Разработка модернизированной схемы управления электропривода стрелочного крана

Виды преобразователей частоты, анализ схемных решений, достоинства и недостатки

По уровню напряжения питания существует три варианта преобразователей: 380−415, 500−525 и 600−690 В. По степени защиты оболочки они бывают IP 23 и IP 54. Существует два варианта системы охлаждения: с общим и с раздельным контуром охлаждения.

В последнем случае охлаждение силовых элементов происходит отдельным потоком воздуха, заключенным в специальные воздуховоды, что предотвращает перегрев управляющей части преобразователя, которая охлаждается отдельным вентилятором. При большой мощности силовая часть охлаждается жидкостным контуром.

По способу управления электродвигателем частотные преобразователи можно разделить на две группы: с векторным и скалярным управлением, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки.

Скалярный тип управления. При скалярном (частотном) управлении формируются гармонические токи фаз двигателя это означает что управление чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

Векторный тип управления. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т. е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150−200% от Мном, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле.

При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин.

Метод векторного управления с обратной связью по скорости — используется для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т. е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.

Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении.

Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости — сотые доли процента, точность по моменту — единицы процентов.

Виды преобразователей частоты:

1. Диодный преобразователь частоты

В большинстве приемниках сверхвысоких частот в качестве преобразовательного элемента преобразователей частоты используют кристаллические диоды, обладающие малым временем пролета электронов (малой инерционностью и сравнительно малыми шумами. Недостаток диодных преобразователей — отсутствие усилительных свойств. Такие преобразователи частоты применяют в профессиональных радиоприемных устройствах.

Фильтр настроен на частоту fопр. Частичное подключение диода к входному и выходному контурам снижает шунтирующее действие на них сопротивления диода. В реальных конструкциях диодных преобразователей СВЧ входной контур выполняют в виде отрезков полосковых или коаксиальных линий, а также в виде объемных резонаторов. В некоторых преобразователях предусматривают источник напряжения смещения Е, оптимизирующий рабочий участок ВАХ диода.

2. Транзисторный преобразователь частоты

В транзисторных преобразователях частоты в качестве преобразовательного элемента используют биполярный или полевой транзистор. Под действием напряжения гетеродина Uг периодически с частотой гетеродина fг меняется во времени крутизна S транзистора, за счет чего происходит преобразование частоты. По аналогии с усилителем, в транзисторных преобразователях напряжение сигнала может подаваться в цепь базы, либо цепь эмиттера, показана упрощенная схема по переменному току преобразователя с ОЭ, в котрой напряжение сигнала Uc подано в цепь базы транзистора, а напряжение гетеродина Uг — в цепь эмиттера; для сигнала транзистор включен по схеме с ОЭ, а для гетеродина — по схеме с ОБ. В обоих преобразователях суммарное напряжение сигнала и гетеродина действует между эмиттером и базой.

В преобразователе с ОЭ (рис. а) Iвх с частотой fс определяется током базы, а в преобразователе с ОБ (рис.б) — током эмиттера; поскольку ток базы меньше тока эмиттера, преобразователь с ОЭ потребляет от источника сигнала меньший ток по сравнению-с преобразователем с ОБ.

3. Балансный преобразователь частоты

Балансный преобразователь частоты — это соединение двух небалансных преобразователей. В зависимости от подачи напряжений Uc и Uг на преобразовательный элемент возможны два варианта построения балансных преобразователей частот. При первом варианте напряжения сигнала на преобразовательный элемент равны по значению, но противоположны по фазе (противофазные сигналы); напряжения гетеродина на обих преобразователях элементах равны по значению и действуют в одной фазе (синфазные напряжения). При втором варианте напряжения сигнала на преобразовательный элемент синфазные, а напряжения гетеродина противофазные. Общим для обоих вариантов построения балансных преобразователей частоты является то, что из двух подводимых к преобразовательному элемету напряжений Uг и U, одно дейсвует на оба преобразовательных элемента синфазно, а другое — противофазно. Напряжение на входе балансного преобразователя частоты, как правило, определяется разностью выходных токов преобразовательного элемента.

Особенно важны для балансных преобразователей два свойства:

• — Конпенсация всех помех от любых источников на выходе каскада при их синфазном воздействии на ПЭ. При отсутствии противофазных сигналов на входе балансного преобразователя и действии на ПЭ только синфазных напряжений гетеродина напряжения на входном и выходном контурах преобразователя частоты равны нулю; при этом на выходе преобразователя нет напряжения шумов гетеродина, а во входную цепь приемника не просачивается напряжение с частотой гетеродина. При подаче напряжения Uc это свойство преобразователя частоты не нарушается;
• — компенсация четных гармоник токов преобразовательного элемента в нагрузке, что приводит к уменьшению в балансном преобразователе частоты числа побочных каналов.
• 4. Кольцевой преобразователь частоты

Кольцевой преобразователь служит для повышения развязки между цепями сигнала и гетеродина, а также для обеспечения практически полного исключения прохождения сигнала и гетеродина в цепи промежуточной частоты для этого используют двойные балансные преобразователи, получившие название кольцевые На рисунке приведена схема диодного кольцевого преобразователя, в котором диоды образуют кольцо с односторонней проводимостью. Напряжение сигнала через согласующую катушку связи со средней точкой подводится к кольцу из диодов Д1-Д4 (первая диагональ моста), во вторую диагональ моста включена катушка связи с фильтром на частоте f0. Напряжение Uг подключено между средними точками катушек связи.

На входе кольцевого преобразователя при высокой симметрии плеч обеспечивается подавление побочных эффектов преобразования. Снизить уровень нелинейных эффектов при преобразовании удается использованием диодов Шотки. Подобные преобразователи имеют низкий уровень шумов и большой линейный участок амплитудной характеристики, однако обладают значительными потерями при преобразовании.