Leverantören av återkopplingsenheter påminner om att sedan automatiska induktionsmotorer kom har växelströmsgeneratorer genomgått variabel frekvensdrift. Ändra generatorns hastighet och justera dess utgångsfrekvens. Innan höghastighetstransistorer kom var detta ett av de viktigaste sätten att ändra motorhastigheten, men eftersom generatorhastigheten minskade utgångsfrekvensen istället för spänningen var frekvensvariationen begränsad.
Låt oss därför titta på komponenterna i frekvensomvandlaren och se hur de faktiskt samverkar för att ändra frekvens och motorhastighet.
Växelriktarkomponenter - likriktare
På grund av svårigheten att ändra frekvensen hos AC-sinusvågor i AC-läge är en frekvensomvandlares första uppgift att omvandla vågformen till likström. För att få den att se ut som växelström är det relativt enkelt att använda likström. Den första komponenten i alla frekvensomvandlare är en anordning som kallas likriktare eller omvandlare. Frekvensomvandlarens likriktarkrets omvandlar växelström till likström, och dess arbetssätt är ungefär detsamma som för en batteriladdare eller bågsvetsmaskin. Den använder en diodbrygga för att begränsa växelströmens sinusvåg från att röra sig i endast en riktning. Resultatet är att den helt likriktade växelströmsvågformen tolkas av likströmskretsen som en lokal likströmsvågform. En trefasfrekvensomvandlare accepterar tre oberoende växelströmsingångsfaser och omvandlar dem till en enda likströmsutgång.
De flesta trefasfrekvensomvandlare kan även acceptera enfas (230V eller 460V) strömförsörjning, men på grund av endast två ingångsgrenar måste frekvensomvandlarens utgång (HP) nedklassas eftersom den genererade likströmmen minskas proportionellt. Å andra sidan använder en riktig enfasväxelriktare (en enfasväxelriktare som styr en enfasmotor) en enfasingång och genererar en likströmsutgång som är proportionell mot ingången.
Det finns två anledningar till varför trefasmotorer används oftare än enfasiga räknare när det gäller drift med variabel hastighet. För det första har de ett bredare effektområde. Å andra sidan kräver enfasmotorer vanligtvis viss extern intervention för att börja rotera.
Växelriktarkomponenter - DC-buss
Den andra komponenten i DC-bussen kan inte ses i någon frekvensomvandlare eftersom den inte direkt påverkar frekvensomvandlarens funktion. Den finns dock alltid i högkvalitativa frekvensomvandlare för allmänt bruk. DC-bussen använder kondensatorer och induktorer för att filtrera bort AC-"rippel"-spänningen i den konverterade likströmmen och går sedan in i växelriktarsektionen. Den innehåller också ett filter för att förhindra harmonisk distorsion, som kan matas tillbaka till växelriktarens strömförsörjning. Äldre frekvensomvandlare kräver separata nätfilter för att slutföra denna process.
Växelriktarkomponenter - Växelriktare
På höger sida av illustrationen visas frekvensomvandlarens "inre organ". Växelriktaren använder tre uppsättningar höghastighetsswitchande transistorer för att skapa trefasiga likströms-"pulser" som simulerar växelströmssinusvågor. Dessa pulser bestämmer inte bara vågens spänning, utan även dess frekvens. Termen "växelriktare" betyder "reversering", vilket helt enkelt betyder den genererade vågformens upp- och nedrörelse. Moderna frekvensomvandlare använder en teknik som kallas "pulsbreddsmodulering" (PWM) för att reglera spänning och frekvens.
Låt oss sedan prata om IGBT. IGBT hänvisar till "isolerad grindbipolär transistor", vilket är växelriktarens switchande (eller pulserande) komponent. Transistorer (som ersätter vakuumrör) spelar två roller i vår elektroniska värld. De kan fungera som en förstärkare och öka signalen, eller så kan de fungera som en brytare genom att helt enkelt slå på och av signalen. IGBT är en modern version som ger högre switchhastigheter (3000-16000 Hz) och minskar värmegenereringen. En högre switchhastighet kan förbättra noggrannheten i växelströmsvågsimuleringen och minska motorbrus. Minskningen av genererad värme innebär att kylflänsen är mindre, så frekvensomvandlaren upptar en mindre yta.
Inverter PWM-vågform
Vågformen som genereras av växelriktaren i en PWM-växelriktare jämförs med en sann AC-sinusvåg. Växelriktarens utgång består av en serie rektangulära pulser med fast höjd och justerbar bredd.
I det här specifika fallet finns det tre uppsättningar pulser - en bred uppsättning i mitten och en smal uppsättning i början och slutet av de positiva och negativa delarna av växelströmscykeln.
Summan av pulsarnas areor är lika med den effektiva spänningen för den verkliga växelströmsvågen. Om du vill avskärma pulsdelarna ovanför (eller under) den faktiska kommunikationsvågformen och fylla det tomma området under kurvan med dem, kommer du att upptäcka att de nästan perfekt matchar. Det är just på detta sätt som frekvensomvandlaren kan styra motorns spänning. Summan av pulsbredden och tomrumsbredden mellan dem bestämmer frekvensen för den vågform som motorn ser (därav PWM eller pulsbreddsmodulering). Om pulsen är kontinuerlig (dvs. utan tomrum) kommer frekvensen fortfarande att vara korrekt, men spänningen kommer att vara mycket större än en verklig växelströmssinusvåg.
Beroende på önskad spänning och frekvens kommer frekvensomvandlaren att ändra pulsens höjd och bredd, såväl som mellanrummet mellan de två. Vissa kanske undrar hur denna "falska" AC (egentligen DC) driver en AC-induktionsmotor.
Behöver en växelström trots allt "inducera" strömmen och motsvarande magnetfält i motorrotorn? Så, växelström kommer naturligtvis att orsaka induktion eftersom den har en ständigt skiftande riktning, medan likström inte fungerar normalt när kretsen väl är aktiverad.
Men om likströmmen slås på och av kan den känna av ström. För de som är äldre brukade bilens tändsystem (före solid state-tändning) ha en uppsättning punkter i fördelaren. Syftet med dessa punkter är att gå från batteriets "pulser" till spolar (transformatorer). Detta inducerar en laddning i spolen och höjer sedan spänningen till en nivå som gör att tändstiftet kan antändas. Den breda likströmspulsen som ses i figuren ovan består faktiskt av hundratals individuella pulser, och öppnings- och stängningsrörelsen hos växelriktarutgången möjliggör likströmsinduktion.
Effektiv spänning
En faktor som gör växelström komplex är att den ständigt ändrar spänning, från noll till en maximal positiv spänning, sedan tillbaka till noll, sedan till en maximal negativ spänning, och sedan tillbaka till noll. Hur bestämmer man den faktiska spänningen som appliceras på kretsen? Illustrationen nedan är en sinusvåg på 60 Hz, 120 V. Men det bör noteras att dess toppspänning är 170 V. Om dess faktiska spänning är 170 V, hur kan vi kalla den en 120 V-våg?
En faktor som gör växelström komplex är dess konstanta spänningsförändring, från noll till en maximal positiv spänning, sedan tillbaka till noll, sedan till en maximal negativ spänning och sedan tillbaka till noll. Hur bestämmer man den faktiska spänningen som appliceras på kretsen?
En sinusvåg på 60 Hz och 120 V bör noteras att dess toppspänning är 170 V. Om dess faktiska spänning är 170 V, hur kan vi kalla den en 120 V-våg?
Under en cykel börjar den vid 0 V, stiger till 170 V och sjunker sedan igen till 0. Den fortsätter att sjunka till -170 och stiger sedan igen till 0. Arean av den gröna rektangeln med en övre gräns på 120 V är lika med summan av arean av kurvans positiva och negativa delar.
Så 120V är medelnivån? Okej, om vi skulle medelvärdesbilda alla spänningsvärden vid varje punkt under hela cykeln, skulle resultatet bli ungefär 108V, så det kan inte vara svaret. Så varför mäts detta värde med VOM vid 120V? Det är relaterat till vad vi kallar "effektiv spänning".
Om du vill mäta värmen som genereras av likströmmen som flyter genom ett motstånd, kommer du att upptäcka att den är större än värmen som genereras av den ekvivalenta växelströmmen. Detta beror på att växelström inte bibehåller ett konstant värde under hela cykeln. Om det utförs under kontrollerade förhållanden i laboratoriet, visar det sig att en specifik likström producerar en värmeökning på 100 grader, vilket resulterar i en ökning på 70,7 grader i växelströmsekvivalent eller 70,7 % likströmsvärde.
Så är det effektiva värdet för AC 70,7 % av DC. Det kan också ses att det effektiva värdet för AC-spänningen är lika med kvadratroten ur summan av kvadraterna av spänningarna i den första halvan av kurvan. Om toppspänningen är 1 och olika spänningar från 0 grader till 180 grader behöver mätas, blir den effektiva spänningen toppspänningen 0–707 grader. 0,707 gånger toppspänningen 170 i figuren är lika med 120 V. Denna effektiva spänning är också känd som root mean square-spänning eller RMS-spänning.
Därför är toppspänningen alltid 1,414 av den effektiva spänningen. 230V AC har en toppspänning på 325V, medan 460V har en toppspänning på 650V. Förutom frekvensvariationer, även om spänningen är oberoende av AC-motorns driftshastighet, måste frekvensomvandlaren också ändra spänningen. Två 460V AC sinusvågor. Den röda kurvan är 60Hz och den blå kurvan är 50Hz. Båda har en toppspänning på 650V, men 50Hz är mycket bredare. Man kan lätt se att arean inom den första halvan av 50Hz-kurvan (0-10ms) är större än den första halvan av 60Hz-kurvan (0-8,3ms). Dessutom, eftersom arean under kurvan är direkt proportionell mot den effektiva spänningen, är dess effektiva spänning högre. När frekvensen minskar blir ökningen av den effektiva spänningen kraftigare.
Om 460V-motorer tillåts arbeta vid dessa högre spänningar kan deras livslängd minskas kraftigt. Därför måste frekvensomvandlaren ständigt ändra "toppspänningen" i förhållande till frekvensen för att bibehålla en konstant effektiv spänning. Ju lägre driftsfrekvens, desto lägre toppspänning och vice versa. Du bör nu ha en god förståelse för frekvensomvandlarens funktionsprincip och hur man styr motorhastigheten. De flesta frekvensomvandlare tillåter användare att manuellt ställa in motorhastigheten via flerlägesbrytare eller tangentbord, eller använda sensorer (tryck, flöde, temperatur, vätskenivå etc.) för att automatisera processen.