फीडबैक यूनिट सप्लायर आपको याद दिलाना चाहता है कि स्वचालित इंडक्शन मोटरों के आगमन के बाद से, एसी जनरेटरों का रूप पहले से ही परिवर्तनशील आवृत्ति संचालन से गुज़र रहा है। जनरेटर की गति बदलें और उसकी आउटपुट आवृत्ति समायोजित करें। उच्च गति ट्रांजिस्टरों के आगमन से पहले, मोटर की गति बदलने का यह एक प्रमुख तरीका था, लेकिन जनरेटर की गति वोल्टेज के बजाय आउटपुट आवृत्ति को कम करने के कारण, आवृत्ति परिवर्तन सीमित था।
इसलिए, आइए आवृत्ति कनवर्टर के घटकों पर एक नज़र डालें और देखें कि वे वास्तव में आवृत्ति और मोटर की गति को बदलने के लिए एक साथ कैसे काम करते हैं।
इन्वर्टर घटक - रेक्टिफायर
एसी मोड में एसी साइन तरंगों की आवृत्ति बदलने में कठिनाई के कारण, आवृत्ति कनवर्टर का पहला कार्य तरंग को डीसी में बदलना है। इसे एसी जैसा दिखने के लिए, डीसी को संचालित करना अपेक्षाकृत आसान है। सभी आवृत्ति कन्वर्टर्स का पहला घटक एक उपकरण है जिसे रेक्टिफायर या कन्वर्टर कहा जाता है। आवृत्ति कनवर्टर का रेक्टिफायर सर्किट प्रत्यावर्ती धारा को दिष्ट धारा में परिवर्तित करता है, और इसका कार्य मोड लगभग बैटरी चार्जर या आर्क वेल्डिंग मशीन के समान ही होता है। यह एसी साइन तरंग को केवल एक दिशा में बढ़ने से प्रतिबंधित करने के लिए डायोड ब्रिज का उपयोग करता है। परिणाम यह है कि पूरी तरह से सुधारा गया एसी तरंग को डीसी सर्किट द्वारा स्थानीय डीसी तरंग के रूप में व्याख्या किया जाता है।
अधिकांश त्रि-फेज आवृत्ति परिवर्तक एकल-फेज (230V या 460V) विद्युत आपूर्ति भी स्वीकार कर सकते हैं, लेकिन केवल दो इनपुट शाखाओं के कारण, आवृत्ति परिवर्तक का आउटपुट (HP) कम होना चाहिए क्योंकि उत्पन्न DC धारा आनुपातिक रूप से कम हो जाती है। दूसरी ओर, एक वास्तविक एकल-फेज इन्वर्टर (एक एकल-फेज इन्वर्टर जो एकल-फेज मोटर को नियंत्रित करता है) एकल-फेज इनपुट का उपयोग करता है और इनपुट के समानुपाती DC आउटपुट उत्पन्न करता है।
परिवर्तनशील गति संचालन के मामले में, तीन-फेज मोटरों का उपयोग एकल-फेज काउंटर घटकों की तुलना में अधिक आम है, इसके दो कारण हैं। पहला, इनकी शक्ति सीमा अधिक होती है। दूसरी ओर, एकल-फेज मोटरों को घूमने के लिए आमतौर पर कुछ बाहरी हस्तक्षेप की आवश्यकता होती है।
इन्वर्टर घटक - डीसी बस
डीसी बस का दूसरा घटक किसी भी फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर में नहीं देखा जा सकता क्योंकि यह फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर के संचालन को सीधे प्रभावित नहीं करता। हालाँकि, यह उच्च-गुणवत्ता वाले सामान्य-उद्देश्य वाले फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स में हमेशा मौजूद रहता है। डीसी बस, परिवर्तित डीसी पावर में एसी "रिपल" वोल्टेज को फ़िल्टर करने के लिए कैपेसिटर और इंडक्टर का उपयोग करती है, और फिर इन्वर्टर सेक्शन में प्रवेश करती है। इसमें हार्मोनिक विरूपण को रोकने के लिए एक फ़िल्टर भी शामिल है, जिसे इन्वर्टर पावर सप्लाई में वापस भेजा जा सकता है। पुराने फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स को इस प्रक्रिया को पूरा करने के लिए अलग लाइन फ़िल्टर की आवश्यकता होती है।
इन्वर्टर घटक - इन्वर्टर
चित्र के दाईं ओर फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर के "आंतरिक अंग" हैं। इन्वर्टर उच्च-गति स्विचिंग ट्रांजिस्टर के तीन सेटों का उपयोग करके सभी तीन-चरण डीसी "पल्स" उत्पन्न करता है जो एसी साइन तरंगों का अनुकरण करते हैं। ये पल्स न केवल तरंग के वोल्टेज को, बल्कि उसकी आवृत्ति को भी निर्धारित करते हैं। 'इन्वर्टर' शब्द का अर्थ है 'उलटाव', जिसका सीधा सा अर्थ है उत्पन्न तरंगरूप का ऊपर-नीचे होना। आधुनिक फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर वोल्टेज और आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए "पल्स विड्थ मॉड्यूलेशन" (PWM) नामक तकनीक का उपयोग करते हैं।
तो चलिए IGBT के बारे में बात करते हैं। IGBT का मतलब है "इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर", जो इन्वर्टर का स्विचिंग (या पल्स) घटक है। ट्रांजिस्टर (वैक्यूम ट्यूब की जगह) हमारी इलेक्ट्रॉनिक दुनिया में दो भूमिकाएँ निभाते हैं। यह एक एम्पलीफायर की तरह काम करके सिग्नल बढ़ा सकता है, या यह सिग्नल को चालू और बंद करके स्विच की तरह भी काम कर सकता है। IGBT एक आधुनिक संस्करण है जो उच्च स्विचिंग गति (3000-16000 हर्ट्ज़) प्रदान करता है और ऊष्मा उत्पादन को कम करता है। उच्च स्विचिंग गति एसी तरंग सिमुलेशन की सटीकता में सुधार कर सकती है और मोटर शोर को कम कर सकती है। उत्पन्न ऊष्मा में कमी का मतलब है कि हीट सिंक छोटा होता है, इसलिए फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर एक छोटे क्षेत्र में घूमता है।
इन्वर्टर PWM तरंगरूप
एक PWM इन्वर्टर द्वारा उत्पन्न तरंगरूप की तुलना एक वास्तविक AC साइन तरंग से की जाती है। इन्वर्टर आउटपुट में निश्चित ऊँचाई और समायोज्य चौड़ाई वाले आयताकार पल्स की एक श्रृंखला होती है।
इस विशेष मामले में, स्पंदों के तीन सेट होते हैं - मध्य में एक चौड़ा सेट और एसी चक्र के धनात्मक और ऋणात्मक भागों के आरंभ और अंत में एक संकीर्ण सेट।
स्पंदों के क्षेत्रफलों का योग वास्तविक AC तरंग के प्रभावी वोल्टेज के बराबर होता है। यदि आप वास्तविक संचार तरंग के ऊपर (या नीचे) स्पंद भागों को काटकर वक्र के नीचे के रिक्त क्षेत्र को उनसे भरना चाहें, तो आप पाएंगे कि वे लगभग पूरी तरह मेल खाते हैं। आवृत्ति परिवर्तक इसी प्रकार मोटर के वोल्टेज को नियंत्रित कर सकता है। स्पंद की चौड़ाई और उनके बीच की रिक्त चौड़ाई का योग मोटर द्वारा देखी गई तरंग की आवृत्ति निर्धारित करता है (इसलिए PWM या स्पंद चौड़ाई मॉडुलन)। यदि स्पंद निरंतर है (अर्थात रिक्त स्थान के बिना), तो आवृत्ति अभी भी सही होगी, लेकिन वोल्टेज एक वास्तविक AC साइन तरंग से बहुत अधिक होगा।
आवश्यक वोल्टेज और आवृत्ति के अनुसार, फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर पल्स की ऊँचाई और चौड़ाई, साथ ही दोनों के बीच की रिक्त चौड़ाई को भी बदल देगा। कुछ लोगों को आश्चर्य हो सकता है कि यह 'नकली' एसी (वास्तव में डीसी) एक एसी इंडक्शन मोटर को कैसे संचालित करता है।
आखिर, क्या प्रत्यावर्ती धारा को मोटर रोटर में धारा और उसके अनुरूप चुंबकीय क्षेत्र को "प्रेरित" करने की ज़रूरत होती है? इसलिए, प्रत्यावर्ती धारा स्वाभाविक रूप से प्रेरण का कारण बनेगी क्योंकि इसकी दिशा लगातार बदलती रहती है, जबकि परिपथ सक्रिय होने के बाद प्रत्यावर्ती धारा सामान्य रूप से कार्य नहीं करेगी।
हालाँकि, अगर डीसी को चालू और बंद किया जाए, तो यह करंट को महसूस कर सकता है। जो लोग पुराने हैं, उनके लिए बता दें कि कार इग्निशन सिस्टम (सॉलिड-स्टेट इग्निशन से पहले) में डिस्ट्रीब्यूटर में बिंदुओं का एक समूह होता था। इन बिंदुओं का उद्देश्य बैटरी "पल्स" से कॉइल्स (ट्रांसफार्मर) तक जाना होता है। यह कॉइल में एक आवेश उत्पन्न करता है और फिर वोल्टेज को उस स्तर तक बढ़ा देता है जिससे स्पार्क प्लग प्रज्वलित हो सके। ऊपर दिए गए चित्र में दिखाई देने वाला विस्तृत डीसी पल्स वास्तव में सैकड़ों अलग-अलग पल्स से बना है, और इन्वर्टर आउटपुट के खुलने और बंद होने की गति डीसी प्रेरण को संभव बनाती है।
प्रभावी वोल्टेज
प्रत्यावर्ती धारा को जटिल बनाने वाला एक कारक यह है कि यह लगातार वोल्टेज बदलती रहती है, शून्य से अधिकतम धनात्मक वोल्टेज तक, फिर वापस शून्य पर, फिर किसी अधिकतम ऋणात्मक वोल्टेज तक, और फिर वापस शून्य पर। परिपथ पर लागू वास्तविक वोल्टेज का निर्धारण कैसे करें? नीचे दिया गया चित्र 60Hz, 120V साइन तरंग है। लेकिन ध्यान रहे कि इसका शिखर वोल्टेज 170V है। यदि इसका वास्तविक वोल्टेज 170V है, तो हम इसे 120V तरंग कैसे कह सकते हैं?
प्रत्यावर्ती धारा को जटिल बनाने वाला एक कारक वोल्टेज में निरंतर परिवर्तन है, शून्य से अधिकतम धनात्मक वोल्टेज तक, फिर वापस शून्य पर, फिर किसी अधिकतम ऋणात्मक वोल्टेज तक, और फिर वापस शून्य पर। परिपथ पर लागू वास्तविक वोल्टेज का निर्धारण कैसे करें?
60Hz, 120V साइन तरंग के लिए ध्यान दें कि इसका अधिकतम वोल्टेज 170V है। यदि इसका वास्तविक वोल्टेज 170V है, तो हम इसे 120V तरंग कैसे कह सकते हैं?
एक चक्र में, यह 0V से शुरू होता है, 170V तक बढ़ता है, और फिर 0 पर वापस गिर जाता है। यह -170 तक गिरना जारी रखता है, और फिर 0 पर वापस बढ़ जाता है। 120V की ऊपरी सीमा वाले हरे आयत का क्षेत्रफल वक्र के धनात्मक और ऋणात्मक भागों के क्षेत्रफलों के योग के बराबर है।
तो 120V औसत स्तर है? ठीक है, अगर हम पूरे चक्र में हर बिंदु पर सभी वोल्टेज मानों का औसत निकालें, तो परिणाम लगभग 108V होगा, इसलिए यह उत्तर नहीं हो सकता। तो यह मान VOM द्वारा 120V पर क्यों मापा जाता है? यह उससे संबंधित है जिसे हम 'प्रभावी वोल्टेज' कहते हैं।
यदि आप किसी प्रतिरोधक से प्रवाहित दिष्ट धारा द्वारा उत्पन्न ऊष्मा मापना चाहें, तो आप पाएँगे कि यह समतुल्य प्रत्यावर्ती धारा द्वारा उत्पन्न ऊष्मा से अधिक होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रत्यावर्ती धारा (AC) पूरे चक्र में एक स्थिर मान बनाए नहीं रखती। यदि प्रयोगशाला में नियंत्रित परिस्थितियों में इसका परीक्षण किया जाए, तो पाया जाता है कि एक विशिष्ट दिष्ट धारा 100 डिग्री ऊष्मा वृद्धि उत्पन्न करती है, जिसके परिणामस्वरूप AC समतुल्य में 70.7 डिग्री या दिष्ट धारा मान में 70.7% की वृद्धि होती है।
अतः AC का प्रभावी मान DC का 70.7% है। यह भी देखा जा सकता है कि AC वोल्टेज का प्रभावी मान वक्र के पहले भाग में वोल्टेज के वर्गों के योग के वर्गमूल के बराबर होता है। यदि पीक वोल्टेज 1 है और 0 डिग्री से 180 डिग्री तक के विभिन्न वोल्टेज मापने हों, तो प्रभावी वोल्टेज 0-707 डिग्री का पीक वोल्टेज होगा। चित्र में 170 डिग्री के पीक वोल्टेज का 0.707 गुना 120V के बराबर है। इस प्रभावी वोल्टेज को मूल माध्य वर्ग या RMS वोल्टेज भी कहते हैं।
इसलिए, पीक वोल्टेज हमेशा प्रभावी वोल्टेज का 1.414 होता है। 230V एसी करंट का पीक वोल्टेज 325V है, जबकि 460 का पीक वोल्टेज 650V है। आवृत्ति परिवर्तन के अलावा, भले ही वोल्टेज एसी मोटर की ऑपरेटिंग गति से स्वतंत्र हो, आवृत्ति कनवर्टर को भी वोल्टेज बदलना होगा। दो 460V एसी साइन तरंगें। लाल वक्र 60Hz है, और नीला वक्र 50Hz है। दोनों का पीक वोल्टेज 650V है, लेकिन 50Hz बहुत व्यापक है। आप आसानी से देख सकते हैं कि 50Hz वक्र (0-10ms) के पहले आधे हिस्से के भीतर का क्षेत्र 60Hz वक्र (0-8.3ms) के पहले आधे हिस्से से बड़ा है। इसके अलावा, चूंकि वक्र के नीचे का क्षेत्र प्रभावी वोल्टेज के सीधे आनुपातिक है, इसलिए इसका प्रभावी वोल्टेज अधिक है
यदि 460V मोटरों को इन उच्च वोल्टेज पर चलने दिया जाए, तो उनका जीवनकाल बहुत कम हो सकता है। इसलिए, एक स्थिर प्रभावी वोल्टेज बनाए रखने के लिए, आवृत्ति कनवर्टर को आवृत्ति के सापेक्ष "पीक" वोल्टेज को लगातार बदलना होगा। ऑपरेटिंग आवृत्ति जितनी कम होगी, पीक वोल्टेज उतना ही कम होगा, और इसके विपरीत। अब आपको आवृत्ति कनवर्टर के कार्य सिद्धांत और मोटर की गति को नियंत्रित करने के तरीके की अच्छी समझ होनी चाहिए। अधिकांश आवृत्ति कनवर्टर उपयोगकर्ताओं को बहु-स्थिति स्विच या कीबोर्ड के माध्यम से मोटर की गति को मैन्युअल रूप से सेट करने की अनुमति देते हैं, या प्रक्रिया को स्वचालित करने के लिए सेंसर (दबाव, प्रवाह, तापमान, द्रव स्तर, आदि) का उपयोग करते हैं।