Pemasok unit umpan balik mengingatkan Anda bahwa sejak munculnya motor induksi otomatis, bentuk generator AC telah mengalami operasi frekuensi variabel. Ubah kecepatan generator dan sesuaikan frekuensi outputnya. Sebelum munculnya transistor berkecepatan tinggi, ini adalah salah satu cara utama untuk mengubah kecepatan motor, tetapi karena kecepatan generator mengurangi frekuensi output, bukan tegangan, variasi frekuensi menjadi terbatas.
Oleh karena itu, mari kita lihat komponen-komponen konverter frekuensi dan lihat bagaimana mereka bekerja sama untuk mengubah frekuensi dan kecepatan motor.
Komponen inverter - penyearah
Karena sulitnya mengubah frekuensi gelombang sinus AC dalam mode AC, tugas pertama konverter frekuensi adalah mengubah bentuk gelombang menjadi DC. Agar terlihat seperti AC, pengoperasian DC relatif mudah. Komponen pertama dari semua konverter frekuensi adalah perangkat yang disebut penyearah atau konverter. Rangkaian penyearah konverter frekuensi mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah, dan cara kerjanya kurang lebih sama dengan pengisi daya baterai atau mesin las busur. Rangkaian ini menggunakan jembatan dioda untuk membatasi gelombang sinus AC agar tidak bergerak hanya dalam satu arah. Hasilnya adalah bentuk gelombang AC yang telah disearahkan sepenuhnya ditafsirkan oleh rangkaian DC sebagai bentuk gelombang DC lokal. Konverter frekuensi tiga fase menerima tiga fase masukan AC yang independen dan mengubahnya menjadi satu keluaran DC.
Kebanyakan konverter frekuensi tiga fase juga dapat menerima catu daya fase tunggal (230V atau 460V), tetapi karena hanya memiliki dua cabang input, output (HP) konverter frekuensi harus diturunkan karena arus DC yang dihasilkan berkurang secara proporsional. Di sisi lain, inverter fase tunggal sejati (inverter fase tunggal yang mengendalikan motor fase tunggal) menggunakan input fase tunggal dan menghasilkan output DC yang proporsional dengan input tersebut.
Ada dua alasan mengapa motor tiga fase lebih umum digunakan daripada komponen penghitung fase tunggal dalam hal operasi kecepatan variabel. Pertama, motor tiga fase memiliki rentang daya yang lebih luas. Di sisi lain, motor fase tunggal biasanya memerlukan intervensi eksternal agar dapat berputar.
Komponen inverter - bus DC
Komponen kedua bus DC tidak dapat ditemukan pada konverter frekuensi mana pun karena tidak secara langsung memengaruhi pengoperasiannya. Namun, komponen ini selalu ada pada konverter frekuensi serbaguna berkualitas tinggi. Bus DC menggunakan kapasitor dan induktor untuk menyaring tegangan "riak" AC pada daya DC yang dikonversi, lalu masuk ke bagian inverter. Bus ini juga dilengkapi filter untuk mencegah distorsi harmonik, yang dapat diumpankan kembali ke catu daya inverter. Konverter frekuensi yang lebih lama memerlukan filter saluran terpisah untuk menyelesaikan proses ini.
Komponen inverter - Inverter
Di sisi kanan ilustrasi terdapat "organ internal" konverter frekuensi. Inverter menggunakan tiga set transistor switching berkecepatan tinggi untuk menghasilkan "pulsa" DC tiga fase yang mensimulasikan gelombang sinus AC. Pulsa-pulsa ini tidak hanya menentukan tegangan gelombang, tetapi juga frekuensinya. Istilah 'inverter' berarti 'pembalikan', yang berarti gerakan naik turun dari bentuk gelombang yang dihasilkan. Konverter frekuensi modern menggunakan teknik yang disebut "modulasi lebar pulsa" (PWM) untuk mengatur tegangan dan frekuensi.
Kalau begitu, mari kita bahas IGBT. IGBT adalah singkatan dari "transistor bipolar gerbang terisolasi", yang merupakan komponen switching (atau pulsa) pada inverter. Transistor (menggantikan tabung vakum) memainkan dua peran dalam dunia elektronik kita. Transistor dapat bertindak sebagai penguat dan memperkuat sinyal, atau dapat bertindak sebagai sakelar dengan hanya menyalakan dan mematikan sinyal. IGBT adalah versi modern yang menyediakan kecepatan switching yang lebih tinggi (3000-16000 Hz) dan mengurangi panas yang dihasilkan. Kecepatan switching yang lebih tinggi dapat meningkatkan akurasi simulasi gelombang AC dan mengurangi kebisingan motor. Pengurangan panas yang dihasilkan berarti heat sink lebih kecil, sehingga konverter frekuensi menempati area yang lebih kecil.
Bentuk gelombang PWM inverter
Bentuk gelombang yang dihasilkan oleh inverter PWM dibandingkan dengan gelombang sinus AC sebenarnya. Keluaran inverter terdiri dari serangkaian pulsa persegi panjang dengan tinggi tetap dan lebar yang dapat disesuaikan.
Dalam kasus khusus ini, ada tiga set pulsa - set lebar di tengah dan set sempit di awal dan akhir bagian positif dan negatif dari siklus AC.
Jumlah luas pulsa sama dengan tegangan efektif gelombang AC yang sebenarnya. Jika Anda ingin memotong bagian pulsa di atas (atau di bawah) bentuk gelombang komunikasi aktual dan mengisi area kosong di bawah kurva dengannya, Anda akan menemukan bahwa keduanya hampir sama persis. Dengan cara inilah konverter frekuensi dapat mengontrol tegangan motor. Jumlah lebar pulsa dan lebar area kosong di antara keduanya menentukan frekuensi bentuk gelombang yang dilihat oleh motor (oleh karena itu disebut PWM atau modulasi lebar pulsa). Jika pulsa kontinu (yaitu tanpa area kosong), frekuensinya akan tetap akurat, tetapi tegangannya akan jauh lebih besar daripada gelombang sinus AC yang sebenarnya.
Sesuai tegangan dan frekuensi yang dibutuhkan, konverter frekuensi akan mengubah tinggi dan lebar pulsa, serta lebar ruang kosong di antara keduanya. Beberapa orang mungkin bertanya-tanya bagaimana arus AC 'palsu' ini (sebenarnya DC) mengoperasikan motor induksi AC.
Lagipula, apakah arus bolak-balik perlu "menginduksi" arus dan medan magnet yang sesuai pada rotor motor? Jadi, arus bolak-balik secara alami akan menyebabkan induksi karena arahnya terus berubah, sementara arus searah (DC) tidak akan beroperasi secara normal setelah rangkaian diaktifkan.
Namun, jika arus DC dinyalakan dan dimatikan, ia dapat mendeteksi arus. Bagi mereka yang lebih tua, sistem pengapian mobil (sebelum pengapian solid-state) dulu memiliki serangkaian titik di distributor. Tujuan titik-titik ini adalah untuk mengalirkan arus dari "pulsa" baterai ke kumparan (transformator). Hal ini menginduksi muatan di kumparan dan kemudian menaikkan tegangan ke tingkat yang memungkinkan busi menyala. Pulsa DC lebar yang terlihat pada gambar di atas sebenarnya terdiri dari ratusan pulsa individual, dan gerakan membuka dan menutup keluaran inverter memungkinkan terjadinya induksi DC.
Tegangan efektif
Salah satu faktor yang membuat arus bolak-balik kompleks adalah tegangannya yang terus berubah, dari nol ke tegangan positif maksimum, lalu kembali ke nol, lalu ke tegangan negatif maksimum tertentu, dan kemudian kembali ke nol. Bagaimana cara menentukan tegangan aktual yang diterapkan pada rangkaian? Ilustrasi di bawah ini adalah gelombang sinus 60Hz, 120V. Namun perlu dicatat bahwa tegangan puncaknya adalah 170V. Jika tegangan aktualnya 170V, bagaimana kita bisa menyebutnya gelombang 120V?
Salah satu faktor yang membuat arus bolak-balik kompleks adalah perubahan tegangannya yang konstan, dari nol ke tegangan positif maksimum, lalu kembali ke nol, lalu ke tegangan negatif maksimum tertentu, dan kemudian kembali ke nol. Bagaimana cara menentukan tegangan aktual yang diterapkan pada rangkaian?
Gelombang sinus 60Hz, 120V perlu diperhatikan bahwa tegangan puncaknya adalah 170V. Jika tegangan aktualnya 170V, bagaimana kita bisa menyebutnya gelombang 120V?
Dalam satu siklus, dimulai pada 0V, naik ke 170V, lalu turun lagi ke 0. Terus turun ke -170, lalu naik lagi ke 0. Luas persegi panjang hijau dengan batas atas 120V sama dengan jumlah luas bagian positif dan negatif kurva.
Jadi, 120V adalah level rata-ratanya? Oke, jika kita rata-ratakan semua nilai tegangan di setiap titik sepanjang siklus, hasilnya akan menjadi sekitar 108V, jadi itu bukan jawabannya. Jadi, mengapa nilai ini diukur dengan VOM pada 120V? Hal ini berkaitan dengan apa yang kita sebut 'tegangan efektif'.
Jika Anda ingin mengukur panas yang dihasilkan oleh arus searah yang mengalir melalui sebuah resistor, Anda akan menemukan bahwa panas tersebut lebih besar daripada panas yang dihasilkan oleh arus bolak-balik ekuivalennya. Hal ini karena arus bolak-balik tidak mempertahankan nilai konstan di sepanjang siklus. Jika dilakukan dalam kondisi terkontrol di laboratorium, ditemukan bahwa arus DC spesifik menghasilkan peningkatan panas sebesar 100 derajat, sehingga menghasilkan peningkatan ekuivalen AC sebesar 70,7 derajat atau nilai DC sebesar 70,7%.
Jadi, nilai efektif AC adalah 70,7% dari DC. Dapat juga dilihat bahwa nilai efektif tegangan AC sama dengan akar kuadrat dari jumlah kuadrat tegangan pada paruh pertama kurva. Jika tegangan puncak adalah 1 dan berbagai tegangan dari 0 derajat hingga 180 derajat perlu diukur, tegangan efektifnya adalah tegangan puncak 0-707 derajat. 0,707 kali tegangan puncak 170 derajat pada gambar sama dengan 120V. Tegangan efektif ini juga dikenal sebagai tegangan akar kuadrat rata-rata atau RMS.
Oleh karena itu, tegangan puncak selalu 1,414 dari tegangan efektif. Arus AC 230V memiliki tegangan puncak 325V, sedangkan 460 memiliki tegangan puncak 650V. Selain variasi frekuensi, bahkan jika tegangan tidak tergantung pada kecepatan operasi motor AC, konverter frekuensi juga harus mengubah tegangan. Dua gelombang sinus AC 460V. Kurva merah adalah 60Hz, dan kurva biru adalah 50Hz. Keduanya memiliki tegangan puncak 650V, tetapi 50Hz jauh lebih lebar. Anda dapat dengan mudah melihat bahwa area dalam paruh pertama kurva 50Hz (0-10ms) lebih besar daripada paruh pertama kurva 60Hz (0-8,3ms). Selain itu, karena area di bawah kurva berbanding lurus dengan tegangan efektif, tegangan efektifnya lebih tinggi. Ketika frekuensi menurun, peningkatan tegangan efektif menjadi lebih parah.
Jika motor 460V dibiarkan beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi ini, masa pakainya dapat berkurang secara signifikan. Oleh karena itu, konverter frekuensi harus terus-menerus mengubah tegangan "puncak" relatif terhadap frekuensi untuk mempertahankan tegangan efektif yang konstan. Semakin rendah frekuensi operasi, semakin rendah pula tegangan puncaknya, dan sebaliknya. Anda sekarang seharusnya sudah memahami prinsip kerja konverter frekuensi dan cara mengendalikan kecepatan motor. Sebagian besar konverter frekuensi memungkinkan pengguna untuk mengatur kecepatan motor secara manual melalui sakelar multi-posisi atau papan ketik, atau menggunakan sensor (tekanan, aliran, suhu, ketinggian cairan, dll.) untuk mengotomatiskan proses.