วิธีการแปลงความถี่ด้วยตัวแปลงความถี่

ซัพพลายเออร์หน่วยฟีดแบ็กขอเตือนคุณว่านับตั้งแต่มอเตอร์เหนี่ยวนำอัตโนมัติปรากฏขึ้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับก็มีการทำงานแบบปรับความถี่ได้อยู่แล้ว การเปลี่ยนความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและปรับความถี่เอาต์พุต ก่อนที่จะมีทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงเกิดขึ้น การเปลี่ยนความเร็วมอเตอร์เป็นวิธีหลักอย่างหนึ่ง แต่เนื่องจากความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลดความถี่เอาต์พุตแทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงความถี่จึงมีจำกัด

ดังนั้นเรามาดูส่วนประกอบของตัวแปลงความถี่และดูว่าแต่ละส่วนทำงานร่วมกันเพื่อเปลี่ยนความถี่และความเร็วของมอเตอร์อย่างไร

ส่วนประกอบอินเวอร์เตอร์ - วงจรเรียงกระแส

เนื่องจากการแปลงความถี่ของคลื่นไซน์ AC ในโหมด AC เป็นเรื่องยาก งานแรกของตัวแปลงความถี่คือการแปลงรูปคลื่นเป็น DC เพื่อให้ดูเหมือน AC จึงใช้งาน DC ได้ค่อนข้างง่าย ส่วนประกอบแรกของตัวแปลงความถี่ทั้งหมดคืออุปกรณ์ที่เรียกว่าวงจรเรียงกระแสหรือตัวแปลงความถี่ วงจรเรียงกระแสของตัวแปลงความถี่จะแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง และมีโหมดการทำงานคล้ายกับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่หรือเครื่องเชื่อมอาร์ก วงจรนี้ใช้ไดโอดบริดจ์เพื่อจำกัดไม่ให้คลื่นไซน์ AC เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว ผลลัพธ์คือรูปคลื่น AC ที่ผ่านการเรียงกระแสอย่างสมบูรณ์จะถูกตีความโดยวงจร DC ว่าเป็นรูปคลื่น DC เฉพาะที่ ตัวแปลงความถี่สามเฟสจะรับเฟสอินพุต AC อิสระสามเฟสและแปลงเป็นเอาต์พุต DC เพียงเอาต์พุตเดียว

ตัวแปลงความถี่สามเฟสส่วนใหญ่สามารถรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าเฟสเดียว (230V หรือ 460V) ได้ แต่เนื่องจากมีอินพุตเพียงสองสาขา เอาต์พุต (HP) ของตัวแปลงความถี่จึงต้องถูกปรับลดค่าลง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าตรงที่สร้างขึ้นจะลดลงตามสัดส่วน ในทางกลับกัน อินเวอร์เตอร์เฟสเดียวที่แท้จริง (อินเวอร์เตอร์เฟสเดียวที่ควบคุมมอเตอร์เฟสเดียว) จะใช้อินพุตเฟสเดียวและสร้างเอาต์พุต DC ตามสัดส่วนของอินพุต

มีสองเหตุผลที่มอเตอร์สามเฟสเป็นที่นิยมใช้มากกว่ามอเตอร์แบบเฟสเดียวเมื่อต้องทำงานด้วยความเร็วรอบแปรผัน ประการแรก มอเตอร์แบบเฟสเดียวมีช่วงกำลังไฟฟ้าที่กว้างกว่า ในทางกลับกัน โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์แบบเฟสเดียวจำเป็นต้องมีการแทรกแซงจากภายนอกเพื่อเริ่มหมุน

ส่วนประกอบอินเวอร์เตอร์ - บัส DC

ส่วนประกอบที่สองของบัส DC ไม่สามารถมองเห็นได้ในตัวแปลงความถี่ใดๆ เนื่องจากไม่ส่งผลโดยตรงต่อการทำงานของตัวแปลงความถี่ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบนี้มักพบในตัวแปลงความถี่อเนกประสงค์คุณภาพสูง บัส DC ใช้ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเพื่อกรองแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแบบ "ริปเปิล" ในไฟฟ้ากระแสตรงที่แปลงแล้ว จากนั้นจึงเข้าสู่ส่วนอินเวอร์เตอร์ นอกจากนี้ยังมีตัวกรองเพื่อป้องกันความเพี้ยนฮาร์มอนิก ซึ่งสามารถป้อนกลับไปยังแหล่งจ่ายไฟของอินเวอร์เตอร์ได้ ตัวแปลงความถี่รุ่นเก่าจำเป็นต้องใช้ตัวกรองแบบแยกสายเพื่อให้กระบวนการนี้เสร็จสมบูรณ์

ส่วนประกอบอินเวอร์เตอร์ - อินเวอร์เตอร์

ทางด้านขวาของภาพประกอบคือ "อวัยวะภายใน" ของตัวแปลงความถี่ อินเวอร์เตอร์ใช้ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งความเร็วสูงสามชุดเพื่อสร้าง "พัลส์" กระแสตรงสามเฟสทั้งหมดที่จำลองคลื่นไซน์ไฟฟ้ากระแสสลับ พัลส์เหล่านี้ไม่เพียงแต่กำหนดแรงดันไฟฟ้าของคลื่นเท่านั้น แต่ยังกำหนดความถี่ด้วย คำว่า "อินเวอร์เตอร์" หมายถึง "การกลับทิศ" ซึ่งหมายถึงการเคลื่อนที่ขึ้นลงของรูปคลื่นที่สร้างขึ้น ตัวแปลงความถี่สมัยใหม่ใช้เทคนิคที่เรียกว่า "การมอดูเลตความกว้างพัลส์" (PWM) เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าและความถี่

ต่อไปเรามาพูดถึง IGBT กัน IGBT หมายถึง "ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน" ซึ่งเป็นส่วนประกอบสวิตชิ่ง (หรือพัลส์) ของอินเวอร์เตอร์ ทรานซิสเตอร์ (ซึ่งมาแทนที่หลอดสุญญากาศ) มีบทบาทสองอย่างในโลกอิเล็กทรอนิกส์ของเรา มันสามารถทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายเสียงและเพิ่มสัญญาณ หรือสามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์โดยการเปิดและปิดสัญญาณ IGBT เป็นรุ่นที่ทันสมัยซึ่งมีความเร็วในการสวิตชิ่งที่สูงขึ้น (3000-16000 เฮิรตซ์) และลดการเกิดความร้อน ความเร็วในการสวิตชิ่งที่สูงขึ้นสามารถปรับปรุงความแม่นยำของการจำลองคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับและลดเสียงรบกวนของมอเตอร์ การลดความร้อนที่เกิดขึ้นหมายความว่าฮีตซิงก์มีขนาดเล็กลง ดังนั้นตัวแปลงความถี่จึงใช้พื้นที่น้อยลง

รูปคลื่นอินเวอร์เตอร์ PWM

รูปคลื่นที่สร้างโดยอินเวอร์เตอร์ของอินเวอร์เตอร์ PWM เทียบกับคลื่นไซน์ AC จริง เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ประกอบด้วยพัลส์สี่เหลี่ยมหลายชุดที่มีความสูงคงที่และความกว้างที่ปรับได้

ในกรณีนี้โดยเฉพาะ มีพัลส์สามชุด - ชุดกว้างตรงกลางและชุดแคบที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของส่วนบวกและลบของวงจร AC

ผลรวมของพื้นที่พัลส์จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่มีผลของคลื่น AC จริง หากคุณต้องการตัดส่วนของพัลส์ที่อยู่เหนือ (หรือใต้) รูปคลื่นการสื่อสารจริงออก และเติมช่องว่างใต้เส้นโค้งด้วยส่วนพัลส์เหล่านั้น คุณจะพบว่าส่วนพัลส์เหล่านี้เกือบจะตรงกันอย่างสมบูรณ์แบบ ด้วยวิธีนี้เองที่ตัวแปลงความถี่สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ได้ ผลรวมของความกว้างของพัลส์และความกว้างของช่องว่างระหว่างพัลส์ทั้งสองจะกำหนดความถี่ของรูปคลื่นที่มอเตอร์มองเห็น (ดังนั้นจึงเรียกว่า PWM หรือการมอดูเลตความกว้างของพัลส์) หากพัลส์ทำงานต่อเนื่อง (กล่าวคือ ไม่มีช่องว่าง) ความถี่จะยังคงถูกต้อง แต่แรงดันไฟฟ้าจะสูงกว่าคลื่นไซน์ AC จริงมาก

ตัวแปลงความถี่จะปรับความสูงและความกว้างของพัลส์ตามแรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่ต้องการ รวมถึงความกว้างของช่องว่างระหว่างพัลส์ทั้งสอง บางคนอาจสงสัยว่า 'กระแสสลับปลอม' (จริงๆ แล้วคือกระแสตรง) นี้ทำงานอย่างไรกับมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ

ท้ายที่สุดแล้ว กระแสสลับจำเป็นต้อง "เหนี่ยวนำ" กระแสและสนามแม่เหล็กที่สอดคล้องกันในโรเตอร์มอเตอร์หรือไม่? ดังนั้น กระแสสลับจึงทำให้เกิดการเหนี่ยวนำตามธรรมชาติ เพราะกระแสสลับมีทิศทางที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ในขณะที่กระแสตรงจะไม่ทำงานตามปกติเมื่อวงจรถูกกระตุ้น

อย่างไรก็ตาม หากเปิดและปิดไฟกระแสตรง (DC) ก็จะสามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าได้ สำหรับผู้ที่มีอายุมากขึ้น ระบบจุดระเบิดรถยนต์ (ก่อนการจุดระเบิดแบบโซลิดสเตต) เคยมีชุดจุดจ่ายไฟอยู่ในตัวจ่ายไฟ จุดประสงค์ของจุดเหล่านี้คือการเปลี่ยนจาก "พัลส์" ของแบตเตอรี่ไปยังคอยล์ (หม้อแปลง) ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดประจุในคอยล์และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ทำให้หัวเทียนสามารถจุดระเบิดได้ พัลส์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบกว้างที่เห็นในภาพด้านบนนั้น แท้จริงแล้วประกอบด้วยพัลส์เดี่ยวๆ หลายร้อยพัลส์ และการเปิดและปิดของเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสตรง (DC)

แรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ

ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ไฟฟ้ากระแสสลับมีความซับซ้อนคือการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง จากศูนย์เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกสูงสุด จากนั้นกลับเป็นศูนย์ จากนั้นเป็นแรงดันไฟฟ้าลบสูงสุด และกลับเป็นศูนย์อีกครั้ง จะหาค่าแรงดันไฟฟ้าจริงที่จ่ายให้กับวงจรได้อย่างไร? ภาพประกอบด้านล่างเป็นคลื่นไซน์ความถี่ 60 เฮิรตซ์ 120 โวลต์ แต่ควรสังเกตว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดคือ 170 โวลต์ หากแรงดันไฟฟ้าจริงคือ 170 โวลต์ เราจะเรียกมันว่าคลื่น 120 โวลต์ได้อย่างไร?

ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้กระแสสลับมีความซับซ้อนคือการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง จากศูนย์เป็นแรงดันไฟฟ้าบวกสูงสุด จากนั้นกลับเป็นศูนย์ จากนั้นเป็นแรงดันไฟฟ้าลบสูงสุด และกลับเป็นศูนย์อีกครั้ง เราจะหาค่าแรงดันไฟฟ้าจริงที่จ่ายให้กับวงจรได้อย่างไร

คลื่นไซน์ความถี่ 60 เฮิรตซ์ 120 โวลต์ ควรสังเกตว่าแรงดันพีคของมันคือ 170 โวลต์ ถ้าแรงดันจริงคือ 170 โวลต์ เราจะเรียกว่าคลื่น 120 โวลต์ได้อย่างไร

ในรอบหนึ่ง แรงดันจะเริ่มต้นที่ 0V เพิ่มขึ้นเป็น 170V แล้วลดลงเหลือ 0 อีกครั้ง จากนั้นจะลดลงต่อเป็น -170 แล้วจึงเพิ่มขึ้นอีกครั้งเป็น 0 พื้นที่ของสี่เหลี่ยมผืนผ้าสีเขียวที่มีขอบบนเท่ากับ 120V เท่ากับผลรวมของพื้นที่ส่วนบวกและส่วนลบของเส้นโค้ง

แล้ว 120V ก็คือระดับเฉลี่ยใช่ไหมครับ? โอเค ถ้าเราเฉลี่ยค่าแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดในแต่ละจุดตลอดทั้งวงจร ผลลัพธ์ที่ได้จะอยู่ที่ประมาณ 108V ดังนั้นจึงไม่ใช่คำตอบ แล้วทำไมค่านี้ถึงวัดโดย VOM ที่ 120V ล่ะครับ? มันเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เราเรียกว่า 'แรงดันไฟฟ้าจริง'

หากคุณต้องการวัดความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าตรงที่ไหลผ่านตัวต้านทาน คุณจะพบว่าความร้อนนั้นมีค่ามากกว่าความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าสลับสมมูล เนื่องจากกระแสไฟฟ้าสลับไม่สามารถรักษาค่าคงที่ได้ตลอดทั้งวงจร หากดำเนินการภายใต้สภาวะควบคุมในห้องปฏิบัติการ จะพบว่ากระแสไฟฟ้าตรงที่กำหนดจะให้ความร้อนเพิ่มขึ้น 100 องศา ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าสลับสมมูลเพิ่มขึ้น 70.7 องศา หรือคิดเป็น 70.7% ของค่ากระแสไฟฟ้าตรง

ดังนั้นค่าประสิทธิผลของ AC คือ 70.7% ของ DC นอกจากนี้ยังสามารถเห็นได้ว่าค่าประสิทธิผลของแรงดันไฟฟ้า AC เท่ากับรากที่สองของผลรวมกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าในครึ่งแรกของเส้นโค้ง หากแรงดันพีคเป็น 1 และจำเป็นต้องวัดแรงดันไฟฟ้าต่างๆ ตั้งแต่ 0 ถึง 180 องศา แรงดันไฟฟ้าประสิทธิผลจะเป็นแรงดันพีคที่ 0-707 องศา 0.707 คูณแรงดันพีคที่ 170 ในรูปจะเท่ากับ 120V แรงดันไฟฟ้าประสิทธิผลนี้เรียกอีกอย่างว่า รากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง หรือแรงดัน RMS

ดังนั้น แรงดันพีคจึงเท่ากับ 1.414 ของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงเสมอ กระแสไฟฟ้าสลับ 230V มีแรงดันพีคที่ 325V ในขณะที่ 460 มีแรงดันพีคที่ 650V นอกจากการเปลี่ยนแปลงความถี่แล้ว แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการทำงานของมอเตอร์ AC ตัวแปลงความถี่ก็ต้องเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าด้วย คลื่นไซน์ AC 460V สองคลื่น เส้นโค้งสีแดงคือ 60Hz และเส้นโค้งสีน้ำเงินคือ 50Hz ทั้งสองมีแรงดันพีคที่ 650V แต่ 50Hz นั้นกว้างกว่ามาก คุณจะเห็นได้อย่างง่ายดายว่าพื้นที่ภายในครึ่งแรกของเส้นโค้ง 50Hz (0-10ms) มีขนาดใหญ่กว่าครึ่งแรกของเส้นโค้ง 60Hz (0-8.3ms) ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากพื้นที่ใต้เส้นโค้งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงจึงสูงขึ้น เมื่อความถี่ลดลง การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงจะรุนแรงขึ้น

หากมอเตอร์ 460V ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเหล่านี้ อายุการใช้งานของมอเตอร์จะลดลงอย่างมาก ดังนั้น ตัวแปลงความถี่จึงต้องเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า "สูงสุด" เทียบกับความถี่อย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพให้คงที่ ยิ่งความถี่ทำงานต่ำ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดก็จะยิ่งต่ำลง และในทางกลับกัน ตอนนี้คุณน่าจะมีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับหลักการทำงานของตัวแปลงความถี่และวิธีการควบคุมความเร็วมอเตอร์แล้ว ตัวแปลงความถี่ส่วนใหญ่อนุญาตให้ผู้ใช้ตั้งค่าความเร็วมอเตอร์ด้วยตนเองผ่านสวิตช์หลายตำแหน่งหรือแป้นพิมพ์ หรือใช้เซ็นเซอร์ (ความดัน การไหล อุณหภูมิ ระดับของเหลว ฯลฯ) เพื่อควบคุมกระบวนการทำงานอัตโนมัติ