Постачальник блоків зворотного зв'язку нагадує вам, що з моменту появи автоматичних асинхронних двигунів, генератори змінного струму вже зазнали змінної частоти. Зміна швидкості генератора та регулювання його вихідної частоти. До появи високошвидкісних транзисторів це був один з основних способів зміни швидкості двигуна, але оскільки швидкість генератора зменшувала вихідну частоту, а не напругу, зміна частоти була обмежена.
Отже, давайте розглянемо компоненти перетворювача частоти та подивимося, як вони насправді працюють разом, щоб змінювати частоту та швидкість двигуна.
Компоненти інвертора - випрямляч
Через складність зміни частоти синусоїд змінного струму в режимі змінного струму, першим завданням перетворювача частоти є перетворення форми сигналу на постійний. Щоб він виглядав як змінний, постійний струм відносно легко експлуатувати. Першим компонентом усіх перетворювачів частоти є пристрій, який називається випрямлячем або конвертером. Схема випрямляча перетворювача частоти перетворює змінний струм на постійний, і його режим роботи приблизно такий самий, як у зарядного пристрою або дугового зварювального апарату. Він використовує діодний міст, щоб обмежити рух синусоїди змінного струму лише в одному напрямку. В результаті повністю випрямлена форма сигналу змінного струму інтерпретується схемою постійного струму як локальна форма сигналу постійного струму. Трифазний перетворювач частоти приймає три незалежні вхідні фази змінного струму та перетворює їх на один вихідний постійний струм.
Більшість трифазних перетворювачів частоти також можуть приймати однофазне джерело живлення (230 В або 460 В), але через наявність лише двох вхідних гілок вихідна потужність (HP) перетворювача частоти повинна бути знижена, оскільки генерований постійний струм пропорційно зменшується. З іншого боку, справжній однофазний інвертор (однофазний інвертор, який керує однофазним двигуном) використовує однофазний вхід і генерує постійний струм на виході, пропорційний входу.
Існує дві причини, чому трифазні двигуни використовуються частіше, ніж однофазні лічильники, коли йдеться про роботу зі змінною швидкістю. По-перше, вони мають ширший діапазон потужності. З іншого боку, однофазні двигуни зазвичай потребують певного зовнішнього втручання, щоб почати обертатися.
Компоненти інвертора - шина постійного струму
Другий компонент шини постійного струму неможливо побачити в жодному перетворювачі частоти, оскільки він безпосередньо не впливає на його роботу. Однак він завжди присутній у високоякісних перетворювачах частоти загального призначення. Шина постійного струму використовує конденсатори та індуктори для фільтрації змінної напруги "пульсацій" у перетвореній потужності постійного струму, а потім надходить до секції інвертора. Вона також містить фільтр для запобігання гармонійним спотворенням, які можуть бути подані назад до джерела живлення інвертора. Старіші перетворювачі частоти потребують окремих лінійних фільтрів для завершення цього процесу.
Компоненти інвертора - Інвертор
У правій частині ілюстрації зображено «внутрішні органи» перетворювача частоти. Інвертор використовує три набори високошвидкісних комутаційних транзисторів для створення повністю трифазних «імпульсів» постійного струму, які імітують синусоїди змінного струму. Ці імпульси визначають не тільки напругу хвилі, але й її частоту. Термін «інвертор» означає «реверс», що просто означає рух згенерованої форми хвилі вгору та вниз. Сучасні перетворювачі частоти використовують техніку, яка називається «широтно-імпульсна модуляція» (ШІМ), для регулювання напруги та частоти.
Тоді давайте поговоримо про IGBT. IGBT означає «ізольований затворний біполярний транзистор», який є комутаційним (або імпульсним) компонентом інвертора. Транзистори (що замінюють електронні лампи) відіграють дві ролі в нашому електронному світі. Вони можуть діяти як підсилювач і посилювати сигнал, або ж як перемикач, просто вмикаючи та вимикаючи сигнал. IGBT — це сучасна версія, яка забезпечує вищу швидкість перемикання (3000-16000 Гц) і зменшує виділення тепла. Вища швидкість перемикання може підвищити точність моделювання хвилі змінного струму та зменшити шум двигуна. Зменшення виділення тепла означає, що радіатор менший, тому перетворювач частоти займає меншу площу.
Форма сигналу ШІМ інвертора
Форма хвилі, що генерується інвертором ШІМ-інвертора, порівняно зі справжньою синусоїдою змінного струму. Вихід інвертора складається з серії прямокутних імпульсів з фіксованою висотою та регульованою шириною.
У цьому конкретному випадку є три набори імпульсів – широкий набір посередині та вузький набір на початку та в кінці позитивної та негативної частин циклу змінного струму.
Сума площ імпульсів дорівнює ефективній напрузі справжньої хвилі змінного струму. Якщо ви хочете обрізати частини імпульсу вище (або нижче) фактичної форми сигналу зв'язку та заповнити ними порожню область під кривою, ви виявите, що вони майже ідеально збігаються. Саме таким чином перетворювач частоти може керувати напругою двигуна. Сума ширини імпульсу та ширини проміжку між ними визначає частоту форми сигналу, яку бачить двигун (звідси ШІМ або широтно-імпульсна модуляція). Якщо імпульс безперервний (тобто без проміжків), частота все одно буде правильною, але напруга буде набагато більшою, ніж у справжньої синусоїди змінного струму.
Відповідно до необхідної напруги та частоти, перетворювач частоти змінюватиме висоту та ширину імпульсу, а також ширину проміжку між ними. Дехто може задатися питанням, як цей «підроблений» змінний струм (насправді постійний) керує асинхронним двигуном змінного струму.
Зрештою, чи змінний струм повинен «індукувати» струм і відповідне магнітне поле в роторі двигуна? Отже, змінний струм природним чином спричинятиме індукцію, оскільки його напрямок постійно змінюється, тоді як постійний струм не працюватиме нормально після активації кола.
Однак, якщо постійний струм вмикається та вимикається, він може відчувати струм. Для тих, хто старший, система запалювання автомобіля (до появи твердотільного запалювання) мала набір точок у розподільнику. Призначення цих точок полягає в передачі "імпульсів" акумулятора до котушок (трансформаторів). Це індукує заряд у котушці, а потім підвищує напругу до рівня, який дозволяє свічці запалювання запалитися. Широкий імпульс постійного струму, який видно на малюнку вище, насправді складається з сотень окремих імпульсів, а рух відкриття та закриття виходу інвертора дозволяє виникнути індукцію постійного струму.
Ефективна напруга
Один із факторів, що робить змінний струм складним, полягає в тому, що він постійно змінює напругу: від нуля до максимальної позитивної напруги, потім назад до нуля, потім до деякої максимальної негативної напруги, і знову назад до нуля. Як визначити фактичну напругу, що прикладена до кола? На ілюстрації нижче показано синусоїду частотою 60 Гц, напругою 120 В. Але слід зазначити, що її пікова напруга становить 170 В. Якщо її фактична напруга становить 170 В, як ми можемо назвати її хвилею 120 В?
Один із факторів, що робить змінний струм складним, – це його постійна зміна напруги: від нуля до максимальної позитивної напруги, потім назад до нуля, потім до деякої максимальної негативної напруги, і знову назад до нуля. Як визначити фактичну напругу, що прикладена до кола?
Слід зазначити, що для синусоїди 60 Гц, 120 В її пікова напруга становить 170 В. Якщо її фактична напруга становить 170 В, як ми можемо назвати її хвилею 120 В?
За один цикл вона починається з 0 В, підвищується до 170 В, а потім знову падає до 0. Вона продовжує падати до -170, а потім знову підвищується до 0. Площа зеленого прямокутника з верхньою межею 120 В дорівнює сумі площ додатної та від'ємної частин кривої.
Отже, 120 В – це середній рівень? Добре, якщо ми усереднимо всі значення напруги в кожній точці протягом усього циклу, результат буде приблизно 108 В, тому це не може бути відповіддю. То чому це значення вимірюється VOM при 120 В? Воно пов'язане з тим, що ми називаємо «ефективною напругою».
Якщо ви хочете виміряти тепло, що утворюється постійним струмом, що протікає через резистор, ви побачите, що воно більше, ніж тепло, що утворюється еквівалентним змінним струмом. Це пояснюється тим, що змінний струм не підтримує постійне значення протягом усього циклу. Якщо провести вимірювання в контрольованих умовах у лабораторії, то буде виявлено, що певний постійний струм створює збільшення температури на 100 градусів, що призводить до збільшення еквівалента змінного струму на 70,7 градуса або 70,7% значення постійного струму.
Отже, ефективне значення змінного струму становить 70,7% від постійного. Також видно, що ефективне значення напруги змінного струму дорівнює квадратному кореню із суми квадратів напруг у першій половині кривої. Якщо пікова напруга дорівнює 1, а потрібно виміряти різні напруги від 0 градусів до 180 градусів, ефективна напруга буде піковою напругою від 0 до 707 градусів. 0,707 помножити на пікову напругу 170 на рисунку дорівнює 120 В. Ця ефективна напруга також відома як середньоквадратична або RMS напруга.
Отже, пікова напруга завжди становить 1,414 від ефективної напруги. Змінний струм 230 В має пікову напругу 325 В, тоді як 460 В має пікову напругу 650 В. Окрім зміни частоти, навіть якщо напруга не залежить від робочої швидкості двигуна змінного струму, перетворювач частоти також повинен змінювати напругу. Дві синусоїди змінного струму 460 В. Червона крива відповідає 60 Гц, а синя – 50 Гц. Обидві мають пікову напругу 650 В, але 50 Гц набагато ширше. Ви можете легко побачити, що площа в першій половині кривої 50 Гц (0-10 мс) більша, ніж у першій половині кривої 60 Гц (0-8,3 мс). Більше того, оскільки площа під кривою прямо пропорційна ефективній напрузі, її ефективна напруга вища. Зі зменшенням частоти збільшення ефективної напруги стає більш суттєвим.
Якщо дозволити двигунам на 460 В працювати при цих вищих напругах, їхній термін служби може значно скоротитися. Тому перетворювач частоти повинен постійно змінювати «пікову» напругу відносно частоти, щоб підтримувати постійну ефективну напругу. Чим нижча робоча частота, тим нижча пікова напруга, і навпаки. Тепер ви повинні добре розуміти принцип роботи перетворювача частоти та способи керування швидкістю двигуна. Більшість перетворювачів частоти дозволяють користувачам вручну встановлювати швидкість двигуна за допомогою багатопозиційних перемикачів або клавіатур, або використовувати датчики (тиску, потоку, температури, рівня рідини тощо) для автоматизації процесу.