Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.

Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно - частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.

Назначение частотного преобразователя

Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.

Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.

Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) - это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

Самостоятельное изготовление прибора

Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.

Делаем трехфазный преобразователь

Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.

Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.

Схема частотника выглядит так:

Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.

Вот так выглядит разводка платы управления:

Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.

Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:

Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.

Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:

Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.

После сборки у вас получится что-то похожее:

Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании - поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.

Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.

Частотник для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая - через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль - в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя , используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.

В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:

К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему - мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.

Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:

Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:

Стабилизатор на 12 вольт .

Стабилизатор на 5 вольт.

Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете - великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.

Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя - сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода - опять выйдут из строя ключи.

Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы , а затем - к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также - в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.

После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» - пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» - то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» - стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.

Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.

Возможные проблемы при проверке

Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.

Немного предыстории. Тема моей дипломной работы звучала так: «Разработка и исследование тиристорного частотно-регулируемого асинхронного электропривода электромобильного агрегата». Пространное название, зато отражающее суть: и силовую элементную базу (тиристоры, точнее тринисторы), и способ управления (частотно-регулируемый), и назначение электропривода – электромобиль.

Это мой диплом инженера-электрика. Слева внизу печать: Нагрудный знак выдан.

Вкладыш к диплому. Вверху напечатано, на какую тему я зашитил дипломный прект.

Внизу напечатаны предметы, которые я изучал по индивидуальному плану.

Вкладыш в развёрнутом виде. Сколько же предметов изучено за 5 лет!

А теперь краткое описание моей дипломной работы, которую я защитил на "отлично" с ходатайством о поступлении в аспирантуру:

Схемы блоков управления были выполнены на транзисторах. Блок силовых тринисторов был увесистой конструкцией. В качестве двигателя агрегата использовался трёхфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Для питания силового блока и схемы управления применялась свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, занимающая всё пространство багажника и весящая неимоверно много.

Получался электромобиль-фургон, назначение которого было перевозить небольшие грузы в черте города, например, по торговым точкам. Запаса электроэнергии аккумуляторов хватало на рабочий день. Средняя скорость – 70 км/час.

Теперь перенесёмся на несколько десятилетий вперёд. Тяга к проблеме электропривода у меня с годами не только не прошла, а всё более разгоралась. На смену и в дополнение мощным тринисторам пришли мощные полевые (например, IRF840A) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IRG4PSC71U). Взамен схем управления на транзисторах и микросхем малой и средней степени интеграции пришли микроконтроллеры (я использую в своих конструкциях любимые мной PIC-контроллеры) и специализированные драйверы – микросхемы управления выходными силовыми транзисторными ключами IR2130-IR2131.

Мой путь к успеху был тернистым. Много времени я повторял чужие схемотехнические ошибки, допуская свои. Использовал недоработанные программы управления, записанные в памяти PIC-контроллеров. Не будучи программистом, я не мог программы доработать, усовершенствовать. В результате – куча сгоревших мощных транзисторов и, как неизбежное, несмотря на узлы защиты, «палёных» микросхем драйверов IR2131 и моих любимцев – PIC16F628A – микроконтроллеров.

Успех стал приходить с внимательным изучением материала по этому актуальному вопросу из различных источников. Это и иностранные статьи, в которых раньше чем в отечественной технической литературе публиковались и теоретические материалы, и практические схемные решения по управлению трёхфазными асинхронными электродвигателями от одно- и трёхфазной электрической сети, что непринципиально.

В результате моя самодельная конструкция собрана из нескольких функциональных блоков, разработанных разными авторами, которым я стал доверять, навсегда расставшись с другими, «благодаря» которым я терпел неуспех за неуспехом.

Буквально на-днях собрал, запустил и опробовал свой модульный, пока последний, вариант частотного преобразователя на 4 фиксированные скорости вращения.

С 250-ватным 3-фазным электродвигателем работа устойчива. Мощные ключевые транзисторы IRG4PSC71 без радиаторов позволяют управлять электродвигателями до 5 кВт.

Принципиальная электрическая схема этого варианта "частотника" показана на фото:

Основные этапы сборки будут отражены на ряде фотографий.

Внешний вид платы управления со стороны деталей:

Это основная плата управления преобразователя. В панельку вставлен PIC16F628A. Три транзисторных сдвоенных оптронных ключа АТ101АС гальванически развязывают выходы микроконтроллера и входы драйвера силовых ключй IR2131.

Внешний вид платы управления со сотороны печати:

Компоновка основных узлов прибора на кросс-плате:

Кросс-плата с закреплёнными узлами установлена в корпусе от БП ПК:

Вид прибора сверху:

Вид прибора сзади:

Вид прибора сбоку со стороны печатных дорожек платы драйвера:

Импровизированный испытательный стенд:

Статья обзорная. Такую сложную тему невозможно описать в рамках всего одной статьи, поэтому по мере доработок и усовершенствований будет время от времени подлежать корректуре и редактированию.

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.

Асинхронные двигатели используются в промышленности для обеспечения работы различных механизмов. Но они имеют один существенный недостаток - при запуске происходит кратковременный скачок тока в пять–семь раз. Кроме потерь электроэнергии, промышленные механизмы терпят ударные нагрузки, что приводит к их преждевременному изнашиванию. Поэтому было разработан частотный преобразователь или инвертор, обеспечивающий плавный пуск и останов асинхронных двигателей.

Основы работы преобразователя

Преобразователь частоты не только обеспечивает плавный пуск-остановка двигателя , но и изменяет частоту вращения ротора , регулируя частоту напряжения на входе двигателя. При этом инверторы изменяют частоту в широком диапазоне от значения частоты питающей сети. В величина напряжения питания определяет частоту вращения магнитного поля, создаваемого статором. Обозначим частоту напряжения , тогда угловая скорость магнитного поля двигателя определяется следующей формулой:

где -число пар полюсов статора. Закон пропорциональности зависит от момента нагрузки. Если момент нагрузки постоянный, то напряжение на статоре регулируется по закону

Для вентиляторов применяется следующая зависимость:

.

Если момент нагрузки обратно пропорционален скорости, то напряжение и частота связаны формулой:

По принципу управления преобразователи можно разделить на типы:

• со скалярным управлением;
• с векторным управлением.

Принцип скалярного управления заключается в управлении частотой питающего тока и силы этого тока . Скалярное управление предусматривает поддержание заданного соотношения частоты и напряжения при неизменном крутящемся моменте. Инвертор с управлением по скалярному принципу применяется для вентиляторов, компрессоров, насосов . Допускается подключение к одному преобразователю несколько двигателей.

Скалярный режим позволяет осуществлять регулировку скорости двигателя в узком диапазоне и в среднем колеблется от 1Гц до 100Гц. Это означает, что инвертор преобразует частоту вращения электрического тока сети 50Гц на входе в частоту вращения электрического тока на выходе в диапазоне 1:100Гц .

Важной характеристикой частотных преобразователей является диапазон сохранения скорости с сохранением крутящего момента вала двигателя.

Принцип действия инвертора с векторным управлением заключается в управление характеристиками частоту, силы тока и фазы питающего тока. Так как вращение ротора отстает от вращения магнитного поля статора на 3-5% при максимальном КПД и соответственно максимальной мощности и крутящем моменте, то инвертор с векторным управлением регулирует вращение фазы магнитного поля статора по отношению к вращению ротора, так, чтобы оно было всегда впереди на 3-5%.

При использовании частотного преобразователя реализованного по векторному принципу необходимы датчики обратной связи , которые отслеживают положение ротора электродвигателя. С использованием датчиков диапазон регулирования скорости увеличивается и может достигать показаний выходного тока от 1Гц до 800Гц, что составляет диапазон 1:800Гц . Что актуально для регулирования скорости в лифтовых механизмах, станках.

Название «векторное управление» возникло из-за математического представления тока, создаваемого магнитным полем статора в виде вектора, величина которого равна величине тока, а координаты зависят от фазы тока. Кратко можно сказать, что при векторном режиме управления двигатель развивает максимальный момент тогда, когда вектор магнитного поля находится под углом 103 0 — 105 0 к электрическому току в обмотке ротора. Векторный режим обеспечивает постоянный момент вращения на малых скоростях, высокую точность управления и возможность быстро регулировать скорость изменением частоты.

В инверторе используется принцип преобразования напряжения сети в два этапа. На первом этапе переменное напряжение сети (220 В/380 В) выпрямляется, сглаживается с помощью диодов и конденсаторов. В итоге на первом этапе получается напряжение постоянного тока. На втором этапе формируются прямоугольные импульсы заданной частоты. Через транзисторы инвертора они поступают на обмотки статора, где под воздействием магнитного поля превращаются в синусоидальные, соответствующие переменному току.

Преобразователи с методом широтно-импульсной модуляции напряжения (ШИМ) формируют синусоидальную кривую, параметры которой определяют амплитуду и частоту напряжения.

Виды частотных преобразователей

По назначению преобразователи выпускаются для однофазного и трехфазного напряжения. По типу управления - со скалярным или векторным управлением, о чем рассказывали выше. По типу преобразования делятся на два вида:

• с автономным инвертором напряжения (АИН);
• автономным инвертором тока (АИТ).

Современная промышленность выпускает частотные преобразователи в широком ассортименте, разной мощности и с разными функциями.

Виды входной и выходной информации

Частотные преобразователи различаются по количеству входов и выходов. Входные(выходные) сигналы делятся на следующие типы, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Преобразователи частоты по способу подключения к сети делятся на однофазные и трехфазные. Однофазные частотники подключаются к бытовой сети 220 В , а на выходе формируют трехфазное напряжение. К двигателю они подключаются по схеме «треугольник» . При этом необходимо, чтобы выходной ток составлял не больше половины номинального.

Трехфазные инверторы подключаются к сети 380 В , подключение проводится по принципу «звезда» .

Частотный преобразователь на корпусе имеет ряд клемм для подключения с соответствующей маркировкой. Рассмотрим их обозначения и функции.

Отдельно имеются цифровые выходы для подключения к управляющей аппаратуре (АСУ). Количество выходов определяется производителем инверторов, подробнее они описаны в инструкции по эксплуатации на конкретную модель.

Основные правила выбора преобразователя

В зависимости от требований по мощности и типу управляемых механизмов подбирается частотный преобразователь.

• Мощность инвертора , указанная в документации, должна быть равной или больше механической мощности электродвигателя . Но при этом необходимо дополнительно ориентироваться на тип подключаемых механизмов. Для подъемных устройств выбирается преобразователь, имеющий величину мощности выше паспортного значения мощности двигателя. А для центробежного насоса допускается мощность инвертора ниже.
• Если подключаемая нагрузка отличается большой инерционностью , то в зависимости от требуемого времени разгона подбирается мощность преобразователя. Для быстрого разгона потребуется преобразователь с мощностью, больше номинальной мощности двигателя на 10-15% .
• При выборе частотника номинальный рабочий ток должен превышать значение номинального тока электродвигателя на 10% , чтобы не допустить блокировку по превышению тока.

Основным критерием выбора частотного преобразователя при невозможности одновременно удовлетворить требования по току и напряжению является выбор по полной номинальной мощности, которая должна превышать номинальную мощность двигателя.

При выборе инвертора нельзя обойти вниманием и количество входных (выходных) сигналов и их тип, что позволяет осуществлять автоматизацию производственным процессом и ее модернизацию. При этом желательно ориентироваться принципом - «входов много не бывает».

Как уже обсуждали, в первую очередь выбирается метод управления: скалярный или векторный. Скалярный способ используется для простых механизмов , где требуется обеспечение заданной скорости вращения (вентиляторы, компрессоры и т. д.), где не требуются датчики обратной связи . Векторное управление подразделяется на управление по напряжению и по току. При высоких требованиях к регулировке скорости (от 1:800) дополнительно предусмотрены специальные приводы. И есть необходимость ставить датчики обратной связи на вал

На использовании сигнала обратной связи основана работа ПИД — регулятора . ПИД — регулятор расшифровывается как пропорционально – интегрально — дифференциальный регулятор. Измеряется отклонение величины (скорости, напряжения) от уставки (заранее заданного отклонения) и управляющей системой формируется сигнал по корректировке с учетом статистической ошибки. Такая система используется при работе насосов, станков.

Использование преобразователя частоты позволяет обеспечить защиту двигателя от перегрузки (холостого хода), возникающих при сбое в работе присоединенных механизмов. При обнаружении перегрузки преобразователь формирует аварийный сигнал и выдает команду «Останов».

Дополнительная функция «Летящий пуск» позволяет осуществлять задержку пуска двигателя в зависимости от условий вращения, при перезапуске двигателя. Особенно это актуально для механизмов, допускающих вращение в одну или другую сторону.

Фильтр ЕМС уменьшает электромагнитные помехи , обеспечивая защиту преобразователя и машин, чувствительных к помехам.

Среди функций защиты системы преобразователь - двигатель перечислим основные, которые осуществляются с помощью частотника:

• от перегрузки по току;
• от перегрева;
• от замыкания выходных фаз;
• от перенапряжения;
• от неисправностей в системе питания.

Разные производители оснащают инверторы различными дополнительными функциями по согласованию с заказчиком. Поэтому выбор частотного преобразователя определяется подключаемым оборудованием и задачами, выполнение которых должна обеспечивать система преобразователь - двигатель.

В настоящее время, асинхронный электродвигатель стал основным устройством в большинстве электроприводов. Все чаще для управления им используется – инвертор с ШИМ регулированием. Такое управление дает массу преимуществ, но и создает некоторые проблемы выбора тех или иных технических решений. Попробуем разобраться в них более подробно.

Устройство частотных преобразователей

Разработка и производство широкой номенклатуры мощных высоковольтных транзисторных IGBT модулей предоставили возможность реализации многофазных силовых переключателей, управляемых непосредственно с помощью цифровых сигналов. Программируемые вычислительные средства позволили на входах коммутаторов сформировать числовые последовательности, обеспечивающие сигналы . Разработка и массовый выпуск однокристальных микроконтроллеров, обладающих большими вычислительными ресурсами, обусловили возможность перехода к следящим электроприводам с цифровыми регуляторами.

Силовые преобразователи частоты, как правило, реализуют по схеме, содержащей выпрямитель на мощных силовых диодах или транзисторах и инвертор (управляемый коммутатор) на IGBT транзисторах, шунтированных диодами (рис. 1).

Рис. 1. Схема частотного преобразователя

Входной каскад выпрямляет подаваемое синусоидальное напряжение сети, которое после сглаживания с помощью индуктивно-емкостного фильтра служит источником электропитания управляемого инвертора, вырабатывающего при действии команд цифрового управления сигнал с , который формирует в обмотках статора токи синусоидальной формы с параметрами, обеспечивающими требуемый режим работы электродвигателя.

Цифровое управление силовым преобразователем осуществляется с помощью микропроцессорных аппаратных средств и соответствующим поставленным задачам программным обеспечением. Вычислительное устройство в режиме реального времени вырабатывает сигналы управления 52 модулями, а также производит обработку сигналов измерительных систем, контролирующих работу привода.

Силовые устройства и управляющие вычислительные средства объединены в составе конструктивно оформленного промышленного изделия, называемого частотным преобразователем.

В промышленном оборудовании применяются два основных вида частотных преобразователей:

фирменные преобразователи для конкретных типов оборудования.

универсальные преобразователи частоты предназначены для многоцелевого управления работой АД в задаваемых пользователем режимах.

Установку и контроль режимов работы частотного преобразователя можно производить с помощью пульта управления, оснащенного экраном для индикации введенной информации. В простом варианте скалярного регулирования частоты можно воспользоваться набором простых логических функций, имеющихся в заводских установках контроллера, и встроенным ПИД-регулятором.

Для осуществления более сложных режимов управления с использованием сигналов с датчиков обратных связей необходимо разработать структуру САУ и алгоритм, который следует запрограммировать с помощью подключаемого внешнего компьютера.

Большинство производителей выпускает целый ряд преобразователей частоты, отличающихся входными и выходными электрическими характеристиками, мощностью, конструктивным исполнением и другими параметрами. Для подключения к внешнему оборудованию (электросети, двигателю) могут быть использованы дополнительные внешние элементы: магнитные пускатели, трансформаторы, дроссели.

Типы сигналов управления

Необходимо делать различия между сигналами различных типов и для каждого из них использовать отдельный кабель. Различные типы сигналов могут оказывать влияние друг на друга. На практике такое разделение встречается часто, например кабель от может быть подключен непосредственно к преобразователю частоты.

Рис. 2. Пример подключения силовых цепей и цепей управления преобразователя частоты

Можно выделить следующие типы сигналов:

аналоговые - сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), значение которых меняется медленно или редко, обычно это сигналы управления или измерения;

дискретные сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), которые могут принимать только два редко изменяющихся значения (высокое или низкое);

цифровые (данные) - сигналы напряжения (0...5 В, 0...10 В), которые меняются быстро и с высокой частотой, обычно это сигналы портов RS232, RS485 и т.п.;

релейные - контакты реле (0...220 В переменного тока) могут включать индуктивные токи в зависимости от подключенной нагрузки (внешние реле, лампы, клапаны, тормозные устройства и т.д.).

Выбор мощности частотного преобразователя

При выборе мощности частотного преобразователя необходимо основываться не только на мощности электродвигателя, но и на номинальных токах и напряжениях преобразователя и двигателя. Дело в том, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным электродвигателем в стандартном применении.

Реальные приводы имеют много аспектов, которые могут привести к росту токовой нагрузке привода, например, при пуске. В общем случае, применение частотного привода позволяет снизить токовые и механические нагрузки за счет плавного пуска. Например, пусковой ток снижается с 600% до 100-150% от номинального.

Работа привода на пониженной скорости

Необходимо помнить, что хотя частотный преобразователь легко обеспечивает регулирование по скорости 10:1, но при работе двигателя на низких оборотах мощности собственного вентилятора может не хватать. Необходимо следить за температурой двигателя и обеспечить принудительную вентиляцию.

Электромагнитная совместимость

Поскольку частотный преобразователь мощный источник высокочастотных гармоник, то для подключения двигателей нужно использовать экранированный кабель минимальной длины. Прокладку такого кабеля необходимо вести на расстоянии не менее 100 мм от других кабелей. Это минимизирует наводки. Если нужно пересечь кабели, то пересечение делается под углом 90 градусов.

Питание от аварийного генератора

Плавный пуск, который обеспечивает частотный преобразователь позволяет снизить необходимую мощность генератора. Так как при таком пуске ток снижается в 4-6 раз, то в аналогичное число раз можно снизить мощность генератора. Но все равно, между генератором и приводом должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода частотного привода. Это защищает частотный преобразователь от опасных перенапряжений.

Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи могут быть запитаны от однофазной сети, но при этом их выходной ток не должен превышать 50% от номинального.

Экономия электроэнергии и денег

Экономия происходит по нескольким причинам. Во-первых, за счет роста до значений 0.98, т.е. максимум мощности используется для совершения полезной работы, минимум уходит в потери. Во-вторых, близкий к этому коэффициент получается на всех режимах работы двигателя.

Без частотного преобразователя, асинхронные двигатели на малых нагрузках имеют косинус фи 0.3-0.4. В-третьих, нет необходимости в дополнительных механических регулировках (заслонках, дросселях, вентилях, тормозах и т.д.), все делается электронным образом. При таком устройстве регулирования, экономия может достигать 50%.

Синхронизация нескольких устройств

За счет дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать процессы на конвейере или задавать соотношения изменения одних величин, в зависимости от других. Например, поставить в зависимость скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. Процесс будет оптимизирован, т.к. при увеличении нагрузки на резец, подача будет уменьшена и наоборот.

Защита сети от высших гармоник

Для дополнительной защиты, кроме коротких экранированных кабелей, используются сетевые дроссели и шунтирующие конденсаторы. , кроме того, ограничивает бросок тока при включении.

Правильный выбор класса защиты

Для безотказной работы частотного привода необходим надежный теплоотвод. Если использовать высокие классы защиты, например IP 54 и выше, то трудно или дорого добиться такого теплоотвода. Поэтому, можно использовать отдельный шкаф с высоким классом защиты, куда ставить модули с меньшим классом и осуществлять общую вентиляцию и охлаждение.

Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю

С целью снижения затрат, можно использовать один частотный преобразователь для управления несколькими электродвигателями. Его мощность нужно выбирать с запасом 10-15% от суммарной мощности всех электродвигателей. При этом нужно минимизировать длины моторных кабелей и очень желательно ставить моторный дроссель.

Большинство частотных преобразователей не допускают отключение или подключение двигателей с помощью контакторов во время работы частотного привода. Это производится только через команду стоп привода.

Задание функции регулирования

Для получения максимальных показателей работы электропривода, таких как: коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, плавность регулирования, долговечность, нужно правильно выбирать соотношение между изменением рабочей частоты и напряжения на выходе частотного преобразователя.

Функция изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте, напряжение на статоре электродвигателя должно регулироваться пропорционально частоте (скалярное регулирование U/F = const). Для вентилятора, например, другое соотношение – U/F*F = const. Если увеличиваем частоту в 2 раза, то напряжение нужно увеличить в 4 (векторное регулирование). Есть приводы и с более сложными функциями регулирования.

Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем

Кроме повышения КПД и энергосбережения такой электропривод позволяет получить новые качества управления. Это выражается в отказе от дополнительных механических устройств, создающих потери и снижающих надежность систем: тормозов, заслонок, дросселей, задвижек, регулирующих клапанов и т.д. Торможение, например, может быть осуществлено за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре электродвигателя. Меняя только функциональную зависимость между частотой и напряжением, мы получаем другой привод, не меняя ничего в механике.

Чтение документации

Следует заметить, что хотя частотные преобразователи похожи друг на друга и освоив один, легко разобраться с другим, тем не менее, необходимо тщательно читать документацию. Некоторые производители накладывают ограничения на использование своей продукции, а при их нарушении снимают изделия с гарантии.