Ειδήσεις

Από την εμφάνιση των αυτόματων επαγωγικών κινητήρων, η λειτουργία του μετατροπέα υπήρχε με τη μορφή εναλλάκτη.Αλλάξτε την ταχύτητα της γεννήτριας και αλλάξτε τη συχνότητα εξόδου της.Πριν από την εμφάνιση των τρανζίστορ υψηλής ταχύτητας, αυτός ήταν ένας από τους κύριους τρόπους αλλαγής της ταχύτητας ενός κινητήρα, αλλά επειδή η ταχύτητα της γεννήτριας μείωσε τη συχνότητα εξόδου και όχι την τάση, η αλλαγή συχνότητας ήταν περιορισμένη.

Ας ρίξουμε λοιπόν μια ματιά στα εξαρτήματα του μετατροπέα και ας δούμε πώς πραγματικά συνεργάζονται για να αλλάξουν τη συχνότητα και την ταχύτητα του κινητήρα.

01 Εξάρτημα μετατροπέα - ανορθωτής

Δεδομένου ότι είναι δύσκολο να αλλάξετε τη συχνότητα του ημιτονοειδούς κύματος εναλλασσόμενου ρεύματος στη λειτουργία AC, η πρώτη δουλειά του μετατροπέα είναι να μετατρέψει την κυματομορφή σε DC.Για να μοιάζει με AC, η λειτουργία DC είναι σχετικά εύκολη.Το πρώτο στοιχείο όλων των μετατροπέων συχνότητας είναι μια συσκευή που ονομάζεται ανορθωτής ή μετατροπέας, όπως φαίνεται παρακάτω:

Ένα κύκλωμα ανορθωτή μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές ρεύμα και λειτουργεί σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως ένας φορτιστής μπαταρίας ή μια συσκευή συγκόλλησης τόξου.Χρησιμοποιεί μια γέφυρα διόδου για να περιορίσει το ημιτονοειδές κύμα εναλλασσόμενου ρεύματος να κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση.Το αποτέλεσμα είναι ότι η πλήρως διορθωμένη κυματομορφή AC ερμηνεύεται από το κύκλωμα DC ως τοπική κυματομορφή DC.Ένας τριφασικός μετατροπέας παίρνει τρεις ξεχωριστές φάσεις εισόδου AC και τις μετατρέπει σε μία έξοδο DC.

Οι περισσότεροι τριφασικοί μετατροπείς μπορούν επίσης να δεχτούν μονοφασική τροφοδοσία (230 V ή 460 V), αλλά επειδή υπάρχουν μόνο δύο κλάδοι εισόδου, η έξοδος του μετατροπέα (HP) πρέπει να μειωθεί επειδή το ρεύμα συνεχούς ρεύματος που δημιουργείται μειώνεται αναλογικά.Από την άλλη πλευρά, ένας πραγματικός μονοφασικός μετατροπέας (ο μονοφασικός μετατροπέας που ελέγχει έναν μονοφασικό κινητήρα) χρησιμοποιεί μια μονοφασική είσοδο και παράγει μια έξοδο DC ανάλογη με την είσοδο.

Όταν πρόκειται για λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας, οι τριφασικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται πιο συχνά από τα μονοφασικά εξαρτήματα μετρητή για δύο λόγους.Πρώτον, έχουν μεγαλύτερο εύρος ισχύος.Οι μονοφασικοί κινητήρες, από την άλλη πλευρά, συνήθως απαιτούν κάποια εξωτερική παρέμβαση για να αρχίσουν να περιστρέφονται.

02 Εξαρτήματα μετατροπέα - Δίαυλος DC

Το δεύτερο στοιχείο του διαύλου DC (που φαίνεται από τον δίαυλο DC στο σχήμα) δεν είναι ορατό σε όλους τους μετατροπείς επειδή δεν επηρεάζει άμεσα τη λειτουργία μετατροπής συχνότητας.Ωστόσο, υπάρχει πάντα σε υψηλής ποιότητας δίσκους γενικής χρήσης.Ο δίαυλος συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιεί πυκνωτές και επαγωγείς για να φιλτράρει την τάση "κυματισμού" AC στο μετατρεπόμενο DC και στη συνέχεια στο τμήμα του μετατροπέα.Περιλαμβάνει επίσης ένα φίλτρο που εμποδίζει την αρμονική παραμόρφωση και μπορεί να τροφοδοτηθεί πίσω στο τροφοδοτικό του μετατροπέα.Για την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας απαιτούνται παλαιότεροι μετατροπείς και ξεχωριστά φίλτρα γραμμής.

03 Εξαρτήματα μετατροπέα - Μετατροπείς

Στα δεξιά της εικόνας είναι τα "σπλάχνα" του μετατροπέα (φαίνεται στον μετατροπέα).Ο μετατροπέας χρησιμοποιεί τρία σετ τρανζίστορ μεταγωγής υψηλής ταχύτητας (που φαίνεται στο IGBT) για να δημιουργήσει έναν "παλμό" DC που προσομοιώνει και τις τρεις φάσεις του ημιτονοειδούς κύματος AC.Αυτοί οι παλμοί καθορίζουν όχι μόνο την τάση του κύματος, αλλά και τη συχνότητά του.Ο όρος inverter ή inverter σημαίνει «αναστροφή» και είναι απλώς η κίνηση πάνω και κάτω της κυματομορφής που προκύπτει.Οι σύγχρονοι μετατροπείς μετατροπέων χρησιμοποιούν μια τεχνική που ονομάζεται "διαμόρφωση πλάτους παλμού" (PWM) για τη ρύθμιση της τάσης και της συχνότητας.

Στη συνέχεια, μιλάμε για το IGBT, το οποίο σημαίνει "διπολικό τρανζίστορ με μόνωση πύλης", το οποίο είναι το στοιχείο μεταγωγής (ή παλμικού) του μετατροπέα.Τα τρανζίστορ (αντί για σωλήνες κενού) εξυπηρετούν δύο λειτουργίες στον ηλεκτρονικό μας κόσμο.Μπορεί να λειτουργήσει ως ενισχυτής όπως ένας ενισχυτής και να αυξήσει το σήμα ή μπορεί να λειτουργήσει ως διακόπτης ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας απλώς το σήμα.Το IGBT είναι μια σύγχρονη έκδοση που προσφέρει υψηλότερες ταχύτητες μεταγωγής (3000-16000 Hz) και μειωμένη παραγωγή θερμότητας.Η υψηλότερη ταχύτητα μεταγωγής μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια της προσομοίωσης κυμάτων AC και να μειώσει τον θόρυβο του κινητήρα.Η μειωμένη παραγόμενη θερμότητα σημαίνει ότι η ψύκτρα είναι μικρότερη, επομένως ο μετατροπέας συχνότητας έχει μικρότερο αποτύπωμα.

04 Μετατροπέας κυματομορφής PWM

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την κυματομορφή που παράγεται από έναν μετατροπέα με μετατροπέα PWM σε σύγκριση με ένα πραγματικό ημιτονοειδές κύμα AC.Η έξοδος του μετατροπέα αποτελείται από μια σειρά ορθογώνιων παλμών με σταθερό ύψος και ρυθμιζόμενο πλάτος.Στη συγκεκριμένη περίπτωση, υπάρχουν τρία σετ παλμών - ένα ευρύ σύνολο στη μέση και ένα στενό σύνολο στην αρχή και στο τέλος των θετικών και αρνητικών τμημάτων του κύκλου AC.

Το άθροισμα των εμβαδών των παλμών είναι ίσο με την πραγματική τάση του πραγματικού κύματος AC.Αν κόψατε τους παλμούς πάνω (ή κάτω) από την πραγματική κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος και συμπληρώσατε τον κενό χώρο κάτω από την καμπύλη με αυτούς, θα διαπιστώσατε ότι ταιριάζουν σχεδόν τέλεια.Με αυτόν τον τρόπο ο μετατροπέας μπορεί να ελέγχει την τάση του κινητήρα.

Το άθροισμα των πλατών παλμών και των κενού πλάτη μεταξύ τους καθορίζει τη συχνότητα της κυματομορφής που βλέπει ο κινητήρας (άρα PWM ή διαμόρφωση πλάτους παλμού).Εάν ο παλμός είναι συνεχής (δηλαδή, δεν υπάρχουν κενά), η συχνότητα θα εξακολουθεί να είναι σωστή, αλλά η τάση θα είναι πολύ μεγαλύτερη από ένα πραγματικό ημιτονοειδές κύμα εναλλασσόμενου ρεύματος.Ανάλογα με την επιθυμητή τάση και συχνότητα, ο μετατροπέας συχνότητας θα αλλάξει το ύψος και το πλάτος του παλμού και το πλάτος του κενού χώρου μεταξύ τους.

Μερικοί άνθρωποι μπορεί να αναρωτιούνται πώς αυτό το "ψεύτικο" AC (στην πραγματικότητα DC) λειτουργεί έναν κινητήρα επαγωγής AC.Τελικά, χρειάζεται εναλλασσόμενο ρεύμα για να «αισθανθεί» το ρεύμα στον ρότορα ενός κινητήρα και το αντίστοιχο μαγνητικό του πεδίο;Τότε, το AC θα προκαλέσει φυσικά επαγωγή, επειδή αλλάζει συνεχώς κατεύθυνση, από την άλλη πλευρά, το DC δεν θα ενεργεί κανονικά μόλις ενεργοποιηθεί το κύκλωμα.

Ωστόσο, εάν το DC είναι ενεργοποιημένο και απενεργοποιημένο, το DC μπορεί να προκαλέσει ρεύμα.Για τους παλαιότερους, τα συστήματα ανάφλεξης αυτοκινήτου (πριν από την ανάφλεξη σε στερεά κατάσταση) είχαν ένα σύνολο σημείων στον διανομέα.Σκοπός αυτών των σημείων είναι να «παλμούν» από την μπαταρία στο πηνίο (μετασχηματιστή).Αυτό προκαλεί ένα ηλεκτρικό φορτίο στο πηνίο, το οποίο στη συνέχεια αυξάνει την τάση σε ένα επίπεδο που επιτρέπει στο μπουζί να πυροδοτήσει.Οι ευρείς παλμοί DC που φαίνονται στο παραπάνω σχήμα αποτελούνται στην πραγματικότητα από εκατοντάδες μεμονωμένους παλμούς και αυτή η κίνηση ενεργοποίησης και απενεργοποίησης της εξόδου του μετατροπέα επιτρέπει αυτό να συμβεί μέσω επαγωγής DC.

05 Πραγματική τάση

Ένας παράγοντας που κάνει το εναλλασσόμενο ρεύμα πολύπλοκο είναι ότι αλλάζει συνεχώς την τάση, από το μηδέν σε κάποια μέγιστη θετική τάση, μετά πίσω στο μηδέν, μετά σε κάποια μέγιστη αρνητική τάση και μετά ξανά στο μηδέν.Πώς να προσδιορίσετε την πραγματική τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα;Η παρακάτω εικόνα είναι ένα ημιτονοειδές κύμα 60Hz, 120V.Σημειώστε, ωστόσο, ότι η μέγιστη τάση του είναι 170V.Αν η πραγματική του τάση είναι 170V, πώς μπορούμε να το ονομάσουμε κύμα 120V;

Σε έναν κύκλο, ξεκινά από 0V, ανεβαίνει στα 170V και μετά πέφτει ξανά στο 0.Συνεχίζει μέχρι το -170 και στη συνέχεια ανεβαίνει ξανά στο 0. Το εμβαδόν του αρχικού πράσινου ορθογωνίου με το άνω όριο στα 120V είναι ίσο με το άθροισμα των εμβαδών των θετικών και αρνητικών μερών της καμπύλης.Δηλαδή τα 120V είναι ο μέσος όρος;

Λοιπόν, αν μετρούσατε κατά μέσο όρο όλες τις τιμές τάσης σε κάθε σημείο καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου, το αποτέλεσμα θα ήταν περίπου 108 V, επομένως δεν μπορεί να είναι η απάντηση.Γιατί λοιπόν αυτή η τιμή είναι 120V όπως μετράται με VOM;Έχει να κάνει με αυτό που λέμε «αποτελεσματική τάση».

Εάν επρόκειτο να μετρήσετε τη θερμότητα που παράγεται από το συνεχές ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης, θα διαπιστώσατε ότι είναι μεγαλύτερη από τη θερμότητα που παράγεται από το ισοδύναμο AC ρεύμα.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το AC δεν διατηρεί σταθερή τιμή καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου.Εάν εκτελεστεί στο εργαστήριο, υπό ελεγχόμενες συνθήκες, διαπιστώνεται ότι ένα συγκεκριμένο ρεύμα συνεχούς ρεύματος παράγει 100 μοίρες αύξηση της θερμότητας, το ισοδύναμο εναλλασσόμενου ρεύματος θα παράγει αύξηση 70,7 μοιρών ή 70,7% της τιμής συνεχούς ρεύματος.Άρα η πραγματική τιμή του AC είναι 70,7% του DC.Μπορεί επίσης να φανεί ότι η πραγματική τιμή της τάσης AC είναι ίση με την τετραγωνική ρίζα του αθροίσματος των τετραγωνικών τάσεων του πρώτου μισού της καμπύλης.

Εάν η τάση αιχμής είναι 1 και πρόκειται να μετρηθούν οι επιμέρους τάσεις από 0 μοίρες έως 180 μοίρες, η πραγματική τάση θα είναι η μέγιστη τάση 0-707.0,707 φορές η μέγιστη τάση του 170 στο σχήμα είναι ίση με 120 V.Αυτή η ενεργός τάση είναι επίσης γνωστή ως ριζική μέση τετραγωνική τάση ή τάση RMS.Επομένως, η μέγιστη τάση είναι πάντα 1,414 της πραγματικής τάσης.Το ρεύμα AC 230V έχει τάση αιχμής 325V ενώ το 460 έχει τάση αιχμής 650V.

Εκτός από τις αλλαγές συχνότητας, ακόμα κι αν η τάση είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα λειτουργίας του κινητήρα AC, ο μετατροπέας πρέπει επίσης να αλλάξει την τάση.

Το διάγραμμα δείχνει δύο ημιτονοειδή κύματα AC 460V.Το κόκκινο είναι μια καμπύλη 60 Hz, το μπλε είναι 50 Hz.Και τα δύο έχουν μέγιστη τάση 650 V, ωστόσο, τα 50 Hz είναι πολύ ευρύτερα.Μπορείτε εύκολα να δείτε ότι η περιοχή εντός του πρώτου μισού της καμπύλης των 50 Hz (0-10 ms) είναι μεγαλύτερη από το πρώτο μισό της καμπύλης των 60 Hz (0-8,3 ms).Επιπλέον, δεδομένου ότι η περιοχή κάτω από την καμπύλη είναι ανάλογη με την πραγματική τάση, η πραγματική τάση είναι υψηλότερη.Καθώς η συχνότητα μειώνεται, η αύξηση της ενεργού τάσης γίνεται πιο δραματική.

Εάν επιτρέπεται στους κινητήρες 460 V να λειτουργούν σε αυτές τις υψηλότερες τάσεις, η διάρκεια ζωής τους μπορεί να μειωθεί σημαντικά.Επομένως, ο μετατροπέας πρέπει να αλλάζει συνεχώς την τάση «αιχμής» σε σχέση με τη συχνότητα, προκειμένου να διατηρεί σταθερή την ενεργό τάση.Όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα λειτουργίας, τόσο χαμηλότερη είναι η τάση αιχμής και αντίστροφα.

Θα πρέπει τώρα να κατανοήσετε καλά πώς λειτουργεί ο μετατροπέας και πώς να ελέγχετε την ταχύτητα του κινητήρα.Οι περισσότεροι δίσκοι επιτρέπουν στο χρήστη να ρυθμίσει χειροκίνητα την ταχύτητα του κινητήρα με διακόπτη πολλαπλών θέσεων ή πληκτρολόγιο ή να αυτοματοποιήσει τη διαδικασία χρησιμοποιώντας αισθητήρες (πίεση, ροή, θερμοκρασία, στάθμη κ.λπ.).