Częstotliwość odniesienia. Notatki z wykładów: Charakterystyki metrologiczne oscyloskopów elektronicznych. Dodatkowe opcje obejmują

Synteza częstotliwości - tworzenie dyskretnego zestawu częstotliwości z jednej lub więcej częstotliwości odniesienia f. Częstotliwość odniesienia to bardzo stabilna częstotliwość samooscylatora, zwykle kwarcowego.

Syntezator częstotliwości (MF) to urządzenie realizujące proces syntezy. Syntezator znajduje zastosowanie w urządzeniach odbiorczych i nadawczych radiowych systemów łączności radiowej, radionawigacji, radarach i innych celach.

Głównymi parametrami syntezatora są: zakres częstotliwości sygnału wyjściowego, liczba N i krok siatki częstotliwości Df w, długoterminowa i krótkotrwała niestabilność częstotliwości, poziom składników niepożądanych w sygnale wyjściowym oraz czas przejścia z jednej częstotliwości na drugą. We współczesnych syntezatorach liczba generowanych przez nie dyskretnych częstotliwości może sięgać dziesiątek tysięcy, a krok siatki może wahać się od dziesiątek herców do dziesiątek i setek kiloherców. Długotrwała niestabilność częstotliwości, wyznaczana przez własny oscylator kwarcowy, wynosi 10 –6, a w szczególnych przypadkach - 10 –8…10 –9. Zakres częstotliwości syntezatora jest bardzo zróżnicowany w zależności od przeznaczenia sprzętu, w którym jest używany.

Praktyczne konstrukcje syntezatorów częstotliwości są bardzo różnorodne. Pomimo tej różnorodności możemy zwrócić uwagę na ogólne zasady leżące u podstaw konstrukcji współczesnych syntezatorów:

Wszystkie syntezatory opierają się na zastosowaniu jednej, bardzo stabilnej oscylacji odniesienia o określonej częstotliwości f 0, której źródłem jest zwykle referencyjny oscylator kwarcowy;

Synteza wielu częstotliwości odbywa się poprzez szerokie zastosowanie dzielników, mnożników i przetwornic częstotliwości, zapewniając wykorzystanie jednej oscylacji odniesienia do utworzenia siatki częstotliwości;

Zapewnienie syntezatorom częstotliwości dziesięciodniowego ustawienia częstotliwości wzbudnicy.

Ze względu na sposób generowania oscylacji wyjściowych syntezatory dzieli się na dwie grupy: syntezatory wykonane metodą syntezy bezpośredniej (pasywnej) oraz syntezatory wykonane metodą syntezy pośredniej (aktywnej).

Do pierwszej grupy zaliczają się syntezatory, w których oscylacje wyjściowe powstają poprzez podzielenie i pomnożenie częstotliwości oscylatora odniesienia, a następnie dodanie i odjęcie częstotliwości uzyskanych w wyniku dzielenia i mnożenia.

Do drugiej grupy zaliczają się syntezatory generujące oscylacje wyjściowe w zakresie autooscylatora oscylacji harmonicznych z parametryczną stabilizacją częstotliwości, których niestabilność eliminowana jest przez system automatycznej regulacji częstotliwości (AFC) oparty na częstotliwościach odniesienia (wysoce stabilnych).

Syntezatory obu grup można wykonać na bazie elementów analogowych lub cyfrowych.

Syntezatory wykonane metodą syntezy bezpośredniej.

Wysoce stabilny oscylator kwarcowy generuje oscylacje o częstotliwości f 0 , które są dostarczane do dzielników częstotliwości i mnożników częstotliwości MF i HF.

Dzielniki częstotliwości zmniejszają częstotliwość gazów spalinowych f 0 o całkowitą liczbę razy (d), a mnożniki częstotliwości zwiększają ją o całkowitą liczbę razy (k). Częstotliwości uzyskane w wyniku dzielenia i mnożenia częstotliwości oscylatora odniesienia (f 0) służą do tworzenia częstotliwości odniesienia w specjalnych urządzeniach zwanych czujnikami częstotliwości odniesienia. Całkowita liczba czujników częstotliwości odniesienia w syntezatorze częstotliwości średniotonowych zależy od zakresu częstotliwości generowanych przez syntezator i odstępu między sąsiednimi częstotliwościami: im szerszy zakres częstotliwości średniotonowych i im mniejszy odstęp, tym większa liczba wymaganych częstotliwości. Przy ustawieniu częstotliwości na dziesięć dni każdy DFC generuje dziesięć częstotliwości odniesienia z określonym odstępem między sąsiednimi częstotliwościami. Całkowita liczba wymaganych czujników jest określona przez liczbę cyfr (bitów) w zapisie maksymalnej częstotliwości syntezatora.

Częstotliwości referencyjne generowane w czujnikach podawane są do mieszalników. Przełączane filtry pasmowoprzepustowe zawarte na wyjściu mikserów podkreślają całkowitą częstotliwość w tym przykładzie: na wyjściu pierwszego f 1 + f 2 , na wyjściu drugiego f 1 + f 2 + f 3 , na wyjściu trzeci fa 1 + fa 2 + fa 3 + fa 4 .

Częstotliwość na wyjściu wzbudnicy przy ustawieniu dziesięciodniowym jest określona przez położenie przełączników każdej dekady.

Względna niestabilność częstotliwości na wyjściu syntezatora jest równa niestabilności gazów spalinowych. Wadą tego typu syntezatorów jest obecność na jego wyjściu dużej liczby kombinacji częstotliwości, co tłumaczy się powszechnym stosowaniem mikserów.

Syntezatory częstotliwości zbudowane metodą syntezy pośredniej

W syntezatorach wykonanych metodą syntezy pośredniej źródłem oscylacji wyjściowych jest autooscylator zakresowy oscylacji harmonicznych, automatycznie dopasowywany do wysoce stabilnych częstotliwości generowanych w bloku częstotliwości odniesienia BOCH.

Istota automatycznej regulacji częstotliwości AFC polega na tym, że oscylacje oscylatora wykorzystujące bardzo stabilne częstotliwości są przekształcane na pewną stałą częstotliwość f AFC, która jest porównywana z wartością częstotliwości odniesienia. Jeżeli porównywane częstotliwości nie są zgodne, generowane jest napięcie sterujące, które podawane jest na sterowany element bierny i zmienia wartość jego reaktywności (pojemność lub indukcyjność).

Kontrolowane elementy reaktywne są zawarte w obwodzie, który określa częstotliwość AG. Częstotliwość AG zmienia się, dopóki f AFC nie zbliży się do częstotliwości odniesienia z wystarczająco małym przestrojeniem resztkowym.

W zależności od urządzenia porównawczego wszystkie systemy AFC można podzielić na trzy typy:

Układy ze sterowaniem częstotliwością z zależną częstotliwością, w których jako urządzenie porównawcze wykorzystywane są detektory częstotliwości czarnych dziur;

Systemy z pętlą synchronizacji fazy, pętlą synchronizacji fazy, wykorzystujące detektory fazy PD jako urządzenie porównawcze;

Układy z automatyczną regulacją częstotliwości impulsowo-fazowej (IFAP), w których urządzeniem porównującym są detektory impulsowo-fazowe IPD.

W przeciwieństwie do syntezatorów z pętlą synchronizacji fazy z blokowaniem fazy

syntezatory z CAP nie mają resztkowego rozstrojenia. W systemie PLL urządzeniem porównującym jest detektor fazy WNZ. Napięcie sterujące na wyjściu PD jest proporcjonalne do różnicy faz pomiędzy dwoma przyłożonymi do niego oscylacjami, których częstotliwości w stanie ustalonym są równe.

Do PD dostarczane są dwie oscylacje o bliskich częstotliwościach: jedna z nich jest odniesieniem o częstotliwości f 0 generowanej w beczce, druga jest produktem przekształcenia oscylacji oscylatora w mieszalniku za pomocą siatki częstotliwości f 01 z lufą

f PR = f UG – f 01.

Jeżeli wartości f PR i f 0 są zbliżone, to napięcie sterujące z wyjścia PD kompensuje odstrojenie centrali i f PR = f 0, a w systemie zostaje ustanowiony tryb stacjonarny. Jednakże system PLL działa w bardzo wąskim paśmie częstotliwości, nieprzekraczającym kilku kHz. Aby zapewnić dostrojenie przebiegu fali ultradźwiękowej w całym zakresie częstotliwości, w syntezatorze z pętlą synchronizacji fazy zastosowano system automatycznego wyszukiwania, który zmieniając częstotliwość przebiegu fali ultradźwiękowej w całym zakresie częstotliwości, zapewnia, że mieści się w paśmie pokrycia systemu pętli synchronizacji fazy. System automatycznego wyszukiwania to własny oscylator napięcia piłokształtnego, który uruchamia się, gdy na wyjściu filtra dolnoprzepustowego nie ma napięcia sterującego. Gdy tylko częstotliwości UG wpadną w pasmo przechwytywania systemu PLL, generator wyszukiwania zostaje wyłączony, system wchodzi w tryb automatycznego dostrajania z równowagą dynamiczną f PR = f 0 .

Zastosowanie elementów logicznych w środku pasma doprowadziło do pojawienia się nowych typów syntezatorów, które nazywane są cyfrowymi. Mają znaczną przewagę nad analogami. Są prostsze, bardziej niezawodne w działaniu, mają mniejsze wymiary i wagę.

Zastosowanie logicznych układów scalonych w cyfrowej przetwornicy częstotliwości pozwoliło niemal całkowicie wyeliminować przekształcenie częstotliwości UG, zastępując przetwornice dzielnikiem częstotliwości o zmiennym współczynniku podziału DPKD.

Schemat blokowy syntezatora z jednym pierścieniem z synchronizacją fazową

Na schemacie DPKD - dzielnik o zmiennym współczynniku podziału - programowalny licznik cyfrowy K-bitowy. Przeznaczenie pozostałych ogniw obwodu jasno wynika z napisów na nich wykonanych. Jednostka sterująca odbiera i przechowuje dane programowe oraz generuje sygnał kodowy, który ustala wartość współczynnika podziału N w zależności od polecenia otrzymanego przez syntezator. W wyniku działania regulacji częstotliwości z synchronizacją fazową ustalana jest równość częstotliwości sygnałów docierających na wejście dyskryminatora impulsowo-fazowego: f 1 = f 2, co pozwala nam zapisać następującą zależność dla częstotliwości autooscylatorów stabilizowanych i odniesienia, z uwzględnieniem wartości współczynników podziału:

Zgodnie ze krokiem siatki częstotliwości Df w =f fl /M. Zmieniając wartość sterowaną N, ustawia się wymaganą wartość częstotliwości stabilizowanego generatora, którą za pomocą elementu sterującego można dostroić w wymaganym zakresie częstotliwości.

Obecnie przy opracowywaniu sprzętu elektronicznego dużą wagę przywiązuje się do stabilności jego właściwości. Mobilna łączność radiowa, w tym łączność komórkowa, nie jest wyjątkiem. Głównym warunkiem osiągnięcia stabilnych właściwości elementów sprzętu elektronicznego jest stabilność częstotliwości głównego oscylatora.

Każdy sprzęt elektroniczny, w tym odbiorniki, nadajniki i mikrokontrolery, zwykle zawiera dużą liczbę generatorów. Początkowo należało podjąć wysiłki, aby zapewnić stabilność częstotliwości wszystkich generatorów. Wraz z rozwojem technologii cyfrowej ludzie nauczyli się tworzyć oscylacje o dowolnej częstotliwości z jednej pierwotnej częstotliwości. Dzięki temu możliwe stało się przeznaczyć dodatkowe środki na zwiększenie stabilności częstotliwościowej JEDNEGO oscylatora i w ten sposób uzyskać cały zakres częstotliwości o bardzo dużej stabilności. Ten generator częstotliwości nazywa się generator referencyjny

Początkowo stosowano specjalne metody projektowania w celu uzyskania stabilnych oscylacji generatorów LC:

• Zmiana indukcyjności spowodowana rozszerzaniem się metalowego drutu została skompensowana poprzez wybór materiału rdzenia, którego działanie było odwrotne do efektu przewodników indukcyjnych;
• metal został wypalony w rdzeń ceramiczny o niskim współczynniku rozszerzalności temperaturowej;
• W obwodzie zastosowano kondensatory o różnych współczynnikach temperaturowych pojemności (TKE).

W ten sposób udało się uzyskać stabilność częstotliwości referencyjnej oscylatora na poziomie 10 -4 (przy częstotliwości 10 MHz dryft częstotliwości wynosił 1 kHz)

Jednocześnie prowadzono prace nad zastosowaniem zupełnie innych metod uzyskiwania stabilnych oscylacji. Opracowano generatory strunowe, kamertonowe i magnetostrykcyjne. Ich stabilność osiągała bardzo wysokie wartości, ale jednocześnie ich wymiary, złożoność i cena uniemożliwiały ich szeroką dystrybucję. Rewolucyjnym przełomem był rozwój generatorów wykorzystujących. Jeden z najpopularniejszych obwodów oscylatora kwarcowego, wykonany na tranzystorze bipolarnym, pokazano na rysunku 1.

W tym obwodzie oscylatora odniesienia równowagę amplitudy zapewnia tranzystor VT1, a równowagę fazy zapewnia obwód Z1, C1, C2. Generator jest zmontowany zgodnie z normą. Różnica polega na tym, że zamiast cewki indukcyjnej zastosowano rezonator kwarcowy Z1. Należy zauważyć, że w tym schemacie nie jest konieczne używanie . Często okazuje się, że to wystarczy. Podobny schemat pokazano na rysunku 2.

Obwody oscylatora kwarcowego pokazane na rysunkach 1 i 2 pozwalają uzyskać stabilność częstotliwości drgań odniesienia rzędu 10 - 5. Największy wpływ na obciążenie ma krótkotrwała stabilność oscylacji oscylatora odniesienia. Jeżeli na wyjściu oscylatora odniesienia występują zewnętrzne oscylacje, można je zarejestrować. W rezultacie oscylator kwarcowy będzie wytwarzał oscylacje przy częstotliwości zakłócającej. Aby zapobiec przejawieniu się tego zjawiska w oscylatorze odniesienia, na jego wyjściu zwykle instalowany jest wzmacniacz, którego głównym celem jest zapobieganie przedostawaniu się oscylacji zewnętrznych do oscylatora kwarcowego. Podobny schemat pokazano na rysunku 3.

Równie ważnym parametrem, który w dużej mierze determinuje szum fazowy oscylatora (w przypadku obwodów cyfrowych - jitter sygnału synchronizacji) jest napięcie zasilania, dlatego referencyjne oscylatory kwarcowe są zwykle zasilane z wysoce stabilnego, niskoszumnego źródła napięcia, a moc jest filtrowane przez obwody RC lub LC.

Największy wpływ na niestabilność częstotliwości oscylatora kwarcowego ma zależność częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego od temperatury. Do produkcji kryształowych rezonatorów oscylatorów odniesienia zwykle stosuje się nacięcia AT, które zapewniają najlepszą stabilność częstotliwości w zależności od temperatury. Jest to 1*10 -5 (10 milionowych lub 10 ppm). Przykład zależności częstotliwości rezonatorów kwarcowych z cięciem AT od temperatury przy różnych kątach cięcia (krok kąta cięcia 10") pokazano na rysunku 4.

Niestabilność częstotliwości 1*10 -5 jest wystarczająca dla większości urządzeń radioelektronicznych, dlatego oscylatory kwarcowe są bardzo szeroko stosowane bez specjalnych środków zwiększających stabilność częstotliwości. Oscylatory odniesienia stabilizowane kryształami bez dodatkowych środków stabilizacji częstotliwości nazywane są XO.

Jak widać na rysunku 4, dobrze znana jest zależność częstotliwości strojenia rezonatora kwarcowego o cięciu AT od temperatury. Co więcej, zależność tę można usunąć eksperymentalnie dla każdego konkretnego przypadku rezonatora kwarcowego. Dlatego jeśli stale mierzysz temperaturę kryształu kwarcu (lub temperaturę wewnątrz kwarcowego oscylatora odniesienia), wówczas częstotliwość oscylacji oscylatora odniesienia można przesunąć do wartości nominalnej poprzez zwiększenie lub zmniejszenie dodatkowej pojemności podłączonej do rezonatora kwarcowego .

W zależności od obwodu regulacji częstotliwości takie oscylatory odniesienia nazywane są TCXO (oscylatory kwarcowe z kompensacją temperatury) lub MCXO (oscylatory kwarcowe sterowane mikrokontrolerem). Stabilność częstotliwości takich kwarcowych oscylatorów odniesienia może osiągnąć 0,5 * 10 -6 (0,5 milionowej lub 0,5 ppm)

W niektórych przypadkach oscylatory odniesienia zapewniają możliwość regulacji nominalnej częstotliwości generowania w małych granicach. Regulacja częstotliwości odbywa się poprzez przyłożenie napięcia do waricapa podłączonego do rezonatora kwarcowego. Zakres regulacji częstotliwości generatora nie przekracza ułamka procenta. Taki generator nazywa się VCXO. Część obwodu oscylatora odniesienia (bez obwodu kompensacji termicznej) pokazano na rysunku 5.

Obecnie wiele firm produkuje oscylatory referencyjne o stabilności częstotliwości do 0,5*10 -6 w obudowach o małych gabarytach. Przykładowy rysunek takiego generatora odniesienia pokazano na rysunku 6.

Literatura:

Wraz z artykułem „Oscylatory odniesienia” przeczytaj:

http://site/WLL/KvGen.php

http://site/WLL/synt.php

Według najnowszych statystyk około 70% całej energii elektrycznej wytwarzanej na świecie zużywają napędy elektryczne. I z każdym rokiem odsetek ten rośnie.

Przy odpowiednio dobranym sposobie sterowania silnikiem elektrycznym możliwe jest uzyskanie maksymalnej wydajności, maksymalnego momentu obrotowego na wale maszyny elektrycznej, a jednocześnie wzrośnie ogólna wydajność mechanizmu. Wydajnie działające silniki elektryczne zużywają minimum prądu i zapewniają maksymalną wydajność.

W przypadku silników elektrycznych zasilanych z falownika sprawność będzie w dużej mierze zależała od wybranego sposobu sterowania maszyną elektryczną. Tylko poprzez zrozumienie zalet każdej metody inżynierowie i projektanci systemów napędowych mogą uzyskać maksymalną wydajność każdej metody sterowania.
Treść:

Metody kontroli

Wiele osób zajmujących się automatyką, ale niezbyt zaangażowanych w rozwój i wdrażanie elektrycznych układów napędowych, uważa, że ​​sterowanie silnikiem elektrycznym składa się z sekwencji poleceń wprowadzanych za pomocą interfejsu z panelu sterującego lub komputera PC. Tak, z punktu widzenia ogólnej hierarchii sterowania zautomatyzowanym systemem, jest to poprawne, ale istnieją również sposoby na sterowanie samym silnikiem elektrycznym. To właśnie te metody będą miały maksymalny wpływ na wydajność całego systemu.

W przypadku silników asynchronicznych podłączonych do przetwornicy częstotliwości istnieją cztery główne metody sterowania:

• U/f – wolty na herc;
• U/f z enkoderem;
• Sterowanie wektorowe w otwartej pętli;
• Sterowanie wektorowe w zamkniętej pętli;

Wszystkie cztery metody wykorzystują modulację szerokości impulsu PWM, która zmienia szerokość stałego sygnału poprzez zmianę szerokości impulsów w celu wytworzenia sygnału analogowego.

Modulacja szerokości impulsu jest stosowana w przetwornicy częstotliwości przy użyciu stałego napięcia szyny DC. szybko otwierając i zamykając (dokładniej przełączając) generują impulsy wyjściowe. Zmieniając szerokość tych impulsów na wyjściu, uzyskuje się „sinusoidę” o pożądanej częstotliwości. Nawet jeśli kształt napięcia wyjściowego tranzystorów jest pulsacyjny, prąd nadal jest uzyskiwany w postaci sinusoidy, ponieważ silnik elektryczny ma indukcyjność, która wpływa na kształt prądu. Wszystkie metody sterowania opierają się na modulacji PWM. Różnica pomiędzy sposobami sterowania polega jedynie na sposobie obliczania napięcia dostarczanego do silnika elektrycznego.

W tym przypadku częstotliwość nośna (pokazana na czerwono) reprezentuje maksymalną częstotliwość przełączania tranzystorów. Częstotliwość nośna dla falowników mieści się zwykle w zakresie 2 kHz - 15 kHz. Częstotliwość odniesienia (pokazana na niebiesko) to sygnał sterujący częstotliwością wyjściową. Dla falowników stosowanych w konwencjonalnych elektrycznych układach napędowych z reguły mieści się w przedziale od 0 Hz do 60 Hz. Kiedy sygnały o dwóch częstotliwościach nałożą się na siebie, zostanie wydany sygnał otwarcia tranzystora (zaznaczony na czarno), który dostarcza napięcie zasilania do silnika elektrycznego.

Metoda sterowania U/F

Sterowanie woltomierzem, najczęściej określane jako U/F, jest prawdopodobnie najprostszą metodą sterowania. Jest często stosowany w prostych układach napędu elektrycznego ze względu na swoją prostotę i minimalną liczbę parametrów wymaganych do działania. Ta metoda sterowania nie wymaga obowiązkowej instalacji enkodera i obowiązkowych ustawień napędu elektrycznego o zmiennej częstotliwości (ale jest zalecana). Prowadzi to do niższych kosztów wyposażenia pomocniczego (czujniki, przewody sprzężenia zwrotnego, przekaźniki itp.). Sterowanie U/F jest dość często stosowane w sprzęcie o wysokiej częstotliwości, na przykład często jest używane w maszynach CNC do napędzania obrotu wrzeciona.

Model stałego momentu obrotowego charakteryzuje się stałym momentem obrotowym w całym zakresie prędkości przy tym samym stosunku U/F. Model o zmiennym przełożeniu momentu obrotowego ma niższe napięcie zasilania przy niskich prędkościach. Jest to konieczne, aby zapobiec nasyceniu maszyny elektrycznej.

U/F to jedyny sposób regulacji prędkości asynchronicznego silnika elektrycznego, który umożliwia sterowanie kilkoma napędami elektrycznymi z jednej przetwornicy częstotliwości. W związku z tym wszystkie maszyny uruchamiają się i zatrzymują jednocześnie oraz działają z tą samą częstotliwością.

Jednak ta metoda kontroli ma kilka ograniczeń. Na przykład, stosując metodę sterowania U/F bez enkodera, nie ma całkowitej pewności, że wał maszyny asynchronicznej się obraca. Ponadto moment rozruchowy maszyny elektrycznej przy częstotliwości 3 Hz jest ograniczony do 150%. Tak, ograniczony moment obrotowy jest więcej niż wystarczający, aby obsłużyć większość istniejącego sprzętu. Na przykład prawie wszystkie wentylatory i pompy wykorzystują metodę sterowania U/F.

Metoda ta jest stosunkowo prosta ze względu na luźniejszą specyfikację. Regulacja prędkości zazwyczaj mieści się w zakresie 2% - 3% maksymalnej częstotliwości wyjściowej. Odpowiedź prędkości jest obliczana dla częstotliwości powyżej 3 Hz. Szybkość reakcji przetwornicy częstotliwości jest określona przez szybkość jej reakcji na zmiany częstotliwości odniesienia. Im wyższa prędkość reakcji, tym szybciej napęd elektryczny będzie reagował na zmiany ustawienia prędkości.

Zakres regulacji prędkości przy zastosowaniu metody U/F wynosi 1:40. Mnożąc ten stosunek przez maksymalną częstotliwość pracy napędu elektrycznego, otrzymujemy wartość minimalnej częstotliwości, przy której może pracować maszyna elektryczna. Na przykład, jeśli maksymalna wartość częstotliwości wynosi 60 Hz, a zakres wynosi 1:40, wówczas minimalna wartość częstotliwości wyniesie 1,5 Hz.

Wzór U/F określa zależność pomiędzy częstotliwością i napięciem podczas pracy przemiennika częstotliwości. Zgodnie z nią z krzywej zadanej prędkości obrotowej (częstotliwości silnika) będzie wynikać, oprócz wartości częstotliwości, także wartość napięcia podawanego na zaciski maszyny elektrycznej.

Operatorzy i technicy mogą wybrać żądany wzór sterowania U/F za pomocą jednego parametru w nowoczesnej przetwornicy częstotliwości. Wstępnie zainstalowane szablony są już zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań. Istnieją również możliwości tworzenia własnych szablonów, które zostaną zoptymalizowane pod kątem konkretnego przemiennika częstotliwości lub układu silnika elektrycznego.

Urządzenia takie jak wentylatory czy pompy posiadają moment obciążenia zależny od ich prędkości obrotowej. Zmienny moment obrotowy (zdjęcie powyżej) wzoru U/F zapobiega błędom sterowania i poprawia wydajność. Ten model sterowania zmniejsza prądy magnesujące przy niskich częstotliwościach poprzez zmniejszenie napięcia na maszynie elektrycznej.

Mechanizmy o stałym momencie obrotowym, takie jak przenośniki, wytłaczarki i inny sprzęt, wykorzystują metodę kontroli stałego momentu obrotowego. Przy stałym obciążeniu wymagany jest pełny prąd magnesowania przy wszystkich prędkościach. W związku z tym charakterystyka ma proste nachylenie w całym zakresie prędkości.

Metoda sterowania U/F za pomocą enkodera

W przypadku konieczności zwiększenia dokładności regulacji prędkości obrotowej do układu sterowania dodawany jest enkoder. Wprowadzenie sprzężenia zwrotnego prędkości za pomocą enkodera pozwala zwiększyć dokładność sterowania do 0,03%. Napięcie wyjściowe będzie nadal określane na podstawie określonego wzorca U/F.

Ta metoda sterowania nie jest powszechnie stosowana, ponieważ korzyści, jakie zapewnia w porównaniu ze standardowymi funkcjami U/F, są minimalne. Moment rozruchowy, prędkość reakcji i zakres regulacji prędkości są identyczne jak w przypadku standardowego U/F. Ponadto wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych mogą pojawić się problemy z działaniem enkodera, ponieważ ma on ograniczoną liczbę obrotów.

Sterowanie wektorowe w otwartej pętli

Sterowanie wektorowe w otwartej pętli (VC) służy do szerszego i bardziej dynamicznego sterowania prędkością maszyny elektrycznej. Silniki elektryczne, rozpoczynając od przetwornicy częstotliwości, mogą rozwinąć moment rozruchowy wynoszący 200% momentu znamionowego przy częstotliwości zaledwie 0,3 Hz. Rozszerza to znacznie listę mechanizmów, w których można zastosować asynchroniczny napęd elektryczny ze sterowaniem wektorowym. Metoda ta umożliwia także kontrolowanie momentu obrotowego maszyny we wszystkich czterech ćwiartkach.

Moment obrotowy jest ograniczony przez silnik. Jest to konieczne, aby zapobiec uszkodzeniu sprzętu, maszyn lub produktów. Wartość momentów obrotowych dzieli się na cztery różne ćwiartki, w zależności od kierunku obrotów maszyny elektrycznej (do przodu lub do tyłu) oraz w zależności od tego, czy silnik elektryczny pracuje. Limity można ustawić indywidualnie dla każdej ćwiartki lub użytkownik może ustawić całkowity moment obrotowy w przetwornicy częstotliwości.

Tryb silnika maszyny asynchronicznej zostanie zapewniony, że pole magnetyczne wirnika będzie opóźnione w stosunku do pola magnetycznego stojana. Jeśli pole magnetyczne wirnika zacznie przewyższać pole magnetyczne stojana, maszyna przejdzie w tryb hamowania regeneracyjnego z uwolnieniem energii, innymi słowy, silnik asynchroniczny przejdzie w tryb generatora.

Na przykład maszyna do zamykania butelek może wykorzystywać ograniczenie momentu obrotowego w ćwiartce 1 (kierunek do przodu z dodatnim momentem obrotowym), aby zapobiec nadmiernemu dokręceniu nakrętki butelki. Mechanizm przesuwa się do przodu i wykorzystuje dodatni moment obrotowy do dokręcenia nakrętki butelki. Jednak urządzenie takie jak winda z przeciwwagą cięższą niż pusty wagon będzie wykorzystywać ćwiartkę 2 (odwrotny obrót i dodatni moment obrotowy). Jeśli kabina podniesie się na najwyższe piętro, moment obrotowy będzie przeciwny do prędkości. Jest to konieczne, aby ograniczyć prędkość podnoszenia i zapobiec swobodnemu opadaniu przeciwwagi, ponieważ jest ona cięższa od kabiny.

Prądowe sprzężenie zwrotne w tych przetwornicach częstotliwości umożliwia ustawienie ograniczeń momentu obrotowego i prądu silnika elektrycznego, ponieważ wraz ze wzrostem prądu wzrasta również moment obrotowy. Napięcie wyjściowe falownika może wzrosnąć, jeśli mechanizm wymaga większego momentu obrotowego, lub zmniejszyć, jeśli zostanie osiągnięta jego maksymalna dopuszczalna wartość. Dzięki temu zasada sterowania wektorowego maszyny asynchronicznej jest bardziej elastyczna i dynamiczna w porównaniu z zasadą U/F.

Również przetwornice częstotliwości ze sterowaniem wektorowym i otwartą pętlą mają szybszą odpowiedź prędkościową wynoszącą 10 Hz, co umożliwia zastosowanie ich w mechanizmach obciążonych udarowo. Na przykład w kruszarkach do skał obciążenie stale się zmienia i zależy od objętości i wymiarów przetwarzanej skały.

W przeciwieństwie do schematu sterowania U/F, sterowanie wektorowe wykorzystuje algorytm wektorowy do określenia maksymalnego efektywnego napięcia roboczego silnika elektrycznego.

Sterowanie wektorowe VU rozwiązuje ten problem ze względu na obecność sprzężenia zwrotnego na temat prądu silnika. Z reguły prądowe sprzężenie zwrotne jest generowane przez wewnętrzne przekładniki prądowe samej przetwornicy częstotliwości. Na podstawie uzyskanej wartości prądu przetwornica częstotliwości oblicza moment obrotowy i strumień maszyny elektrycznej. Podstawowy wektor prądu silnika jest matematycznie dzielony na wektor prądu magnesującego (I d) i momentu obrotowego (I q).

Wykorzystując dane i parametry maszyny elektrycznej, falownik oblicza wektory prądu magnesowania (I d) i momentu obrotowego (I q). Aby osiągnąć maksymalną wydajność, przetwornica częstotliwości musi utrzymywać I d i I q oddzielone kątem 90 0. Jest to istotne, ponieważ sin 90 0 = 1, a wartość 1 reprezentuje maksymalną wartość momentu obrotowego.

Ogólnie rzecz biorąc, sterowanie wektorowe silnika indukcyjnego zapewnia ściślejszą kontrolę. Regulacja prędkości wynosi około ±0,2% maksymalnej częstotliwości, a zakres regulacji sięga 1:200, co pozwala utrzymać moment obrotowy podczas pracy z niskimi prędkościami.

Sterowanie ze sprzężeniem wektorowym

Sterowanie wektorem sprzężenia zwrotnego wykorzystuje ten sam algorytm sterowania, co VAC w otwartej pętli. Główną różnicą jest obecność enkodera, który pozwala przetwornicy częstotliwości wytworzyć 200% momentu rozruchowego przy 0 obr./min. Punkt ten jest po prostu niezbędny do stworzenia początkowego momentu przy ruszaniu z wind, dźwigów i innych maszyn dźwigowych, aby zapobiec osiadaniu ładunku.

Obecność czujnika sprzężenia zwrotnego prędkości pozwala wydłużyć czas reakcji systemu do ponad 50 Hz, a także rozszerzyć zakres kontroli prędkości do 1:1500. Ponadto obecność sprzężenia zwrotnego pozwala kontrolować nie prędkość maszyny elektrycznej, ale moment obrotowy. W niektórych mechanizmach duże znaczenie ma wartość momentu obrotowego. Na przykład maszyna do nawijania, mechanizmy zatykające i inne. W takich urządzeniach konieczna jest regulacja momentu obrotowego maszyny.