Leverandøren av tilbakemeldingsenheter minner deg om at siden fremveksten av automatiske induksjonsmotorer har formen for vekselstrømsgeneratorer allerede gjennomgått variabel frekvensdrift. Endre generatorens hastighet og juster utgangsfrekvensen. Før fremveksten av høyhastighetstransistorer var dette en av de viktigste måtene å endre motorhastigheten på, men fordi generatorhastigheten reduserte utgangsfrekvensen i stedet for spenningen, var frekvensvariasjonen begrenset.
La oss derfor ta en titt på komponentene i frekvensomformeren og se hvordan de faktisk fungerer sammen for å endre frekvens og motorhastighet.
Inverterkomponenter - likeretter
På grunn av vanskeligheten med å endre frekvensen til AC-sinusbølger i AC-modus, er den første oppgaven til en frekvensomformer å konvertere bølgeformen til DC. For å få det til å se ut som AC, er det relativt enkelt å betjene DC. Den første komponenten i alle frekvensomformere er en enhet kalt en likeretter eller omformer. Likeretterkretsen til frekvensomformeren konverterer vekselstrøm til likestrøm, og arbeidsmodusen er omtrent den samme som for en batterilader eller lysbuesveisemaskin. Den bruker en diodebro for å begrense AC-sinusbølgen fra å bevege seg i bare én retning. Resultatet er at den fullstendig likerettede AC-bølgeformen tolkes av DC-kretsen som en lokal DC-bølgeform. En trefasefrekvensomformer aksepterer tre uavhengige AC-inngangsfaser og konverterer dem til en enkelt DC-utgang.
Most three-phase frequency converters can also accept single-phase (230V or 460V) power supply, but due to only two input branches, the output (HP) of the frequency converter must be derated because the generated DC current is proportionally reduced. On the other hand, a true single-phase inverter (a single-phase inverter that controls a single-phase motor) utilizes a single-phase input and generates a DC output proportional to the input.
There are two reasons why three-phase motors are more commonly used than single-phase counter components when it comes to variable speed operation. Firstly, they have a wider power range. On the other hand, single-phase motors typically require some external intervention to start rotating.
Inverter components - DC bus
The second component of the DC bus cannot be seen in any frequency converter because it does not directly affect the operation of the frequency converter. However, it always exists in high-quality general-purpose frequency converters. The DC bus uses capacitors and inductors to filter out the AC "ripple" voltage in the converted DC power, and then enters the inverter section. It also includes a filter to prevent harmonic distortion, which can be fed back to the inverter power supply. Older frequency converters require separate line filters to complete this process.
Inverter components - Inverter
On the right side of the illustration is the "internal organs" of the frequency converter. The inverter uses three sets of high-speed switching transistors to create all three-phase DC "pulses" that simulate AC sine waves. These pulses not only determine the voltage of the wave, but also its frequency. The term 'inverter' means' reversal ', which simply means the up and down movement of the generated waveform. Modern frequency converters use a technique called "pulse width modulation" (PWM) to regulate voltage and frequency.
Then let's talk about IGBT. IGBT refers to "insulated gate bipolar transistor", which is the switching (or pulse) component of the inverter. Transistors (replacing vacuum tubes) play two roles in our electronic world. It can act like an amplifier and increase the signal, or it can act as a switch by simply turning on and off the signal. IGBT is a modern version that provides higher switching speeds (3000-16000 Hz) and reduces heat generation. A higher switching speed can improve the accuracy of AC wave simulation and reduce motor noise. The reduction in heat generated means that the heat sink is smaller, so the frequency converter occupies a smaller area.
Inverter PWM waveform
The waveform generated by the inverter of a PWM inverter compared to a true AC sine wave. The inverter output consists of a series of rectangular pulses with fixed height and adjustable width.
I dette spesielle tilfellet er det tre sett med pulser – et bredt sett i midten og et smalt sett i begynnelsen og slutten av de positive og negative delene av vekselstrømsyklusen.
Summen av pulsarealene er lik den effektive spenningen til den sanne AC-bølgen. Hvis du vil kutte av pulsdelene over (eller under) den faktiske kommunikasjonsbølgeformen og fylle det tomme området under kurven med dem, vil du oppdage at de nesten stemmer perfekt overens. Det er nettopp på denne måten at frekvensomformeren kan kontrollere motorens spenning. Summen av pulsbredden og tomromsbredden mellom dem bestemmer frekvensen til bølgeformen som motoren ser (derav PWM eller pulsbreddemodulasjon). Hvis pulsen er kontinuerlig (dvs. uten tomrom), vil frekvensen fortsatt være korrekt, men spenningen vil være mye større enn en sann AC-sinusbølge.
I henhold til nødvendig spenning og frekvens vil frekvensomformeren endre høyden og bredden på pulsen, samt mellomrommets bredde mellom de to. Noen lurer kanskje på hvordan denne «falske» AC (egentlig DC) driver en AC-induksjonsmotor.
Trenger tross alt en vekselstrøm å "indusere" strømmen og det tilsvarende magnetfeltet i motorrotoren? Så vekselstrøm vil naturlig forårsake induksjon fordi den har en konstant skiftende retning, mens likestrøm ikke vil fungere normalt når kretsen er aktivert.
Men hvis likestrømsbryteren slås av og på, kan den registrere strøm. For de som er eldre, pleide bilens tenningssystem (før solid-state-tenning) å ha et sett med punkter i fordeleren. Hensikten med disse punktene er å gå fra batteri-"pulser" til spoler (transformatorer). Dette induserer en ladning i spolen og hever deretter spenningen til et nivå som lar tennpluggen antennes. Den brede likestrømspulsen som sees i figuren ovenfor, er faktisk sammensatt av hundrevis av individuelle pulser, og åpnings- og lukkebevegelsen til omformerutgangen tillater likestrømsinduksjon.
Effektiv spenning
En faktor som gjør vekselstrøm kompleks er at den stadig endrer spenning, fra null til en maksimal positiv spenning, deretter tilbake til null, deretter til en maksimal negativ spenning, og deretter tilbake til null. Hvordan bestemme den faktiske spenningen som påføres kretsen? Illustrasjonen nedenfor er en sinusbølge på 60 Hz og 120 V. Men det bør bemerkes at toppspenningen er 170 V. Hvis den faktiske spenningen er 170 V, hvordan kan vi kalle den en 120 V-bølge?
En faktor som gjør vekselstrøm kompleks er dens konstante endring i spenning, fra null til en maksimal positiv spenning, deretter tilbake til null, deretter til en maksimal negativ spenning, og deretter tilbake til null. Hvordan bestemme den faktiske spenningen som påføres kretsen?
En sinusbølge på 60 Hz og 120 V bør bemerkes at toppspenningen er 170 V. Hvis den faktiske spenningen er 170 V, hvordan kan vi kalle den en 120 V-bølge?
I én syklus starter den på 0 V, stiger til 170 V, og synker deretter igjen til 0. Den fortsetter å synke til -170, og stiger deretter igjen til 0. Arealet av det grønne rektangelet med en øvre grense på 120 V er lik summen av arealene til de positive og negative delene av kurven.
Så 120 V er gjennomsnittsnivået? Greit, hvis vi skulle beregne gjennomsnittet av alle spenningsverdiene på hvert punkt gjennom hele syklusen, ville resultatet være omtrent 108 V, så det kan ikke være svaret. Så hvorfor måles denne verdien med VOM ved 120 V? Det er relatert til det vi kaller «effektiv spenning».
Hvis du vil måle varmen som genereres av likestrømmen som flyter gjennom en motstand, vil du oppdage at den er større enn varmen som genereres av den ekvivalente vekselstrømmen. Dette er fordi AC ikke opprettholder en konstant verdi gjennom hele syklusen. Hvis det utføres under kontrollerte forhold i laboratoriet, finner man at en spesifikk DC-strøm produserer en varmeøkning på 100 grader, noe som resulterer i en økning på 70,7 grader i AC-ekvivalent eller 70,7 % DC-verdi.
Så den effektive verdien av AC er 70,7 % av DC. Det kan også sees at den effektive verdien av AC-spenningen er lik kvadratroten av summen av kvadratene av spenningene i den første halvdelen av kurven. Hvis toppspenningen er 1 og forskjellige spenninger fra 0 grader til 180 grader må måles, vil den effektive spenningen være toppspenningen på 0–707 grader. 0,707 ganger toppspenningen på 170 i figuren er lik 120 V. Denne effektive spenningen er også kjent som rotmiddelkvadratspenning eller RMS-spenning.
Derfor er toppspenningen alltid 1,414 av den effektive spenningen. 230 V AC har en toppspenning på 325 V, mens 460 V har en toppspenning på 650 V. I tillegg til frekvensvariasjon, selv om spenningen er uavhengig av driftshastigheten til AC-motoren, må frekvensomformeren også endre spenningen. To 460 V AC sinusbølger. Den røde kurven er 60 Hz, og den blå kurven er 50 Hz. Begge har en toppspenning på 650 V, men 50 Hz er mye bredere. Du kan lett se at området innenfor den første halvdelen av 50 Hz-kurven (0–10 ms) er større enn den første halvdelen av 60 Hz-kurven (0–8,3 ms). Dessuten, ettersom arealet under kurven er direkte proporsjonal med den effektive spenningen, er den effektive spenningen høyere. Når frekvensen synker, blir økningen i effektiv spenning mer alvorlig.
Hvis 460V-motorer får lov til å operere ved disse høyere spenningene, kan levetiden deres reduseres betraktelig. Derfor må frekvensomformeren stadig endre "toppspenningen" i forhold til frekvensen for å opprettholde en konstant effektiv spenning. Jo lavere driftsfrekvens, desto lavere toppspenning, og omvendt. Du bør nå ha en god forståelse av frekvensomformerens virkemåte og hvordan du kontrollerer motorhastigheten. De fleste frekvensomformere lar brukere manuelt stille inn motorhastigheten via flerposisjonsbrytere eller tastaturer, eller bruke sensorer (trykk, strømning, temperatur, væskenivå osv.) for å automatisere prosessen.