Самодельный частотник для трехфазного двигателя. Изучаем принцип работы, собираем и подключаем частотный преобразователь для асинхронных двигателей
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
Созданный в конце XIX столетия, трёхфазный асинхронный двигатель стал незаменимой составляющей современного промышленного производства.
Для плавного пуска и остановки такого оборудования требуется специальное устройство – преобразователь частоты. Особо актуально наличие преобразователя для крупных двигателей с большой мощностью. С помощью этого дополнительного устройства можно регулировать пусковые токи, то есть, контролировать и ограничивать их величину.
Если регулировать пусковой ток исключительно механическим способом, не удастся избежать энергетических потерь и уменьшения срока службы оборудования. Показатели этого тока в пять-семь раз превышают номинальное напряжение, что недопустимо для нормальной работы оборудования.
Принцип работы современного преобразователя частоты подразумевает использование электронного управления. Они не только обеспечивают мягкий пуск, но и плавно регулируют работу привода, придерживаясь соотношения между напряжением и частотой строго по заданной формуле.
Основное преимущество устройства – экономия в потреблении электроэнергии, составляющая в среднем 50%. А также возможность регулировки с учётом потребностей конкретного производства.
Устройство функционирует по принципу двойного преобразования напряжения.
- выпрямляется и фильтруется системой конденсаторов.
- Затем в работу вступает электронное управление – образуется ток с указанной (запрограммированной) частотой.
На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые под воздействием обмотки статора двигателя (её индуктивности) становятся близкими к синусоиде.
На что обратить внимание при выборе?
Производители делают упор на стоимость преобразователя. Поэтому многие опции доступны только у дорогих моделей. При выборе устройства следует определиться с основными требованиями для конкретного использования.
- Управление может быть векторным или скалярным. Первое даёт возможность точной регулировки. Второе лишь поддерживает одно, заданное соотношение между частотой и напряжением на выходе и подходит только для простых приборов, вроде вентилятора.
- Чем выше указанная мощность, тем универсальнее будет устройство — обеспечится взаимозаменяемость и упростится обслуживание оборудования.
- Диапазон напряжения сети должен быть максимально широким, что обезопасит при перепадах его норм. Понижение не так опасно для устройства, как повышение. При последнем — вполне могут взорваться сетевые конденсаторы.
- Частота должна полностью соответствовать потребностям производства. Нижний предел указывает на диапазон регулирования скорости привода. Если нужен более широкий, потребуется векторное управление. На практике применяются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100Гц.
- Управление осуществляется через различные входы и выходы. Чем их больше, тем лучше. Но большее количество разъёмов существенно увеличивает стоимость устройства и усложняет его настройку.
- Шина управления подключаемого оборудования должна совпадать с возможностями схемы частотного преобразователя по количеству входов и выходов. Лучше иметь небольшой запас для модернизации.
- Перегрузочные способности. Оптимален выбор устройства с мощностью на 15% больше мощности используемого двигателя. В любом случае нужно прочесть документацию. Производители указывают все основные параметры двигателя. Если важны пиковые нагрузки, следует выбрать преобразователь с показателем пикового тока на 10% больше указанного.
Дискретные входы (выходы) используются для ввода команд управления и выхода сообщений о событиях (например, о перегреве), цифровые – для ввода сигналов цифровых (высокочастотных), аналоговые – для ввода сигналов обратной связи.
Сборка преобразователя частоты для асинхронного двигателя своими руками
Собрать инвертор или преобразователь можно самостоятельно. В настоящее время в сети находится множество инструкций и схем такой сборки.
Основная задача – получить «народную» модель. Дешёвую, надёжную и рассчитанную на бытовое применение. Для работы оборудования в промышленных масштабах, конечно, лучше отдать предпочтение устройствам, реализуемым магазинами.
Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя для электродвигателя
Для работы с домашней проводкой, с напряжением 220В и одной фазой. Примерная мощность двигателя до 1кВт.
На заметку. Длинные провода нужно снабдить помехоподавляющими кольцами.
Регулировка вращения ротора двигателя вмещается в диапазон частоты 1:40. Для малых частот необходимо фиксированное напряжение (IR компенсация).
Подключение частотного преобразователя к электродвигателю
Для однофазной проводки на 220В (использования в домашних условиях) подключение осуществляется по схеме «треугольник». Выходной ток не должен превышать 50% от номинального!
Для трёхфазной проводки на 380В (промышленного использования) подключение двигателя к частотному преобразователю осуществляется по схеме «звезда».
Преобразователь (или ) имеет соответствующие клеммы, помеченные буквами.
- R, S, T– сюда подключаются провода сети, очерёдность не имеет значения;
- U , V , W – для включения асинхронного двигателя (если двигатель вращается в обратную сторону, нужно поменять местами любой из двух проводов на этих клеммах).
- Отдельно предусмотрена клемма для заземления.
Для продления срока эксплуатации преобразователя необходимо соблюдать следующие правила:
- Регулярно очищать внутренности устройства от пыли (лучше выдувать её небольшим компрессором, так как пылесос с загрязнением не всегда справится – пыль уплотняется).
- Своевременно заменять узлы. Электролитические конденсаторы рассчитаны на пять лет, предохранители на десять лет эксплуатации. А вентиляторы охлаждения на два-три года использования. Внутренние шлейфы следует заменять раз в шесть лет.
- Контролировать внутреннюю температуру и напряжение на шине постоянного тока.
- Придерживаться условий эксплуатации. Температура окружающей среды не должна превышать +40 градусов. Недопустима высокая влажность и запылённость воздуха.
Повышение температур приводит к засыханию термопроводящей пасты и разрушению конденсаторов. На силовых компонентах привода её следует менять ни реже одного раза в три года.
Управление асинхронным мотором (например, ) – довольно сложный процесс. Преобразователи, изготовленные кустарно, дешевле промышленных аналогов и вполне подходят для использования в бытовых целях. Однако для применения на производстве предпочтительнее установить инверторы, собранные в заводских условиях. Обслуживание таких дорогих моделей под силу только хорошо обученному техническому персоналу.
Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.
Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.
Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.
На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.
Рисунок 1.
Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.
На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.
В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.
Рисунок 3.
Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.
Рисунок 4.
На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.
Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».
Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.
Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя VD2.
Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.
Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.
Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».
Достаточно ли только регулирования частоты?
С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.
Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.
В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.
Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.
Рисунок 5.
Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант ). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.
Рисунок 6.
Рисунок 7.
Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).
В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.
Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.
Силовая часть схемы
Современные фирменные частотники имеют на выходе , специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.
Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.
При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).
Выходные ключи на интегральных таймерах
Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.
Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.
Рисунок 9.
В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.
Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток - исток), «общий».
Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток - исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.
При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.
В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены , схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».
Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как , защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.
Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.
Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.
Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.
В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.
Впервые мир познакомился с таким устройством, как трехфазный асинхронный электродвигатель , еще в конце 19 столетия. И начиная с того времени, его стали применять на каждом промышленном предприятии, где он стал обязательным элементом. Во время эксплуатации электродвигателя важно обеспечить его плавный пуск и остановку. Это можно сделать только при наличии специального устройства – преобразователя частоты.
В первую очередь, целесообразно оснащать преобразователем крупные электродвигатели, обладающие высокими показателями мощности. Польза от наличия такого устройства заключается в возможности менять пусковые токи, задавая необходимую их величину.
Принцип работы частотного преобразователя
Конечно, можно регулировать пусковой ток и вручную, однако в этом случае будет тратиться определенное количество энергии впустую, что негативным образом скажется на эксплуатационном ресурсе электродвигателя. Наблюдаемый в устройствах, не имеющих подобного приспособления, ток имеет величину, превышающую в 5-7 раз номинальное напряжение. В таких условиях невозможно создать нормальные условия для работы оборудования.
Действие такого устройства, как преобразователь частоты, основывается на использовании электронного механизма , который контролирует работу двигателя. Но его возможности не ограничиваются лишь мягким пуском. При помощи преобразователя частоты можно осуществлять плавную настройку работы привода, выбирая оптимальный показатель между напряжением и частотой, который рассчитывается строго по заданной формуле.
Среди достоинств такого устройства главным следует назвать то, что оно помогает уменьшить расход электроэнергии в среднем на 50%. К тому же частотный преобразователь позволяет выставлять такой режим работы, который будет в максимальной степени учитывать потребности определённого производства.
Действие подобного преобразователя основывается на принципе двойного преобразования напряжения .
- На начальном этапе выполняется регулировка напряжения сети путем его выпрямления и фильтрования, что достигается посредством использования системы конденсаторов.
- Далее настает черед электронного управления, благодаря которому для тока выставляется частота, соответствующая заранее выбранному режиму.
В результате возникают прямоугольные импульсы, которые корректируются обмоткой статора двигателя, что позволяет вывести ее на уровень синусоиды.
На что обратить внимание при выборе?
Если обратить внимание на доступные сегодня модели преобразователей, то определяющим фактором становится именно цена частотника. Дело в том, что наибольшим функционалом обладают лишь дорогие модели пребразователей частоты. Однако, чтобы выбираемый преобразователь смог успешно справляться с необходимыми задачами, нужно исходить из конкретных условий его использования.
Материалы
Чтобы сделать своими руками частотный преобразователь для однофазного электродвигателя , необходимо подготовить следующее:
- IR2135(IR2133) – драйвер трёхфазного моста;
- AT90SPWM3B – микроконтроллёр (используется как генератор PWM);
- программатор (например, AVReAl);
- шесть штук транзисторов IRG4BC30W;
- ЖКИ индикатор;
- шесть кнопок.
Самостоятельная сборка преобразователя частоты
Не стоит отказываться от идеи сделать своими силами преобразователь. Эту задачу решить по силам любому владельцу, учитывая, что в сети можно найти большое количество инструкций и схем
по сборке подобного устройства и его подключению к асинхронному двигателю .
Рассматривая такой вариант, главное, о чем следует помнить – собираемая своими руками модель должна отличаться не только доступной ценой, но и надежностью, а также быть способна успешно решать задачи в бытовых условиях. Если же имеется потребность в устройстве для промышленного использования, то, естественно, оптимальным выбором будут преобразователи, предлагаемые магазинами.
Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя
Приводимая ниже схема рассчитана на проводку с напряжением 220В и одной фазой. Устройство предназначено для двигателя, мощность которого не превышает 1 кВт.
Вначале необходимо соединить между собой обмотки двигателя, для чего используется вариант «треугольник».
Основу конструкции оборудования образуют две платы . Первая будет уступать место для размещения таких элементов, как блок питания и драйвер. Помимо них здесь будут установлены транзисторы и силовые клеммы. Вторая плата используется для крепления микроконтроллера и индикатора. Для соединения плат друг с другом используется гибкий шлейф.
Для изготовления импульсного блока питания используется обычная схема, которую можно найти в сети.
Чтобы контролировать работу двигателя, нет необходимости воздействовать на ток при помощи внешних устройств. Однако нелишним будет добавить в конструкцию микросхему(IL300) путем введения линейной развязки.
Общий радиатор используется для размещения не только транзисторов, но и диодного моста.
Обязательным является наличие оптронов ОС2-4, назначение которых заключается в дублировании кнопок управления. На ОС-1 возлагается задача по выполнению пользовательских функций.
Если выбираемый частотный преобразователь имеет одну фазу, то он может работать без трансформатора. Альтернативой ему может служить токовый шунт, который выполняется в виде четырех витков манганинового провода сечением 0,5 км на оправе 3мм. Используемый шунт можно дополнить и усилителем DA-1.
Если мощность двигателя составляет 400 Вт , то он может работать и без термодатчика. С задачей по измерению напряжения сети успешно может справиться и DA-1-2 (усилитель).
Следует позаботиться о защите кнопок, установив на них пластиковые толкатели, управление же осуществляется посредством опторазвязки.
Если будут присутствовать длинные провода, то к ним следует добавить помехоподавляющие кольца.
Во время работы ротора двигателя можно выбирать любую скорость пределах частоты 1: 40. В режиме работы малых частот следует задействовать режим фиксированного напряжения.
Подключение частотного преобразователя
Если используемая проводка имеет одну фазу и напряжение 220В, то в качестве предпочтительной схемы подключения используется вариант «треугольник». Важно помнить о том, что ток на выходе может быть больше номинального не более, чем на 50%.
Если речь идет о трехфазной проводке с напряжением 380В , то для подключения к двигателю частотного преобразователя выбирается схема «звезда». Для простоты выполнения этой процедуры на преобразователе присутствуют клеммы, на поверхности которых имеются подсказки в виде букв.
- R, S, T– к этим контактам подводят провода сети в любом порядке;
- U , V , W – при помощи их выполняется включение асинхронного двигателя (в тех случаях, когда двигатель работает в режиме реверса, для возвращения к нормальному вращению достаточно любой из двух проводов поменять местами на контактах).
Обязательно в конструкции имеется клемма, используемая для заземления.
Чтобы собранный своими руками частотный преобразователь смог успешно выполнять свои функции на протяжении длительного времени, владелец должен выполнять следующие рекомендации:
Заключение
Частотный преобразователь является необходимым оборудованием, повышающим эффективность работы асинхронного двигателя . При необходимости его можно изготовить своими силами. Для этого достаточно подготовить необходимые материалы и в точности следовать схеме сборки. При этом следует уделить особое внимание обслуживанию частотного преобразователя, так как при отсутствии должного внимания к его состоянию это оборудование может довольно скоро выйти из строя, что негативным образом скажется и на работе электродвигателя.
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
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.
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.