Частотное управление асинхронным двигателем схема своими руками. Принцип работы и изготовление частотного преобразователя

С все более увеличивающимся ростом автоматизации в бытовой сфере появляется необходимость в современных системах и устройствах управления электродвигателями.

Управление и преобразование частоты в небольших по мощности однофазных асинхронных двигателях, запускаемых в работу с помощью конденсаторов, позволяет экономить электроэнергию и активирует режим энергосбережения на новом, прогрессивном уровне.

Принцип работы однофазной асинхронной машины

В основе работы асинхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и токов, наводимых им в роторе двигателя. При разности частоты вращения пульсирующих магнитных полей возникает вращающий момент. Именно этим принципом руководствуются при регулировании скорости вращения асинхронного двигателя с помощью .

Пусковая обмотка занимает в конструкции статора 1/3 пазов, на главную обмотку приходится 23 паза статора.

Ротор однофазного двигателя коротко замкнутый, помещенный в неподвижное магнитное поле статора, начинает вращаться.

Рис.№1 Схематический рисунок двигателя, демонстрирующий принцип работы однофазного асинхронного двигателя.

Основные виды однофазных электроприводов

Кондиционеры воздуха, холодильные компрессоры, электрические вентиляторы, обдувочные агрегаты, водяные, дренажные и фекальные насосы, моечные машины используют в своей конструкции асинхронный трехфазный двигатель.

Все типы частотников преобразуют переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение. Служат для формирования однофазного напряжения с регулируемой частотой и заданной амплитудой для управления вращения асинхронных двигателей.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Существует несколько способов регулирования скорости вращения однофазного двигателя.

Управление скольжением двигателя или изменением напряжения. Способ актуален для агрегатов с вентиляторной нагрузкой, для него рекомендуется использовать двигатели с повышенной мощностью. Недостаток способа – нагрев обмоток двигателя.
Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя с помощью автотрансформатора.

Рис.№2. Схема регулировки с помощью автотрансформатора.

Достоинства схемы – напряжение выхода имеет чистую синусоиду. Способность трансформатора к перегрузкам имеет большой запас по мощности.

Недостатки – автотрансформатор имеет большие габаритные размеры.

Использование тиристорного . Применяются тиристорные ключи, подключенные встречно-параллельно.

Рис. №3.Схема тиристорного регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

При использовании для регулирования скорости вращения однофазных асинхронных двигателей, чтобы избежать негативного влияния индукционной нагрузки производят модификацию схемы. Добавляют LRC-цепи для защиты силовых ключей, для корректировки волны напряжения используют конденсатор, минимальная мощность двигателя ограничивается, так гарантируется старт двигателя. Тиристор должен иметь ток выше тока электродвигателя.

Транзисторный регулятор напряжения

В схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с применением выходного каскада, построенного на использовании полевых или биполярных IGBT транзисторах.

Рис. №4. Схема использования ШИМ для регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

Частотное регулирование асинхронного однофазного электродвигателя считается основным способом регулирования , мощности, эффективности использования, скорости и показателей энергосбережения.

Рис. №5. Схема управления электродвигателем без исключения из конструкции конденсатора.

Частотный преобразователь: виды, принцип действия, схемы подключения

Разрешает своему владельцу снизить энергопотребление и автоматизировать процессы в управлении оборудованием и производством.

Основные компоненты частотного преобразователя: выпрямитель, конденсатор, IGBT-транзисторы, собранные в выходной каскад.

Благодаря способности управлением параметрами выходной частоты и напряжения достигается хороший энергосберегающий эффект. Энергосбережение выражается в следующем:

В двигателе поддерживается неизменный текущий момент ращения вала. Это обусловлено взаимодействием выходной частоты инверторного преобразователя с частотой вращения двигателя и соответственно, зависимостью напряжения и крутящего момента на валу двигателя. Значит, что преобразователь дает возможность автоматически регулировать напряжение на выходе при обнаружении превышающего норму значения напряжения с определенной рабочей частотой нужно для поддержания требуемого момента. Все инверторные преобразователи с векторным управлением имеют функцию поддержания постоянного вращающего момента на валу.
Частотный преобразователь служит для регулировки действия насосных агрегатов (). При получении сигнала, поступающего с датчика давления, частотник снижает производительность насосной установки. При снижении оборотов вращения двигателя уменьшается потребление выходного напряжения. Так, стандартное потребление воды насосом требует 50Гц промышленной частоты и 400В напряжения. Руководствуясь формулой мощности можно высчитать соотношение потребляемых мощностей.

Уменьшая частоту до 40Гц, уменьшается величина напряжения до 250В, означает, что уменьшается количество оборотов вращения насоса и потребление энергии снижается в 2,56 раз.

Рис. №6. Использование частотного преобразователя Speedrive для регулирования насосных агрегатов по систем CKEA MULTI 35.

Для повышения энергетической эффективности использования необходимо сделать следующее:

Частотный преобразователь должен соответствовать параметрам электродвигателя.
Частотник подбирается в соответствии с типом рабочего оборудования, для которого он предназначен. Так, частотник для насосов функционирует в соответствии с заложенными в программу параметрами для управления работой насоса.
Точные настройки параметров управления в ручном и автоматическом режиме.
Частотный преобразователь разрешает использовать режим энергосбережения.
Режим векторного регулирования позволяет произвести автоматическую настройку управления двигателем.

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
Энергосбережение введено в автоматический режим.
Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Важно: Однофазный преобразователь частоты, питаясь от однофазной сети напряжением 220В, выдает три линейных напряжения, величина каждого из них по 220В. То есть, линейное напряжение между 2 фазами находится в прямой зависимости от величины выходного напряжения самого частотника.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

Первое на что обращаем внимание при выборе частотника для своего оборудования – это соответствие сетевого напряжения и номинального значения тока нагрузки, на который рассчитан двигатель. Способ подключения выбирается относительно рабочего тока.

Главным в схеме подключения является наличие фазосдвигающего конденсатора, он служит для сдвига напряжения, поступающего на пусковую обмотку. Она служит для пускового включения двигателя, иногда после того, как двигатель заработал, пусковая обмотка вместе с конденсатором отключается, иногда остается включенной.

Схема подключения однофазного двигателя с помощью однофазного частотного преобразователя без использования конденсатора

Выходное линейное напряжение устройства на каждой фазе равно выходному напряжению частотника, то есть на выходе будет три напряжения линии, каждое по 220В. Для запуска может использоваться только пусковая обмотка.

Рис. №8. Схема присоединения однофазного асинхронного двигателя через конденсатор

Фазосдвигающий конденсатор не может обеспечить равномерный фазовый сдвиг в пределах границ частот инвертора. Частотник обеспечит равномерный сдвиг фаз. Для того, чтобы исключить из схемы конденсатор, нужно:

Конденсатор стартера С1 удаляется.
Вывод обмотки двигателя присоединяем к точке выхода напряжения частотника (используется прямая проводка).
Точка А присоединяется к СА; В соединяется с СВ; W соединяется к СС, таким образом электродвигатель присоединится напрямую.
Для включения в обратном направлении (обратная проводка) необходимо В присоединить к СА; А присоединить к СВ; W соединить с СС.

Рис. №9. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя без использования конденсатора.

На видео — Частотный преобразователь. в однофазную сеть 220В.

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.

Во всем мире с успехом реализуются принципы частотного управления асинхронным электроприводом. Способ предусматривает кроме значительной экономии электроэнергии , усовершенствованное управление работы агрегатов, и ведет к существенному энергосбережению.

Принцип действия

Скорость вращения вала электродвигателя зависит от частоты подаваемого питающего напряжения. Использование частотных преобразователей повсеместно признано самым эффективным методом регулировки скорости вращения . Действие устройства заключается в формировании из значения выходного напряжения (U), характеризуемого постоянной частотой (F) и амплитудой (A), в напряжение с переменными параметрами. Это приводит к изменению величины частоты магнитного поля, изменяющего механическое вращение вала двигателя.

Принимая во внимание, что момент нагрузки постоянен, сила тока зависит от нагрузки, соответственно, происходит изменение подаваемого на клеммы двигателя напряжения пропорционального частоте, это сохраняет неизменным поток намагничивания и постоянный крутящий момент, а также неизменное значение тока.

Как следствие этих процессов, наблюдается постоянная корректировка скорости и вращающего момента в отношении рабочей нагрузки. Потери – минимальны, это достигается при помощи поддержания постоянного скольжения при любой скорости, для всех нагрузок.

Преимущества способа частотного регулирования

Управление электродвигателем может осуществляться на значительном расстоянии в удобном для этого месте.
Мягкий пуск и уменьшение затрат на техническое обслуживание устройства.
Возможность увеличивать производительность с помощью регулирования скорости, в соответствии с требуемой производственной потребностью.
Повышенный КПД преобразователя частоты до 97% асинхронной машины и до 95% повышает энергоэффективность за счет способа управления и применяемого электродвигателя.
Статический преобразователь применяется для переменного момента (невысокий крутящий момент, небольшие скорости) с уменьшенной величиной напряжения на клеммах присоединения к электродвигателю. Также, для использования в случае неизменного момента и мощности, в таком случае высокая эффективность достигается за счет плавного управления скоростью. Благодаря этим возможностям система может считаться универсальной.
Обязательный контроль скорости способствует достижению оптимизации технологического процесса, что способствует высокому качеству продукции.

Характеристики

Сигнал заданного значения напряжения и определенной частоты, получается по прохождении трех этапов – это:

Выпрямительный диодный мост.
Фильтр постоянного тока для осуществления сглаживания уже выпрямленного значения напряжения при помощи конденсаторов.
Инвертор или силовой модуль, работающий на базе IGВT (БТИЗ – биполярный транзистор с изолированным затвором). Этот силовой транзистор может использоваться в качестве ключа со значительным рабочим током в несколько кило-ампер, и с величиной напряжения в несколько киловольт с частотой коммутации более 30 кГц.

Рис №1. Три основных звена, из которых состоит устройство частотного преобразователя.

Типы частотного управления скоростью асинхронной машины

Существует два основных типа управления скоростью вращения, являющимися базовыми способами, это:

Скалярное (без использования обратной связи).
Векторное управление, обратная связь может применяться, а может отсутствовать.

Характеристика скалярного управления

При использовании этого типа управления, происходит сохранение соотношения U/F в неизменном виде по всему частотному интервалу для сохранения постоянного магнитного потока (Ф) электрического двигателя. Данный метод применяется при отсутствии надобности стремительного реагирования на колебания момента вращения и число оборотов.

Скалярное регулировании позволяет от одного частотного устройства запитать несколько рабочих асинхронных машин. При скалярном регулировании применяется компенсация скольжения за счет снижения скорости. Происходит увеличение постоянного момента вращения за счет повышения коэффициента V/F, это компенсирует понижение значения напряжения на статоре двигателя. Этот способ прост конструктивно и не нуждается в значительной точности и быстром реагировании на изменения числа оборотов вала.

Векторное управление двигателем

Увеличение эффективности в управлении рабочим приводом рекомендуется применить метод регулировки за счет изменения потокосцепления.

Самым точным и наиболее действенным считается метод векторного регулирования фазы тока в статоре машины и соответственно, фазой его магнитного поля относительно ротора. Для этого метода характерно применение датчика позиционирования или положения (энкодера), позволяющего показать точное положение ротора в каждый вращающий момент. Применение датчиков положения способно увеличить стоимость электропривода. С использованием энкодеров скорость можно регулировать с точностью до 0,01%.

Чтобы обойти такое ограничение рекомендуется применять в системе управления электродвигателем, преобразователь интегральных схем ASIC. Он создает адаптивную модель двигателя, выраженную математически с точным указанием величины токов, напряжений, сопротивления статора, индуктивность рассеивания на выходе. Делает возможным создание моделирования тепловых рабочих параметров двигателя при разных режимах работы.

Векторное управление без применения датчиков обратной связи способно обеспечить динамические погрешности, которые присутствуют в электроприводах с замкнутой обратной связью. Векторное управление без использования датчиков простое конструктивно, но весьма ограничено при использовании на невысоких скоростях, он отлично подходит для больших скоростей вращения.

Влияние токов высших гармоник

Важно : для сетей переменного тока система использующая преобразователь частоты служит нелинейной импульсной нагрузкой, где присутствуют токовые гармоники, отрицательно влияющие на качественные параметры линии электропередач в зависимости от значения сопротивления линии. Высшие гармоники обладают более низкой амплитудой и тем легче могут быть отфильтрованы.

Гармонические токи способствуют увеличению электрических потерь и снижение коэффициента мощности, способствуют перегреву элементов сети, например: кабелей, трансформаторов, двигателей, конденсаторов.

Сетевой дроссель или сглаживающий линейный реактор

Для преобразователей частоты обязательно наличие фильтрующего устройства. Снизить гармонические искажения можно за счет применения сетевых дросселей или DC-реакторов. Дроссель препятствует снижению величины напряжения на электродвигателе и способствует повышению его коэффициента мощности. Недостаток дросселя, он может привести нежелательному резонансу в общей системе электроснабжения, это происходит за счет неправильно выбранной комбинации его сопротивления с сопротивлением линии.

Рекомендуется сопротивление сетевого дросселя добавлять к существующему сопротивлению источника питания. При этом учитывается сопротивление трансформаторов и кабельных линий, в этом случае падение напряжения составит 2-4% и послужит для улучшения коэффициента мощности и уменьшения гармонических искажений на выходном токе.

Также сглаживающий реактор улучшает коэффициент мощности и служит для подавления или ослабления высших гармоник. Реактор помогает увеличить срок эксплуатации полупроводников, конденсаторных батарей. За счет этого происходит снижение значения тока выпрямительных диодов и уменьшается пульсация тока через конденсаторы.

Рис №2. Сетевой дроссель (реактор).

Мероприятия, направленные на сглаживание гармоник

Для подавления радиопомех, которые генерируются инвертором, в частотном преобразователе используют фильтр радиопомех и модуль DBR, устройства используются для соответствия требованиям по электромагнитной совместимости.

Также для уменьшения гармоник используют многоуровневый преобразователь, что влечет некоторое увеличение стоимости оборудования, снижает надежность и усложняет управление. Хорошее решение этого вопроса можно наблюдать при улучшении качества ШИМ, выполняется оптимизация временной диаграммы – происходит: пространственно векторная модуляция, улучшается контроль напряжения, повышается эффективность системы (частотный преобразователь + электродвигатель)

Энергосбережение

Повышение КПД электрического двигателя достигается за счет увеличения частоты коммутации. При подключении от преобразователя, происходит сохранение КПД двигателя, по сравнению со стандартными двигателями.

Энергоэффективность достигается за счет снижения тепловых потерь и потерь в железе, это можно нормализировать при снижении скорости. Качество управления происходит вследствие исключения механических устройств, при которых возникают потери, и понижается надежность – это могут быть: заслонки, системы тормозов, задвижки и т. д.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад, если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

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.

Своим клиентам мы предлагаем ремонт частотных преобразователей по минимально возможной сегодня цене.