Въведение

В радиотехниката често е необходимо да се измести спектърът по честотната ос с определена постоянна стойност, като същевременно се запази структурата на сигнала. Тази промяна се нарича преобразуване на честотата. Това е необходимо в радиоприемниците, за да се приложи по-добро лентово филтриране, защото при ниски честоти това може да се направи по-ефективно. В радиопредавателите това е необходимо за модулация.

Този проблем се решава с честотен преобразувател. Честотният преобразувател е устройство, състоящо се от миксер и осцилатор, наречен локален осцилатор. Целта на преобразувателя е да измести спектъра на приемания сигнал към по-ниска междинна честота.

Основните параметри на честотния преобразувател са: честота на локалния осцилатор, максимална честота на сигнала, захранващо напрежение, консумация на ток.

Принцип на преобразуване на честотата

Модулираните (или немодулирани) високочестотни трептения могат да бъдат преобразувани в трептения с различна честота по такъв начин, че да се запазят амплитудните и фазовите съотношения между компонентите на спектъра.

Преобразуването на честотата изисква спомагателно напрежение, което изисква високочестотен осцилатор, наречен локален осцилатор.

Преобразуването на честотата може да се извърши по един от двата начина:

Създайте удари на две напрежения и ги приложете към нелинеен елемент - диод, транзистор или друго устройство с нелинейна характеристика, за да изолирате от тях компонентите на общата и разликата в честотите. Този метод се нарича адитивно смесване.

Приложете преобразувано високочестотно трептене към елемент, чийто коефициент на предаване се променя под въздействието на хетеродинно напрежение, и извлечете от изходното трептене компонентите на общата или разликата в честотата. Този метод обикновено се нарича мултипликативно смесване.

Устройствата, които изпълняват тази задача, се наричат ​​честотни преобразуватели.

Честотният преобразувател се състои от миксер и осцилатор, наречен локален осцилатор. Обикновено професионалните радиоприемници използват честотни синтезатори като локални осцилатори. Това гарантира стабилност на честотата на кварца, нисък фазов шум и възможност за преконфигуриране.

Миксерът е устройство, което има два входа. Единият от тях получава сигналното напрежение, другият - локалният осцилатор. На изхода на миксера има спектър от честоти, сред които е честотната разлика. Има два вида смесване: адитивно и мултипликативно.

Мултипликативно смесване

При мултипликативното смесване напрежението на сигнала се умножава по напрежението на локалния осцилатор. Функционалната схема на този принцип е показана на фиг. 1

За да се получат осцилации на различна честота, е достатъчно да се умножат напреженията на сигнала и локалния осцилатор.

Оригиналът на това изображение е доста тромав, така че ще покажем само графика на функцията на изходното напрежение.

По този начин задачата е да се направи умножител на напрежение и такъв, че изходният му спектър да съдържа минимален брой странични компоненти.

Роторът на всеки електродвигател се задвижва от сили, причинени от въртящо се електромагнитно поле вътре в намотката на статора. Скоростта му обикновено се определя от индустриалната честота на електрическата мрежа.

Стандартната му стойност от 50 херца предполага петдесет периода на трептене в рамките на една секунда. За една минута броят им нараства 60 пъти и възлиза на 50х60=3000 оборота. Роторът се завърта същия брой пъти под въздействието на приложено електромагнитно поле.

Ако промените стойността на мрежовата честота, приложена към статора, можете да регулирате скоростта на въртене на ротора и задвижването, свързано към него. Този принцип е в основата на управлението на електродвигателите.

Видове честотни преобразуватели

По дизайн честотните преобразуватели са:

1. индукционен тип;

2. електронен.

Асинхронните електродвигатели, направени и пуснати в генераторен режим, са представители на първия тип. Те имат ниска ефективност на работа и се характеризират с ниска ефективност. Поради това те не са намерили широко приложение в производството и се използват изключително рядко.

Методът за електронно преобразуване на честотата ви позволява плавно да регулирате скоростта както на асинхронни, така и на синхронни машини. В този случай може да се приложи един от двата принципа на управление:

1. по предварително зададена характеристика на зависимостта на скоростта на въртене от честотата (V/f);

2. векторен метод за управление.

Първият метод е най-простият и по-малко усъвършенстван, а вторият се използва за точно управление на скоростите на въртене на критично индустриално оборудване.

Характеристики на векторно управление на честотното преобразуване

Разликата между този метод е взаимодействието, влиянието на устройството за управление на преобразувателя върху „пространствения вектор“ на магнитния поток, въртящ се с честотата на роторното поле.

Алгоритмите за работа на преобразуватели, базирани на този принцип, се създават по два начина:

1. безконтактно управление;

2. контрол на потока.

Първият метод се основава на задаване на определена зависимост на редуването на последователността на инвертора към предварително подготвени алгоритми. В този случай амплитудата и честотата на напрежението на изхода на преобразувателя се регулират чрез приплъзване и ток на натоварване, но без да се използва обратна връзка за скоростта на въртене на ротора.

Този метод се използва при управление на няколко електродвигателя, свързани паралелно към честотен преобразувател. Контролът на потока включва наблюдение на работните токове вътре в двигателя, разлагането им на активни и реактивни компоненти и извършване на корекции в работата на преобразувателя, за да се зададат амплитудата, честотата и ъгълът за векторите на изходното напрежение.

Това ви позволява да увеличите точността на двигателя и да увеличите границите на неговото регулиране. Използването на контрол на потока разширява възможностите на задвижванията, работещи при ниски скорости с големи динамични натоварвания, като устройства за повдигане на кранове или промишлени машини за навиване.

Използването на векторна технология позволява прилагането на динамично регулиране на въртящите моменти.

Схема за заместване

Схематичната опростена електрическа верига на асинхронен двигател може да бъде представена по следния начин.

Напрежение u1 се прилага към намотките на статора, които имат активно R1 и индуктивно съпротивление X1. Той, преодолявайки съпротивлението на въздушната междина Xv, се трансформира в намотката на ротора, предизвиквайки в нея ток, който преодолява нейното съпротивление.

Векторна диаграма на еквивалентна схема

Конструкцията му помага да се разберат процесите, протичащи вътре в асинхронен двигател.

Енергията на тока на статора е разделена на две части:

iµ - потокообразуваща фракция;

iw е компонентът, образуващ въртящия момент.

В този случай роторът има активно съпротивление R2/s, което зависи от приплъзването.

За безконтактно управление се измерва следното:

напрежение u1;

ток i1.

Въз основа на техните стойности се изчислява следното:

iµ - потокообразуващ компонент на тока;

iw е величината, образуваща въртящ момент.

Алгоритъмът за изчисление вече включва електронна еквивалентна схема на асинхронен двигател с регулатори на тока, която отчита условията на насищане на електромагнитното поле и загубите на магнитна енергия в стоманата.

И двата компонента на векторите на тока, различни по ъгъл и амплитуда, се въртят заедно с координатната система на ротора и се преобразуват в стационарна система за ориентация на статора.

Съгласно този принцип параметрите на честотния преобразувател се настройват към натоварването на асинхронния двигател.

Принцип на работа на честотния преобразувател

Това устройство, наричано още инвертор, се основава на двойна промяна на формата на сигнала на захранващата електрическа мрежа.

Първо, индустриалното напрежение се подава към токоизправител с мощни диоди, които премахват синусоидалните хармоници, но оставят пулсации на сигнала. За отстраняването им е предвидена банка от кондензатори с индуктивност (LC филтър), осигуряваща стабилна, гладка форма на изправеното напрежение.

След това сигналът се подава към входа на честотния преобразувател, който представлява трифазна мостова схема от шест серии IGBT или MOSFET с диоди за защита от пробив при обратна полярност. Използваните по-рано за тези цели тиристори нямат достатъчна скорост и работят с голям шум.

За да активирате режима на „спиране“ на двигателя, във веригата може да се монтира контролиран транзистор с мощен резистор, който разсейва енергията. Тази техника ви позволява да премахнете напрежението, генерирано от двигателя, за да защитите филтърните кондензатори от презареждане и повреда.

Методът за векторно управление на честотата на преобразувателя ви позволява да създавате схеми, които автоматично регулират сигнала от ACS системи. За това се използва система за управление:

1. амплитуда;

2. ШИМ (моделиране на ширината на импулса).

Методът за управление на амплитудата се основава на промяна на входното напрежение, а ШИМ е алгоритъм за превключване на мощни транзистори при постоянно входно напрежение.

При регулиране на PWM се създава период на модулация на сигнала, когато намотката на статора е свързана в строг ред към положителните и отрицателните клеми на токоизправителя.

Тъй като тактовата честота на генератора е доста висока, в намотката на електродвигателя, която има индуктивно съпротивление, те се изглаждат до нормална синусоида.

Методите за управление на PWM позволяват да се елиминират загубите на енергия възможно най-много и да се осигури висока ефективност на преобразуване поради едновременното управление на честотата и амплитудата. Те станаха достъпни благодарение на разработването на технологии за управление на тиристори за изключване на мощността от серията GTO или биполярни марки IGBT транзистори с изолирана врата.

Принципите на тяхното включване за управление на трифазен двигател са показани на снимката.

Всеки от шестте IGBT транзистора е свързан в антипаралелна верига към собствен диод за обратен ток. В този случай активният ток на асинхронния двигател преминава през силовата верига на всеки транзистор, а неговият реактивен компонент се насочва през диодите.

За да се елиминира влиянието на външния електрически шум върху работата на инвертора и двигателя, може да се включи дизайнът на веригата на честотния преобразувател, като се елиминират:

радиосмущения;

електрически разряди, предизвикани от работещо оборудване.

Появата им се сигнализира от контролера, а за намаляване на въздействието се използва екранирано окабеляване между мотора и изходните клеми на инвертора.

За да се подобри точността на работа на асинхронните двигатели, управляващата верига на честотните преобразуватели включва:

въвеждане на комуникация с разширени възможности на интерфейса;

вграден контролер;

карта памет;

софтуер;

LED информационен дисплей, показващ основните изходни параметри;

спирачен чопър и вграден EMC филтър;

система за охлаждане на верига, базирана на обдухване с дълготрайни вентилатори;

функция за загряване на двигателя с помощта на постоянен ток и някои други функции.

Оперативни схеми на свързване

Честотните преобразуватели са предназначени за работа с еднофазни или трифазни мрежи. Но ако има промишлени DC източници с напрежение 220 волта, тогава инверторите също могат да се захранват от тях.

Трифазните модели са проектирани за мрежово напрежение от 380 волта и го захранват към електрическия мотор. Еднофазните инвертори се захранват от 220 волта и извеждат три фази, разположени една от друга във времето.

Диаграмата на свързване на честотния преобразувател към двигателя може да бъде направена съгласно следните диаграми:

звезди;

триъгълник.

Намотките на двигателя са сглобени в "звезда" за преобразувателя, захранван от трифазна мрежа от 380 волта.

Намотките на двигателя се сглобяват по схемата "триъгълник", когато преобразувателят, който го захранва, е свързан към еднофазна мрежа от 220 волта.

Когато избирате метод за свързване на електродвигател към честотен преобразувател, трябва да обърнете внимание на съотношението на мощността, която работещият двигател може да създаде във всички режими, включително бавно, натоварено стартиране, с възможностите на инвертора.

Не можете постоянно да претоварвате честотния преобразувател, а малък резерв от изходната му мощност ще осигури неговата дългосрочна и безпроблемна работа.

Честотното преобразуване е всяка промяна в честотата. Например, по време на коригиране променливият ток с честота се преобразува в постоянен ток, чиято честота е нула. В генераторите енергията на постоянен ток, която има честота, равна на нула, се преобразува в енергия на променлив ток с желаната честота.

Спомагателното напрежение се получава от генератор с малка мощност, наречен локален осцилатор.Изходът на преобразувателя произвежда трептене с нова преобразувана честота, която се нарича междинна честота.

Като честотен преобразувател трябва да се използва нелинейно или параметрично устройство.

Ако честотният преобразувател беше линейно устройство, той просто би добавил две трептения. Например, при добавяне на две трептения с близки, но не множество честоти, ще се получат удари, тоест сложно трептене, при което честотата ще се променя в определени граници около средната стойност, а амплитудата ще се променя с честота, равна на честотната разлика. Такива удари не съдържат вибрационен компонент с нова честота. Но ако ударите се засекат (изправят), тогава поради нелинейността на този процес се появява компонент с междинна честота.

Изходът на честотния преобразувател произвежда сложно трептене с компоненти от много честоти.

Всички нови честоти, които са комбинации от честоти и техните хармоници, се наричат комбинирани честоти.Чрез избор на подходяща спомагателна честота може да се получи нова честота.!

Сред новите честоти има и хармоници на оригиналните трептения с честоти, няколко пъти по-високи от оригиналните. Но те могат да бъдат получени по-лесно с нелинейно изкривяване на едно от входните напрежения. Наличието на две напрежения не е необходимо за възникване на хармоници.

По правило амплитудите на комбинираните трептения (и хармониците) са по-малки, колкото по-високи са стойностите на честотата. Следователно в повечето случаи трептенето на диференциалната честота, а понякога и общата честота, се използва като трептене на новата междинна честота. Рядко се използват комбинирани честоти от по-висок порядък.

Честотното преобразуване в радиоприемниците в повечето случаи се извършва по такъв начин, че при приемане на сигнали от различни радиостанции, работещи на различни честоти, се създават колебания на една и съща междинна честота. Това прави възможно получаването на високо усилване и висока селективност, като те остават почти постоянни в целия честотен диапазон на приеманите сигнали. Освен това при постоянна междинна честота се получава по-стабилна работа на усилвателните стъпала и те са много по-опростени като конструкция от стъпалата, предназначени за честотен диапазон.

В радиоприемните и радиоизмервателните устройства честотата на разликата най-често се използва като междинна честота, а спомагателната честота обикновено е по-висока от честотата на преобразувания сигнал. Тази връзка между честотите е необходима, ако междинната честота трябва да бъде по-висока от честотата на сигнала.

В радиотехниката често е необходимо спектърът на сигнала да се измести по честотната ос с определена постоянна стойност, като същевременно се запази структурата на сигнала. Тази промяна се нарича часова трансформация

За да изясним същността на процеса на преобразуване на честотата, нека се върнем към въпроса за ефекта на две напрежения върху нелинеен елемент, разгледан накратко в § 8.4. В този случай обаче само едно от трептенията, а именно създаденото от спомагателния осцилатор (хетеродин), ще се счита за хармонично. Под второто трептене имаме предвид сигнала, който трябва да бъде преобразуван, което може да бъде всеки сложен, но теснолентов процес.

По този начин нелинейният елемент се влияе от две напрежения: от локалния осцилатор

от източника на сигнала

Амплитудата, честотата и началната фаза на хетеродинното трептене са постоянни величини. Амплитудата и моментната честота на сигнала могат да бъдат модулирани, т.е. те могат да бъдат бавни функции на времето (теснолентов процес). Началната фаза на сигнала е постоянна стойност.

Задачата на честотното преобразуване е да се получи сумата или разликата в честотата. Както следва от израза (8.30), за това е необходимо да се използва квадратична нелинейност,

Като нелинеен елемент ще вземем, както в § 8.9, диод, но за да идентифицираме по-пълно продуктите от взаимодействието на сигнала и хетеродинното трептене, ще го апроксимираме с полином от четвърта степен (и не второто, както в § 8.4):

Термините, съдържащи различни правомощия само или само, не представляват интерес. От гледна точка на честотното преобразуване (отместване), основно значение се дава на членовете, които са продукти на формата от дясната страна на израза (8.72) и са оградени с кръгче.

Замествайки (8.70) и (8.71) в тези продукти и отхвърляйки всички компоненти, чиито честоти не са сумата от честотите или разликата, след прости тригонометрични изчисления стигаме до следния краен резултат:

От този резултат става ясно, че честотите, които ни интересуват, възникват само поради четни степени на полинома, който приближава характеристиката на нелинейния елемент. Обаче само един квадратичен член на полинома (с коефициент ) образува компоненти, чиито амплитуди са пропорционални само на първа степен.По-високите четни степени (четвърта, шеста и т.н.) нарушават тази пропорционалност, тъй като амплитудите на въведените от тях колебания също съдържат градуса по-висока от първата.

Оттук става ясно, че амплитудите трябва да бъдат избрани по такъв начин, че в разширението (8.72) членове от не по-висока от втора степен да имат преобладаващо значение. Това изисква изпълнението на неравенствата

Тогава изразът (8.73) става следният:

В радиоприемниците и много други устройства, в които задачата за преобразуване на честотата е тясно свързана със задачата за усилване на сигнала, обикновено?,

Първият член във къдрави скоби с честота (производната на косинусния аргумент) съответства на изместване на спектъра на сигнала към високочестотната област, а втората с честота - към нискочестотната област. За да изолирате една от тези честоти - разлика или сума - трябва да приложите подходящ товар на изхода на преобразувателя. Нека, например, честотите са много близки и вие искате да изолирате ниска честота, разположена близо до нулата. Този проблем често се среща в технологията за измерване (методът на „нулев ритъм“). В този случай натоварването трябва да бъде същото като за откриване на амплитуда, т.е., да се състои от паралелна връзка на R и C, осигуряваща филтриране (потискане) на високи честоти и изолиране на честотата на разликата, Ако честотата на разликата е във високата честота диапазон, тогава за изолирането му трябва да се използва резонансен колебателен кръг (фиг. 8.42). Ако полезната честота, която трябва да бъде разпределена, е общата честота, тогава веригата трябва да бъде настроена в съответствие с честотата

Обикновено честотната лента на осцилаторната верига, която е натоварването на преобразувателя, е проектирана за ширината на спектъра на модулираното трептене. В този случай всички компоненти на тока с честоти, близки до , преминават през веригата равномерно и структурата на изходния сигнал съвпада със структурата на входния сигнал.

Ориз. 8.42. Еквивалентна схема на честотен преобразувател

Ориз. 8.43. Спектър на сигнала на входа и изхода на преобразувателя:

Единствената разлика е, че изходната честота е равна или зависи от това каква е резонансната честота на веригата на натоварване.

Така че, при преобразуване на честотата, законите за промяна на амплитудата на честотата и фазата на входното трептене се прехвърлят към изходното трептене. В този смисъл въпросното преобразуване на сигнала е линейно, а устройството представлява линеен преобразувател или "миксер".

Честотното преобразуване е изместване на спектъра на сигнала по честотната скала в една или друга посока, т.е. към областта както на по-ниски, така и на по-високи честоти. При такова изместване или прехвърляне формата на спектъра не трябва да се променя.

Пример за честотно преобразуване (амплитудна модулация, детекция). При формиране на AM сигнал, спектърът на модулиращия сигнал, съдържащ предаваното съобщение, се прехвърля в областта на по-високите честоти, за да се даде възможност на приемания радиосигнал да бъде излъчен под формата на електромагнитни вълни в предавателната линия. При откриване на радиосигнал неговият спектър също се прехвърля, но в обратна посока - към областта на ниските честоти, което дава възможност отново да се изолира модулиращият сигнал, а оттам и предаваното съобщение. В този случай, разбира се, се изисква по време на такива трансформации формата на сигнала, изолиран по време на откриване, да съвпада с формата на модулиращия сигнал по време на модулация. Изпълнението на това изискване означава, че няма изкривяване по време на хранене. Необходимо условие за неизкривено предаване на съобщение е запазването на формата на спектъра на управляващия сигнал, когато той се прехвърля както във високочестотната област (по време на модулация), така и когато се прехвърля обратно в нискочестотната област (по време на откриване ).

Общият принцип, който осигурява преобразуване на честотата, е, че сигналът, който трябва да се преобразува, се умножава по хармонично трептене с честота r. Това трептене трябва да се получи с помощта на специален генератор, наречен хетеродин. Ако спектърът на сигнала съдържа хармоник с честота 0, тогава при умножаване на тези хармонични трептения получаваме:

т.е. на изхода на умножителя се появяват хармонични трептения със сумарни и разностни честоти, следователно всеки хармоник на сигнала предизвиква появата на две хармонични трептения със сумарни и разностни честоти на изхода на умножителя.

На фигурата на веригата за преобразуване на спектъра на AM сигнала:

а) AM сигнал

б) Спектър на AM сигнала

в) сигнал на локален осцилатор

г) спектър на сигнала на локалния осцилатор

д) спектър на сигнала на изхода на умножителя

f) амплитудно-честотна характеристика на филтъра на разликата в честотата (или филтъра на междинната честота на PPF)

ж) сигнал на изхода на диференциалния честотен филтър.

Схема на транзисторен честотен преобразувател.

В практическите схеми на честотни преобразуватели се използват нелинейни елементи (полупроводникови диоди, транзистори, вакуумни тръби). В тази умножителна схема транзисторът, или по-скоро неговата входна нелинейна верига, изпълнява умножителя: кръстовището база-емитер. Най-добри условия за честотно преобразуване се получават, ако зависимостта i b = (U b.e.) е квадратична, т.е.

i b = i b.e + a 1 U b.e + a 2 U b.e

В преобразувателя напрежението U b.e. е пропорционално на сумата от напреженията на сигнала S(t) и локалния осцилатор U g (t), т.е. променливият компонент на това напрежение:

U b.e (t) = S(t) + U g (t)

Замествайки този израз в (1), получаваме.

i b = i b. e +a 1 S(t) + a 2 U g (t)+a 2 S 2 (t)+2a 2 U g (t) S(t)+ a 2 U g (t)

От всички членове в тази формула интерес представлява само един - подчертаният, съдържащ произведенията на локалния осцилатор и сигналните напрежения.

Например S(t) се описва от функцията

S AM (t)=U m sin(t+)

(Амплитудно модулиран сигнал)

и U g (t)= U m g sin(t+), тогава този член

2a 2 U g (t) S(t)= 2a 2 U m g sin(t+)*)=U m sin(t+)=

A 2 U m g U m (cos[- g)t+-]-cos[(- g)t++])

Ако веригата в колекторната верига на транзистора се настрои на междинната честота pr = - g, тогава всички други трептения с честоти , g, - g, 2, 2 g ще бъдат филтрирани. Компонентът на колекторния ток на разликата в честотата - r предизвиква появата на напрежение при резонансното съпротивление на веригата u, следователно на изхода на преобразувателя