Leverandøren af feedback-enheder minder dig om, at siden fremkomsten af automatiske induktionsmotorer har formen for vekselstrømsgeneratorer allerede gennemgået variabel frekvensdrift. Ændre generatorens hastighed og juster dens udgangsfrekvens. Før fremkomsten af højhastighedstransistorer var dette en af de vigtigste måder at ændre motorhastigheden på, men fordi generatorhastigheden reducerede udgangsfrekvensen i stedet for spændingen, var frekvensvariationen begrænset.
Lad os derfor se på komponenterne i frekvensomformeren og se, hvordan de rent faktisk fungerer sammen for at ændre frekvensen og motorhastigheden.
Inverterkomponenter - ensretter
På grund af vanskeligheden ved at ændre frekvensen af AC-sinusbølger i AC-tilstand, er den første opgave for en frekvensomformer at konvertere bølgeformen til DC. For at få det til at ligne AC er det relativt nemt at betjene DC. Den første komponent i alle frekvensomformere er en enhed kaldet en ensretter eller konverter. Frekvensomformerens ensretterkredsløb konverterer vekselstrøm til jævnstrøm, og dens arbejdstilstand er omtrent den samme som for en batterioplader eller lysbuesvejsemaskine. Den bruger en diodebro til at begrænse AC-sinusbølgen fra kun at bevæge sig i én retning. Resultatet er, at den fuldt ensrettede AC-bølgeform fortolkes af DC-kredsløbet som en lokal DC-bølgeform. En trefaset frekvensomformer accepterer tre uafhængige AC-indgangsfaser og konverterer dem til en enkelt DC-udgang.
De fleste trefasede frekvensomformere kan også acceptere enfaset (230V eller 460V) strømforsyning, men på grund af kun to indgangsgrene skal frekvensomformerens udgang (HP) nedgraderes, fordi den genererede jævnstrøm reduceres proportionalt. På den anden side bruger en ægte enfaset inverter (en enfaset inverter, der styrer en enfaset motor) en enfaset indgang og genererer en jævnstrømsudgang, der er proportional med indgangen.
Der er to grunde til, at trefasede motorer er mere almindeligt anvendte end enfasede tællerkomponenter, når det kommer til drift med variabel hastighed. For det første har de et bredere effektområde. På den anden side kræver enfasede motorer typisk en vis ekstern indgriben for at begynde at rotere.
Inverterkomponenter - DC-bus
Den anden komponent i DC-bussen kan ikke ses i nogen frekvensomformer, fordi den ikke direkte påvirker frekvensomformerens drift. Den findes dog altid i højkvalitets universalfrekvensomformere. DC-bussen bruger kondensatorer og induktorer til at filtrere AC-"rippel"-spændingen fra i den konverterede DC-strøm og går derefter ind i invertersektionen. Den indeholder også et filter for at forhindre harmonisk forvrængning, som kan føres tilbage til inverterens strømforsyning. Ældre frekvensomformere kræver separate netfiltre for at fuldføre denne proces.
Inverterkomponenter - Inverter
På højre side af illustrationen ses frekvensomformerens "indre organer". Omformeren bruger tre sæt højhastigheds-switchtransistorer til at skabe trefasede DC-"pulser", der simulerer AC-sinusbølger. Disse pulser bestemmer ikke kun bølgens spænding, men også dens frekvens. Udtrykket 'omformer' betyder 'vending', hvilket simpelthen betyder den genererede bølgeforms op- og nedbevægelse. Moderne frekvensomformere bruger en teknik kaldet "pulsbreddemodulation" (PWM) til at regulere spænding og frekvens.
Lad os så tale om IGBT. IGBT refererer til "isoleret gate bipolar transistor", som er omskifterkomponenten (eller pulskomponenten) i inverteren. Transistorer (der erstatter vakuumrør) spiller to roller i vores elektroniske verden. De kan fungere som en forstærker og øge signalet, eller de kan fungere som en kontakt ved blot at tænde og slukke for signalet. IGBT er en moderne version, der giver højere omskiftningshastigheder (3000-16000 Hz) og reducerer varmeudvikling. En højere omskiftningshastighed kan forbedre nøjagtigheden af AC-bølgesimulering og reducere motorstøj. Reduktionen af genereret varme betyder, at kølepladen er mindre, så frekvensomformeren optager et mindre område.
Inverter PWM-bølgeform
Bølgeformen genereret af inverteren i en PWM-inverter sammenlignet med en ægte AC-sinusbølge. Inverterens udgang består af en række rektangulære pulser med fast højde og justerbar bredde.
I dette særlige tilfælde er der tre sæt pulser - et bredt sæt i midten og et smalt sæt i begyndelsen og slutningen af de positive og negative dele af AC-cyklussen.
Summen af pulsarealerne er lig med den effektive spænding for den sande AC-bølge. Hvis du vil afskære pulsdelene over (eller under) den faktiske kommunikationsbølgeform og udfylde det tomme område under kurven med dem, vil du opdage, at de næsten passer perfekt sammen. Det er netop på denne måde, at frekvensomformeren kan styre motorens spænding. Summen af pulsbredden og mellemrumsbredden mellem dem bestemmer frekvensen af den bølgeform, som motoren ser (deraf PWM eller pulsbreddemodulation). Hvis pulsen er kontinuerlig (dvs. uden mellemrum), vil frekvensen stadig være korrekt, men spændingen vil være meget større end en sand AC-sinusbølge.
Afhængigt af den nødvendige spænding og frekvens vil frekvensomformeren ændre pulsens højde og bredde, samt mellemrumsbredden mellem de to. Nogle mennesker undrer sig måske over, hvordan denne 'falske' AC (faktisk DC) driver en AC-induktionsmotor.
Behøver en vekselstrøm trods alt at "inducere" strømmen og det tilsvarende magnetfelt i motorrotoren? Så vekselstrøm vil naturligt forårsage induktion, fordi det er en konstant skiftende retning, mens jævnstrøm ikke vil fungere normalt, når kredsløbet er aktiveret.
Men hvis jævnstrømsenheden tændes og slukkes, kan den registrere strøm. For ældre personer havde bilens tændingssystem (før solid state-tænding) et sæt punkter i fordeleren. Formålet med disse punkter er at gå fra batteriets "pulser" til spoler (transformere). Dette inducerer en ladning i spolen og hæver derefter spændingen til et niveau, der tillader tændrøret at antænde. Den brede jævnstrømspuls, der ses i figuren ovenfor, er faktisk sammensat af hundredvis af individuelle pulser, og åbnings- og lukkebevægelsen af inverterudgangen tillader jævnstrømsinduktion.
Effektiv spænding
En faktor, der gør vekselstrøm kompleks, er, at den konstant ændrer spænding, fra nul til en maksimal positiv spænding, derefter tilbage til nul, derefter til en maksimal negativ spænding og derefter tilbage til nul. Hvordan bestemmer man den faktiske spænding, der påføres kredsløbet? Illustrationen nedenfor er en sinusbølge på 60 Hz og 120 V. Men det skal bemærkes, at dens peakspænding er 170 V. Hvis dens faktiske spænding er 170 V, hvordan kan vi så kalde den en 120 V-bølge?
En faktor, der gør vekselstrøm kompleks, er dens konstante ændring i spænding, fra nul til en maksimal positiv spænding, derefter tilbage til nul, derefter til en maksimal negativ spænding og derefter tilbage til nul. Hvordan bestemmer man den faktiske spænding, der påføres kredsløbet?
En 60Hz, 120V sinusbølge skal bemærkes, at dens peakspænding er 170V. Hvis dens faktiske spænding er 170V, hvordan kan vi så kalde den en 120V bølge?
I én cyklus starter den ved 0 V, stiger til 170 V og falder derefter igen til 0. Den fortsætter med at falde til -170 og stiger derefter igen til 0. Arealet af det grønne rektangel med en øvre grænse på 120 V er lig med summen af arealerne af de positive og negative dele af kurven.
Så 120V er gennemsnitsniveauet? Okay, hvis vi skulle gennemsnittet af alle spændingsværdierne på hvert punkt gennem hele cyklussen, ville resultatet være cirka 108V, så det kan ikke være svaret. Så hvorfor måles denne værdi ved VOM ved 120V? Det er relateret til det, vi kalder 'effektiv spænding'.
Hvis du vil måle varmen, der genereres af jævnstrømmen, der løber gennem en modstand, vil du opdage, at den er større end varmen, der genereres af den ækvivalente vekselstrøm. Dette skyldes, at AC ikke opretholder en konstant værdi gennem hele cyklussen. Hvis det udføres under kontrollerede forhold i laboratoriet, viser det sig, at en specifik DC-strøm producerer en varmestigning på 100 grader, hvilket resulterer i en stigning på 70,7 grader i AC-ækvivalent eller 70,7% DC-værdi.
Så den effektive værdi af AC er 70,7% af DC. Det kan også ses, at den effektive værdi af AC-spændingen er lig med kvadratroden af summen af kvadraterne af spændingerne i den første halvdel af kurven. Hvis peakspændingen er 1, og forskellige spændinger fra 0 grader til 180 grader skal måles, vil den effektive spænding være peakspændingen på 0-707 grader. 0,707 gange peakspændingen på 170 i figuren er lig med 120 V. Denne effektive spænding er også kendt som root mean square- eller RMS-spænding.
Derfor er peakspændingen altid 1,414 af den effektive spænding. 230V AC-strøm har en peakspænding på 325V, mens 460V har en peakspænding på 650V. Ud over frekvensvariation, selvom spændingen er uafhængig af AC-motorens driftshastighed, skal frekvensomformeren også ændre spændingen. To 460V AC sinusbølger. Den røde kurve er 60Hz, og den blå kurve er 50Hz. Begge har en peakspænding på 650V, men 50Hz er meget bredere. Man kan nemt se, at arealet inden for den første halvdel af 50Hz-kurven (0-10ms) er større end den første halvdel af 60Hz-kurven (0-8,3ms). Da arealet under kurven er direkte proportional med den effektive spænding, er dens effektive spænding desuden højere. Når frekvensen falder, bliver stigningen i den effektive spænding mere alvorlig.
Hvis 460V-motorer får lov til at køre ved disse højere spændinger, kan deres levetid reduceres betydeligt. Derfor skal frekvensomformeren konstant ændre "peak"-spændingen i forhold til frekvensen for at opretholde en konstant effektiv spænding. Jo lavere driftsfrekvensen er, desto lavere er peakspændingen, og omvendt. Du burde nu have en god forståelse af frekvensomformerens funktionsprincip og hvordan man styrer motorhastigheden. De fleste frekvensomformere giver brugerne mulighed for manuelt at indstille motorhastigheden via flerpositionskontakter eller tastaturer eller bruge sensorer (tryk, flow, temperatur, væskeniveau osv.) til at automatisere processen.