Поставщик блока обратной связи напоминает, что с момента появления автоматических асинхронных двигателей генераторы переменного тока уже работали с переменной частотой. Изменение скорости вращения генератора и регулировка его выходной частоты. До появления высокоскоростных транзисторов это был один из основных способов изменения скорости двигателя, но поскольку скорость вращения генератора снижала выходную частоту, а не напряжение, изменение частоты было ограничено.
Поэтому давайте рассмотрим компоненты преобразователя частоты и выясним, как они на самом деле работают вместе, изменяя частоту и скорость двигателя.
Компоненты инвертора - выпрямитель
Из-за сложности изменения частоты синусоид переменного тока в режиме переменного тока первой задачей преобразователя частоты является преобразование формы сигнала в постоянный. Чтобы сделать его похожим на переменный ток, относительно легко управлять постоянным током. Первым компонентом всех преобразователей частоты является устройство, называемое выпрямителем или преобразователем. Выпрямительная схема преобразователя частоты преобразует переменный ток в постоянный ток, и ее рабочий режим примерно такой же, как у зарядного устройства для аккумуляторов или дугового сварочного аппарата. Он использует диодный мост, чтобы ограничить движение синусоиды переменного тока только в одном направлении. В результате полностью выпрямленная форма сигнала переменного тока интерпретируется цепью постоянного тока как локальная форма сигнала постоянного тока. Трехфазный преобразователь частоты принимает три независимые фазы входного переменного тока и преобразует их в один выходной постоянный ток.
Большинство трёхфазных преобразователей частоты также могут работать от однофазного питания (230 В или 460 В), но из-за наличия только двух входных ветвей выходная мощность преобразователя (HP) должна быть снижена, поскольку генерируемый постоянный ток пропорционально уменьшается. С другой стороны, настоящий однофазный инвертор (однофазный инвертор, управляющий однофазным двигателем) использует однофазный вход и генерирует постоянный ток, пропорциональный входному.
Существует две причины, по которым трёхфазные двигатели используются чаще, чем однофазные, в системах с регулируемой скоростью. Во-первых, они имеют более широкий диапазон мощности. С другой стороны, однофазным двигателям обычно требуется внешнее вмешательство для запуска.
Компоненты инвертора - шина постоянного тока
Второй компонент шины постоянного тока не виден ни в одном преобразователе частоты, поскольку он не оказывает прямого влияния на его работу. Однако в высококачественных преобразователях частоты общего назначения он всегда присутствует. Шина постоянного тока использует конденсаторы и индуктивности для фильтрации пульсаций переменного напряжения в преобразованном постоянном токе, который затем поступает в инвертор. Он также включает в себя фильтр для предотвращения гармонических искажений, которые могут быть возвращены обратно в источник питания инвертора. В старых преобразователях частоты для этого процесса требуются отдельные сетевые фильтры.
Компоненты инвертора - Инвертор
Справа на рисунке показаны «внутренности» преобразователя частоты. Инвертор использует три набора высокоскоростных транзисторов для создания трёхфазных «импульсов» постоянного тока, имитирующих синусоидальные колебания переменного тока. Эти импульсы определяют не только напряжение, но и частоту. Термин «инвертор» означает «реверс», то есть движение генерируемого сигнала вверх и вниз. Современные преобразователи частоты используют метод, называемый «широтно-импульсной модуляцией» (ШИМ), для регулирования напряжения и частоты.
Итак, давайте поговорим об IGBT. IGBT означает «биполярный транзистор с изолированным затвором» и является коммутирующим (или импульсным) компонентом инвертора. Транзисторы (пришедшие на смену электронным лампам) играют две роли в нашем электронном мире. Они могут действовать как усилитель, усиливая сигнал, или как переключатель, просто включая и выключая сигнал. IGBT — это современная версия, обеспечивающая более высокие частоты переключения (3000–16000 Гц) и снижающая тепловыделение. Более высокая скорость переключения может повысить точность моделирования переменного тока и снизить уровень шума двигателя. Снижение тепловыделения означает уменьшение размера радиатора, что позволяет уменьшить площадь, занимаемую преобразователем частоты.
Форма сигнала ШИМ инвертора
Форма сигнала, генерируемого инвертором ШИМ, в сравнении с синусоидой переменного тока. Выходной сигнал инвертора представляет собой последовательность прямоугольных импульсов фиксированной высоты и регулируемой ширины.
В этом конкретном случае имеются три набора импульсов — широкий набор в середине и узкий набор в начале и конце положительной и отрицательной частей цикла переменного тока.
Сумма площадей импульсов равна эффективному напряжению истинного переменного сигнала. Если вы захотите отсечь части импульса выше (или ниже) фактической формы сигнала связи и заполнить ими пустую область под кривой, вы обнаружите, что они почти идеально совпадают. Именно таким образом преобразователь частоты может управлять напряжением двигателя. Сумма длительности импульса и длительности пустого участка между ними определяет частоту сигнала, воспринимаемого двигателем (отсюда ШИМ или широтно-импульсная модуляция). Если импульс непрерывный (т.е. без пропусков), частота всё равно будет правильной, но напряжение будет значительно больше, чем у истинной синусоиды переменного тока.
В зависимости от требуемого напряжения и частоты преобразователь частоты изменяет высоту и ширину импульса, а также длительность паузы между ними. Некоторые могут задаться вопросом, как этот «поддельный» переменный ток (на самом деле постоянный) приводит в действие асинхронный двигатель переменного тока.
В конце концов, разве переменный ток должен «индуцировать» ток и соответствующее магнитное поле в роторе двигателя? Переменный ток естественным образом вызывает индукцию, поскольку имеет постоянно меняющееся направление, в то время как постоянный ток не будет нормально функционировать после активации цепи.
Однако, если постоянный ток включается и выключается, он может считывать ток. Для тех, кто постарше, система зажигания автомобиля (до появления твердотельного зажигания) имела набор точек в распределителе. Назначение этих точек — передавать импульсы от аккумулятора к катушкам (трансформаторам). Это индуцирует заряд в катушке, а затем повышает напряжение до уровня, позволяющего свече зажигания воспламенить искру. Широкий импульс постоянного тока, показанный на рисунке выше, на самом деле состоит из сотен отдельных импульсов, а открытие и закрытие выхода инвертора приводит к возникновению индукции постоянного тока.
Эффективное напряжение
Одним из факторов, делающих переменный ток сложным, является то, что его напряжение постоянно меняется: от нуля до максимального положительного значения, затем обратно к нулю, затем до некоторого максимального отрицательного значения и снова к нулю. Как определить фактическое напряжение, приложенное к цепи? На рисунке ниже представлена синусоида частотой 60 Гц и напряжением 120 В. Однако следует отметить, что её пиковое напряжение составляет 170 В. Если фактическое напряжение составляет 170 В, как можно назвать её волной 120 В?
Одним из факторов, обуславливающих сложность переменного тока, является постоянное изменение напряжения: от нуля до максимального положительного значения, затем обратно до нуля, затем до некоторого максимального отрицательного значения и снова до нуля. Как определить фактическое напряжение, приложенное к цепи?
Следует отметить, что пиковое напряжение синусоиды частотой 60 Гц и напряжением 120 В составляет 170 В. Если фактическое напряжение равно 170 В, как можно назвать её волной 120 В?
За один цикл напряжение начинается с 0 В, поднимается до 170 В, а затем снова падает до 0. Напряжение продолжает падать до -170 В, а затем снова поднимается до 0. Площадь зеленого прямоугольника с верхней границей 120 В равна сумме площадей положительной и отрицательной частей кривой.
Итак, 120 В — это средний уровень? Итак, если бы мы усреднили все значения напряжения в каждой точке на протяжении всего цикла, результат был бы приблизительно 108 В, поэтому это не может быть ответом. Так почему же это значение измеряется вольтметром при 120 В? Оно связано с тем, что мы называем «эффективным напряжением».
Если вы хотите измерить тепло, выделяемое постоянным током, протекающим через резистор, вы обнаружите, что оно больше, чем тепло, выделяемое эквивалентным переменным током. Это связано с тем, что переменный ток не сохраняет постоянного значения на протяжении всего цикла. При проведении измерения в контролируемых условиях в лаборатории обнаруживается, что постоянный ток определённого типа вызывает повышение температуры на 100 градусов, что приводит к повышению температуры на 70,7 градуса по сравнению с эквивалентом переменного тока, или на 70,7% от значения постоянного тока.
Таким образом, эффективное значение переменного тока составляет 70,7% от постоянного. Также можно видеть, что эффективное значение переменного напряжения равно квадратному корню из суммы квадратов напряжений в первой половине кривой. Если пиковое напряжение равно 1 и необходимо измерить различные напряжения от 0 до 180 градусов, эффективным напряжением будет пиковое напряжение в диапазоне от 0 до 707 градусов. 0,707 пикового напряжения 170 градусов на рисунке равно 120 В. Это эффективное напряжение также известно как среднеквадратичное или среднеквадратичное напряжение.
Следовательно, пиковое напряжение всегда составляет 1,414 эффективного напряжения. 230 В переменного тока имеет пиковое напряжение 325 В, в то время как 460 имеет пиковое напряжение 650 В. В дополнение к изменению частоты, даже если напряжение не зависит от рабочей скорости двигателя переменного тока, преобразователь частоты также должен изменять напряжение. Две синусоиды 460 В переменного тока. Красная кривая - 60 Гц, а синяя кривая - 50 Гц. Обе имеют пиковое напряжение 650 В, но 50 Гц намного шире. Вы можете легко увидеть, что область в пределах первой половины кривой 50 Гц (0-10 мс) больше, чем первая половина кривой 60 Гц (0-8,3 мс). Более того, поскольку площадь под кривой прямо пропорциональна эффективному напряжению, ее эффективное напряжение выше. По мере уменьшения частоты увеличение эффективного напряжения становится более значительным.
Если двигатели 460 В будут работать при таком высоком напряжении, их срок службы может значительно сократиться. Поэтому преобразователь частоты должен постоянно изменять пиковое напряжение относительно частоты для поддержания постоянного эффективного напряжения. Чем ниже рабочая частота, тем ниже пиковое напряжение, и наоборот. Теперь вы должны хорошо понимать принцип работы преобразователя частоты и способы управления скоростью двигателя. Большинство преобразователей частоты позволяют вручную задавать скорость двигателя с помощью многопозиционных переключателей или клавиатур, либо использовать датчики (давления, расхода, температуры, уровня жидкости и т. д.) для автоматизации процесса.