Asynchronní motory s klecí jsou nejběžnější třífázové motory používané v komerčních a průmyslových aplikacích. Preferovanou metodou regulace otáček u asynchronních motorů s klecovým vinutím je změna frekvence napájecího napětí.
Vzhledem k tomu, že základem činnosti pohonu je změna frekvence přiváděné do motoru za účelem změny otáček, je nejvhodnějším názvem pro tento systém měnič frekvence (VFD). Pro tento typ pohonu se však používají i jiné názvy: pohon s nastavitelnou rychlostí (ASD), pohon s nastavitelnou frekvencí (AFD), pohon s proměnnou rychlostí (VSD) a frekvenční měnič (FC).
VFD řídí otáčky, točivý moment a směr střídavého indukčního motoru. Přijímá střídavý vstup s pevným napětím a frekvencí a převádí jej na střídavý výstup s proměnným napětím a frekvencí. Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma typického třífázového regulátoru frekvenčního měniče. Funkce jednotlivých bloků je následující:
- Převodník: Usměrňovač, který převádí přiváděný střídavý proud na stejnosměrný.
- Stejnosměrná sběrnice: Síťová sběrnice označovaná také jako stejnosměrný článek, spojuje výstup usměrňovače se vstupem měniče. Stejnosměrná sběrnice funguje jako filtr, který vyhlazuje nerovnoměrný, zvlněný výstup, aby se zajistilo, že usměrněný výstup se co nejvíce podobá čistému stejnosměrnému proudu.
- Střídač: Střídač odebírá filtrovaný stejnosměrný proud ze stejnosměrné sběrnice a převádí jej na pulzující stejnosměrný průběh. Řízením výstupu střídače může pulzující stejnosměrný průběh simulovat střídavý průběh na různých frekvencích.
- Řídicí logika: Systém řídicí logiky generuje potřebné impulsy, které se používají k řízení zapálení výkonových polovodičových součástek, jako jsou tranzistory. Poměrně složité řídicí obvody koordinují spínání výkonových zařízení, obvykle prostřednictvím řídicí desky. Pro všechny vnitřní logické a rozhodovací požadavky se používá vestavěný mikroprocesor.
Měnič je obvykle třífázový, plnovlnný můstkový usměrňovač. Jednou z výhod frekvenčních měničů je však možnost provozovat třífázový střídavý motor z jednofázového střídavého zdroje. Klíčem k tomuto procesu je usměrnění střídavého vstupu na stejnosměrný výstup. V tomto bodě usměrnění nemá stejnosměrné napětí žádnou fázovou charakteristiku; VFD jednoduše vytváří filtrovaný pulzující průběh stejnosměrného napětí. Měnič invertuje stejnosměrný průběh do tří různých signatur pulzně šířkově modulovaného průběhu, které kopírují střídavý třífázový průběh. Úrovně vstupního střídavého napětí, které se liší od úrovně požadované pro provoz motoru, vyžadují, aby část měniče zvýšila nebo snížila napětí na správnou provozní úroveň motoru.
VFD nabízí alternativu k jiným formám přeměny energie v oblastech, kde není k dispozici třífázové napájení. Vzhledem k tomu, že převádí vstupní střídavý proud na stejnosměrný, je VFD skutečně jedno, zda je jeho zdroj jednofázový nebo třífázový. Bez ohledu na vstupní napájení bude jeho výstup vždy třífázový. Velikost pohonu je však faktorem, protože musí být schopen usměrnit jednofázový zdroj s vyšším proudem. Většina výrobců zpravidla doporučuje zdvojnásobit běžnou třífázovou kapacitu pohonu, který bude pracovat na jednofázovém vstupu.
Jednofázový provoz je omezen na motory s menším výkonem. Někteří výrobci nabízejí některé modely pouze pro jednofázový vstup a jiné, které jsou plně dimenzovány pro jednofázový i třífázový vstup.
Měnič je konečnou výstupní sekcí měniče frekvence. Jedná se o místo, kde se v určitých intervalech zapíná a vypíná stejnosměrné napětí sběrnice. Přitom se stejnosměrná energie mění na tři průběhy střídavé energie, které střídavý motor využívá k provozu. Dnešní měniče používají k zapínání a vypínání stejnosměrné sběrnice bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT). Na obr. 2 je znázorněno zjednodušené schéma tří částí měniče s proměnnými otáčkami. Řídicí logika a sekce měniče řídí výstupní napětí a frekvenci motoru. V sekci měniče je použito šest spínacích tranzistorů. Řídicí logika používá mikrokontrolér, který tranzistory zapíná a vypíná ve správný čas. Hlavním cílem VFD je měnit otáčky motoru a zároveň zajistit co největší přiblížení k sinusovému průběhu proudu.
V nejjednodušším provedení obvodu jsou dva IGBT umístěny v sérii napříč stejnosměrným napájením a jsou zapínány a vypínány pro generování jedné fáze ze tří fází pro motor. Další dva identické obvody generují zbývající dvě fáze. Obr. 3 ukazuje zjednodušené zapojení měniče s pulzně šířkovou modulací (PWM). Spínače jsou použity pro znázornění způsobu, jakým jsou tranzistory spínány pro výrobu jedné fáze (A až B) třífázového výstupu. Výstupní napětí se přepíná z kladného na záporné rozepínáním a zavíráním spínačů v určitém sledu kroků. Výstupní napětí závisí na stavu spínačů (otevřeno nebo zavřeno) a frekvence závisí na rychlosti spínání.
Na obr. 4 je znázorněno sinusové (střídavé) síťové napětí, které je superponováno na výstup pulzního střídače neboli simulovaný střídavý proud. Všimněte si, že pulzy mají u každého pulzu stejnou výšku. Je to proto, že stejnosměrné napětí sběrnice, které pohon používá k vytvoření těchto pulzů, je konstantní. Výstupní napětí se mění změnou šířky a polarity spínaných impulsů. Výstupní frekvence se upravuje změnou doby spínacího cyklu. Výsledný proud v asynchronním motoru simuluje sinusový průběh požadované výstupní frekvence. Většina multimetrů s měřením skutečné efektivní hodnoty je dostatečně rychlá na to, aby změřila efektivní hodnotu napětí a proudu PWM.
S frekvenčním měničem PWM jsou spojeny dvě frekvence: základní frekvence a nosná frekvence. Základní frekvence je proměnná frekvence, kterou motor používá ke změně otáček. V typickém VFD se základní frekvence pohybuje od několika hertzů do několika set hertzů. Indukční reaktance střídavého magnetického obvodu je přímo úměrná frekvenci. Proto když se sníží frekvence přiváděná na asynchronní motor, musí se snížit i přiváděné napětí, aby se omezil proud odebíraný motorem při snížených frekvencích. Mikroprocesorové řízení upravuje průběh výstupního napětí tak, aby se současně měnilo napětí a frekvence a byl tak zachován konstantní poměr voltů/hertzů.
Nosná frekvence (známá také jako spínací frekvence) je frekvence, při které se přepínají impulsy v pulzně-šířkové modulaci. Nosná frekvence je pevná frekvence podstatně vyšší než základní frekvence. Tato vysoká rychlost spínání způsobuje klasické kvílení spojené s frekvenčními měniči. Vyšší nosná frekvence umožňuje lepší přiblížení sinusovému tvaru výstupního proudu. Vyšší spínací frekvence však snižují účinnost pohonu kvůli zvýšenému zahřívání výkonových tranzistorů. Nosná frekvence pro měniče frekvence se pohybuje v rozmezí 2 až 16 kHz. Automatické nastavení nosné frekvence v závislosti na měnícím se zatížení a teplotě vede k tiššímu provozu.
Motor s měničem frekvence je standardně navržen pro optimální výkon pro provoz ve spojení s měničem frekvence. Vydrží vyšší napěťové špičky, které produkují všechny měniče frekvence, a může pracovat při velmi nízkých otáčkách, aniž by se přehřál.
Řízení otáček může být v otevřené smyčce, kdy se nepoužívá zpětná vazba skutečných otáček motoru, nebo v uzavřené smyčce, kdy se pro přesnější regulaci otáček používá zpětná vazba. Reakce motoru je velmi závislá na podmínkách zatížení. Otevřená smyčka VFD neví nic o podmínkách zátěže; pouze říká motoru, co má dělat. Pokud například dodává motoru frekvenci 43 Hz a motor se točí rychlostí odpovídající 40 Hz, otevřená smyčka to nepozná. Při řízení v uzavřené smyčce řídicí jednotka řekne motoru, co má dělat, pak zkontroluje, zda to udělal, a změní svůj příkaz, aby opravila případnou chybu. K zajištění potřebné zpětné vazby v systému s uzavřenou smyčkou se často používá otáčkoměr. Otáčkoměr je spojen s motorem, jak je znázorněno na obr. 5, a vytváří signál zpětné vazby otáček, který je využíván řídicí jednotkou. Při řízení v uzavřené smyčce je změna požadavku na zatížení kompenzována změnou výkonu dodávaného do motoru, který působí na udržení konstantních otáček.
Obecně platí, že střídavé pohony řídí otáčky motoru změnou frekvence proudu dodávaného do motoru.
