Sintetizadores de frecuencia. Starikov sobre. circuito básico, bloques de construcción y características de ruido de bucles de enganche de fase de sintetizadores de frecuencia Frecuencia de referencia

Síntesis de frecuencias: la formación de un conjunto discreto de frecuencias a partir de una o más frecuencias de referencia f on . La referencia es la frecuencia altamente estable del oscilador, generalmente cuarzo.

Sintetizador de frecuencia (MF): un dispositivo que implementa el proceso de síntesis. El sintetizador se utiliza en receptores de radio y transmisores de radio de sistemas de comunicación por radio, navegación por radio, radar y otros fines.

Los parámetros principales del sintetizador son: el rango de frecuencia de la señal de salida, el número N y el paso de la cuadrícula de frecuencia Df w, la inestabilidad de frecuencia a corto y largo plazo, el nivel de los componentes secundarios en la señal de salida y la transición tiempo de una frecuencia a otra. En los sintetizadores modernos, el número de frecuencias discretas generadas por él puede llegar a decenas de miles, y el paso de la cuadrícula puede variar de decenas de hercios a decenas y cientos de kilohercios. La inestabilidad de frecuencia a largo plazo, determinada por un autooscilador de cuarzo, es 10 -6, y en casos especiales - 10 -8 ... 10 -9. El rango de frecuencia del sintetizador varía ampliamente según el propósito del equipo en el que se utiliza.

Los esquemas prácticos de los sintetizadores de frecuencia son muy diversos. A pesar de esta diversidad, podemos señalar los principios generales que subyacen en la construcción de los sintetizadores modernos:

Todos los sintetizadores se basan en el uso de una oscilación de referencia altamente estable con una cierta frecuencia f 0 , cuya fuente suele ser un oscilador de cristal de referencia;

La síntesis de muchas frecuencias se lleva a cabo mediante el amplio uso de divisores, multiplicadores y convertidores de frecuencia, que aseguran el uso de una forma de onda de referencia para formar una cuadrícula de frecuencia;

Provisión por sintetizadores de frecuencia de un ajuste de diez días de la frecuencia del excitador.

Según el método de generación de oscilaciones de salida, los sintetizadores se dividen en dos grupos: los fabricados según el método de síntesis directa (pasiva) y los fabricados según el método de síntesis indirecta (activa).

El primer grupo incluye sintetizadores en los que las oscilaciones de salida se forman dividiendo la multiplicación de la frecuencia del oscilador de referencia, seguido de la suma y resta de las frecuencias obtenidas como resultado de la división y la multiplicación.

El segundo grupo incluye sintetizadores que forman oscilaciones de salida en un rango autogenerador de oscilaciones armónicas con estabilización de frecuencia paramétrica, cuya inestabilidad es eliminada por un sistema de control automático de frecuencia (AFC) utilizando frecuencias de referencia (altamente estables).

Los sintetizadores de ambos grupos se pueden fabricar utilizando una base de elementos analógicos o digitales.

Sintetizadores fabricados mediante el método de síntesis directa.

El oscilador de cuarzo OG altamente estable genera oscilaciones con una frecuencia f 0 , que se alimentan a los divisores y multiplicadores de frecuencia DC y HF.

Los divisores de frecuencia reducen la frecuencia de los gases de escape f 0 en un número entero de veces (d), y los multiplicadores de frecuencia la aumentan en un número entero de veces (k). Las frecuencias obtenidas como resultado de dividir y multiplicar la frecuencia del oscilador de referencia (f 0) se utilizan para generar frecuencias de referencia en dispositivos especiales llamados sensores de frecuencia de referencia DOC. El número total de sensores de frecuencia de referencia en el sintetizador de frecuencia MF depende del rango de frecuencias generado por el sintetizador y el intervalo entre frecuencias adyacentes: cuanto más amplio sea el rango de frecuencia MF y menor el intervalo, más DOC se requiere. Con una configuración de frecuencia de diez días, cada DOC genera diez frecuencias de referencia con un cierto intervalo entre frecuencias adyacentes. El número total de sensores requeridos está determinado por el número de dígitos (dígitos) en el registro de la frecuencia máxima del sintetizador.

Las frecuencias de referencia formadas en los sensores se alimentan a los mezcladores. Filtros de paso de banda conmutables incluidos en la salida de los mezcladores, en este ejemplo, seleccione la frecuencia total: en la salida de la primera f 1 + f 2 , en la salida de la segunda f 1 + f 2 + f 3 , en la salida de la tercera f 1 + f 2 + f 3 + f 4 .

La frecuencia de salida del excitador en una configuración de década está determinada por las posiciones del interruptor de cada década.

La inestabilidad relativa de la frecuencia a la salida del sintetizador es igual a la inestabilidad del OG. La desventaja de este tipo de sintetizadores es la presencia de una gran cantidad de frecuencias combinadas en su salida, lo que se explica por el uso generalizado de mezcladores.

Sintetizadores de frecuencia construidos utilizando el método de síntesis indirecta

En los sintetizadores fabricados con el método de síntesis indirecta, la fuente de las oscilaciones de salida es un autogenerador de rango de oscilaciones armónicas, ajustado automáticamente a frecuencias altamente estables formadas en el bloque de frecuencia de referencia BOC.

La esencia del control automático de frecuencia del AFC es que las oscilaciones del autooscilador con la ayuda de frecuencias altamente estables se convierten a una determinada frecuencia constante f del AFC, que se compara con el valor de la frecuencia de referencia. Si las frecuencias comparadas no coinciden, se forma un voltaje de control, que se aplica al elemento reactivo controlado y cambia el valor de su reactividad (capacitancia o inductancia).

Los elementos reactivos controlados están incluidos en el circuito que determina la frecuencia del AG. La frecuencia del AG cambia hasta que f AFC se aproxima a la frecuencia de referencia con una desafinación residual suficientemente pequeña.

Según el dispositivo de comparación, todos los sistemas AFC se pueden dividir en tres tipos:

Sistemas con bloqueo de frecuencia de la frecuencia del CAP, en los que se utilizan detectores de frecuencia de agujeros negros como comparador;

Sistemas PLL que utilizan detectores de fase de DP como comparador;

Sistemas IFAP con lazo cerrado pulso-fase, en los que el comparador son los detectores pulso-fase del IFD.

Sintetizadores con PLL, en contraste con

sintetizadores con FAP, no tienen desafinación residual. En el sistema PLL, el comparador es el detector de fase de DP. La tensión de control a la salida del FD es proporcional a la diferencia de fase de las dos oscilaciones que se le aplican, cuyas frecuencias son iguales en régimen permanente.

Dos oscilaciones de frecuencias cercanas se alimentan al PD: una de las cuales es una de referencia con una frecuencia f 0 formada en el BOC, la segunda es el producto de la conversión de las oscilaciones VG en el mezclador usando la rejilla de frecuencia f 01 con el BOC

f PR \u003d f UG - f 01.

Si f PR y f 0 tienen una magnitud similar, entonces el voltaje de control de la salida del PD compensará la desafinación del UG y f PR = f 0, el modo estacionario se establece en el sistema. Sin embargo, el sistema PLL opera en una banda de frecuencia muy estrecha, que no excede unos pocos kHz. Para asegurar la afinación del VH en todo su rango de frecuencias, en un sintetizador con PLL se utiliza un sistema de auto-búsqueda, el cual, al cambiar la frecuencia del VH en todo el rango de frecuencias, asegura que éste caiga en el banda de cobertura del sistema PLL. El sistema de búsqueda automática es un oscilador de voltaje de diente de sierra que se inicia cuando no hay voltaje de control en la salida del filtro de paso bajo. Tan pronto como las frecuencias UG caen en la banda de configuración del sistema PLL, el generador de búsqueda se apaga, el sistema ingresa al modo de autosintonía con equilibrio dinámico f PR =f 0 .

El uso de elementos lógicos en la gama media dio lugar a la aparición de nuevos tipos de sintetizadores, que se denominan digitales. Tienen ventajas significativas sobre los analógicos. Son más simples, más confiables en operación, tienen dimensiones y peso más pequeños.

El uso de circuitos integrados lógicos en el DSC permitió eliminar casi por completo la conversión de frecuencia de la UG, reemplazando los convertidores con un divisor de frecuencia con un factor de división variable DPKD.

Diagrama de bloques de un sintetizador con bucle bloqueado de una fase

En el diagrama DPKD, un divisor con una relación de división variable, un contador digital programable de K bits. El propósito de otros enlaces del esquema queda claro a partir de las inscripciones hechas en ellos. La unidad de control recibe y almacena datos de programación y genera una señal de código, según la cual se establece el valor del factor de división N, dependiendo del comando recibido por el sintetizador. Como resultado de la acción del bucle de enganche de fase, las frecuencias de las señales que ingresan a la entrada del discriminador de fase de pulso son iguales: f 1 =f 2, lo que nos permite escribir la siguiente relación para las frecuencias de los estabilizados y osciladores de referencia, teniendo en cuenta los valores de los coeficientes de división:

Según el paso de rejilla de frecuencia Df w =f piso /M. Al cambiar el valor controlado N, se establece el valor requerido de la frecuencia del generador estabilizado que, con la ayuda del elemento de control, se puede sintonizar en el rango de frecuencia requerido.

LECCION 7

SINTETIZADORES DE FRECUENCIA EN DISPOSITIVOS TRANSMISORES

Plan de lectura:

Conceptos básicos de síntesis de frecuencia

Parámetros de los sistemas de síntesis de frecuencia.

Clasificación de los sistemas de síntesis de frecuencia

Principios de funcionamiento de varios tipos de sintetizadores.

1 Conceptos básicos de la teoría de la síntesis de frecuencia

Para transferir la señal modulada a la frecuencia requerida para la transmisión, es necesario formar una oscilación con una frecuencia que se encuentre en el rango operativo del transmisor.

En los dispositivos de transmisión, para formar las frecuencias requeridas, se pueden utilizar sintetizadores de frecuencia.

Los sistemas modernos de síntesis de frecuencia operan en el rango de frecuencias desde fracciones de hercio hasta decenas de gigahercios. Se utilizan en equipos para diversos fines, en sustitución de simples auto-osciladores en el mismo.

Síntesis de frecuencia - llaman al proceso de obtener una o más oscilaciones con las frecuencias nominales requeridas a partir de un número finito de oscilaciones iniciales por conversión de frecuencia, es decir con la ayuda de tales operaciones sobre oscilaciones, en las que se produce la suma, resta de frecuencias y (o) su multiplicación y división por números racionales.

El complejo de dispositivos que sintetizan frecuencias se llama sistema de síntesis de frecuencia . Si el sistema de síntesis de frecuencia se hace en forma de un dispositivo estructuralmente independiente, entonces se llama sintetizador de frecuencia .

2 Parámetros de los sistemas de síntesis de frecuencia

Indicadores que le permiten evaluar la calidad de la formación de la oscilación de salida (la pureza de su línea espectral, es decir, su diferencia con los monoarmónicos). Como dispositivo técnico, cualquier SSC se caracteriza por una serie de características técnicas y operativas.

Las principales características operativas y técnicas de los SCH utilizados en los excitadores de radiotransmisores y como osciladores locales de radiorreceptores son:

El conjunto de frecuencias nominales que se pueden obtener a la salida del sistema de síntesis de frecuencias y que se suceden en un intervalo dado se denomina rejilla de frecuencia .

El intervalo entre frecuencias nominales adyacentes incluidas en la red de frecuencias se denomina paso de rejilla de frecuencia. En la actualidad, los sistemas de síntesis de frecuencia con un paso de cuadrícula se utilizan ampliamente en equipos de transmisión y recepción de radio.
Hz, donde a es un número entero positivo o negativo o cero. Además, se han generalizado los sistemas con paso de rejilla.
Hz.

3 Clasificación de los sistemas de síntesis de frecuencia

Las oscilaciones, que son iniciales en el proceso de síntesis de frecuencia, se obtienen de fuentes muy estables, que se denominan generadores de referencia (OG 1 , ΟΓ 2 , ..., OG n en la Fig. 1). Las frecuencias de oscilación de estos generadores (f 01 , f 02 , ..., f on en la Fig. B1) se denominan frecuencias de referencia, más precisamente, frecuencias de referencia primarias. Los sistemas modernos de síntesis de frecuencia operan, por regla general, desde un solo oscilador de referencia (Fig. B.2). Tales sistemas se denominan soporte único (coherente). Con dos o más osciladores de referencia, el sistema se llama multi-soporte (incoherente).

En este caso, podemos hablar de una oscilación, cuya frecuencia es capaz de tomar cualquiera de estos valores (ver Fig. B.1a), o varias oscilaciones existentes simultáneamente (ver Fig. B.1 b). El primer caso ocurre en los excitadores de transmisores de radio, osciladores locales de receptores de radio, el segundo, en equipos multicanal con división de frecuencia de canales.

Por lo general, en los sistemas de síntesis de frecuencia de referencia única, primero un dispositivo llamado sensor de frecuencia de referencia (RFS) o, más precisamente, un sensor de frecuencia de referencia secundario, genera oscilaciones auxiliares, cuyas frecuencias se denominan frecuencias de referencia secundaria. Luego, un dispositivo llamado sensor de cuadrícula de frecuencia (GFS) genera a partir de estas oscilaciones auxiliares las oscilaciones de salida deseadas, cuyas frecuencias forman una cuadrícula. Algunas oscilaciones salen directamente del DOC (ver Fig. B.2).

Todos los tipos de SCH se dividen en dos clases:

sistemas de síntesis de frecuencia activa;

sistemas de síntesis de frecuencia pasiva.

Sistemas de síntesis de frecuencia activa o, en resumen, los sistemas de síntesis activa se denominan sistemas de síntesis de frecuencia coherente, en los que las oscilaciones de frecuencia de síntesis se filtran mediante un filtro activo en forma de bucle de bloqueo de fase (PLL).

Sistemas de síntesis de frecuencia pasiva o, en definitiva, los sistemas de síntesis pasiva se denominan sistemas de síntesis de frecuencia coherente, en los que el filtrado de la oscilación de la frecuencia sintetizada se realiza sin el uso de un PLL.

Los sistemas de ambas clases se pueden implementar completamente en cosa análoga elementos o utilizando digital base del elemento.

4 Un ejemplo del funcionamiento de sintetizadores basados ​​en síntesis de frecuencia pasiva analógica

Ja higo. 1.4 muestra un diagrama de bloques del sistema de síntesis pasiva más simple construido sobre una base de elementos analógicos. La oscilación del oscilador de referencia (OG), que tiene una frecuencia f0 (frecuencia de referencia primaria), se alimenta a la entrada del sensor de frecuencia de referencia. En el sensor de frecuencia de referencia (DOCH), con la ayuda de un multiplicador y un divisor de frecuencia, se generan otras dos oscilaciones con frecuencias
Y
(frecuencias de referencia secundarias), que se alimentan a las entradas de dos generadores de armónicos (ΓΓ 1 y ΓΓ 2).

Cada uno de los generadores de armónicos consta de un modelador de pulsos (FI 1 y FI 2) y un filtro de paso de banda sintonizable. El primero convierte la oscilación cuasi-armónica de entrada en una secuencia de pulsos muy cortos (en comparación con el período de esta oscilación) de la misma frecuencia (igual, respectivamente,
Y
). El espectro de esta secuencia contiene muchos armónicos superiores; el filtro se ajusta al deseado y se selecciona. Como resultado, en las salidas de los generadores de armónicos, se obtienen oscilaciones cuasi-armónicas con frecuencias
Y
.

Ambas oscilaciones se alimentan a un sumador de frecuencia que consta de un mezclador (Cm) y un filtro de paso de banda sintonizable. Este último extrae del espectro del producto de salida del mezclador una oscilación cuasi-armónica con la frecuencia deseada

El mezclador generalmente se implementa como un modulador balanceado.

Ejemplo. Dejar
,
, puede tomar los valores 1, 2, 3, a - valores 20, 21, 22, ..., 39, entonces el sistema tiene un rango de frecuencia con un paso de rejilla
de

Síntesis de frecuencia digital pasiva

En los sistemas de síntesis digital pasiva, la formación de la frecuencia requerida se lleva a cabo mediante el procesamiento de señales digitales, y solo se utiliza un filtro analógico en la salida del sistema.

El diagrama de bloques del FSS basado en la síntesis de frecuencia digital pasiva se muestra en la fig. 1.8.

Arroz. 1.8. Esquema estructural de una de las variantes del sistema de síntesis digital pasiva

El oscilador de referencia genera una oscilación muy estable con una frecuencia de referencia utilizada para obtener la frecuencia deseada a la salida del sintetizador. Esta oscilación de referencia se convierte en una secuencia de pulsos rectangulares en el formador de pulsos (PI) limitando el nivel por encima y por debajo de la oscilación generada. A la salida de un divisor de frecuencia con factor de división variable (CVD), el tren de pulsos de la entrada se convierte en un tren de pulsos que le sigue a una frecuencia determinada por el factor de división. factor de división norte se puede establecer en cualquier valor entero entre N1 y N2. Su valor lo determina el dispositivo de cálculo en función de la frecuencia establecida en el panel de control de frecuencia. El contador basado en disparadores genera pulsos digitales con el ciclo de trabajo requerido. El filtro de paso de banda (BPF) restaura una oscilación armónica de este tren de pulsos con la frecuencia requerida.

Considere un ejemplo. Supongamos, por ejemplo, que se requiere sintetizar una rejilla de frecuencias de 20 a 25 kHz con un paso de 1 kHz. En este caso, la frecuencia del oscilador de referencia corresponde a 1 MHz.

En este caso, se pueden utilizar los factores de división N=25 (1 000 000/25 = 40 000) y N= 20 (1 000 000/20 = 50 000), en los que se formarán frecuencias de 40 kHz y 50 kHz en pasos de 2 kHz. En base a estas frecuencias, el contador puede formar una corriente de pulsos rectangulares con un ciclo de trabajo de 2 y una frecuencia que puede tomar todos los valores deseados. Finalmente, puede usar un filtro de paso de banda con frecuencias de corte de 20 kHz (inferior) y 30 kHz (superior) para aislar las oscilaciones deseadas al suprimir los armónicos más altos.

Propósito y principio de funcionamiento de los sintetizadores de frecuencia.

El sintetizador de frecuencia está diseñado para controlar la frecuencia del VCO (125..177.5) MHz con una estabilidad igual a la estabilidad del oscilador de referencia, y para formar una grilla de frecuencias de referencia con una resolución de 25 kHz en los rangos MV y UHF.

El sintetizador de frecuencia realiza las siguientes funciones:

Proporciona voltaje de control de acuerdo con el canal ingresado en el panel de control (código de la frecuencia de operación especificada) para configurar la frecuencia del VCO con una estabilidad dada (1 10 -6), para sintonizar el receptor UHF, para configurar aproximadamente las frecuencias de los osciladores del excitador.

En función de los valores seleccionados de frecuencias intermedias y tipos de transformaciones, el sintetizador de frecuencia proporciona la formación de una cuadrícula de frecuencia VCO:

MV: 125..174.975 MHz con un intervalo de 25 kHz;

UHF-1: 132,5..172,4875 MHz con un intervalo de 12,5 kHz;

UHF-2: 127,5..177,4875) MHz con un intervalo de 12,5 kHz;

Da las señales de MV y DMV-1 a la unidad de conmutación.

Proporciona voltaje de sincronización al panel de control a través de tres cables, lo que hace posible recibir información sobre el canal marcado desde el panel de control a través de dos cables.

El diseño del sintetizador de frecuencia se basa en las propiedades inherentes a un sistema PLL con un divisor de frecuencia en el circuito de retroalimentación con conversión preliminar de las oscilaciones armónicas del VCO y el oscilador de referencia utilizando dispositivos formadores en una secuencia de pulsos de video. Esto hizo posible el uso generalizado de elementos y componentes de tecnología discreta en la implementación de circuitos sintetizadores y sirvió de base para llamar sintetizadores digitales a tales sistemas.

Así, el sintetizador, junto con el VCO, es un circuito PLL.

Para explicar el método digital de formación y estabilización de un conjunto discreto de frecuencias, consideremos una imagen cualitativa de los procesos que ocurren en un sintetizador digital.

La señal armónica de un oscilador de referencia altamente estable con una frecuencia de 10 MHz (la estabilidad de frecuencia del oscilador de referencia no es peor que ± 1 10 -6 en todas las condiciones de operación) se alimenta inicialmente al dispositivo de formación, con la ayuda de la cual se convierte en una secuencia de pulsos unipolares con una frecuencia de comparación f cf = 781, 25 Hz, es decir, la frecuencia del oscilador de referencia se divide en la frecuencia de comparación f cf = 781,25 Hz.

En este caso, el sintetizador de frecuencia, junto con el VCO, que funcionalmente forma parte de la UHF, es un sistema PLL cerrado. El anillo de autosintonía funciona a una frecuencia de referencia baja de 781,25 Hz.

El nominal de esta frecuencia está determinado por el espaciamiento de frecuencias entre los canales (25 kHz), la presencia de un divisor con un factor de división constante (por 8 en el VChD y por 2 en el BCH) y un doblador como parte del local. oscilador.

La frecuencia del VCO se reduce sucesivamente mediante divisores divisores constantes y variables.

Las frecuencias divididas del VCO y el oscilador de referencia se alimentan al PD para su comparación.

Si la frecuencia de salida del DPCD (f dpcd) no es igual a la frecuencia de comparación (f cf), entonces se genera una señal de error en el PD que controla la frecuencia del VCO. En este caso, la frecuencia del VCO se cambia para que la frecuencia de salida del DPCD sea igual a la frecuencia de referencia (f DPCD = f avg = 781,25 Hz) precisa para la fase (ajuste fino).

donde f gong es la frecuencia del VCO; 8 - factor de división de la PIC; 2 - factor de división del divisor, que forma parte de la CU; N es el factor de división de DPKD.

El coeficiente DPKD requerido se configura desde el panel de control a través del sistema de control remoto SDU y permite configurar cualquier frecuencia de comunicación a través de cinco cables que conectan el panel de control con el sintetizador de frecuencia.

Bloque de referencia de frecuencia (bloque 1-1)

El BOC está diseñado para generar una frecuencia de oscilador de referencia altamente estable de 10 MHz y bajarla a la frecuencia de comparación.

BOC proporciona:

formación de una señal de referencia con una frecuencia de 20 MHz;

generación de una señal de sincronización;

la formación de pulsos estroboscópicos para SDU.

El BOC incluye:

Generador de referencia (subunidad 1-1-1) GO-4A;

Shaper-duplicador (subunidad 1-1-2);

Divisor de frecuencia de referencia.

El oscilador de referencia se utiliza para obtener una tensión muy estable (la estabilidad no es inferior a ± 1·10 -6) con una frecuencia de 10 MHz.

La estabilidad de alta frecuencia del oscilador de cuarzo se logra termostatizando los elementos del generador y estabilizando el voltaje de suministro.

El amplificador amplifica y suministra un voltaje sinusoidal con una frecuencia de 10 MHz (Figura 3.1)

Al modelador, donde genera un voltaje rectangular para iniciar el divisor de frecuencia de referencia;

A un doblador, donde el voltaje del segundo oscilador local f og \u003d 20 MHz se forma en el rango UHF.

El duplicador se ensambla según un esquema diferencial y se pone en funcionamiento en las sub-bandas UHF mediante el comando "SEÑAL DE UHF" desde la unidad de conmutación.

El divisor de frecuencia de referencia se forma:

Para FD, la tensión de arranque del generador de la sierra con una frecuencia fav = 781,25 Hz;

Para señal de sincronización SDU con frecuencia f cf;

Activación de pulsos con una frecuencia de 1562,5 Hz para el decodificador SDU.

DOC es un divisor que proporciona un factor de división N = 12800, que se asegura mediante la conexión en serie de un divisor por 25 y nueve divisores por 2. DOC genera señales (Figura 3.2):

- "inicio de sierra" para iniciar el generador de sierra en la unidad FD;

- "Sincronización del CDS" para iniciar el sincronizador del CDS;

- "pulso estroboscópico" para iniciar el decodificador SDU.

Figura 3.1

Según las últimas estadísticas, aproximadamente el 70% de toda la electricidad generada en el mundo consume un accionamiento eléctrico. Y este porcentaje crece cada año.

Con un método de control del motor eléctrico correctamente seleccionado, es posible obtener la máxima eficiencia, el par máximo en el eje de la máquina eléctrica y, al mismo tiempo, aumentará el rendimiento general del mecanismo. Los motores eléctricos que funcionan de manera eficiente consumen un mínimo de electricidad y brindan la máxima eficiencia.

Para motores eléctricos alimentados por un convertidor de frecuencia, la eficiencia dependerá en gran medida del método elegido para controlar la máquina eléctrica. Solo al comprender los méritos de cada método, los ingenieros y diseñadores de unidades pueden obtener el mejor rendimiento de cada método de control.
Contenido:

Métodos de control

Mucha gente que trabaja en el campo de la automatización, pero que no está muy involucrada en el desarrollo e implementación de sistemas de accionamiento eléctrico, cree que el control de un motor eléctrico consiste en una secuencia de comandos ingresados ​​usando una interfaz desde un panel de control o una PC. Sí, desde el punto de vista de la jerarquía general de control de un sistema automatizado, esto es correcto, pero todavía hay formas de controlar el propio motor eléctrico. Son estos métodos los que tendrán el máximo impacto en el rendimiento de todo el sistema.

Para motores asíncronos conectados a un convertidor de frecuencia, existen cuatro métodos básicos de control:

• U / f - voltios por hercio;
• U/f con codificador;
• Control vectorial de lazo abierto;
• Control vectorial de bucle cerrado;

Los cuatro métodos usan modulación de ancho de pulso PWM, que cambia el ancho de una señal fija al variar el ancho de pulso para crear una señal analógica.

La modulación de ancho de pulso se aplica al convertidor de frecuencia mediante el uso de un voltaje de bus de CC fijo. abriendo y cerrando rápidamente (más correctamente, cambiando) genera pulsos de salida. Al variar el ancho de estos pulsos, se obtiene en la salida una "onda sinusoidal" de la frecuencia deseada. Incluso si la forma del voltaje de salida de los transistores es pulsada, la corriente aún se obtiene en forma de sinusoide, ya que el motor eléctrico tiene una inductancia que afecta la forma de la corriente. Todos los métodos de control se basan en la modulación PWM. La diferencia entre los métodos de control está solo en el método de cálculo del voltaje aplicado al motor.

En este caso, la frecuencia portadora (mostrada en rojo) representa la máxima frecuencia de conmutación de los transistores. La frecuencia portadora de los inversores suele estar en el rango de 2 kHz a 15 kHz. La referencia de frecuencia (mostrada en azul) es la señal de referencia de frecuencia de salida. Para inversores aplicables en sistemas de accionamiento convencionales, por regla general, se encuentra en el rango de 0 Hz - 60 Hz. Cuando las señales de dos frecuencias se superponen, se emitirá una señal de apertura del transistor (indicada en negro), que suministra energía al motor eléctrico.

Método de control V/F

El control de voltios por hercio, más comúnmente conocido como V/F, es quizás la forma más fácil de regular. A menudo se utiliza en sistemas de accionamiento eléctrico simple debido a su simplicidad y al número mínimo de parámetros necesarios para su funcionamiento. Este método de control no requiere la instalación obligatoria de un codificador y ajustes obligatorios para un accionamiento eléctrico controlado por frecuencia (pero se recomienda). Esto da como resultado menores costos para equipos auxiliares (sensores, cables de retroalimentación, relés, etc.). El control U / F se usa con bastante frecuencia en equipos de alta frecuencia, por ejemplo, se usa a menudo en máquinas CNC para impulsar la rotación del husillo.

El modelo de par constante tiene un par constante en todo el rango de velocidad con la misma relación U/F. El modelo de relación de par variable tiene un voltaje de suministro más bajo a bajas velocidades. Esto es necesario para evitar la saturación de la máquina eléctrica.

V/F es la única forma de controlar la velocidad de un motor de inducción que permite el control de varios accionamientos desde un único convertidor de frecuencia. En consecuencia, todas las máquinas arrancan y se detienen al mismo tiempo y funcionan con la misma frecuencia.

Pero este método de control tiene varias limitaciones. Por ejemplo, cuando se usa el método de control V/F sin un codificador, no hay absolutamente ninguna certeza de que el eje de una máquina de inducción esté girando. Además, el par de arranque de la máquina eléctrica a una frecuencia de 3 Hz está limitado al 150 %. Sí, el par limitado es más que suficiente para la mayoría de los equipos existentes. Por ejemplo, casi todos los ventiladores y bombas usan un método de control V/F.

Este método es relativamente simple debido a su especificación más flexible. El control de velocidad suele estar en el rango de 2% - 3% de la frecuencia de salida máxima. La respuesta de velocidad se calcula para frecuencias superiores a 3 Hz. La velocidad de respuesta del convertidor de frecuencia está determinada por la velocidad de su respuesta a un cambio en la frecuencia de referencia. Cuanto mayor sea la velocidad de respuesta, más rápida será la respuesta del variador a un cambio en la referencia de velocidad.

El rango de control de velocidad cuando se usa el método V/F es 1:40. Multiplicando esta relación por la frecuencia máxima de funcionamiento del accionamiento eléctrico, obtenemos el valor de la frecuencia mínima a la que puede funcionar la máquina eléctrica. Por ejemplo, si la frecuencia máxima es de 60 Hz y el intervalo es de 1:40, la frecuencia mínima es de 1,5 Hz.

El patrón U/F determina la relación de frecuencia y voltaje durante el funcionamiento de un variador de frecuencia. Según él, la curva de ajuste de la velocidad de rotación (frecuencia del motor eléctrico) determinará, además del valor de la frecuencia, el valor de la tensión suministrada a los terminales de la máquina eléctrica.

Los operadores y técnicos pueden seleccionar el patrón de regulación V/F deseado con un solo parámetro en un convertidor de frecuencia moderno. Las plantillas preestablecidas ya están optimizadas para aplicaciones específicas. También existe la posibilidad de crear sus propias plantillas, que estarán optimizadas para un sistema específico de variador de frecuencia o motor eléctrico.

Dispositivos como ventiladores o bombas tienen un par de carga que depende de su velocidad de rotación. El par variable (figura anterior) del patrón V/F evita errores de ajuste y mejora la eficiencia. Este modelo de regulación reduce las corrientes de magnetización a bajas frecuencias al reducir el voltaje en la máquina eléctrica.

Las máquinas de par constante, como cintas transportadoras, extrusoras y otros equipos, utilizan el método de control de par constante. Con una carga constante, se requiere corriente de magnetización total a todas las velocidades. En consecuencia, la característica tiene una pendiente directa en todo el rango de velocidad.

Método de control U/F con codificador

Si es necesario mejorar la precisión del control de velocidad, se agrega un codificador al sistema de control. La introducción de la retroalimentación de velocidad mediante un codificador le permite aumentar la precisión de la regulación hasta en un 0,03 %. El voltaje de salida aún estará determinado por el patrón V/F establecido.

Este método de control no ha sido muy utilizado, ya que las ventajas que presenta frente a las funciones V/F estándar son mínimas. El par de arranque, la velocidad de respuesta y el rango de control de velocidad son todos idénticos a V/F estándar. Además, con un aumento en las frecuencias de operación, pueden surgir problemas con el funcionamiento del codificador, ya que tiene un número limitado de revoluciones.

Control vectorial de lazo abierto

El control vectorial de bucle abierto (VU) se utiliza para un control de velocidad más amplio y dinámico de una máquina eléctrica. Al arrancar desde un convertidor de frecuencia, los motores pueden desarrollar un par de arranque del 200 % del par nominal a una frecuencia de solo 0,3 Hz. Esto amplía enormemente la lista de mecanismos en los que se puede utilizar un accionamiento eléctrico asíncrono con control vectorial. Este método también le permite controlar el par de la máquina en los cuatro cuadrantes.

El par está limitado por el motor. Esto es necesario para evitar daños a equipos, máquinas o productos. El valor de los momentos se descompone en cuatro cuadrantes diferentes, según el sentido de giro de la máquina eléctrica (hacia delante o hacia atrás) y según si el motor eléctrico lo implementa. Los límites se pueden establecer para cada cuadrante por separado, o el usuario puede establecer el par total en el convertidor de frecuencia.

El modo de motor de la máquina asíncrona será siempre que el campo magnético del rotor se retrase con respecto al campo magnético del estator. Si el campo magnético del rotor comienza a superar el campo magnético del estator, la máquina entrará en el modo de frenado regenerativo con retorno de energía, en otras palabras, el motor asíncrono cambiará al modo generador.

Por ejemplo, una máquina tapadora de botellas puede usar un límite de torsión en el cuadrante 1 (hacia adelante con torsión positiva) para evitar que la tapa de la botella se apriete demasiado. El mecanismo realiza un movimiento hacia adelante y utiliza un par positivo para enroscar la tapa de la botella. Por otro lado, un dispositivo como un ascensor con un contrapeso más pesado que una cabina vacía utilizará el cuadrante 2 (rotación inversa y par positivo). Si el automóvil sube al último piso, entonces el par será opuesto a la velocidad. Esto es necesario para limitar la velocidad de elevación y evitar la caída libre del contrapeso, ya que es más pesado que la cabina.

La realimentación de corriente en estos convertidores de frecuencia permite establecer límites en el par y la corriente del motor, ya que a medida que aumenta la corriente, también lo hace el par. La tensión de salida del inversor puede aumentar si el mecanismo requiere más par, o disminuir si se alcanza el límite. Esto hace que el principio de control vectorial de una máquina asíncrona sea más flexible y dinámico que el principio U/F.

Además, los convertidores de frecuencia con control vectorial de lazo abierto tienen una respuesta de velocidad más rápida de 10 Hz, lo que hace posible su uso en mecanismos con cargas de choque. Por ejemplo, en las trituradoras de rocas, la carga cambia constantemente y depende del volumen y las dimensiones de la roca que se procesa.

A diferencia del patrón de control V/F, el control vectorial usa un algoritmo vectorial para determinar el voltaje operativo efectivo máximo del motor.

El control vectorial VU resuelve este problema debido a la presencia de retroalimentación en la corriente del motor. Por regla general, la realimentación de corriente la generan los transformadores de corriente internos del propio convertidor de frecuencia. Basándose en el valor actual obtenido, el convertidor de frecuencia calcula el par y el flujo de la máquina eléctrica. El vector de corriente del motor básico se divide matemáticamente en un vector de corriente de magnetización (I d) y un vector de par (I q).

Utilizando los datos y parámetros de la máquina eléctrica, el inversor calcula los vectores de corriente de magnetización (I d) y par (I q). Para lograr el máximo rendimiento, el convertidor de frecuencia debe mantener I d e I q separados por 90 0 . Esto es significativo porque sen 90 0 = 1 y el valor 1 representa el valor de par máximo.

En general, el control vectorial de un motor de inducción proporciona un control más estricto. La regulación de velocidad es de aproximadamente ±0,2% de la frecuencia máxima, y ​​el rango de regulación llega a 1:200, lo que permite mantener el par cuando se trabaja a bajas velocidades.

Control de retroalimentación vectorial

El control vectorial de bucle cerrado utiliza el mismo algoritmo de control que la VU sin retroalimentación. La principal diferencia es la presencia de un codificador, que permite que el variador de frecuencia desarrolle un par de arranque del 200 % a 0 rpm. Este elemento es simplemente necesario para crear un momento inicial al arrancar ascensores, grúas y otras máquinas elevadoras para evitar que la carga se hunda.

La presencia de un sensor de retroalimentación de velocidad le permite aumentar el tiempo de respuesta del sistema más de 50 Hz, así como ampliar el rango de control de velocidad hasta 1:1500. Además, la presencia de retroalimentación le permite controlar no la velocidad de la máquina eléctrica, sino el momento. En algunos mecanismos, el valor del momento es de gran importancia. Por ejemplo, bobinadora, mecanismos de bloqueo y otros. En tales dispositivos, es necesario regular el momento de la máquina.

3.1 Propósito y uso del panel de control convertidor de frecuencia

En el panel de control convertidor de frecuencia hay 2 pantallas de indicación (4 dígitos, 7 segmentos), botones de control, un potenciómetro analógico, indicadores de operación e indicadores de bloque. Los botones se pueden usar para establecer parámetros de función, dar comandos de control y trabajo de control convertidor de frecuencia.

Pantalla del panel de control

Al configurar (ver) los parámetros funcionales del convertidor, los códigos de los parámetros correspondientes se muestran en la pantalla superior del panel de control y sus valores se muestran en la pantalla inferior.

En el modo de funcionamiento del convertidor, ambas pantallas muestran los valores actuales de las cantidades que se seleccionan utilizando los parámetros de función F 001 y F 002, cuando ocurre un error - código de error de estado convertidor de frecuencia.

Botones de función

Indicadores

Visualización y cambio de valores de parámetros de función convertidor de frecuencia

EN convertidores de frecuencia serie STA- C 5.CP /STA-C 3.CS hay más de doscientos parámetros funcionales almacenados en la memoria interna, cuyos valores se pueden ver y cambiar, formando así varios modos de operación y un algoritmo general de operación convertidor de frecuencia. Los valores de la mayoría de los parámetros se pueden cambiar durante la operación convertidor de frecuencia(Consulte la tabla de parámetros de función para obtener más detalles), y se guardan automáticamente cuando se apaga.

Por ejemplo, debe cambiar la frecuencia portadora del inversor de 3 kHz (ajuste de fábrica) a 6 kHz. Entonces necesitas hacer lo siguiente:

3.2 Ejecución de prueba convertidor de frecuencia

Selección del modo de control convertidor de frecuencia

EN convertidores de frecuencia serie STA- C 5.CP /STA-C 3.CS hay dos modos de control principales convertidor de frecuencia en modo de funcionamiento: local (desde el panel de control del convertidor) y remoto (desde los terminales de control del convertidor o a través de la interfaz RS -485). Para determinar el modo de control del convertidor de frecuencia, utilice el parámetro de función F003.

Antes de la ejecución de la prueba

Antes de una prueba de funcionamiento, verifique la corrección de la conexión de los circuitos de alimentación, la fuerza de los pernos, el tendido de cables, la integridad de los cables de alimentación, la carga.

Durante la ejecución de la prueba

Durante la prueba de funcionamiento, asegúrese de que el motor acelere suavemente y se detenga suavemente, gire en la dirección especificada, no haya vibraciones inusuales, sonidos inusuales y que las pantallas muestren valores precisos.

Comprobación de rotación del motor

Cuando se suministra energía a un convertidor de frecuencia, en la pantalla superior del panel de control la inscripción “С ejército de reserva ”, entonces ambas pantallas muestran el valor “0.00” (si este valor es mayor que 0.00, gire el potenciómetro a la posición más a la izquierda). Los indicadores de bloque “Hz” y el indicador de operación “M/D” comienzan a brillar. Esto indica que la frecuencia de referencia se indica en la pantalla superior, la frecuencia de salida se indica en la pantalla inferior.

Mantenga presionado el botón REVERSE / STEP, comienza convertidor de frecuencia, los indicadores de funcionamiento “DIRECT” y “DIRECT” se encienden. La pantalla superior del panel de control muestra el valor de la frecuencia de referencia para el modo jog - 5,00 Hz, la pantalla inferior muestra la frecuencia de salida (de 0,00 a 5,00 Hz), que, de acuerdo con el tiempo de aceleración en modo jog (parámetro de función F032 ), aumenta a 5 Hz (a la frecuencia de referencia). Suelte el botón RETROCESO/PASO. La pantalla inferior del panel de control se reduce a cero (el motor se detiene). El valor en la pantalla vuelve al valor original.

Si al mismo tiempo la rotación del motor ocurrió en una dirección diferente a la requerida, entonces es necesario cambiar el valor del parámetro de función F046. Cambiar el orden de las fases de conexión en una conexión convertidor de frecuencia y no necesita motor.

Uso del potenciómetro del panel de control durante el arranque

Aplicar energía a un convertidor de frecuencia, ambas pantallas del panel de control muestran el valor "0.00", si este valor es superior a 0.00, asegúrese de girar el potenciómetro del panel de control del inversor a la posición más a la izquierda. Los indicadores de bloque “Hz” y el indicador de operación “M/D” comienzan a brillar.

Presione el botón START, el indicador "DIR" se enciende y el indicador "DIRECT" comienza a parpadear. El inversor funciona produciendo una frecuencia de salida inferior a la frecuencia mínima de arranque. Gire el potenciómetro en el sentido de las agujas del reloj para establecer la frecuencia de referencia del inversor. Ahora la pantalla superior del panel de control muestra la frecuencia de referencia establecida, y la pantalla inferior muestra la frecuencia de salida, aumentando de 0,00 Hz al valor de la frecuencia de referencia de acuerdo con el tiempo de aceleración del inversor (parámetro de función F019).

También verifique otros parámetros de operación del inversor, como voltaje, corriente, usando las teclas de función ENTER/VD y CANCEL/NIV.

Cuando se presiona el botón de función STOP/RESET, el inversor deja de funcionar, reduciendo la frecuencia de salida desde la referencia (salida si aún no se ha alcanzado la referencia) a cero.

Configuración/cambio de la frecuencia de referencia del inversor

Digamos que necesita en modo de control local convertidor de frecuencia Con un tiempo de aceleración y un tiempo de desaceleración constantes, arranque el motor a la frecuencia de referencia de la tensión de alimentación de 20 Hz en dirección hacia adelante, luego acelere en la misma dirección a la velocidad nominal a la frecuencia de referencia de la tensión de alimentación de 50 Hz ( el modo de configuración de la frecuencia de referencia es digital desde el panel de control del inversor), luego invierta a una frecuencia de referencia de la tensión de alimentación de 50 Hz y pare.