Опорная частота. Конспект лекции: Метрологические характеристики электронных осциллографов. К дополнительным параметрам относятся

1. Полоса пропускания или параметры переходной характеристики. Полоса пропускания – диапазон частот, в котором АЧХ имеет спад не более 3 дБ относительно значения на опорной частоте. Опорная частота – частота, на которой спад АЧХ отсутствует. Значение спада АЧХ в дБ находит из соотношения:

где l f оп - значение изображения на опорной частоте,
l f изм - размер изображения на частоте, для которой измеряется спад АЧХ.

2. Неравномерность АЧХ.

3. Нелинейность амплитудной характеристики усилителя ЭО: β a =(l-1)*100% , где l – наиболее отличающийся от одного деления шкалы экрана размер изображения сигнала в любом месте рабочей зоны экрана. Её измеряют, подавая на вход осциллографа сигнал импульсной или синусоидальной формы с амплитудой, обеспечивающей получение в центре экрана ЭЛТ изображения сигнала размером в одно деление шкалы. Затем измеряют размер изображения сигнала в различных местах рабочей части экрана, перемещая его по вертикальной оси с помощью внешнего источника напряжения.

4. Качество воспроизведения сигнала в импульсном ЭО. Это качество характеризуется параметрами переходной характеристики (ПХ):

4.1. Время нарастания переходной характеристики (ПХ) - τ н измеряют при следующих условиях: на вход ЭО подают импульсы с временем нарастания не более 0,3 времени нарастания ПХ, указанной в паспорте, в стандартах или технической документации на ЭО конкретного типа. Длительность импульса должна быть не менее, чем в 10 раз больше времени нарастания ПХ. Выбросы на импульсе не должны превышать 10% времени нарастания изображения импульса, в течение которого происходит отклонение луча от уровня 0.1 до уровня 0.9 амплитуды импульса;

4.2. Значение величины выброса: δ u = (l B / lu)*100% , где l B – амплитуда изображения выброса, l u - амплитуда изображения импульса. Определение δ u производят на импульсах положительной и отрицательной полярности.

4.3. Спад вершины изображения импульса: l СП (значение величины спада импульса) измеряют, подавая на вход канала вертикального отклонения импульс длительностью более 25 τ н с амплитудой, обеспечивающей максимальный размер изображения импульса в рабочей части экрана ЭЛТ. Значение спада вершины импульса измеряют по его изображению в точке, отстоящей от начала импульса на время, равное его длительности. Нормируют значение относительно спада вершины импульса, которое определяется по формуле: Q=l СП /l u

4.4. Неравномерность вершины изображения импульса (отражение, синхронность наводки). Величина отражения γ определяется из формулы γ=(S 1 -S) / S , где S 1 – амплитуда выброса или спада, S – толщина линии луча, указанная в стандартах или в описании на данный ЭО. Синхронные наводки v определяют измерением амплитуд, наложенных на изображение колебаний, вызванных внутренними наводками, синхронным запуском развертки: v = (v 1 -S) / S , где v 1 – отклонение луча ЭЛТ из-за наложения на изображение колебаний, вызванных внутренней наводкой. Зная параметры ПХ можно определить параметры АЧХ: f B = 350/τ н (МГц), f н = Q / (2π τ u)(Гц).

5. Чувствительность (нормальное значение коэффициента отклонения): ε=l/U вх …K d =1/ε=U вх /l…δ K =(K d /K d0)*100% , где ε - чувствительность, l – значение изображения амплитуды импульса, U вх – значение амплитуды входного сигнала, K d – коэффициент отклонения сигнала по ОУ, δ К – погрешность коэффициента отклонения, K d0 – номинальное значение K d , указанное в технической документации.

6. Параметры входа ЭО с полосой пропускания до 30 МГц определяются непосредственным измерением R и С соответствующими приборами. Для более широкополосных ЭО в тех. описании дается методика определения этих параметров.

7. Погрешности калибратора амплитуды и калибратора временных интервалов и их измерение. Определение погрешности измерения данных параметров производится путем сравнения показаний испытуемого ЭО и образцового измерительного устройства с погрешностью измерения соответствующей величины в 3 раза меньшей, чем у поверяемого ЭО.

8. Длительность развертки – время прямого хода развертки, за которое луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении. В современных ЭО длительность прямого хода развертки Т П задается в виде коэффициента развертки К р = Т П /l Т, δ р =(К р /К р ном -1)*100% , где l Т – длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности Т П , δ р – погрешность коэффициента развертки, К р ном – номинальное значение коэффициента развертки.

9. Нелинейность развертки: β р =(l-1)*100% , где l – длительность наиболее отличающегося от 1 см или одного деления шкалы временного интервала в любом места рабочей части развертки в пределах рабочей части экрана.

Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.

3.1 Назначение и использование пульта управления частотного преобразователя

На пульте управления преобразователя частоты находятся 2 дисплея индикации (4 разряда, 7 сегментов), кнопки управления, аналоговый потенциометр, индикаторы работы и блочные индикаторы. С помощью кнопок можно устанавливать функциональные параметры, подавать управляющие команды и контролировать работу частотного преобразователя .

Дисплей пульта управления

При настройке (просмотре) функциональных параметров преобразователя на верхнем дисплее пульта управления отображаются коды соответствующих параметров, на нижнем – их значения.

В рабочем режиме преобразователя на обоих экранах индицируются текущие значения величин, которые выбираются с помощью функциональных параметров F 001 и F 002, при возникновении ошибки – код ошибки состояния преобразователя частоты .

Функциональные кнопки

Кнопка	Назначение
Потенциометр	Увеличение / уменьшение величины опорной частоты, задания для ПИД-регулирования
МЕНЮ	Вход в меню для установки / просмотра значений функциональных параметров. Значения функциональных параметров начинают мигать, когда их можно изменить
ВВОД / ВД	В режиме установки значений функциональных параметров: запись (подтверждение) выбранного значения параметра во внутреннюю память частотного преобразователя . При успешном завершении операции записываемое значение прекращает мигать. В обычном режиме: изменение индикации верхнего дисплея.
ОТМЕНА / НД	В режиме установки: значений функциональных параметров: отмена операции изменения значения функционального параметра и переход в режим просмотра функциональных параметров из режима установки. Выход из меню. В обычном режиме: изменение индикации нижнего дисплея.
	В режиме установки значений функциональных параметров: переход к предыдущему параметру или увеличение значения параметра; При работающем двигателе и при активном цифровом вводе: увеличение опорной частоты или задания для ПИД-регулирования (функция потенциометра). В режиме индикации ошибок: переход к следующему коду ошибки.
	В режиме установки значений функциональных параметров: переход к последующему параметру или уменьшение значения параметра; При работающем двигателе и при активном цифровом вводе: уменьшение опорной частоты или задания для ПИД-регулирования (функция потенциометра). В режиме индикации ошибок: переход к предыдущему коду ошибки.
ПУСК	При управлении с пульта управления: команда «вращение вперёд»
РЕВЕРС / ШАГ	При управлении с пульта управления: РЕВЕРС – команда «реверсивное вращение», ШАГ – команда «шаговый режим» (выбирается с помощью функционального параметра F 014)
СТОП / СБРОС	При работающем двигателе: число оборотов постепенно снижается, частотный преобразователь прекращает работать.

Индикаторы

Группа индикаторов	Наименование индикатора	Состояние индикатора	Пояснения
Блочные индикаторы	Гц	мигает	Индикация на дисплее значения устанавливаемого задания на опорную частоту
	Гц	горит	Индикация на дисплее значения выходной частоты
		горит	Индикация на дисплее значения фактического выходного тока
		горит	Индикация на дисплее процента выходного тока
		мигает	Индикация на дисплее значения оставшегося времени, процент для каждого шага функционирующей программы
		горит	Индикация на дисплее значения входного напряжения
		мигает	Индикация на дисплее значения выходного напряжения
	об/мин	горит	Индикация на дисплее значения скорости вращения двигателя
	МПа	мигает	Индикация на дисплее значения устанавливаемого задания на давление
	МПа	горит	Индикация на дисплее значения давления обратной связи
	Ни один из индикаторов не горит		Индикация на дисплее общего времени работы
Индикаторыработы	М / Д	горит	Местный режим управления частотным преобразователем (с помощью пульта управления)
	НАПР	горит	Установка частотного преобразователя совпадает с направлением вращения двигателя
	НАПР	мигает	Установка частотного преобразователя не совпадает с направлением вращения двигателя
	ПРЯМ	горит
	ПРЯМ	мигает	Вращение двигателя вперёд, нагрузки нет
	РЕВ	горит	Реверсивное вращение двигателя,
	РЕВ	мигает	Реверсивное вращение двигателя, нагрузки нет

Просмотр и изменение значений функциональных параметров частотного преобразователя

В частотных преобразователях серии СТА- C 5. CP /СТА- C 3. CS имеется более двухсот функциональных параметров, хранящихся во внутренней памяти, значения которых можно просматривать и изменять, формируя, тем самым, различные режимы работы и общий алгоритм функционирования частотного преобразователя . Значения большинства параметров можно изменять во время работы частотного преобразователя (более подробно см. таблицу функциональных параметров), при этом они автоматически сохраняются при его выключении.

Например, Вам необходимо изменить несущую частоту преобразователя с 3 кГц (заводское значение параметра) до 6 кГц. Тогда необходимо произвести следующие действия:

Функцио-нальная кнопка	Статус состояния частотного преобразователя	Данные дисплеев пульта управления частотного преобразователя (верхний и нижний соответственно)	Пояснения
	Преобразователь находится в рабочем режиме или остановлен (питание на преобразователь подано)		На верхнем и нижнем дисплеях индицируются значения величин, заданные функциональными параметрами F 001 и F 002 соответственно
МЕНЮ	Вход в меню функциональных параметров преобразователя. Режим просмотра		На верхнем дисплее отображается код функционального параметра, который устанавливался последним во время работы преобразователя, на нижнем дисплее – его действующее значение
	Выбор функционального параметра, значение которого необходимо посмотреть или изменить		На верхнем дисплее отображается код выбранного пользователем функционального параметра, на нижнем дисплее – его действующее значение
МЕНЮ	Вход в режим изменения значения функционального параметра		На верхнем дисплее отображается код изменяемого пользователем функционального параметра, на нижнем дисплее – его действующее значение начинает мигать
	Выбор значения функционального параметра		На верхнем дисплее отображается код изменяемого пользователем функционального параметра, на нижнем дисплее –мигает значение, выбранное пользователем
ВВОД /ВД	Подтверждение устанавливаемого значения функционального параметра		На верхнем дисплее отображается код изменяемого пользователем функционального параметра, на нижнем дисплее –значение, выбранное пользователем, перестает мигать
ОТМЕНА / НД	Выход из меню функциональных параметров частотного преобразователя		Возврат к первоначальному состоянию частотного преобразователя , но с измененной несущей частотой (6 кГц)

3.2 Пробный пуск частотного преобразователя

Выбор режима управления частотного преобразователя

В частотных преобразователях серии СТА- C 5. CP /СТА- C 3. CS имеется два основных режима управления частотного преобразователя в рабочем режиме: местный (с пульта управления преобразователя) и дистанционный (с клемм управления преобразователя или по интерфейсу RS -485). Для определения режима управления частотным преобразователем используется функциональный параметр F 003.

Перед пробным пуском

Перед пробным пуском проверьте корректность подключения силовых цепей, прочность фиксации болтов, прокладку проводов, целостность силовых кабелей, нагрузку.

Во время пробного пуска

Во время пробного пуска убедитесь, что двигатель плавно разгоняется и плавно останавливается, вращается в заданном направлении, отсутствуют нетипичные вибрации, нехарактерные звуки, дисплеи отображают точные значения.

Проверка направления вращения двигателя

При подаче электропитания на частотный преобразователь , на верхнем дисплее пульта управления индицируется надпись «С TA », далее на обоих дисплеях отображается значение «0.00» (если данное значение больше, чем 0.00, поверните потенциометр в крайнее левое положение). Блочные индикаторы “Гц” и индикатор работы “М / Д” начинают светиться. Этоговорит о том, что на верхнем дисплеем индицируется опорная частота, на нижнем – выходная.

Нажмите и удерживайте кнопку РЕВЕРС / ШАГ, происходит запуск частотного преобразователя , индикаторы работы “НАПР” и ”ПРЯМ” начинают светиться. На верхнем дисплее пульта управления индицируется значение опорной частоты для шагового режима – 5.00 Гц, на нижнем экране – выходная частота (от0.00 до 5.00 Гц), которая в соответствии со временем разгона в шаговом режиме (функциональный параметр F032) возрастает до 5 Гц (до опорной частоты). Отпустите кнопку РЕВЕРС / ШАГ. Показание на нижнем дисплее пульта управления уменьшается до нуля (двигатель останавливается). Значение на дисплее становится первоначальным.

Если при этом вращение двигателя происходило в направлении, отличном от требуемого, то необходимо изменить значение функционального параметра F046. Изменять порядок подключения фаз в соединении частотного преобразователя и двигателя нет необходимости.

Использование потенциометра пульта управления во время пуска

Подайте электропитание на частотный преобразователь , на обоих дисплеях пульта управления отображается значение «0.00», если данное значение больше, чем 0.00, то обязательно поверните потенциометр пульта управления преобразователя в крайнее левое положение. Блочные индикаторы “Гц” и индикатор работы “М / Д” начинают светиться.

Нажмите кнопку ПУСК, начинает светиться индикатор “НАПР”, а индикатор “ПРЯМ” начинает мигать. Преобразователь работает, вырабатывая выходную частоту, которая меньше минимальной стартовой частоты. Поверните потенциометр по часовой стрелке, выставив тем самым опорную частоту преобразователя. Теперь на верхнем дисплее пульта управления индицируется заданная опорная частота, а на нижнем – выходная частота, увеличивающаяся от 0.00 Гц до значения опорной частоты в соответствии с временем разгона преобразователя (функциональный параметр F 019).

Проверьте также другие рабочие параметры преобразователя, такие, как напряжение, ток, с помощью функциональных кнопок ВВОД / ВД и ОТМЕНА / НД.

При нажатии функциональной кнопки СТОП / СБРОС преобразователь перестает работать, уменьшая выходную частоту от опорной (выходной, если еще не достигнута опорная) до нулевой.

Задание / изменение опорной частоты преобразователя

Допустим, необходимо в местном режиме управления частотного преобразователя при неизменных времени разгона и времени торможения запустить двигатель при опорной частоте питающего напряжения 20 Гц в прямом направлении, затем разогнать его в том же направлении до номинальной скорости при опорной частоте питающего напряжения 50 Гц (режим задания опорной частоты – цифровой с пульта управления преобразователя), после чего осуществить реверс при опорной частоте питающего напряжения 50 Гц и остановить.

20 Гц

Вперёд

Алгоритм действий (с пояснениями), которые необходимо произвести, представлен в таблице:

Действие	Функциональное назначение действия	Показания дисплеев	Пояснения
1. Подача питания на преобразователь			На дисплеях появляется индикация, установленная в преобразователе по умолчанию: опорная частота - верхний дисплей, выходная частота - нижний дисплей. Индикаторы « М / Д » и «Гц» нижнего дисплея загораются, а индикатор «Гц» верхнего дисплея – мигает.
2. Выбор режима задания опорной частоты преобразователя: МЕНЮ МЕНЮ ВВОД / ВД	Вход в меню функциональных параметров частотного преобразователя . Режим просмотра параметров. Поиск кода интересуемого параметра (F 004). Вход в режим изменения параметра. Изменение значения параметра из 1 в 0. Подтверждение измененного значения.		На верхнем дисплее отображается код функционального параметра, который устанавливался последним во время работы преобразователя, на нижнем дисплее – его действующее значение. На верхнем дисплее отображается код функционального параметра, на нижнем – его действующее значение. Значение параметра начинает мигать. Значение параметра изменено, но продолжает мигать. Значение параметра установлено и перестает мигать.
3. Изменение значения опорной частоты преобразователя на 20 Гц: МЕНЮ МЕНЮ ВВОД / ВД	Изменение значения функционального параметра F 013 с 50.00 на 20.00.	…………	Аналогично, как и в пункте 2.
4. Выход из меню функциональных параметров преобразователя: ОТМЕНА / НД Индикация на дисплеях имеет следующие значения: установленная опорная частота - верхний дисплей, выходная частота - нижний дисплей.
5. Пуск двигателя в прямом направлении с опорной частотой 20 Гц: ПУСК	Индикация на дисплеях имеет следующие значения: верхний дисплей – опорная частота, нижний дисплей – выходная частота, значение которой увеличивается с 0.00 до 20.00 в соответствии с установленным временем разгона (функциональный параметр F 019). Загорается индикатор «ПРЯМ».
6. Увеличение опорной частоты до 50 Гц:	Удерживайте кнопку изменения до получения требуемого значения.		Опорная частота (верхний дисплей) увеличивается до 50.00, выходная частота (нижний дисплей) также увеличиваются до 50.00, но не мгновенно, а в соответствии с установленным временем разгона.
7. Реверсивное вращение двигателя с опорной частотой 50 Гц: МЕНЮ МЕНЮ ВВОД / ВД ОТМЕНА / НД РЕВЕРС / ШАГ	Вход в меню функциональных параметров частотного преобразователя , изменение значения параметра F 014 с 0 на 1 и выход из меню. Опорная частота (верхний дисплей) соответствует 50.00, выходная частота (нижний дисплей) уменьшается до 0.00, а затем увеличиваются до 50.00 в соответствии с установленными временем торможения и временемразгона (функциональные параметры F 020 и F 019 соответственно). Индикатор «НАПР» мигает во время уменьшения скорости, перестаёт мигать во время ее увеличения. Загорается индикатор «РЕВ».
8. Просмотр выходного тока преобразователя: ВВОД / ВД	Нажимайте кнопку до тех пор, пока не появится индикация выходного тока преобразователя.		Индикация на дисплеях имеет следующие значения: верхний дисплей – выходной ток преобразователя, нижний дисплей – выходная частота. Индикатор «Гц» верхнего дисплея перестает светится, а загорается индикатор «А».
9. Остановка двигателя: Выходной ток преобразователя (верхний дисплей) уменьшаетсядо 0.0, выходная частота (нижний дисплей) – также уменьшается до 0.00 в соответствии с установленным временем торможения.

Синтез частот - формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот f on . Опорной называется высокостабильная частота автогенератора, обычно кварцевого.

Синтезатор частот (СЧ) - устройство, реализующее процесс синтеза. Синтезатор используется в радиоприемных и радиопередающих устройствах систем радиосвязи, радионавигации, радиолокации и другого назначения.

Основными параметрами синтезатора являются: диапазон частот выходного сигнала, количество N и шаг сетки частот Df ш, долговременная и кратковременная нестабильность частоты, уровень побочных составляющих в выходном сигнале и время перехода с одной частоты на другую. В современных синтезаторах число формируемых им дискретных частот может достигать десятков тысяч, а шаг сетки изменяться от десятков герц до десятков и сотен килогерц. Долговременная нестабильность частоты, определяемая кварцевым автогенератором, составляет 10 –6 , а в специальных случаях - 10 –8 …10 –9 . Диапазон частот синтезатора меняется в больших пределах в зависимости от назначения аппаратуры, в которой он используется.

Практические схемы синтезаторов частот весьма разнообразны. Несмотря на это разнообразие, можно отметить общие принципы, лежащие в основе построения современных синтезаторов:

Все синтезаторы основаны на использовании одного высокостабильного опорного колебания с некоторой частотой f 0 , источником которого обычно является опорный кварцевый генератор;

Синтез множества частот осуществляется широким использованием делителей, умножителей и преобразователей частоты, обеспечивающих использование одного опорного колебания для формирования сетки частот;

Обеспечение синтезаторами частот декадной установки частоты возбудителя.

По методу формирования выходных колебаний синтезаторы подразделяются на две группы: выполненные по методу прямого (пассивного) синтеза и выполненные по методу косвенного (активного) синтеза.

К первой группе относятся синтезаторы, в которых выходные колебания формируются путём деления умножения частоты опорного генератора с последующим сложением и вычитанием частот, полученных в результате деления и умножения.

Ко второй группе относятся синтезаторы, формирующие выходные колебания в диапазонном автогенераторе гармонических колебаний с параметрической стабилизацией частоты, нестабильность которого устраняется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) по эталонным (высокостабильным) частотам.

Синтезаторы обоих групп могут быть выполнены с использованием аналоговой или цифровой элементной базы.

Синтезаторы, выполненные по методу прямого синтеза.

Высокостабильный кварцевый генератор ОГ формирует колебания с частотой f 0 , которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ.

Делители частоты понижают частоту ОГ f 0 в целое число раз (d), а умножители частоты увеличивают её в целое число раз (к). Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты опорного генератора (f 0), используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называют датчиками опорных частот ДОЧ. Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе частот СЧ зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот СЧ и меньше интервал, тем больше количество ДОЧ требуется. При декадной установке частоты каждый ДОЧ формирует десять опорных частот с определённым интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора.

Опорные частоты, сформированные в датчиках, подаются на смесители. Полосовые переключаемые фильтры, включённые на выходе смесителей, выделяют в данном примере суммарную частоту: на выходе первого f 1 + f 2 , на выходе второго f 1 + f 2 + f 3 , на выходе третьего f 1 + f 2 + f 3 + f 4 .

Частота на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждой декады.

Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора равна нестабильности ОГ. Недостатком такого типа синтезаторов является наличие на его выходе большого числа комбинационных частот, что объясняется широким использованием смесителей.

Синтезаторы частот, построенные по методу косвенного синтеза

В синтезаторах, выполненных по методу косвенного синтеза, источником выходных колебаний является диапазонный автогенератор гармонических колебаний, автоматически подстраиваемый по высокостабильным частотам, формируемым в блоке опорных частот БОЧ.

Суть автоматической подстройки частоты АПЧ состоит в том, что колебания автогенератора с помощью высокостабильных частот преобразуются к некоторой постоянной частоте f АПЧ, которая сравнивается с эталонным значением частоты. В случае несовпадения сравниваемых частот формируется управляющее напряжение, которое подается на управляемый реактивный элемент и изменяет величину его реактивности (ёмкости или индуктивности).

Управляемые реактивные элементы включаются в контур, определяющий частоту АГ. Частота АГ изменяется до тех пор, пока f АПЧ не приблизится к эталонной частоте с достаточно малой остаточной расстройкой.

В зависимости от устройства сравнения все системы АПЧ можно разделить на три вида:

Системы с частотной автоподстройкой частоты ЧАП, в которой в качестве сравнивающего устройства используются частотные детекторы ЧД;

Системы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, использующие в качестве сравнивающего устройства фазовые детекторы ФД;

Системы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ИФАП, в которых сравнивающим устройством являются импульсно-фазовые детекторы ИФД.

Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, в отличие от

синтезаторов с ЧАП, не имеют остаточной расстройки. В системе ФАП сравнивающим устройством является фазовый детектор ФД. Управляющее напряжение на выходе ФД пропорционально разности фаз двух поданных на него колебаний, частоты которых в установившемся режиме равны.

На ФД подаются два колебания близких частот: одно из которых является эталонным с частотой f 0 , формируемой в БОЧ, второе является продуктом преобразования колебаний УГ в смесителе с помощью сетки частот f 01 с БОЧ

f ПР = f УГ – f 01 .

Если f ПР и f 0 близки по величине, то с выхода ФД управляющее напряжение скомпенсирует расстройку УГ и f ПР = f 0 , в системе устанавливается стационарный режим. Однако система ФАП работает в очень узкой полосе частот, не превышающей единиц кГц. Чтобы обеспечить перестройку УГ во всём его диапазоне частот, в синтезаторе с ФАП применяют систему автопоиска, которая, изменяя частоту УГ во всем диапазоне частот, обеспечивает её попадание в полосу охватывания системы ФАП. Система автопоиска представляет собой автогенератор пилообразного напряжения, который запускается при отсутствии управляющего напряжения на выходе ФНЧ. Как только частоты УГ попадают в полосу схватывания системы ФАП, генератор поиска выключается, система входит в режим автоподстройки с динамическим равновесием f ПР =f 0 .

Использование логических элементов в СЧ обусловило появление новых типов синтезаторов, которые называются цифровыми. Они обладают значительными преимуществами по сравнению с аналоговыми. Они более просты, надёжны в эксплуатации, имеют меньшие габариты и массу.

Применение логических интегральных схем в ЦСЧ позволило почти полностью исключить преобразование частоты УГ, заменив преобразователи делителем частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД.

Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты

На схеме ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления - К-разрядный программируемый цифровой счетчик. Назначение других звеньев схемы ясно из сделанных на них надписей. В блоке управления осуществляется прием и хранение данных программирования и формирование кодового сигнала, по которому устанавливается значение коэффициента деления N в зависимости от поступившей на синтезатор команды. В результате действия фазовой автоподстройки частоты устанавливается равенство частот сигналов, поступающих на вход импульсно-фазового дискриминатора: f 1 =f 2 , что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления:

Согласно шаг сетки частот Df ш =f эт /М. Меняя управляемое значение N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генератора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот.

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 -4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением . Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной . Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять . Часто оказывается вполне достаточно и . Подобная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 -5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 -5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10") приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 -5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 -6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 -6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Литература:

Вместе со статьей "Опорные генераторы" читают:

http://сайт/WLL/KvGen.php

http://сайт/WLL/synt.php

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

U/f – вольт на герц;
U/f с энкодером;
Векторное управление с разомкнутым контуром;
Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.