Furnizorul de unități de feedback vă reamintește că, de la apariția motoarelor automate cu inducție, generatoarele de curent alternativ au funcționat deja cu frecvență variabilă. Schimbați viteza generatorului și reglați frecvența de ieșire. Înainte de apariția tranzistoarelor de mare viteză, aceasta era una dintre principalele modalități de a schimba viteza motorului, dar datorită faptului că viteza generatorului reducea frecvența de ieșire în loc de tensiune, variația frecvenței era limitată.
Prin urmare, să aruncăm o privire asupra componentelor convertorului de frecvență și să vedem cum funcționează acestea împreună pentru a modifica frecvența și viteza motorului.
Componente invertor - redresor
Datorită dificultății de a schimba frecvența undelor sinusoidale de curent alternativ în modul curent alternativ, prima sarcină a unui convertor de frecvență este de a converti forma de undă în curent continuu. Pentru a-l face să arate ca curent alternativ, este relativ ușor să funcționeze în curent continuu. Prima componentă a tuturor convertoarelor de frecvență este un dispozitiv numit redresor sau convertor. Circuitul redresor al convertorului de frecvență convertește curentul alternativ în curent continuu, iar modul său de funcționare este aproximativ același cu cel al unui încărcător de baterii sau al unui aparat de sudură cu arc. Acesta folosește o punte de diode pentru a restricționa mișcarea undei sinusoidale de curent alternativ într-o singură direcție. Rezultatul este că forma de undă de curent alternativ complet rectificată este interpretată de circuitul de curent continuu ca o formă de undă de curent continuu locală. Un convertor de frecvență trifazat acceptă trei faze de intrare de curent alternativ independente și le convertește într-o singură ieșire de curent continuu.
Majoritatea convertoarelor de frecvență trifazate pot accepta și o sursă de alimentare monofazată (230V sau 460V), dar din cauza faptului că are doar două ramuri de intrare, puterea de ieșire (CP) a convertorului de frecvență trebuie redusă deoarece curentul continuu generat este redus proporțional. Pe de altă parte, un invertor monofazat adevărat (un invertor monofazat care controlează un motor monofazat) utilizează o intrare monofazată și generează o ieșire de curent continuu proporțională cu intrarea.
Există două motive pentru care motoarele trifazate sunt mai frecvent utilizate decât componentele monofazate ale contorului atunci când vine vorba de funcționarea cu viteză variabilă. În primul rând, acestea au o gamă de putere mai largă. Pe de altă parte, motoarele monofazate necesită de obicei o intervenție externă pentru a porni la rotire.
Componente invertor - magistrală de curent continuu
A doua componentă a magistralei de curent continuu nu poate fi observată în niciun convertor de frecvență, deoarece nu afectează în mod direct funcționarea convertorului de frecvență. Cu toate acestea, aceasta există întotdeauna în convertoarele de frecvență de uz general de înaltă calitate. Magistrala de curent continuu utilizează condensatoare și inductoare pentru a filtra tensiunea de „ondulație” alternativă din curentul continuu convertit, apoi intră în secțiunea invertorului. De asemenea, include un filtru pentru a preveni distorsiunea armonică, care poate fi retransmisă către sursa de alimentare a invertorului. Convertoarele de frecvență mai vechi necesită filtre de linie separate pentru a finaliza acest proces.
Componente ale invertorului - Invertor
În partea dreaptă a ilustrației sunt prezentate „organele interne” ale convertorului de frecvență. Invertorul utilizează trei seturi de tranzistoare de comutare de mare viteză pentru a crea „impulsuri” de curent continuu trifazate care simulează unde sinusoidale de curent alternativ. Aceste impulsuri nu determină doar tensiunea undei, ci și frecvența acesteia. Termenul „invertor” înseamnă „inversie”, ceea ce înseamnă pur și simplu mișcarea în sus și în jos a formei de undă generate. Convertoarele de frecvență moderne utilizează o tehnică numită „modulație a lățimii impulsurilor” (PWM) pentru a regla tensiunea și frecvența.
Atunci să vorbim despre IGBT. IGBT se referă la „tranzistor bipolar cu poartă izolată”, care este componenta de comutare (sau impuls) a invertorului. Tranzistoarele (care înlocuiesc tuburile vidate) joacă două roluri în lumea noastră electronică. Pot acționa ca un amplificator și pot crește semnalul sau pot acționa ca un comutator prin simpla pornire și oprire a semnalului. IGBT este o versiune modernă care oferă viteze de comutare mai mari (3000-16000 Hz) și reduce generarea de căldură. O viteză de comutare mai mare poate îmbunătăți precizia simulării undelor de curent alternativ și poate reduce zgomotul motorului. Reducerea căldurii generate înseamnă că radiatorul este mai mic, astfel încât convertorul de frecvență ocupă o suprafață mai mică.
Forma de undă PWM a invertorului
Forma de undă generată de invertorul unui invertor PWM în comparație cu o undă sinusoidală de curent alternativ reală. Ieșirea invertorului constă dintr-o serie de impulsuri dreptunghiulare cu înălțime fixă și lățime reglabilă.
În acest caz particular, există trei seturi de impulsuri - un set larg la mijloc și un set îngust la începutul și sfârșitul părților pozitive și negative ale ciclului de curent alternativ.
Suma ariilor impulsurilor este egală cu tensiunea efectivă a undei de curent alternativ adevărate. Dacă doriți să întrerupeți părțile impulsurilor de deasupra (sau dedesubtul) formei de undă de comunicare reale și să umpleți zona goală de sub curbă cu acestea, veți constata că se potrivesc aproape perfect. Tocmai în acest fel, convertorul de frecvență poate controla tensiunea motorului. Suma dintre lățimea impulsului și lățimea golului dintre ele determină frecvența formei de undă văzute de motor (de unde și modulația PWM sau modulația lățimii impulsului). Dacă impulsul este continuu (adică fără goluri), frecvența va fi în continuare corectă, dar tensiunea va fi mult mai mare decât o undă sinusoidală de curent alternativ adevărată.
În funcție de tensiunea și frecvența necesare, convertorul de frecvență va modifica înălțimea și lățimea impulsului, precum și lățimea golului dintre cele două. Unii oameni s-ar putea întreba cum funcționează un motor de curent alternativ cu inducție acest curent alternativ „fals” (de fapt, curent continuu).
La urma urmei, oare un curent alternativ trebuie să „inducă” curentul și câmpul magnetic corespunzător în rotorul motorului? Deci, curentul alternativ va provoca în mod natural inducție, deoarece are o direcție în continuă schimbare, în timp ce curentul continuu nu va funcționa normal odată ce circuitul este activat.
Totuși, dacă curentul continuu este pornit și oprit, acesta poate detecta curentul. Pentru cei mai în vârstă, sistemul de aprindere al mașinii (înainte de aprinderea în stare solidă) avea un set de puncte în distribuitor. Scopul acestor puncte este de a trece de la „impulsurile” bateriei la bobine (transformatoare). Aceasta induce o sarcină în bobină și apoi crește tensiunea la un nivel care permite aprinderea bujiei. Impulsul larg de curent continuu observat în figura de mai sus este de fapt compus din sute de impulsuri individuale, iar mișcarea de deschidere și închidere a ieșirii invertorului permite producerea inducției de curent continuu.
Tensiune efectivă
Un factor care face ca curentul alternativ să fie complex este faptul că tensiunea acestuia își schimbă constant tensiunea, de la zero la o tensiune pozitivă maximă, apoi înapoi la zero, apoi la o tensiune negativă maximă și apoi înapoi la zero. Cum se determină tensiunea reală aplicată circuitului? Ilustrația de mai jos reprezintă o undă sinusoidală de 60 Hz și 120 V. Trebuie însă menționat că tensiunea sa de vârf este de 170 V. Dacă tensiunea sa reală este de 170 V, cum o putem numi undă de 120 V?
Un factor care face ca curentul alternativ să fie complex este variația constantă a tensiunii sale, de la zero la o tensiune pozitivă maximă, apoi înapoi la zero, apoi la o tensiune negativă maximă și apoi înapoi la zero. Cum se determină tensiunea reală aplicată circuitului?
O undă sinusoidală de 60Hz și 120V trebuie menționată că tensiunea sa de vârf este de 170V. Dacă tensiunea sa reală este de 170V, cum o putem numi undă de 120V?
Într-un ciclu, începe de la 0V, crește la 170V și apoi scade din nou la 0. Continuă să scadă la -170, apoi crește din nou la 0. Aria dreptunghiului verde cu limita superioară de 120V este egală cu suma ariilor părților pozitive și negative ale curbei.
Deci 120V este nivelul mediu? Bine, dacă am face media tuturor valorilor tensiunii în fiecare punct pe parcursul întregului ciclu, rezultatul ar fi de aproximativ 108V, deci nu poate fi răspunsul. Deci de ce este măsurată această valoare prin VOM la 120V? Este legată de ceea ce numim „tensiune efectivă”.
Dacă doriți să măsurați căldura generată de curentul continuu care trece printr-un rezistor, veți constata că aceasta este mai mare decât căldura generată de curentul alternativ echivalent. Acest lucru se datorează faptului că curentul alternativ nu menține o valoare constantă pe parcursul întregului ciclu. Dacă este efectuat în condiții controlate în laborator, se constată că un anumit curent continuu produce o creștere a căldurii de 100 de grade, rezultând o creștere de 70,7 grade a echivalentului curentului alternativ sau 70,7% din valoarea curentului continuu.
Deci, valoarea efectivă a tensiunii alternative este de 70,7% din cea a tensiunii continue. De asemenea, se poate observa că valoarea efectivă a tensiunii alternative este egală cu rădăcina pătrată a sumei pătratelor tensiunilor din prima jumătate a curbei. Dacă tensiunea de vârf este 1 și trebuie măsurate diferite tensiuni de la 0 grade la 180 de grade, tensiunea efectivă va fi tensiunea de vârf de la 0 la 707 grade. 0,707 ori tensiunea de vârf de 170 în figură este egală cu 120 V. Această tensiune efectivă este cunoscută și sub denumirea de tensiune medie pătratică sau tensiune RMS.
Prin urmare, tensiunea de vârf este întotdeauna 1,414 din tensiunea efectivă. Curentul alternativ de 230 V are o tensiune de vârf de 325 V, în timp ce curentul alternativ de 460 V are o tensiune de vârf de 650 V. Pe lângă variația frecvenței, chiar dacă tensiunea este independentă de viteza de funcționare a motorului de curent alternativ, convertorul de frecvență trebuie să modifice și tensiunea. Două unde sinusoidale de 460 V AC. Curba roșie este de 60 Hz, iar curba albastră este de 50 Hz. Ambele au o tensiune de vârf de 650 V, dar 50 Hz este mult mai largă. Se poate observa cu ușurință că aria din prima jumătate a curbei de 50 Hz (0-10 ms) este mai mare decât prima jumătate a curbei de 60 Hz (0-8,3 ms). Mai mult, deoarece aria de sub curbă este direct proporțională cu tensiunea efectivă, tensiunea efectivă este mai mare. Pe măsură ce frecvența scade, creșterea tensiunii efective devine mai severă.
Dacă motoarele de 460 V sunt lăsate să funcționeze la aceste tensiuni mai mari, durata lor de viață poate fi redusă considerabil. Prin urmare, convertorul de frecvență trebuie să modifice constant tensiunea „de vârf” în raport cu frecvența pentru a menține o tensiune efectivă constantă. Cu cât frecvența de funcționare este mai mică, cu atât tensiunea de vârf este mai mică și invers. Acum ar trebui să aveți o bună înțelegere a principiului de funcționare al convertorului de frecvență și a modului de control al vitezei motorului. Majoritatea convertoarelor de frecvență permit utilizatorilor să seteze manual viteza motorului prin intermediul unor comutatoare cu poziții multiple sau al unor tastaturi sau să utilizeze senzori (presiune, debit, temperatură, nivel de lichid etc.) pentru a automatiza procesul.