Dodávateľ spätnoväzobných jednotiek pripomína, že od vzniku automatických asynchrónnych motorov už generátory striedavého prúdu prešli prevádzkou s premenlivou frekvenciou. Zmenou rýchlosti generátora sa upravuje jeho výstupná frekvencia. Pred vznikom vysokorýchlostných tranzistorov to bol jeden z hlavných spôsobov zmeny rýchlosti motora, ale pretože rýchlosť generátora znižovala výstupnú frekvenciu namiesto napätia, bola zmena frekvencie obmedzená.
Pozrime sa preto na komponenty frekvenčného meniča a uvidíme, ako v skutočnosti spolupracujú pri zmene frekvencie a otáčok motora.
Komponenty meniča - usmerňovač
Vzhľadom na ťažkosti so zmenou frekvencie sínusových vĺn striedavého prúdu v režime striedavého prúdu je prvou úlohou frekvenčného meniča previesť priebeh na jednosmerný prúd. Aby vyzeral ako striedavý prúd, je relatívne jednoduché prevádzkovať jednosmerný prúd. Prvou súčasťou všetkých frekvenčných meničov je zariadenie nazývané usmerňovač alebo konvertor. Usmerňovací obvod frekvenčného meniča premieňa striedavý prúd na jednosmerný prúd a jeho pracovný režim je zhruba rovnaký ako u nabíjačky batérií alebo oblúkového zváracieho stroja. Používa diódový mostík na obmedzenie pohybu sínusovej vlny striedavého prúdu iba v jednom smere. Výsledkom je, že plne usmernený priebeh striedavého prúdu je jednosmerným obvodom interpretovaný ako lokálny priebeh jednosmerného prúdu. Trojfázový frekvenčný menič akceptuje tri nezávislé vstupné fázy striedavého prúdu a premieňa ich na jeden výstup jednosmerného prúdu.
Väčšina trojfázových frekvenčných meničov dokáže napájať aj jednofázové (230 V alebo 460 V) napájanie, ale kvôli iba dvom vstupným vetvám musí byť výstup (HP) frekvenčného meniča znížený, pretože generovaný jednosmerný prúd sa úmerne znižuje. Na druhej strane, skutočný jednofázový menič (jednofázový menič, ktorý riadi jednofázový motor) využíva jednofázový vstup a generuje jednosmerný výstup úmerný vstupu.
Existujú dva dôvody, prečo sa trojfázové motory častejšie používajú ako jednofázové protibežné komponenty, pokiaľ ide o prevádzku s premenlivou rýchlosťou. Po prvé, majú širší rozsah výkonu. Na druhej strane, jednofázové motory zvyčajne vyžadujú určitý externý zásah, aby sa začali otáčať.
Komponenty meniča - DC zbernica
Druhú zložku jednosmernej zbernice nemožno vidieť v žiadnom frekvenčnom meniči, pretože priamo neovplyvňuje jeho činnosť. V kvalitných univerzálnych frekvenčných meničoch však vždy existuje. Jednosmerná zbernica využíva kondenzátory a induktory na filtrovanie striedavého „zvlnenia“ napätia v premenenom jednosmernom prúde a potom vstupuje do sekcie meniča. Obsahuje tiež filter na zabránenie harmonickému skresleniu, ktoré sa môže privádzať späť do napájacieho zdroja meniča. Staršie frekvenčné meniče vyžadujú na dokončenie tohto procesu samostatné sieťové filtre.
Komponenty meniča - Menič
Na pravej strane ilustrácie sú „vnútorné orgány“ frekvenčného meniča. Menič používa tri sady vysokorýchlostných spínacích tranzistorov na vytváranie trojfázových jednosmerných „impulzov“, ktoré simulujú sínusové vlny striedavého prúdu. Tieto impulzy určujú nielen napätie vlny, ale aj jej frekvenciu. Termín „invertor“ znamená „obrátenie“, čo jednoducho znamená pohyb generovaného tvaru vlny nahor a nadol. Moderné frekvenčné meniče používajú na reguláciu napätia a frekvencie techniku nazývanú „modulácia šírky impulzov“ (PWM).
Potom si pohovorme o IGBT. IGBT označuje „izolovaný hradlový bipolárny tranzistor“, čo je spínacia (alebo impulzná) zložka meniča. Tranzistory (nahrádzajúce elektrónky) hrajú v našom elektronickom svete dve úlohy. Môžu fungovať ako zosilňovač a zvyšovať signál, alebo môžu fungovať ako spínač jednoduchým zapínaním a vypínaním signálu. IGBT je moderná verzia, ktorá poskytuje vyššie spínacie rýchlosti (3000 – 16000 Hz) a znižuje tvorbu tepla. Vyššia spínacia rýchlosť môže zlepšiť presnosť simulácie striedavého prúdu a znížiť hluk motora. Zníženie vytváraného tepla znamená, že chladič je menší, takže frekvenčný menič zaberá menšiu plochu.
PWM priebeh meniča
Priebeh vlny generovaný meničom PWM v porovnaní so skutočnou sínusovou vlnou striedavého prúdu. Výstup meniča pozostáva zo série obdĺžnikových impulzov s pevnou výškou a nastaviteľnou šírkou.
V tomto konkrétnom prípade existujú tri sady impulzov - široká sada v strede a úzka sada na začiatku a na konci kladnej a zápornej časti cyklu striedavého prúdu.
Súčet plôch impulzov sa rovná efektívnemu napätiu skutočnej striedavej vlny. Ak chcete odrezať časti impulzov nad (alebo pod) skutočným priebehom komunikácie a vyplniť nimi prázdnu oblasť pod krivkou, zistíte, že sa takmer dokonale zhodujú. Práve týmto spôsobom dokáže frekvenčný menič riadiť napätie motora. Súčet šírky impulzu a šírky prázdneho priestoru medzi nimi určuje frekvenciu priebehu, ktorý motor vidí (preto PWM alebo modulácia šírky impulzu). Ak je impulz spojitý (t. j. bez medzier), frekvencia bude stále správna, ale napätie bude oveľa väčšie ako pri skutočnej sínusovej vlne striedavého prúdu.
Podľa požadovaného napätia a frekvencie menič frekvencie zmení výšku a šírku impulzu, ako aj šírku prázdneho priestoru medzi nimi. Niektorí ľudia sa možno čudujú, ako tento „falošný“ striedavý prúd (v skutočnosti jednosmerný prúd) poháňa striedavý asynchrónny motor.
Musí striedavý prúd napokon „indukovať“ prúd a zodpovedajúce magnetické pole v rotore motora? Takže striedavý prúd prirodzene spôsobí indukciu, pretože ide o neustále sa meniaci smer, zatiaľ čo jednosmerný prúd nebude po aktivácii obvodu fungovať normálne.
Ak sa však jednosmerný prúd zapína a vypína, dokáže snímať prúd. Pre starších ľudí mal systém zapaľovania automobilov (pred polovodičovým zapaľovaním) v rozvádzači sadu bodov. Účelom týchto bodov je preniesť „impulzy“ z batérie do cievok (transformátorov). To indukuje náboj v cievke a potom zvyšuje napätie na úroveň, ktorá umožňuje zapálenie zapaľovacej sviečky. Široký jednosmerný impulz zobrazený na obrázku vyššie sa v skutočnosti skladá zo stoviek jednotlivých impulzov a otvárací a zatvárací pohyb výstupu meniča umožňuje vznik jednosmernej indukcie.
Efektívne napätie
Jedným z faktorov, ktoré robia striedavý prúd zložitým, je to, že neustále mení napätie, od nuly po maximálne kladné napätie, potom späť na nulu, potom na určité maximálne záporné napätie a nakoniec späť na nulu. Ako určiť skutočné napätie aplikované na obvod? Nasledujúci obrázok znázorňuje sínusovú vlnu s frekvenciou 60 Hz a napätím 120 V. Treba však poznamenať, že jej špičkové napätie je 170 V. Ak je jej skutočné napätie 170 V, ako ju môžeme nazvať vlnou 120 V?
Jedným z faktorov, ktoré robia striedavý prúd zložitým, je jeho neustála zmena napätia, od nuly po maximálne kladné napätie, potom späť na nulu, potom na určité maximálne záporné napätie a nakoniec späť na nulu. Ako určiť skutočné napätie aplikované na obvod?
Treba poznamenať, že sínusová vlna s frekvenciou 60 Hz a napätím 120 V má maximálne napätie 170 V. Ak je jej skutočné napätie 170 V, ako ju môžeme nazvať vlnou 120 V?
V jednom cykle začína na 0 V, stúpa na 170 V a potom opäť klesne na 0. Pokračuje v poklese na -170 a potom opäť stúpa na 0. Plocha zeleného obdĺžnika s hornou hranicou 120 V sa rovná súčtu plôch kladných a záporných častí krivky.
Takže 120 V je priemerná úroveň? Dobre, ak by sme mali spriemerovať všetky hodnoty napätia v každom bode počas celého cyklu, výsledok by bol približne 108 V, takže to nemôže byť odpoveď. Prečo teda VOM meria túto hodnotu pri 120 V? Súvisí to s tým, čo nazývame „efektívne napätie“.
Ak chcete zmerať teplo generované jednosmerným prúdom pretekajúcim cez rezistor, zistíte, že je väčšie ako teplo generované ekvivalentným striedavým prúdom. Je to preto, že striedavý prúd si neudržiava konštantnú hodnotu počas celého cyklu. Ak sa merania vykonávajú za kontrolovaných podmienok v laboratóriu, zistí sa, že špecifický jednosmerný prúd spôsobuje zvýšenie teploty o 100 stupňov, čo má za následok zvýšenie ekvivalentu striedavého prúdu o 70,7 stupňa alebo 70,7 % hodnoty jednosmerného prúdu.
Efektívna hodnota striedavého napätia je teda 70,7 % jednosmerného napätia. Je tiež vidieť, že efektívna hodnota striedavého napätia sa rovná druhej odmocnine zo súčtu druhých mocnín napätí v prvej polovici krivky. Ak je špičkové napätie 1 a je potrebné merať rôzne napätia od 0 stupňov do 180 stupňov, efektívne napätie bude špičkové napätie 0 – 707 stupňov. 0,707-krát špičkové napätie 170 na obrázku sa rovná 120 V. Toto efektívne napätie sa tiež nazýva stredná kvadratická hodnota alebo RMS napätie.
Preto je špičkové napätie vždy 1,414 efektívneho napätia. Striedavý prúd 230 V má špičkové napätie 325 V, zatiaľ čo prúd 460 V má špičkové napätie 650 V. Okrem zmeny frekvencie, aj keď je napätie nezávislé od prevádzkových otáčok striedavého motora, musí frekvenčný menič meniť aj napätie. Dve sínusové vlny 460 V AC. Červená krivka je 60 Hz a modrá krivka je 50 Hz. Obe majú špičkové napätie 650 V, ale 50 Hz je oveľa širšia. Ľahko vidíte, že plocha v prvej polovici krivky 50 Hz (0 – 10 ms) je väčšia ako prvá polovica krivky 60 Hz (0 – 8,3 ms). Navyše, keďže plocha pod krivkou je priamo úmerná efektívnemu napätiu, jeho efektívne napätie je vyššie. S klesajúcou frekvenciou sa nárast efektívneho napätia stáva výraznejším.
Ak sa motory s napätím 460 V môžu prevádzkovať pri týchto vyšších napätiach, ich životnosť sa môže výrazne skrátiť. Preto musí frekvenčný menič neustále meniť „špičkové“ napätie vzhľadom na frekvenciu, aby udržal konštantné efektívne napätie. Čím nižšia je prevádzková frekvencia, tým nižšie je špičkové napätie a naopak. Teraz by ste mali dobre rozumieť princípu fungovania frekvenčného meniča a spôsobu ovládania otáčok motora. Väčšina frekvenčných meničov umožňuje používateľom manuálne nastaviť otáčky motora pomocou viacpolohových spínačov alebo klávesníc, alebo použiť senzory (tlak, prietok, teplota, hladina kvapaliny atď.) na automatizáciu procesu.