Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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:
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.
Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.
Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.
Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры , например, число оборотов.
Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.
Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.
Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.
Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.
Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.
Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.
Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.
Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.
Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.
Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.
Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.
В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.
Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.
Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.
Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.
Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.
Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.
Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.
Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.
При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.
Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.
Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.
Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.
Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме .
Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.
Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.
При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.
Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.
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:
С помощью инвертора осуществляется , предназначенного для преобразования электрической энергии в механическую. Осуществляемое при этом движение можно трансформировать в движение другого типа.
Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.
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.
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:
Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.
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.
Огромное значение для современной промышленности имеют мощные асинхронные электродвигатели. Для осуществления их плавного старта используются частотные преобразователи – небольшие устройства, контролирующие значение пусковых токов и иногда позволяющие изменять скорость вращения.
Асинхронный двигатель существенно превосходит электрические машины других типов в производительности и мощности, однако не лишен характерных недостатков. Так, например, для контроля над скоростью вращения ротора прибор необходимо оснащать дополнительными элементами. То же самое и с пуском – пусковой ток асинхронного двигателя превышает значение номинального в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки, потери электроэнергии, что в совокупности лишь уменьшает срок работы агрегата.
Для решения этих проблем в результате упорных исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного контроля пусковых токов – частотные преобразователи.
Частотный преобразователь для электродвигателя уменьшает величину пусковых токов в 4-5 раз и не только осуществляет плавный запуск, но и управляет ротором путем регулировки напряжения и частоты. Использование прибора имеет и другие достоинства:
позволяет сэкономить до 50% электроэнергии при запуске;
с его помощью обеспечивается обратная связь смежных приводов.
Фактически это не преобразователь, а генератор трёхфазного напряжения необходимой величины и частоты.
Основу преобразователя частоты составляет инвертор с двойным преобразованием. Принцип его работы заключается в следующем:
Следующая схема отображает принцип работы преобразователя частоты асинхронного электрического двигателя.
Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным инструментом завоевания рынка является цена. С целью её уменьшения они создают приборы с минимальным набором функций. Соответственно, чем универсальнее конкретная модель, тем выше её цена. Для нас это имеет большое значение по той причине, что для эффективной и долгой работы двигателя может потребоваться ПЧ с определенными функциями. Давайте рассмотрим основные критерии, на которые следует обращать внимание.
По способу управления частотные преобразователи делят на векторные и скалярные. Первые на сегодня встречаются гораздо чаще, однако имеют более высокую цену по сравнению со вторыми. Преимущество векторного управления заключается в высокой точности регулировки. Скалярное управление очень просто, оно может лишь удерживать соотношение выходного напряжения и частоты на заданной величине. Такой преобразователь целесообразно ставить на небольшой прибор без высокой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.
Безусловно, чем это значение выше, тем лучше. К слову, в данном вопросе цифры не столь важны. Обратите большее внимание на фирму-производителя – чем «родственнее» ваше оборудование друг к другу, тем более эффективно оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей от одного бренда поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте и наличии в вашем городе соответствующего сервисного центра.
В данном случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе – чем шире рабочий диапазон напряжения, тем лучше для нас. Отечественные электросети, к сожалению, слабо знакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально обезопасить аппаратуру от вероятных перепадов. Падение напряжения едва ли приведет к серьезным последствиям (преобразователь, скорее всего, просто отключится), а вот большое повышение опасно – оно может привести поломке устройства в результате взрыва электролитических сетевых конденсаторов.
В данном случае следует опираться исключительно на требования производства и конкретных устройств. Так, например, для такого оборудования, как шлифовальные машины важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандартом нижнего предела считается соотношение 1 к 10 по отношению к верхнему. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном от 10 до 100 Гц. Заметьте, что широким диапазоном регулировки обладают только модели преобразователей с векторным управлением.
Для передачи команд управления в преобразователях предназначены дискретные входы. С помощью них осуществляется запуск двигателя, остановка, торможение, обратное вращение и т.д. Для сигналов обратной связи, осуществляющих текущий контроль и настройку привода непосредственно во время работы, используются аналоговые входы. А цифровые используются для передачи сигналов с высокой частотой, генерируемых энкодерами (датчиками угла поворота).
Фактически, чем больше вводов, тем лучше, однако большое их количество не только делает сложной настройку прибора, но и повышает его стоимость.
Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, сообщающих о возникновении проблем, таких как, перегрев устройства, отклонение величины входного напряжения от нормы, авария, ошибка и т.п. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратных связей в сложных системах. Принцип выбора тот же: ищите баланс между количеством сигналов и стоимость прибора.
В поиске подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты – количество выходов и входов должно быть, как минимум, равным, но лучше купите шину с небольшим запасом – значительно облегчите себе дальнейшее усовершенствование устройства.
Нормой считается, если мощность частотного преобразователя выше мощности двигателя на 10-15%. Ток тоже должен быть немного выше номинала двигателя. Однако такой подбор «на глаз» рекомендуется только в случае, когда нет необходимой технической документации на двигатель. При ее наличии – тщательно ознакомьтесь с требованиями и подберите соответствующий преобразователь. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток преобразователя должен быть больше указанного значения на 10%.
Несмотря на то, что покупка надежного и долговечного частотного преобразователя является приоритетным вариантом, такой прибор можно собрать своими руками. Во всемирной сети выложена не одна схема и инструкция, как это сделать. В действительности, сборка своими руками может стать отличной альтернативой в ситуации, когда преобразователь нужен для небольшого бытового устройства. Самодельное устройство справится со своими задачами не хуже покупного, а будет стоить значительно дешевле. Но попытки создания подходящего преобразователя для работы мощных асинхронных двигателей лучше оставить – здесь, как ни старайся, превзойти профессиональные приборы по эффективности и качеству не получится.
Итак, давайте подробно рассмотрим, как собрать частотный преобразователь для асинхронного двигателя своими руками. Обратите внимание, что параметры домашней однофазной электросети позволяют использовать в данном случае двигатель с мощностью не больше 1 кВт.
Обратите внимание, что при использовании длинных проводов, на них необходимо надеть помехоподавляющие кольца.
Он позволяет регулировать вращение двигателя в диапазоне частоты 1:40.
Для подключения частотного преобразователя общая схема подключения асинхронного электродвигателя. В цепи преобразователь располагается сразу после дифференциального автомата, рассчитанного на ток, равный номиналу двигателя. При установке преобразователя в трехфазную сеть нужно использовать трехфазный автомат с общим рычагом. Это позволяет в случае возникновения перегрузки на одной из фаз разом отключить все питание. Значение срабатывания должно быть подобрано в соответствии с током одной фазы двигателя. А в ситуации, когда частотный преобразователь устанавливается в сеть с однофазным током, целесообразно использовать автомат, рассчитанный на тройное значение фазы. Так или иначе, установка прибора должна осуществляться вручную, без «врезания» в разрыв «нуля» и заземления.
Фактически настройка ПЧ заключается в выборе схемы присоединения фазных проводов к клеммам на электродвигателе, однако она чаще зависит от того, к какому типу сети они подключаются. Для трехфазных электросетей на производственных объектах двигатель подключают «звездой» — эта схема предусматривает параллельное подключение проводов обмоток. Для бытовых однофазных сетей с напряжением 220В используется схема «треугольник» (учитывайте при этом, что величина выходного тока не должна превышать номинал более чем на 50%).
Пульт управления следует расположить в любом месте, наиболее удобном для использования. Схема его подключения указывается в технической документации к частотному преобразователю. Перед монтажом и до подачи питания рычаг следует установить в выключенное положение. После переведения рычага во включенное положение должен загореться соответствующий световой индикатор. По умолчанию для запуска устройства следует нажать клавишу «RUN». Для постепенного наращивания оборотов двигателя надо медленно поворачивать рукоятку пульта. При обратном вращении следует переключить режим с помощью кнопки реверса. Теперь можно установить рукоятку в положение, устанавливающее необходимую скорость вращения. Обратите внимание, что на пультах управления некоторых частотных преобразователей вместо механической частоты вращения указывается частота питающего напряжения.
Чтобы максимально продлить срок службы частотного преобразователя старайтесь следовать следующим рекомендациям по обслуживанию:
Внимание к внешним условиям, в которых устанавливается частотный преобразователь, тоже позволяет существенно продлить срок его эксплуатации. Это должно быть хорошо вентилируемое место, без прямых солнечных лучей, без нахождения в непосредственной близости легковоспламеняющихся жидкостей и материалов, без мусора, металлической и деревянной стружки, пыли, масляных капель, вибраций, домашних животных, мышей, тараканов… Поверхность установки должна быть ровной и устойчивой. В некоторых случаях следует обратить внимание на расположение преобразователя относительно уровня моря – с каждыми 100 метрами повышения температуру внешней среды можно уменьшать на 0,5˚C относительно нормы (-10˚C — + 45˚C).
