Частотник своими руками — любительская схема преобразователя. Как выбрать частотный преобразователь для электродвигателя
Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными антипараллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.
Блок-схема инвертора показана ниже.
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.
Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.
Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).
Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.
Регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.
Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением
неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:
Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:
Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя.
Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. При использовании частотных регуляторов обеспечивается плавная регулировка скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры.
При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, тем самым увеличивает срок их службы.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка
Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.
Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3).
Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.
Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.
Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.
Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.
Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.
Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.
За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.
И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;
Вариант схемы подключения частотного преобразователя фирмы Omron.
Подключение частотных преобразователей с соблюдением требований ЭМС
Монтаж и подключение с соблюдением требований ЭМС подробно описаны в соответствующих руководствах на устройства.
Техническая информация преобразователи
Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:
- ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
- частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.
Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.
Конструкция и принцип действия частотного преобразователя
Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора . В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.
Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные . Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.
В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.
Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды , рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры , чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.
Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры . Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры , а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.
Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:
- силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
- клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
- разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).
На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.
Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.
Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.
Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.
Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления . Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки , позволяющие эти данные ввести.
Простейшие схемы управления частотным преобразователем
С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.
Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой . Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.
С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.
Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков
Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни .
Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.
При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).
Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.
Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали . В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.
Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения . Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры , фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.
Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов
Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.
И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.
К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли , но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.
Промышленные установки с системами АСУТП
Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.
Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.
Для регулировки используется два способа:
- с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
- с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.
Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ . Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.
Немного предыстории. Тема моей дипломной работы звучала так: «Разработка и исследование тиристорного частотно-регулируемого асинхронного электропривода электромобильного агрегата». Пространное название, зато отражающее суть: и силовую элементную базу (тиристоры, точнее тринисторы), и способ управления (частотно-регулируемый), и назначение электропривода – электромобиль.
Это мой диплом инженера-электрика. Слева внизу печать: Нагрудный знак выдан.
Вкладыш к диплому. Вверху напечатано, на какую тему я зашитил дипломный прект.
Внизу напечатаны предметы, которые я изучал по индивидуальному плану.
Вкладыш в развёрнутом виде. Сколько же предметов изучено за 5 лет!
А теперь краткое описание моей дипломной работы, которую я защитил на "отлично" с ходатайством о поступлении в аспирантуру:
Схемы блоков управления были выполнены на транзисторах. Блок силовых тринисторов был увесистой конструкцией. В качестве двигателя агрегата использовался трёхфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Для питания силового блока и схемы управления применялась свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, занимающая всё пространство багажника и весящая неимоверно много.
Получался электромобиль-фургон, назначение которого было перевозить небольшие грузы в черте города, например, по торговым точкам. Запаса электроэнергии аккумуляторов хватало на рабочий день. Средняя скорость – 70 км/час.
Теперь перенесёмся на несколько десятилетий вперёд. Тяга к проблеме электропривода у меня с годами не только не прошла, а всё более разгоралась. На смену и в дополнение мощным тринисторам пришли мощные полевые (например, IRF840A) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IRG4PSC71U). Взамен схем управления на транзисторах и микросхем малой и средней степени интеграции пришли микроконтроллеры (я использую в своих конструкциях любимые мной PIC-контроллеры) и специализированные драйверы – микросхемы управления выходными силовыми транзисторными ключами IR2130-IR2131.
Мой путь к успеху был тернистым. Много времени я повторял чужие схемотехнические ошибки, допуская свои. Использовал недоработанные программы управления, записанные в памяти PIC-контроллеров. Не будучи программистом, я не мог программы доработать, усовершенствовать. В результате – куча сгоревших мощных транзисторов и, как неизбежное, несмотря на узлы защиты, «палёных» микросхем драйверов IR2131 и моих любимцев – PIC16F628A – микроконтроллеров.
Успех стал приходить с внимательным изучением материала по этому актуальному вопросу из различных источников. Это и иностранные статьи, в которых раньше чем в отечественной технической литературе публиковались и теоретические материалы, и практические схемные решения по управлению трёхфазными асинхронными электродвигателями от одно- и трёхфазной электрической сети, что непринципиально.
В результате моя самодельная конструкция собрана из нескольких функциональных блоков, разработанных разными авторами, которым я стал доверять, навсегда расставшись с другими, «благодаря» которым я терпел неуспех за неуспехом.
Буквально на-днях собрал, запустил и опробовал свой модульный, пока последний, вариант частотного преобразователя на 4 фиксированные скорости вращения.
С 250-ватным 3-фазным электродвигателем работа устойчива. Мощные ключевые транзисторы IRG4PSC71 без радиаторов позволяют управлять электродвигателями до 5 кВт.
Принципиальная электрическая схема этого варианта "частотника" показана на фото:
Основные этапы сборки будут отражены на ряде фотографий.
Внешний вид платы управления со стороны деталей:
Это основная плата управления преобразователя. В панельку вставлен PIC16F628A. Три транзисторных сдвоенных оптронных ключа АТ101АС гальванически развязывают выходы микроконтроллера и входы драйвера силовых ключй IR2131.
Внешний вид платы управления со сотороны печати:
Компоновка основных узлов прибора на кросс-плате:
Кросс-плата с закреплёнными узлами установлена в корпусе от БП ПК:
Вид прибора сверху:
Вид прибора сзади:
Вид прибора сбоку со стороны печатных дорожек платы драйвера:
Импровизированный испытательный стенд:
Статья обзорная. Такую сложную тему невозможно описать в рамках всего одной статьи, поэтому по мере доработок и усовершенствований будет время от времени подлежать корректуре и редактированию.
Создание трёхфазного асинхронного электродвигателя пришлось на конец XIX века. С тех пор, никакие промышленные работы не являются возможными без его использования. Наиболее значимый момент в рабочем процессе — плавный пуск и торможение двигателя. Это требование в полной мере выполняется при помощи частотного преобразователя.
Существует несколько вариантов названий частотника для трёхфазного электродвигателя. В том числе, он может называться:
- Инвертором;
- Преобразователем частоты переменного тока;
- Частотным преобразователем;
- Частотно регулируемым приводом.
С помощью инвертора осуществляется , предназначенного для преобразования электрической энергии в механическую. Осуществляемое при этом движение можно трансформировать в движение другого типа.
- «Треугольник».
Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.
- «Звезда».
Способ, подходящий для подключения клемм трёхфазных частотников, питаемых промышленными трёхфазными сетями.
На рисунке схема подключения частотника 8400 Vector
Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при запуске электрического двигателя по мощности превосходящего 5 кВт, применяется переключение «звезда-треугольник».
Когда на статор пускается напряжение, то фигурирует подключение устройства по типу «звезда». Как только значение скорости двигателя начинает соответствовать номинальному, поступление питания осуществляется по схеме «треугольник». Но этот приём используется, только когда технические возможности позволяют подключаться по двум схемам.
В объединённой схеме «звезды» и «треугольника» наблюдаются резкие скачки токов. При переходе на второй тип подключения показания по вращательной скорости значительно уменьшаются. Для восстановления прежнего режима работы и частоты оборотов следует осуществить увеличение силы тока.
Наиболее активно применяются частотники в конструкции электрического двигателя с уровнем мощности 0,4 — 7,5 кВт.
Сборка преобразователя частот своими руками
Одновременно с промышленным производством частотных преобразователей, остаётся актуальной сборка подобного устройства своими руками. Особенно этому способствует относительная простота процесса. В результате работы инвертора производится преобразование одной фазы в три.
Применение в бытовых условиях электрических двигателей, имеющих в комплектации подобное устройство, не вызывает никаких дополнительных затруднений. Поэтому можно смело браться за дело.
На рисунке структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока.
Схемы частотного преобразователя, используемые при сборке, состоят из выпрямительного блока, фильтрующих элементов (отвечающих за отсечение переменной составляющей тока и конструируемых из IGBT-транзисторов). По стоимости покупка отдельных компонентов преобразователя и выполнение сборки своими руками обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.
Применять самосборные частотные преобразователи можно в электродвигателях имеющих мощность 0,1 — 0,75 кВт.
В то же время, современные заводские частотники имеют расширенную функциональность, усовершенствованные алгоритмы и улучшенный контроль безопасности рабочего процесса ввиду того, что при их производстве используются микроконтроллеры.
Сферы применения преобразователей:
- Машиностроение;
- Текстильная промышленность;
- Топливно-энергетические комплексы;
- Скважинные и канализационные насосы;
- Автоматизация управления технологическим процессом.
Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.
В данной статье будет рассмотрен частотник для электродвигателя, принцип его работы и основные компоненты. Основной упор будет сделан на теорию, чтобы вы поняли и смогли в дальнейшем осуществить проектировку и изготовление своими руками. Но для начала потребуется небольшой вводный курс, в котором будет рассказано о том, что такое частотник и для каких целей он необходим.
Функции частотного преобразователя
Львиную долю занимают в промышленности асинхронные двигатели. И ими управлять всегда было трудно, так как они имеют постоянную частоту вращения ротора, а изменять входное напряжение оказывается очень сложно, а порой даже невозможно. Но частотник полностью изменяет картину. И если раньше для изменения скорости движения транспортера, например, использовались разнообразные редукторы, то сегодня достаточно применить одно электронное устройство.
Кроме того, частотники позволяют получить не только возможность изменения параметров привода, но и несколько дополнительных степеней защиты. Отпадает необходимость в а порой даже не нужно иметь трехфазную сеть для обеспечения нормальной работы асинхронного двигателя. Все эти обязанности, связанные с коммутацией и включением электропривода, переходят к частотному преобразователю. Он позволяет изменять фазы на выходе, частоту тока (следовательно, и скорость вращения ротора меняется), проводить регулировку запуска и торможения, а также можно реализовать множество других функций. Все зависит от микроконтроллера, используемого в схеме управления.
Принцип действия
Сделать частотник для электродвигателя своими руками, схема которого приведена в статье, достаточно просто. Он позволяет осуществить преобразование одной фазы в три. Следовательно, появляется возможность использовать в быту асинхронный электродвигатель. При этом не потеряется его КПД и мощность. Ведь вы знаете, что при включении мотора в сеть с одной фазой происходит уменьшение этих параметров чуть ли не в два раза. А все дело в нескольких преобразованиях поступающего на вход устройства напряжения.
Первым по схеме идет выпрямительный блок. Более подробно о нем будет рассказано ниже. После выпрямленное напряжение подвергается фильтрации. И поступает чистый на вход инвертора. Он осуществляет преобразование постоянного тока в переменный с необходимым числом фаз. Вот этот каскад можно подвергнуть регулировкам. Он состоит из полупроводников, к которым подключена схема управления на микроконтроллере. Но теперь обо всех узлах более подробно.
Выпрямительный блок
Он может быть двух типов - одно- и трехфазным. Первый вид выпрямителя можно использовать в любой сети. Если у вас трехфазная, то достаточно произвести подключение к одной. Схема частотника для электродвигателя не обходится без выпрямительного блока. Так как имеется различие по числу фаз, значит, необходимо использовать определенное число полупроводниковых диодов. Если речь идет о частотных преобразователях, которые питаются от одной фазы, то требуется выпрямитель из четырех диодов. Они включаются по мостовой схеме.
Она позволяет уменьшить разницу между значением напряжения на входе и выходе. Конечно, можно использовать и однополупериодную схему, но она неэффективна, возникает большое число колебаний. Но если речь идет о трехфазном подключении, то необходимо в схеме использовать шесть полупроводников. Точно такая же схема в выпрямителе автомобильного генератора, никаких отличий нет. Единственное, что можно сюда добавить, так это еще три дополнительных диода, предназначенные для защиты от обратного напряжения.
Фильтрующие элементы
После выпрямителя идет фильтр. Его основное предназначение - это отсечка всей переменной составляющей Для более ясной картины нужно составить схему замещения. Итак, плюс проходит через катушку. А затем между плюсом и минусом включен электролитический конденсатор. Вот он-то и интересен в схеме замещения. Если катушка замещается то конденсатор при наличии различного тока может быть либо проводником, либо разрывом.
Как было сказано, в выпрямителе на выходе постоянный ток. А при подаче его на электролитический конденсатор не происходит ничего, так как последний является разрывом цепи. Но вот есть небольшая переменная в токе. А если течет переменный ток, то в схеме замещения конденсатор становится проводником. Следовательно, происходит замыкание плюса на минус. Данные выводы сделаны по законам Кирхгофа, которые являются основными в электротехнике.
Инвертор на силовых транзисторах
А вот теперь добрались до самого главного узла - каскада транзисторов. На них сделан инвертор - преобразователь постоянного тока в переменный. Если изготавливается частотник для электродвигателя своими руками, то рекомендуется использовать сборки IGBT-транзисторов, найти их можно в любом магазине радиодеталей. Причем стоимость всех компонентов для изготовления частотника окажется в десятки раз меньше, нежели цена готового изделия, даже китайского производства.
Для каждой фазы используется два транзистора. Они включены между плюсом и минусом, как изображено на схеме, приведенной в статье. Но есть у каждого транзистора особенность - управляющий вывод. В зависимости от того, какой на него подан сигнал, изменяются свойства полупроводникового элемента. Причем можно это произвести как при помощи ручного переключения (например, несколькими микровыключателями подавать напряжение на необходимые управляющие выводы), так и автоматического. Вот о последнем и пойдет речь дальше.
Схема управления
И если подключение частотного преобразователя к электродвигателю выполнить просто, достаточно только соединить соответствующие выводы, то со схемой управления все куда сложнее. Все дело в том, что возникает необходимость в программировании устройства, чтобы добиться максимально возможных регулировок от него. В основе находится микроконтроллер, к нему производится подключение считывающих устройств и исполнительных. Так, необходимо наличие трансформаторов тока, которые будут постоянно следить за мощностью, потребляемой электроприводом. И в случае превышения должно произойти отключение частотника.
Подключение схемы управления
Кроме того, предусматривается защита от перегрева. На выход микроконтроллера при помощи (сборки Дарлингтона) производится подключение управляющих выводов IGBT-транзисторов. Кроме того, необходимо визуально контролировать параметры, поэтому нужно включить в схему LED-дисплей. Из считывающих устройств требуется добавить кнопки, которые позволят переключаться между режимами программирования, а также переменное сопротивление, вращением его изменяется скорость вращения ротора электродвигателя.
Заключение
Хочется отметить, что изготовить можно и самостоятельно частотник для электродвигателя, цена же готового изделия начинается от 5000 рублей. И это для электродвигателей, мощность которых не превышает 0,75 кВт. Если нужно осуществить управление более мощным приводом, потребуется частотник подороже. Для использования в быту достаточно схемы, рассмотренной ниже. Причина - нет необходимости в большом количестве функций и настроек, самое главное - это возможность изменения частоты вращения ротора.