Частотное регулирование однофазного асинхронного двигателя. Регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя

Из данной статьи вы узнаете, что такое рассмотрите его схему, принцип работы, а также узнаете о настройках промышленных образцов. Основной упор будет сделан на изготовление Конечно, для этого вам потребуется иметь хотя бы общее представление о проводниковой технике. Начинать необходимо с того, для каких целей используются преобразователи частоты.

Когда возникает необходимость в ПЧ

Современные преобразователи частоты — это высокотехнологичные устройства, которые состоят из элементов на основе полупроводников. Кроме того, имеется электронная система управления, построенная на микроконтроллере. С ее помощью производится управление всеми важнейшими параметрами электродвигателя. В частности при помощи преобразователя частоты можно изменять скорость вращения Возникает мысль о том, чтобы приобрести частотный преобразователь для электродвигателя. Цена такого устройства для моторов мощностью 0,75 кВт составит примерно 5-7 тыс. руб.

Стоит заметить, что изменить скорость вращения можно при помощи редуктора, построенного на основе вариатора, либо шестеренчатого типа. Но такие конструкции очень большие, применять их не всегда имеется возможность. Ко всему прочему, такие механизмы необходимо своевременно обслуживать, а их надежность крайне мала. Применение частотного преобразователя позволяет уменьшить расходы на обслуживание электрического привода, а также увеличить его возможности.

Основные узлы частотного преобразователя

Любой преобразователь частоты состоит из четырех основных модулей:

Блока выпрямителя.
Устройства фильтрации постоянного напряжения.
Инверторного узла.
Микропроцессорной системы управления.

Все они взаимосвязаны, причем блок управления контролирует работу выходного каскада - инвертора. Именно с его помощью осуществляется изменение выходных характеристик переменного тока.

О нем будет подробно рассказано ниже, приведена схема. Частотный преобразователь для электродвигателя имеет еще несколько особенностей. Стоит отметить, что в состав устройства входит несколько степеней защиты, которые также управляются микроконтроллерным устройством. В частности производится контроль температуры силовых полупроводниковых элементов. Кроме того, имеется функция защиты от короткого замыкания и превышения тока. Частотный преобразователь необходимо подключать к питающей сети посредством защитных устройств. Необходимость в отпадает.

Выпрямитель преобразователя частоты

Это самый первый модуль, через который протекает ток. С его помощью производится выпрямление переменного тока - преобразование в постоянный. Происходит это благодаря использованию таких элементов, как полупроводниковые диоды. Но теперь стоит упомянуть о небольшой особенности. Вы знаете, что питание большей части осуществляется от трехфазной сети переменного тока. Но не везде такая имеется. Конечно, на крупных предприятиях она есть, но в быту ее редко используют, так как проще провести однофазную. Да и с учетом электроэнергии дела обстоят проще.

А преобразователи частоты могут питаться как от трехфазной сети, так и от однофазной. В чем же разница? А она несущественная, в конструкции используются различные типы выпрямителей. Если речь идет про однофазный частотный преобразователь для электродвигателя, то необходимо применять схему на четырех полупроводниковых диодах, включенных по мостовому типу. Но если есть необходимость питания от трехфазной сети, следует выбрать иную схему, состоящую из шести полупроводниковых диодов. Два элемента в каждом плече, в результате вы получите выпрямление переменного тока. На выходе появятся «плюс» и «минус».

Фильтрация постоянного напряжения

На выходе выпрямителя вы имеете постоянное напряжение, но оно обладает большими пульсациями, все еще проскакивает переменная составляющая. Чтобы сгладить все эти «неровности» тока, вам потребуется применять как минимум два элемента - катушку индуктивности и электролитический конденсатор. Но обо всем стоит рассказать более детально.

Катушка индуктивности имеет большое число витков, она обладает некоторым что позволяет немного сгладить пульсации тока, протекающего через нее. Второй элемент - конденсатор, включенный между двумя полюсами. Он обладает поистине интересными свойствами. При протекании постоянного тока он по закону Кирхгофа заменяться должен обрывом, то есть между плюсом и минусом как бы ничего нет. А вот при протекании переменного - проводником, отрезком провода без сопротивления. Как было сказано выше, протекает постоянный ток, но в нем присутствует небольшая доля переменного. И она-то замыкается, в результате чего попросту исчезает.

Инверторный модуль

Инверторный узел, если быть точным, наиболее важный во всей конструкции. С его помощью производится изменение параметров выходного тока. В частности его частоты, напряжения и т. д. Состоит инвертор из шести управляемых транзисторов. Для каждой фазы два полупроводниковых элемента. Стоит отметить, что в инверторном каскаде используются современные сборки из IGBT-транзисторов. Хоть самодельный, хоть частотный преобразователь Delta, самый бюджетный и доступный на сегодняшний день, состоят из одинаковых узлов. Возможности только разные.

Они имеют три входа, столько же выходов, а также шесть точек подключения к устройству управления. Стоит отметить, что при самостоятельном изготовлении частотного преобразователя необходимо производить подбор сборки по мощности. Поэтому вы должны сразу определиться с тем, какой тип электродвигателя будет подключаться к преобразователю частоты.

Микропроцессорная система управления

При самостоятельном изготовлении вряд ли получится достигнуть тех же параметров, которые имеются у промышленных образцов. Причина этого кроется вовсе не в том, что выпускаемые сборки силовых транзисторов являются неэффективными. Дело в том, что в домашних условиях изготовить модуль управления оказывается довольно сложно. Конечно, речь идет не про пайку элементов, а о программировании микроконтроллерного устройства. Самый простой вариант — это изготовить блок управления, при помощи которого можно проводить регулировку скорости вращения, осуществление реверса, защиту по току и от перегрева.

Для изменения необходимо использовать переменное сопротивление, которое подключается к порту ввода микроконтроллера. Это задающее устройство, которое подает сигнал микросхеме. Последняя анализирует уровень изменения напряжения по сравнению с эталонным, которое составляет 5 В. Система управления работает по определенному алгоритму, который пишется до начала программирования. Строго по нему происходит работа микропроцессорной системы. Очень популярны модули управления фирмы Siemens. Частотный преобразователь этого производителя имеет высокую надежность, может использоваться в любом типе электропривода.

Как настроить преобразователь частоты

На сегодняшний день имеется много производителей данного устройства. Но алгоритм настройки у всех практически одинаков. Конечно, провести настройку преобразователя частоты без определенных знаний не получится. Вам необходимо иметь две вещи — опыт в регулировке и руководство по эксплуатации. В последнем имеется приложение, в котором описаны все функции, которые могут быть запрограммированы. Обычно на корпусе частотного преобразователя имеется несколько кнопок. Как минимум четыре штуки должно присутствовать. Две предназначены для переключения между функциями, при помощи остальных производится выбор параметров либо отмена введенных данных. Для перехода в режим программирования необходимо нажать определенную кнопку.

Для каждой модели частотного преобразователя свой алгоритм входа в режим программирования. Поэтому без руководства по эксплуатации невозможно обойтись. Стоит также отметить, что функции разбиты на несколько подгрупп. И запутаться в них не составит труда. Старайтесь не изменять те настройки, которые не рекомендует трогать производитель. Эти параметры нужно менять лишь в исключительных случаях. При выборе функции программирования вы будете видеть на дисплее ее цифро-буквенное обозначение. По мере набора опыта настройка частотного преобразователя будет казаться вам очень простым делом.

Выводы

При эксплуатации, обслуживании либо изготовлении частотного преобразователя необходимо соблюдать все меры предосторожности. Помните, что в конструкции устройства имеются электролитические конденсаторы, которые сохраняют заряд даже после отключения от сети переменного тока. Поэтому, перед тем как производить разборку, необходимо дождаться разряда. Обратите внимание на то, что в конструкции частотных преобразователей присутствуют элементы, которые боятся статического электричества. В частности это относится к микропроцессорной системе управления. Поэтому проводить пайку следует со всеми мерами предосторожности.

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.

Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:

ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.

Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.

Конструкция и принцип действия частотного преобразователя

Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора . В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.

Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные . Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.

В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.

Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды , рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры , чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.

Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры . Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры , а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.

Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:

силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).

На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.

Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.

Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.

Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.

Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления . Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки , позволяющие эти данные ввести.

Простейшие схемы управления частотным преобразователем

С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.

Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой . Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.

С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.

Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков

Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни .

Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.

При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).

Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.

Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали . В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.

Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения . Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры , фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.

Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов

Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.

И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.

К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли , но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.

Промышленные установки с системами АСУТП

Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.

Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.

Для регулировки используется два способа:

с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.

Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ . Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.

Впервые асинхронный двигатель был использован в конце 19-го века. Его успешное применение позволило внедрить данное оборудование практически на любой завод, фабрику, в любую отрасль промышленности. Однако управлять данным устройством оказалось довольно проблемно, особенно пуском и остановкой. Основной целью эксплуатации частотного преобразователя, а также целью его создания как раз и стала необходимость в устройстве, управляющем асинхронным двигателем.

Общая информация

Целесообразнее всего снабжать преобразователем частоты (ЧП) те устройства, которые обладают довольно высоким показателем мощности. Основная цель, для которой используется такое оборудование, - это изменение пускового тока. ЧП дает возможность задавать величину для этого параметра, что и обеспечивает более плавную остановку и запуск двигателя.

Также можно отметить, что эти два устройства, работающие в паре, позволяют заменить такие устройства, как электроприводы постоянного тока. С одной стороны, регулировать скорость у такой системы очень просто, однако есть и слабое место в такой сети - сам электродвигатель. В электроприводах постоянного тока именно это устройство является наиболее дорогим и ненадежным. А если сравнивать асинхронное оборудование с прибором постоянного тока, то тут можно выделить явные преимущества: более простое и надежное устройство; масса, стоимость и габариты асинхронного приспособления будут гораздо ниже, чем у аппарата постоянного тока с той же мощностью.

Что такое частотный преобразователь

Стоит сказать о том, что регулировать числовое значение тока можно и вручную. Однако на это будет уходить определенное количество времени, так как человек не способен моментально среагировать на любое изменение, как машина. А это приведет к тому, что некоторое количество энергии будет уходить впустую, а энергетический ресурс двигателя выработается быстрее.

Частотный преобразователь для электродвигателя - это практически необходимая деталь, так как те устройства, которые не имели его, обладали значением тока, превышающим номинальное значение напряжение в 5-7 раз. Такая разница не позволит создавать приемлемые условия для эксплуатации двигателя.

Принцип работы частотного преобразователя кроется в том, что в нем используется специальный электронный механизм, который и управляет работой асинхронного двигателя. Также важно отметить, что ЧП позволяет не только настроить плавный запуск, но и выбрать оптимальный показатель между напряжением и частотой. Эта характеристика рассчитывается по определенной формуле.

Основное преимущество применения частотного преобразователя для двигателя - это экономия электрической энергии, значение которой доходит до 50 %. Еще одно важное преимущество ЧП - это возможность настроить его работу так, чтобы она максимально подходила под каждую отрасль производства. Применение такого устройства основывается на принципе работы двойного преобразования напряжения.

Первый этап - это регулировка напряжения, поступающего из сети. Оно выпрямляется и фильтруется. Эти операции осуществляются посредством системы конденсаторов.

Второй этап - включение в работу электронного управления системой. Этот элемент выставляет значение тока, которое будет соответствовать частоте, а также ранее выбранному режиму работы.

Как можно заметить, принцип работы частотного преобразователя довольно прост.

Материалы для сборки

На сегодняшний день распространение и улучшение технологий и оборудования привело к тому, что, имея некоторые знания в электронике и умения, можно собрать ЧП для однофазного двигателя собственноручно.

Для того чтобы собрать это устройство, понадобятся такие материалы, как:

драйвер трехфазного моста модели IR2135 или 2133;
понадобится микроконтроллер, который будет использоваться как генератор PWM, модели AT90SPWM3B;
еще одна важная деталь - программатор;
три пары транзисторов;
жидкокристаллический индикатор;
шесть кнопок для управления системой.

Сборка устройства

Для начала работы необходимо иметь схему частотного преобразователя. Осуществлять сборку будет намного удобнее и быстрее, имея этот документ.

Первый шаг сборки - соединение обмоток двигателя. Для этого нужно использовать вариант подключения, который в электротехнике называется треугольник.

В сборке частотного преобразователя своими руками основой будут выступать две платы. Одна из них (первая) будет являться основой для размещения таких элементов, как блок питания, драйвер, транзисторы. Силовые клеммы также будут подключаться к этой плате. Вторая же плата необходима для крепления микроконтроллера и индикатора. Для того чтобы соединить эти два элемента между собой, нужно использовать гибкий шлейф. Чтобы изготовить импульсный блок, можно использовать самую простую схему.

Для того чтобы осуществлять контроль над работой двигателя, нет необходимости в добавлении внешних устройств. Однако если такое желание все же есть, то можно добавить схему IL300 в конструкцию.

Следующим важным элементом в сборке частотного преобразователя своими руками станет общий радиатор. В схеме этих устройств данный элемент используется для того, чтобы разместить на нем транзисторы и диодный мост. Один из обязательных шагов - это установка оптронов ОС2-4. Основное предназначение этих элементов - дублирование кнопок управления.

При изготовлении частотного преобразователя своими руками для двигателя с мощностью до 400 Вт можно обойтись без термодатчика. Для того чтобы измерять напряжение, можно использовать обычный усилитель (DA-1-2). Необходимо также защитить все кнопки управления. Для этого используются пластиковые толкатели. Управление устройством осуществляется при помощи опторазвязки.

Последнее, что необходимо сделать при изготовлении частотного преобразователя своими руками, - это позаботиться о подавлении помех. Это необходимо делать лишь в том случае, если в системе используются слишком длинные провода. Когда ротор двигателя уже запущен, то можно выбрать любою скорость вращения, которая лежит в пределах частоты от 1 до 40.

Подключение

Собрать ЧП - это лишь половина дела. Вторая половина - это правильное подключение преобразователя к двигателю. Частотный преобразователь для насоса, работающего посредством использования асинхронного двигателя, может подключаться по двум методам. Выбор метода зависит от напряжения сети.

Если она обладает напряжением в 220 В и всего одной фазой, то наиболее выгодная схема подключения - это треугольник. Тут важно запомнить одну вещь. Выходной ток не может превышать номинальный более чем на 50 %.

Если подключать частотный преобразователь на 380 В и трех фазах, то для подсоединения к двигателю лучше всего прибегнуть к такой схеме, как звезда. Для того чтобы максимально упростить этот процесс, на покупных ЧП имеются специальные клеммы, которые обладают нужной маркировкой. На самодельном придется обойтись без этого.

Важно не забыть, что в любой системе, самодельной или покупной, должна быть схема, имеющая клемму для заземления.

Обслуживание устройства

Как уже говорилось ранее, просто собрать ЧП и подключить его - мало. Еще одна важная часть, которая гарантирует длительный срок службы устройства, - это обслуживание прибора. Частотный преобразователь для насоса, двигателя или любого другого устройства, должен подвергаться тщательному уходу:

Наиболее страшный враг электронного оборудования - это пыль. Важно следить, чтобы на внутренних контактах она не скапливалась. Для удаления этих частиц мусора можно использовать компрессор с невысокой мощностью. Пылесос использовать нежелательно, так как он не сможет убрать плотный слой пыли.
Необходимо регулярно проверять работоспособность всех узлов. При возникновении неполадок сразу их менять. Нормальный срок эксплуатации электролитического конденсатора - 5 лет, для предохранителя - 10 лет. Вентиляторы, работающие внутри устройства, нужно менять каждые 2-3 года, внутренние шлейфы - каждые 6 лет.
Очень важно следить за такими параметрами, как температура внутренних элементов, а также напряжение на шине постоянного тока. Если температура повысится слишком сильно, то термопаста с большой долей вероятности высохнет, что приведет к выходу из строя конденсаторов. Чтобы избежать этой проблемы, рекомендуется менять термопасту каждые три года.
Важно соблюдать следующие правила эксплуатации: температура окружающего воздуха не выше +40 градусов; помещение должно быть сухим, повышенная влажность недопустима; повышенная запыленность также отрицательно скажется на приборе.

Структурное устройство ЧП

Для того чтобы точно ответить на вопрос, как сделать частотный преобразователь, необходимо разобраться еще в одном пункте. Это - структурное устройство данного прибора.

Так как ориентироваться при изготовлении нужно на покупные модели, то и схема должна быть соответствующей. А это значит, что работать он должен на структуре двойного преобразования. У этой схемы имеются основные части: звено постоянного тока, силовой импульсный инвертор и система управления.

Если рассматривать более детально, то часть с постоянным током состоит из двух соединений: неуправляемый выпрямитель и фильтр. Именно в этом элементе переменное напряжение, которое действует в сети, будет преобразовываться в постоянное.

Второй элемент - силовой импульсный инвертор. Он является трехфазным, а состоит из шести транзисторных ключей. Они предназначены для подключения соответствующей обмотки двигателя к каждому из ключей как положительному, так и отрицательному. Этот элемент отвечает за преобразование поступающего постоянного напряжения в трехфазное и переменное. Также это устройство задает нужную частоту и амплитуду.

Последний элемент - это система управления. Здесь используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать с обычными тиристорами, то частота переключения у транзисторов выше. Это позволяет вырабатывать выходной сигнал в форме синусоиды с минимальным искажением.

Частотные преобразователи на микроконтроллере

Принцип работы таких устройств является следующим. Изначально характеристики всех микроконтроллеров (МК) настраиваются так, чтобы работать в паре с напряжением в 200 В, а также частотой поля в 50 Гц. Другими словами, они настроены по умолчанию для работы в паре с наиболее примитивными асинхронными двигателями 220 В/50 Гц. Также имеется такой показатель, как скорость набора частоты. По умолчанию это значение устанавливается как 15 Гц/сек. Это означает, что разгон МК до 50 Гц будет занимать чуть более чем 3 секунды, а, к примеру, до 150 Гц за 10 секунд ровно. Также важно отметить, что изначально ЧП является скалярным. Другими словами, чем выше будет выходная частота двигателя, тем выше будет его напряжение.

Ремонт и наладка прибора

Ремонт частотных преобразователей - неотъемлемая часть работы с этими устройствами. Довольно часто случается такая проблема, как выход из строя тормозного резистора. Если это происходит, то ЧП не сможет работать на полную мощность. Для того чтобы установить, вышел ли из строя тормозной элемент или нет, имеется таблица, в которой приведены все номинальные значения для всех типов элементов. Если после сверки с этим документом выяснилось, что какой-либо параметр не совпадает, то резистор нужно менять.

Также могут быть сбои в том случае, если ЧП оказался слишком мощным или же сеть слишком слабая для этой модели. Тут дело заключается в принципе работы элементов ЧП. Он рассчитан на эксплуатацию при постоянном высоком напряжении. Если параметры сети не дотягивают до минимальных показателей, требуемых для работы, то и выполнять свои функции он не сможет. Как таковой ремонт частотного преобразователя тут не требуется, необходимо купить менее мощный прибор.

Основные показатели преобразователей

К основным характеристикам этих устройств можно отнести следующее:

рабочее напряжение в пределах от 220 до 480 В;
все модели обладают защитой lP54;
температурный режим, требуемый для нормальной эксплуатации, в пределах от +10 до +40 градусов по Цельсию;
мощность для большинства покупных моделей - от 1 кВт.

Кроме того, существуют такие модели, как двухзвенные частотные преобразователи, а также такие разновидности, как матричные и векторные устройства. К примеру, векторный тип - это ЧП переменного тока и напряжение, которое подается на него, необходимое для создания нужной амплитуды. Этот тип прибора обеспечивает включение в работу двигателя спустя 2 секунды после запуска ЧП. Однако недостатком стало то, что он довольно дорогой, а потому его популярность стремительно падает.

Очень важно заметить, что подбирать просто мощный прибор - это неправильно. Выбор должен осуществляться в соответствии с рабочими параметрами сети. Если купить слишком мощный частотный преобразователь для электродвигателя, то получится, что будет переплата за то оборудование, которое будет представлять угрозу, а не регулировать работу агрегата.

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.

Виды

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

Индукционные.
Электронные.

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.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

По определенной зависимости скорости от частоты тока.
По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

Выпрямитель.
Фильтр напряжения.
Инверторный узел.
Микропроцессорная система.

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.

Выпрямитель

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.

Фильтр напряжения

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.

Инверторный модуль

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.

Микропроцессорная система

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.

Принцип действия

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.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

Амплитудная.
Широтно-импульсная.

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.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

Радиопомехи.
Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:

Ввод связи.
Контроллер.
Карта памяти.
Программа.
Дисплей.
Тормозной прерыватель с фильтром.
Охлаждение схемы вентилятором.
Прогрев двигателя.

Схемы подключения

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.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
Компрессоры.
Дымососы.
Центрифуги.
Лифтовое оборудование.
Оборудование в деревообработке.
Робототехника.

Преимущества

Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
Возможность управления группой двигателей.
Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
Образование многофункциональных систем управления приводами.
Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.