Geri besleme ünitesi tedarikçisi, otomatik endüksiyon motorlarının ortaya çıkışından bu yana, AC jeneratörlerinin değişken frekanslı çalışmaya geçtiğini hatırlatıyor. Jeneratörün hızını değiştirin ve çıkış frekansını ayarlayın. Yüksek hızlı transistörlerin ortaya çıkmasından önce, bu, motor hızını değiştirmenin ana yollarından biriydi, ancak jeneratör hızının voltaj yerine çıkış frekansını düşürmesi nedeniyle frekans değişimi sınırlıydı.
Bu nedenle, frekans konvertörünün bileşenlerine bir göz atalım ve bunların frekansı ve motor hızını değiştirmek için nasıl birlikte çalıştıklarını görelim.
İnverter bileşenleri - doğrultucu
AC modunda AC sinüs dalgalarının frekansını değiştirmenin zorluğu nedeniyle, bir frekans dönüştürücünün ilk görevi dalga formunu DC'ye dönüştürmektir. AC gibi görünmesi için DC'yi çalıştırmak nispeten kolaydır. Tüm frekans dönüştürücülerin ilk bileşeni, doğrultucu veya dönüştürücü adı verilen bir cihazdır. Frekans dönüştürücünün doğrultucu devresi, alternatif akımı doğru akıma dönüştürür ve çalışma modu kabaca bir akü şarj cihazı veya ark kaynak makinesinin çalışma moduyla aynıdır. AC sinüs dalgasının yalnızca tek bir yönde hareket etmesini kısıtlamak için bir diyot köprüsü kullanır. Sonuç olarak, tamamen doğrultulmuş AC dalga formu, DC devresi tarafından yerel bir DC dalga formu olarak yorumlanır. Üç fazlı bir frekans dönüştürücü, üç bağımsız AC giriş fazını kabul eder ve bunları tek bir DC çıkışa dönüştürür.
Çoğu üç fazlı frekans dönüştürücü, tek fazlı (230 V veya 460 V) güç kaynağını da kabul edebilir, ancak yalnızca iki giriş kolu olduğundan, üretilen DC akımı orantılı olarak azaldığından frekans dönüştürücünün çıkışının (HP) düşürülmesi gerekir. Öte yandan, gerçek bir tek fazlı invertör (tek fazlı bir motoru kontrol eden tek fazlı invertör), tek fazlı bir giriş kullanır ve girişe orantılı bir DC çıkış üretir.
Değişken hızlı çalışma söz konusu olduğunda, üç fazlı motorların tek fazlı sayaç bileşenlerinden daha yaygın olarak kullanılmasının iki nedeni vardır. Birincisi, daha geniş bir güç aralığına sahip olmalarıdır. Diğer yandan, tek fazlı motorlar genellikle dönmeye başlamak için harici bir müdahale gerektirir.
İnverter bileşenleri - DC veri yolu
DC barasının ikinci bileşeni, frekans dönüştürücünün çalışmasını doğrudan etkilemediği için hiçbir frekans dönüştürücüde görülemez. Ancak, yüksek kaliteli genel amaçlı frekans dönüştürücülerde her zaman bulunur. DC bara, dönüştürülen DC gücündeki AC "dalgalanma" voltajını filtrelemek için kapasitörler ve endüktörler kullanır ve ardından invertör bölümüne girer. Ayrıca, invertör güç kaynağına geri beslenebilen harmonik bozulmayı önlemek için bir filtre de içerir. Eski frekans dönüştürücüler, bu işlemi tamamlamak için ayrı hat filtreleri gerektirir.
İnverter bileşenleri - İnverter
Resmin sağ tarafında frekans dönüştürücünün "iç organları" gösterilmektedir. İnverter, AC sinüs dalgalarını simüle eden üç fazlı DC "darbelerini" oluşturmak için üç set yüksek hızlı anahtarlama transistörü kullanır. Bu darbeler yalnızca dalganın voltajını değil, aynı zamanda frekansını da belirler. "İnverter" terimi, üretilen dalga formunun yukarı ve aşağı hareketini ifade eden "ters çevirme" anlamına gelir. Modern frekans dönüştürücüler, voltaj ve frekansı düzenlemek için "darbe genişlik modülasyonu" (PWM) adı verilen bir teknik kullanır.
O zaman IGBT'den bahsedelim. IGBT, invertörün anahtarlama (veya darbe) bileşeni olan "yalıtılmış kapılı bipolar transistör" anlamına gelir. Transistörler (vakum tüplerinin yerini alırlar) elektronik dünyamızda iki rol oynar. Bir amplifikatör gibi davranıp sinyali yükseltebilir veya sadece sinyali açıp kapatarak bir anahtar görevi görebilir. IGBT, daha yüksek anahtarlama hızları (3000-16000 Hz) sağlayan ve ısı oluşumunu azaltan modern bir versiyondur. Daha yüksek bir anahtarlama hızı, AC dalga simülasyonunun doğruluğunu artırabilir ve motor gürültüsünü azaltabilir. Üretilen ısının azalması, soğutucunun daha küçük olması ve dolayısıyla frekans dönüştürücünün daha küçük bir alan kaplaması anlamına gelir.
İnverter PWM dalga formu
Bir PWM invertörün invertörü tarafından üretilen dalga formunun gerçek bir AC sinüs dalgasıyla karşılaştırılması. İnvertör çıkışı, sabit yüksekliğe ve ayarlanabilir genişliğe sahip bir dizi dikdörtgen darbeden oluşur.
Bu özel durumda, üç adet darbe seti vardır: AC döngüsünün pozitif ve negatif kısımlarının ortasında geniş bir set ve başında ve sonunda dar bir set.
Darbe alanlarının toplamı, gerçek AC dalgasının etkin voltajına eşittir. Gerçek iletişim dalga formunun üstündeki (veya altındaki) darbe kısımlarını kesip eğrinin altındaki boş alanı bunlarla doldurursanız, neredeyse mükemmel bir şekilde eşleştiklerini göreceksiniz. Frekans dönüştürücü, motorun voltajını tam olarak bu şekilde kontrol edebilir. Darbe genişliği ile aralarındaki boşluk genişliğinin toplamı, motor tarafından görülen dalga formunun frekansını belirler (dolayısıyla PWM veya darbe genişlik modülasyonu). Darbe sürekliyse (yani boşluksuzsa), frekans yine doğru olacaktır, ancak voltaj gerçek bir AC sinüs dalgasından çok daha büyük olacaktır.
Frekans dönüştürücü, gerekli voltaj ve frekansa göre darbenin yüksekliğini ve genişliğini, ayrıca ikisi arasındaki boşluk genişliğini değiştirir. Bazı kişiler bu 'sahte' AC'nin (aslında DC) bir AC endüksiyon motorunu nasıl çalıştırdığını merak edebilir.
Sonuçta, alternatif bir akımın motor rotorundaki akımı ve buna karşılık gelen manyetik alanı "indüklemesi" gerekmez mi? Dolayısıyla, AC sürekli değişen bir yön olduğundan doğal olarak indüksiyona neden olurken, DC devre etkinleştirildikten sonra normal şekilde çalışmayacaktır.
Ancak, DC açılıp kapatıldığında akımı algılayabilir. Daha eskiler için, araç ateşleme sistemi (katı hal ateşlemesinden önce) distribütörde bir dizi nokta bulunduruyordu. Bu noktaların amacı, akü "darbelerinden" bobinlere (transformatörlere) geçmektir. Bu, bobinde bir yük oluşturur ve ardından voltajı bujinin ateşlemesini sağlayacak bir seviyeye yükseltir. Yukarıdaki şekilde görülen geniş DC darbesi aslında yüzlerce ayrı darbeden oluşur ve invertör çıkışının açılıp kapanma hareketi DC indüksiyonunun gerçekleşmesini sağlar.
Etkili voltaj
Alternatif akımı karmaşık hale getiren faktörlerden biri, voltajı sürekli olarak değiştirmesidir: sıfırdan maksimum pozitif voltaja, sonra tekrar sıfıra, sonra maksimum negatif voltaja ve sonra tekrar sıfıra. Devreye uygulanan gerçek voltaj nasıl belirlenir? Aşağıdaki çizim 60 Hz, 120 V'luk bir sinüs dalgasıdır. Ancak tepe voltajının 170 V olduğu unutulmamalıdır. Gerçek voltajı 170 V ise, buna nasıl 120 V dalga diyebiliriz?
Alternatif akımı karmaşık hale getiren faktörlerden biri, voltajının sıfırdan maksimum pozitif voltaja, sonra tekrar sıfıra, sonra maksimum negatif voltaja ve sonra tekrar sıfıra sürekli değişmesidir. Devreye uygulanan gerçek voltaj nasıl belirlenir?
60 Hz, 120 V'luk bir sinüs dalgasının tepe voltajının 170 V olduğu unutulmamalıdır. Gerçek voltajı 170 V ise, buna nasıl 120 V dalga diyebiliriz?
Bir döngüde 0V'dan başlayıp 170V'a kadar yükseliyor ve sonra tekrar 0'a düşüyor. -170'e kadar düşmeye devam ediyor ve sonra tekrar 0'a kadar yükseliyor. Üst sınırı 120V olan yeşil dikdörtgenin alanı, eğrinin pozitif ve negatif kısımlarının alanlarının toplamına eşittir.
Yani 120V ortalama seviye mi? Tamam, tüm döngü boyunca her noktadaki tüm voltaj değerlerinin ortalamasını alsaydık, sonuç yaklaşık 108V olurdu, yani cevap bu olamaz. Peki bu değer neden VOM ile 120V'ta ölçülüyor? Bu, "etkin voltaj" dediğimiz şeyle ilgili.
Bir dirençten geçen doğru akımın ürettiği ısıyı ölçmek isterseniz, eşdeğer alternatif akımın ürettiği ısıdan daha büyük olduğunu göreceksiniz. Bunun nedeni, AC'nin tüm döngü boyunca sabit bir değerde kalmamasıdır. Laboratuvarda kontrollü koşullar altında gerçekleştirilirse, belirli bir DC akımının 100 derecelik bir ısı artışına neden olduğu ve bunun da AC eşdeğerinde 70,7 derecelik bir artışa veya %70,7 DC değerine yol açtığı görülür.
Dolayısıyla, AC'nin etkin değeri DC'nin %70,7'sidir. Ayrıca, AC voltajının etkin değerinin, eğrinin ilk yarısındaki voltajların karelerinin toplamının kareköküne eşit olduğu da görülebilir. Tepe voltajı 1 ise ve 0 dereceden 180 dereceye kadar çeşitli voltajların ölçülmesi gerekiyorsa, etkin voltaj 0-707 derece arasındaki tepe voltajı olacaktır. Şekildeki 170 derecelik tepe voltajının 0,707 katı 120 V'a eşittir. Bu etkin voltaj, aynı zamanda ortalama karekök veya RMS voltajı olarak da bilinir.
Dolayısıyla tepe gerilimi her zaman etkin gerilimin 1,414'ü kadardır. 230V AC akımın tepe gerilimi 325V iken, 460'ın tepe gerilimi 650V'tur. Frekans değişimine ek olarak, gerilim AC motorun çalışma hızından bağımsız olsa bile, frekans dönüştürücüsü gerilimi de değiştirmelidir. İki 460V AC sinüs dalgası. Kırmızı eğri 60Hz, mavi eğri ise 50Hz'dir. Her ikisinin de tepe gerilimi 650V'tur, ancak 50Hz çok daha geniştir. 50Hz eğrisinin ilk yarısındaki alanın (0-10ms) 60Hz eğrisinin ilk yarısındaki alandan (0-8,3ms) daha büyük olduğunu kolayca görebilirsiniz. Ayrıca, eğrinin altında kalan alan etkin gerilimle doğru orantılı olduğundan, etkin gerilimi daha yüksektir. Frekans azaldıkça etkin gerilimdeki artış daha şiddetli olur.
460V motorların bu yüksek voltajlarda çalışmasına izin verilirse, ömürleri büyük ölçüde azalabilir. Bu nedenle, frekans dönüştürücünün sabit bir etkin voltaj sağlamak için frekansa göre "tepe" voltajını sürekli olarak değiştirmesi gerekir. Çalışma frekansı ne kadar düşükse, tepe voltajı da o kadar düşük olur ve tersi de geçerlidir. Artık frekans dönüştürücünün çalışma prensibini ve motor hızının nasıl kontrol edileceğini iyi anlamış olmalısınız. Çoğu frekans dönüştürücü, kullanıcıların çok konumlu anahtarlar veya klavyeler aracılığıyla motor hızını manuel olarak ayarlamasına veya işlemi otomatikleştirmek için sensörler (basınç, akış, sıcaklık, sıvı seviyesi vb.) kullanmasına olanak tanır.