Пастаўшчык блокаў зваротнай сувязі нагадвае вам, што з моманту з'яўлення аўтаматычных асінхронных рухавікоў генератары пераменнага току ўжо працавалі са зменнай частатой. Змяняйце хуткасць генератара і рэгулюйце яго выходную частату. Да з'яўлення хуткасных транзістараў гэта быў адзін з асноўных спосабаў змены хуткасці рухавіка, але з-за таго, што хуткасць генератара змяншала выходную частату, а не напружанне, змяненне частаты было абмежаваным.
Такім чынам, давайце разгледзім кампаненты пераўтваральніка частаты і паглядзім, як яны на самой справе працуюць разам, каб змяніць частату і хуткасць рухавіка.
Кампаненты інвертара - выпрамнік
З-за складанасці змены частаты сінусоідных хваль пераменнага току ў рэжыме пераменнага току, першай задачай пераўтваральніка частаты з'яўляецца пераўтварэнне формы сігналу ў пастаянны. Каб яна выглядала як пераменны ток, працаваць з пастаянным токам адносна проста. Першым кампанентам усіх пераўтваральнікаў частаты з'яўляецца прылада, якая называецца выпрамніком або канвертарам. Схема выпрамніка пераўтваральніка частаты пераўтварае пераменны ток у пастаянны, і яго рэжым працы прыкладна такі ж, як і ў зараднай прылады акумулятара або зварачнага апарата. У ім выкарыстоўваецца дыёдны мост, каб абмежаваць рух сінусоіднай хвалі пераменнага току толькі ў адным кірунку. У выніку цалкам выпрастаная форма сігналу пераменнага току інтэрпрэтуецца схемай пастаяннага току як лакальная форма сігналу пастаяннага току. Трохфазны пераўтваральнік частаты прымае тры незалежныя ўваходныя фазы пераменнага току і пераўтварае іх у адну выхадную пастаянную хвалю.
Большасць трохфазных пераўтваральнікаў частаты таксама могуць прымаць аднафазнае сілкаванне (230 В або 460 В), але з-за наяўнасці толькі двух уваходных галін выхадная магутнасць (HP) пераўтваральніка частаты павінна быць зніжана, бо генераваны пастаянны ток прапарцыйна памяншаецца. З іншага боку, сапраўдны аднафазны інвертар (аднафазны інвертар, які кіруе аднафазным рухавіком) выкарыстоўвае аднафазны ўваход і генеруе пастаянны выхадны ток, прапарцыйны ўваходнай напруге.
Ёсць дзве прычыны, чаму трохфазныя рухавікі часцей выкарыстоўваюцца, чым аднафазныя лічыльнікі, калі гаворка ідзе пра працу са зменнай хуткасцю. Па-першае, яны маюць шырэйшы дыяпазон магутнасці. З іншага боку, аднафазныя рухавікі звычайна патрабуюць знешняга ўмяшання, каб пачаць кручэнне.
Кампаненты інвертара - шына пастаяннага току
Другі кампанент шыны пастаяннага току не прысутнічае ні ў адным пераўтваральніку частаты, бо ён не ўплывае непасрэдна на яго працу. Аднак ён заўсёды прысутнічае ў высакаякасных пераўтваральніках частаты агульнага прызначэння. Шына пастаяннага току выкарыстоўвае кандэнсатары і індуктыўнасці для фільтрацыі пераменнага напружання "пульсацый" у пераўтвораным пастаянным току, а затым паступае ў секцыю інвертара. Яна таксама ўключае фільтр для прадухілення гарманічных скажэнняў, якія могуць паступаць назад у крыніцу харчавання інвертара. Старыя пераўтваральнікі частаты патрабуюць асобных сеткавых фільтраў для завяршэння гэтага працэсу.
Кампаненты інвертара - Інвертар
У правай частцы ілюстрацыі паказаны «ўнутраныя органы» пераўтваральніка частаты. Інвертар выкарыстоўвае тры наборы хуткасных пераключальных транзістараў для стварэння трохфазных «імпульсаў» пастаяннага току, якія імітуюць сінусоіды пераменнага току. Гэтыя імпульсы вызначаюць не толькі напружанне хвалі, але і яе частату. Тэрмін «інвертар» азначае «рэверс», што проста азначае рух згенераванай формы хвалі ўверх і ўніз. Сучасныя пераўтваральнікі частаты выкарыстоўваюць тэхніку пад назвай «шырынйна-імпульсная мадуляцыя» (ШІМ) для рэгулявання напружання і частаты.
Тады давайце пагаворым пра IGBT. IGBT азначае «ізаляваны біпалярны транзістар з затворам», які з'яўляецца пераключальным (або імпульсным) кампанентам інвертара. Транзістары (якія замяняюць электронныя лямпы) выконваюць дзве ролі ў нашым электронным свеце. Яны могуць выступаць у якасці ўзмацняльніка і павялічваць сігнал, або яны могуць выступаць у якасці перамыкача, проста ўключаючы і выключаючы сігнал. IGBT - гэта сучасная версія, якая забяспечвае больш высокую хуткасць пераключэння (3000-16000 Гц) і памяншае выпрацоўку цяпла. Больш высокая хуткасць пераключэння можа палепшыць дакладнасць мадэлявання хвалі пераменнага току і знізіць шум рухавіка. Зніжэнне выпрацоўкі цяпла азначае, што радыятар меншы, таму пераўтваральнік частаты займае меншую плошчу.
Форма сігналу ШІМ інвертара
Форма хвалі, якая генеруецца інвертарам ШІМ-інвертара, у параўнанні з сапраўднай сінусоідай пераменнага току. Выхад інвертара складаецца з серыі прастакутных імпульсаў з фіксаванай вышынёй і рэгуляванай шырынёй.
У гэтым канкрэтным выпадку ёсць тры наборы імпульсаў - шырокі набор у сярэдзіне і вузкі набор у пачатку і ў канцы станоўчай і адмоўнай частак цыклу пераменнага току.
Сума плошчаў імпульсаў роўная эфектыўнаму напружанню сапраўднай хвалі пераменнага току. Калі вы хочаце адрэзаць часткі імпульсу вышэй (ці ніжэй) за сапраўдную форму сігналу сувязі і запоўніць імі пустую вобласць пад крывой, вы ўбачыце, што яны амаль ідэальна супадаюць. Менавіта такім чынам пераўтваральнік частаты можа кіраваць напружаннем рухавіка. Сума шырыні імпульсу і шырыні пустой прамежку паміж імі вызначае частату формы сігналу, якую бачыць рухавік (адсюль ШІМ або шыротна-імпульсная мадуляцыя). Калі імпульс бесперапынны (г.зн. без прабелаў), частата ўсё роўна будзе правільнай, але напружанне будзе значна большым, чым у сапраўднай сінусоіды пераменнага току.
У залежнасці ад патрэбнага напружання і частаты, пераўтваральнік частаты будзе змяняць вышыню і шырыню імпульсу, а таксама шырыню прабелу паміж імі. Некаторыя людзі могуць задацца пытаннем, як гэты «падробны» пераменны ток (насамрэч пастаянны) прыводзіць у рух асінхронны рухавік пераменнага току.
У рэшце рэшт, ці павінен пераменны ток "індукаваць" ток і адпаведнае магнітнае поле ў ротары рухавіка? Такім чынам, пераменны ток натуральным чынам выклікае індукцыю, таму што яго кірунак пастаянна змяняецца, у той час як пастаянны ток не будзе працаваць нармальна пасля актывацыі ланцуга.
Аднак, калі пастаянны ток уключаецца і выключаецца, ён можа адчуваць ток. Для тых, хто старэйшы, сістэма запальвання аўтамабіля (да з'яўлення цвёрдацельнага запальвання) мела набор кропак у размеркавальніку. Мэта гэтых кропак - перадаваць "імпульсы" акумулятара да шпулек (трансфарматараў). Гэта індукуе зарад у шпульцы, а затым павышае напружанне да ўзроўню, які дазваляе запаліць свечку запальвання. Шырокі імпульс пастаяннага току, бачны на малюнку вышэй, насамрэч складаецца з сотняў асобных імпульсаў, і рух адкрыцця і закрыцця выхаду інвертара дазваляе ўзнікнуць індукцыі пастаяннага току.
Эфектыўнае напружанне
Адзін з фактараў, які робіць пераменны ток складаным, заключаецца ў тым, што ён пастаянна змяняе напружанне: ад нуля да максімальнага станоўчага напружання, затым назад да нуля, потым да нейкага максімальнага адмоўнага напружання, і зноў да нуля. Як вызначыць фактычнае напружанне, прыкладзенае да ланцуга? На малюнку ніжэй паказана сінусоіда 60 Гц, 120 В. Але варта адзначыць, што яе пікавае напружанне складае 170 В. Калі яго фактычнае напружанне складае 170 В, як мы можам назваць яго хваляй 120 В?
Адзін з фактараў, які робіць пераменны ток складаным, — гэта яго пастаяннае змяненне напружання ад нуля да максімальнага станоўчага напружання, затым назад да нуля, потым да нейкага максімальнага адмоўнага напружання, і зноў да нуля. Як вызначыць фактычнае напружанне, прыкладзенае да ланцуга?
Варта адзначыць, што пікавае напружанне сінусоіды 60 Гц і 120 В складае 170 В. Калі фактычнае напружанне складае 170 В, то як жа яе можна назваць хваляй 120 В?
За адзін цыкл яно пачынаецца з 0 В, падымаецца да 170 В, а затым зноў падае да 0. Яно працягвае падаць да -170, а затым зноў падымаецца да 0. Плошча зялёнага прамавугольніка з верхняй мяжой 120 В роўная суме плошчаў дадатнай і адмоўнай частак крывой.
Такім чынам, 120 В — гэта сярэдні ўзровень? Добра, калі б мы ўсярэднілі ўсе значэнні напружання ў кожнай кропцы на працягу ўсяго цыклу, вынік быў бы прыблізна 108 В, таму гэта не можа быць адказам. Дык чаму гэта значэнне вымяраецца VOM пры 120 В? Яно звязана з тым, што мы называем «эфектыўным напружаннем».
Калі вы хочаце вымераць цяпло, якое выпрацоўваецца пастаянным токам, які праходзіць праз рэзістар, вы ўбачыце, што яно большае, чым цяпло, якое выпрацоўваецца эквівалентным пераменным токам. Гэта адбываецца таму, што пераменны ток не падтрымлівае пастаяннае значэнне на працягу ўсяго цыклу. Пры кантраляваных умовах у лабараторыі выяўляецца, што пэўны пастаянны ток выклікае павелічэнне цяпла на 100 градусаў, што прыводзіць да павелічэння эквівалентнага пераменнага току на 70,7 градуса або 70,7% значэння пастаяннага току.
Такім чынам, эфектыўнае значэнне пераменнага току складае 70,7% ад пастаяннага. Таксама відаць, што эфектыўнае значэнне напружання пераменнага току роўна квадратнаму кораню з сумы квадратаў напружанняў у першай палове крывой. Калі пікавае напружанне роўна 1 і трэба вымераць розныя напружанні ад 0 да 180 градусаў, эфектыўнае напружанне будзе пікавым напружаннем ад 0 да 707 градусаў. 0,707 памножанае на пікавае напружанне 170 на малюнку роўна 120 В. Гэта эфектыўнае напружанне таксама вядома як сярэднеквадратычнае або RMS напружанне.
Такім чынам, пікавае напружанне заўсёды складае 1,414 ад эфектыўнага напружання. Пераменны ток 230 В мае пікавае напружанне 325 В, а ток 460 В — 650 В. Акрамя змены частаты, нават калі напружанне не залежыць ад хуткасці кручэння рухавіка пераменнага току, пераўтваральнік частаты таксама павінен змяняць напружанне. Дзве сінусоіды пераменнага току 460 В. Чырвоная крывая — 60 Гц, а сіняя — 50 Гц. Абедзве маюць пікавае напружанне 650 В, але 50 Гц значна шырэйшая. Лёгка заўважыць, што плошча ў першай палове крывой 50 Гц (0-10 мс) большая, чым у першай палове крывой 60 Гц (0-8,3 мс). Больш за тое, паколькі плошча пад крывой прама прапарцыйная эфектыўнаму напружанню, яго эфектыўнае напружанне вышэйшае. Па меры зніжэння частаты павелічэнне эфектыўнага напружання становіцца больш значным.
Калі дазволіць рухавікам на 460 В працаваць пры такіх высокіх напружаннях, тэрмін іх службы можа значна скароціцца. Такім чынам, пераўтваральнік частаты павінен пастаянна змяняць «пікавае» напружанне адносна частаты, каб падтрымліваць пастаяннае эфектыўнае напружанне. Чым ніжэйшая рабочая частата, тым ніжэйшае пікавае напружанне і наадварот. Цяпер вы павінны добра разумець прынцып працы пераўтваральніка частаты і тое, як кіраваць хуткасцю рухавіка. Большасць пераўтваральнікаў частаты дазваляюць карыстальнікам уручную ўстанаўліваць хуткасць рухавіка з дапамогай шматпазіцыйных перамыкачоў або клавіятур, альбо выкарыстоўваць датчыкі (ціску, патоку, тэмпературы, узроўню вадкасці і г.д.) для аўтаматызацыі працэсу.