Частотный преобразователь своими руками

Частотный преобразователь своими руками

Частотный преобразователь своими руками — представляю вам небольшую статью о асинхронном двигателе и частотном преобразователе, который мне ранее приходилось делать. Вот и теперь потребовался хороший привод для циркулярной пилы. Конечно можно было бы взять в магазине фирменный частотник, но все-таки вариант самостоятельного изготовления оказался для меня наиболее приемлемым.

К тому же, качество регулировки скорости привода пилорамы не требовало абсолютной точности. Однако с нагрузками ударного типа и длительными перегрузками он должен справляться. К тому же хотелось сделать управление наиболее простым, без всяких там параметров, а просто установить пару кнопок.

Главные преимущества привода с регулировкой частоты:

• Создаем из однофазного напряжения 220v полновесные три фазы 220v, сдвиг у которых будет 120°, при этом получаем абсолютный вращательный момент с мощностью на валу
• Повышенный момент старта с плавным запуском без максимального пускового тока
• Нет сильного замагничивания и излишнего перегрева мотора, как это бывает когда применяются конденсаторы
• При необходимости можно свободно управлять скоростью вращения и менять направление

Ниже показана принципиальная схема устройства:

Трехфазный мост выполнен на гибридных IGBT транзисторах c диодами обратной проводимости. В целом это представляет собой бустрепное управление микроконтроллером PIC16F628A, осуществляемое с помощью специализированных оптодрайверов HCPL-3120. Во входном тракте установлен конденсатор гашения напряжения, выполняющего функцию мягкой зарядки электролитических конденсаторов в цепи постоянного напряжения.

Быстродействующая защита

Далее по схеме он зашунтирован электромагнитным реле, при этом на PIC16F628A подается цифровой логический уровень готовности. В схеме предусмотрена быстродействующая защита по току от короткого замыкания и критической перегрузке мотора, выполненная по триггерной схеме. Все это управляется при помощи двух кнопок и одного переключателя, который изменяет направление вращения вала.

Частотный преобразователь своими руками, в частности участок силовых напряжений был собран методом навесного монтажа, а контроллер размещен на печатной плате, которая показана ниже:

Постоянные резисторы с номиналом 270к, шунтирующие конденсаторы установленные в цепи затвора IGBT, запаял со стороны дорожек, так как упустил из виду сделать для них площадки. Их конечно можно заменить на smd.

Здесь показано фото печатной платы контроллера после распайки компонентов:

А это с противоположной стороны

Для подачи напряжения питания в модуль управления был изготовлен стандартный обратноходовой импульсный источник питания.

Принципиальная схема блока питания:

Чтобы изготовить частотный преобразователь своими руками в принципе можно использовать практически любой источник питания с выходным напряжением 24v. Однако, этот блок питания должен быть стабилизированный и с задержкой напряжения на выходе с момента исчезновения напряжения сети, хотябы в пределах 3-х секунд. Это обусловлено тем, что двигатель смог отключится в случае возникновения ошибки по DC. Достигается подбором электролитического конденсатора С1 с большим значением емкости.

Ну, а теперь нужно подробнее разобраться в самом важном компоненте данного устройства — в программе микроконтроллера. В интернете подходящей для меня информации по этому вопросу я не нашел, хотя были предложения установить специальные фирменные контроллеры. Но как я уже говорил, мне принципиально нужно было установить, что-то собственной разработки. Приступил во всех подробностях анализировать ШИМ модуляцию, в какое время и каким способом открыть определенный транзистор…

Программа формирования задержек

Выяснились некоторые закономерности и получился образец несложной программы формирования задержек. При ее использовании получается произвести достаточно хорошую синусоидальную ШИМ с возможностью изменять напряжение. Естественно контроллер делать какие либо вычисления не успевал, задержки не давали того эффекта, который был нужен. Следовательно, такой вариант обсчитывания ШИМ на микроконтроллере PIC16F628A я забраковал сразу.

В результате образовалась констант матрица, а ее уже отрабатывал PIC16F628A. Они формировали и диапазон частоты и напряжение питания. Конечно эта работа по созданию данного устройства несколько затянулась. Циркуляркой уже полным ходом пилили на конденсаторах, когда появился необходимый вариант прошивки. Первоначально тестировал схему на моторе от вентилятора, мощностью 180 Вт. Вот фото прибора на стадии экспериментальных работ:

Тестирование устройства

Чуть позже, в процессе испытания программа подвергалась усовершенствованию, а после запуска двигателя мощностью на 4 кВт я практически был удовлетворен итогом своей работы. Защита от короткого замыкания прекрасно срабатывает, полутора-киловаттный мотор на 1440об/мин с диском 300мм свободно справлялся с приличными брусками. Шкивы были установлены одинаковые, что на двигатель, что на вал циркулярки. При попадании пилы на сучок сетевое напряжение немного падало, хотя двигатель продолжал работать.

По ходу работы потребовалось немного натянуть ремень, поскольку при увеличении нагрузки он начинал скользить на шкиве. В дальнейшем применили двойную передачу. Но на этом решил не останавливаться, поэтому сейчас начал усовершенствовать программу, в итоге она будет значительно эффективней. Принцип работы ШИМ-контролера немного усложняется, появится больше режимов, появится ресурс раскручивания выше номинального значения.

В конце статьи файлы для того самого простого варианта устройства, которое прекрасно работает с циркулярной пилой уже больше года.

Характеристики:

• Частота на выходе: 2,5-50Гц, шаг 1,25Гц; Частота ШИМ-контроллера синхронная, с возможностью изменения. Диапазон частот в пределах 1750-3350Гц.; Скалярное управление частотным преобразователем, мощность мотора около 4кВт. Самая меньшая частота работы при разовом нажатии кнопки «Пуск» — составляет 10Гц.
• Во время удержании кнопки нажатой появляется разгоняющий момент, а когда кнопка отпускается, то частота буде той, до какой смог разогнаться. Частота по максимуму — 50Гц информирует светодиодный индикатор. Номинальное время разгоняющего момента составляет 2 секунды.
• Индикатор «Готов» сообщает о готовности устройства к старту двигателя.

Частотный преобразователь — виды, принцип действия, схемы подключения

Ротор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.

Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.

Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.

Виды частотных преобразователей

По конструкции частотные преобразователи бывают:

1. индукционного типа;

Асинхронные электродвигатели, выполненные по схеме с фазным ротором и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.

Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:

1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);

2. метод векторного управления.

Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.

Особенности векторного управления частотным преобразованием

Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.

Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:

1. бессенсорного управления;

Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.

Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.

Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.

Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к трехфазным асинхронным двигателям.

Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.

На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.

Векторная диаграмма схемы замещения

Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.

Энергия тока статора разделяется на две части:

iµ — потокообразующую долю;

iw — моментообразующую составляющую.

При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.

Для бессенсорного управления измеряются:

По их значениям рассчитывают:

iµ — потокообразующую составляющую тока;

iw — моментообразующую величину.

В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.

Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.

По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.

Принцип работы частотного преобразователя

В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.

Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.

Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести силовых транзисторов серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.

Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.

Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:

2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).

Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ — алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.

При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.

Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.

Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.

Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.

Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.

Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться помехозащитный фильтр, ликвидирующий:

наводимые работающим оборудованием электрические разряды.

Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.

С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:

ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;

информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;

тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;

систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;

функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.

Эксплуатационные схемы подключения

Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.

Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.

Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:

Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.

По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.

Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.

Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.