Доставчикът на устройства за обратна връзка ви напомня, че от появата на автоматичните асинхронни двигатели, генераторите на променлив ток вече са претърпели работа с променлива честота. Промяна на скоростта на генератора и регулиране на неговата изходна честота. Преди появата на високоскоростни транзистори това беше един от основните начини за промяна на скоростта на двигателя, но тъй като скоростта на генератора намаляваше изходната честота, а не напрежението, изменението на честотата беше ограничено.
Затова нека разгледаме компонентите на честотния преобразувател и да видим как те всъщност работят заедно, за да променят честотата и скоростта на двигателя.
Компоненти на инвертора - токоизправител
Поради трудността при промяна на честотата на синусоидалните вълни на променлив ток в режим на променлив ток, първата задача на честотния преобразувател е да преобразува формата на вълната в постоянен ток. За да изглежда като променлив ток, е сравнително лесно да се работи с постоянен ток. Първият компонент на всички честотни преобразуватели е устройство, наречено токоизправител или конвертор. Токоизправителната верига на честотния преобразувател преобразува променливия ток в постоянен ток и режимът му на работа е приблизително същият като този на зарядно устройство за батерии или машина за дъгово заваряване. Той използва диоден мост, за да ограничи движението на синусоидалната вълна на променлив ток само в една посока. Резултатът е, че напълно изправената форма на вълната на променлив ток се интерпретира от веригата за постоянен ток като локална форма на вълната на постоянен ток. Трифазният честотен преобразувател приема три независими входни фази на променлив ток и ги преобразува в един изход на постоянен ток.
Повечето трифазни честотни преобразуватели могат да приемат и еднофазно (230V или 460V) захранване, но поради само два входни клона, изходът (HP) на честотния преобразувател трябва да бъде намален, тъй като генерираният постоянен ток е пропорционално намален. От друга страна, истинският еднофазен инвертор (еднофазен инвертор, който управлява еднофазен двигател) използва еднофазен вход и генерира постоянен ток, пропорционален на входа.
Има две причини, поради които трифазните двигатели се използват по-често от еднофазните броячи, когато става въпрос за работа с променлива скорост. Първо, те имат по-широк диапазон на мощност. От друга страна, еднофазните двигатели обикновено изискват известна външна намеса, за да започнат да се въртят.
Компоненти на инвертора - DC шина
Вторият компонент на DC шината не може да се види в нито един честотен преобразувател, тъй като не влияе директно върху работата му. Той обаче винаги съществува във висококачествените честотни преобразуватели с общо предназначение. DC шината използва кондензатори и индуктори, за да филтрира променливотоковото напрежение „пулсации“ в преобразуваното постояннотоково захранване и след това постъпва в секцията на инвертора. Тя включва и филтър за предотвратяване на хармонични изкривявания, които могат да бъдат върнати обратно към захранването на инвертора. По-старите честотни преобразуватели изискват отделни мрежови филтри, за да завършат този процес.
Компоненти на инвертора - Инвертор
От дясната страна на илюстрацията са показани „вътрешните органи“ на честотния преобразувател. Инверторът използва три комплекта високоскоростни превключващи транзистори, за да създаде изцяло трифазни постояннотокови „импулси“, които симулират променливотокови синусоиди. Тези импулси определят не само напрежението на вълната, но и нейната честота. Терминът „инвертор“ означава „обращане“, което просто означава движение нагоре и надолу на генерираната форма на вълната. Съвременните честотни преобразуватели използват техника, наречена „импулсно-широчинна модулация“ (PWM), за регулиране на напрежението и честотата.
Тогава нека поговорим за IGBT. IGBT означава „изолиран биполярен транзистор с гейт“, който е превключващият (или импулсният) компонент на инвертора. Транзисторите (заместващи вакуумните лампи) играят две роли в нашия електронен свят. Те могат да действат като усилвател и да усилват сигнала или като превключвател, като просто включват и изключват сигнала. IGBT е модерна версия, която осигурява по-високи скорости на превключване (3000-16000 Hz) и намалява генерирането на топлина. По-високата скорост на превключване може да подобри точността на симулацията на променливотокови вълни и да намали шума на двигателя. Намаляването на генерираната топлина означава, че радиаторът е по-малък, така че честотният преобразувател заема по-малка площ.
PWM форма на вълната на инвертора
Формата на вълната, генерирана от инвертора на PWM инвертор, в сравнение с истинска AC синусоида. Изходът на инвертора се състои от поредица от правоъгълни импулси с фиксирана височина и регулируема ширина.
В този конкретен случай има три комплекта импулси - широк комплект в средата и тесен комплект в началото и края на положителната и отрицателната част на цикъла на променливия ток.
Сумата от площите на импулсите е равна на ефективното напрежение на истинската променливотокова вълна. Ако искате да отрежете частите на импулса над (или под) действителната комуникационна форма на вълната и да запълните празната област под кривата с тях, ще откриете, че те почти перфектно съвпадат. Именно по този начин честотният преобразувател може да контролира напрежението на двигателя. Сумата от ширината на импулса и ширината на празното пространство между тях определя честотата на формата на вълната, виждана от двигателя (оттук и ШИМ или импулсно-широчинна модулация). Ако импулсът е непрекъснат (т.е. без празни места), честотата все още ще бъде правилна, но напрежението ще бъде много по-голямо от истинската променливотокова синусоида.
Според необходимото напрежение и честота, честотният преобразувател ще променя височината и ширината на импулса, както и ширината на празното пространство между тях. Някои хора може да се чудят как този „фалшив“ променлив ток (всъщност постоянен ток) управлява променливотоков асинхронен двигател.
В края на краищата, необходимо ли е променливият ток да „индуцира“ тока и съответното магнитно поле в ротора на двигателя? Така че, променливият ток естествено ще предизвика индукция, защото е постоянно променяща се посока, докато постоянният ток няма да работи нормално, след като веригата е активирана.
Въпреки това, ако постояннотоковият ток се включва и изключва, той може да усети ток. За по-възрастните, системата за запалване на автомобили (преди твърдотелното запалване) е имала набор от точки в разпределителя. Целта на тези точки е да преминат от „импулсите“ на батерията към бобините (трансформаторите). Това индуцира заряд в бобината и след това повишава напрежението до ниво, което позволява на свещта да се запали. Широкият постоянен ток, видян на горната фигура, всъщност е съставен от стотици отделни импулси, а движението на отваряне и затваряне на изхода на инвертора позволява възникването на постоянен ток.
Ефективно напрежение
Един фактор, който прави променливия ток сложен, е, че той постоянно променя напрежението си - от нула до максимално положително напрежение, след това обратно до нула, след това до някакво максимално отрицателно напрежение и накрая обратно до нула. Как да определим действителното напрежение, приложено към веригата? Илюстрацията по-долу е синусоида с честота 60 Hz и напрежение 120 V. Но трябва да се отбележи, че пиковото ѝ напрежение е 170 V. Ако действителното ѝ напрежение е 170 V, как можем да я наречем вълна от 120 V?
Един от факторите, които правят променливия ток сложен, е постоянната му промяна в напрежението - от нула до максимално положително напрежение, след това обратно до нула, след това до някакво максимално отрицателно напрежение и накрая обратно до нула. Как да определим действителното напрежение, приложено към веригата?
Трябва да се отбележи, че пиковото напрежение на синусоидална вълна с честота 60Hz и напрежение 120V е 170V. Ако действителното напрежение е 170V, как можем да я наречем вълна от 120V?
В един цикъл то започва от 0V, повишава се до 170V и след това отново пада до 0. Продължава да пада до -170 и след това отново се повишава до 0. Площта на зеления правоъгълник с горна граница от 120V е равна на сумата от площите на положителната и отрицателната част на кривата.
Значи 120V е средното ниво? Добре, ако осредним всички стойности на напрежението във всяка точка през целия цикъл, резултатът ще бъде приблизително 108V, така че това не може да е отговорът. Тогава защо тази стойност се измерва от VOM при 120V? Тя е свързана с това, което наричаме „ефективно напрежение“.
Ако искате да измерите топлината, генерирана от постоянния ток, протичащ през резистор, ще откриете, че тя е по-голяма от топлината, генерирана от еквивалентен променлив ток. Това е така, защото променливият ток не поддържа постоянна стойност през целия цикъл. Ако се проведе при контролирани условия в лаборатория, се установява, че специфичен постоянен ток произвежда увеличение на топлината от 100 градуса, което води до увеличение от 70,7 градуса в еквивалента на променливия ток или 70,7% стойност на постоянния ток.
Така ефективната стойност на променливотоковото напрежение е 70,7% от постоянното. Вижда се също, че ефективната стойност на променливотоковото напрежение е равна на корен квадратен от сумата от квадратите на напреженията в първата половина на кривата. Ако пиковото напрежение е 1 и трябва да се измерят различни напрежения от 0 градуса до 180 градуса, ефективното напрежение ще бъде пиковото напрежение от 0 до 707 градуса. 0,707 по пиковото напрежение от 170 на фигурата е равно на 120 V. Това ефективно напрежение е известно още като средноквадратично или RMS напрежение.
Следователно, пиковото напрежение винаги е 1,414 от ефективното напрежение. Променливият ток от 230 V има пиково напрежение от 325 V, докато ток от 460 V има пиково напрежение от 650 V. В допълнение към изменението на честотата, дори ако напрежението е независимо от работната скорост на променливотоковия двигател, честотният преобразувател също трябва да променя напрежението. Две синусоиди от 460 V AC. Червената крива е 60 Hz, а синята крива е 50 Hz. И двете имат пиково напрежение от 650 V, но 50 Hz е много по-широка. Лесно можете да видите, че площта в първата половина на кривата от 50 Hz (0-10 ms) е по-голяма от първата половина на кривата от 60 Hz (0-8,3 ms). Освен това, тъй като площта под кривата е право пропорционална на ефективното напрежение, ефективното му напрежение е по-високо. С намаляването на честотата, увеличението на ефективното напрежение става по-значително.
Ако на двигателите с напрежение 460 V се позволи да работят при тези по-високи напрежения, техният живот може да бъде значително намален. Следователно, честотният преобразувател трябва постоянно да променя "пиковото" напрежение спрямо честотата, за да поддържа постоянно ефективно напрежение. Колкото по-ниска е работната честота, толкова по-ниско е пиковото напрежение и обратно. Сега би трябвало да имате добро разбиране за принципа на работа на честотния преобразувател и как да се контролира скоростта на двигателя. Повечето честотни преобразуватели позволяват на потребителите ръчно да задават скоростта на двигателя чрез многопозиционни превключватели или клавиатури или да използват сензори (налягане, дебит, температура, ниво на течността и др.) за автоматизиране на процеса.