تأمینکننده واحد فیدبک به شما یادآوری میکند که از زمان ظهور موتورهای القایی خودکار، شکل ژنراتورهای AC قبلاً تحت عملیات فرکانس متغیر قرار گرفته است. سرعت ژنراتور را تغییر داده و فرکانس خروجی آن را تنظیم کنید. قبل از ظهور ترانزیستورهای پرسرعت، این یکی از راههای اصلی تغییر سرعت موتور بود، اما به دلیل اینکه سرعت ژنراتور به جای ولتاژ، فرکانس خروجی را کاهش میدهد، تغییر فرکانس محدود بود.
بنابراین، بیایید نگاهی به اجزای مبدل فرکانس بیندازیم و ببینیم که چگونه آنها در واقع با هم کار میکنند تا فرکانس و سرعت موتور را تغییر دهند.
اجزای اینورتر - یکسو کننده
با توجه به دشواری تغییر فرکانس امواج سینوسی AC در حالت AC، اولین وظیفه یک مبدل فرکانس تبدیل شکل موج به DC است. برای اینکه شبیه AC به نظر برسد، کار با DC نسبتاً آسان است. اولین جزء همه مبدلهای فرکانس، دستگاهی به نام یکسوکننده یا مبدل است. مدار یکسوکننده مبدل فرکانس، جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل میکند و حالت کار آن تقریباً مشابه شارژر باتری یا دستگاه جوش قوسی است. از یک پل دیود برای محدود کردن حرکت موج سینوسی AC فقط در یک جهت استفاده میکند. نتیجه این است که شکل موج AC کاملاً یکسو شده توسط مدار DC به عنوان یک شکل موج DC محلی تفسیر میشود. یک مبدل فرکانس سه فاز، سه فاز ورودی AC مستقل را میپذیرد و آنها را به یک خروجی DC واحد تبدیل میکند.
بیشتر مبدلهای فرکانس سه فاز میتوانند منبع تغذیه تک فاز (۲۳۰ ولت یا ۴۶۰ ولت) را نیز بپذیرند، اما به دلیل وجود تنها دو شاخه ورودی، خروجی (HP) مبدل فرکانس باید کم (Derate) شود زیرا جریان DC تولید شده به طور متناسب کاهش مییابد. از سوی دیگر، یک اینورتر تک فاز واقعی (اینورتر تک فازی که یک موتور تک فاز را کنترل میکند) از ورودی تک فاز استفاده میکند و خروجی DC متناسب با ورودی تولید میکند.
دو دلیل وجود دارد که چرا موتورهای سه فاز در مقایسه با اجزای شمارنده تک فاز در هنگام کار با سرعت متغیر، بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. اولاً، آنها محدوده توان وسیعتری دارند. از سوی دیگر، موتورهای تک فاز معمولاً برای شروع چرخش به مقداری مداخله خارجی نیاز دارند.
اجزای اینورتر - باس DC
جزء دوم باس DC در هیچ مبدل فرکانسی دیده نمیشود زیرا مستقیماً بر عملکرد مبدل فرکانس تأثیر نمیگذارد. با این حال، همیشه در مبدلهای فرکانس عمومی با کیفیت بالا وجود دارد. باس DC از خازنها و سلفها برای فیلتر کردن ولتاژ "ریپل" AC در برق DC تبدیل شده استفاده میکند و سپس وارد بخش اینورتر میشود. همچنین شامل یک فیلتر برای جلوگیری از اعوجاج هارمونیکی است که میتواند به منبع تغذیه اینورتر بازگردانده شود. مبدلهای فرکانس قدیمیتر برای تکمیل این فرآیند به فیلترهای خط جداگانه نیاز دارند.
اجزای اینورتر - اینورتر
در سمت راست تصویر، «اندامهای داخلی» مبدل فرکانس قرار دارد. اینورتر از سه مجموعه ترانزیستور سوئیچینگ پرسرعت برای ایجاد تمام «پالسهای» سه فاز DC که امواج سینوسی AC را شبیهسازی میکنند، استفاده میکند. این پالسها نه تنها ولتاژ موج، بلکه فرکانس آن را نیز تعیین میکنند. اصطلاح «اینورتر» به معنای «معکوس کردن» است که به سادگی به معنای حرکت بالا و پایین شکل موج تولید شده است. مبدلهای فرکانس مدرن از تکنیکی به نام «مدولاسیون پهنای پالس» (PWM) برای تنظیم ولتاژ و فرکانس استفاده میکنند.
سپس بیایید در مورد IGBT صحبت کنیم. IGBT به "ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق" اشاره دارد که جزء سوئیچینگ (یا پالس) اینورتر است. ترانزیستورها (جایگزین لامپهای خلاء) در دنیای الکترونیک ما دو نقش ایفا میکنند. میتوانند مانند یک تقویتکننده عمل کنند و سیگنال را افزایش دهند، یا میتوانند با روشن و خاموش کردن سیگنال به عنوان یک سوئیچ عمل کنند. IGBT یک نسخه مدرن است که سرعت سوئیچینگ بالاتری (3000-16000 هرتز) را فراهم میکند و تولید گرما را کاهش میدهد. سرعت سوئیچینگ بالاتر میتواند دقت شبیهسازی موج AC را بهبود بخشد و نویز موتور را کاهش دهد. کاهش گرمای تولید شده به این معنی است که هیت سینک کوچکتر است، بنابراین مبدل فرکانس مساحت کمتری را اشغال میکند.
شکل موج PWM اینورتر
شکل موج تولید شده توسط اینورتر یک اینورتر PWM در مقایسه با یک موج سینوسی AC واقعی. خروجی اینورتر شامل یک سری پالس مستطیلی با ارتفاع ثابت و عرض قابل تنظیم است.
در این مورد خاص، سه مجموعه پالس وجود دارد - یک مجموعه پهن در وسط و یک مجموعه باریک در ابتدا و انتهای قسمتهای مثبت و منفی چرخه AC.
مجموع مساحت پالسها برابر با ولتاژ مؤثر موج AC واقعی است. اگر بخواهید قسمتهای پالس بالا (یا پایین) شکل موج ارتباطی واقعی را جدا کنید و قسمت خالی زیر منحنی را با آنها پر کنید، متوجه خواهید شد که تقریباً کاملاً با هم مطابقت دارند. دقیقاً به این ترتیب است که مبدل فرکانس میتواند ولتاژ موتور را کنترل کند. مجموع پهنای پالس و پهنای خالی بین آنها، فرکانس شکل موج دیده شده توسط موتور را تعیین میکند (از این رو PWM یا مدولاسیون پهنای پالس). اگر پالس پیوسته باشد (یعنی بدون جای خالی)، فرکانس همچنان صحیح خواهد بود، اما ولتاژ بسیار بزرگتر از یک موج سینوسی AC واقعی خواهد بود.
با توجه به ولتاژ و فرکانس مورد نیاز، مبدل فرکانس ارتفاع و پهنای پالس و همچنین پهنای خالی بین این دو را تغییر میدهد. برخی افراد ممکن است تعجب کنند که چگونه این «جریان متناوب» (در واقع جریان مستقیم) یک موتور القایی AC را به کار میاندازد.
گذشته از همه اینها، آیا جریان متناوب نیاز به «القا»ی جریان و میدان مغناطیسی مربوطه در روتور موتور دارد؟ بنابراین، جریان متناوب به طور طبیعی باعث القا میشود زیرا جهت آن دائماً در حال تغییر است، در حالی که جریان مستقیم پس از فعال شدن مدار، به طور عادی کار نخواهد کرد.
با این حال، اگر جریان مستقیم (DC) روشن و خاموش شود، میتواند جریان را حس کند. برای افراد مسنتر، سیستم جرقهزنی خودرو (قبل از احتراق حالت جامد) دارای مجموعهای از نقاط در توزیعکننده بود. هدف از این نقاط، انتقال از "پالسهای" باتری به کویلها (ترانسفورماتورها) است. این امر باعث القای بار در کویل شده و سپس ولتاژ را تا سطحی افزایش میدهد که به شمع اجازه جرقهزنی میدهد. پالس جریان مستقیم گسترده که در شکل بالا مشاهده میشود، در واقع از صدها پالس مجزا تشکیل شده است و حرکت باز و بسته شدن خروجی اینورتر امکان القای جریان مستقیم را فراهم میکند.
ولتاژ مؤثر
یکی از عواملی که جریان متناوب را پیچیده میکند این است که دائماً ولتاژ را تغییر میدهد، از صفر تا حداکثر ولتاژ مثبت، سپس دوباره به صفر، سپس به حداکثر ولتاژ منفی و سپس دوباره به صفر. چگونه ولتاژ واقعی اعمال شده به مدار را تعیین کنیم؟ تصویر زیر یک موج سینوسی ۶۰ هرتز و ۱۲۰ ولت است. اما باید توجه داشت که ولتاژ اوج آن ۱۷۰ ولت است. اگر ولتاژ واقعی آن ۱۷۰ ولت باشد، چگونه میتوانیم آن را یک موج ۱۲۰ ولت بنامیم؟
یکی از عواملی که جریان متناوب را پیچیده میکند، تغییر مداوم ولتاژ آن است، از صفر تا حداکثر ولتاژ مثبت، سپس دوباره به صفر، سپس به یک ولتاژ منفی حداکثر، و سپس دوباره به صفر. چگونه ولتاژ واقعی اعمال شده به مدار را تعیین کنیم؟
یک موج سینوسی ۶۰ هرتز و ۱۲۰ ولت باید توجه داشت که ولتاژ پیک آن ۱۷۰ ولت است. اگر ولتاژ واقعی آن ۱۷۰ ولت است، چگونه میتوانیم آن را یک موج ۱۲۰ ولتی بنامیم؟
در یک چرخه، از ۰ ولت شروع میشود، به ۱۷۰ ولت افزایش مییابد و سپس دوباره به ۰ کاهش مییابد. همچنان تا -۱۷۰ ولت کاهش مییابد و سپس دوباره به ۰ افزایش مییابد. مساحت مستطیل سبز با مرز بالایی ۱۲۰ ولت برابر با مجموع مساحتهای قسمتهای مثبت و منفی منحنی است.
بنابراین ۱۲۰ ولت سطح میانگین است؟ بسیار خب، اگر قرار باشد میانگین تمام مقادیر ولتاژ را در هر نقطه در کل چرخه محاسبه کنیم، نتیجه تقریباً ۱۰۸ ولت خواهد بود، بنابراین نمیتواند پاسخ باشد. پس چرا این مقدار توسط VOM در ۱۲۰ ولت اندازهگیری میشود؟ این مربوط به چیزی است که ما آن را «ولتاژ مؤثر» مینامیم.
اگر بخواهید گرمای تولید شده توسط جریان مستقیم عبوری از یک مقاومت را اندازهگیری کنید، متوجه خواهید شد که این گرما بیشتر از گرمای تولید شده توسط جریان متناوب معادل آن است. دلیل این امر این است که جریان متناوب در کل چرخه مقدار ثابتی را حفظ نمیکند. اگر این جریان تحت شرایط کنترل شده در آزمایشگاه هدایت شود، مشخص میشود که یک جریان مستقیم خاص، افزایش گرمای ۱۰۰ درجهای ایجاد میکند که منجر به افزایش ۷۰.۷ درجهای در جریان متناوب معادل یا ۷۰.۷٪ مقدار جریان مستقیم میشود.
بنابراین مقدار مؤثر AC برابر با ۷۰.۷٪ DC است. همچنین میتوان مشاهده کرد که مقدار مؤثر ولتاژ AC برابر با جذر مجموع مربعات ولتاژها در نیمه اول منحنی است. اگر ولتاژ پیک ۱ باشد و نیاز به اندازهگیری ولتاژهای مختلف از ۰ درجه تا ۱۸۰ درجه باشد، ولتاژ مؤثر، ولتاژ پیک ۰ تا ۷۰۷ درجه خواهد بود. ۰.۷۰۷ ضربدر ولتاژ پیک ۱۷۰ در شکل برابر با ۱۲۰ ولت است. این ولتاژ مؤثر به عنوان جذر میانگین مربعات یا ولتاژ RMS نیز شناخته میشود.
بنابراین، ولتاژ پیک همیشه ۱.۴۱۴ ولتاژ مؤثر است. جریان AC با ولتاژ پیک ۲۳۰ ولت، ولتاژ پیک ۳۲۵ ولت دارد، در حالی که جریان AC با ولتاژ پیک ۴۶۰ ولت، ولتاژ پیک ۶۵۰ ولت دارد. علاوه بر تغییر فرکانس، حتی اگر ولتاژ مستقل از سرعت عملکرد موتور AC باشد، مبدل فرکانس نیز باید ولتاژ را تغییر دهد. دو موج سینوسی AC با ولتاژ ۴۶۰ ولت. منحنی قرمز ۶۰ هرتز و منحنی آبی ۵۰ هرتز است. هر دو ولتاژ پیک ۶۵۰ ولت دارند، اما ۵۰ هرتز بسیار وسیعتر است. به راحتی میتوانید ببینید که مساحت داخل نیمه اول منحنی ۵۰ هرتز (۰-۱۰ میلیثانیه) بزرگتر از نیمه اول منحنی ۶۰ هرتز (۰-۸.۳ میلیثانیه) است. علاوه بر این، از آنجایی که مساحت زیر منحنی مستقیماً با ولتاژ مؤثر متناسب است، ولتاژ مؤثر آن بیشتر است. با کاهش فرکانس، افزایش ولتاژ مؤثر شدیدتر میشود.
اگر به موتورهای ۴۶۰ ولتی اجازه داده شود که در این ولتاژهای بالاتر کار کنند، طول عمر آنها میتواند به میزان زیادی کاهش یابد. بنابراین، مبدل فرکانس باید دائماً ولتاژ "پیک" را نسبت به فرکانس تغییر دهد تا ولتاژ مؤثر ثابتی را حفظ کند. هرچه فرکانس کار پایینتر باشد، ولتاژ پیک پایینتر است و برعکس. اکنون باید درک خوبی از اصل کار مبدل فرکانس و نحوه کنترل سرعت موتور داشته باشید. اکثر مبدلهای فرکانس به کاربران این امکان را میدهند که سرعت موتور را به صورت دستی از طریق سوئیچهای چند وضعیتی یا صفحه کلید تنظیم کنند، یا از حسگرها (فشار، جریان، دما، سطح مایع و غیره) برای خودکارسازی فرآیند استفاده کنند.