Частотный преобразователь для управления асинхронным двигателем схема

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

Автор: Сергей М.
Опубликовано 11.12.2012
Создано при помощи КотоРед.

Первым был ресторан – зимой холодный воздух должен строго дозировано дуть на разгорячённых посетителей, а летом наоборот –замерзших от холодного мороженого плавно согревать жарким воздухом с улицы. Без инвертора никак не обойтись.
Второй хочет стричь лохматых овец , но вот беда машинка трехфазная. А в поле только одна да и та не 220в. Опять нужен инвертор.
Третий вообще наждачный камень , сверлильный станок и намоточный –захотел прицепить к двигателю.
В конце концов оглядевшись по сторонам я увидел – все…все делают инверторы японцы, французы, немцы …. , только я ещё не имею своего точила для отверток. И мало того все приличные фирмы уже написали , как это делать.

Итак коль уж асинхронный двигатель так распространён и трехфазная система напряжения созданная М. О. Доливо-Добровольским так удобна. А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты –это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Возможно кто то скажет « Ну, зачем мне инвертор , я поставлю фазосдвигающий конденсатор и все решено» . Но при этом обороты не покрутишь и в мощности потеряешь и потом это не интересно.

Возьмём за основу – в быту есть однофазная сеть 220в, народный размер двигателя до 1 кВт. Значить соединяем обмотки двигателя треугольником. Дальше –проще, понадобится драйвер трехфазного моста IR2135(IR2133) выбираем такой потому, что он применяется в промышленной технике имеет вывод SD и удобное расположение выводов. Подойдёт и IR2132 , но у неё dead time больше и выхода SD нет. В качестве генератора PWM выберем микроконтроллер AT90SPWM3B — доступен, всем понятен, имеет массу возможностей и недорого стоит, есть простой программатор -https://real.kiev.ua/avreal/. Силовые транзисторы 6 штук IRG4BC30W выберем с некоторым запасом по току — пусковые токи АД могут превышать номинальные в 5-6 раз. И пока не ставим «тормозной» ключ и резистор, будем тормозить и намагничивать перед пуском ротор постоянным током, но об этом позже . Весь процесс работы отображается на 2-х строчном ЖКИ индикаторе. Для управления достаточно 6 кнопок (частота +, частота -, пуск, стоп, реверс, меню).
Получилась вот такая схема.

Я вовсе не претендую на законченность конструкции и предлагаю брать данную конструкцию за некую основу для энтузиастов домашнего электропривода. Приведённые здесь платы были сделаны под имеющиеся в моём распоряжении детали.

Конструктивно инвертор выполнен на двух платах – силовая часть ( блок питания , драйвер и транзисторы моста , силовые клеммы) и цифровая часть (микроконтроллер + индикатор ). Электрически платы соединены гибким шлейфом. Такая конструкция выбрана для перехода в будущем на контроллер TMS320 или STM32 или STM8.
Блок питания собран по классической схеме и в комментариях не нуждается. Микросхема IL300 линейная опто развязка для управления током 4-20Ма. Оптроны ОС2-4 просто дублируют кнопки «старт, стоп, реверс» для гальванически развязанного управления. Выход оптрона ОС-1 «функция пользователя» (сигнализация и пр.)
Силовые транзисторы и диодный мост закреплены на общий радиатор. Шунт 4 витка манганинового провода диаметром 0.5мм на оправке 3 мм.
Сразу замечу некоторые узлы и элементы вовсе не обязательны. Для того что бы просто крутить двигатель , не нужно внешнее управление током 4-20 Ма. Нет необходимости в трансформаторе тока, для оценочного измерения подойдёт и токовый шунт. Не нужна внешняя сигнализация. При мощности двигателя 400 Вт и площади радиатора 100см 2 нет нужды в термодатчике.

ВАЖНО! – имеющиеся на плате кнопки управления изолированы от сети питания только пластмассовыми толкателями. Для безопасного управления необходимо использовать опторазвязку.

Возможные изменения в схеме в зависимости от микропрограммы.
Усилитель DA-1 можно подключать к трансформатору тока или к шунту. Усилитель DA-1-2 может быть использован для измерения напряжения сети или для измерения сопротивления терморезистора если не используется термодатчик PD-1.
В случае длинных соединительных проводов необходимо на каждый провод хотя бы надеть помехоподавляющие кольцо. Имеют место помехи. Так например –пока я этого не сделал у меня «мышь» зависала.
Так же считаю важным отметить проверку надёжности изоляции АД –т.к. при коммутации силовых транзисторов выбросы напряжение на обмотках могут достигать значений 1,3 Uпит.

Общий вид.

Немного про управление.

Начитавшись книжек с длинными формулами в основном описывающих как делать синусоиду при помощи PWM. И как стабилизировать скорость вращения вала двигателя посредством таходатчика и ПИД регулятора. Я пришёл к выводу –АД имеет достаточно жёсткую характеристику во всём диапазоне допустимых нагрузок на валу.
Поэтому для личных нужд вполне подойдет управление описанное законом Костенко М.П. или как его ещё называют скаляроное. Достаточное для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40. Т.е. грубо говоря мы в самом простом случае делаем обычную 3-х фазную розетку с переменной частотой и напряжением меняющимися в прямой зависимости. С небольшими «но» на начальных участках характеристики необходимо выполнять IR компенсацию т.е. на малых частотах нужно фиксированное напряжение . Втрое «но» в питающие двигатель напряжение замешать 3 гармонику. Всё остальное сделают за нас физические принципы АД. Более подробно про это можно прочесть в документе AVR494.PDF
Основываясь на моих личных наблюдениях и скромном опыте именно эти методы без особых изысков чаще всего применяются в приводах мощностью до 15 кВт.
Далее не буду углубляться в теорию и описание мат моделей АД. Это и без меня достаточно хорошо изложили профессора ещё в 60-х.

Но ни в коем случае не стоит недооценивать сложности управления АД. Все мои упрощения оправданны только некоммерческим применением инвертора.

Плата силовых элементов.

В программе V-1.0 для AT90SPWM3B реализовано
1- Частотное управление АД .Форма напряжения синусоида с 3 гармоникой.
2- Частота задания 5 Гц -50 Гц с шагом 1 Гц. Частота ШИМ 4 кГц.
3- Фиксированное время разгона –торможения
4- Реверс (только через кнопку СТОП)
5- Разгон до заданной частоты с шагом 1 Гц
6 – Индикация показаний канала АЦП 6 (разрядность 8 бит., оконный фильтр апертура 4 бита)
я использую этот канал для замера тока шунта.
7 – Индикация режима работы START,STOP,RUN,RAMP, и Частота в Гц.
8- Обработка сигнала авария от мс IR2135

Торможение двигателя принудительное – без выбега. При этом нужно помнить – если на валу будет висеть огромный вентилятор или маховик то напряжение на звене постоянного тока может достичь опасных значений. Но я думаю вертолёты с приводом от АД строить никто не будет

Функции микропрограммы в будущих версиях

1 -намагничивание ротора перед пуском
2- торможение постоянным током
3 –прямой реверс
4 – частота задания 1 -400 Гц.
5 – ограничение, контроль тока двигателя.
6 — переключаемые зависимости U/F
7 – контроль звена постоянного тока.
8 – некоторые макросы управления –это вообще в далёких планах.

Испытания.
Данная конструкции была проверена с двигателем 0.18кВт и 0.4 кВт и 0.8 кВт. Все двигатели остались довольны.
Только при малых оборотах и долговременной работе необходимо принудительное охлаждение АД.

Строка для программатора
av_28r4.exe -aft2232 -az +90pwm3b -e -w -v -fckdiv=1,psc2rb=0,psc1rb=0,psc0rb=0,pscrv=0,bodlevel=5 -c01.hex

Преобразователь частоты для асинхронного – схема

Асинхронный двигатель (машина) – это электрический двигатель, частота вращения которого не совпадает с частотой тока (ЭДС), прикладываемого к статору.

Рис. 1. Асинхронный двигатель

К преимуществам таких двигателей можно отнести их низкую стоимость, простоту изготовления и эксплуатации, а также возможность прямого включения (без регулирования или преобразования питающего тока). Есть у них и недостатки: высокие требования к пусковому току, сложная регулировка оборотов, низкий коэффициент мощности и др.

Здесь стоит отметить, что асинхронные двигатели рассчитаны на работу только с трехфазным напряжением, только в этом случае не требуются никакие преобразователи.

Однако, в быту часто требуется запитать асинхронный двигатель от обычной сети переменного тока с одной фазой, и именно здесь кроется основная проблема.

Необходимость использования частотного преобразователя

Есть несколько способов управления асинхронным двигателем, и один из них – регулировка частоты.

Изменяя частоту питающего тока, вы меняете частоту вращения двигателя, можете запустить его или наоборот – остановить.

В качестве преобразователя напряжения наибольшее распространение нашли инверторные схемы. Они обеспечивают широкий диапазон регулировки частот, обладают высоким КПД и другими отличными техническими характеристиками.

Схему работы инверторов можно изобразить следующим образом.

Рис. 2. Схема работы инверторов

Однофазное переменное напряжение преобразуется в постоянное, подается в блок с импульсным инвертором, который формирует три независимых переменных напряжения (одинакового уровня, но со смещенной фазой) — ключа.

Схема инверторного преобразователя для асинхронного двигателя

Преобразователи можно приобрести в готовом виде, а можно изготовить своими руками.
Сложность проектирования и создания таких схем заключается в логике их работы. В настоящее время с приходом программируемых контроллеров Arduino и т.п. имеется возможность создавать сложные схемы с широким диапазоном регулировки частот всех трех питающих напряжений. Однако, для начала рассмотрим простые варианты.

Двигатель ДИД-0.5ТА (напряжение питания около 27 В, частота вращения – до 400 Гц) имеет небольшую мощность и широко применяется в системах автоматики. Чтобы привести его в движение и отрегулировать частоту вращения вала можно использовать следующую схему.

Рис. 3. Схема двигателя

По сути она представляет собой три разделенных генератора частоты (ключа) на базе логических элементов.

За регулировку отвечает резистор R2. Такая схема не подойдет для запуска асинхронных двигателей, работающих от трехфазного напряжения 380 В.

Для этих целей можно использовать адаптированную схему.

Рис. 4. Адаптированная схема

Здесь блоки выходных ключей A2 и А3 изображены схематично, так как полностью дублируют блок А1.

Программировать здесь ничего не нужно.

Более сложные реализации

Многие производители предлагают специальные контроллеры, на базе которых управление асинхронными двигателями существенно упрощается.

Один из таких вариантов – контроллер MC3PHAC.

Рекомендуемая производителем схема подключения.

Рис. 5. Схема подключения

Реализация платы частотного преобразователя может быть, например, такой.

Рис. 6. Реализация платы частотного преобразователя

Обмен данными по последовательному интерфейсу RS232 с персональным компьютером не обязателен. Схема может работать автономно.

Управляющие сигналы и процедуры инициализации можно уточнить в даташите производителя.

Еще один вариант с готовой прошивкой для микроконтроллера

Схема использовалась для питания трехфазного двигателя на пилораме (наверное, самый популярный способ использования трехфазных двигателей).

Рис. 7. Схема для питания трехфазного двигателя

Блок питания к ней.

Рис. 8. Схема блока питания

Вариант печатной платы.

Рис. 9. Печатная плата

Частота может регулироваться в диапазоне 2,5-50 Гц с шагом 1,25. ШИМ – 1700 – 3300 Гц. Мощность двигателя – не более 4 кВт.

После одиночного короткого нажатия на кнопку «пуск» подается пусковая частота – 10 Гц. А удерживание инициирует дальнейший разгон до 50 Гц (в течении приблизительно 2 секунд).

Прошивка для контроллера PIC16F628(A) здесь.

Мнения читателей

• Александрррррр / 27.10.2020 — 17:14

Здравствуйте! Буду очень признателен, если кто-нибудь подскажет, есть ли ссылка на скачивание данной схемы в хорошем качестве? (На PIC — контроллере)

Андрей Рославцев / 21.10.2020 — 20:42

Добрый вечер. Пришлите. пожалуйста схему на электронный адрес nata.roslavceva@mail.ru т.к. плохо видно значения элементов на схеме. Заранее спасибо.

Дмитрий / 16.10.2019 — 18:34

Здравствуйте,а можно какой-нибудь список элементов и т.д?Просто на фотографии плохо видно.

admin / 07.10.2019 — 16:05

admin / 07.10.2019 — 15:12

Да, есть проблема, проверим, поправим, на почту архив вышлем. Спасибо.

Сергей / 07.10.2019 — 14:21

Если возможно прошу указать другой адрес прошивки или выслать файл в по личку. При обращении к ссылке указанной Вами выше — выдается сообщение о Зараженности данного ресурса вирусо.По содержанию статьи- ОЧЕНЬ ПОДРОБНО И СОДЕРЖАТЕЛЬНО. Вам РЕСПЕКТ.Сергей.vitrilo@mail.ru

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Назначение и принцип работы преобразователя частоты для асинхронных двигателей

Двигатель асинхронного типа используется повсеместно. Основное предназначение – преобразование электричества в механическую силу. Электродвигатель – своего рода противоположность генератора.

Учитывая особенность того, что рассматриваемый механизм работает от электричества, особые требования предъявляются к показателям электроэнергии. Часто можно встретить ситуацию, когда в цепи присутствует частотный преобразователь, который создан специально для асинхронного типа двигателя.

В системе питания, созданной для асинхронного двигателя, рассматриваемый аппарат служит для изменения тока с 1 или 3 фазами, который приходит от сети питания и имеет частоту 50 Гц, в трехфазный ток, показатель частоты от различных условий может быть от 1 до 800 Гц.

Кроме вышеприведенной информации, стоит уточнить следующее:

1. Для оборудования, которое используется в промышленности, проводят выпуск частотного преобразователя, имеющий электроиндукционный тип. Они представляют собой в некотором роде асинхронный двигатель, который имеет фазный ротор. Определенный режим позволяет работать оборудованию в режиме генератора-преобразователя.
2. Изменение частоты входного тока используются для изменения скорости вращения выходного вала двигателя. Совершенные механизмы регулирования представлены векторным типом, практически только подобные варианты исполнения присутствуют в продаже.

Приобрести также можно варианты исполнения для бытового использования.

Устройство и принцип работы

Рассматриваемое устройство состоит из следующих элементов:

1. Мост постоянного тока выступает в качестве выпрямителя. Именно он проводит преобразование, к примеру, промышленного тока с генератора в постоянный.
2. Инвертор проводит создание переменного тока. При этом, есть возможность контролировать частоту и амплитуду.
3. Также, в конструкции есть тиристоры или транзисторы, которые обеспечивают подачу рабочего тока к электродвигателю. Они выступают в качестве электрических ключей.
4. В управляющей части установлен микропроцессор, который проводит управление работой установленных ключей. Также, микропроцессор выполняет ряд других задач: проводит защиту системы, контролирует выходные параметры, диагностирует состояние подаваемого тока.

Многие построены на основе двойного преобразования.

Можно выделить 2 основных класса:

1. С созданием промежуточного звена.
2. С образованием непосредственной связи.

2 вышеприведенных класса имеют свои особенности, которые определяют возможность и целесообразность их использования тех или в иных условиях.

Непосредственная связь обуславливается тем, что преобразователь представлен выпрямителем управляемого типа. Используемая система управления проводит отпирание группы тиристоров и также проводит подвод напряжения к обмотке электродвигателя.

В данном случае, напряжение преобразуется путем вырезания синусоид из входного тока. Проведенные измерения показывают, что получаемая частота находится в приблизительном промежутке от 0 до 30 Гц. Использовать подобный вариант исполнения нельзя в регулируемых приводах.

При выходе синусоида с непосредственной связью, приводит к следующему:

1. Появляется гармоник.
2. Происходят потери в самом электродвигателе.
3. Происходит перегрев электродвигателя.
4. Значительно снижается показатель момента.
5. Создаются сильные помехи.

Кроме этого, компенсаторы значительно повышают стоимость цепи, ее габариты и вес. Включение дополнительного элемента в цепь также приводит к уменьшению показателя КПД из-за возникающих потерь.

Современные цепи питания часто создаются при использовании преобразователя, который имеет промежуточное звено.

В данном случае, проводится процедура, предусматривающая двойное преобразование электрического тока:

1. Изначально, входное напряжение синусоидального типа с неизменной частотой и амплитудой преобразуется при помощи выпрямителя.
2. Используютсяспециальные фильтры, которые сглаживают показатели.
3. Инвертор на выходе проводит преобразование энергии с изменяемым показателем амплитуды и частоты.

Как правило, процедура двойного преобразования приводит к значительному снижению показателя КПД, вследствие чего также ухудшаются показатели соотношения массы и габаритов.

К основным достоинствам преобразователей частоты, которые работают как тиристор, можно отнести следующее:

1. Возможна работа в системе с большими показателями тока.
2. Система может быть использована при высоких показателях напряжения.
3. Есть устойчивость к длительному воздействию большой нагрузки и импульсного воздействия.
4. Более высокий показатель КПД, который достигает 98%.

Данные особенности являются основными отличительными признаками работы двух типов преобразователей.

Технические характеристики

Использовать частотные преобразователи следует только с учетом эксплуатационных характеристик. К основным техническим характеристикам, на которые нужно обратить внимание, можно отнести:

1. Диапазон напряжения подаваемого тока. Существуют различные варианты исполнения, которые могут работать при напряжении от 100 до 120 В, от 200 до 240 В. Этот показатель является определяющим при выборе наиболее подходящей модели.
2. Номинальная мощность подключаемого в цепи электродвигателя. Как правило, показатель измеряется в кВт.
3. Полная мощность электродвигателя.
4. Номинальный выходной ток.
5. Выходное напряжение зачастую не больше показателя напряжения от источника питания, но может быть и меньше.
6. Диапазон выходной частоты.
7. Показатель допустимой силы тока на входе.
8. Частота электричества при входе.
9. Максимальные отклонения от показателей, которые допустимы при тех или иных случаях.

Подобные параметры должны быть указаны в спецификации преобразователя частот. Если, к примеру, не учесть напряжение подаваемого тока, рассматриваемое устройство будет испорчено.

Подключение преобразователя частот – пошаговая инструкция

Провести подключение преобразователя частоты можно различными схемами. Все зависит от того, с какой целью рассматриваемый элемент включается в сеть, к примеру, для более легкого старта или регулировки частоты вращения.

Довольно простой схемой подключения частотника можно назвать размещение устройства автоматического выключения перед ним. Подобное устройство должно быть адоптировано для работы с током, величина его должна составлять величину номинального показателя потребляемого тока электродвигателя.

Стоит отметить, что многие модели частотников могут работать с трехфазной сетью, поэтому можно выбрать обычный трехфазный автомат. На момент возникновения короткого замыкания, одна из фаз проводит обесточивание других. Если же преобразователь частоты рассчитан на однофазную сеть, стоит выбрать выключатель, который рассчитан на утроенный ток одной фазы.

Частотники рассчитаны исключительно на прямое включение в сеть.

Дальнейшая работа по подключению заключается в присоединении фазных проводов к определенным клеммам электродвигателя. Также, проводится включение внешнего тормозного резистора в цепь. Кроме этого, в сеть можно включить вольтметр для измерения напряжения в цепи на выходе после преобразователя.

Выбор частотного преобразователя

Изначальной задачей каждого производителя можно назвать продать свою продукцию. Именно поэтому, следует обратить внимание на нижеприведенные нюансы правильного выбора:

1. Скалярный или векторный метод управления. Современные варианты исполнения зачастую имеют векторные методы управления, однако особый режим работы позволяет переключиться на скалярный метод управления. Найти новый частотник без векторного метода управления практически невозможно.
2. Мощностной ряд. Стоит помнить о том, что мощность потребителя энергии – важный показатель, на который стоит обращать внимание.
3. Входное напряжение, а точнее допустимый диапазон, определяет то, при каком напряжении преобразователь частоты может работать без сбоев. При этом, важно понять, что падение показателя приведет к остановке частотника, увеличение – к выходу из строя всего оборудования. Поэтому следует обеспечить работу при постоянном показателе входного напряжения.
4. Диапазон регулировки – также важный показатель, особенно при использовании двигателей, которые работают при высоких показателях номинальной частоты.
5. Как организовано управление. Современные варианты исполнения имеют специальные пульты, при помощи которых можно вводить необходимые значения.
6. Срок гарантии косвенно говорит о надежности техники. Однако, стоит помнить о том, что выход из строя при подаче тока с неправильными номинальными показателями нельзя назвать гарантийным случаем.

Вышеприведенные особенности следует учитывать при выборе преобразователя частоты.

Обзоры моделей

Выделим следующие модели рассматриваемого оборудования:

Omron MX2

Стоимость этой модели составляет 15 000 рублей. Значение мощности 0,75 кВт, выходного тока 2,1 А. Вес подобного блока составляет 1,5 кг. Блок компактный и прост в использовании. Данный вариант исполнения имеет встроенный блок управления.

Vacon NXL

Стоимость около 24 000 рублей. Значение мощности 1,1 кВт, выходного тока 3,3. Вес блока составляет 5 кг. Довольно дорогая модель, несмотря на небольшое повышение выходных показателей.

ESQ 2000

Мощный блок, который может работать при 90 кВт. Стоимость около 250 000 рублей. Выходной ток 176 А. Установка имеет вес 50 кг. Рассматриваемая установка одна из самых дорогих. Имеет довольно большие габаритные размеры, несколько напоминает шкаф.

Существует огромное количество моделей, их стоимость зачастую зависит от эксплуатационных характеристик.