Dobavitelj povratne enote vas opominja, da so generatorji izmeničnega toka od pojava avtomatskih indukcijskih motorjev že delovali s spremenljivo frekvenco. Spreminjanje hitrosti generatorja in prilagajanje njegove izhodne frekvence. Pred pojavom visokohitrostnih tranzistorjev je bil to eden glavnih načinov za spreminjanje hitrosti motorja, vendar je bilo zaradi hitrosti generatorja, ki je zmanjševala izhodno frekvenco namesto napetosti, spreminjanje frekvence omejeno.
Zato si poglejmo komponente frekvenčnega pretvornika in kako dejansko delujejo skupaj pri spreminjanju frekvence in hitrosti motorja.
Komponente inverterja - usmernik
Zaradi težav pri spreminjanju frekvence sinusnih valov izmeničnega toka v načinu izmeničnega toka je prva naloga frekvenčnega pretvornika pretvorba valovne oblike v enosmerno. Da bi bila videti kot izmenični tok, je upravljanje z enosmernim tokom relativno enostavno. Prva komponenta vseh frekvenčnih pretvornikov je naprava, imenovana usmernik ali pretvornik. Usmerniško vezje frekvenčnega pretvornika pretvarja izmenični tok v enosmerni tok, njegov način delovanja pa je približno enak načinu delovanja polnilnika baterij ali obločnega varilnega stroja. Uporablja diodni most, ki omejuje gibanje sinusnega vala izmeničnega toka samo v eno smer. Posledica tega je, da enosmerno vezje popolnoma usmerjeno valovno obliko izmeničnega toka interpretira kot lokalno valovno obliko enosmernega toka. Trifazni frekvenčni pretvornik sprejema tri neodvisne vhodne faze izmeničnega toka in jih pretvori v en sam izhod enosmernega toka.
Večina trifaznih frekvenčnih pretvornikov lahko sprejme tudi enofazno napajanje (230 V ali 460 V), vendar je zaradi le dveh vhodnih vej treba izhodno moč (HP) frekvenčnega pretvornika zmanjšati, ker se ustvarjeni enosmerni tok sorazmerno zmanjša. Po drugi strani pa pravi enofazni razsmernik (enofazni razsmernik, ki krmili enofazni motor) uporablja enofazni vhod in ustvarja enosmerni izhod, sorazmeren z vhodom.
Obstajata dva razloga, zakaj se trifazni motorji pogosteje uporabljajo kot enofazne števne komponente, ko gre za delovanje s spremenljivo hitrostjo. Prvič, imajo širši razpon moči. Po drugi strani pa enofazni motorji običajno potrebujejo nekaj zunanjega posredovanja, da se začnejo vrteti.
Komponente inverterja - DC vodilo
Druge komponente enosmernega vodila ni mogoče videti v nobenem frekvenčnem pretvorniku, ker ne vpliva neposredno na delovanje frekvenčnega pretvornika. Vendar pa vedno obstaja v visokokakovostnih frekvenčnih pretvornikih za splošno uporabo. Enosmerno vodilo uporablja kondenzatorje in induktorje za filtriranje izmenične napetosti "valovanja" v pretvorjeni enosmerni moči in nato vstopi v razsmernik. Vključuje tudi filter za preprečevanje harmoničnega popačenja, ki se lahko vrne v napajanje razsmernika. Starejši frekvenčni pretvorniki za dokončanje tega postopka potrebujejo ločene omrežne filtre.
Komponente inverterja - Inverter
Na desni strani ilustracije so "notranji organi" frekvenčnega pretvornika. Pretvornik uporablja tri sklope visokohitrostnih preklopnih tranzistorjev za ustvarjanje vseh trifaznih enosmernih "impulzov", ki simulirajo izmenične sinusne valove. Ti impulzi ne določajo le napetosti valovanja, temveč tudi njegovo frekvenco. Izraz "pretvornik" pomeni "obračanje", kar preprosto pomeni gibanje ustvarjene valovne oblike navzgor in navzdol. Sodobni frekvenčni pretvorniki uporabljajo tehniko, imenovano "modulacija širine impulzov" (PWM), za regulacijo napetosti in frekvence.
Potem pa se pogovorimo o IGBT-ju. IGBT se nanaša na "izolirani bipolarni tranzistor z vrati", ki je preklopna (ali impulzna) komponenta pretvornika. Tranzistorji (ki nadomeščajo vakuumske cevi) igrajo v našem elektronskem svetu dve vlogi. Lahko delujejo kot ojačevalnik in povečajo signal ali pa kot stikalo, tako da preprosto vklopijo in izklopijo signal. IGBT je sodobna različica, ki zagotavlja višje preklopne hitrosti (3000–16000 Hz) in zmanjšuje nastajanje toplote. Višja preklopna hitrost lahko izboljša natančnost simulacije izmeničnega toka in zmanjša hrup motorja. Zmanjšanje nastajanja toplote pomeni, da je hladilno telo manjše, zato frekvenčni pretvornik zaseda manjšo površino.
PWM valovna oblika inverterja
Valovna oblika, ki jo ustvari pretvornik PWM pretvornika, v primerjavi s pravim sinusnim izmeničnim tokom. Izhod pretvornika je sestavljen iz niza pravokotnih impulzov s fiksno višino in nastavljivo širino.
V tem konkretnem primeru obstajajo trije nizi impulzov - širok niz na sredini in ozek niz na začetku in koncu pozitivnega in negativnega dela cikla izmeničnega toka.
Vsota površin impulzov je enaka efektivni napetosti pravega izmeničnega vala. Če želite odrezati dele impulzov nad (ali pod) dejansko komunikacijsko valovno obliko in z njimi zapolniti prazno območje pod krivuljo, boste ugotovili, da se skoraj popolnoma ujemajo. Prav na ta način lahko frekvenčni pretvornik krmili napetost motorja. Vsota širine impulza in širine praznega prostora med njima določa frekvenco valovne oblike, ki jo vidi motor (od tod PWM ali modulacija širine impulza). Če je impulz neprekinjen (tj. brez praznih delov), bo frekvenca še vedno pravilna, vendar bo napetost veliko večja kot pri pravem izmeničnem sinusnem valu.
Glede na zahtevano napetost in frekvenco bo frekvenčni pretvornik spremenil višino in širino impulza ter širino praznega prostora med njima. Nekateri se morda sprašujejo, kako ta »lažni« izmenični tok (pravzaprav enosmerni tok) poganja izmenični indukcijski motor.
Navsezadnje, ali mora izmenični tok "inducirati" tok in ustrezno magnetno polje v rotorju motorja? Torej bo izmenični tok naravno povzročil indukcijo, ker se njegova smer nenehno spreminja, medtem ko enosmerni tok ne bo deloval normalno, ko je vezje aktivirano.
Če pa se enosmerni tok vklopi in izklopi, lahko zazna tok. Za starejše je sistem vžiga avtomobila (pred polprevodniškim vžigom) imel v razdelilniku niz točk. Namen teh točk je preiti iz "impulzov" akumulatorja v tuljave (transformatorje). To inducira naboj v tuljavi in nato dvigne napetost na raven, ki omogoča vžig svečke. Širok enosmerni impulz, ki ga vidimo na zgornji sliki, je dejansko sestavljen iz več sto posameznih impulzov, odpiranje in zapiranje izhoda pretvornika pa omogoča nastanek enosmerne indukcije.
Učinkovita napetost
Eden od dejavnikov, zaradi katerih je izmenični tok zapleten, je, da nenehno spreminja napetost, od nič do največje pozitivne napetosti, nato nazaj do nič, nato do neke največje negativne napetosti in nato nazaj do nič. Kako določiti dejansko napetost, ki se uporablja v vezju? Spodnja ilustracija prikazuje sinusni val s frekvenco 60 Hz in napetostjo 120 V. Vendar je treba opozoriti, da je njegova najvišja napetost 170 V. Če je njegova dejanska napetost 170 V, kako ga lahko imenujemo val 120 V?
Eden od dejavnikov, zaradi katerih je izmenični tok kompleksen, je njegova stalna sprememba napetosti, od nič do največje pozitivne napetosti, nato nazaj do nič, nato do neke največje negativne napetosti in nato nazaj do nič. Kako določiti dejansko napetost, ki se uporablja v vezju?
Pri sinusnem valu s frekvenco 60 Hz in napetostjo 120 V je treba opozoriti, da je njegova najvišja napetost 170 V. Če je njegova dejanska napetost 170 V, kako ga lahko imenujemo val 120 V?
V enem ciklu se začne pri 0 V, naraste na 170 V in nato spet pade na 0. Še naprej pada na -170 in nato spet naraste na 0. Površina zelenega pravokotnika z zgornjo mejo 120 V je enaka vsoti površin pozitivnega in negativnega dela krivulje.
Torej je 120 V povprečna raven? Če bi povprečili vse vrednosti napetosti na vsaki točki skozi celoten cikel, bi bil rezultat približno 108 V, zato to ne more biti odgovor. Zakaj torej VOM meri to vrednost pri 120 V? Povezana je s tem, čemur pravimo "efektivna napetost".
Če želite izmeriti toploto, ki jo ustvari enosmerni tok, ki teče skozi upor, boste ugotovili, da je večja od toplote, ki jo ustvari ekvivalentni izmenični tok. To je zato, ker izmenični tok ne ohranja konstantne vrednosti skozi celoten cikel. Če se meritve izvajajo v nadzorovanih pogojih v laboratoriju, se ugotovi, da določen enosmerni tok povzroči povečanje toplote za 100 stopinj, kar povzroči povečanje ekvivalenta izmeničnega toka za 70,7 stopinje oziroma 70,7 % vrednosti enosmernega toka.
Efektivna vrednost izmenične napetosti je torej 70,7 % enosmerne napetosti. Vidimo lahko tudi, da je efektivna vrednost izmenične napetosti enaka kvadratnemu korenu vsote kvadratov napetosti v prvi polovici krivulje. Če je najvišja napetost 1 in je treba izmeriti različne napetosti od 0 stopinj do 180 stopinj, bo efektivna napetost najvišja napetost od 0 do 707 stopinj. 0,707-kratnik najvišje napetosti 170 na sliki je enak 120 V. Ta efektivna napetost je znana tudi kot efektivna vrednost ali efektivna vrednost napetosti.
Zato je najvišja napetost vedno 1,414 efektivne napetosti. Izmenični tok 230 V ima najvišjo napetost 325 V, medtem ko ima tok 460 V najvišjo napetost 650 V. Poleg spreminjanja frekvence mora frekvenčni pretvornik spreminjati tudi napetost, tudi če je napetost neodvisna od delovne hitrosti izmeničnega motorja. Dva sinusna vala izmeničnega toka 460 V. Rdeča krivulja je 60 Hz, modra pa 50 Hz. Oba imata najvišjo napetost 650 V, vendar je 50 Hz veliko širša. Zlahka vidite, da je površina v prvi polovici krivulje 50 Hz (0–10 ms) večja kot v prvi polovici krivulje 60 Hz (0–8,3 ms). Poleg tega je efektivna napetost višja, ker je površina pod krivuljo neposredno sorazmerna z efektivno napetostjo. Z zmanjševanjem frekvence se efektivna napetost poveča bolj.
Če motorjem z napetostjo 460 V dovolimo delovanje pri teh višjih napetostih, se lahko njihova življenjska doba močno skrajša. Zato mora frekvenčni pretvornik nenehno spreminjati "vrhovno" napetost glede na frekvenco, da ohrani konstantno efektivno napetost. Nižja kot je delovna frekvenca, nižja je vrhovna napetost in obratno. Zdaj bi morali dobro razumeti načelo delovanja frekvenčnega pretvornika in kako nadzorovati hitrost motorja. Večina frekvenčnih pretvornikov uporabnikom omogoča ročno nastavitev hitrosti motorja z večpozicijskimi stikali ali tipkovnicami ali pa uporabo senzorjev (tlak, pretok, temperatura, nivo tekočine itd.) za avtomatizacijo postopka.