Leveranciers van feedbackunits herinneren u eraan dat sinds de opkomst van automatische inductiemotoren, de vorm van wisselstroomgeneratoren al een variabele frequentiewerking heeft ondergaan. Verander de snelheid van de generator en pas de uitgangsfrequentie aan. Vóór de komst van snelle transistors was dit een van de belangrijkste manieren om de motorsnelheid te veranderen, maar doordat de generatorsnelheid de uitgangsfrequentie verlaagde in plaats van de spanning, was de frequentievariatie beperkt.
Laten we daarom eens kijken naar de onderdelen van de frequentieomvormer en hoe deze samenwerken om de frequentie en het motortoerental te veranderen.
Omvormercomponenten - gelijkrichter
Omdat het lastig is om de frequentie van AC-sinusgolven in AC-modus te veranderen, is de eerste taak van een frequentieomvormer het omzetten van de golfvorm naar DC. Om het op AC te laten lijken, is het relatief eenvoudig om DC te gebruiken. Het eerste onderdeel van alle frequentieomvormers is een apparaat dat een gelijkrichter of omvormer wordt genoemd. Het gelijkrichtcircuit van de frequentieomvormer zet wisselstroom om in gelijkstroom en de werkingsmodus is ongeveer hetzelfde als die van een acculader of booglasapparaat. Het gebruikt een diodebrug om te voorkomen dat de AC-sinusgolf zich in slechts één richting verplaatst. Het resultaat is dat de volledig gelijkgerichte AC-golfvorm door het DC-circuit wordt geïnterpreteerd als een lokale DC-golfvorm. Een driefasenfrequentieomvormer accepteert drie onafhankelijke AC-ingangsfasen en zet deze om in één DC-uitgang.
De meeste driefase frequentieomvormers kunnen ook een eenfasevoeding (230 V of 460 V) verwerken, maar vanwege slechts twee ingangsaansluitingen moet het uitgangsvermogen (HP) van de frequentieomvormer worden verlaagd, omdat de gegenereerde gelijkstroom proportioneel wordt verminderd. Een echte eenfaseomvormer (een eenfaseomvormer die een eenfasemotor aanstuurt) daarentegen gebruikt een eenfase-ingang en genereert een gelijkstroomuitgang die proportioneel is aan de ingang.
Er zijn twee redenen waarom driefasemotoren vaker worden gebruikt dan eenfasemotoren voor variabele snelheid. Ten eerste hebben ze een groter vermogensbereik. Ten tweede vereisen eenfasemotoren doorgaans een externe interventie om te beginnen met draaien.
Omvormercomponenten - DC-bus
De tweede component van de DC-bus is in geen enkele frequentieomvormer zichtbaar, omdat deze geen directe invloed heeft op de werking ervan. Deze component is echter wel aanwezig in hoogwaardige, universele frequentieomvormers. De DC-bus gebruikt condensatoren en spoelen om de rimpelspanning in de omgezette gelijkstroom te filteren en deze vervolgens naar de omvormer te sturen. De DC-bus bevat ook een filter om harmonische vervorming te voorkomen, die vervolgens weer naar de voeding van de omvormer kan worden teruggevoerd. Oudere frequentieomvormers vereisen aparte netfilters om dit proces te voltooien.
Omvormercomponenten - Omvormer
Aan de rechterkant van de afbeelding ziet u de "interne organen" van de frequentieomvormer. De omvormer gebruikt drie sets snelle schakeltransistoren om driefasige gelijkstroompulsen te creëren die sinusvormige wisselstroomgolven simuleren. Deze pulsen bepalen niet alleen de spanning van de golf, maar ook de frequentie. De term 'omvormer' betekent 'omkering', wat simpelweg de op- en neergaande beweging van de gegenereerde golfvorm betekent. Moderne frequentieomvormers gebruiken een techniek genaamd 'pulsbreedtemodulatie' (PWM) om de spanning en frequentie te regelen.
Laten we het dan eens over IGBT hebben. IGBT staat voor "insulated gate bipolar transistor", de schakel- (of puls-)component van de inverter. Transistoren (die vacuümbuizen vervangen) spelen twee rollen in onze elektronische wereld. Ze kunnen fungeren als een versterker en het signaal versterken, of ze kunnen fungeren als een schakelaar door het signaal simpelweg aan en uit te zetten. IGBT is een moderne versie die hogere schakelsnelheden (3000-16000 Hz) biedt en de warmteontwikkeling vermindert. Een hogere schakelsnelheid kan de nauwkeurigheid van de AC-golfsimulatie verbeteren en motorgeluid verminderen. De vermindering van de warmteontwikkeling betekent dat het koellichaam kleiner is, waardoor de frequentieomvormer een kleiner oppervlak inneemt.
Inverter PWM-golfvorm
De golfvorm gegenereerd door de inverter van een PWM-inverter vergeleken met een echte AC-sinusgolf. De uitgang van de inverter bestaat uit een reeks rechthoekige pulsen met een vaste hoogte en een instelbare breedte.
In dit specifieke geval zijn er drie sets pulsen: een brede set in het midden en een smalle set aan het begin en einde van het positieve en negatieve deel van de AC-cyclus.
De som van de pulsoppervlakken is gelijk aan de effectieve spanning van de echte wisselstroom. Als je de pulsdelen boven (of onder) de daadwerkelijke communicatiegolfvorm wilt afsnijden en het lege gebied onder de curve ermee wilt vullen, zul je merken dat ze bijna perfect overeenkomen. Juist op deze manier kan de frequentieomvormer de spanning van de motor regelen. De som van de pulsbreedte en de lege breedte ertussen bepaalt de frequentie van de golfvorm die de motor ziet (vandaar PWM of pulsbreedtemodulatie). Als de puls continu is (dus zonder lege delen), zal de frequentie nog steeds correct zijn, maar zal de spanning veel hoger zijn dan bij een echte wisselstroomsinusgolf.
Afhankelijk van de vereiste spanning en frequentie verandert de frequentieomvormer de hoogte en breedte van de puls, evenals de tussenruimte tussen beide. Sommige mensen vragen zich misschien af hoe deze 'nep'-wisselstroom (eigenlijk gelijkstroom) een wisselstroominductiemotor aandrijft.
Moet een wisselstroom immers de stroom en het bijbehorende magnetische veld in de motorrotor "induceren"? Wisselstroom zal dus van nature inductie veroorzaken omdat het een constant veranderende richting heeft, terwijl gelijkstroom niet normaal zal werken zodra het circuit is geactiveerd.
Als de gelijkstroom echter wordt in- en uitgeschakeld, kan deze stroom detecteren. Voor ouderen: het ontstekingssysteem van een auto (vóór de komst van solid-state-ontsteking) had vroeger een aantal contactpunten in de verdeler. Deze contactpunten zijn bedoeld om van de accupulsen naar de spoelen (transformatoren) te gaan. Dit induceert een lading in de spoel en verhoogt vervolgens de spanning tot een niveau dat de bougie in staat stelt te ontsteken. De brede gelijkstroompuls in de bovenstaande afbeelding bestaat in feite uit honderden afzonderlijke pulsen, en de open- en sluitbeweging van de uitgang van de omvormer zorgt voor gelijkstroominductie.
Effectieve spanning
Een factor die wisselstroom complex maakt, is dat de spanning constant verandert: van nul naar een maximale positieve spanning, dan weer terug naar nul, dan naar een maximale negatieve spanning, en dan weer terug naar nul. Hoe bepaal je de werkelijke spanning die op het circuit wordt toegepast? De onderstaande illustratie toont een sinusgolf van 60 Hz en 120 V. Maar let op: de piekspanning is 170 V. Als de werkelijke spanning 170 V is, hoe kunnen we het dan een 120 V-golf noemen?
Een factor die wisselstroom complex maakt, is de constante spanningsverandering: van nul naar een maximale positieve spanning, dan weer terug naar nul, dan naar een maximale negatieve spanning, en dan weer terug naar nul. Hoe bepaal je de werkelijke spanning die op het circuit wordt toegepast?
Een sinusgolf van 60 Hz en 120 V heeft een piekspanning van 170 V. Als de werkelijke spanning 170 V is, hoe kunnen we het dan een 120 V-golf noemen?
In één cyclus begint het bij 0 V, stijgt het tot 170 V en daalt het vervolgens weer tot 0. Het blijft dalen tot -170 V en stijgt vervolgens weer tot 0. Het oppervlak van de groene rechthoek met een bovengrens van 120 V is gelijk aan de som van de oppervlakken van de positieve en negatieve delen van de curve.
Dus 120 V is het gemiddelde niveau? Oké, als we alle spanningswaarden op elk punt gedurende de hele cyclus zouden middelen, zou het resultaat ongeveer 108 V zijn, dus dat kan niet de oplossing zijn. Dus waarom wordt deze waarde gemeten met VOM bij 120 V? Het heeft te maken met wat we 'effectieve spanning' noemen.
Als u de warmte wilt meten die wordt gegenereerd door de gelijkstroom die door een weerstand stroomt, zult u merken dat deze groter is dan de warmte die wordt gegenereerd door de equivalente wisselstroom. Dit komt doordat wisselstroom niet gedurende de gehele cyclus een constante waarde behoudt. Bij een meting onder gecontroleerde omstandigheden in het laboratorium blijkt dat een specifieke gelijkstroom een warmtetoename van 100 graden produceert, wat resulteert in een toename van 70,7 graden in de equivalente wisselstroom of 70,7% gelijkstroomwaarde.
De effectieve waarde van de wisselspanning is dus 70,7% van de gelijkspanning. Ook is te zien dat de effectieve waarde van de wisselspanning gelijk is aan de wortel uit de som van de kwadraten van de spanningen in de eerste helft van de curve. Als de piekspanning 1 is en er verschillende spanningen van 0 tot 180 graden moeten worden gemeten, is de effectieve spanning de piekspanning van 0 tot 707 graden. 0,707 keer de piekspanning van 170 graden in de afbeelding is gelijk aan 120 V. Deze effectieve spanning wordt ook wel effectieve spanning of RMS-spanning genoemd.
Daarom is de piekspanning altijd 1,414 van de effectieve spanning. 230V AC-stroom heeft een piekspanning van 325V, terwijl 460V een piekspanning heeft van 650V. Naast frequentievariatie moet de frequentieomvormer, zelfs als de spanning onafhankelijk is van de bedrijfssnelheid van de AC-motor, ook de spanning wijzigen. Twee 460V AC-sinusgolven. De rode curve is 60Hz en de blauwe curve is 50Hz. Beide hebben een piekspanning van 650V, maar 50Hz is veel breder. U kunt gemakkelijk zien dat het gebied binnen de eerste helft van de 50Hz-curve (0-10ms) groter is dan de eerste helft van de 60Hz-curve (0-8,3ms). Bovendien, omdat het gebied onder de curve recht evenredig is met de effectieve spanning, is de effectieve spanning hoger. Naarmate de frequentie afneemt, wordt de toename van de effectieve spanning sterker.
Als 460V-motoren op deze hogere spanningen mogen werken, kan hun levensduur aanzienlijk worden verkort. Daarom moet de frequentieomvormer constant de piekspanning ten opzichte van de frequentie aanpassen om een constante effectieve spanning te behouden. Hoe lager de bedrijfsfrequentie, hoe lager de piekspanning, en vice versa. U zou nu een goed begrip moeten hebben van het werkingsprincipe van de frequentieomvormer en hoe u het motortoerental kunt regelen. De meeste frequentieomvormers stellen gebruikers in staat om het motortoerental handmatig in te stellen via meerstandenschakelaars of toetsenborden, of om sensoren (druk, flow, temperatuur, vloeistofniveau, enz.) te gebruiken om het proces te automatiseren.