Πως λειτουργεί ένα Inverter ηλεκτρικού κινητήρα

Οι αντιστροφείς (Inverters)  είναι ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που έχουν σαν σκοπό τη μετατροπή μιας συνεχούς τάσης ή πηγής συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενη τάση με μεταβλητή συχνότητα και πλάτος, και για το λόγο αυτό πολλές φορές αναφέρονται και ως μετατροπείς D.C./A.C.

Χρησιμοποιούνται πάρα πολύ για τον έλεγχο της ταχύτητας, της ροπής, της εκκίνησης και του σταματήματος κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος.

Αν αυξήσω την τάση σε ένα κινητήρα αυξάνονται οι στροφές του και η ροπή του αλλά αυξάνεται και το ρεύμα που τραβάει.
Αν αυξήσω την συχνότητα αυξάνονται οι στροφές, μειώνεται το ρεύμα αλλά μειώνεται και η ροπή.

Τη λύση λοιπόν μας την δίνει ένα inverter με το οποίο έχουμε τη δυνατότητα να μεταβάλλουμε το λόγο της τάσης προς τη συχνότητα V/f  

Το κύκλωμα του inverter περιλαμβάνει: 

 Τον ανορθωτή.

 Το φίλτρο

 Τον αντιστροφέα.

     Το κύκλωμα ελέγχου του αντιστροφέα

ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ ΚΑΙ ΦΙΛΤΡΟ

Δουλειά του ανορθωτή είναι να μετατρέψει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή τάση σταθερού (μη ελεγχόμενος ανορθωτής) ή μεταβαλλόμενου (ελεγχόμενος ανορθωτής) πλάτους.

Ο ανορθωτής με την σειρά του μπορεί να χωριστεί  στις εξής κατηγορίες:

 Μονοφασικός ανορθωτής

 Σε ημιανορθωτή.

 Σε γέφυρα πλήρους ανόρθωσης.

Τριφασικός ανορθωτής

 Σε τριφασικό ημιανορθωτή. 

 Σε πλήρης τριφασικό ανορθωτή.

Υπάρχουν στην αγορά μονοφασικά inverter που είναι για μικρά τριφασικά μοτέρ, και τα τριφασικά inverter που προορίζονται για μεγαλύτερα μοτέρ.
Ο χαρακτηρισμός μονοφασικό ή τριφασικό, φανερώνει την τροφοδοσία τους, αν δηλαδή έχουν ως είσοδο μονοφασική τάση 230 volts ή τριφασική 400 volts .

Ο τριφασικός μη ελεγχόμενος ανορθωτής σε συνδεσμολογία γέφυρας είναι μια τυπική περίπτωση.

Όπως βλέπουμε και στο παραπάνω σχήμα  τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιεί είναι έξι δίοδοι σε συνδεσμολογία γέφυρας. Η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στο ότι η τριφασική εναλλασσόμενη τάση εισόδου πολώνει διαδοχικά ορθά τα ζεύγη διόδων που δεν βρίσκονται στον ίδιο κλάδο, οι οποίες άγουν αυθόρμητα (χωρίς έλεγχο). Η τάση στην έξοδο δεν είναι καθαρά συνεχής αλλά έχει μια κυμάτωση.

Για να γίνει η τάση καθαρά συνεχής περνάει από ένα φίλτρο που περιέχει συστοιχία πυκνωτών και πηνίων.

Επειδή οι δίοδοι είναι αυτοελεγχόμενες (άγουν αυθόρμητα μόλις πολωθούν ορθά) δεν υπάρχει κανένας έλεγχος της τάσης εξόδου.

Η μέση τιμή της συνεχούς τάσης που λαμβάνουμε στην έξοδο ενός μη ελεγχόμενου ανορθωτή  είναι: Vdc=1,654Vm όπου Vm το πλάτος της φασικής εναλλασσόμενης τάσης εισόδου.

Εάν επιπλέον επιθυμούμε και τον έλεγχο της τιμής της συνεχούς τάσης εξόδου θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κάποιο ελεγχόμενο ανορθωτή. Υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε ελεγχόμενο ανορθωτή με θυρίστορς στη θέση των διόδων, οπότε έχουμε τη δυνατότητα να ελέγξουμε την μέση τιμή της τάσης εξόδου μέσω της έναυσης των θυρίστορς.

Ο έλεγχος της τάσης εξόδου γίνεται μέσω κατάλληλου ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων. Έτσι ένας ελεγχόμενος ανορθωτής μπορεί να παρέχει τάση εξόδου οποιασδήποτε μέσης τιμής από 0V εώς και 1,654Vm.

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ

Ο Αντιστροφέας μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη μεταβλητής συχνότητας και πλάτους.

Περιέχει σαν διακοπτικά στοιχεία (ημιαγωγικούς διακόπτες) έξι τρανζίστορ ισχύος ή θυρίστορ γρήγορης απόκρισης Τ1 έως Τ6. Ένα ζεύγος διακοπτικών στοιχείων για κάθε φάση. Οι δίοδοι D1 έως D6, που είναι δίοδοι ελευθέρας ροής είναι και αυτοί γρήγορης απόκρισης και είναι για την προστασία των τρανζίστορ.

Από κάθε ζεύγος ημιαγωγικών διακοπτών ένα είναι υπεύθυνο για την παραγωγή της θετικής ημιπεριόδου της εναλλασσόμενης τάσης (μιας φάσης)και το άλλο για την παραγωγή της αρνητικής.

Στην έξοδο του αντιστροφέα λαμβάνουμε τριφασική εναλλασσόμενη τάση, η μορφή της οποίας εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο χειριζόμαστε τους ημιαγωγικούς διακόπτες.  Ο χειρισμό τους γίνεται μέσω κατάλληλης παλμοδότισης στην πύλη τους. Τα ημιαγωγικά στοιχεία έχουν κάποιο χρονικό διάστημα που άγουν. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται αποκλειστικά από την χρονική διάρκεια των παλμών. Ο μόνος περιορισμός που έχουμε είναι ότι τα διαστήματα αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων δεν πρέπει να συμπίπτουν μεταξύ τους γιατί τότε θα προκαλέσουν βραχυκύκλωμα. 

Ανάλογα την διάρκεια αγωγής των θυρίστορ διακρίνουμε δύο κύριες μεθόδους  ελέγχου που καθορίζουν και τις καταστάσεις λειτουργίας τους: 

1. Λειτουργία με Τετραγωνικό Παλμό Τάσης και 

2. Λειτουργία Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (Pulse Width Modulation – PWM)

Λειτουργία με τετραγωνικό παλμό τάσης 

Στην λειτουργία αυτή η φασική τάση εξόδου του αντιστροφέα έχει την μορφή τετραγωνικού παλμού από όπου έχει πάρει και την ονομασία του. Η θεμελιώδης αρμονική συνιστώσα του τετραγωνικού παλμού που είναι ημιτονοειδής προσεγγίζει την επιθυμητή ημιτονοειδή τάση εξόδου. Η πραγματική τάση εξόδου όμως, που είναι τετραγωνικός παλμός, φέρει πέραν της θεμελιώδους  αρμονικής συνιστώσας και όλο εκείνο το ανώτερο αρμονικό περιεχόμενο που συνεπάγεται κάθε τετραγωνικός παλμός.  

Η λειτουργία του αντιστροφέα με τετραγωνικό παλμό τάσης είναι ιδιαίτερα απλή. Επιτρέπει τον εύκολο έλεγχό του και παρουσιάζει πολύ μικρές διακοπτικές απώλειες, καθώς γίνονται μόνο έξι μεταγωγές των ημιαγωγικών διακοπτών ανά περίοδο. Ταυτόχρονα αποτελεί μια ουσιαστική και μια απλή προσέγγιση για την κατανόηση της λειτουργίας του αντιστροφέα. Η λειτουργία αυτή, όμως, στην πράξη συνήθως δεν χρησιμοποιείται καθώς παρουσιάζει ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα και κυρίως μεγάλες αρμονικές συνιστώσες στο ρεύμα και στην τάση, χαμηλών γενικά συχνοτήτων. Συνεπώς προκαλεί μεγάλη αρμονική παραμόρφωση στην τάση και στο ρεύμα, η οποία για να μειωθεί απαιτεί τη χρήση ογκωδέστατων και ακριβών βαθυπερατών φίλτρων.  

Λειτουργία Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (Pulse Width Modulation – PWM)

H διαμόρφωση εύρους παλμού (pulse –width modulation – PWM) είναι μια διαδικασία κατά την οποία ρυθμίζεται το εύρος των παλμών μιας  παλμοσειράς ανάλογα με το πλάτος ενός μικρού σήματος ελέγχου.

Οι παλμοί δίνονται από τα διακοπτικά στοιχεία. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος της τάσης ελέγχου, τόσο μεγαλύτερο εύρος έχουν οι παλμοί που παράγονται.

Η τεχνική αυτή στηρίζεται στη δυνατότητα που μας παρέχει ο αντιστροφέας για έλεγχο της τάσης εξόδου και ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της αρμονικής παραμόρφωσης μέσω του πολύ γρήγορου χειρισμού των ημιαγωγικών του διακοπτών. Από τον χειρισμό αυτό δημιουργούνται θετικοί και αρνητικοί παλμοί μεταβλητής διάρκειας και στόχος είναι να παράγουμε πολλούς παλμούς τέτοιου εύρους κάθε φορά, ώστε η τάση εξόδου κάθε στιγμή να προσεγγίζει την επιθυμητή ή την ισοδύναμα η προκύπτουσα κυματομορφή της τάσης εξόδου να προσεγγίζει την επιθυμητή  κυματομορφή της τάσης εξόδου. Τελικός σκοπός της διαμόρφωσης αυτής είναι ο έλεγχος της μέσης τιμής της τάσης εξόδου

Η χρονική διάρκεια και συχνότητα ανοιγοκλεισίματος των διακοπτικών στοιχείων καθορίζει και τη μεταβολή της συχνότητας και τάσης στον κινητήρα με σκοπό τη ρύθμιση των στροφών του.

ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ

Περιέχει ένα μικροεπεξεργαστή στη μνήμη του οποίου μπορούμε να γράψουμε διάφορες ρυθμίσεις και έτσι να αναγνωρίζει στιγμιαία τα χαρακτηριστικά του κινητήρα και να αυτοπροσαρμόζεται, να δίνει επιπλέον ροπή στην εκκίνηση και όταν αυτή ζητηθεί από το φορτίο.

Δείτε και ένα άλλο ολοκληρωμένο video