Tagasisideüksuse tarnija tuletab teile meelde, et alates automaatsete asünkroonmootorite tulekust on vahelduvvoolugeneraatorid juba läbinud muutuva sagedusega töö. Muutke generaatori kiirust ja reguleerige selle väljundsagedust. Enne kiirete transistoride tulekut oli see üks peamisi viise mootori kiiruse muutmiseks, kuid kuna generaatori kiirus vähendas pinge asemel väljundsagedust, oli sageduse varieerumine piiratud.
Seega vaatame sagedusmuunduri komponente ja vaatame, kuidas need tegelikult koos töötavad sageduse ja mootori kiiruse muutmiseks.
Inverteri komponendid - alaldi
Kuna vahelduvvoolu siinuslainete sageduse muutmine vahelduvvoolurežiimis on keeruline, on sagedusmuunduri esimene ülesanne lainekuju alalisvooluks teisendamine. Selleks, et see näeks välja nagu vahelduvvool, on alalisvooluga suhteliselt lihtne töötada. Kõigi sagedusmuundurite esimene komponent on seade, mida nimetatakse alaldiks või konverteriks. Sagedusmuunduri alaldi ahel muundab vahelduvvoolu alalisvooluks ja selle töörežiim on ligikaudu sama, mis akulaadijal või kaarkeevitusmasinal. See kasutab dioodsilda, et piirata vahelduvvoolu siinuslaine liikumist ainult ühes suunas. Tulemuseks on see, et alalisvooluahel tõlgendab täielikult alaldatud vahelduvvoolu lainekuju lokaalse alalisvoolu lainekujuna. Kolmefaasiline sagedusmuundur võtab vastu kolm sõltumatut vahelduvvoolu sisendfaasi ja teisendab need üheks alalisvoolu väljundiks.
Enamik kolmefaasilisi sagedusmuundureid suudab toita ka ühefaasilise (230 V või 460 V) toitega, kuid kuna sisendharusid on ainult kaks, tuleb sagedusmuunduri väljundit (HP) alandada, kuna genereeritud alalisvool väheneb proportsionaalselt. Teisest küljest kasutab tõeline ühefaasiline inverter (ühefaasiline inverter, mis juhib ühefaasilist mootorit) ühefaasilist sisendit ja genereerib sisendiga proportsionaalse alalisvoolu väljundi.
Muutuva kiirusega töötamisel on kolmefaasilisi mootoreid ühefaasiliste loendurikomponentidega võrreldes kaks põhjust. Esiteks on neil laiem võimsusvahemik. Teisest küljest vajavad ühefaasilised mootorid pöörlema hakkamiseks tavaliselt välist sekkumist.
Inverteri komponendid - alalisvoolusiin
Alalisvoolusiinil pole ühtegi sagedusmuundurit, kuna see ei mõjuta otseselt sagedusmuunduri tööd. See on aga alati olemas kvaliteetsetes üldotstarbelistes sagedusmuundurites. Alalisvoolusiin kasutab kondensaatoreid ja induktiivpoole, et filtreerida välja muundatud alalisvoolu vahelduvvoolu "pulsatsioonipinge" ning seejärel siseneb see inverterisse. See sisaldab ka filtrit harmooniliste moonutuste vältimiseks, mida saab tagasi inverteri toiteallikasse suunata. Vanemad sagedusmuundurid vajavad selle protsessi lõpuleviimiseks eraldi liinifiltreid.
Inverteri komponendid - Inverter
Illustratsiooni paremal küljel on sagedusmuunduri "siseorganid". Inverter kasutab kolme komplekti kiireid lülitustransistore, et luua kõik kolmefaasilised alalisvoolu "impulsid", mis simuleerivad vahelduvvoolu siinuslaineid. Need impulsid määravad mitte ainult laine pinget, vaid ka selle sageduse. Mõiste "inverter" tähendab "tagurpidi pööramist", mis lihtsalt tähendab genereeritud lainekuju üles-alla liikumist. Kaasaegsed sagedusmuundurid kasutavad pinge ja sageduse reguleerimiseks tehnikat nimega "impulsilaiuse modulatsioon" (PWM).
Seejärel räägime IGBT-st. IGBT viitab "isoleeritud paisuga bipolaartransistorile", mis on inverteri lülitus- (või impulss-) komponent. Transistoridel (mis asendavad vaakumtorusid) on meie elektroonikamaailmas kaks rolli. Need võivad toimida võimendina ja signaali võimendada või lülitina, mis lihtsalt signaali sisse ja välja lülitab. IGBT on kaasaegne versioon, mis pakub suuremaid lülituskiirusi (3000–16000 Hz) ja vähendab soojuse teket. Suurem lülituskiirus võib parandada vahelduvvoolu laine simulatsiooni täpsust ja vähendada mootori müra. Soojuse teke vähenemine tähendab, et jahutusradiaator on väiksem, seega võtab sagedusmuundur enda alla väiksema pinna.
Inverteri PWM-lainekuju
PWM-inverteri tekitatud lainekuju võrdluses tõelise vahelduvvoolu siinuslainega. Inverteri väljund koosneb fikseeritud kõrguse ja reguleeritava laiusega ristkülikukujuliste impulsside seeriast.
Sel konkreetsel juhul on kolm impulsside komplekti - lai komplekt keskel ja kitsas komplekt vahelduvvoolu tsükli positiivse ja negatiivse osa alguses ja lõpus.
Impulsside pindalade summa on võrdne tegeliku vahelduvvoolu laine efektiivpingega. Kui soovite katkestada tegeliku side lainekuju kohal (või all) olevad impulsi osad ja täita nendega kõvera all oleva tühja ala, leiate, et need sobivad peaaegu ideaalselt. Just sel viisil saab sagedusmuundur juhtida mootori pinget. Impulsi laiuse ja nendevahelise tühja ala laiuse summa määrab mootori poolt nähtava lainekuju sageduse (sellest ka PWM ehk impulsi laiuse modulatsioon). Kui impulss on pidev (st ilma tühjade kohtadeta), on sagedus ikkagi õige, kuid pinge on palju suurem kui tõelise vahelduvvoolu siinuslainel.
Vastavalt vajalikule pingele ja sagedusele muudab sagedusmuundur impulsi kõrgust ja laiust, samuti nende kahe vahelist tühimikku. Mõned inimesed võivad imestada, kuidas see „võlts“ vahelduvvool (tegelikult alalisvool) vahelduvvoolu asünkroonmootorit käitab.
Kas vahelduvvool peab ju mootori rootoris voolu ja vastavat magnetvälja "indutseerima"? Seega vahelduvvool põhjustab loomulikult induktsiooni, kuna selle suund muutub pidevalt, samas kui alalisvool ei tööta normaalselt, kui vooluring on aktiveeritud.
Kui aga alalisvoolu sisse ja välja lülitada, suudab see voolu tuvastada. Vanemate autode süütesüsteemil (enne tahkissüüdet) oli jaoturis punktide komplekt. Nende punktide eesmärk on liikuda aku "impulssidest" mähistesse (trafodesse). See indutseerib mähises laengu ja seejärel tõstab pinge tasemeni, mis võimaldab süüteküünlal süttida. Ülaltoodud joonisel näha olev lai alalisvoolu impulss koosneb tegelikult sadadest üksikutest impulssidest ning inverteri väljundi avamis- ja sulgemisliikumine võimaldab alalisvoolu induktsiooni.
Efektiivne pinge
Üks tegur, mis muudab vahelduvvoolu keeruliseks, on see, et see muudab pidevalt pinget nullist maksimaalse positiivse pingeni, siis tagasi nullini, siis mingi maksimaalse negatiivse pingeni ja siis tagasi nullini. Kuidas määrata vooluringile rakendatavat tegelikku pinget? Allolev joonis kujutab 60 Hz, 120 V siinuslaine. Kuid tuleb märkida, et selle tipppinge on 170 V. Kui selle tegelik pinge on 170 V, kuidas saame seda nimetada 120 V laineks?
Üks tegur, mis muudab vahelduvvoolu keeruliseks, on selle pidev pinge muutus nullist maksimaalse positiivse pingeni, seejärel tagasi nullini, seejärel mingi maksimaalse negatiivse pingeni ja seejärel tagasi nullini. Kuidas määrata vooluringile rakendatavat tegelikku pinget?
60 Hz, 120 V siinuslaine puhul tuleb märkida, et selle tipppinge on 170 V. Kui selle tegelik pinge on 170 V, kuidas saame seda nimetada 120 V laineks?
Ühes tsüklis algab see 0 V-st, tõuseb 170 V-ni ja langeb seejärel uuesti 0-ni. See jätkab langemist -170 V-ni ja tõuseb seejärel uuesti 0-ni. Rohelise ristküliku pindala, mille ülemine piir on 120 V, on võrdne kõvera positiivse ja negatiivse osa pindalade summaga.
Seega 120V on keskmine tase? Olgu, kui me arvutaksime kogu tsükli iga punkti kõigi pingeväärtuste keskmise, oleks tulemus ligikaudu 108V, seega ei saa see olla vastus. Miks mõõdetakse VOM-iga seda väärtust 120V juures? See on seotud sellega, mida me nimetame efektiivpingeks.
Kui soovite mõõta takistist läbi voolava alalisvoolu tekitatud soojust, leiate, et see on suurem kui samaväärse vahelduvvoolu tekitatud soojus. See on tingitud asjaolust, et vahelduvvool ei säilita kogu tsükli jooksul konstantset väärtust. Laboris kontrollitud tingimustes läbi viidud mõõtmistel selgub, et teatud alalisvool tekitab 100-kraadise soojuse tõusu, mille tulemuseks on vahelduvvoolu ekvivalenti 70,7-kraadine tõus ehk 70,7% alalisvoolu väärtusest.
Seega on vahelduvvoolu efektiivväärtus 70,7% alalisvoolust. Samuti on näha, et vahelduvpinge efektiivväärtus on võrdne kõvera esimese poole pingete ruutude summa ruutjuurega. Kui tipppinge on 1 ja on vaja mõõta erinevaid pingeid vahemikus 0 kraadi kuni 180 kraadi, on efektiivpinge tipppinge vahemikus 0–707 kraadi. Joonisel kujutatud tipppinge 170 korda 0,707 korda on võrdne 120 V-ga. Seda efektiivpinget tuntakse ka ruutkeskmise või efektiivpinge nime all.
Seega on tipppinge alati 1,414 efektiivpingest. 230 V vahelduvvoolu tipppinge on 325 V, samas kui 460 V puhul on tipppinge 650 V. Lisaks sageduse varieerumisele, isegi kui pinge ei sõltu vahelduvvoolumootori töökiirusest, peab sagedusmuundur muutma ka pinget. Kaks 460 V vahelduvvoolu siinuslainet. Punane kõver on 60 Hz ja sinine kõver on 50 Hz. Mõlema tipppinge on 650 V, kuid 50 Hz on palju laiem. On lihtne näha, et 50 Hz kõvera esimese poole ala (0–10 ms) on suurem kui 60 Hz kõvera esimene pool (0–8,3 ms). Lisaks, kuna kõvera alune pindala on otseselt proportsionaalne efektiivpingega, on selle efektiivpinge suurem. Sageduse vähenedes muutub efektiivpinge suurenemine märgatavamaks.
Kui 460 V mootoritel lubatakse töötada nendel kõrgematel pingetel, võib nende eluiga oluliselt lüheneda. Seetõttu peab sagedusmuundur pidevalt muutma "tipppinget" sageduse suhtes, et säilitada konstantne efektiivne pinge. Mida madalam on töösagedus, seda madalam on tipppinge ja vastupidi. Nüüd peaksite hästi aru saama sagedusmuunduri tööpõhimõttest ja mootori kiiruse juhtimisest. Enamik sagedusmuundureid võimaldab kasutajatel mootori kiirust käsitsi seadistada mitmeasendiliste lülitite või klaviatuuride abil või kasutada andureid (rõhk, vool, temperatuur, vedeliku tase jne) protsessi automatiseerimiseks.