PWM Nedir? Hız Kontrol Cihazında Ne İşe Yarar?

PWM (darbe genişliği modülasyonu), bir elektrik anahtarının hızlı açılıp kapanması sırasında açık kaldığı sürenin değiştirilmesidir. Bir AC hız kontrol cihazında bu anahtarlama, DC baradaki enerjiden motora uygun üç fazlı çıkışın üretilmesine yardım eder. Darbeli motor gerilimi ile motorun gördüğü temel çıkış frekansı aynı kavram değildir.

Bir cümleyle PWM

Anahtarın açılıp kapanma periyodu sabit kalırken açık kaldığı pay artırılır veya azaltılır; böylece darbelerin genişliği değişir. Basit bir DC sinyalinde açıkken 12 V, kapalıyken 0 V görülebilir. PWM, 12 V gerilimi sürekli daha düşük bir gerilime indirme yöntemi değildir.

Görev oranı ve PWM frekansı nasıl hesaplanır?

Bir periyodun süresi T = açık süre + kapalı süre; görev oranı D = açık süre / T; tekrarlama frekansı ise f = 1 / T olarak bulunur. Örneğin anahtar her 1 milisaniyede bir çevrimi tamamlıyorsa frekans 1 kHz'dir. Bunun 0,25 milisaniyesinde açık kalırsa görev oranı %25, basit 0–12 V sinyalinin bir periyottaki ortalama gerilimi 3 V olur. Periyot sabitken açık süreyi değiştirmek görev oranını değiştirir; frekansı değiştirmez.

Kaydırıcıyı hareket ettirerek açık kalma süresinin darbeyi nasıl genişlettiğini görebilirsiniz:

AC sürücü PWM'yi motorda nasıl kullanır?

Yaygın bir AC hız kontrol cihazı şebekeden gelen gerilimi doğrultur, enerjiyi DC baraya alır ve inverter katındaki IGBT gibi güç transistörlerini üç faz için uygun sırayla anahtarlar. Darbe genişlikleri zaman içinde değişir; sürücü böylece motor için istenen temel çıkış frekansını ve etkin gerilimi oluşturur. Motor uçlarındaki gerilim darbeli kalsa da motor akımı daha düzgün bir dalga biçimi izleyebilir. Yukarıdaki tek anahtarlı çizim bu ilkeyi gösterir; gerçek üç fazlı inverterin bütün çıkışını temsil etmez.

Basit sinüzoidal PWM örneğinde bir fazın görev oranı, sinüs referansı pozitif tepeye yaklaşırken büyür; negatif tepeye yaklaşırken küçülür; sıfır geçişi civarında yaklaşık orta değerdedir. Diğer iki fazın referansı 120'şer derece kaydırılır. Yani gerçek sürücü her an sabit %50 darbe göndermez. Motorun sargı endüktansı, bu hızlı darbelerden oluşan akımın daha düzgün akmasına katkı sağlar.

Motorun dönen alanının frekansı ile anahtarlama frekansı ayrıdır. Temel çıkış frekansı 25 veya 50 Hz olabilir; güç elemanlarının anahtarlama hızı ise birkaç kHz olabilir. Dört kutuplu bir asenkron motorda senkron hız 50 Hz'de 1500 d/dk, 25 Hz'de 750 d/dk'dır. Gerçek mil devri yük altındaki kayma nedeniyle biraz daha düşüktür. Anahtarlama frekansını yükseltmek tek başına motor devrini yükseltmez.

Sahada iki farklı frekans ayarı neyi değiştirir?

Bir fan sürücüsünde temel çıkış frekansı 50 Hz'den 25 Hz'e indirilirse motorun dönen alanı yavaşlar. Aynı uygulamada taşıyıcı anahtarlama frekansı örneğin 4 kHz'den 8 kHz'e çıkarılırsa motorun hedef devri bu nedenle iki katına çıkmaz; duyulan ses ve sürücünün ısınması değişebilir. Bu iki ayarın işlevi ayrı olduğu için parametre listesinde birbirine karıştırılmamalıdır.

PWM, analog hız komutunun yerini mi alır?

Hayır. Uygun kablolanmış 0–10 V veya 4–20 mA analog sinyal sürücüye bir hız referansı verebilir. Potansiyometre de çoğu kurulumda bu girişe referans sağlar; motorun bütün gücünü üzerinde ısıya dönüştüren seri bir direnç değildir. Kontrol katı komutu yorumlar, inverterin güç katı PWM darbelerini üretir. Analog referansın varlığı ile PWM kullanımı birbirini dışlamaz.

IGBT ve MOSFET'in görevi nedir?

IGBT ve MOSFET zaten transistör türleridir. Uygun güç katında hızlıca iletime ve kesime geçerek darbeleri oluştururlar. İletimdeki ve anahtarlama anındaki kayıplar sıfır değildir; hangi elemanın kullanılacağı güç, gerilim, hız ve tasarım koşullarına bağlıdır. Bu nedenle “PWM her zaman kayıpsız çalışır” ifadesi doğru olmaz.

PWM tek başına enerji tasarrufu sağlar mı?

Bir güç elemanını çoğunlukla açık veya kapalı durumda çalıştırmak, uygun devrede doğrusal güç kontrolüne göre kayıpları azaltabilir. Ancak bir sürücünün tesisatta sağlayacağı tasarruf; yükün karakterine, istenen üretime ve çalışma süresine bağlıdır. Fan veya pompa hızının ihtiyaca göre azaltılmasıyla elde edilen sonuç, sabit hızlı bir konveyörün sonuçlarıyla aynı kabul edilmemelidir. Benzer şekilde motorun hız kontrolü ile tork kontrolü farklı işletme amaçlarıdır.

Sık sorulan sorular

%50 görev oranı, AC motorun %50 hızda döneceği anlamına mı gelir?
Hayır. Kaydırıcıdaki yüzde basit bir DC anahtarın açık kalma payıdır. AC motor hızı sürücünün oluşturduğu temel frekans, motor kutup sayısı ve yük altındaki kayma ile ilişkilidir.

12 V için %50 PWM, sürekli 6 V uygulamakla aynı mıdır?
Basit darbe sinyalinin ortalama gerilimi 6 V'tur; fakat her yükte aynı etkiyi bekleyemezsiniz. Örneğin 10 Ω dirençte 12 V ve %50 görev oranıyla ortalama güç 7,2 W olur; sürekli 6 V uygulanırsa 3,6 W olur. Burada ortalama gerilim ile yükte harcanan güç birbirine eşitlenmemelidir.

PWM frekansı ne kadar yüksekse sürücü o kadar iyi midir?
Hayır. Yükselen frekans duyulan vızıltıyı değiştirebilir, fakat anahtarlama kaybını ve sıcaklığı artırabilir. Kablo ve EMC emisyonu koşulları da göz önüne alınmalıdır.

Editör tavsiyesi

Sahada motor sesi için taşıyıcı frekansı değiştirmeden önce sürücünün kılavuzundaki izin verilen çıkış akımının düşmesi (derating), ortam sıcaklığı ve motor kablosu sınırlarına bakın. Yalnız kulağa daha sessiz gelen değer, güç katı için en uygun ayar olmayabilir. Motor devrini değiştirmek istiyorsanız frekans referansını ve kontrol yöntemini ayrıca inceleyin.

İlgili VFD konuları

DC bara · Anahtarlama frekansı · V/f kontrol · Frekans referansı · Hız ve tork kontrolü.

Güç elemanları ve uygulamalar: IGBT · AC sürücüler · Servo sistemleri.

Teknik kaynaklar: Microchip, PWM · ABB, sürücünün çalışma yolu · Schneider Electric, anahtarlama ve ısınma.