Atgriezeniskās saites bloka piegādātājs atgādina, ka kopš automātisko indukcijas motoru parādīšanās maiņstrāvas ģeneratori jau ir bijuši pakļauti mainīgas frekvences darbībai. Mainiet ģeneratora ātrumu un regulējiet tā izejas frekvenci. Pirms ātrgaitas tranzistoru parādīšanās šis bija viens no galvenajiem veidiem, kā mainīt motora ātrumu, taču, tā kā ģeneratora ātrums samazināja izejas frekvenci, nevis spriegumu, frekvences izmaiņas bija ierobežotas.
Tāpēc aplūkosim frekvences pārveidotāja komponentus un redzēsim, kā tie faktiski darbojas kopā, lai mainītu frekvenci un motora ātrumu.
Invertora komponenti - taisngriezis
Tā kā maiņstrāvas režīmā ir grūti mainīt maiņstrāvas sinusoidālo viļņu frekvenci, frekvences pārveidotāja pirmais uzdevums ir pārveidot viļņu formu līdzstrāvā. Lai tā izskatītos pēc maiņstrāvas, to ir samērā viegli darbināt ar līdzstrāvu. Visu frekvences pārveidotāju pirmā sastāvdaļa ir ierīce, ko sauc par taisngriezi vai pārveidotāju. Frekvences pārveidotāja taisngrieža ķēde pārveido maiņstrāvu līdzstrāvā, un tās darba režīms ir aptuveni tāds pats kā akumulatora lādētājam vai loka metināšanas iekārtai. Tā izmanto diodes tiltu, lai ierobežotu maiņstrāvas sinusoidālā viļņa kustību tikai vienā virzienā. Rezultātā pilnībā rektificēto maiņstrāvas viļņu formu līdzstrāvas ķēde interpretē kā lokālu līdzstrāvas viļņu formu. Trīsfāžu frekvences pārveidotājs pieņem trīs neatkarīgas maiņstrāvas ieejas fāzes un pārveido tās vienā līdzstrāvas izejā.
Lielākā daļa trīsfāžu frekvences pārveidotāju var darboties arī ar vienfāzes (230 V vai 460 V) barošanas avotu, taču, tā kā ir tikai divi ieejas atzari, frekvences pārveidotāja izejas jauda (ZS) ir jāsamazina, jo ģenerētā līdzstrāva tiek proporcionāli samazināta. Savukārt īsts vienfāzes invertors (vienfāzes invertors, kas kontrolē vienfāzes motoru) izmanto vienfāzes ieeju un ģenerē līdzstrāvas izeju proporcionāli ieejai.
Ir divi iemesli, kāpēc trīsfāžu motori tiek biežāk izmantoti mainīga ātruma darbībā nekā vienfāzes skaitītāja komponenti. Pirmkārt, tiem ir plašāks jaudas diapazons. No otras puses, vienfāzes motoriem parasti ir nepieciešama ārēja iejaukšanās, lai sāktu rotēt.
Invertora komponenti - līdzstrāvas kopne
Otro līdzstrāvas kopnes komponentu nevar redzēt nevienā frekvences pārveidotājā, jo tas tieši neietekmē frekvences pārveidotāja darbību. Tomēr tas vienmēr pastāv augstas kvalitātes vispārējas nozīmes frekvences pārveidotājos. Līdzstrāvas kopne izmanto kondensatorus un induktorus, lai filtrētu maiņstrāvas "pulsācijas" spriegumu pārveidotajā līdzstrāvas jaudā, un pēc tam nonāk invertora sadaļā. Tā ietver arī filtru harmonisko kropļojumu novēršanai, ko var atgriezt invertora barošanas blokā. Vecākiem frekvences pārveidotājiem šī procesa veikšanai ir nepieciešami atsevišķi līnijas filtri.
Invertora komponenti - Invertors
Ilustrācijas labajā pusē ir attēloti frekvences pārveidotāja "iekšējie orgāni". Invertors izmanto trīs ātrgaitas komutācijas tranzistoru komplektus, lai radītu trīsfāžu līdzstrāvas "impulsus", kas imitē maiņstrāvas sinusoidālos viļņus. Šie impulsi nosaka ne tikai viļņa spriegumu, bet arī tā frekvenci. Termins "invertors" nozīmē "apgriešana", kas vienkārši nozīmē ģenerētās viļņa formas kustību uz augšu un uz leju. Mūsdienu frekvences pārveidotāji sprieguma un frekvences regulēšanai izmanto metodi, ko sauc par "impulsa platuma modulāciju" (PWM).
Tad parunāsim par IGBT. IGBT apzīmē "izolēta vārta bipolāro tranzistoru", kas ir invertora komutācijas (vai impulsa) komponents. Tranzistoriem (kas aizstāj vakuuma lampas) mūsu elektroniskajā pasaulē ir divas lomas. Tie var darboties kā pastiprinātājs un palielināt signālu, vai arī tie var darboties kā slēdzis, vienkārši ieslēdzot un izslēdzot signālu. IGBT ir moderna versija, kas nodrošina lielāku komutācijas ātrumu (3000–16000 Hz) un samazina siltuma veidošanos. Lielāks komutācijas ātrums var uzlabot maiņstrāvas viļņu simulācijas precizitāti un samazināt motora troksni. Radītā siltuma samazināšanās nozīmē, ka siltuma izkliedētājs ir mazāks, tāpēc frekvences pārveidotājs aizņem mazāku platību.
Invertora PWM viļņu forma
PWM invertora ģenerētā viļņu forma salīdzinājumā ar patiesu maiņstrāvas sinusoidālu vilni. Invertora izeja sastāv no taisnstūrveida impulsu sērijas ar fiksētu augstumu un regulējamu platumu.
Šajā konkrētajā gadījumā ir trīs impulsu komplekti — plats komplekts vidū un šaurs komplekts maiņstrāvas cikla pozitīvās un negatīvās daļas sākumā un beigās.
Impulsu laukumu summa ir vienāda ar patiesā maiņstrāvas viļņa efektīvo spriegumu. Ja vēlaties nogriezt impulsa daļas virs (vai zem) faktiskās komunikācijas viļņa formas un aizpildīt ar tām tukšo laukumu zem līknes, jūs atklāsiet, ka tie gandrīz pilnībā sakrīt. Tieši šādā veidā frekvences pārveidotājs var kontrolēt motora spriegumu. Impulsa platuma un tukšās vietas starp tiem summa nosaka motora redzamās viļņa formas frekvenci (tātad PWM jeb impulsa platuma modulācija). Ja impulss ir nepārtraukts (t.i., bez tukšumiem), frekvence joprojām būs pareiza, bet spriegums būs daudz lielāks nekā patiesam maiņstrāvas sinusoidālam vilnim.
Atkarībā no nepieciešamā sprieguma un frekvences frekvences pārveidotājs mainīs impulsa augstumu un platumu, kā arī atstarpi starp tiem. Daži cilvēki varētu brīnīties, kā šī "viltus" maiņstrāva (patiesībā līdzstrāva) darbina maiņstrāvas indukcijas motoru.
Galu galā, vai maiņstrāvai ir jā"inducē" strāva un atbilstošais magnētiskais lauks motora rotorā? Tātad, maiņstrāva dabiski izraisīs indukciju, jo tās virziens pastāvīgi mainās, savukārt līdzstrāva nedarbosies normāli, kad ķēde būs aktivizēta.
Tomēr, ja līdzstrāva tiek ieslēgta un izslēgta, tā var uztvert strāvu. Vecākiem cilvēkiem automašīnu aizdedzes sistēmā (pirms cietvielu aizdedzes) sadalītājā bija punktu komplekts. Šo punktu mērķis ir pāriet no akumulatora "impulsiem" uz spolēm (transformatoriem). Tas inducē lādiņu spolē un pēc tam paaugstina spriegumu līdz līmenim, kas ļauj aizdedzes svecei aizdegties. Iepriekš redzamajā attēlā redzamais plašais līdzstrāvas impulss faktiski sastāv no simtiem atsevišķu impulsu, un invertora izejas atvēršanās un aizvēršanās kustība ļauj notikt līdzstrāvas indukcijai.
Efektīvais spriegums
Viens no faktoriem, kas padara maiņstrāvu kompleksu, ir tas, ka tā pastāvīgi maina spriegumu no nulles līdz maksimāli pozitīvam spriegumam, tad atpakaļ uz nulli, tad līdz noteiktam maksimālam negatīvam spriegumam un tad atpakaļ uz nulli. Kā noteikt faktisko spriegumu, kas pielikts ķēdei? Zemāk redzamajā attēlā ir redzama 60 Hz, 120 V sinusoidāla vilnis. Taču jāatzīmē, ka tā maksimālais spriegums ir 170 V. Ja tā faktiskais spriegums ir 170 V, kā mēs to varam saukt par 120 V vilni?
Viens no faktoriem, kas padara maiņstrāvu kompleksu, ir tās pastāvīgās sprieguma izmaiņas no nulles līdz maksimālajam pozitīvajam spriegumam, tad atpakaļ uz nulli, tad līdz noteiktam maksimālajam negatīvajam spriegumam un tad atpakaļ uz nulli. Kā noteikt faktisko ķēdē pielikto spriegumu?
Jāatzīmē, ka 60 Hz, 120 V sinusoidālas vilnis ar maksimālo spriegumu ir 170 V. Ja tā faktiskais spriegums ir 170 V, kā mēs to varam saukt par 120 V vilni?
Vienā ciklā tas sākas ar 0 V, pieaug līdz 170 V un pēc tam atkal samazinās līdz 0. Tas turpina kristies līdz -170 un pēc tam atkal pieaug līdz 0. Zaļā taisnstūra laukums ar augšējo robežu 120 V ir vienāds ar līknes pozitīvās un negatīvās daļas laukumu summu.
Tātad 120 V ir vidējais līmenis? Labi, ja mēs aprēķinātu visu sprieguma vērtību vidējo vērtību katrā punktā visā ciklā, rezultāts būtu aptuveni 108 V, tāpēc tā nevar būt atbilde. Tad kāpēc šo vērtību mēra ar VOM pie 120 V? Tas ir saistīts ar to, ko mēs saucam par "efektīvo spriegumu".
Ja vēlaties izmērīt caur rezistoru plūstošās līdzstrāvas radīto siltumu, jūs atklāsiet, ka tas ir lielāks nekā līdzvērtīgas maiņstrāvas radītais siltums. Tas ir tāpēc, ka maiņstrāva neuztur nemainīgu vērtību visā ciklā. Veicot mērījumus kontrolētos apstākļos laboratorijā, tiek konstatēts, ka noteikta līdzstrāva rada 100 grādu siltuma pieaugumu, kā rezultātā maiņstrāvas ekvivalents palielinās par 70,7 grādiem jeb līdzstrāvas vērtība palielinās par 70,7%.
Tātad maiņstrāvas efektīvā vērtība ir 70,7% no līdzstrāvas. Var arī redzēt, ka maiņstrāvas sprieguma efektīvā vērtība ir vienāda ar kvadrātsakni no spriegumu kvadrātu summas līknes pirmajā pusē. Ja maksimālais spriegums ir 1 un ir jāmēra dažādi spriegumi no 0 grādiem līdz 180 grādiem, efektīvais spriegums būs maksimālais spriegums no 0 līdz 707 grādiem. 0,707 reizes lielāks par maksimālo spriegumu 170 attēlā ir vienāds ar 120 V. Šo efektīvo spriegumu sauc arī par vidējo kvadrātisko vai RMS spriegumu.
Tāpēc maksimālais spriegums vienmēr ir 1,414 reizes lielāks par efektīvo spriegumu. 230 V maiņstrāvai maksimālais spriegums ir 325 V, savukārt 460 V maiņstrāvai maksimālais spriegums ir 650 V. Papildus frekvences izmaiņām, pat ja spriegums nav atkarīgs no maiņstrāvas motora darbības ātruma, frekvences pārveidotājam ir jāmaina arī spriegums. Divas 460 V maiņstrāvas sinusoidālās līknes. Sarkanā līkne ir 60 Hz, bet zilā līkne ir 50 Hz. Abām ir maksimālais spriegums 650 V, bet 50 Hz ir daudz plašāka. Var viegli redzēt, ka laukums 50 Hz līknes pirmajā pusē (0–10 ms) ir lielāks nekā 60 Hz līknes pirmajā pusē (0–8,3 ms). Turklāt, tā kā laukums zem līknes ir tieši proporcionāls efektīvajam spriegumam, tās efektīvais spriegums ir lielāks. Samazinoties frekvencei, efektīvā sprieguma pieaugums kļūst izteiktāks.
Ja 460 V motoriem ļauj darboties ar šiem augstākajiem spriegumiem, to kalpošanas laiks var ievērojami samazināties. Tāpēc frekvences pārveidotājam ir pastāvīgi jāmaina "maksimālais" spriegums attiecībā pret frekvenci, lai uzturētu nemainīgu efektīvo spriegumu. Jo zemāka ir darba frekvence, jo zemāks ir maksimālais spriegums un otrādi. Tagad jums vajadzētu būt labam priekšstatam par frekvences pārveidotāja darbības principu un to, kā kontrolēt motora ātrumu. Lielākā daļa frekvences pārveidotāju ļauj lietotājiem manuāli iestatīt motora ātrumu, izmantojot daudzpozīciju slēdžus vai tastatūras, vai izmantot sensorus (spiediena, plūsmas, temperatūras, šķidruma līmeņa utt.), lai automatizētu procesu.