Denník N

Čo je frekvenčný menič? Ako funguje?

frekvencny menic vybo

Prevádzka s premenlivou frekvenciou je v podobe generátora striedavého prúdu známa už od vzniku indukčného motora. Zmeňte rýchlosť otáčania generátora a zmeníte jeho výstupnú frekvenciu. Pred nástupom vysokorýchlostných tranzistorov to bola jedna z mála dostupných možností zmeny otáčok motora, avšak zmeny frekvencie boli obmedzené, pretože zníženie otáčok generátora znížilo výstupnú frekvenciu, ale nie napätie.

V našom odvetví boli v minulosti aplikácie pre čerpanie s premenlivou rýchlosťou oveľa zložitejšie ako dnes. Jednou z jednoduchších metód bolo použitie viacpólového motora, ktorý bol navinutý takým spôsobom, ktorý umožňoval spínačom (alebo spínačmi) meniť počet pólov statora, ktoré boli v danom čase aktívne. Rýchlosť otáčania sa mohla meniť ručne alebo pomocou snímača pripojeného k spínačom.

Tento spôsob sa stále používa v mnohých aplikáciách na čerpanie s premenlivým prietokom. Príkladom sú obehové čerpadlá teplej a chladenej vody, bazénové čerpadlá a ventilátory a čerpadlá chladiacich veží. Niektoré domáce posilňovacie čerpadlá používali na zmenu otáčok čerpadla na základe spätnej väzby z tlakového membránového ventilu systémy s fluidným pohonom alebo variabilným remeňovým pohonom (akási automatická prevodovka). A niekoľko ďalších bolo ešte zložitejších.

Na základe obručí, ktorými sme museli v minulosti preskakovať, je celkom zrejmé, prečo príchod moderného frekvenčného meniča spôsobil revolúciu (ďalšia slovná hračka) v prostredí čerpadiel s premenlivou rýchlosťou. Dnes stačí nainštalovať relatívne jednoduchú elektronickú skrinku (ktorá často nahrádza zložitejšie spúšťacie zariadenie) na mieste použitia a zrazu môžete buď manuálne, alebo automaticky meniť otáčky čerpadla podľa svojich predstáv.

Pozrime sa teda na komponenty frekvenčného meniča a zistime, ako vlastne spoločne fungujú pri zmene frekvencie, a tým aj otáčok motora. Myslím, že budete prekvapení jednoduchosťou tohto procesu. Stačilo, aby dozrelo polovodičové zariadenie, ktoré poznáme pod názvom tranzistor.

Komponenty frekvenčného meniča

Usmerňovač

Keďže je ťažké zmeniť frekvenciu striedavej sínusoidy, keď je v režime striedavého prúdu, prvou úlohou frekvenčného meniča je previesť vlnu na jednosmerný prúd. Ako uvidíte o niečo neskôr, je pomerne jednoduché manipulovať s jednosmerným prúdom tak, aby vyzeral ako striedavý. Prvou súčasťou všetkých frekvenčných meničov je zariadenie známe ako usmerňovač alebo konvertor a je znázornené na ľavej strane nasledujúceho obrázku.

usmernovac frekvencneho menica
Usmerňovač frekvenčného meniča

Súvisiace produkty: frekvenční měniče 400V, frekvenční měnič na čerpadlo, frekvenční měnič 1,5kW, 2,2kW, 3kW, 4kW, elektromotory 900 ot


Obvod usmerňovača premieňa striedavý prúd na jednosmerný a robí to podobným spôsobom ako obvody nabíjačky batérií alebo oblúkovej zváračky. Používa diódový mostík, ktorý obmedzuje šírenie striedavej sínusovej vlny len v jednom smere. Výsledkom je úplne usmernená forma striedavého vlnenia, ktorú jednosmerný obvod interpretuje ako pôvodnú formu jednosmerného vlnenia. Trojfázové frekvenčné meniče prijímajú tri samostatné vstupné fázy striedavého prúdu a konvertujú ich na jeden jednosmerný výstup.

Väčšina trojfázových frekvenčných meničov môže prijímať aj jednofázové (230 V alebo 460 V) napájanie, ale keďže sú len dve vstupné vetvy, výstup frekvenčného meniča (HP) musí byť znížený, pretože produkovaný jednosmerný prúd sa úmerne znižuje. Na druhej strane, skutočné jednofázové frekvenčné meniče (tie, ktoré riadia jednofázové elektromotory) využívajú jednofázový vstup a produkujú jednosmerný výstup, ktorý je úmerný vstupu.

Existujú dva dôvody, prečo sú trojfázové elektromotory obľúbenejšie ako ich jednofázové náprotivky, pokiaľ ide o prevádzku s premenlivými otáčkami. Po prvé, ponúkajú oveľa širší rozsah výkonu. Ale rovnako dôležitá je aj ich schopnosť začať sa otáčať samostatne. Na druhej strane, jednofázový elektromotor často vyžaduje na začatie otáčania nejaký vonkajší zásah. V tomto prípade obmedzíme našu diskusiu na trojfázové elektromotory používané na trojfázových frekvenčných meničoch.

Zbernica jednosmerného prúdu

Druhý komponent, známy ako zbernica jednosmerného prúdu (znázornený v strede obrázku), nie je vidieť a vo všetkých frekvenčných meničoch, pretože sa priamo nepodieľa na prevádzke s premenlivou frekvenciou. Vždy však bude prítomná vo vysokokvalitných frekvenčných meničoch na všeobecné použitie (tých, ktoré vyrábajú špecializovaní výrobcovia frekvenčných meničov).

Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností, jednosmerná zbernica používa kondenzátory a induktor na filtrovanie striedavého „zvlneného“ napätia z konvertovaného jednosmerného prúdu pred jeho vstupom do časti meniča. Môže obsahovať aj filtre, ktoré bránia harmonickému skresleniu, ktoré sa môže vrátiť do zdroja napájania frekvenčného meniča. Staršie frekvenčné meniče a niektoré frekvenčné meniče špecifické pre čerpadlá vyžadujú na splnenie tejto úlohy samostatné sieťové filtre.

Menič

Vpravo na obrázku sú „vnútornosti“ frekvenčného meniča. Menič využíva tri sady vysokorýchlostných spínacích tranzistorov na vytvorenie jednosmerných „impulzov“, ktoré napodobňujú všetky tri fázy striedavého sínusového prúdu. Tieto impulzy určujú nielen napätie vlny, ale aj jej frekvenciu. Pojem invertor alebo inverzia znamená „zvrat“ a jednoducho sa vzťahuje na pohyb generovanej vlny nahor a nadol. Moderný frekvenčný menič invertor používa na reguláciu napätia a frekvencie techniku známu ako „pulzno-šírková modulácia“ (PWM). Podrobnejšie sa ňou budeme zaoberať, keď sa pozrieme na výstup meniča.

Ďalším pojmom, na ktorý ste pravdepodobne narazili pri čítaní literatúry o frekvenčných meničoch alebo v reklamách, je „IGBT“. IGBT označuje „bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom“, ktorý je spínacou (alebo pulzujúcou) zložkou meniča. Tranzistor (ktorý nahradil elektrónku) plní v našom elektronickom svete dve funkcie. Môže fungovať ako zosilňovač a zvyšovať signál, ako je to v rádiu alebo stereu, alebo môže fungovať ako spínač a jednoducho zapínať a vypínať signál. IGBT je jednoducho moderná verzia, ktorá poskytuje vyššie spínacie rýchlosti (3000 – 16000 Hz) a znižuje produkciu tepla. Vyššia rýchlosť spínania má za následok zvýšenú presnosť emulácie striedavých vĺn a zníženie počuteľného hluku elektromotora. Zníženie generovaného tepla znamená menšie chladiče, a tým aj menšiu plochu frekvenčného meniča.

Výstup meniča

Priebeh vlny PWM frekvenčného meničaObrázok vpravo ukazuje priebeh vlny generovanej meničom frekvenčného meniča s PWM v porovnaní s priebehom skutočnej sínusovej vlny striedavého prúdu. Výstup meniča pozostáva zo série obdĺžnikových impulzov s pevnou výškou a nastaviteľnou šírkou. V tomto konkrétnom prípade sú tri sady impulzov – široká sada uprostred a úzka sada na začiatku a na konci kladnej aj zápornej časti cyklu striedavého prúdu. Súčet plôch impulzov sa rovná efektívnemu napätiu skutočnej striedavej vlny (o efektívnom napätí budeme hovoriť o niekoľko minút). Ak by ste odrezali časti impulzov nad (alebo pod) skutočnou striedavou vlnou a použili ich na vyplnenie prázdnych miest pod krivkou, zistili by ste, že sa takmer dokonale zhodujú. Práve týmto spôsobom riadi frekvenčný menič napätie idúce do elektromotora.

napatie do elektromotora
Frekvenčný menič riadi napätie idúce do elektromotora

Prečítajte si tiež o: frekvenční měnič 400V, frekvenčné měnič 380V,400V, elektromotor 700 ot, šnekové převodovky


Súčet šírky impulzov a prázdnych miest medzi nimi určuje frekvenciu vlny (preto PWM alebo pulzno-šírková modulácia), ktorú vidí elektromotor. Ak by bol impulz súvislý (t. j. bez prázdnych miest), frekvencia by bola stále správna, ale napätie by bolo oveľa väčšie ako pri skutočnej striedavej sínusoide. V závislosti od požadovaného napätia a frekvencie bude frekvenčný menič meniť výšku a šírku impulzu a šírku prázdnych medzier medzi nimi. Hoci vnútorné mechanizmy, ktoré to umožňujú, sú pomerne zložité, výsledok je elegantne jednoduchý!

Niektorí z vás sa teraz pravdepodobne pýtajú, ako môže tento „falošný“ striedavý (v skutočnosti jednosmerný) prúd poháňať striedavý indukčný elektromotor. Nie je predsa len potrebný striedavý prúd, aby sa v rotore motora „indukoval“ prúd a jemu zodpovedajúce magnetické pole? No striedavý prúd prirodzene spôsobuje indukciu, pretože neustále mení smer. Na druhej strane jednosmerný prúd nespôsobuje, pretože po aktivácii obvodu je normálne nehybný.

Ale jednosmerný prúd môže indukovať prúd, ak sa zapína a vypína. Tí z vás, ktorí sú dostatočne starí na to, aby si to pamätali, si pamätajú, že automobilové zapaľovacie systémy (pred nástupom polovodičového zapaľovania) mali v rozdeľovači sadu hrotov. Účelom bodov bolo „pulzovať“ napájanie z batérie do cievky (transformátora). Tým sa v cievke indukoval náboj, ktorý potom zvýšil napätie na úroveň umožňujúcu zapálenie zapaľovacích sviečok. Široké impulzy jednosmerného prúdu, ktoré vidno na predchádzajúcom obrázku, sa v skutočnosti skladajú zo stoviek jednotlivých impulzov a práve tento zapínací a vypínací pohyb výstupu meniča umožňuje indukciu prostredníctvom jednosmerného prúdu.

Efektívne napätie

Striedavý prúd je pomerne zložitá veličina a nie je divu, že Edison takmer vyhral boj o to, aby sa jednosmerný prúd stal v USA štandardom. Našťastie pre nás boli všetky jej zložitosti vysvetlené a jediné, čo musíme urobiť, je dodržiavať pravidlá, ktoré stanovili tí pred nami.

Jedným z atribútov, ktoré robia striedavý prúd zložitým, je to, že sa pri ňom neustále mení napätie, prechádza z nuly na určité maximálne kladné napätie, potom späť na nulu, potom na určité maximálne záporné napätie a potom opäť späť na nulu. Ako sa dá určiť skutočné napätie privádzané do obvodu? Na obrázku vľavo je znázornená sínusoida s frekvenciou 60 Hz a napätím 120 V.

Všimnite si však, že jej špičkové napätie je 170 V. Ako môžeme túto vlnu nazvať vlnou 120 V, ak jej skutočné napätie je 170 V? Počas jedného cyklu začína na 0V a stúpa na 170V, potom opäť klesá na 0. Pokračuje v klesaní na -170 a potom opäť stúpa na 0. Ukazuje sa, že plocha zeleného obdĺžnika, ktorého horná hranica je na 120V, sa rovná súčtu plôch pod kladnou a zápornou časťou krivky. Mohlo by teda 120 V predstavovať priemer? No, ak by ste spriemerovali všetky hodnoty napätia v každom bode v celom cykle, výsledok by bol približne 108 V, takže to nesmie byť odpoveď. Prečo je teda hodnota nameraná pomocou VOM 120V? Súvisí to s niečím, čo nazývame „efektívne napätie„.

 

Efektívne napätie
Efektívne napätie

Ak by ste merali teplo, ktoré produkuje jednosmerný prúd tečúci cez odpor, zistili by ste, že je väčšie ako teplo produkované ekvivalentným striedavým prúdom. Je to spôsobené tým, že striedavý prúd si neudržiava konštantnú hodnotu počas celého svojho cyklu. Ak by ste to urobili v laboratóriu za kontrolovaných podmienok a zistili, že určitý jednosmerný prúd vytvára nárast tepla o 100 stupňov, jeho ekvivalentný striedavý prúd by vytvoril nárast o 70,7 stupňov alebo len 70,7 % hodnoty jednosmerného prúdu.

Efektívna hodnota striedavého prúdu je teda 70,7 % hodnoty jednosmerného prúdu. Ukázalo sa tiež, že efektívna hodnota striedavého napätia sa rovná druhej odmocnine zo súčtu štvorcov napätia v prvej polovici krivky. Ak by bolo špičkové napätie 1 a vy by ste merali každé z jednotlivých napätí od 0° do 180°, efektívne napätie by bolo 0,707 špičkového napätia. 0,707 krát vrcholové napätie 170 viditeľné na obrázku sa rovná 120 V. Toto efektívne napätie je známe aj ako stredná kvadratická hodnota alebo RMS napätie. Z toho vyplýva, že špičkové napätie bude vždy 1,414 efektívneho napätia. Striedavý prúd 230 V má špičkové napätie 325 V, zatiaľ čo 460 má špičkové napätie 650 V. Účinky špičkového napätia si ukážeme o niečo neskôr.

No, asi som o tom hovoril dlhšie, ako bolo potrebné, ale chcel som, aby ste získali predstavu o efektívnom napätí, aby ste pochopili nasledujúci obrázok. Okrem zmeny frekvencie musí frekvenčný menič meniť aj napätie, hoci napätie nemá nič spoločné s rýchlosťou, ktorou pracuje striedavý elektromotor.

Zmena napätia
Zmena napätia

Na obrázku sú znázornené dve sínusoidy striedavého napätia 460 V. Červená je 60 Hz krivka, zatiaľ čo modrá je 50 Hz. Obe majú špičkové napätie 650 V, ale 50 Hz krivka je oveľa širšia. Ľahko vidíte, že plocha pod prvou polovicou (0 – 10 ms) 50hz krivky je väčšia ako plocha pod prvou polovicou (0 – 8,3 ms) 60hz krivky. A keďže plocha pod krivkou je úmerná efektívnemu napätiu, jej efektívne napätie je vyššie. Tento nárast efektívneho napätia je s klesajúcou frekvenciou ešte výraznejší.

Ak by 460V elektromotor mohol pracovať pri týchto vyšších napätiach, jeho životnosť by sa mohla podstatne znížiť. Preto musí frekvenčný menič neustále meniť „špičkové“ napätie vzhľadom na frekvenciu, aby sa udržalo konštantné efektívne napätie. Čím nižšia je prevádzková frekvencia, tým nižšie je špičkové napätie a naopak. Z tohto dôvodu sú 50hz motory, ktoré sa používajú v Európe a v niektorých častiach Kanady, dimenzované na 380 V. Vidíte, hovoril som vám, že striedavý prúd môže byť trochu zložitý!

Teraz by ste mali celkom dobre rozumieť fungovaniu frekvenčného meniča a tomu, ako riadi otáčky elektromotora. Väčšina frekvenčných meničov ponúka používateľovi možnosť manuálneho nastavenia rýchlosti elektromotora pomocou viacpolohového prepínača alebo klávesnice, alebo použitie snímačov (tlaku, prietoku, teploty, hladiny atď.) na automatizáciu tohto procesu.


Zdroj: frequencyinverter.org, elements.envato.com

 

Teraz najčítanejšie