Частотный преобразователь. Как работает?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно вспомнить (или узнать), какие характеристики есть у электрического тока. Если просто и своими словами, то основные характеристики это:

Напряжение — это разница потенциалов между положительно и отрицательно заряженными концами проводника. Измеряется в вольтах, обозначается заглавной латинской буквой U

Сила тока — это количество заряда, проходящее через проводник за единицу времени. Измеряется в Амперах, обозначается заглавной латинской I.

Умножив I на U, мы получим электрическую мощность. Она обозначается латинской P, тоже заглавной, и измеряется в ваттах.

На самом деле формула P=I*U – упрощённая и подходит для расчётов только постоянного тока. Для расчёта мощности переменного тока в формулу нужно ввести дополнительный коэффициент cosφ. Однако, мы в эти дебри углубляться не будем, т. к. уже подошли к основной мысли вступления: ток бывает постоянным и переменным. В первом случае заряд всегда протекает от условного плюса к условному минусу, а во втором случае заряд движется возвратно-поступательно, то есть от условного плюса к условному минусу, а затем в обратную сторону. Поэтому в случае с переменным током оперируют не понятиями «плюс» и «минус» источника, а «ноль» и «фаза». Ноль имеет постоянный потенциал, который, как уже понятно из названия, приравнивается к нулю, а потенциал фазы постоянно меняется в обе стороны относительно нуля. Если представить график с напряжением по оси y и временем по оси x, то постоянный ток будет представлять собой прямую линию, а переменный — синусоиду. Так они обычно и обозначаются на розетках и электроприборах:

Количество колебаний «ноль-плюс-ноль-минус-ноль» называют частотой переменного тока и измеряют в Герцах. В наших розетках ток регламентирован по напряжению — 220 В и по частоте — 50 Гц.

Большинство водяных насосов имеют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Для их работы нужен переменный ток, т. к. ротор двигателя вращается переменным магнитным полем, а для создания переменного магнитного поля ток тоже должен быть переменным. Если мы умножим 50 Гц из розетки на 60 секунд в минуте, то получим 3000 оборотов. Иногда именно это число указывают на двигателях, но чаще на них указывают фактическое количество оборотов (за вычетом потерь) — 2850.

Самое время вернуться к вопросу, который мы задали в начале разговора: каким образом можно изменить мощность насоса? Вспоминая формулу расчёта мощности, можно предложить изменять напряжение. Если снизить напряжение, мощность двигателя снизится? Да, конечно, но! Во-первых снижение напряжения попросту опасно для двигателя, т. к. при этом сила тока в обмотках увеличивается, что может привести к чрезмерному перегреву обмоток с дальнейшим разрушением изоляции и коротким замыканием. Во-вторых снизить напряжение переменного тока с одной стороны несложно — для этого есть трансформаторы — с другой стороны понижение напряжения через трансформатор статично, то есть будут всего две рабочих точки: точка нормального напряжения и точка сниженного напряжения. И никаких градиентов между ними. Как же быть?

А что, если снизить частоту вращения вала насоса? Изменится ли мощность? Да, изменится. Чем быстрее вращается вал двигателя, тем большее количество воды успеет перекачать насос за единицу времени. Осталось дело за малым — изменить частоту переменного тока. Но как?

Ответ неочевиден: чтобы изменить частоту переменного тока, нужно переменный ток выпрямить, а затем снова «согнуть», но уже с нужной нам частотой. И в этом нам поможет ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция), или, если говорить проще, изменение ширины импульса. «Что за импульс?» — спросите вы. А вот тут нужно поподробнее.

Если мы включим 10-ваттную лампу на полчаса, а затем выключим ещё на полчаса, какую мощность потребит лампа в Ватт-часах? Разумеется 10/2=5 Вт/ч. А если мы будем включать лампу каждые полминуты и поминуты давать отдохнуть? Те же 5 Вт/ч. А если полсекунды или даже пол-миллисекунды? Да, собственно всё то же самое. Если же мы задерём скорость включения лампы до нескольких тысяч или даже десятков тысяч раз в секунду, то глаз перестанет замечать периоды освещённости и темноты. Они для нас сольются в один полуосвещённый период, т. к. физику же не обманешь — лампа работает только в половину своей мощности, поэтому и количество света, воспринимаемого глазом, будет вдвое слабее, чем, когда лампа включена постоянно. Собственно одно включение лампы в данном примере — это и есть один импульс. Однако, используя ШИМ, мы не ограничены только половинной мощностью. Мы же можем включить лампу на ¾ периода, а выключить на ¼. Таким образом мы получим лампу, работающую на 75% своей мощности или наоборот при включении лампы на ¼, а выключении на ¾ — работающую на 25%. И так далее. Подведём промежуточный итог: изменяя ширину (продолжительность) импульса, мы можем регулировать мощность электроприбора. Одна загвоздка, чтобы точно рассчитать мощность, которую мы получим, нужно, чтобы импульсы были одинаковыми по напряжению, то есть ток должен быть постоянным и однополярным. Засада… с постоянным током асинхронные двигатели не работают. На самом деле данная задача решается несложно: при помощи ШИМ мы «изгибаем» постоянный ток до переменного. Давайте рассмотрим весь процесс с начала. Переменный ток из розетки мы выпрямляем (устройства выпрямителей касаться не будем, статья и так вышла большой) полупериодными выпрямителями и получаем на выходе точки с условными плюс 220 вольт, 0 вольт и минус 220 вольт. Условными потому, что на самом деле пиковые значения напряжения в розетке заметно выше. Затем в дело вступает ШИМ. Сначала, формируя положительную полуволну, специальные ключи начинают подавать на двигатель импульсы между нулём и +220 В с минимальной шириной импульса, стремящейся к нулю. Таким образом имитируется переход через ноль. Затем ширина импульсов плавно увеличивается имитируя повышение напряжения до номинала, то есть +220 В. Затем ширина импульсов начинает постепенно снижаться, имитируя снижение до нуля. После формирования положительной полуволны всё то же самое происходит для отрицательной волны но уже между -220 В и нулём. В итоге получается эффект аналогичный волне из розетки, но с нужной нам частотой.

И частотой импульсов и их шириной через открытие транзисторных ключей, управляют микропроцессоры. Они же обрабатывают данные с датчиков и отвечают за пользовательский интерфейс и настройки автоматики. Разумеется все настройки в таких автоматических системах производятся в цифровом виде, никаких пружин, винтов и прочей механики.

Если за частоту и ширину импульсов отвечают процессоры, их можно запрограммировать. Вот их и программируют так, чтобы на выходе синусоида переменного тока формировалась с частотой не 50 Гц (как в розетке), а с любой нужной нам. Если частота тока ниже, скорость вращения вала двигателя тоже ниже. А раз ниже скорость вращения вала, то и количество воды, перекачиваемой насосом за единицу времени, меньше. Таким образом, процессор, обрабатывая данные с датчиков просто задаёт частоту тока и через неё регулирует подачу воды.

Надеюсь, данная статья хоть немного помогла разобраться в принципах работы таких интересных и полезных устройств, как частотные преобразователи частоты.