Dodavatel zpětnovazebních jednotek připomíná, že od vzniku automatických asynchronních motorů prošla generátor střídavého proudu provozem s proměnnou frekvencí. Změna otáček generátoru a úprava jeho výstupní frekvence. Před vznikem vysokorychlostních tranzistorů to byl jeden z hlavních způsobů změny otáček motoru, ale vzhledem k tomu, že otáčeky generátoru snižovaly výstupní frekvenci namísto napětí, byla změna frekvence omezená.
Pojďme se proto podívat na komponenty frekvenčního měniče a zjistit, jak ve skutečnosti spolupracují při změně frekvence a otáček motoru.
Součásti střídače - usměrňovač
Vzhledem k obtížnosti změny frekvence sinusových vln střídavého proudu v režimu střídavého proudu je prvním úkolem frekvenčního měniče převést průběh na stejnosměrný proud. Aby vypadal jako střídavý proud, je relativně snadné ovládat stejnosměrný proud. První součástí všech frekvenčních měničů je zařízení zvané usměrňovač nebo měnič. Usměrňovací obvod frekvenčního měniče převádí střídavý proud na stejnosměrný proud a jeho pracovní režim je zhruba stejný jako u nabíječky baterií nebo obloukového svářecího stroje. Používá diodový můstek k omezení pohybu sinusové vlny střídavého proudu pouze v jednom směru. Výsledkem je, že plně usměrněný průběh střídavého proudu je stejnosměrným obvodem interpretován jako lokální průběh stejnosměrného proudu. Třífázový frekvenční měnič přijímá tři nezávislé vstupní fáze střídavého proudu a převádí je do jednoho výstupu stejnosměrného proudu.
Většina třífázových frekvenčních měničů může přijímat i jednofázové napájení (230 V nebo 460 V), ale kvůli pouze dvěma vstupním větvím musí být výstup (HP) frekvenčního měniče snížen, protože generovaný stejnosměrný proud je proporcionálně snížen. Na druhou stranu, skutečný jednofázový měnič (jednofázový měnič, který řídí jednofázový motor) využívá jednofázový vstup a generuje stejnosměrný výstup proporcionálně ke vstupu.
Existují dva důvody, proč se třífázové motory používají častěji než jednofázové protiběžné komponenty, pokud jde o provoz s proměnnou rychlostí. Zaprvé mají širší rozsah výkonu. Na druhou stranu, jednofázové motory obvykle vyžadují určitý vnější zásah, aby se začaly otáčet.
Součásti měniče - DC sběrnice
Druhou složku stejnosměrné sběrnice nelze pozorovat v žádném frekvenčním měniči, protože přímo neovlivňuje jeho provoz. V kvalitních univerzálních frekvenčních měničích však vždy existuje. Stejnosměrná sběrnice využívá kondenzátory a induktory k filtrování střídavého „zvlnění“ napětí v převedeném stejnosměrném proudu a poté vstupuje do střídačové sekce. Obsahuje také filtr, který zabraňuje harmonickému zkreslení, které lze přivést zpět do napájecího zdroje střídače. Starší frekvenční měniče vyžadují pro dokončení tohoto procesu samostatné síťové filtry.
Komponenty měniče - Měnič
Na pravé straně obrázku jsou „vnitřní orgány“ frekvenčního měniče. Měnič používá tři sady vysokorychlostních spínacích tranzistorů k vytváření třífázových stejnosměrných „pulzů“, které simulují sinusové vlny střídavého proudu. Tyto pulzy určují nejen napětí vlny, ale také její frekvenci. Termín „měnič“ znamená „obrácení“, což jednoduše znamená pohyb generovaného tvaru vlny nahoru a dolů. Moderní frekvenční měniče používají k regulaci napětí a frekvence techniku zvanou „modulace šířky impulsů“ (PWM).
Pak si povíme o IGBT. IGBT označuje „izolovaný hradlový bipolární tranzistor“, což je spínací (nebo pulzní) součást měniče. Tranzistory (nahrazující elektronky) hrají v našem elektronickém světě dvě role. Mohou fungovat jako zesilovač a zesilovat signál, nebo mohou fungovat jako spínač pouhým zapínáním a vypínáním signálu. IGBT je moderní verze, která poskytuje vyšší spínací rychlosti (3000–16000 Hz) a snižuje tvorbu tepla. Vyšší spínací rychlost může zlepšit přesnost simulace střídavého proudu a snížit hluk motoru. Snížení generovaného tepla znamená, že chladič je menší, takže frekvenční měnič zabírá menší plochu.
PWM průběh měniče
Průběh generovaný PWM měničem v porovnání se skutečnou sinusovou vlnou střídavého proudu. Výstup měniče se skládá ze série obdélníkových impulsů s pevnou výškou a nastavitelnou šířkou.
V tomto konkrétním případě existují tři sady pulzů - široká sada uprostřed a úzká sada na začátku a na konci kladné a záporné části cyklu střídavého proudu.
Součet ploch pulzů se rovná efektivnímu napětí skutečného střídavého proudu. Pokud chcete oříznout části pulzů nad (nebo pod) skutečným komunikačním průběhem a vyplnit jimi prázdnou oblast pod křivkou, zjistíte, že se téměř dokonale shodují. Právě tímto způsobem může frekvenční měnič řídit napětí motoru. Součet šířky pulzů a šířky prázdného prostoru mezi nimi určuje frekvenci průběhů viděných motorem (odtud PWM neboli pulzně šířková modulace). Pokud je pulz spojitý (tj. bez prázdných míst), bude frekvence stále správná, ale napětí bude mnohem větší než u skutečného sinusového průběhu střídavého proudu.
Podle požadovaného napětí a frekvence bude frekvenční měnič měnit výšku a šířku impulsu, stejně jako šířku prázdného prostoru mezi nimi. Někteří lidé se možná diví, jak tento „falešný“ střídavý proud (ve skutečnosti stejnosměrný proud) pohání střídavý asynchronní motor.
Koneckonců, musí střídavý proud „indukovat“ proud a odpovídající magnetické pole v rotoru motoru? Takže střídavý proud přirozeně způsobuje indukci, protože se neustále mění jeho směr, zatímco stejnosměrný proud po aktivaci obvodu normálně nefunguje.
Pokud se však stejnosměrný proud zapíná a vypíná, může snímat proud. Pro starší generaci, zapalovací systém automobilů (před zavedením polovodičového zapalování) míval v rozdělovači sadu bodů. Účelem těchto bodů je přenášet „pulzy“ z baterie do cívek (transformátorů). Tím se v cívce indukuje náboj a poté se napětí zvýší na úroveň, která umožňuje zapálení zapalovací svíčky. Široký stejnosměrný impuls, který je vidět na obrázku výše, se ve skutečnosti skládá ze stovek jednotlivých impulsů a otevírací a zavírací pohyb výstupu měniče umožňuje vznik stejnosměrné indukce.
Efektivní napětí
Jedním z faktorů, které činí střídavý proud složitým, je to, že se neustále mění napětí, od nuly k maximálnímu kladnému napětí, poté zpět k nule, poté k určitému maximálnímu zápornému napětí a nakonec zpět k nule. Jak určit skutečné napětí aplikované na obvod? Níže uvedený obrázek znázorňuje sinusovou vlnu o frekvenci 60 Hz a napětí 120 V. Je však třeba poznamenat, že její špičkové napětí je 170 V. Pokud je její skutečné napětí 170 V, jak ji můžeme nazývat vlnou 120 V?
Jedním z faktorů, které činí střídavý proud složitým, je jeho neustálá změna napětí, od nuly k maximálnímu kladnému napětí, poté zpět k nule, poté k určitému maximálnímu zápornému napětí a nakonec zpět k nule. Jak určit skutečné napětí aplikované na obvod?
Je třeba poznamenat, že sinusová vlna o frekvenci 60 Hz a napětí 120 V má maximální napětí 170 V. Pokud je její skutečné napětí 170 V, jak ji můžeme nazývat vlnou 120 V?
V jednom cyklu začíná na 0 V, stoupá na 170 V a poté opět klesne na 0. Pokračuje v poklesu na -170 a poté opět stoupá na 0. Plocha zeleného obdélníku s horní hranicí 120 V se rovná součtu ploch kladné a záporné části křivky.
Takže 120 V je průměrná úroveň? Dobře, kdybychom měli zprůměrovat všechny hodnoty napětí v každém bodě během celého cyklu, výsledek by byl přibližně 108 V, takže to nemůže být odpověď. Proč je tedy tato hodnota měřena VOM při 120 V? Souvisí s tím, čemu říkáme „efektivní napětí“.
Pokud chcete změřit teplo generované stejnosměrným proudem protékajícím rezistorem, zjistíte, že je větší než teplo generované ekvivalentním střídavým proudem. Je to proto, že střídavý proud si neudržuje konstantní hodnotu po celou dobu cyklu. Pokud se měření provede za kontrolovaných podmínek v laboratoři, zjistí se, že specifický stejnosměrný proud způsobí zvýšení teploty o 100 stupňů, což má za následek zvýšení ekvivalentu střídavého proudu o 70,7 stupňů, neboli 70,7 % hodnoty stejnosměrného proudu.
Efektivní hodnota střídavého proudu je tedy 70,7 % stejnosměrného proudu. Je také vidět, že efektivní hodnota střídavého napětí se rovná druhé odmocnině ze součtu druhých mocnin napětí v první polovině křivky. Pokud je špičkové napětí 1 a je třeba měřit různá napětí od 0 stupňů do 180 stupňů, efektivní napětí bude špičkové napětí 0–707 stupňů. 0,707 krát špičkové napětí 170 na obrázku se rovná 120 V. Toto efektivní napětí se také nazývá efektivní hodnota napětí nebo efektivní hodnota napětí.
Špičkové napětí je proto vždy 1,414 efektivního napětí. Střídavý proud 230 V má špičkové napětí 325 V, zatímco proud 460 V má špičkové napětí 650 V. Kromě změny frekvence, i když je napětí nezávislé na provozních otáčkách střídavého motoru, musí měnič kmitočtu také měnit napětí. Dvě sinusové vlny 460 V AC. Červená křivka je 60 Hz a modrá křivka 50 Hz. Obě mají špičkové napětí 650 V, ale 50 Hz je mnohem širší. Snadno vidíte, že plocha v první polovině křivky 50 Hz (0–10 ms) je větší než v první polovině křivky 60 Hz (0–8,3 ms). Navíc, protože plocha pod křivkou je přímo úměrná efektivnímu napětí, jeho efektivní napětí je vyšší. S klesající frekvencí se nárůst efektivního napětí stává výraznějším.
Pokud se motory 460 V mohou provozovat při těchto vyšších napětích, může se jejich životnost výrazně zkrátit. Měnič kmitočtu proto musí neustále měnit „špičkové“ napětí vzhledem k frekvenci, aby udržel konstantní efektivní napětí. Čím nižší je provozní frekvence, tím nižší je špičkové napětí a naopak. Nyní byste měli dobře rozumět principu fungování měniče kmitočtu a způsobu řízení otáček motoru. Většina měničů kmitočtu umožňuje uživatelům ručně nastavit otáčky motoru pomocí vícepolohových spínačů nebo klávesnic, nebo použít senzory (tlak, průtok, teplota, hladina kapaliny atd.) k automatizaci procesu.