ספק יחידות משוב מזכיר לכם שמאז הופעתם של מנועי אינדוקציה אוטומטיים, גנרטורים מסוג AC כבר עברו פעולה בתדר משתנה. יש לשנות את מהירות הגנרטור ולהתאים את תדר המוצא שלו. לפני הופעתם של טרנזיסטורים במהירות גבוהה, זו הייתה אחת הדרכים העיקריות לשנות את מהירות המנוע, אך עקב הפחתת תדר המוצא על ידי מהירות הגנרטור במקום המתח, שינוי התדר היה מוגבל.
לכן, בואו נסתכל על רכיבי ממיר התדר ונראה כיצד הם פועלים יחד בפועל כדי לשנות את התדר ומהירות המנוע.
רכיבי ממיר - מיישר
בשל הקושי בשינוי תדר גלי הסינוס של זרם חילופין במצב זרם חילופין, המשימה הראשונה של ממיר תדר היא להמיר את צורת הגל לזרם ישר. כדי לגרום לו להיראות כמו זרם חילופין, קל יחסית להפעיל זרם ישר. הרכיב הראשון של כל ממירי התדר הוא התקן הנקרא מיישר או ממיר. מעגל המיישר של ממיר התדר ממיר זרם חילופין לזרם ישר, ומצב העבודה שלו דומה בערך לזה של מטען סוללות או מכונת ריתוך קשת. הוא משתמש בגשר דיודה כדי להגביל את גל הסינוס של זרם חילופין מלנוע בכיוון אחד בלבד. התוצאה היא שצורת הגל של זרם חילופין מתוקנת במלואה מתפרשת על ידי מעגל הזרם הישר כגל זרם ישר מקומי. ממיר תדר תלת פאזי מקבל שלוש פאזות קלט זרם חילופין עצמאיות וממיר אותן לפלט זרם ישר יחיד.
רוב ממירי התדר התלת-פאזיים יכולים לקבל גם ספק כוח חד-פאזי (230V או 460V), אך עקב שני ענפי קלט בלבד, יש להפחית את ערכי הפלט (HP) של ממיר התדר מכיוון שזרם הישר שנוצר מצטמצם באופן פרופורציונלי. מצד שני, ממיר חד-פאזי אמיתי (ממיר חד-פאזי השולט במנוע חד-פאזי) משתמש בקלט חד-פאזי ומייצר פלט ישר פרופורציונלי לקלט.
ישנן שתי סיבות מדוע מנועים תלת פאזיים נפוצים יותר מאשר רכיבי מונה חד פאזיים בכל הנוגע לפעולה במהירות משתנה. ראשית, יש להם טווח הספק רחב יותר. מצד שני, מנועים חד פאזיים דורשים בדרך כלל התערבות חיצונית מסוימת כדי להתחיל להסתובב.
רכיבי ממיר - אפיק DC
הרכיב השני של אפיק DC אינו ניתן לראות באף ממיר תדר מכיוון שהוא אינו משפיע ישירות על פעולתו. עם זאת, הוא תמיד קיים בממירי תדר איכותיים לשימוש כללי. אפיק DC משתמש בקבלים ובסלילים כדי לסנן את מתח ה-"אדווה" AC בהספק DC המומר, ולאחר מכן נכנס לחלק הממיר. הוא כולל גם מסנן למניעת עיוות הרמוני, שניתן להזין אותו בחזרה לספק הכוח של הממיר. ממירי תדר ישנים יותר דורשים מסנני קו נפרדים כדי להשלים תהליך זה.
רכיבי ממיר - ממיר
בצד ימין של האיור מוצגים "האיברים הפנימיים" של ממיר התדרים. הממיר משתמש בשלוש קבוצות של טרנזיסטורי מיתוג במהירות גבוהה כדי ליצור "פולסים" תלת-פאזיים של DC המדמים גלי סינוס AC. פולסים אלה לא רק קובעים את מתח הגל, אלא גם את התדר שלו. המונח "ממיר" פירושו "היפוך", שמשמעותו פשוט תנועה מעלה ומטה של צורת הגל שנוצרת. ממירי תדרים מודרניים משתמשים בטכניקה הנקראת "אפנון רוחב פולס" (PWM) כדי לווסת מתח ותדר.
אז בואו נדבר על IGBT. IGBT מתייחס ל"טרנזיסטור דו-קוטבי מבודד", שהוא רכיב המיתוג (או הפולס) של הממיר. טרנזיסטורים (המחליפים שפופרות ואקום) ממלאים שני תפקידים בעולם האלקטרוני שלנו. הם יכולים לפעול כמגבר ולהגביר את האות, או שהם יכולים לפעול כמתג פשוט על ידי הפעלה וכיבוי של האות. IGBT היא גרסה מודרנית המספקת מהירויות מיתוג גבוהות יותר (3000-16000 הרץ) ומפחיתה את ייצור החום. מהירות מיתוג גבוהה יותר יכולה לשפר את דיוק סימולציית גלי AC ולהפחית את רעש המנוע. הפחתת החום שנוצר פירושה שגוף הקירור קטן יותר, כך שממיר התדרים תופס שטח קטן יותר.
צורת גל PWM של ממיר
צורת הגל שנוצרת על ידי ממיר PWM בהשוואה לגל סינוס AC אמיתי. יציאת הממיר מורכבת מסדרה של פולסים מלבניים בעלי גובה קבוע ורוחב מתכוונן.
במקרה הספציפי הזה, יש שלוש קבוצות של פולסים - קבוצה רחבה באמצע וקבוצה צרה בתחילת ובסוף החלקים החיוביים והשליליים של מחזור הזרם החילופין.
סכום שטחי הפולסים שווה למתח האפקטיבי של גל AC אמיתי. אם תרצו לנתק את חלקי הפולס מעל (או מתחת) לצורת הגל של התקשורת בפועל ולמלא בהם את השטח הריק שמתחת לעקומה, תגלו שהם תואמים כמעט בצורה מושלמת. דווקא בדרך זו ממיר התדרים יכול לשלוט במתח המנוע. סכום רוחב הפולס ורוחב הריק ביניהם קובע את תדירות צורת הגל הנראית על ידי המנוע (ומכאן PWM או אפנון רוחב פולס). אם הפולס רציף (כלומר ללא רווחים), התדר עדיין יהיה נכון, אך המתח יהיה גדול בהרבה מגל סינוס AC אמיתי.
בהתאם למתח ולתדר הנדרשים, ממיר התדר ישנה את גובה ורוחב הפולס, כמו גם את רוחב הפער ביניהם. יש אנשים שעשויים לתהות כיצד זרם חילופין (AC) המזויף הזה (למעשה DC) מפעיל מנוע אינדוקציה AC.
אחרי הכל, האם זרם חילופין צריך "להשרה" את הזרם ואת השדה המגנטי המתאים ברוטור המנוע? לכן, זרם חילופין יגרום באופן טבעי להשראה מכיוון שמדובר בכיוון שמשתנה ללא הרף, בעוד שזרם ישר (DC) לא יפעל כרגיל לאחר הפעלת המעגל.
עם זאת, אם הזרם הישר מופעל ומכבה, הוא יכול לחוש זרם. עבור אלו מבוגרים יותר, מערכת ההצתה של הרכב (לפני הצתה במצב מוצק) הייתה מורכבת ממערכת נקודות במחלק. מטרת הנקודות הללו היא לעבור מ"פולסים" של הסוללה לסלילים (שנאים). זה גורם למטען בסליל ולאחר מכן מעלה את המתח לרמה המאפשרת למצת להתלקח. פולס הזרם הישר הרחב הנראה באיור לעיל מורכב למעשה ממאות פולסים בודדים, ותנועת הפתיחה והסגירה של פלט הממיר מאפשרת התרחשות של אינדוקציית זרם ישר.
מתח אפקטיבי
גורם אחד שהופך זרם חילופין למורכב הוא שהוא משנה את המתח כל הזמן, מאפס למתח חיובי מקסימלי, ואז חזרה לאפס, אחר כך למתח שלילי מקסימלי כלשהו, ואז חזרה לאפס. כיצד לקבוע את המתח בפועל המופעל על המעגל? האיור שלהלן הוא גל סינוס של 60 הרץ, 120 וולט. אך יש לציין שמתח השיא שלו הוא 170 וולט. אם המתח בפועל שלו הוא 170 וולט, כיצד נוכל לקרוא לו גל של 120 וולט?
גורם אחד שהופך זרם חילופין למורכב הוא השינוי הקבוע שלו במתח, מאפס למתח חיובי מקסימלי, ואז חזרה לאפס, אחר כך למתח שלילי מקסימלי כלשהו, ואז חזרה לאפס. כיצד לקבוע את המתח בפועל המופעל על המעגל?
יש לציין כי גל סינוס של 60 הרץ ו-120 וולט מתח השיא שלו הוא 170 וולט. אם המתח בפועל שלו הוא 170 וולט, כיצד נוכל לקרוא לו גל של 120 וולט?
במחזור אחד, הוא מתחיל ב-0 וולט, עולה ל-170 וולט, ואז יורד שוב ל-0. הוא ממשיך לרדת ל-170-, ואז עולה שוב ל-0. שטח המלבן הירוק עם גבול עליון של 120 וולט שווה לסכום שטחי החלקים החיוביים והשליליים של העקומה.
אז 120 וולט היא הרמה הממוצעת? אוקיי, אם היינו ממוצעים את כל ערכי המתח בכל נקודה לאורך כל המחזור, התוצאה תהיה בערך 108 וולט, כך שזו לא יכולה להיות התשובה. אז למה ערך זה נמדד על ידי VOM ב-120 וולט? זה קשור למה שאנו מכנים 'מתח אפקטיבי'.
אם תרצו למדוד את החום הנוצר על ידי הזרם הישיר הזורם דרך נגד, תגלו שהוא גדול מהחום הנוצר על ידי זרם חילופין שווה ערך. הסיבה לכך היא שזרם חילופין אינו שומר על ערך קבוע לאורך כל המחזור. אם מבצעים את הבדיקה בתנאים מבוקרים במעבדה, נמצא שזרם ישר ספציפי מייצר עלייה של 100 מעלות בחום, וכתוצאה מכך עלייה של 70.7 מעלות בערך שווה הערך של זרם חילופין או 70.7% מערך ישר.
לכן, הערך האפקטיבי של זרם חילופין (AC) הוא 70.7% ממתח ישר. ניתן לראות גם שהערך האפקטיבי של מתח זרם חילופין (AC) שווה לשורש הריבועי של סכום הריבועים של המתחים במחצית הראשונה של העקומה. אם מתח השיא הוא 1 ויש צורך למדוד מתחים שונים מ-0 מעלות עד 180 מעלות, המתח האפקטיבי יהיה מתח השיא של 0-707 מעלות. 0.707 כפול מתח השיא של 170 באיור שווה ל-120 וולט. מתח אפקטיבי זה ידוע גם כשורש ממוצע הריבועים או מתח RMS.
לכן, מתח השיא הוא תמיד 1.414 מהמתח האפקטיבי. לזרם AC של 230 וולט יש מתח שיא של 325 וולט, בעוד של-460 יש מתח שיא של 650 וולט. בנוסף לשינוי התדר, גם אם המתח אינו תלוי במהירות הפעולה של מנוע ה-AC, ממיר התדר חייב גם לשנות את המתח. שני גלי סינוס של AC של 460 וולט. העקומה האדומה היא 60 הרץ, והעקומה הכחולה היא 50 הרץ. לשניהם יש מתח שיא של 650 וולט, אך מתח שיא של 50 הרץ רחב בהרבה. ניתן לראות בקלות שהשטח בתוך המחצית הראשונה של עקומת 50 הרץ (0-10 מילישניות) גדול מהמחצית הראשונה של עקומת 60 הרץ (0-8.3 מילישניות). יתר על כן, מכיוון שהשטח מתחת לעקומה הוא ביחס ישר למתח האפקטיבי, המתח האפקטיבי שלו גבוה יותר. ככל שהתדר יורד, העלייה במתח האפקטיבי הופכת לחמורה יותר.
אם מנועי 460V יורשו לפעול במתחים גבוהים יותר אלה, תוחלת החיים שלהם עלולה להתקצר משמעותית. לכן, ממיר התדר חייב לשנות כל הזמן את מתח ה"שיא" ביחס לתדר כדי לשמור על מתח אפקטיבי קבוע. ככל שתדר הפעולה נמוך יותר, כך מתח השיא נמוך יותר, ולהיפך. כעת אמורה להיות לכם הבנה טובה של עקרון הפעולה של ממיר התדר וכיצד לשלוט במהירות המנוע. רוב ממירי התדר מאפשרים למשתמשים להגדיר ידנית את מהירות המנוע באמצעות מתגים או מקלדות מרובות מצבים, או להשתמש בחיישנים (לחץ, זרימה, טמפרטורה, מפלס נוזל וכו') כדי להפוך את התהליך לאוטומטי.