A visszacsatoló egység szállítója emlékezteti Önt, hogy az automatikus indukciós motorok megjelenése óta a váltakozó áramú generátorok formája már átesett a változtatható frekvenciájú működésen. Változtassa meg a generátor sebességét és állítsa be a kimeneti frekvenciáját. A nagysebességű tranzisztorok megjelenése előtt ez volt a motor sebességének változtatásának egyik fő módja, de mivel a generátor sebessége a feszültség helyett a kimeneti frekvenciát csökkentette, a frekvenciaváltozás korlátozott volt.
Ezért vessünk egy pillantást a frekvenciaváltó alkatrészeire, és nézzük meg, hogyan működnek együtt a frekvencia és a motor fordulatszámának megváltoztatásában.
Inverter alkatrészek - egyenirányító
Mivel AC szinuszhullámok frekvenciájának AC üzemmódban történő megváltoztatása nehézkes, a frekvenciaváltó első feladata a hullámforma DC-vé alakítása. Ahhoz, hogy AC-nek tűnjön, viszonylag könnyű DC-vel működtetni. Minden frekvenciaváltó első alkotóeleme egy egyenirányítónak vagy konverternek nevezett eszköz. A frekvenciaváltó egyenirányító áramköre a váltakozó áramot egyenárammá alakítja, és működési módja nagyjából megegyezik az akkumulátortöltő vagy az ívhegesztőgép üzemmódjával. Diódás hidat használ, hogy korlátozza a AC szinuszhullám mozgását, és csak egy irányban történjen. Ennek eredményeként a teljesen egyenirányított AC hullámformát az DC áramkör lokális DC hullámformaként értelmezi. Egy háromfázisú frekvenciaváltó három független AC bemeneti fázist fogad, és egyetlen DC kimenetté alakítja azokat.
A legtöbb háromfázisú frekvenciaváltó képes egyfázisú (230 V vagy 460 V) tápfeszültségről is működni, de mivel csak két bemeneti ága van, a frekvenciaváltó kimenetét (LE) le kell értékelni, mivel a generált egyenáram arányosan csökken. Másrészt egy valódi egyfázisú inverter (egyfázisú inverter, amely egyfázisú motort vezérel) egyfázisú bemenetet használ, és a bemenettel arányos egyenáramú kimenetet generál.
Két oka van annak, hogy a háromfázisú motorokat gyakrabban használják az egyfázisú számlálóalkatrészekhez képest a változtatható sebességű működés terén. Először is, szélesebb teljesítménytartománnyal rendelkeznek. Másrészt az egyfázisú motorok forgásának megkezdéséhez jellemzően külső beavatkozásra van szükség.
Inverter alkatrészek - DC busz
Az egyenáramú busz második komponense egyetlen frekvenciaváltóban sem látható, mivel nem befolyásolja közvetlenül a frekvenciaváltó működését. A kiváló minőségű, általános célú frekvenciaváltókban azonban mindig létezik. Az egyenáramú busz kondenzátorokat és induktorokat használ az átalakított egyenáramú teljesítményben lévő váltakozó áramú "hullámzó" feszültség kiszűrésére, majd belép az inverter részbe. Tartalmaz egy szűrőt is a harmonikus torzítás megakadályozására, amely visszatáplálható az inverter tápegységébe. A régebbi frekvenciaváltókhoz külön hálózati szűrőkre van szükség ehhez a folyamathoz.
Inverter alkatrészek - Inverter
Az ábra jobb oldalán a frekvenciaváltó „belső szervei” láthatók. Az inverter három nagysebességű kapcsolótranzisztor-készletet használ a háromfázisú egyenáramú „impulzusok” létrehozásához, amelyek a váltakozó áramú szinuszhullámokat szimulálják. Ezek az impulzusok nemcsak a hullám feszültségét, hanem a frekvenciáját is meghatározzák. Az „inverter” kifejezés „megfordítást” jelent, ami egyszerűen a generált hullámforma fel-le mozgását jelenti. A modern frekvenciaváltók az „impulzusszélesség-modulációnak” (PWM) nevezett technikát alkalmazzák a feszültség és a frekvencia szabályozására.
Akkor beszéljünk az IGBT-ről. Az IGBT a „szigetelt kapus bipoláris tranzisztor” rövidítése, amely az inverter kapcsoló (vagy impulzus) komponense. A tranzisztorok (a vákuumcsövek helyett) két szerepet játszanak elektronikus világunkban. Működhetnek erősítőként és növelhetik a jelet, vagy kapcsolóként működhetnek a jel egyszerű be- és kikapcsolásával. Az IGBT egy modern változat, amely nagyobb kapcsolási sebességet biztosít (3000-16000 Hz), és csökkenti a hőtermelést. A nagyobb kapcsolási sebesség javíthatja az AC hullám szimulációjának pontosságát és csökkentheti a motorzajt. A keletkező hő csökkentése azt jelenti, hogy a hűtőborda kisebb, így a frekvenciaváltó kisebb területet foglal el.
Inverter PWM hullámforma
A PWM inverter által generált hullámforma összehasonlítva egy valódi AC szinuszhullámmal. Az inverter kimenete fix magasságú és állítható szélességű téglalap alakú impulzusok sorozatából áll.
Ebben a konkrét esetben három impulzuskészlet van - egy széles készlet középen és egy keskeny készlet a váltakozó áramú ciklus pozitív és negatív részeinek elején és végén.
Az impulzusok területének összege megegyezik a valódi AC hullám effektív feszültségével. Ha le szeretné vágni a tényleges kommunikációs hullámforma feletti (vagy alatti) impulzusrészeket, és ezekkel szeretné kitölteni a görbe alatti üres területet, azt fogja tapasztalni, hogy azok szinte tökéletesen megegyeznek. Pontosan így tudja a frekvenciaváltó szabályozni a motor feszültségét. Az impulzusszélesség és a közöttük lévő üres terület összege határozza meg a motor által látott hullámforma frekvenciáját (innen ered a PWM, vagyis az impulzusszélesség-moduláció). Ha az impulzus folytonos (azaz üres helyek nélkül), a frekvencia továbbra is helyes lesz, de a feszültség sokkal nagyobb lesz, mint egy valódi AC szinuszhullám esetében.
A szükséges feszültség és frekvencia szerint a frekvenciaváltó változtatja az impulzus magasságát és szélességét, valamint a kettő közötti üres hely szélességét. Egyesek kíváncsiak lehetnek, hogyan működtet ez az „ál”váltóáram (valójában egyenáram) egy váltakozó áramú indukciós motort.
Végül is a váltakozó áramnak "indukálnia" kell az áramot és a hozzá tartozó mágneses mezőt a motor forgórészében? Tehát a váltóáram természetesen indukciót okoz, mivel folyamatosan változó irányról van szó, míg az egyenáram nem fog normálisan működni, ha az áramkör aktiválva van.
Ha azonban az egyenáramot be- és kikapcsolják, akkor képes érzékelni az áramot. Az idősebbek számára az autók gyújtásrendszerében (a szilárdtest gyújtás előtt) régebben egy sor pont volt az elosztóban. Ezeknek a pontoknak a célja, hogy az akkumulátor "impulzusaitól" a tekercsekig (transzformátorokig) jussanak. Ez töltést indukál a tekercsben, majd a feszültséget olyan szintre emeli, amely lehetővé teszi a gyújtógyertya begyulladását. A fenti ábrán látható széles egyenáramú impulzus valójában több száz egyedi impulzusból áll, és az inverter kimenetének nyitó és záró mozgása teszi lehetővé az egyenáramú indukció létrejöttét.
Effektív feszültség
A váltakozó áram egyik komplexitását az adja, hogy folyamatosan változtatja a feszültségét, nullától a maximális pozitív feszültségig, majd vissza nulláig, majd egy bizonyos maximális negatív feszültségig, végül pedig vissza nulláig. Hogyan határozható meg az áramkörre adott tényleges feszültség? Az alábbi ábra egy 60 Hz-es, 120 V-os szinuszhullámot mutat. De meg kell jegyezni, hogy a csúcsfeszültsége 170 V. Ha a tényleges feszültsége 170 V, hogyan nevezhetjük 120 V-os hullámnak?
Az egyik tényező, ami a váltakozó áramot komplexvé teszi, a feszültség állandó változása, nullától egy maximális pozitív feszültségig, majd vissza nulláig, majd egy bizonyos maximális negatív feszültségig, végül pedig vissza nulláig. Hogyan határozható meg az áramkörre adott tényleges feszültség?
Egy 60 Hz-es, 120 V-os szinuszhullám csúcsfeszültsége 170 V. Ha a tényleges feszültsége 170 V, hogyan nevezhetjük 120 V-os hullámnak?
Egy ciklusban 0 V-ról indul, 170 V-ra emelkedik, majd ismét 0-ra csökken. Tovább csökken -170 V-ig, majd ismét 0-ra emelkedik. A 120 V felső határú zöld téglalap területe megegyezik a görbe pozitív és negatív részeinek területének összegével.
Tehát 120V az átlagos szint? Oké, ha átlagolnánk az összes feszültségértéket a teljes ciklus minden pontján, az eredmény körülbelül 108V lenne, tehát ez nem lehet a válasz. Akkor miért méri a VOM ezt az értéket 120V-on? Ez összefügg azzal, amit „effektív feszültségnek” nevezünk.
Ha meg szeretné mérni az ellenálláson átfolyó egyenáram által termelt hőt, azt fogja tapasztalni, hogy az nagyobb, mint az azzal egyenértékű váltakozó áram által termelt hő. Ez azért van, mert a váltakozó áram nem tartja állandó értékét a teljes ciklus alatt. Ha laboratóriumban ellenőrzött körülmények között vizsgálják, azt tapasztalják, hogy egy adott egyenáram 100 fokos hőnövekedést eredményez, ami a váltakozó áramnak megfelelő érték 70,7 fokos növekedését, vagyis a egyenáram értékének 70,7%-át teszi ki.
Tehát a váltakozó áram effektív értéke az egyenáram 70,7%-a. Az is látható, hogy a váltakozó feszültség effektív értéke egyenlő a görbe első felében lévő feszültségek négyzetösszegének négyzetgyökével. Ha a csúcsfeszültség 1, és 0 foktól 180 fokig különböző feszültségeket kell mérni, akkor az effektív feszültség a 0-707 fok közötti csúcsfeszültség lesz. Az ábrán látható 170 fokos csúcsfeszültség 0,707-szerese 120 V-nak felel meg. Ezt az effektív feszültséget négyzetes középértéknek vagy RMS feszültségnek is nevezik.
Ezért a csúcsfeszültség mindig az effektív feszültség 1,414-szerese. A 230 V-os váltakozó áram csúcsfeszültsége 325 V, míg a 460 V-os áram csúcsfeszültsége 650 V. A frekvenciaváltozás mellett, még ha a feszültség független is az AC motor üzemi sebességétől, a frekvenciaváltónak is változtatnia kell a feszültséget. Két 460 V-os váltakozó áramú szinuszhullám. A piros görbe 60 Hz, a kék görbe pedig 50 Hz. Mindkettő csúcsfeszültsége 650 V, de az 50 Hz sokkal szélesebb. Könnyen látható, hogy az 50 Hz-es görbe első felében lévő terület (0-10 ms) nagyobb, mint a 60 Hz-es görbe első felében lévő terület (0-8,3 ms). Továbbá, mivel a görbe alatti terület egyenesen arányos az effektív feszültséggel, az effektív feszültsége is nagyobb. Ahogy a frekvencia csökken, az effektív feszültség növekedése egyre nagyobb.
Ha a 460 V-os motorokat ilyen magasabb feszültségeken üzemeltetjük, az élettartamuk jelentősen lerövidülhet. Ezért a frekvenciaváltónak folyamatosan változtatnia kell a "csúcsfeszültséget" a frekvenciához képest, hogy állandó effektív feszültséget tartson fenn. Minél alacsonyabb az üzemi frekvencia, annál alacsonyabb a csúcsfeszültség, és fordítva. Most már jól ismernie kell a frekvenciaváltó működési elvét és a motor fordulatszámának szabályozását. A legtöbb frekvenciaváltó lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy manuálisan beállítsák a motor fordulatszámát többállású kapcsolók vagy billentyűzetek segítségével, vagy érzékelők (nyomás, áramlás, hőmérséklet, folyadékszint stb.) segítségével automatizálják a folyamatot.