Как из переменного тока получить постоянный, а из постоянного синус любой частоты? Собирай выпрямитель, меняй скважность ШИМ и частоту инвертора и смотри на осциллограммы.
Диодный мост превращает переменный ток в постоянный, конденсатор сглаживает пульсации. Транзистор IGBT работает как очень быстрый выключатель: тысячи раз в секунду открывается и закрывается. Если открыть его на четверть времени, на двигатель в среднем придет четверть напряжения, а тепла в ключе почти не выделится. Мост из четырех или шести таких ключей с синусоидальной ШИМ делает из постоянного напряжения переменное нужной частоты: это инвертор частотного преобразователя.
У каждой схемы своя главная формула: выпрямитель дает среднее от синусоиды, ШИМ делит напряжение по времени, инвертор строит синус из импульсов. Числа берутся из опыта. Выпрямитель можно собрать и проверить в конструкторе схем.
Сколько вольт даст выпрямитель?
Среднее значение выпрямленной мостом синусоиды равно 2√2 / π ≈ 0,9 от действующего. Один диод дает вдвое меньше: 0,45 · U. С конденсатором напряжение поднимается почти до амплитуды √2 · U.
Как транзистор делит напряжение?
Среднее напряжение на нагрузке пропорционально доле времени, в течение которой ключ открыт. Индуктивность обмотки сглаживает ток, и двигатель чувствует только среднее. Чем выше частота ШИМ, тем меньше пульсации тока.
Какое переменное напряжение даст инвертор?
Ширина импульсов меняется по синусу задания. В среднем за каждый короткий период несущей получается значение синуса, поэтому первая гармоника выходного напряжения повторяет задание: ее частота это частота синуса, а амплитуда пропорциональна глубине модуляции.
Можно снизить напряжение на двигателе реостатом. Но тогда на реостате выделяется мощность I² · R, и при половинной скорости в тепло уходит почти столько же, сколько получает двигатель. Так раньше и было: пусковые резисторы экскаваторов и электровозов краснели от жара.
Ключ работает иначе. Когда он открыт, ток большой, но напряжение на нем около 2 В. Когда закрыт, напряжение большое, но тока нет. Мощность U · I в обоих состояниях мала, а теряется энергия только в короткие моменты переключения. КПД современного частотника 97–98 %.
Двигатель реагирует не на каждый импульс, а на среднее: его обмотка это катушка, и ток в ней не успевает меняться за микросекунды. Поэтому из прямоугольных импульсов получается гладкий ток. Как это используется в карьерном самосвале, разобрано в теме «Дизель-электрический привод карьерного самосвала».
Генератор дизеля дает переменный ток, выпрямитель делает постоянное звено, а инверторы на IGBT питают мотор-колеса током нужной частоты. При торможении энергия идет обратно и сгорает в тормозных резисторах.
Тот же выпрямитель, звено и инвертор, только от сети 380 В или 6 кВ. Скорость регулируется частотой, пуск мягкий, а насос не гоняет лишнюю воду.
Генератор автомобиля и самосвала вырабатывает переменный ток, а диодный мост внутри него заряжает аккумулятор 24 В постоянным током.
Сеть выпрямляется, ключи режут постоянное напряжение на частоте десятков килогерц, маленький трансформатор понижает его, и снова выпрямляется. Аппарат легче старого трансформаторного в несколько раз.
Вентилятор охлаждения двигателя и кондиционер кабины управляются ШИМ: блок управления меняет скважность и плавно меняет обороты.
Пробитый диод моста или высохший конденсатор звена дают пульсации и сбои. Их ищут осциллографом и тестером: у исправного диода в одну сторону 0,5–0,7 В, в другую обрыв.
Выпрямитель считается ядром CircuitCore по тем же схемам, что в конструкторе: сеть 24 В 50 Гц, диод это ключ с порогом 0,7 В, нагрузка резистор, показаны два периода после установления. ШИМ-регулятор: постоянное звено 540 В, идеальный ключ, нагрузка R = 2 Ом и L = 20 мГн, обратный диод 0,7 В. Инвертор: однофазный мост, двухполярная синусоидальная ШИМ, нагрузка R = 3 Ом и L = 30 мГн. Чтобы импульсы было видно, частота несущей взята всего в 15 раз выше выходной; в настоящих частотниках 2–16 кГц, и ток почти идеально синусоидальный. Потери переключения, мертвое время и нагрев ключей не учитываются.