаны к источнику жидкости, а энергия тратится впустую. Преобразователь частоты может регулировать скорость двигателя в соответствии с функцией системы управления и может изменять поток выхода гидравлического масла из лопастного насоса в соответствии со скоростью работы пластиковой машины и уменьшения потерь энергии гидравлического масла от перепускного клапана до подачи масла, чтобы сэкономить больше энергии. По продуктам впрыска можно сэкономить 20 ~ 70% энергии.

1. Требуемый расход и давление в электродвигателях переменного тока
2. Существующая методология управления, такая как регулирующий клапан в насосах, заслонка или направляющая лопатка для вентиляторов и нагнетателей и т. Д., А также положение клапана или заслонок
3. Если у вас есть данные о технологическом потоке и давлении, а также данные о конструкции насоса или вентилятора, вы можете рассчитать энергосбережение, используя закон сродства
. 4. Цикл загрузки и разгрузки компрессора.Если время разгрузки больше для компрессора, вы получите лучшую экономию энергии
5. Используя закон сродства, вы можете рассчитать энергосбережение с учетом потерь преобразователя частоты. С его помощью вы можете рассчитать окупаемость инверторов.
Существуют различные способы использования преобразователя частоты или устройства плавного пуска для снижения затрат на электроэнергию. Тщательно анализирует возможности вашего растения.

Обычно преобразователь частоты имеет следующие режимы управления: векторное управление без обратной связи, управление U / F, управление крутящим моментом без обратной связи, векторное управление с обратной связью, управление частотой скольжения.
Инвертор с векторным управлением без обратной связи
Применяется к высокопроизводительным универсальным приложениям без кодировщика PG, один преобразователь частоты управляет только электродвигателем. Такие как станки, центрифуги, волочильные машины, термопластавтоматы и т. Д.

Преобразователь частоты , разработанный для применения в подъемной промышленности, обладает хорошими характеристиками управления крутящим моментом с использованием передовых технологий управления.Его надежное управление торможением, быстрая остановка, управление возбуждением постоянным током, технология управления ведущий-ведомый обеспечивают безопасность, надежность и высокую эффективность в подъемных отраслях. Для различных требований в подъемной промышленности существуют преобразователи частоты с преобразователем частоты, инверторы полного цикла, преобразователи частоты с динамическим торможением и разнообразные приложения для пользователей. Преобразователи частоты широко используются в подъемных машинах для подъема, качки, вылета стрелы, тачки, вращения, грейфера.

Что важнее в преобразователе частоты? Сетевой реактор переменного тока или дроссель постоянного тока? Если линейный реактор переменного тока отсутствует, каковы его возможные последствия? Что делать, если дроссель постоянного тока отсутствует?
Сетевые дроссели переменного тока уменьшают гармоники тока в сети переменного тока, вызванные выпрямителем, в то время как дроссели постоянного тока работают с током шины постоянного тока.

Принцип работы. Преобразователь частоты высоковольтный

Преобразователи частоты — это устройства, которые могут изменять частоту электрического тока.Эти устройства чаще всего подключаются к асинхронным двигателям. Их основная задача — регулировать их мощность. В зависимости от конструктивных особенностей различают одноступенчатые и двухступенчатые преобразователи.

Также устройства разделены по способу управления. В частности, существуют скалярные и векторные модификации. Чтобы разобраться в устройствах более подробно, следует рассмотреть стандартную схему преобразователя.

Схема преобразователя

Обычный преобразователь частоты 220-380 В состоит из реле, а также модулятора для изменения тактовой частоты.Резисторы в приборах чаще всего используются селективного типа. Также важно отметить, что модели оснащены трансиверами. Есть контакты для подключения устройства. Регуляторы чаще всего устанавливаются на блок управления. В некоторых модификациях используется расширитель. Также следует отметить, что для безопасной эксплуатации устройства устанавливаются различные типы изоляторов.

Одноступенчатые модификации

Тетроды устанавливаются на каждый одноступенчатый преобразователь частоты.Принцип работы моделей основан на изменении фазовой частоты. В первую очередь на реле будет падать напряжение. Затем ток пропускается через трансивер. Для снижения чувствительности используются тиристоры. Сразу же в модуляторе происходит процесс преобразования.

Также важно отметить, что в некоторых моделях есть фильтры. Они помогают справиться с электромагнитными помехами. Одноступенчатые преобразователи используются, как правило, для компрессоров. В некоторых случаях их устанавливают на насосы.Номинальное напряжение устройства поддерживается на уровне 220 В. Рабочий ток в среднем 3А. Точность стабилизации скорости у моделей разная. Ошибка преобразователя частоты чаще всего возникает из-за перегрузки в сети.

Двухступенчатые модели

Триггеры устанавливаются только на двухступенчатый преобразователь частоты. Принцип работы моделей основан на изменении фазовой частоты в цепи. В отличие от предыдущего типа преобразование тока начинается в тиристорном блоке.Перед этим проводится процесс ректификации. На этом этапе предельная частота снижается до уровня 45 Гц.

Номинальное напряжение устройства поддерживается в320 В. В свою очередь показатель рабочего тока не превышает 5А. У некоторых модификаций резисторы селективного типа. Модуляторы в этом случае устанавливаются с регуляторами. Прямое подключение преобразователей осуществляется через контакты на задней панели. Используются двухступенчатые устройства для различных станков и приводов.

Низковольтные модификации

Низковольтные модели выполнены на базе диодных выпрямителей. Как правило, устройства делают компактными, а номинальное напряжение не превышает 120 В. Параметр рабочего тока варьируется в районе 2 А. Для мощных асинхронных двигателей эти устройства не подходят. Чаще всего они используются на компрессорах. Тетроды в этом случае выпускаются с изоляторами.

В некоторых моделях установлены фильтры. Регуляторы используются с усилителем или без него.Также важно отметить, что существуют модификации с резонансными резисторами. Номинальный параметр входного напряжения составляет в среднем 130 В. Однако перегрузки системы по току небольшие.

Высоковольтные модификации.

Высоковольтный преобразователь частоты. Применяется для асинхронных двигателей мощностью 10 кВт и более. Выпрямители во многих устройствах устанавливаются с тиристорным блоком. Резисторы чаще всего используются выборочно. Сегодня можно встретить высоковольтный преобразователь частоты с двумя реле.Перегрузки по току такие системы выдерживают большие. Также важно отметить, что устройства оснащены фильтрами для борьбы с помехами. Таким образом, точность стабилизации скорости высока.

Скалярные устройства

Скалярные преобразователи управляются только при помощи модуляторов. В этом случае вы можете установить пульт дистанционного управления для дистанционного изменения мощности двигателя. Чаще всего на рынке предлагаются одноэтапные скалярные модификации. Резисторы в них используются разных типов.Как правило, модели продаются с одним реле. Выпрямители в скалярных модификациях встречаются редко. Удлинители коротковолновых помех устанавливаются с изоляторами.

В некоторых модификациях используются trigger.blocks. Такие преобразователи хорошо подходят для компрессоров большой мощности. Если говорить о параметрах, то важно отметить, что показатель их номинального напряжения колеблется в районе 220 В при частоте 60 Гц. Система способна выдерживать перегрузки до 5 В. Модели отличаются точностью стабилизации.В среднем этот показатель не превышает 3%.

Модели векторного типа

Векторные преобразователи управляются регуляторами. В этом случае нет возможности подключить приставку. Устройства чаще всего бывают двухступенчатого типа. Эти преобразователи подходят для мощных асинхронных двигателей. Также важно отметить, что они используют элементы управления кнопочного и поворотного типа. Резисторы устанавливаются с изоляторами и способны выдерживать большие входные напряжения. Чаще всего продаются модификации с двумя реле.Также важно отметить, что некоторые преобразователи имеют тиристорный блок. Фильтры только проводные. Для борьбы с импульсным шумом подобраны изоляторы.

Устройства для асинхронных двигателей 5 кВт

Часто устанавливаются на станках преобразователи для асинхронных двигателей. Принцип работы устройств основан на изменении фазы частоты. Преобразователи для асинхронных двигателей на 5 кВт выпускаются только одноступенчатого типа. Модуляторы для моделей обычно дипольные. В некоторых вариантах устанавливаются тиристорные блоки.Также важно отметить, что на рынке представлено множество моделей с удлинителями. Все это позволяет очень быстро менять мощность двигателя.

Триггеры чаще всего используются двузначного типа В свою очередь тиристоры могут использоваться только широкие. У многих преобразователей номинальный ток не превышает 230 В. Перегрузки устройства в среднем держатся на уровне 20 В. Параметр номинального тока составляет 3 А. Однако в этом случае многое зависит от проводимости модулятора.

Модификации для двигателей 10 кВт

Часто устанавливаются компрессоры и конвейеры.преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Принцип работы устройств основан на изменении фазы частоты. Модели обычно выпускаются двухступенчатого типа. Некоторые из них имеют резисторы резонансного типа. Контакты используются для подключения преобразователя. Модуляторы используются только дипольного типа. Трансиверы в устройстве выделены повышенной чувствительностью.

Перегрузки они выдерживают максимум 20В. Показатель номинального напряжения колеблется в районе 230 В.Модификации с двумя реле встречаются редко. Во многих преобразователях используются трансиверы хроматического типа. Также важно отметить, что на рынке есть устройства с регуляторами. Для усиления стабилизации системы используются усилители. Триггерные блоки, как правило, в преобразователях этого типа отсутствуют. Параметр номинального тока в устройствах не превышает 3,5 А.

Устройства для погружных насосов

Преобразователь частоты для погружных насосов выполнен с дипольным модулятором.Чаще всего на рынке представлены одноступенчатые устройства. Принцип их работы основан на изменении фазы тактовой частоты. Параметр перегрузки для моделей не превышает 15 В. В свою очередь, показатель рабочего тока в среднем составляет 4 А. В некоторых модификациях используются селективные резисторы.

Тиристоры преобразователя частоты для насоса с изоляторами. Расширители используются для борьбы с импульсным шумом. Чаще всего преобразователи встречаются с одним реле. В некоторых случаях попадаются устройства, в которых есть хроматический трансивер.Эти модели могут похвастаться высокой стабильностью.

Модификация «KWT-1»

Преобразователи частоты «KWT-1» применяются для сверлильных станков. В этом случае модулятор имеет дипольный тип. Также важно отметить, что указанным одноступенчатым преобразователем можно управлять с пульта. У него есть селективный резистор с большим параметром проводимости по току. Блок приемопередатчика для этого преобразователя частоты 220 В (трехфазный выход) установлен рядом с модулятором.

Непосредственное понижение тактовой частоты выпрямителем.Удлинитель для этой модели отсутствует. Если говорить о параметрах, то важно отметить, что номинальное напряжение равно 220 В, а система перегрузки перегрузками до 12 В. Рабочий ток преобразователя не превышает 3 А. Точность стабилизации около 2%.

Конвейерное устройство своими руками

Для конвейера сделать преобразователь частоты своими руками довольно просто. В этом случае сначала следует выбрать реле для устройства. Он должен выдерживать номинальное входное напряжение 220 В.Резистор для преобразователя потребуется селективного типа. Всего трансиверов нужно подготовить три. Один из них должен быть на модуляторе, чтобы стабилизировать процесс управления. Остальные трансиверы устанавливаем возле контактов.

Модулятор для модели потребует дипольного типа. Однако перед этим важно установить выпрямитель. Чаще всего его выбирают с проводимостью 3 мкм. Расширители бывают как аналогового, так и переключаемого типа. Для борьбы с помехами вам понадобится фильтр.Удлинитель модели придется использовать с изоляторами. Рабочий ток в системе должен быть не более 3 А. В результате можно надеяться на точность стабилизации в районе 2%.

Модели смесителей своими руками

Для смесителя для сборки преобразователя частоты своими руками только на базе расширительного тиристора. В этом случае вам понадобится одно реле. Модулятор чаще всего выбирают дипольного типа. Он обязан выдерживать номинальное входное напряжение в районе 220 В.Трансивер используется только хроматического типа. Перед установкой важно припаять резистор возле контактов. Для регулирования мощности двигателей использовались балочные тетроды. По окончании работ остается только проверить рабочий ток в системе. В среднем точность стабилизации мощности должна составлять 3%.

Устройство «КВТ-2»

«КВТ-2» — мощный одноступенчатый преобразователь частоты. Принцип работы устройства основан на изменении фазы частоты.Для этого устанавливается дипольный модулятор, который подключается к резисторам большой токопроводимости. Приемопередатчик в данном случае хроматического типа. Всего в схеме два тиристора. Для повышения точности стабилизации в этом однофазном преобразователе частоты есть усилитель. Спусковой крючок в данном устройстве расположен с изоляторами. Модель реле установлена ​​на единицу.

Аппараты для поршневых компрессоров

Для поршневых компрессоров чаще всего выбирают двухступенчатый преобразователь частоты.Принцип работы устройства основан на изменении фазы частоты. Многие модели используют двузначные триггеры. Тиристоры в преобразователях имеют токопроводимость 2 мкм. Среднее номинальное напряжение составляет 230 В. Рабочий ток в системе поддерживается на уровне около 3 А.

В устройствах используются тетроды с изоляторами. Также важно отметить, что на рынке представлены двухступенчатые модификации. Их номинальное напряжение достигает 320 В. Система выдерживает перегрузки до 30 В.Точность стабилизации мощности у моделей невысока. Часто используются удлинители переключаемого типа. Прямое подключение моделей через контакты на задней панели устройства.

Анализ принципа работы преобразователя частоты Энциклопедия_Shenzhen Olen Electric Co., Ltd.

Обзор принципа работы:

Основная цепь — это блок преобразования энергии, который обеспечивает подачу питания для регулирования напряжения и частоты на асинхронный двигатель. Основную схему инвертора можно условно разделить на две категории: тип напряжения — это инвертор, который преобразует постоянный ток источника напряжения в переменный, и фильтр контура постоянного тока — это конденсатор.Тип тока — это преобразователь частоты, который преобразует постоянный ток источника тока в переменный, а контурный фильтр постоянного тока — это индуктивность.

Он состоит из трех частей: «выпрямителя», который преобразует мощность промышленной частоты в мощность постоянного тока, и «выпрямителя контура с плоской волной», который поглощает пульсации напряжения, генерируемые преобразователем, а в инверторе используется большое количество диодных преобразователей. Источник питания промышленной частоты преобразуется в источник постоянного тока. Два набора транзисторных преобразователей также могут быть использованы для формирования инвертора, который можно регенерировать за счет обратимого направления мощности.

Схема сглаживания содержит пульсирующее напряжение, в 6 раз превышающее частоту источника питания в постоянном напряжении, выпрямленном выпрямителем. Кроме того, пульсирующий ток, генерируемый инвертором, также вызывает колебания постоянного напряжения. Для подавления колебаний напряжения используются катушки индуктивности и конденсаторы для поглощения пульсирующего напряжения (тока). Когда емкость устройства мала, если источник питания и основная цепь составляют устройство с запасом, индуктор можно не использовать, и можно использовать простую схему с плавными волнами.

Инвертор — это противоположность выпрямителя. Инвертор преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока необходимой частоты, а также включает и выключает 6 переключающих устройств в определенное время, чтобы получить выход трехфазного переменного тока. На примере инвертора с ШИМ напряжением показаны время переключения и форма волны напряжения.

Цепь управления — это цепь, которая передает управляющие сигналы в главную цепь, которая подает питание на асинхронный двигатель (регулируемое напряжение и частота). Он имеет «рабочую схему» частоты и напряжения, «схему определения напряжения и тока» главной цепи и «определение скорости» двигателя.«Схема» состоит из «схемы управления», которая усиливает управляющий сигнал арифметической схемы, и «схемы защиты» инвертора и двигателя.

(1) Схема расчета: сравните внешнюю скорость, крутящий момент и другие команды с сигналами тока и напряжения схемы обнаружения, чтобы определить выходное напряжение и частоту инвертора.

(2) Цепь определения напряжения и тока: она изолирована от потенциала главной цепи для определения напряжения и тока.

(3) Цепь возбуждения: цепь, которая приводит в действие устройство главной цепи. Он изолирован от цепи управления, поэтому устройство главной цепи включается и выключается.

(4) Схема определения скорости: сигнал датчика скорости (tg, plg и т. Д.), Установленного на валу асинхронного двигателя, используется в качестве сигнала скорости, который отправляется в схему расчета, и двигатель может быть эксплуатировался на командном обороте в соответствии с командой и расчетом.

(5) Схема защиты: обнаружение напряжения, тока и т. Д.главной цепи. При возникновении перегрузки или перенапряжения, чтобы предотвратить повреждение инвертора и асинхронного двигателя.

(PDF) Непосредственный преобразователь частоты с мягким переключением

ПРЯМОЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ с плавным переключением

Marco

V.

M.

Villaqa * и Amaldo

J.

Perin

Federal University of Santa Catarina

Кафедра электротехники

Институт силовой электроники — П.

0.

Box 5 1 19

88.040-970

..

Florian6polis

SC

Бразилия

Тел .: (55) 482-3 19204

Факс. вернул интерес

к

прямым преобразователям частоты

.

A

трехфазный с мягким переключением

однофазный

представляет собой преобразователь частоты с прямым преобразованием частоты с использованием двунаправленной ячейки

ZVS

, предложенной

в

[1].

Следовательно, предлагаемый преобразователь

не требует мертвого времени между сигналами затвора,

обеспечивает естественную защиту от сверхтока,

использует

a

простую схему управления сигналом затвора

и коммутацию

потери

уменьшаются с

нет

увеличиваются

из

потери проводимости

.

Все типы

из

Модуляция переменного тока

может

быть

использоваться

и двунаправленные переключатели могут

работать

в

высокой частоте

коммутации.

Прототип

A

, работающий на высокой частоте коммутации

с использованием

IGBT

собран, и полученные результаты обсуждаются.Также представлены анализ и дизайн

.

1.

ВВЕДЕНИЕ

Ожидается, что эволюция семейства биполярных транзисторов

с изолированным затвором (IGBT) и тиристоров с МОП-управлением (MCT)

приведет к революции в преобразователях мощности в

в настоящее время. десятилетие. Применение этих устройств в коммутируемых преобразователях частоты

с принудительной коммутацией возобновит интерес

к этому элегантному и эффективному преобразованию переменного тока в переменный.

A

Наибольший практический интерес представляет преобразователь трехфазного сигнала

, который в основном состоит из девяти двунаправленных переключателей

, расположенных в матрице, так что любая фаза

входа может быть подключена к любой фаза выхода

в любой момент.

Основным препятствием

практического развития этих преобразователей

является коммутация

с индуктивной нагрузкой.В переключателях возникают «всплески» тока

,

, если существует «перекрытие» между сигналами затвора переключателей

,

.

Итак,

, чтобы коммутировать ток нагрузки от одного двунаправленного переключателя

к другому, обычно необходимо использовать мертвое время

между сигналами затвора. Чтобы защитить компоненты преобразователя

от скачков напряжения, во время операции выключения

индуктивной цепи обычно

используют схему ограничения.

Как

в результате,

большая

часть

энергия источника отклоняется от нагрузки и обычно

рассеивается, снижая эффективность преобразователя. На рис. 1

показан преобразователь частоты

с трехфазного на однофазный прямой с фиксирующей схемой

.

*

Marco

V.

M. VillaCa — преподаватель Федеральной технической школы

of

S.

Катарина.

В настоящее время работает

над

кандидат наук. Диссертация в Федеральном университете

из

С.

Катарина.

Безопасный метод коммутации [2] может использоваться для устранения

пиков тока и напряжения, однако управление по-прежнему является сложным

, и потери переключения

невозможно избежать, ограничивая

увеличение

из

частота переключения.

Две новые топологии

из

Прямой преобразователь частоты, использующий принцип коммутации

soft

, был недавно предложен в литературе

. Первый [5] использует концепцию Resonant Pole Inverter

(RPI)

.

RPI

Принцип был предложен в качестве альтернативного метода

в

Resonant DC

Link

преобразователей

[6],

для снижения перенапряжения в полупроводниках.Однако для этих преобразователей

требуется 2-2,5 о.е. устройство отключения тока

, что делает невозможным использование этого принципа

в приложениях с высокой мощностью

. Тем не менее, основной ток циркулирует в резонансной катушке индуктивности

. Во второй работе [7] предлагается двунаправленный переключатель

,

, в котором четыре переключателя питания

,

одновременно проводят основной ток. Это означает

, что реализация

мягкой коммутации

дает больше

потерь, чем традиционный переключатель с жесткой коммутацией из-за

увеличения потерь проводимости.

В этой статье представлен новый преобразователь частоты с плавным переключением

3

с прямым переключением частоты

с использованием новой двунаправленной ячейки

ZVS

, предложенной в

[

11,

, которая обеспечивает естественную защиту от

перегрузки по току и не требует интервала мертвого времени между сигналами затвора

благодаря использованию метода двойного тиристора

[3].Кроме того, использование

мягкой

коммутации

ZVS

принципов [4] позволяет увеличить максимальную коммутационную частоту

этого типа

преобразователя

без увеличения напряжения тока

.

2.

ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕПЬ И ПРИНЦИП

ИЗ

РАБОТА

Рассмотрим преобразователь частоты, показанный на рис. 2.a

, где представлены входной высокочастотный фильтр и последовательная нагрузка LR

и переключатели

SI

и

S2

являются двунаправленными

.Двунаправленный переключатель с предлагаемой коммутационной ячейкой

показан на рис. 2.b.

Цепь можно разделить на две части. Первый — это

, главный двунаправленный переключатель

, состоящий из

по

Qpl,

Qp2,

D1

и D2.

0-7803-3008-0195

$ 4.00

0

1995

IEEE

2321

Природа силовой электроники и интеграция преобразования энергии с коммуникацией для разговорной мощности

Аннотация

Силовая электроника и коммуникационная электроника оба основаны на теории электромагнетизма, но обычно рассматриваются как две отдельные области электротехники.На самом деле, однако, электроэнергия является наиболее распространенным носителем сообщений на материальной основе; таким образом, силовая электроника и средства связи могут рассматриваться совместно. Здесь мы изучаем сущность преобразователей постоянного тока в постоянный и характеризуем сходство их принципа действия с принципами работы систем связи. Основываясь на этом сходстве и методах двойной модуляции, используемых в силовой электронике и коммуникациях, стратегия двойной модуляции как для мощности, так и для данных представлена ​​и применяется в преобразователях мощности постоянного / постоянного тока для достижения того, что мы называем «говорящей мощностью».Стратегия модуляции, называемая дифференциальной фазовой манипуляцией со скачкообразной перестройкой частоты (FH-DPSK), также предназначена для преодоления перекрестных помех между выбранными системами передачи. Предлагаемая стратегия разговорчивой власти проливает новый свет и дает вдохновение для дальнейшего развития силовой электроники и коммуникаций.

Тематические термины: Электротехника и электроника, Электронные и спинтронные устройства

Введение

Силовая электроника и коммуникационная электроника основаны на теории электромагнетизма, но обычно к ним относятся отдельно как к двум отдельным областям электротехники.Коммуникации обычно рассматриваются просто в смысле абстрагирования сообщений от коммуникационной среды, в то время как материальный носитель этих сообщений, которым обычно является электричество 1 , не принимается во внимание. В теории коммуникации само электричество больше не представляет интереса; скорее, он полезен только как средство передачи информации 2 . Как сказал Норберт Винер: «Информация — это информация, а не материя или энергия» 1 , 3 .Это мнение имеет смысл с некоторых точек зрения, но полностью игнорирует связи между коммуникациями и электроэнергией. С другой стороны, связь необходима в практической электрической системе для достижения распределенного управления мощностью для модуляции, интеллектуализации и функциональности plug-and-play; однако механизм связи обычно проектируется отдельно, с независимой структурой 4 6 . Тем не менее, для повышения компактности и снижения затрат была предложена и широко принята технология связи по линиям электропередач 7 , 8 .Комбинация передачи мощности и связи также была исследована в области беспроводной связи, где она известна как одновременная передача беспроводной информации и мощности 1 . В этих методах электрические сигналы рассматриваются как с точки зрения мощности, так и с точки зрения связи. Однако большинство усилий было сосредоточено на методах передачи энергии и данных и архитектуре приемника с отдельными подходами к генерации и соединению 9 11 .

В системах связи есть три основных элемента: передатчики, каналы и приемники. Передатчик и приемник расположены в двух разных точках пространства, а физическая среда, которая их соединяет, называется каналом. Передатчик в основном состоит из модулятора данных, а приемник в основном состоит из демодулятора данных. Следовательно, процесс связи можно по существу разделить на модуляцию данных, передачу и демодуляцию. Сигнал основной полосы частот преобразован в высокочастотную несущую, чтобы сделать его пригодным для передачи.Затем модулированный сигнал передается по каналу на приемник. Наконец, приемник воссоздает исходный сигнал с помощью процесса, известного как демодуляция.

В этой статье мы пересматриваем силовые электронные преобразователи с междисциплинарной точки зрения и предлагаем метод интеграции связи в преобразователи постоянного тока (dc) –dc для достижения того, что мы называем «говорящей мощностью». Предлагаемый метод интеграции позволяет мощности «разговаривать» или взаимодействовать во время преобразования.Преобразователь «разговорчивой мощности» находит множество применений в таких контекстах, как распределенные силовые электронные системы, модульные устройства постоянного тока, светильники и Интернет вещей, которые имеют двойное назначение для обеспечения как энергии, так и связи в настоящее время отдельными способами. Кроме того, предлагается новый метод модуляции, называемый скачкообразной перестройкой частоты-дифференциальной фазовой манипуляцией (FH-DPSK), наряду со стратегией разговорчивой мощности для достижения эффективной связи, избегая при этом помех между преобразованием мощности и передачей данных, что будет полезно для поддержки новых, передовые технологии в обычных светоизлучающих диодах (LED) / осветительной технике.На основе этой новаторской и общей концепции представлен фундаментальный и тщательный анализ, раскрывающий естественную связь между двумя областями силовой электроники и связи и обеспечивающий вдохновение для их дальнейшего совместного развития.

Результат

Существенная природа преобразователей мощности для связи

В силовом электронном преобразователе опорный сигнал модулируется до частоты переключения, чтобы служить в качестве стробирующего сигнала для одного или нескольких переключателей с помощью модулятора, а затем усиливается входом источник питания и переключатель (-ы) (в некоторых случаях задействованы также пассивные элементы).Затем модулированный и усиленный сигнал демодулируется для получения сигнала с требуемым уровнем выходной мощности и той же формы, что и опорный (обычно либо в форме постоянного тока, либо в форме переменного тока промышленной частоты (переменного тока)). Соответственно, процесс преобразования мощности можно разделить на отдельные этапы модуляции, усиления мощности и демодуляции, которые в некотором смысле аналогичны этапам процесса связи. В этом случае передача игнорируется, поскольку модулятор и демодулятор расположены в одной и той же точке пространства.

Существует четыре типа силовых электронных преобразователей, а именно, преобразователи постоянного тока в постоянный, инверторы постоянного в переменный, выпрямители переменного тока и преобразователи переменного тока в переменный ток, среди которых преобразователи постоянного в постоянный являются самыми базовыми. Различные топологии постоянного / постоянного тока были разработаны для удовлетворения различных требований приложений, таких как понижающие преобразователи для понижения напряжения, повышающие преобразователи для повышения напряжения и понижающие-повышающие преобразователи для обратного повышения и понижения напряжения. Наиболее распространенные преобразователи постоянного тока в постоянный ток можно разделить на две категории в зависимости от их принципов работы: периодическая прямоугольная волна генерируется перед демодулятором мощности, который является либо (i) LC-фильтром нижних частот (LPF), как в случаях преобразователей понижающего, uk и Zeta, или (ii) детектор огибающей (последовательно включенный диод, за которым следует конденсатор, включенный шунтом), как в случае повышающих, пониженно-повышающих и несимметричных преобразователей первичной индуктивности.На стороне нагрузки достигается выходное напряжение постоянного тока, амплитуда которого определяется входным напряжением и скважностью стробирующего сигнала 12 . Из-за ограниченной емкости катушек индуктивности и конденсаторов на практике пульсации переключения не могут быть полностью отфильтрованы. Однако в хорошо спроектированном преобразователе постоянного тока амплитуда остаточных пульсаций переключения должна быть <1% выходной составляющей постоянного тока 12 .

В силовой электронике используется модуляция для достижения управляемого преобразования мощности.Учитывая принцип работы преобразователей постоянного тока, в которых модулированный сигнал используется в качестве стробирующего сигнала для переключателя (ов), а уровень и форма выходного напряжения должны контролироваться, процесс модуляции подчиняется двум ограничениям: (1) переключатели должны работать либо во включенном, либо в выключенном состоянии, чтобы уменьшить потери мощности, что означает, что применима только импульсная модуляция, и (2) уровень выходной мощности определяется длительностью времени включения и выключения состояний переключателя. (es), что означает, что верхний и нижний пределы длительности импульсов должны регулироваться.Исходя из этих соображений, наилучшим выбором является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В 1964 году Schonung et al. представила ШИМ в силовой электронике для управления инвертором постоянного и переменного тока 13 , и с тех пор ШИМ стала наиболее важным и распространенным методом модуляции в преобразователях мощности. В этом методе опорный сигнал сравнивается с треугольной или пилообразной волновой последовательностью для генерации последовательности ШИМ в качестве стробирующего сигнала для переключателя (ов). Входное напряжение и рабочий цикл последовательности ШИМ определяют уровень выходного напряжения, в то время как огибающая последовательности ШИМ определяет форму выходного напряжения.

Для дальнейшего исследования ШИМ в преобразователе постоянного тока соответствующий анализ начинается с процесса выборки. Процесс дискретизации (рис.) Представляет собой процесс амплитудно-импульсной модуляции 14 , в котором периодическая последовательность импульсов используется для умножения исходного сигнала во временной области 15 . На практике практически невозможно создать идеальную импульсную последовательность; поэтому эта последовательность обычно заменяется периодической импульсной последовательностью, генерируемой схемой хранения выборки 15 .Таким образом, практический процесс выборки (рис.) Представляет собой процесс амплитудно-импульсной модуляции (PAM). ШИМ (рис.) — еще один метод импульсной модуляции, выраженный как:

sPWMt = KPWM ∑k = −∞∞ut − kTs − ut − kTs − xkTs

1

Формы сигналов и спектр, соответствующие дискретизации и модуляции.

На этом рисунке показана взаимосвязь между выборкой, PAM и PWM. Показаны как формы сигналов во временной области, так и спектр в частотной области. a Непрерывный исходный сигнал для дискретизации или модуляции. b Импульсная последовательность, которая представляет собой последовательность функций Дирака и может использоваться как функция выборки. c Идеальный результат выборки, который является результатом умножения a и b во временной области и свертки в частотной области. d Импульс во временной области и соответствующий ему спектр. e Результат выборки, полученный на практике, когда периодическая последовательность импульсов (функции Дирака) заменяется последовательностью импульсов равной ширины.Этот процесс также известен как РАМ. Этот результат получается путем свертки c и d во временной области и умножения в частотной области. f Результат ШИМ — полученный из e во временной области на основе принципа эквивалентности площадей.

В этом уравнении K PWM — это амплитуда последовательности PWM, u ( t ) — сигнал единичного шага, T s — период последовательности PWM и x k (0 ≤ x k ≤ 1) — рабочий цикл в k -м периоде.Следуя подходу, описанному в исх. 16 , спектр сигнала ШИМ по заднему фронту с равномерной дискретизацией может быть получен как:

SPWMf = 1j2πf ∑k = −∞∞e − j2πfkTs − e − j2πfkTs + xkTs = −1j2πf ∑k = — ∞∞e − j2πfkTs ∑n = 1∞ − j2πfnn! XkTsn = −1j2πf ∑n = 1∞ − j2πfTsnn! ∑k = −∞∞e − j2πfkTsxkn = −1j2πf ∑n = 1∞ − j2πfTsnn! k = −∞∞∑n = 1∞ − j2πfTsn − 1n! Snf − kfc

2

где Fne − j2πfTs — дискретное преобразование Фурье (ДПФ) ( x k ) n и S n ( f ) — преобразование Фурье ( x ( t )) n .Как видно из сравнения рис., ШИМ имеет эффект, аналогичный эффекту PAM, особенно вблизи основной частоты спектра. Следовательно, ШИМ приблизительно эквивалентен процессу выборки около основной частоты.

Во время процесса дискретизации восстановление исходного сигнала обычно достигается с помощью LPF. Обнаружение огибающей — это основной и простой метод демодуляции, который можно использовать при демодуляции мощности. Следовательно, в преобразователе постоянного тока в постоянный ток демодуляцию мощности можно рассматривать как процесс воссоздания сигнала после дискретизации, и в этом случае используется LPF, или как процесс демодуляции сигнала, и в этом случае используется детектор огибающей в соответствии с предыдущий структурный анализ преобразователей постоянного тока.

Понижающий / повышающий преобразователь взят в качестве примера для дальнейшего анализа. Такой преобразователь допускает двунаправленные потоки мощности и, следовательно, всегда работает в непрерывном проводящем режиме. Для преобразователя постоянного тока в постоянный ток, работающего в непрерывном проводящем режиме dis , в котором амплитуда пульсаций переключения связана с выходной мощностью, предложенный метод также применим, но приемник должен быть адаптирован к широкому диапазону уровней сигнала. . Структура понижающего / повышающего преобразователя состоит из опорного сигнала постоянного тока, ШИМ-модулятора, усилителя мощности, демодулятора мощности и нагрузки, как показано на рис.. Сигнал PWM генерируется путем сравнения опорного сигнала постоянного тока с треугольной или пилообразной волновой последовательностью и используется в качестве стробирующего сигнала для переключателей. В точке «е» на рис. Достигается усиленная последовательность ШИМ с уровнями напряжения 0 и v в . После LC LPF получается выходной сигнал мощности постоянного тока с наложением остаточной пульсации переключения.

Конструкция понижающего / повышающего преобразователя.

S 1 и S 2 — два идентичных полевых транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) в качестве идеальных переключателей, C в обозначает входной конденсатор, а C на выходе обозначают выходной конденсатор. L обозначает индуктор. v in и v out — входное и выходное напряжения соответственно. Понижающий / повышающий преобразователь можно разделить на пять компонентов, отмеченных красным: опорный сигнал постоянного тока, модулятор ШИМ, усилитель мощности, демодулятор мощности и нагрузка. Усилитель мощности включает в себя источник входного постоянного тока и два переключателя, работающих в дополнительном режиме. Демодулятор мощности включает в себя LC LPF. Форма волны в точке «е» представляет собой усиленную последовательность ШИМ.

Интеграция силовой электроники и средств связи

Согласно анализу, представленному выше, как процессы связи, так и преобразования энергии используют модуляцию и имеют схожие структуры и принципы работы. В повышающем / понижающем преобразователе опорный сигнал постоянного тока модулируется, а результирующий сигнал ШИМ усиливается; этот процесс соответствует процессу передачи в системе связи. Затем усиленный сигнал ШИМ демодулируется для питания нагрузки; этот процесс напоминает процесс демодуляции в системе связи.Это сходство между принципами работы связи и преобразования мощности дает возможность интегрировать средства связи в понижающий / повышающий преобразователь. В теории модуляции процедура, при которой сигнал модулируется дважды, является стандартной практикой, известной как двойная модуляция. Как в коммуникационной, так и в силовой электронике, двойная модуляция широко применяется для повышения производительности системы 17 20 . Основываясь на соотношении между преобразованием мощности и связью и стратегиями двойной модуляции, применяемыми в обеих областях, здесь предлагается метод двойной модуляции для мощности и данных.Когда эта стратегия применяется в преобразователе постоянного тока, достигается «говорящая» мощность. В повышающем / понижающем преобразователе модуляция данных накладывается на мощную ШИМ. Эти две модуляции должны быть независимыми и не связанными, чтобы процессы преобразования энергии и связи не влияли друг на друга. В частности, при наложении модуляции данных амплитуда и рабочий цикл стробирующего сигнала должны оставаться неизменными. Следовательно, применимы только угловые модуляции, такие как частотная модуляция и фазовая модуляция.Здесь мы применяем ортогональную непрерывную двоичную частотную манипуляцию (2FSK) 21 в качестве метода модуляции данных в проводной силовой электронной системе. В системах беспроводной передачи энергии (WPT) эффективность передачи мощности сильно зависит от резонансной рабочей частоты 22 , 23 , в то время как спектр информационного сигнала больше не является одномодальным. Следовательно, хотя эту стратегию двойной модуляции также можно адаптировать к системам БПЭ, для этого потребуется дальнейший анализ и улучшения.

Понижающий / повышающий преобразователь включает в себя демодулятор мощности в виде LC LPF. Затем составляющие постоянного тока и остаточной частоты переключения передаются в нагрузку для передачи мощности и в приемник (-ы) для демодуляции данных. Таким образом комбинируются мощность и модуляция данных, где сигнал мощности также является носителем данных; в результате сигналы питания и данных могут передаваться по общей линии электропередачи. Нагрузка и приемники могут быть объединены или разделены, но они должны быть подключены к выходной линии питания понижающего / повышающего напряжения.Каждый приемник состоит из схемы преобразования сигнала для извлечения составляющей частоты переключения для демодуляции данных. В этих условиях данные встраиваются в силовой сигнал и передаются вместе с ним; таким образом, сигнал выходной мощности может «разговаривать» с любым устройством, подключенным к выходной линии питания, тем самым достигая «говорящей» мощности.

Методы двойной модуляции для мощности и данных также могут быть разработаны для других топологий dc – dc, применяя аналогичный принцип работы. Опорное напряжение постоянного тока модулируется до частоты переключения через ШИМ, и на него накладывается частотная или фазовая модуляция данных.Затем модулированный сигнал усиливается входным источником постоянного тока и переключателем (переключателями) (также могут быть задействованы некоторые пассивные элементы). Затем постоянное напряжение воссоздается / демодулируется либо LC LPF, либо детектором огибающей, а затем передается на нагрузку и приемники. Таким образом, для любого преобразователя постоянного тока в постоянный, в котором реализован предлагаемый метод двойной модуляции мощности и данных, его выход может использоваться не только для питания нагрузки, но и для связи с другими устройствами.

Преобразование Фурье одного периода последовательности ШИМ:

, где E — амплитуда волны ШИМ, d — рабочий цикл, ω 0 — угловая частота (в радианах ) последовательности ШИМ, а n — порядок гармоники.Основная амплитуда уменьшается с увеличением d − 0,5; то есть экстремальный (широкий / узкий) рабочий цикл приводит к более низкой основной амплитуде. Кроме того, экстремальный рабочий цикл приводит к низкой эффективности преобразования энергии 24 . К счастью, в хорошо спроектированном преобразователе постоянного тока можно избежать рабочего состояния с экстремальным рабочим циклом.

На практике понижающий / повышающий преобразователь обычно представляет собой систему регулирования выходного напряжения с обратной связью, состоящую из пропорционально-интегрального (ПИ) компенсатора G c ( s ), модулятора PWM G m ( s ), понижающий / повышающий преобразователь G vd ( s ) и контур обратной связи выборки напряжения H ( s ), все соединены последовательно.Если взять в качестве примера управление выходным напряжением, передаточная функция разомкнутого контура будет:

G0s = Gcs⋅Gms⋅Gvds⋅Hs = Kp + Kis⋅1VM⋅Vin1 + sLR + s2LC⋅RbRa + Rb

4

, где K p и K i — параметры PI; V M — амплитуда треугольной волны, используемой при генерации ШИМ; В в — входное постоянное напряжение; L и C — значения индуктивности и конденсатора LC LPF, как показано на рис.; R — сопротивление нагрузки, а R a и R b — сопротивления выборки выходного сигнала делителя напряжения Vsample = RbRa + RbVout. Частота среза контура управления составляет f c . Спектр выходного напряжения показан на рис. Пунктирными линиями показаны частоты боковых полос, вызванные регулированием выходного напряжения с обратной связью, которые равны nf s ± f c , где n — целое число.В модуляции PWM / 2FSK две частоты, f 0 и f 1 , принимаются в качестве частот переключения для достижения модуляции 2FSK. Каждая частота занимает полосу 2 f c с центром в f 0 или f 1 соответственно. Перекрытие частоты переключения и частотной составляющей, вносимой контуром управления, не допускается, поскольку это может привести к неправильному распознаванию частоты переключения во время демодуляции данных.Следовательно, интервал между двумя частотами переключения должен удовлетворять ограничению f1-f0> 2fc. Для других случаев управления с обратной связью, таких как управление выходным током, это ограничение остается прежним. К счастью, для наиболее распространенных преобразователей постоянного тока частоты переключения f 1 и f 0 намного выше, чем частота среза контура управления. Следовательно, контур управления мощностью мало влияет на выбор частот переключения в случае двойной модуляции мощности и данных.Кроме того, изменение частот переключения для связи мало влияет на управление мощностью. Известно, что характеристики регулирования напряжения силового преобразователя в основном определяются шириной полосы контура управления, а не частотой переключения (при условии, что частота переключения как минимум в пять раз превышает ширину полосы). Преобразователь (понижающий, повышающий и т. Д.) С предлагаемой функцией связи идентичен преобразователю без этой функции с точки зрения характеристик регулирования напряжения, если их полосы пропускания контуров управления одинаковы и хорошо спроектированы.Для целей связи, чтобы минимизировать межсимвольные помехи, частоты переключения f 1 и f 0 должны быть ортогональными на протяжении всего символа, то есть f i = ( n c + i ) kv b , где i = 0 или 1, k и n c — постоянные целые числа, а v b — скорость передачи темп.Кроме того, частоты переключения следует выбирать так, чтобы они удовлетворяли требованиям с точки зрения мощности, таким как потери при переключении и качество выходной мощности.

Спектр выходного напряжения понижающего / повышающего преобразователя с регулировкой выходного напряжения с ПИ-компенсацией.

Красные составляющие — это составляющая постоянного тока, составляющая частоты коммутации и высшие гармоники. f s обозначает частоту переключения, а f c обозначает частоту среза контура управления.Пунктирные синие линии — это компоненты боковой полосы, наведенные контуром регулирования напряжения с ПИ-компенсацией. Они распределяются по обе стороны от красных составляющих с частотными интервалами, равными частоте среза контура управления.

Обратите внимание, что в момент сдвига частоты переключения выходной ток может иметь небольшое искажение, что нежелательно для преобразования мощности 25 , 26 . Чтобы избежать этого искажения, сдвиг частоты переключения следует выбирать так, чтобы он происходил в момент пересечения среднего тока катушки индуктивности.Последовательность ШИМ генерируется путем сравнения опорного сигнала постоянного тока с треугольной или пилообразной волновой последовательностью. Для случая треугольной волновой последовательности момент сдвига частоты следует выбирать так, чтобы он лежал на пике треугольной волны, как показано на рис. Однако для пилообразной волновой последовательности момент сдвига частоты следует выбирать так, чтобы он лежал на восходящей рампе, а точное время следует рассчитывать в соответствии с рабочим циклом, как показано на рис. Следовательно, для PWM / 2FSK треугольная волновая последовательность является предпочтительным выбором для простоты реализации.

Сравнение двух разных носителей треугольной волны и пилообразной волны.

a Треугольная волновая последовательность принята для генерации последовательности ШИМ. Верхние формы сигналов, v C и V ref , представляют собой треугольную волну и опорный сигнал постоянного тока соответственно. Средняя форма волны, v g , представляет собой сгенерированную последовательность ШИМ, то есть сигнал затвора. Нижние кривые, i L и i o , представляют собой индуктивный и выходной токи соответственно.В момент сдвига частоты на пике треугольной волны выходной ток остается стабильным (Δ i o = 0). b Пилообразная волновая последовательность используется для генерации последовательности ШИМ. Верхние формы сигналов, v C и V ref , представляют собой пилообразную волну и опорный сигнал постоянного тока соответственно. Средняя форма волны, v g , представляет собой сгенерированную последовательность ШИМ, то есть сигнал затвора. Нижние кривые, i L и i o , представляют собой индуктивный и выходной токи соответственно.В момент сдвига частоты выходной ток остается стабильным (Δ i o = 0). Сдвиг частоты происходит на восходящем пиле пилообразной волны, где высокий уровень v g длится 1/2 T on1 . c Треугольная волновая последовательность используется для генерации последовательности ШИМ. Верхние формы сигналов, v C и V ref , представляют собой треугольную волну и опорный сигнал постоянного тока соответственно.Средняя форма волны, v g , представляет собой сгенерированную последовательность ШИМ, то есть сигнал затвора. Нижняя осциллограмма, v g_1 , является основной составляющей стробирующего сигнала. Когда рабочий цикл стробирующего сигнала изменяется, фаза v g_1 остается постоянной. d Пилообразная волновая последовательность принята для генерации последовательности ШИМ. Верхние формы сигналов, v C и V ref , представляют собой пилообразную волну и опорный сигнал постоянного тока соответственно.Средняя форма волны, v g , представляет собой сгенерированную последовательность ШИМ, то есть сигнал затвора. Нижняя осциллограмма, v g_1 , является основной составляющей стробирующего сигнала. Φ 0 и Φ 1 относятся к фазе до и после изменения рабочего цикла. Фаза v g_1 меняется с изменением рабочего цикла.

С принятием модуляции PWM / 2FSK две частоты переключения f 0 и f 1 используются для представления значений данных 1 и 0.Характеристики преобразователя не будут ухудшаться, если используется консервативный дизайн, что означает, что конструкция фильтра основана на более низкой частоте, f 0 , в то время как тепловая конструкция основана на более высокой частоте, f 1 . Также может быть принята двойная модуляция, состоящая из комбинации ШИМ и 2PSK. В этом случае две фазы 0 и π представляют значения цифровых данных 0 и 1 соответственно. Как показано на рис., Для обеспечения разделенного управления питанием и связью в модуляцию PWM / 2PSK следует использовать только треугольную волну 27 .Модуляция PWM / 2PSK может быть реализована для автономного преобразователя. Однако в распределенной энергосистеме с параллельными преобразователями компоненты других преобразователей на той же частоте будут источником серьезных помех при обмене данными, что приведет к ухудшению отношения сигнал / шум (SNR). Для решения этой проблемы здесь предлагается новая схема модуляции FH-DPSK. В этой схеме преобразователь работает на частоте f 0 в нормальном состоянии, но на частоте f 1 в состоянии передачи, а значения данных представлены фазой f 1 .Частоты преобразования мощности и передачи данных назначаются разным полосам пропускания, чтобы избежать помех. Для дальнейшего увеличения скорости передачи данных может использоваться M-арная модуляция, в которой фазовый сдвиг может приводить к изменению частоты переключения. Как и в случае модуляции PWM / 2FSK, снова принимается консервативный дизайн, чтобы гарантировать производительность преобразователя. Детальный анализ модуляции PWM / FH-DPSK аналогичен анализу модуляции PWM / 2FSK и поэтому не представлен в этой статье.

Пульсации переключения других преобразователей постоянного тока действуют как шум в канале связи. Точно так же белый шум, присутствующий в канале связи, также состоит из суперпозиции белого шума от каждого преобразователя постоянного тока. Из-за ортогональной природы частот переключения другие пульсации переключения будут иметь небольшое влияние на характеристики демодуляции, но белый шум приведет к более низкому соотношению сигнал / шум. Следовательно, максимальное количество преобразователей постоянного тока в постоянный, которые можно подключить к общей линии электропередачи, определяется требуемым качеством связи.

При проектировании силовых электронных преобразователей следует также учитывать проблемы гармоник. Модуляция данных может обогатить частотные составляющие коммутируемых гармоник, но общая мощность гармоник не увеличится. Если применяется модуляция данных с расширенным спектром, гармоники переключения будут расширяться и подавляться в частотной области. Таким образом, гармоники могут быть уменьшены, не влияя на характеристики преобразования мощности.

Экспериментальная проверка

Чтобы проверить предложенную стратегию разговорчивой мощности, сначала был проведен эксперимент с использованием двойной модуляции PWM / 2FSK на основе обычного понижающего / повышающего преобразователя.В структуре, изображенной на рис., Входное напряжение было установлено на 48 В, а выходное напряжение — 24 В; таким образом, рабочий цикл был d = 0,5. Два переключателя были полевыми МОП-транзисторами. Для ФНЧ L = 650 мкГн и C = 1 мФ, таким образом, частота среза составляла 127 Гц. Было принято управление выходным напряжением с замкнутой обратной связью с ПИ-компенсацией с дискретными ПИ-параметрами K p = 2, K i = 1 × 10 4 и T с = 20 мкс.Частота среза контура регулирования мощности составляла f c = 2,3 кГц. Были приняты две частоты переключения 100 и 83,3 кГц (с периодами 10 и 12 мкс соответственно) с соседними интервалами, превышающими f c . f 1 = 100 кГц представляет значение данных 1 и состояние ожидания, тогда как f0 = 83,3˙ кГц представляет значение данных 0. Скорость передачи была установлена ​​на 2,78 кБ (240 мкс для одного символа), и скорость передачи данных составляла 2,78 кбит / с. Две частоты были ортогональными в одном бите, а их фазы были непрерывными.

На рисунке показаны напряжения до и после LC LPF. Составляющая частоты переключения ослабляется, тогда как на выходной стороне амплитуда остаточной составляющей частоты переключения составляет приблизительно 100 мВ (0,42% от выходного постоянного напряжения), что удовлетворяет требованиям качества выходной мощности для преобразователя постоянного тока в большинстве случаев. приложения 12 , а также важны для связи. На рисунке показаны графики Боде LC LPF с нагрузкой R , из которых видно, что фазовый сдвиг составляет 180 ° на частотах переключения.Из-за эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора ослабление амплитуды уменьшается по сравнению с теоретическим анализом, а фазовый сдвиг отклоняется от 180 °. Следовательно, для частотной модуляции с непрерывной фазой выходные фазы составляющих частоты переключения также являются непрерывными, в то время как для дифференциальной фазовой модуляции абсолютная фаза не важна; таким образом, применимы оба типа модуляции. На рисунке показана последовательность цифровых данных, которые отправляются, и усиленные формы сигналов ШИМ после LC LPF.Две частоты 100 и 83,3 кГц представляют значения цифровых данных 1 и 0 соответственно. Со стороны нагрузки преобладает постоянный ток, в то время как большая часть коммутационных пульсаций отфильтровывается. В повышающем / понижающем преобразователе выполняется модуляция мощности и демодуляция, и для питания нагрузки доступно необходимое выходное напряжение постоянного тока. Данные модулируются и передаются на приемник по выходной линии питания. Ch5 на рис. Представляет собой форму сигнала после согласования в приемнике. Основные составляющие частот переключения сохраняются, а высшие гармоники ослабляются.После демодуляции DFT исходные данные могут быть восстановлены (Ch3 на рис.). На рисунке показаны кривые эффективности, измеренные как в нормальных условиях эксплуатации, так и в условиях интегрированной связи. Эффективность почти одинакова в обоих условиях, что дополнительно подтверждает, что с помощью предлагаемого нами метода интеграции не потребляется дополнительная мощность для связи.

Экспериментальные результаты двойной модуляции PWM / 2FSK для мощности и данных на основе обычного понижающего / повышающего преобразователя.

a Понижающий / повышающий преобразователь, работающий на частоте 100 кГц.Ch2 — это форма волны напряжения перед LC LPF. Это прямоугольная волна с основной частотой 100 кГц. Ch3 — это переменная составляющая выходного напряжения. Это примерно синусоидальный сигнал с основной частотой 100 кГц. После LC LPF составляющая частоты переключения ослабляется, и фазовый сдвиг составляет примерно 180 °. b Графики Боде для LC LPF с нагрузкой R на частотах переключения 100 и 83,3 кГц; амплитуда ослабляется, а фазовый сдвиг составляет примерно 180 °. c Четыре осциллограммы, представляющие отправленные данные, полученные данные, переменную составляющую выходного напряжения и составляющую частоты переключения выходного напряжения. Показан вид составляющей частоты переключения формы волны выходного напряжения, которая увеличена по оси времени, а его быстрое преобразование Фурье (БПФ) представляет собой односторонний спектр с пиками на 83,3 и 100 кГц. d Кривые КПД для различных условий нагрузки. Синяя кривая представляет нормальные рабочие условия, а красная кривая представляет случай со встроенной модуляцией данных.Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Мы также применили стратегию двойной модуляции в системе светодиодного освещения, используя преобразователь с GaN MOSFET в качестве драйвера светодиода. Предложенная схема модуляции двойной PWM / FH-4DPSK была принята в системе светодиодного освещения для интегрированной связи как через линии электропередач, так и через видимый свет. Эта стратегия, основанная на разговорчивом преобразователе мощности, теоретически отличается от традиционных методов связи в видимом свете, представленных в литературе для светильников 28 30 , отсутствием мерцания светодиода или каких-либо помех между преобразованием мощности и передачей данных.Результаты экспериментов показаны на рис. 2, где частота переключения составляет 1 МГц. Четыре уровня представляют четвертичные сигналы данных 0, 1, 2 и 3. Скорость передачи равна 100 кБ, а скорость передачи данных составляет 200 кбит / с для разговорчивого преобразователя мощности. Дальнейшие экспериментальные детали, включая описание прототипа системы и ее параметров, приведены в разделе «Методы».

Результаты экспериментов с понижающим / повышающим преобразователем GaN MOSFET в светодиодной системе освещения.

Этот эксперимент основан на модуляции PWM и FH-4DPSK для PLC и VLC. a Формы сигналов связи отправленных данных (Ch2), данных, полученных через видимый свет (Ch3), и данных, полученных через линию электропередачи (Ch4). b Формы сигналов отправленных данных (Ch2), кондиционированного сигнала в светоприемнике (Ch3), выходного напряжения (Ch4) и входного напряжения (Ch5). Увеличенные изображения форм сигналов — это кондиционированный сигнал и входные / выходные напряжения в обычных рабочих состояниях и состояниях связи.

В дополнение к светодиодным системам освещения, предложенная стратегия двойной модуляции также может применяться во многих других распределенных энергосистемах, таких как системы управления батареями и фотоэлектрические системы со структурой оптимизатора.

Методы

Базовый проверочный эксперимент

В первом эксперименте был использован метод PWM / 2FSK для достижения двойной модуляции мощности и данных на основе обычного понижающего / повышающего преобразователя. Приемник был подключен к выходной линии питания понижающего / повышающего преобразователя, как показано на рис. В этом эксперименте регулировалось выходное напряжение и использовался ПИ-компенсатор напряжения. Параметры обычного понижающего / повышающего преобразователя приведены в таблице. Теперь давайте проанализируем принципы выбора частоты коммутации.Две частоты переключения, используемые для модуляции данных, должны быть непрерывными по фазе и ортогональными; таким образом, эти две частоты и скорость передачи данных должны удовлетворять уравнению. ( 5 ), где v b — скорость передачи:

fi = nc + ikvb, i = 0or1, ncandkareconstantintegersandncandk≥1.

5

Структура прототипа, используемого в основном валидационном эксперименте.

а Общая конструкция прототипа. Он включает в себя понижающий / повышающий преобразователь в качестве передатчика данных и приемник, использующий общую линию питания с понижающим / повышающим преобразователем. v in обозначает входное напряжение понижающего преобразователя. Данные передаются от понижающего / повышающего преобразователя к приемнику по линии постоянного тока. b Подробная схема понижающего / повышающего преобразователя, в которой v в обозначает входное напряжение, C в обозначает входной конденсатор, а C out обозначает выходной конденсатор. L обозначает индуктор, а Z нагрузка обозначает нагрузку.Модулированный сигнал является стробирующим сигналом для полевого МОП-транзистора S 1 , а его дополнительный сигнал является стробирующим сигналом для полевого МОП-транзистора S 2 . c Строение ствольной коробки. Он состоит из нагрузки Z R , схемы преобразования сигнала и DSP с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для вывода цифровых данных. d Схема формирования сигнала в приемнике. Эта схема состоит из блокирующего конденсатора постоянного тока, дифференциального усилителя, активного фильтра верхних частот второго порядка, активного фильтра нижних частот второго порядка и цепи смещения постоянного напряжения. R 1 R 13 обозначают резисторы, а C 1 C 5 обозначают конденсаторы. v пульсация обозначает напряжение кондиционированного сигнала. Входной сигнал, который имеет различные частотные компоненты и большое смещение постоянного тока, обрабатывается, и на выходном порте достигается сигнал с одной частотой (синусоидальная волна) и правильным смещением постоянного тока.

Таблица 1

Экспериментальные параметры обычного понижающего / повышающего преобразователя.

80 MOSFETs MOSFETs 3
Параметр Значение / тип
В дюйм (входное напряжение постоянного тока) 48 В
В выходное 8 выходное напряжение В
C дюймов (входная емкость) 1 мФ
L (индуктивность) 650 мкГн
C 913 выходная емкость 9 907 мФ
Z нагрузка (сопротивление нагрузки) 50 Ом
Микроконтроллер Texas Instruments TMS320F28035
3 InfN 2
K i 1 × 10 4
90 746 T с (период выборки) 20 мкс
f 1 (частота переключения для нормальной работы и отправки данных ‘1’) 100 кГц
f (частота переключения при отправке данных «0») 83.3˙kHz
Скорость передачи 2,78 кБ
Скорость передачи 2,78 кбит / с

Чем больше значение k , тем ниже скорость передачи, но лучше подавляется шум. Частоты переключения в преобразователе постоянного тока ограничиваются аппаратными параметрами, производительностью контроллера и требованиями к конструкции. Здесь мы выбрали 100 и 83,3 кГц (с периодами 10 и 12 мкс соответственно) в качестве частот переключения f 1 и f 0 .Поскольку линия электропередачи была мультиплексирована как канал связи и поэтому была шумной и неравномерной, мы консервативно выбрали постоянную k = 6; таким образом, скорость передачи составила 2,78 кБ (с периодом 240 мкс), что достаточно для передачи информации о состоянии и управления. Эти частоты переключения и скорость передачи не уникальны; есть другие варианты. Мы использовали цифровой сигнальный процессор (DSP) TI TMS320F28035 в качестве контроллера как для понижающего / повышающего преобразователя, так и для приемника.

Параметры приемника приведены в таблице. Схема преобразования сигнала выделяет составляющую частоты коммутации, которая накладывается на высшие гармоники частоты коммутации и шума в линии электропередачи. Эта схема состоит из блокирующего конденсатора постоянного тока, дифференциального усилителя, активного фильтра верхних частот второго порядка, активного ФНЧ второго порядка и цепи смещения постоянного напряжения, как показано на рис. Только составляющая частоты переключения остается на выходе после демодуляции DFT, выполненной в DSP.

Таблица 2

Параметры экспериментального приемника для обычного повышающего / понижающего преобразователя.

0 907 46, R 3 8
Параметр (я) Значение / тип Параметр (ы) Значение / тип
Микроконтроллер Texas Instruments TMS320F28035
10 кОм
Операционный усилитель LF353 R 4 , R 5 , Сигнал R 11 100 913 кГц 913 кГц 913 1 МГц R 6 , R 7 16 кОм
C 1 , C 5 1 кОм
C 2 10 нФ R 9 1.3 кОм
C 3 2,2 нФ R 10 3,6 кОм
C 4 C 4 9138 27 кОм
R 1 2,2 кОм R 13 56 Ом

Общий алгоритм DFT

12 выражается следующим образом: = 0N − 1xne − j2πNnkk = 0,1, ……, N − 1

6

В предположении, что текущее значение ДПФ основано на последовательности { x (0), x (1), … x ( N −1)}, а следующий основан на последовательности { x (1), x (2),… x ( N )}, итерационный метод может использоваться для реализации скользящего ДПФ; то новое значение ДПФ после следующего образца:

Уравнение ( 7 ) значительно уменьшает время вычисления ДПФ, что делает его подходящим для реализации на большинстве микропроцессоров, таких как DSP или программируемая вентильная матрица (FPGA). процессор 27 .

Эксперимент с протоколом связи

В любом приложении протокол связи выше физического уровня необходим; поэтому в эксперимент был включен простой протокол передачи данных. Структура кадра данных была определена следующим образом: 1 стартовый бит, 13 бит данных (от младшего к старшему), 1 бит нечетной четности и 1 конечный бит. В состоянии покоя частота коммутации составляла 100 кГц. Выходной ток понижающего / повышающего преобразователя упаковывался в кадры и отправлялся на приемник.Результаты экспериментов, показанные на рис., Показывают, что выходной ток (2,15 А, измерения осциллографа) понижающего / повышающего преобразователя был правильно отправлен и принят.

Экспериментальные результаты для отправленного и полученного значения выходного тока.

Структура кадра данных следующая: 1 стартовый бит, 13 бит данных (от младшего к старшему), 1 бит нечетной четности и 1 конечный бит. Значение отправленных и полученных данных — 2,15. Нижняя синяя кривая показывает выходной ток понижающего / повышающего преобразователя, измеренный как 2.15 А на осциллографе.

Применение в светодиодной системе освещения

В светодиодной системе освещения фотодетектор был принят в качестве светоприемника для извлечения сигнала, отправляемого через свет, как показано на рис., А также показаны схемы преобразования сигнала в приемнике и светоприемнике. на рис. Схема преобразования сигнала выделяет составляющую частоты переключения, которая накладывается на гармоники высокого порядка частоты переключения и шума в линии электропередачи / канале видимого света.Эта схема состоит из блокирующего конденсатора постоянного тока, дифференциального усилителя, активного полосового фильтра второго порядка и цепи смещения постоянного напряжения. Только основная составляющая пульсаций переключения остается на выходе после демодуляции DFT, выполненной в FPGA. Параметры эксперимента приведены в таблицах и. В этом эксперименте частота переключения в преобразователе составляла 1 МГц, а скорость передачи данных 200 кбит / с была намного выше, чем в первом эксперименте, для достижения более высоких показателей мощности разговора.

Конструкция прототипа светодиодной системы освещения.

В этом эксперименте используется модуляция PWM / FH-4DPSK. a Общая структура экспериментального прототипа, который включает в себя понижающий / повышающий преобразователь в качестве передатчика данных, приемник, использующий общую линию питания с понижающим / повышающим преобразователем, и светоприемник. v in обозначает входное напряжение понижающего преобразователя. Данные передаются от понижающего / повышающего преобразователя к приемнику по линии постоянного тока и к светоприемнику с помощью видимого светодиода. b Подробная схема понижающего / повышающего преобразователя, в которой v in обозначает входное напряжение, C in и C out обозначают входные и выходные конденсаторы соответственно, а L обозначает катушку индуктивности. Модулированный сигнал PWM / FH-4DPSK используется в качестве стробирующего сигнала для полевого МОП-транзистора S 1 , а его дополнительный сигнал является стробирующим сигналом для полевого МОП-транзистора S 2 . c Строение ствольной коробки.Он состоит из импеданса Z R , схемы преобразования сигнала и ПЛИС с АЦП для вывода цифровых данных. d Структура светоприемника, состоящая из фотоприемника, схемы преобразования сигнала и ПЛИС. e Схема преобразования сигнала, используемая как в приемнике, так и в приемнике света. Эта схема состоит из блокирующего конденсатора постоянного тока, дифференциального усилителя, активного полосового фильтра второго порядка и цепи смещения постоянного напряжения.Входной сигнал кондиционируется, и на выходном порте получается основная составляющая пульсаций переключения с правильным смещением постоянного тока, обозначенная как v пульсации .

Таблица 3

Экспериментальные параметры понижающего / повышающего преобразователя в системе светодиодного освещения.

Параметр Значение / тип
В дюйм (входное напряжение постоянного тока) 12 В
В выходное напряжение выходное напряжение V
C дюймов (входная емкость) 120 мкФ
L (индуктивность) 8 мкГн
C 913 913 выходная емкость мкФ
Нагрузка Светодиод
Микроконтроллер Cyclone IV EP4CE10F17
MOSFET TPh4206
907 907 частота при отправке данных (частота переключения) 1
f 0 (частота переключения при нормальной работе) 0.833 МГц
Скорость передачи 100 кБ
Скорость передачи 200 кбит / с

Таблица 4

Экспериментальные параметры приемника и светоприемника в системе светодиодного освещения.

Параметры Значение / тип Параметры Значение / тип
Микроконтроллер Cyclone IV EP4CE10F17 47 R R 4 , R 5 2 кОм
Операционный усилитель LMH6643 R 6 3.9 кОм
Частота дискретизации сигнала 10 МГц R 7 11 кОм
C 1 , C 907 907 907 100 нФ R 8 18 кОм
C 3 , C 4 80 47 8 ком 1. Варшней, Л.Р. Транспортировка информации и энергии одновременно. В Международный симпозиум IEEE по теории информации 1612–1616 (IEEE, 2008).

2. Минделл Д.А. Открытие черного ящика: переосмысление мифа о происхождении обратной связи.Technol. Культ. 2000; 41: 405–434. [Google Scholar]

3. Винер, Н. Кибернетика (MIT Press, 1961).

4. Andò B, Baglio S, Pistorio A, Tina GM, Ventura C. Sentinella: интеллектуальный мониторинг фотоэлектрических систем на уровне панели. IEEE Trans. Instrum. Измер. 2015; 64: 2188–2199. DOI: 10.1109 / TIM.2014.2386931. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ginn HG, Hingorani N, Sullivan JR, Wachal R. Архитектура управления для преобразователей электроники большой мощности. IEEE Proc. 2015; 103: 2312–2319. DOI: 10.1109 / JPROC.2015. 2484344. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Аль-Сарави, С., Анбар, М., Алиян, К. и Альзубайди, М. Протоколы связи Интернета вещей (IoT): обзор. В 2017 8-я Международная конференция по информационным технологиям 685–690 (IEEE, 2017).

7. Wade ER, Asada HH. Дизайн широковещательного модема для схемы ПЛК постоянного тока. IEEE / ASME Trans. Мехатрон. 2006; 11: 533–540. DOI: 10.1109 / TMECH.2006.882983. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Горше, С., Рагхаван, А., Старр, Т. и Галли, С. Power Line Communication (Wiley Telecom, 2014).

9. Джамиль, Ф., Фейсал, Хайдер, М. А. А. и Батт, А. А. Технический обзор одновременной беспроводной передачи информации и мощности (SWIPT). В Международном симпозиуме по быстрым достижениям в электротехнике 1–6 ​​(IEEE, 2017).

10. Ши Кью, Лю Л., Сюй В., Чжан Р. Совместное формирование луча передачи и разделение мощности приема для систем MISO SWIPT. IEEE Trans. Беспроводная связь. 2014; 13: 3269–3280. DOI: 10.1109 / TWC.2014.041714.131688. [CrossRef] [Google Scholar]

11. Ван Ф., Пэн Т. и Хуанг Ю. Конструкции надежных децентрализованных приемопередатчиков для интерференционного канала MISO SWIPT. В IEEE Access 4537–4546 (IEEE, 2018).

12. Эриксон Р. У. Основы силовой электроники 2-е изд. (Kluwer Academic Publishers, 2001).

13. Schonung, A. & Stemmler, H. Статический преобразователь частоты с контролем субгармоник в сочетании с реверсивными приводами переменного тока с регулируемой скоростью. Коричневый Boweri Ред. . 51 , 555–577 (1964).

15. Оппенгейм, А. В., Вилски, А. С. и Наваб, С. Х. Сигналы и системы, 2-е изд. (Pearson Education Inc., 2013).

16. Сонг З., Сарвате Д.В. Частотный спектр сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Сигнальный процесс. 2003. 83: 2227–2258. DOI: 10.1016 / S0165-1684 (03) 00164-6. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Lathi BP. Сигналы, системы и связь. Нью-Йорк: Уайли; 1965. [Google Scholar] 18. Пак Х, Юнг Дж.Гибридный метод управления ШИМ и ЧИМ для LLC-резонансных преобразователей при работе с высокой частотой переключения. IEEE Trans. Ind. Electron. 2017; 64: 253–263. DOI: 10.1109 / TIE.2016.2599138. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Беллуми Х., Курда Ф. Метод двойной модуляции для автоколебательного полумостового инвертора ZVS. IEEE Trans. Power Electron. 2015; 30: 1907–1913. DOI: 10.1109 / TPEL.2014.2330811. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Погорелов Ю., Мудули ПК. Комбинированная широкая и узкая двойная модуляция осцилляторов крутящего момента для улучшения ширины линии во время связи.IEEE Trans. Магниты. 2012; 48: 4077–4080. DOI: 10.1109 / TMAG.2012.2200465. [CrossRef] [Google Scholar]

21. Хейкин С. Коммуникационные системы 4-е изд. (John Wiley & Sons, Inc., 2012).

22. Чжоу Ю., Линь В., Ван Б. Высокоэффективная нечувствительная к связи беспроводная передача энергии и информации на основе управления со сдвигом фазы. IEEE Trans. Power Electron. 2017; 33: 7821–7831. [Google Scholar] 23. Чжоу Ю., Чжу X, Линь В., Ван Б. Изучение технологии беспроводной передачи энергии и информации на основе треугольной формы волны тока.IEEE Trans. Power Electron. 2017; 33: 1368–1377. [Google Scholar] 24. Нури Т., Хоссейни С.Х., Бабаи Э., Эбрахими Дж. Обобщенный бестрансформаторный сверхвысокий повышающий преобразователь постоянного тока с пониженной нагрузкой на полупроводники. ИЭПП Пауэр Электрон. 2014; 7: 2791–2805. DOI: 10.1049 / iet-pel.2013.0933. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Ван Р, Лин З, Ду Дж, Ву Дж, Хе Х. Стратегия ШИМ на основе прямой последовательности с расширенным спектром для подавления гармоник и связи. IEEE Trans. Power Electron. 2016; 13: 4455–4465. [Google Scholar] 26.Du J, Wu J, Wang R, Lin Z, He X. Линия электропередачи постоянного тока на основе двойной модуляции мощности / сигнала в полномостовых преобразователях с фазовым сдвигом. IEEE Trans. Power Electron. 2017; 32: 693–702. DOI: 10.1109 / TPEL.2016.2527739. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ву Дж. И др. Метод интеграции преобразования мощности и передачи сигналов, основанный на двойной модуляции преобразователей постоянного тока в постоянный. IEEE Trans. Ind. Electron. 2015; 62: 1291–1300. DOI: 10.1109 / TIE.2014.2336628. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Кэйлин А., Димиан М. Текущие проблемы использования связи в видимом свете в транспортных средствах: обзор.IEEE Comm. Обзоры Учебники. 2017; 19: 2681–2703. DOI: 10.1109 / COMST.2017.2706940. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Патхак П., Фен Х, Ху П., Мохапатра П. Связь в видимом свете, создание сетей и зондирование: обзор, потенциал и проблемы. IEEE Comm. Обзоры Учебники. 2015; 17: 2047–2077. DOI: 10.1109 / COMST.2015.2476474. [CrossRef] [Google Scholar] 30. Алиабери А., Софотасиос П., Мухайдат С. Схемы модуляции для связи в видимом свете. IEEE Inter. Конф. CommNet. 2019; 44: 4849–4852. [Google Scholar]

Основы работы с частотно-регулируемым приводом (принцип работы)

Базовая конфигурация частотно-регулируемого привода (ЧРП)
Базовая конфигурация частотно-регулируемого привода следующая.

Рис. 1 Базовая конфигурация частотно-регулируемого привода

Каждая часть частотно-регулируемого привода выполняет следующие функции.

Преобразователь: Цепь для изменения коммерческого источника переменного тока на постоянный ток
Схема сглаживания: Цепь для сглаживания пульсации, включенная в постоянный ток
Инвертор: Цепь для преобразования постоянного тока в переменный с переменной частотой
Цепь управления : Цепь для основного управления инверторной частью
Принцип работы преобразователя
Блок преобразователя состоит из следующих частей, как показано на следующем рисунке:
  • Конвертер
  • Схема управления пусковым током
  • Схема сглаживания

Инжир.2 Часть преобразователя

Способ создания постоянного тока из переменного (коммерческого) источника питания
Преобразователь — это устройство для создания постоянного тока из источника переменного тока. См. Основной принцип работы с однофазным переменным током в качестве простейшего примера. На рис. 3 показан пример метода преобразования переменного тока в постоянный с использованием резистора для нагрузки вместо сглаживающего конденсатора.

Рис. 3 Выпрямительная схема

В элементах используются диоды. Эти диоды пропускают или не пропускают ток в зависимости от направления приложения напряжения, как показано на рис.4 шоу.

Рис. 4 Диод

Такая природа диода позволяет следующее: Когда напряжение переменного тока подается между A и B схемы, показанной на рис. 3, напряжение всегда прикладывается к нагрузке в том же направлении, что и в таблице 1.

Таблица 1 Напряжение, приложенное к нагрузке

То есть, переменный ток преобразуется в постоянный. (Преобразование переменного тока в постоянный обычно называется выпрямлением.)

Рис. 5 (Непрерывные формы сигналов в таблице 1)

Для трехфазного входа переменного тока объединение шести диодов для выпрямления всех волн источника питания переменного тока позволяет получить выходное напряжение, как показано на рис.6.

Рис.6 Форма волны преобразователя

Форма кривой входного тока при использовании конденсатора в качестве нагрузки
Принцип выпрямления объясняется резистором. Однако сглаживающая способность или фактически используется для нагрузки. Если используется сглаживающий конденсатор, формы сигналов входного тока становятся не синусоидальными, а искаженными формами сигналов, показанными на рис. 7, поскольку напряжение переменного тока протекает только тогда, когда оно превышает напряжение постоянного тока.

Рис.7 Принцип преобразователя

Схема управления пусковым током
Основной принцип выпрямления объясняется с помощью резистора.Однако фактически для нагрузки используется сглаживающий конденсатор. Конденсатор имеет свойство накапливать электричество. В момент подачи напряжения протекает большой бросок тока для зарядки конденсатора.

Чтобы предотвратить повреждение выпрямительных диодов этим большим пусковым током, выполните принудительное последовательное соединение с конденсаторами в течение приблизительно 0,05 секунды после включения питания, чтобы контролировать значение пускового тока. После этого закоротите оба конца этих резисторов с помощью магнитного переключателя, чтобы настроить схему с обходом резисторов.

Эта схема называется схемой управления пусковым током.

Рис.8 Пусковой ток

Принцип работы сглаживающей цепи
Схема сглаживания создает постоянное напряжение E 2 с небольшой пульсацией выпрямленного постоянного напряжения E 1 , используя сглаживающий конденсатор.

Рис.9 Сглаженная форма сигнала постоянного тока

Принцип работы инвертора
Метод создания переменного тока из постоянного тока
Инвертор — это устройство для создания переменного тока из источника постоянного тока.См. Основной принцип с однофазным постоянным током в качестве простейшего примера. На рис. 10 показан пример метода преобразования постоянного тока в переменный с использованием лампы для нагрузки вместо двигателя.

Рис. 10 Способ создания переменного тока

Когда четыре переключателя, от S1 до S4, подключены к источнику питания постоянного тока, S1 и S4, а также S2 и S4, соответственно, спарены, и пары попеременно включаются и выключаются, переменный ток течет как показано на Рис. 11.

  • Когда переключатели S1 и S4 включены, ток течет в лампе в направлении A.
  • Когда переключатели S2 и S3 включены, ток течет в лампе в направлении B.
Если эти операции повторяются через определенный период, создается переменный ток, поскольку направление тока, протекающего в лампе, изменяется.

Способ изменения частоты
Частота изменяется путем изменения периода включения и выключения переключателей S1 — S4. Например, если переключатели S1 и S4 включены на 0,5 секунды, а переключатели S2 и S3 на 0.5 секунд, и эта операция повторяется, создается переменный ток с одним чередованием в секунду, то есть переменный ток с частотой 1 [Гц].

Рис. 12 Форма сигнала переменного тока 1 Гц

Обычно, если S1 / S4 и S2 / S3 соответственно включены в течение одного и того же периода, а общее время для одного цикла составляет t0 секунд (с), частота f становится f = 1 / t0 [ Гц].

Рис.13 Частота

Способ изменения напряжения
Напряжение изменяется включением и выключением переключателей с более коротким периодом.Например, если переключатели S1 и S4 включены на половину периода, выходное напряжение будет E / 2, половиной напряжения постоянного тока E. Чтобы получить более высокое напряжение, включите на более длительный период. Чтобы получить более низкое напряжение, включите на более короткий период.

Рис.14 Форма сигнала напряжения E / 2


Рис. 15 Метод изменения напряжения

Этот метод управления обычно используется и называется ШИМ (широтно-импульсная модуляция), поскольку он контролирует ширину импульса. Частота, на которую нужно ссылаться для определения времени для ширины импульса, называется несущей частотой.

Трехфазный переменный ток
Принципиальная схема трехфазного инвертора и способ создания трехфазного переменного тока показаны на рисунках 16 и 17.

Рис.16 Базовая схема трехфазного инвертора


Рис. 17 Способ создания трехфазного переменного тока

Чтобы получить трехфазный переменный ток, подключите переключатели S1 к S6 к цепи и одновременно включите / выключите все шесть переключателей в моменты времени, показанные на рисунке 17. Если Порядок включения / выключения шести переключателей изменяется, порядок фаз изменяется между UV, VW и WU, а направление вращения может быть изменено.

Переключающий элемент
В качестве переключающего элемента в объяснении выше используется полупроводник, называемый IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором).

Схема V / F
Изменение скорости двигателя возможно путем изменения частоты, как показано в следующей формуле. При изменении выходной частоты частотно-регулируемого привода необходимо изменить выходное напряжение.

Крутящий момент TM = K x Φ x I = K x (V / F) x I
Выходной крутящий момент двигателя выражается как произведение магнитного потока внутри двигателя (Φ) на ток, протекающий в катушке (I).

Соотношение между магнитным потоком (Φ), напряжением, приложенным к двигателю (V), и частотой (F) выражается как Φ = V / F. Если напряжение фиксировано (например, 200 В) и уменьшается только частота, увеличенный магнитный поток (Φ) вызывает магнитное насыщение железного сердечника, а затем повышенный ток вызывает перегрев и выгорание.

Изменение напряжения, подаваемого на двигатель (V), и частоты (F) при постоянном их соотношении позволяет выходному крутящему моменту двигателя оставаться постоянным даже при изменении скорости двигателя.По этим двум причинам выходное напряжение должно контролироваться низким, когда выходная частота преобразователя частоты низкая, и высоким, когда частота высокая.

Эта взаимосвязь между выходной частотой и выходным напряжением называется V / F-шаблоном.

Рис.18 Схема V / F и выходной крутящий момент двигателя

Рекуперативный тормоз
Когда скорость двигателя превышает выходную частоту частотно-регулируемого привода (команда скорости от частотно-регулируемого привода), например, когда лифт выходит из строя, двигатель работает как генератор, а выработанная электроэнергия (энергия) возвращается в частотно-регулируемый привод.Этот статус называется регенерацией.

Когда электричество возвращается в преобразователь частоты, напряжение постоянного тока преобразователя частоты (рис. 19 E1) увеличивается. Если это напряжение постоянного тока превышает определенное указанное значение (370 В постоянного тока для класса 200 В), выпрямительные диоды или IGBT части привода переменной частоты выходят из строя. Чтобы предотвратить это, вставьте последовательно резистор и силовой конденсатор для переключающего элемента в цепь постоянного напряжения (между P и N), как показано на рис. 19. Это предотвращает повышение постоянного напряжения за счет включения силового транзистора для потребления ток в виде тепла, когда напряжение постоянного тока превышает определенное заданное значение.См. Рис. 20. Этот резистор называется рекуперативным тормозным резистором, а этот силовой конденсатор — рекуперативным тормозным конденсатором.

Рис.19 Рекуперативный тормозной контур


Рис.20 Напряжение постоянного тока (между P и N)

Для частотно-регулируемого привода большой мощности, которому требуется большой тормозной резистор рекуперативного торможения, используется система возврата мощности, которая возвращает рекуперативную энергию на сторону источника питания, чтобы предотвратить нагрев влияние на атмосферу.

Управление
Разница между универсальным частотно-регулируемым приводом и векторным частотно-регулируемым приводом
Хотя одна и та же основная схема используется между универсальным частотно-регулируемым приводом (VFD) и векторным частотно-регулируемым приводом, следующие различия существуют в общих чертах в зависимости от используемой схемы управления или наличия / отсутствия энкодера, что зависит от применен мотор.

Стол. 2 Разница между универсальным и векторным частотно-регулируемым приводом


Универсальный ПЧ
Вектор VFD
Выход
От 100 Вт до 560 кВт
От 1,5 до 250 кВт
Передаточное число трансмиссии (прибл.)
От 1:10 до 1:20 до 200
От 1: 1000 до 1: 1500
Процент колебания скорости (%)
От 3 до 4% (1% или менее для расширенного векторного управления магнитным потоком и реального бессенсорного векторного управления)
0.03% (колебание нагрузки от 0 до 100%)
Амплитудно-частотная характеристика
Низкий от 1 до 19 Гц
От 30 до 125 Гц
Ориентировочная частота пуска / останова
Прибл. 15 раз / мин.
Прибл. 100 раз / мин.
Точность позиционирования
Прибл.От 1 до 5 мм
Прибл. От 10 мкм до 100 мкм
Характеристики крутящего момента
Постоянный крутящий момент (крутящий момент уменьшается для базовой частоты или более)
Постоянный крутящий момент (от 0 до номинальной скорости)
Применяемый мотор
Двигатель общего назначения (Асинхронный двигатель)
Выделенный двигатель (двигатель с энкодером)

Метод управления
Существует три основных метода управления частотно-регулируемым приводом: регулирование скорости для управления скоростью двигателя в основном с помощью аналогового напряжения, регулирование положения для управления скоростью вращения двигателя с помощью простых концевых выключателей, высокоточный энкодер и т. Д. И регулирование крутящего момента для управления двигателем. ток, протекающий в двигатель с постоянным значением крутящего момента.

Подробный отчет приводится ниже.
Регулировка скорости
1) Управление без обратной связи
Этот метод управления не обеспечивает обратной связи по скорости, как это принято в частотно-регулируемых приводах общего назначения.

Система команд представляет собой аналоговую команду напряжения, которая используется во многих приложениях, таких как управление скоростью конвейера, управление количеством ветра вентилятора, управление количеством потока насоса и т. Д. Скольжение при номинальном крутящем моменте зависит от характеристик двигателя. Возможны колебания скорости примерно от 3 до 5%.Современные частотно-регулируемые приводы устойчивы к температурным дрейфам для цифрового управления, что позволяет устанавливать данные скорости внутри и для цифровой команды (последовательность импульсов, параллельные данные и связь). Кроме того, доступны частотно-регулируемые приводы усовершенствованного векторного управления магнитным потоком или реального бессенсорного векторного управления с колебаниями скорости не более 1%.

Этот метод управления скоростью работает почти для всех частотно-регулируемых приводов общего назначения.

2) Управление с обратной связью
Чтобы обеспечить изменение скорости двигателя, необходимо установить энкодер для определения фактической скорости и передачи ее обратно в схему управления.Этот метод называется замкнутым контуром управления.

Для определения скорости используются ТГ (тахогенератор), энкодер и т. Д. В наши дни в основном используются кодеры. Для управления с обратной связью аналоговое напряжение или ток также используется для команды скорости. Однако ввод последовательностей импульсов или использование цифрового входа обеспечивает высокоточное управление скоростью для операции вытяжки или операции непрерывного управления скоростью.

Контроль положения
Управление положением позволяет не только управлять скоростью двигателя, но и управлять остановкой в ​​заданном положении остановки.Существует множество методов управления, от простого метода остановки в заданном положении путем преобразования сигналов внешнего датчика в сигнал остановки до метода выполнения высокоточного позиционирования с помощью энкодера, установленного на двигателе, и до расширенного метода выполнения позиционирование в постоянно изменяющиеся целевые позиции остановки путем отслеживания или синхронизации.

1) Управление без обратной связи
Этот элемент управления используется в тех случаях, когда для остановки не требуется высокая точность. Двигатель замедляется до остановки по сигналам от концевых выключателей, установленных перед целевым положением остановки для команды замедления.Это самый простой и наиболее разумный метод, хотя колебания точек замедления влияют на точность положений останова.

2) Управление с полузамкнутым контуром
Энкодер, установленный на двигателе, выполняет обратную связь. Например, электродвигатель, предназначенный для работы с вектором, работает для командного ввода в векторный частотно-регулируемый привод, когда обратная связь является обратной. В этот момент вычисляется команда скорости для обнуления разницы между величиной входной команды и величиной обратной связи для вращения двигателя.

3) Управление с полным замкнутым контуром
Это управление осуществляется посредством обратной связи от линейной шкалы или энкодера, установленного на стороне машины. Установка линейной шкалы или энкодера на конечную кромку станка обеспечивает высокую точность позиционирования без люфтов или механических системных ошибок. Вместо этого требуется повысить жесткость машины. Этот контроль иногда используется для станков, часть которых требует контроля высокой точности.

Контроль крутящего момента
Управление крутящим моментом указывает на управление выходным крутящим моментом (током) двигателя, и его следует отличать от ограничения крутящего момента.Однако оба они доступны в зависимости от приложения. Следует выбрать наиболее подходящий метод. Управление крутящим моментом выполняет управление крутящим моментом (током) в зависимости от значения команды крутящего момента. Следовательно, скорость автоматически увеличивается, когда крутящий момент нагрузки меньше, и уменьшается, когда он больше. Если крутящий момент нагрузки равен значению команды крутящего момента, оба значения крутящего момента уравновешиваются, и скорость становится нулевой. То есть двигатель останавливается. Короче говоря, работает тот же принцип, что и перетягивание каната.

С другой стороны, предел крутящего момента используется, когда машина может быть повреждена из-за ненужного крутящего момента для управления положением или скоростью, когда остановка выполняется нажатием на машину или когда выполняется механическая блокировка. Для управления крутящим моментом необходимо определять и контролировать ток, протекающий в двигателе. Следовательно, управление крутящим моментом может поддерживаться векторным частотно-регулируемым приводом или частотно-регулируемым приводом реального бессенсорного векторного управления, которые выполняют определение тока.

1) Управление без обратной связи
Этот элемент управления используется для приложений, которые не требуют высокой точности крутящего момента, таких как ось разматывания или намотки. Аналоговая команда обычно используется для команды крутящего момента. Для этого контроля необходимо учитывать, что точность крутящего момента (температурный дрейф) изменяется в зависимости от температуры, и машины имеют потери.

2) Управление с обратной связью
Этот элемент управления используется для приложений, требующих высокой точности натяжения, таких как ось разматывания или наматывания (для бумаги, пленки и т. Д.). Этот элемент управления возвращает напряжение, приложенное к фактическим продуктам, на устройство управления натяжением.

Основы топологии — Электроника 101

1. Введение

2. Пассивные компоненты

3. Активные компоненты

Функция силовой цепи состоит в том, чтобы обеспечить соответствие имеющейся мощности потребностям нагрузки.Доступная мощность поступает либо от батареи, либо от сети переменного тока, но очень немногие нагрузки могут использовать энергию в такой форме, в основном лампочки и нагреватели. Для всех других нагрузок — будь то простой балласт или сложный серводвигатель — доступная мощность должна быть преобразована в любую форму, подходящую для нагрузки, будь то простой балласт или сложный серводвигатель. Это делается с помощью блоков стабилизации мощности.

Как упоминалось в разделе 3.2, подавляющее большинство силовых цепей работают в импульсном режиме.В этом контексте термин «топология» относится к определенному расположению активных и реактивных компонентов, то есть к схеме силовой части схемы. Разработчики придумали очень большое количество топологий, и некоторые из них можно найти в практических приложениях. Все они разделяют основной принцип работы: мощность «обусловлена» некоторой продуманной последовательностью цикла включения-выключения транзисторов («стратегия модуляции»), чтобы сделать ее подходящей для конкретной нагрузки.

Мы кратко проанализируем понижающую, повышающую и несколько других часто используемых топологий.

4.1. Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока, то есть выдает выходное напряжение ниже входного (рисунок 11). Катушка индуктивности и конденсатор на выходе являются неотъемлемой частью этой топологии.

Входной ток всегда прерывистый, потому что переключатель включен последовательно со входом. Когда входной ток прерывистый, на входе необходим конденсатор для компенсации индуктивности линии и для обработки более высокочастотных составляющих входного тока.Этот входной конденсатор не является неотъемлемой частью топологии — в нем не было бы необходимости, если бы линия не имела индуктивности — и не показан на рисунке.

Производительность этого преобразователя определяется тремя вариантами конструкции:

  • Расчет реактивных компонентов
  • Метод управления: фиксированная или переменная частота
  • Рабочая частота или частотный диапазон.

Эти варианты дизайна определяют:

  • Среднеквадратичная составляющая входного тока, следовательно, размер входного конденсатора
  • Величина пульсации в форме волны выходного напряжения
  • Динамический отклик на изменения нагрузки или изменения входного напряжения в условиях замкнутого контура.

Рисунок 11. Понижающий преобразователь. Формы сигналов, показанные на рисунке, относятся к проводимости постоянного тока с фиксированной частотой (в катушке индуктивности). Когда переключатель выключен, индукционный ток течет в «свободном» диоде. В какой-то момент, когда нагрузка уменьшается, ток индуктора становится прерывистым. При 100% рабочем цикле переключателя выходное напряжение равно входному.

4.2. Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь представляет собой повышающий преобразователь постоянного тока, то есть выдает выходное напряжение, превышающее входное (рисунок 12). Катушка индуктивности на входе и конденсатор на выходе являются неотъемлемой частью этой топологии.

Поскольку катушка индуктивности включена последовательно со входом, входной ток является непрерывным в большей части рабочего диапазона. Выходной ток является прерывистым, и выходной конденсатор должен быть рассчитан на наихудший случай пульсаций тока, а также для других требований, таких как время задержки.

Как и в понижающем преобразователе, производительность определяется тремя вариантами конструкции:

  • Расчет реактивных компонентов
  • Метод управления: фиксированная или переменная частота
  • Рабочая частота или частотный диапазон.

Эти варианты дизайна определяют:

  • Среднеквадратичная составляющая входного тока
  • Величина пульсации в форме волны выходного напряжения
  • Динамический отклик на изменения нагрузки или входного напряжения.

Эта топология наиболее распространена для корректоров коэффициента мощности. При более низкой мощности предпочтительным режимом управления является прерывистый ток по экономическим причинам. При более высокой мощности предпочтителен постоянный ток.

Рисунок 12. Повышающий преобразователь. Формы сигналов, показанные на рисунке, относятся к проводимости постоянного тока с фиксированной частотой (в катушке индуктивности). Катушка индуктивности заряжается от линейного напряжения во время работы транзистора и разряжается в выходной конденсатор, когда переключатель выключен.В какой-то момент, когда нагрузка уменьшается, ток индуктора становится прерывистым. При скважности переключателя 0% выходное напряжение равно входному напряжению .

4.3. Полумост

Полумост — это понижающий преобразователь постоянного тока в переменный. Это «двухквадрантный преобразователь», поскольку ток нагрузки может течь в обоих направлениях. Это критическая особенность при возбуждении индуктивной нагрузки с формой волны переменного тока.Как и в случае понижающего преобразователя, входной ток является прерывистым, и требуется входной конденсатор для компенсации индуктивности линии и обработки более высокочастотных составляющих входного тока.

Эта топология широко используется в источниках бесперебойного питания (ИБП) для генерации выходной синусоиды, как показано на рисунке 13. Ее недостатком является тот факт, что для нее требуется положительное и отрицательное напряжение относительно выходной нейтрали, как показано на рисунке. . Полный мост преодолевает это ограничение.

Рис. 13. Полумост как генератор синусоидальных сигналов в ИБП. Обратите внимание на то, как рабочий цикл переключателей модулируется на высокой частоте для достижения низкочастотной синусоиды. Также обратите внимание, что точкой отсчета для выхода является середина двух входных конденсаторов.

4.3. Полный мост

Два полумоста могут генерировать выход переменного тока от одного источника напряжения без необходимости в нейтрали.

Эта топология чаще всего используется в трех классах приложений:

4.3.1. Импульсные источники питания (ИИП) и сварочные аппараты

Как показано на рисунке 14, мост используется для генерации высокочастотной прямоугольной волны, которая подается на изолирующий трансформатор. Работа на высокой частоте уменьшает размер трансформатора и компонентов фильтра, одновременно улучшая время отклика в замкнутом контуре и удельную мощность.Плотность мощности, превышающая 50 Вт на 3 , обычно доступна в некоторых коммерчески доступных ИИП.

Рис. 14. Полный мост обычно используется в импульсных источниках питания и сварочных аппаратах для генерации высокочастотной прямоугольной волны, которая подается на понижающий трансформатор. При типичной рабочей частоте 50 кГц трансформатор становится довольно маленьким. Его мощность регулируется для достижения желаемых сварочных характеристик.

4.3.2. Преобразователи постоянного тока в переменный и ИБП

Как мы уже упоминали в начале, топология — это только половина дела. Другая половина — это стратегия контроля, о чем мы подробнее поговорим в этом разделе.

Тот же самый полный мост может быть модулирован для генерации простой прямоугольной волны, как мы видели в предыдущем разделе (рисунок 14), или для генерации синусоиды путем широтно-импульсной модуляции переключателей, как показано на рисунке 15.

Выходной прямоугольный сигнал редко используется как таковой; в большинстве случаев он выпрямляется и фильтруется для достижения постоянного тока.

Если целью силовой цепи является генерация синусоидального сигнала линейной частоты, как в случае преобразователей постоянного тока в переменный и ИБП, ШИМ-управление переключателями мощности сжимает выходной фильтр и улучшает плотность мощности.

Рис. 15. Тот же полный мост, показанный на рис. 14, можно использовать для генерации синусоиды путем широтно-импульсной модуляции переключателей.

Одна и та же топология может использоваться с множеством различных стратегий модуляции. На рисунке 16 показана комбинация двух методов, представленных на рисунке 15. БТИЗ верхнего плеча переключаются на высокой частоте (20 кГц) и генерируют сигнал линейной частоты с помощью ШИМ-управления рабочим циклом. БТИЗ нижнего плеча переключаются на линейной частоте и переключают полярность формы волны. Эта стратегия модуляции сводит к минимуму потери в полупроводниках, поскольку только два устройства переключаются с высокой частотой без изменения входного фильтра.Повышенная эффективность и работа на высоких частотах являются критически важными компонентами для достижения высокой плотности мощности.

Рисунок 16. Два метода модуляции (прямоугольная волна и синусоида ШИМ), показанные на рисунке 14, можно комбинировать для повышения эффективности. БТИЗ верхнего плеча переключаются на высокой частоте (20 кГц) и генерируют сигнал линейной частоты с помощью ШИМ-управления рабочим циклом. БТИЗ нижнего плеча переключаются на линейной частоте и переключают полярность формы волны.

4.3.3. Реверсивные моторные приводы постоянного тока

H-мост также может использоваться для управления скоростью и направлением двигателя постоянного тока. Эту топологию иногда называют «четырехквадрантным преобразователем», поскольку ток может течь в любом направлении, а напряжение на нагрузке может быть изменено на обратное.

В этом, как и в упомянутых выше приложениях, большая часть производительности зависит от стратегии модуляции.Два таких метода проиллюстрированы ниже в качестве примера.

  • На рисунке 17а оба транзистора в каждом полумосте управляются в противофазе с прямоугольной волной ШИМ. Q1 и Q4 включаются одновременно, а Q2 и Q3 включаются до конца цикла. При рабочем цикле 50% среднее напряжение на двигателе равно нулю. По мере того, как рабочий цикл увеличивается в одном или другом направлении, двигатель видит среднее напряжение на своих выводах, которое может быть положительным или отрицательным, в зависимости от рабочего цикла.

Два переключателя всегда включены и подают на двигатель определенное напряжение, определяемое платой управления. Изменение направления так же естественно, как и изменение рабочего цикла. Ток может течь в обоих направлениях, и двигатель может работать или регенерировать.

Обратите внимание, что в течение первой части цикла (ток транзистора) мощность подается на двигатель. В течение оставшейся части цикла мощность возвращается к источнику питания.

  • Метод управления, показанный на рисунке 17b, использует нижние переключатели для определения направления двигателя (Q4 в примере), в то время как верхние переключатели имеют ШИМ-модуляцию для регулирования скорости.Этот метод аналогичен методу, представленному на рисунке 16. Обратите внимание, что только два переключателя управляются затвором или выключаются, в то время как два других имеют нулевое напряжение, подаваемое на затвор. В некоторых случаях направление тока определяет напряжение, подаваемое на двигатель, и оно может отличаться от того, которое задает плата управления. Смена направления требует переключения с одной пары транзисторов на другую, что является обычным источником головной боли управления.

Первый метод дает лучшие характеристики сервопривода, в то время как второй метод дает гораздо меньшие пульсации тока в двигателе при той же рабочей частоте.

При использовании этого метода модуляции мощность в источник питания не возвращается. Текущие свободные колеса в топовых устройствах и распадаются, что и определяется потерями.

Рисунок 17а. Реверсивное регулирование скорости двигателя постоянного тока с приводом затвора «заблокировано противофазно». Q1 и Q4 включаются одновременно, а Q2 и Q3 включаются до конца цикла. На клеммах двигателя имеется чистое положительное напряжение.Реактивная мощность возвращается в источник через Q2 и Q3 в оставшейся части цикла. Поскольку на двигатель подается полное напряжение шины с той или иной полярностью, пульсации тока в двигателе могут быть значительными.

Рисунок 17b. Реверсивное регулирование скорости двигателя постоянного тока с «переключателем рулевого управления, переключателем PWM». Q2 и Q4 задают направление вращения, а Q1 и Q3 определяют скорость. Реактивная мощность не возвращается к источнику питания, а свободно вращается в верхних устройствах и очень медленно затухает.

4.4. Трехфазный мост

Эта топология (рисунок 18) используется почти исключительно для управления трехфазными двигателями с различными стратегиями модуляции. Двумя наиболее распространенными типами двигателей являются двигатели с постоянными магнитами и асинхронные двигатели.

Для них требуются разные стратегии модуляции. Фактически, один и тот же тип двигателя может приводиться в действие с разными модуляциями: одни модуляции улучшают характеристики двигателя за счет потерь в полупроводниках, другие — наоборот.Это специализированная тема, выходящая за рамки данной краткой статьи.

Рис. 18. Трехфазный мост, обычно используемый для привода двигателей с различными типами модуляции. Показанные здесь формы сигналов представляют линейное напряжение и линейный ток синусоидальной модуляции для асинхронного двигателя.

4.5. Топологии для преодоления ограничений полупроводников

За прошедшие годы было разработано множество таких топологий, некоторые для преодоления ограничений MOSFET-диода, некоторые для уменьшения коммутационных потерь IGBT, некоторые для уменьшения коммутационных потерь в целом.Снижение коммутационных потерь обычно достигается за счет некоторой формы резонанса, как мы увидим в некоторых примерах ниже. Этот режим работы часто называют «мягким переключением», в отличие от «жесткого переключения», который является стандартным режимом работы преобразователей импульсного режима, которые мы видели в предыдущих параграфах.

Как мы упоминали в разделе 3.3, IGBT — это устройства с неосновной несущей с лучшими характеристиками проводимости, чем MOSFET, но худшими характеристиками переключения.Одной из топологий, которая обычно используется для использования преимуществ проводимости без потери затрат на переключение, является последовательный резонансный полумост, показанный на рисунке 19. Два конденсатора были добавлены параллельно с IGBT. Это простое добавление коренным образом меняет способ работы этой топологии.

Выход полумоста — это высокочастотная прямоугольная волна напряжения (розовая кривая), которая подается на резонансный контур, образованный катушкой и одним резонирующим конденсатором (C1 + C2).Результирующий ток (синяя кривая) квазитреугольный. Обратите внимание, что когда один IGBT включен, напряжение на его выводе является отрицательным падением на диоде, следовательно, его потери при включении практически равны нулю. Когда встречно-параллельный диод перестает проводить, напряжение на его выводах равно падению напряжения на IGBT. В этой схеме отсутствуют потери обратного восстановления.

Рис. 19. Последовательный резонансный полумостовой преобразователь.Обратите внимание на разницу с полумостом, показанным на рисунке 13: нагрузка в основном индуктивная, и два конденсатора были добавлены параллельно IGBT. Напряжение прямоугольной формы (розовая кривая) подается на резонансный контур, образованный катушкой и одним резонирующим конденсатором (C1 + C2). Результирующий ток (синяя кривая) квазитреугольный. Силовые переключатели коммутируются в ZVS (переключение нулевого напряжения) при включении, что исключает потери включения. Антипараллельные диоды также коммутируют при ZVS при выключении, что исключает потери восстановления.

4.6. «Синхронное выпрямление»

Как было показано в разделе 3.2, полевые МОП-транзисторы блокируются в одном направлении, и при приложении напряжения затвора они выглядят как резисторы очень низкого номинала. В противоположном направлении полевые МОП-транзисторы ведут себя так же, как P-N диод (рисунок 7).

Если напряжение приложено к затвору во время протекания тока через диод, эквивалентная схема становится схемой замещения резистора, включенного параллельно диоду (рисунок 20).Пока падение напряжения на резистивной части ниже, чем падение напряжения на диоде (0,6-0,8 В), ток течет в резистивной части устройства, а полевой МОП-транзистор действует как выпрямитель с очень низким падением напряжения.

Уловка состоит в том, чтобы «синхронизировать» привод затвора с направлением тока, отсюда и название этой техники. Он широко используется в регуляторах очень низкого напряжения (1-5 В). На рисунке 20 показан прямой преобразователь, в котором два выходных диода были заменены полевыми МОП-транзисторами, в которых нет другой схемы управления затвором, кроме выхода трансформатора.Этот метод управления затвором используется только для иллюстрации, потому что управление затвором недоступно, когда выход вторичной обмотки падает до нуля. Даже в этом случае схема работает, но с более высокими потерями, потому что диоды MOSFET берут верх. На практике для управления затворами при синхронном выпрямлении используются специализированные ИС. Один из таких примеров можно найти здесь: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir1169.pdf

МОП-транзистор с сопротивлением в открытом состоянии 5 мОм может действовать как выпрямитель на 20 А с падением напряжения всего 100 мВ, что намного ниже, чем у диодов Шоттки.

Рисунок 20. Прямой преобразователь с синхронным выпрямлением. Два выходных диода были заменены полевыми МОП-транзисторами с низким сопротивлением в открытом состоянии. Пока подается напряжение затвора, ток будет выбирать путь с меньшим падением напряжения. Показанный на рисунке метод с автоматическим приводом на практике не используется: для этого используются специализированные ИС управления затвором.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *