Режим переменной частоты существует в форме генератора переменного тока с момента появления асинхронного двигателя. Измените частоту вращения генератора, и вы измените его выходную частоту. До появления высокоскоростных транзисторов это был один из немногих доступных вариантов изменения частоты вращения двигателя, однако изменения частоты были ограничены, поскольку уменьшение частоты вращения генератора снижало выходную частоту, но не напряжение. Мы увидим, почему это важно, чуть позже. В нашей отрасли насосные системы с регулируемой скоростью в прошлом были гораздо более сложными, чем сегодня. Одним из более простых методов было использование многополюсного двигателя, который был заведен таким образом, что позволял переключателю (или переключателям) изменять количество полюсов статора, которые были активны в любой момент времени. Скорость вращения может быть изменена вручную или с помощью датчика, подключенного к переключателям. Многие системы перекачки с переменным расходом все еще используют этот метод. Примеры включают циркуляторы горячей и охлажденной воды, насосы для бассейнов и вентиляторы и насосы градирни. В некоторых бытовых бустерных насосах используется гидравлический привод или системы регулируемой ременной передачи (своего рода автоматическая коробка передач) для изменения скорости насоса на основе обратной связи от мембранного клапана давления. И несколько других были еще более сложными. Кстати, частотные преобразователи вы можете приобрести на страницах специализированного сайта.
Исходя из трудностей, с которыми нам приходилось сталкиваться в прошлом, становится довольно очевидным, почему появление современного преобразователя частоты произвело революцию (еще один каламбур) в среде перекачки с переменной скоростью. Все, что вам нужно сделать сегодня, это установить относительно простой электронный блок (который часто заменяет более сложное пусковое оборудование) на месте применения, и внезапно вы сможете вручную или автоматически изменять скорость насоса по своему желанию.
Итак, давайте взглянем на компоненты преобразователя частоты и посмотрим, как они на самом деле функционируют вместе, изменяя частоту и, следовательно, частоту вращения двигателя. Я думаю, вы будете поражены простотой этого процесса. Все, что для этого потребовалось, — это доработка твердотельного устройства, которое мы знаем как транзистор.
Компоненты преобразователя частоты
Выпрямитель
Поскольку трудно изменить частоту синусоидальной волны переменного тока в режиме переменного тока, первой задачей преобразователя частоты является преобразование волны в постоянный ток. Как вы увидите чуть позже, относительно легко манипулировать постоянным током, чтобы он выглядел как переменный ток. Первым компонентом всех преобразователей частоты является устройство, известное как выпрямитель или преобразователь, и оно показано слева от рисунка ниже.
Схема выпрямителя преобразует переменный ток в постоянный и делает это почти так же, как в зарядном устройстве или сварочном аппарате. Он использует диодный мост для ограничения распространения синусоидальной волны переменного тока только в одном направлении. В результате получается полностью выпрямленная форма волны переменного тока, которая интерпретируется цепью постоянного тока как собственная форма волны постоянного тока. Трехфазные преобразователи частоты принимают три отдельные фазы входного сигнала переменного тока и преобразуют их в один выход постоянного тока. Большинство трехфазных преобразователей частоты также могут принимать однофазное питание (230 В или 460 В), но, поскольку имеется только две входящие ветви, мощность преобразователей частоты (HP) должна быть снижена, поскольку вырабатываемый постоянный ток пропорционально уменьшается. С другой стороны, настоящие однофазные преобразователи частоты (те, которые управляют однофазными двигателями) используют однофазный вход и вырабатывают постоянный ток на выходе, пропорциональный входному сигналу.
Есть две причины, по которым трехфазные двигатели более популярны, чем их однофазные счетчики, когда дело доходит до работы с переменной частотой вращения. Во-первых, они предлагают гораздо более широкий диапазон мощности. Но не менее важна и их способность самостоятельно начинать ротацию. С другой стороны, однофазный двигатель часто требует некоторого внешнего вмешательства, чтобы начать вращение. В этом случае мы ограничим наше обсуждение трехфазными двигателями, используемыми в трехфазных преобразователях частоты.
Шина постоянного тока
Второй компонент, известный как шина постоянного тока (показан в центре иллюстрации), не виден и во всех преобразователях частоты, поскольку он не вносит непосредственного вклада в работу с переменной частотой. Но он всегда будет присутствовать в высококачественных преобразователях частоты общего назначения (производимых специализированными производителями преобразователей частоты). Не вдаваясь в подробности, скажу, что шина постоянного тока использует конденсаторы и катушку индуктивности для фильтрации переменного «пульсирующего» напряжения от преобразованного постоянного тока, прежде чем оно попадет в секцию инвертора. Он также может включать в себя фильтры, препятствующие гармоническим искажениям, которые могут поступать обратно в источник питания, питающий преобразователь частоты. Для выполнения этой задачи более старым преобразователям частоты и некоторым преобразователям частоты, специфичным для насосов, требуются отдельные линейные фильтры.
Инвертор
Справа от иллюстрации — «внутренности» преобразователя частоты. Инвертор использует три набора высокоскоростных переключающихся транзисторов для создания «импульсов» постоянного тока, которые имитируют все три фазы синусоидальной волны переменного тока. Эти импульсы определяют не только напряжение волны, но и ее частоту. Термин инвертор или инверсия означает «разворот» и просто относится к движению вверх и вниз генерируемой формы волны. Современный преобразователь частоты использует технологию, известную как «широтно-импульсная модуляция» (PWM), для регулирования напряжения и частоты. Мы рассмотрим это более подробно, когда рассмотрим выходной сигнал инвертора.
Другой термин, с которым вы, вероятно, сталкивались при чтении литературы или рекламы по преобразователям частоты, — «IGBT». IGBT относится к «биполярному транзистору с изолированным затвором», который является переключающим (или импульсным) компонентом инвертора. Транзистор (который заменил вакуумную лампу) выполняет две функции в нашем электронном мире. Он может действовать как усилитель и усиливать сигнал, как это происходит в радио или стереосистеме, или он может действовать как переключатель и просто включать и выключать сигнал. IGBT – это просто современная версия, которая обеспечивает более высокую скорость переключения (3000 — 16000 Гц) и меньшее тепловыделение. Более высокая скорость переключения приводит к повышению точности эмуляции волн переменного тока и снижению слышимого шума двигателя. Уменьшение выделяемого тепла означает меньшие теплоотводы и, следовательно, меньшую площадь преобразователя частоты.
Выход инвертора
На рисунке справа показана форма волны, генерируемой инвертором преобразователя частоты PWM, по сравнению с формой истинной синусоидальной волны переменного тока. Выходной сигнал инвертора состоит из серии прямоугольных импульсов с фиксированной высотой и регулируемой шириной. В данном конкретном случае имеется три набора импульсов — широкий набор в середине и узкий набор в начале и конце как положительной, так и отрицательной частей цикла переменного тока. Сумма площадей импульсов равна эффективному напряжению истинной волны переменного тока (мы обсудим эффективное напряжение через несколько минут). Если бы вы отрезали части импульсов выше (или ниже) истинной волны переменного тока и использовали их для заполнения пробелов под кривой, вы бы обнаружили, что они совпадают почти идеально. Именно таким образом преобразователь частоты управляет напряжением, поступающим на двигатель.
Сумма ширины импульсов и пробелов между ними определяет частоту волны (отсюда ШИМ или широтно-импульсная модуляция), воспринимаемой двигателем. Если бы импульс был непрерывным (т. Е. Без пробелов), частота все равно была бы правильной, но напряжение было бы намного больше, чем у истинной синусоидальной волны переменного тока. В зависимости от требуемого напряжения и частоты преобразователь частоты будет изменять высоту и ширину импульса, а также ширину промежутков между ними. Хотя внутренние компоненты, которые обеспечивают это, относительно сложны, результат получается элегантно простым!
Теперь некоторые из вас, вероятно, задаются вопросом, как этот «поддельный» переменный ток (на самом деле постоянный) может управлять асинхронным двигателем переменного тока. В конце концов, разве не требуется переменный ток, чтобы «индуцировать» ток и соответствующее ему магнитное поле в роторе двигателя? Ну, переменный ток вызывает индукцию естественным образом, потому что он постоянно меняет направление. Постоянный ток, с другой стороны, этого не делает, потому что он обычно остается неподвижным после включения цепи. Но постоянный ток может индуцировать ток, если его включать и выключать. Для тех из вас, кто достаточно взрослый, чтобы помнить, автомобильные системы зажигания (до появления твердотельного зажигания) имели набор точек в распределителе. Назначение очков состояло в том, чтобы «передавать» энергию от батареи в катушку (трансформатор). Это вызвало заряд в катушке, который затем увеличил напряжение до уровня, который позволил бы свечам зажигания сработать. Широкие импульсы постоянного тока, видимые на предыдущем рисунке, на самом деле состоят из сотен отдельных импульсов, и именно это движение включения и выключения выходного сигнала инвертора позволяет осуществлять индукцию через постоянный ток.
Эффективное напряжение
Мощность переменного тока — довольно сложная величина, и неудивительно, что Эдисон почти выиграл битву за то, чтобы сделать постоянный ток стандартом в США. К счастью, для нас все его сложности были объяснены, и все, что нам нужно сделать, это следовать правилам, изложенным теми, кто был до нас.
Одним из свойств, делающих переменный ток сложным, является то, что он непрерывно изменяет напряжение, переходя от нуля к некоторому максимальному положительному напряжению, затем обратно к нулю, затем к некоторому максимальному отрицательному напряжению, а затем снова к нулю. Как определить фактическое напряжение, приложенное к цепи? На рисунке слева изображена синусоидальная волна частотой 60 Гц и напряжением 120 В. Обратите внимание, однако, что его пиковое напряжение составляет 170 В. Как мы можем назвать это волной 120 В, если ее фактическое напряжение составляет 170 В? В течение одного цикла он начинается с 0 В и поднимается до 170 В, затем снова падает до 0. Он продолжает падать до -170, а затем снова поднимается до 0. Оказывается, что площадь зеленого прямоугольника, верхняя граница которого находится на 120 В, равна сумме площадей под положительной и отрицательной частями кривой. Может ли тогда 120 В быть средним значением? Ну, если бы вы усреднили все значения напряжения в каждой точке цикла, результат был бы приблизительно 108 В, так что это не должно быть ответом. Почему же тогда значение, измеренное с помощью VOM, равно 120 В? Это связано с тем, что мы называем «эффективным напряжением».