Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.
Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.
Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.
Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.
Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.
Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.
Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.
Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.
Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.
В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.
С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.
К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.
При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.
Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.
Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.
Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.
Схема частотника выглядит так:
Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.
Вот так выглядит разводка платы управления:
Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.
Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:
Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.
Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:
В наличии у вас всех необходимых компонентов;Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.
После сборки у вас получится что-то похожее:
Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании — поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.
Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.
Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая — через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль — в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя, используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.
В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:
К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему — мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.
Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:
Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:
Стабилизатор на 12 вольт.
Стабилизатор на 5 вольт.
Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете — великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.
Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода — опять выйдут из строя ключи.
Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы, а затем — к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также — в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.
После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» — пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» — то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» — стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.
Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.
Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.
220v.guru
Изготовить частотные преобразователи своими руками довольно сложно, так как необходимо очень хорошо разбираться в силовой электронике и полупроводниковой технике. Но перед тем как задуматься о проектировании данного устройства, необходимо узнать, для каких целей они используются. Также потребуется знать, какие основные составляющие у этих электронных систем.
Всем известно, что в сети переменный ток, и у него имеется некоторая частота. В России стандарт – это 50 Герц. В некоторых западных странах несколько иной стандарт – 60 Герц. От того, какова частота тока, зависит работа многих устройств. Преобразователи используются для питания асинхронных двигателей. Причин для использования электронных средств достаточно много. Например, в промышленности ПЧ получили широкое распространение, так как их использование позволяет избавиться от огромных механизмов.
Если подробнее, то изменить скорость вращения ленты на конвейере можно путем использования редуктора, в основе которого лежит некое подобие коробки скоростей автомобиля. Причем она может быть как механической (с использованием нескольких шестерен), так и вариаторной. Но намного эффективнее оказывается изменение параметров тока, которым питается двигатель. Поворотом переменного резистора изменяется скорость вращения транспортера. Причем частоту можно изменять в широком диапазоне.
Кроме этого, настройки ПЧ позволяют достичь того, что электрический двигатель будет постепенно набирать обороты в течение нескольких секунд. Время задается пользователем при помощи программирования функций преобразователя частоты. Аналогично можно поступить и с временем остановки якоря двигателя. Это позволяет уменьшить нагрузки на привод, что прямо сказывается на его ресурсе.
Кроме того, для небольших предприятий, у которых нет возможности обеспечить себя трехфазной сетью, но необходимость в ней имеется, применение частотных преобразователей – это истинная панацея. Существует немало моделей таких устройств, которые подключаются к сети переменного однофазного тока, а на выходе у них вырабатывается три. Следовательно, можно в обычную розетку включить электродвигатель. И в этом случае он не потеряется мощности, работа его будет правильной.
Во всех частотных преобразователях использованы мощные IGBT или MOSFET-транзисторы. Они идеально подходят для данного типа работы. Они смонтированы в отдельные модули. Такой способ монтажа способен улучшить показатели электронного устройства. Работают данные транзисторы в режиме ключа, управление производится при помощи микропроцессорной системы. Дело в том, что все управление слаботочное, коммутация высоких напряжений не требуется. Поэтому обеспечить это можно при помощи самого простого микропроцессора.
Чаще всего используются специальные сборки серий IR2132 и IR2130. Они состоят из шести драйверов, которые управляют ключами. Три используются для нижнего, а три - для верхнего. Такая сборка позволяет реализовать несложный каскад частотного преобразователя. Кроме того, она имеет несколько степеней защиты. Например, от короткого замыкания и перегрузки. Более подробные характеристики всех элементов можно узнать из руководств. Но у всех силовых элементов имеется огромный недостаток – высокая стоимость изделий.
Любой частотный преобразователь для двигателя имеет в своем составе три основных блока – выпрямитель, фильтры, инвертор. Получается так, что переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем фильтруется. После всего этого оно инвертируется в переменное. Но есть еще третий блок – микропроцессорное управление инвертором. А если быть точнее, то мощными IGBT-транзисторами. Если вам случалось иметь дело с частотниками, то вы знаете, что на лицевой панели у них имеется несколько кнопок для программирования.
Инструкция частотного преобразователя подскажет вам, как провести настройки всех функций. Дело это весьма сложное, так как настроек даже в самом простом устройстве довольно много. Кроме того, что электронное устройство позволяет изменять частоту вращения якоря двигателя, регулировать время разгона и торможения, присутствует еще и несколько степеней защиты. Например, по превышению тока. В случае использования такого прибора отпадает необходимость в установке автоматических выключателей.
В зависимости от того, какое назначение у преобразователя частоты, используются различные выпрямительные каскады. А вариант питания может быть либо от трехфазной сети, либо от однофазной. Но на выходе ПЧ в любом случае находится трехфазное переменное напряжение. Но чтоб проводить управление током, необходимо его сначала выпрямить. Все дело в том, что управлять переменным достаточно сложно – необходимо применять крупные реостаты, что не очень удобно. Тем более, сейчас время микроэлектроники и автоматики, применять устаревшие технологии не просто неразумно, но и очень невыгодно.
Для выпрямления переменного трехфазного тока используется электронное устройство, состоящее из шести полупроводниковых диодов. Включаются они по мостовой схеме, получается так, что каждая пара диодов служит для выпрямления одной фазы. На выходе блока выпрямителя появляется постоянное напряжение, его величина равна тому, которое течет на вход. На данном этапе все преобразования закончены, никакого управления этим блоком не производится. В случае если производится питание от однофазной сети, достаточно выпрямительного каскада даже из одного диода. Но эффективнее использовать мостовую схему из четырех.
Этот модуль используется для фильтрации постоянного напряжения. Самый простой вариант блока – это катушка индуктивности, включенная в разрыв плюсового плеча. Между полюсами включается электролитический конденсатор. У него функция одна – избавиться от переменной составляющей. Все дело в том, что выпрямитель не способен полностью избавиться от пульсаций. Остается небольшая составляющая переменного тока, которая может выдать значительные помехи при работе.
Для рассмотрения принципа работы блока фильтров необходимо провести анализ, проведя замещение элементов. При работе в условиях постоянного тока индуктивность заменяется сопротивлением, конденсатор же замещается разрывом цепи. Но вот при питании переменным током емкость замещается сопротивлением. Следовательно, вся переменная составляющая исчезает, так как происходит короткое замыкание в этом случае. Понять это достаточно сложно, необходимо разбираться в теоретических основах электротехники. Но частотный преобразователь 3 фазы сделать без этого невозможно.
И здесь начинается самое интересное – использование мощных IGBT-транзисторов. Они-то и управляются микропроцессорной системой, от качества их функционирования зависит работа всего преобразователя частоты. Такая схема преобразователя напряжения имеет широкое распространение. По сути, с помощью силовых транзисторов можно инвертировать любое напряжение. Всего используется шесть элементов в простейшей схеме – по два на каждую фазу. Частотный преобразователь 220 вольт выдает на каждой фазе по отношению к нулю.
Чтобы избавиться от возникновения обратного напряжения, необходимо использовать полупроводниковые диоды. Включаются они между коллектором и эмиттером силовых транзисторов. Управление производится по входу базы. Как говорилось ранее, частотные преобразователи, своими руками изготовленные, имеют в инверторном каскаде по два транзистора на каждую фазу. Включают их p-n-переходы последовательно. Со средней точки каждого плеча снимается фаза. В продаже имеются готовые модули, у них имеются выводы для подачи постоянного напряжения, а также три контакта для снятия трехфазного переменного. Кроме того, имеется разъем для подключения микроконтроллерной системы управления.
Используется для изменения скорости вала двигателя преобразователь, напряжение, частота которого по умолчанию составляет 50 Герц, может быть изменено по амплитуде в широком диапазоне. А если конкретнее, то от нуля и до той частоты, которую может обеспечить микропроцессор. К последнему требование основное – это возможность подключения нескольких устройств. Когда вы конструируете преобразователь, напряжение, частота которого меняется переменным сопротивлением, должно контролироваться процессором. Выбирается он тщательно, у него должно быть достаточное количество портов ввода-вывода.
Немного усложнить систему можно, подключив к микроконтроллеру ЖК-дисплей. Не требуется от него высокая цветопередача, достаточно монохромного, как в простых калькуляторах. К портам ввода-вывода подключаются также и кнопки для осуществления программирования. Вот так можно сделать несложный преобразователь частоты. Цена всех элементов составит не более двух тысяч рублей. А вот стоимость ПЧ с мощностью 200-750 Ватт колеблется в интервале от 6500 до 12000 рублей. Зависит все от производителя и возможностей устройства.
Частотные преобразователи, своими руками изготавливаемые, должны иметь надежный корпус. От него зависит не только удобство использования, но и эффективность. Основа изготавливается из алюминия. Причина использования этого материала – необходимость в качественном охлаждении. При работе IGBT-модуль сильно нагревается, температура повышается и у полупроводниковых диодов. И совершенно не имеет значения, преобразователь частотный 380 или же 220 Вольт у вас.
Остальная часть корпуса изготавливается из пластика. Необходимо, чтобы все силовые элементы были скрыты им, чтобы не произошло случайного касания высоковольтных выводов при работе. В лицевой части необходимо предусмотреть отверстие для ЖК-дисплея и кнопок. Отдельно, в удобном месте, устанавливается переменный резистор. При программировании микроконтроллера необходимо учесть, чтобы этим сопротивлением изменялась частота выходного тока.
Особое внимание следует уделить отводу тепла. Чем мощнее разрабатываемое устройство, тем надежнее должна быть система охлаждения. Как говорилось выше, основание должно быть изготовлено из алюминия. Схема преобразователя напряжения должна предусматривать защиту от перегрева. Для этой цели требуется высверлить отверстие в корпусе, в него монтируется датчик температуры. С него сигнал подается через согласующее устройство на микроконтроллер. В случае превышения максимальной температуры нагрузка должна отключиться. Следовательно, происходит выключение модуля силовых транзисторов.
Для улучшения теплоотдачи необходимо использовать вентиляторы. Их расположение выбрать нужно так, чтобы поток воздуха охлаждал ребра радиатора корпуса. Для увеличения эффективности системы охлаждения необходимо использовать термопасту. Включение вентиляторов разумнее производить в момент запуска устройства. Но можно и осуществить программирование контроллера, использовав сигнал с датчика температуры. При достижении температуры, равной половине той, при которой происходит аварийное отключение устройства, производится включение вентиляторов.
В качестве монтажной платы лучше всего использовать готовые варианты. В продаже имеются платы разных размеров с отверстиями, вокруг которых небольшие луженые контакты. В просторечии они называются «рыба». Единственное, что стоит учесть, так это возможность замены процессора и микросхем. Для этой цели использовать нужно разъемы, которые припаиваются к плате. Частотные преобразователи своими руками изготавливать лучше всего с расчетом быстрой замены элементов. Микросхема или контроллер просто устанавливаются в этот разъем, как вилка в розетку.
Изготовить можно и самостоятельно преобразователь частоты. Цена аналогов, как мы выяснили, значительно выше. Хотя, конечно, возможностей у них больше. Но на деле, если присмотреться внимательнее, оказывается, что реально используется не больше пяти функций. При работе привода необходимо изменять частоту вращения, а также регулировать время разгона и торможения. Немного реже используется функция реверса и изменения максимально допустимого тока.
fb.ru
Частотный преобразователь применяется для того, чтобы из одной фазы получить три. Трехфазное питание используется, в основном, в промышленности. Однако и в бытовых ситуациях потребуется управление, например, трехфазным асинхронным двигателем. На этот случай вполне можно обойтись самостоятельным изготовлением частотника, что позволит использовать устройство с минимальными потерями мощности.
Существует много схем, которые дают возможность запустить трехфазный двигатель. Но, часть из них не предусматривает плавного включения или выключения, или же создают дополнительные неудобства, которые не дадут использовать двигатель полноценно. Исходя из этого, и были изобретены частотные преобразователи. Они позволяют полностью контролировать работу двигателя, при экономичном расходе электроэнергии и безопасности эксплуатации.
Рис. 1. Схема запуска трехфазного двигателя
Составляющие частотного преобразователя
Для наглядности, схему можно разбить на три составляющих или три взаимосвязанных блока:
1. Выпрямитель.
2. Фильтр, предназначение которого есть сглаживание напряжения на выходе.
3. Инвертор, который собственно и отвечает за производство необходимой частоты.
Его использование дает значительное уменьшение пускового тока, при включении оборудования, что существенно продлевает эксплуатационный срок двигателя и устройства, где данный двигатель используется. Естественно, что избавившись таким образом от высоких показаний пускового тока, удается и сэкономить электроэнергию, которая уходила ранее при запуске оборудования. А это особенно актуально в условиях, где предусмотрены частые запуски и остановки устройств.
Рис. 2. Составляющие частотного преобразователя
Современные покупные инверторы широко используются в таких сферах, как производство, водоснабжение, энергетика, сельское и городское хозяйства, в электронике, и в автоматических линиях и комплексах.
Стоимость фирменного частотного преобразователя слишком высока, для того, чтобы изучить его процессы работы или использовать в быту или домашней мастерской. Поэтому часто используются в таких ситуациях самодельные частотники.
Сборка устройства
Стоит обратить внимание на то, что в домашних условиях крайне не рекомендуется использование двигателей, рассчитанных на мощность большую, чем 1 кВт. Таковы особенности домашней сети.
Имея необходимый двигатель, потребуется для начала соединить его обмотки между собой способом "треугольник".
Рис. 3. Трёхфазный двигатель
Рис. 4. Соединение треугольник
Рис. 5. Соединение треугольник
Схема самого частотного преобразователя.
Рис. 6. Схема частотного преобразователя
Питание осуществляется от блока питания 27 Вольт постоянного напряжения. Это может быть, как регулируемый БП, так и сделанный собственноручно, рассчитанный на данное напряжение. Схема подключения двигателя;
Рис. 7. Схема подключения двигателя
Схема простая и проверенная и не содержит компонентов, которые сложно будет купить. Но, к сожалению, не лишена недостатков и годится для применения лишь в быту.Более сложная в сборке схема, но и более результативная представлена ниже.
Рис. 8. Схема подключения двигателя
На данный момент это самая обсуждаемая схема частотного преобразователя, который можно сделать собственноручно. Прошивки микроконтроллера изобилуют на тематических форумах. Потребуется не только умение грамотно паять, но и прошивать микроконтроллеры.
Печатная плата.
Рис. 9. Печатная плата
Потребуется надежный источник питания на 24 Вольта. Предлагается его также изготовить собственноручно по схеме.
Рис. 10. Схема источника питания
Естественно, что устройство можно приобрести и готовым. Они бывают фирменными или сделанными народными мастерами, которые обладают положительными рекомендациями.
Автор: RadioRadar
www.radioradar.net
