Takaisinkytkentäyksikön toimittaja muistuttaa, että automaattisten induktiomoottoreiden ilmestymisen jälkeen vaihtovirtageneraattorit ovat jo käyttäneet vaihtelevaa taajuustoimintaa. Muuta generaattorin nopeutta ja säädä sen lähtötaajuutta. Ennen suurnopeustransistoreiden ilmestymistä tämä oli yksi tärkeimmistä tavoista muuttaa moottorin nopeutta, mutta koska generaattorin nopeus pienensi lähtötaajuutta jännitteen sijaan, taajuuden vaihtelu oli rajallista.
Katsotaanpa siis taajuusmuuttajan komponentteja ja miten ne todellisuudessa toimivat yhdessä taajuuden ja moottorin nopeuden muuttamiseksi.
Invertterikomponentit - tasasuuntaaja
Koska vaihtovirran siniaaltojen taajuuden muuttaminen vaihtovirrassa on vaikeaa, taajuusmuuttajan ensimmäinen tehtävä on muuntaa aaltomuoto tasavirraksi. Jotta se näyttäisi vaihtovirralta, sitä on suhteellisen helppo käyttää tasavirralla. Kaikkien taajuusmuuttajien ensimmäinen komponentti on laite, jota kutsutaan tasasuuntaajaksi tai muunnin. Taajuusmuuttajan tasasuuntauspiiri muuntaa vaihtovirran tasavirraksi, ja sen toimintatila on suunnilleen sama kuin akkulaturilla tai kaarihitsauskoneella. Se käyttää diodisiltaa rajoittamaan vaihtovirran siniaallon liikkumista vain yhteen suuntaan. Tuloksena on, että tasavirtapiiri tulkitsee täysin tasasuunnatun vaihtovirran aaltomuodon paikalliseksi tasavirta-aaltomuodoksi. Kolmivaiheinen taajuusmuuttaja hyväksyy kolme itsenäistä vaihtovirran tulovaihetta ja muuntaa ne yhdeksi tasavirtalähdöksi.
Useimmat kolmivaiheiset taajuusmuuttajat voivat käyttää myös yksivaiheista (230 V tai 460 V) syöttöjännitettä, mutta koska tuloliitäntöjä on vain kaksi, taajuusmuuttajan lähtötehoa (hv) on alennettava, koska tuotettu tasavirta pienenee suhteessa. Toisaalta todellinen yksivaiheinen invertteri (yksivaiheinen invertteri, joka ohjaa yksivaiheista moottoria) käyttää yksivaiheista tuloa ja tuottaa tuloon verrannollisen tasavirran.
Kolmivaihemoottoreita käytetään yleisemmin kuin yksivaiheisia laskurikomponentteja muuttuvanopeuksisissa sovelluksissa kahdesta syystä. Ensinnäkin niiden tehoalue on laajempi. Toisaalta yksivaihemoottorit vaativat tyypillisesti jonkin verran ulkoista apua pyörimisen aloittamiseksi.
Invertterikomponentit - DC-väylä
Tasavirtaväylän toista komponenttia ei ole missään taajuusmuuttajassa, koska se ei vaikuta suoraan taajuusmuuttajan toimintaan. Se on kuitenkin aina olemassa korkealaatuisissa yleiskäyttöisissä taajuusmuuttajissa. Tasavirtaväylä käyttää kondensaattoreita ja induktoreita suodattaakseen pois muunnetun tasavirran vaihtojännitteen "aaltoilun" ja syöttää sitten vaihtosuuntaajaan. Se sisältää myös suodattimen harmonisen särön estämiseksi, joka voidaan syöttää takaisin vaihtosuuntaajan virtalähteeseen. Vanhemmat taajuusmuuttajat vaativat erilliset linjasuodattimet tämän prosessin suorittamiseksi.
Invertterin komponentit - Invertteri
Kuvan oikealla puolella on taajuusmuuttajan "sisäelimet". Invertteri käyttää kolmea sarjaa nopeita kytkentätransistoreja luodakseen kolmivaiheisia tasavirta"pulsseja", jotka simuloivat vaihtovirran siniaaltoja. Nämä pulssit eivät ainoastaan määritä aallon jännitettä, vaan myös sen taajuutta. Termi "invertteri" tarkoittaa "suunnan kääntämistä", joka yksinkertaisesti tarkoittaa generoidun aaltomuodon liikettä ylös ja alas. Nykyaikaiset taajuusmuuntimet käyttävät "pulssinleveysmodulaatioksi" (PWM) kutsuttua tekniikkaa jännitteen ja taajuuden säätämiseen.
Sitten puhutaanpa IGBT:stä. IGBT viittaa "eristetyn hilan bipolaaritransistoriin", joka on invertterin kytkentä- (tai pulssi-) komponentti. Transistoreilla (jotka korvaavat tyhjiöputket) on elektronisessa maailmassamme kaksi roolia. Ne voivat toimia vahvistimena ja vahvistaa signaalia tai ne voivat toimia kytkimenä yksinkertaisesti kytkemällä signaalin päälle ja pois. IGBT on moderni versio, joka tarjoaa suuremmat kytkentänopeudet (3000–16000 Hz) ja vähentää lämmöntuotantoa. Suurempi kytkentänopeus voi parantaa vaihtovirta-aaltojen simuloinnin tarkkuutta ja vähentää moottorin melua. Lämmöntuotannon väheneminen tarkoittaa, että jäähdytyselementti on pienempi, joten taajuusmuuttaja vie pienemmän alueen.
Invertterin PWM-aaltomuoto
PWM-invertterin generoima aaltomuoto verrattuna todelliseen AC-siniaaltoon. Invertterin lähtö koostuu sarjasta suorakaiteen muotoisia pulsseja, joilla on kiinteä korkeus ja säädettävä leveys.
Tässä nimenomaisessa tapauksessa pulsseja on kolme sarjaa – leveä sarja keskellä ja kapea sarja AC-syklin positiivisen ja negatiivisen osan alussa ja lopussa.
Pulssien pinta-alojen summa on yhtä suuri kuin todellisen vaihtovirran efektiivinen jännite. Jos haluat katkaista pois todellisen vaihtovirran aaltomuodon ylä- (tai alapuolella) olevat pulssiosat ja täyttää niillä käyrän alapuolella olevan tyhjän alueen, huomaat niiden lähes täydellisen vastaavan toisiaan. Juuri tällä tavalla taajuusmuuttaja voi ohjata moottorin jännitettä. Pulssinleveyden ja niiden välisen tyhjän leveyden summa määrää moottorin näkemän aaltomuodon taajuuden (tästä johtuu PWM eli pulssinleveysmodulaatio). Jos pulssi on jatkuva (eli ilman tyhjiä kohtia), taajuus on silti oikea, mutta jännite on paljon suurempi kuin todellisessa vaihtovirran siniaallossa.
Vaaditun jännitteen ja taajuuden mukaan taajuusmuuttaja muuttaa pulssin korkeutta ja leveyttä sekä niiden välistä tyhjää tilaa. Jotkut saattavat ihmetellä, miten tämä "väärennetty" vaihtovirta (oikeastaan tasavirta) käyttää vaihtovirtainduktiomoottoria.
Pitääkö vaihtovirran "indusoida" virta ja vastaava magneettikenttä moottorin roottorissa? Joten vaihtovirta aiheuttaa luonnollisesti induktion, koska sen suunta muuttuu jatkuvasti, kun taas tasavirta ei toimi normaalisti, kun piiri on aktivoitu.
Jos tasavirta kuitenkin kytketään päälle ja pois päältä, se voi havaita virran. Vanhemmilla autoilla (ennen puolijohdesytytystä) jakajassa oli joukko pisteitä. Näiden pisteiden tarkoituksena on siirtyä akun "pulsseista" käämeihin (muuntajiin). Tämä indusoi varauksen käämiin ja nostaa sitten jännitteen tasolle, joka mahdollistaa sytytystulpan syttymisen. Yllä olevassa kuvassa näkyvä leveä tasavirtapulssi koostuu itse asiassa sadoista yksittäisistä pulsseista, ja invertterin lähdön avautumis- ja sulkeutumisliike mahdollistaa tasavirran induktion.
Tehollinen jännite
Yksi vaihtovirran kompleksisuutta lisäävä tekijä on se, että sen jännite muuttuu jatkuvasti nollasta maksimiin positiiviseen jännitteeseen, sitten takaisin nollaan, sitten johonkin maksimiin negatiiviseen jännitteeseen ja lopulta takaisin nollaan. Kuinka määritetään piiriin syötetty todellinen jännite? Alla oleva kuva on 60 Hz:n, 120 V:n siniaalto. On kuitenkin huomattava, että sen huippujännite on 170 V. Jos sen todellinen jännite on 170 V, miten voimme kutsua sitä 120 V:n aalloksi?
Yksi vaihtovirran kompleksisuutta aiheuttava tekijä on sen jännitteen jatkuva muutos nollasta maksimiin positiiviseen jännitteeseen, sitten takaisin nollaan, sitten johonkin maksimiin negatiiviseen jännitteeseen ja lopulta takaisin nollaan. Kuinka määritetään piiriin syötetty todellinen jännite?
On huomattava, että 60 Hz:n ja 120 V:n siniaallon huippujännite on 170 V. Jos sen todellinen jännite on 170 V, miten voimme kutsua sitä 120 V:n aalloksi?
Yhdessä syklissä se alkaa 0 V:sta, nousee 170 V:iin ja laskee sitten jälleen 0:aan. Se jatkaa laskuaan -170:een ja nousee sitten jälleen 0:aan. Vihreän suorakulmion pinta-ala, jonka yläraja on 120 V, on yhtä suuri kuin käyrän positiivisen ja negatiivisen osan pinta-alojen summa.
Eli 120 V on keskimääräinen taso? Okei, jos laskemme kaikkien jännitearvojen keskiarvon jokaisessa pisteessä koko syklin ajalta, tulos olisi noin 108 V, joten se ei voi olla vastaus. Miksi VOM mittaa tämän arvon 120 V:ssa? Se liittyy siihen, mitä kutsumme "teholliseksi jännitteeksi".
Jos haluat mitata vastuksen läpi kulkevan tasavirran tuottaman lämmön, huomaat, että se on suurempi kuin vastaavan vaihtovirran tuottama lämpö. Tämä johtuu siitä, että vaihtovirta ei pysy vakiona koko syklin ajan. Laboratoriossa kontrolloiduissa olosuhteissa suoritetussa mittauksessa havaitaan, että tietty tasavirta tuottaa 100 asteen lämmönnousun, mikä johtaa 70,7 asteen nousuun vaihtovirran ekvivalentissa arvossa tai 70,7 %:n tasavirran arvosta.
Vaihtojännitteen tehollinen arvo on siis 70,7 % tasavirrasta. Voidaan myös nähdä, että vaihtojännitteen tehollinen arvo on yhtä suuri kuin käyrän ensimmäisen puoliskon jännitteiden neliöiden summan neliöjuuri. Jos huippujännite on 1 ja on mitattava erilaisia jännitteitä 0 asteesta 180 asteeseen, tehollinen jännite on huippujännite 0–707 astetta. Kuvassa 0,707 kertaa huippujännite 170 on 120 V. Tätä tehollista jännitettä kutsutaan myös neliölliseksi keskiarvoksi tai RMS-jännitteeksi.
Siksi huippujännite on aina 1,414 tehollisjännitteestä. 230 V vaihtovirralla huippujännite on 325 V, kun taas 460 V:n vaihtovirralla huippujännite on 650 V. Taajuuden vaihtelun lisäksi, vaikka jännite ei olisikaan riippumaton vaihtovirtamoottorin käyttönopeudesta, taajuusmuuttajan on myös muutettava jännitettä. Kaksi 460 V vaihtovirran siniaaltoa. Punainen käyrä on 60 Hz ja sininen käyrä 50 Hz. Molempien huippujännite on 650 V, mutta 50 Hz on paljon leveämpi. Voidaan helposti nähdä, että 50 Hz:n käyrän ensimmäisen puoliskon sisällä oleva alue (0–10 ms) on suurempi kuin 60 Hz:n käyrän ensimmäinen puolisko (0–8,3 ms). Lisäksi, koska käyrän alla oleva alue on suoraan verrannollinen teholliseen jännitteeseen, sen tehollinen jännite on suurempi. Taajuuden laskiessa tehollisen jännitteen kasvu voimistuu.
Jos 460 V:n moottoreita annetaan käyttää näillä korkeammilla jännitteillä, niiden käyttöikä voi lyhentyä huomattavasti. Siksi taajuusmuuttajan on jatkuvasti muutettava "huippujännitettä" taajuuteen nähden, jotta efektiivinen jännite pysyisi vakiona. Mitä alhaisempi käyttötaajuus, sitä alhaisempi huippujännite ja päinvastoin. Sinulla pitäisi nyt olla hyvä käsitys taajuusmuuttajan toimintaperiaatteesta ja moottorin nopeuden säädöstä. Useimmat taajuusmuuttajat mahdollistavat moottorin nopeuden manuaalisen asettamisen moniasentokytkimillä tai näppäimistöillä tai anturien (paine, virtaus, lämpötila, nestetaso jne.) käytön prosessin automatisoimiseksi.