Огромное значение для современной промышленности имеют мощные асинхронные электродвигатели. Для осуществления их плавного старта используются частотные преобразователи – небольшие устройства, контролирующие значение пусковых токов и иногда позволяющие изменять скорость вращения.

Зачем нужен преобразователь частоты

Асинхронный двигатель существенно превосходит электрические машины других типов в производительности и мощности, однако не лишен характерных недостатков. Так, например, для контроля над скоростью вращения ротора прибор необходимо оснащать дополнительными элементами. То же самое и с пуском – пусковой ток асинхронного двигателя превышает значение номинального в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки, потери электроэнергии, что в совокупности лишь уменьшает срок работы агрегата.

Для решения этих проблем в результате упорных исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного контроля пусковых токов – частотные преобразователи.

Частотный преобразователь для электродвигателя уменьшает величину пусковых токов в 4-5 раз и не только осуществляет плавный запуск, но и управляет ротором путем регулировки напряжения и частоты. Использование прибора имеет и другие достоинства:

позволяет сэкономить до 50% электроэнергии при запуске;
с его помощью обеспечивается обратная связь смежных приводов.

Фактически это не преобразователь, а генератор трёхфазного напряжения необходимой величины и частоты.

Принцип работы

Основу преобразователя частоты составляет инвертор с двойным преобразованием. Принцип его работы заключается в следующем:

• сначала входной переменный ток синусоидального типа с напряжением 380 или 220 вольт проходит через диодный мост и выпрямляется ;
• затем подается на группу конденсаторов для сглаживания и фильтрации;
• далее ток передается на управляющие микросхемы и мостовые ключи из IGBT (Биполярный транзистор с изолированным затвором, БТИЗ) транзисторов, формирующие из него трёхфазную широтно-импульсную последовательность с заданными параметрами;
• на выходе сформированные импульсы прямоугольной формы под влиянием индуктивности обмоток преобразуются в синусоидальное напряжение.

Следующая схема отображает принцип работы преобразователя частоты асинхронного электрического двигателя.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным инструментом завоевания рынка является цена. С целью её уменьшения они создают приборы с минимальным набором функций. Соответственно, чем универсальнее конкретная модель, тем выше её цена. Для нас это имеет большое значение по той причине, что для эффективной и долгой работы двигателя может потребоваться ПЧ с определенными функциями. Давайте рассмотрим основные критерии, на которые следует обращать внимание.

Управление

По способу управления частотные преобразователи делят на векторные и скалярные. Первые на сегодня встречаются гораздо чаще, однако имеют более высокую цену по сравнению со вторыми. Преимущество векторного управления заключается в высокой точности регулировки. Скалярное управление очень просто, оно может лишь удерживать соотношение выходного напряжения и частоты на заданной величине. Такой преобразователь целесообразно ставить на небольшой прибор без высокой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Безусловно, чем это значение выше, тем лучше. К слову, в данном вопросе цифры не столь важны. Обратите большее внимание на фирму-производителя – чем «родственнее» ваше оборудование друг к другу, тем более эффективно оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей от одного бренда поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте и наличии в вашем городе соответствующего сервисного центра.

Сетевое напряжение

В данном случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе – чем шире рабочий диапазон напряжения, тем лучше для нас. Отечественные электросети, к сожалению, слабо знакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально обезопасить аппаратуру от вероятных перепадов. Падение напряжения едва ли приведет к серьезным последствиям (преобразователь, скорее всего, просто отключится), а вот большое повышение опасно – оно может привести поломке устройства в результате взрыва электролитических сетевых конденсаторов.

Диапазон частотной регулировки

В данном случае следует опираться исключительно на требования производства и конкретных устройств. Так, например, для такого оборудования, как шлифовальные машины важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандартом нижнего предела считается соотношение 1 к 10 по отношению к верхнему. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном от 10 до 100 Гц. Заметьте, что широким диапазоном регулировки обладают только модели преобразователей с векторным управлением.

Входы управления

Для передачи команд управления в преобразователях предназначены дискретные входы. С помощью них осуществляется запуск двигателя, остановка, торможение, обратное вращение и т.д. Для сигналов обратной связи, осуществляющих текущий контроль и настройку привода непосредственно во время работы, используются аналоговые входы. А цифровые используются для передачи сигналов с высокой частотой, генерируемых энкодерами (датчиками угла поворота).

Фактически, чем больше вводов, тем лучше, однако большое их количество не только делает сложной настройку прибора, но и повышает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, сообщающих о возникновении проблем, таких как, перегрев устройства, отклонение величины входного напряжения от нормы, авария, ошибка и т.п. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратных связей в сложных системах. Принцип выбора тот же: ищите баланс между количеством сигналов и стоимость прибора.

Шина управления

В поиске подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты – количество выходов и входов должно быть, как минимум, равным, но лучше купите шину с небольшим запасом – значительно облегчите себе дальнейшее усовершенствование устройства.

Перегрузочные способности

Нормой считается, если мощность частотного преобразователя выше мощности двигателя на 10-15%. Ток тоже должен быть немного выше номинала двигателя. Однако такой подбор «на глаз» рекомендуется только в случае, когда нет необходимой технической документации на двигатель. При ее наличии – тщательно ознакомьтесь с требованиями и подберите соответствующий преобразователь. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток преобразователя должен быть больше указанного значения на 10%.

Самостоятельная сборка

Несмотря на то, что покупка надежного и долговечного частотного преобразователя является приоритетным вариантом, такой прибор можно собрать своими руками. Во всемирной сети выложена не одна схема и инструкция, как это сделать. В действительности, сборка своими руками может стать отличной альтернативой в ситуации, когда преобразователь нужен для небольшого бытового устройства. Самодельное устройство справится со своими задачами не хуже покупного, а будет стоить значительно дешевле. Но попытки создания подходящего преобразователя для работы мощных асинхронных двигателей лучше оставить – здесь, как ни старайся, превзойти профессиональные приборы по эффективности и качеству не получится.

Итак, давайте подробно рассмотрим, как собрать частотный преобразователь для асинхронного двигателя своими руками. Обратите внимание, что параметры домашней однофазной электросети позволяют использовать в данном случае двигатель с мощностью не больше 1 кВт.

1. Для работы двигателя нам необходима схема подключения обмоток «треугольник». Для этого нужно выводы обмоток соединить между собой последовательно, соблюдая принцип «вывод одной обмотки к вводу другой».

1. Для того чтобы сконструировать преобразователь своими руками нам необходимы следующие компоненты:
   • любой микроконтроллер аналогичный AT90PWM3B;
   • драйвер трехфазного моста (аналог IR2135);
   • 6 транзисторов IRG4BC30W;
   • 6 кнопок;
   • индикатор.
2. В конструкцию создаваемого нами прибора входят две платы, на одной из которых располагаются драйвер, блок питания, входные клеммы и транзисторы, а на второй – индикатор и микроконтроллер. Для соединения плат между собой воспользуемся гибким шлейфом.
3. Для сборки частотного преобразователя необходимо использовать импульсный блок питания. Можно воспользоваться готовым устройством, или собрать его самостоятельно (не будем описывать данный процесс – это тема для отдельной статьи).
4. Для контроля за работой двигателя необходимо подвести внешний управляющий ток, однако мы можем воспользоваться микросхемой IL300 с линейной развязкой.
   Изображение
5. Транзисторы и диодный мост устанавливаются на общем радиаторе.
6. Для дублирования управляющих кнопок используются оптроны ОС2-4.
7. Установка трансформатора на однофазный преобразователь частот для двигателя небольшой мощности не является обязательным шагом. Можно обойтись токовым шунтом с сечением проводов 0,5 мм, и к нему подключить усилитель DA-1 (кстати, он же будет служить для измерения напряжения).
8. В нашем случае мы собираем своими руками преобразователь для асинхронного двигателя мощность в 400 Вт, поэтому не станем устанавливать термодатчик – схема и без него достаточно сложна.
9. По окончанию сборки необходимо изолировать кнопки с помощью пластмассовых толкателей. Управление кнопками осуществляется с помощью опторазвязки.

Обратите внимание, что при использовании длинных проводов, на них необходимо надеть помехоподавляющие кольца.

Он позволяет регулировать вращение двигателя в диапазоне частоты 1:40.

Подключение и настройка

Для подключения частотного преобразователя общая схема подключения асинхронного электродвигателя. В цепи преобразователь располагается сразу после дифференциального автомата, рассчитанного на ток, равный номиналу двигателя. При установке преобразователя в трехфазную сеть нужно использовать трехфазный автомат с общим рычагом. Это позволяет в случае возникновения перегрузки на одной из фаз разом отключить все питание. Значение срабатывания должно быть подобрано в соответствии с током одной фазы двигателя. А в ситуации, когда частотный преобразователь устанавливается в сеть с однофазным током, целесообразно использовать автомат, рассчитанный на тройное значение фазы. Так или иначе, установка прибора должна осуществляться вручную, без «врезания» в разрыв «нуля» и заземления.

Фактически настройка ПЧ заключается в выборе схемы присоединения фазных проводов к клеммам на электродвигателе, однако она чаще зависит от того, к какому типу сети они подключаются. Для трехфазных электросетей на производственных объектах двигатель подключают «звездой» — эта схема предусматривает параллельное подключение проводов обмоток. Для бытовых однофазных сетей с напряжением 220В используется схема «треугольник» (учитывайте при этом, что величина выходного тока не должна превышать номинал более чем на 50%).

Пульт управления следует расположить в любом месте, наиболее удобном для использования. Схема его подключения указывается в технической документации к частотному преобразователю. Перед монтажом и до подачи питания рычаг следует установить в выключенное положение. После переведения рычага во включенное положение должен загореться соответствующий световой индикатор. По умолчанию для запуска устройства следует нажать клавишу «RUN». Для постепенного наращивания оборотов двигателя надо медленно поворачивать рукоятку пульта. При обратном вращении следует переключить режим с помощью кнопки реверса. Теперь можно установить рукоятку в положение, устанавливающее необходимую скорость вращения. Обратите внимание, что на пультах управления некоторых частотных преобразователей вместо механической частоты вращения указывается частота питающего напряжения.

Чтобы максимально продлить срок службы частотного преобразователя старайтесь следовать следующим рекомендациям по обслуживанию:

• Необходимо постоянно проводить внутреннюю очистку прибора от накапливающейся пыли. Возьмите во внимание, что из-за её уплотнения пылесос не всегда может справиться с такой задачей – гораздо проще выдувать пыль наружу небольшим компрессором.
• Проводите регулярную проверку компонентом схемы и своевременную их замену. Помните, что у всех элементов различный срок эксплуатации: охлаждающие вентиляторы рассчитаны на 2-3 года, электролитические конденсаторы – на 5, а предохранители – на 10. Замены внутренних шлейфов устройства должна производиться примерно раз в 6 лет.
• Принцип своевременного реагирования следует применять и в отношении последствий периодического нагрева частей устройства. Из-за него высушивается термопаста, что также приводит к выходу конденсаторов из строя. Постарайтесь менять ее чаще 1 раза в 3 года.

Внимание к внешним условиям, в которых устанавливается частотный преобразователь, тоже позволяет существенно продлить срок его эксплуатации. Это должно быть хорошо вентилируемое место, без прямых солнечных лучей, без нахождения в непосредственной близости легковоспламеняющихся жидкостей и материалов, без мусора, металлической и деревянной стружки, пыли, масляных капель, вибраций, домашних животных, мышей, тараканов… Поверхность установки должна быть ровной и устойчивой. В некоторых случаях следует обратить внимание на расположение преобразователя относительно уровня моря – с каждыми 100 метрами повышения температуру внешней среды можно уменьшать на 0,5˚C относительно нормы (-10˚C — + 45˚C).

Экология познания.Наука и техника: Асинхронные двигатели применяются сегодня достаточно широко, а современные частотные преобразователи призваны сделать их работу более эффективной, устойчивой и безопасной.

Асинхронные двигатели применяются сегодня достаточно широко, а современные частотные преобразователи призваны сделать их работу более эффективной, устойчивой и безопасной. В каждом конкретном случае режим работы асинхронного двигателя свой, и особенности этих режимов отличаются, в связи с этим полезно оптимизировать параметры питания двигателей, чему и способствует применение частотных преобразователей.

При выборе частотного преобразователя для конкретной цели, необходимо учесть ряд рабочих параметров: мощность электродвигателя, его тип, диапазон регулировки скорости и точность этой регулировки, точность поддержания момента на валу. Это первостепенные параметры для выбора. Дополнительно стоит обратить внимание на габариты и форму устройства, а также на расположение элементов управления, будет ли оно удобным в вашей ситуации.

Частотные преобразователи бывают однофазными или трехфазными. И даже если на вход подается всего одна фаза, на выходе может быть как одна, так и три фазы. Обязательно обратите на это внимание при выборе частотного преобразователя.

Что касается мощности асинхронного двигателя, то она связана с максимальным потребляемым током, на который и следует ориентироваться. Если при старте двигателя требуется получить значительный пусковой момент на валу, то в этом случае и ток нужен больший, значит, имеет смысл выбрать частотный преобразователь на большее значение тока. Быстрый разгон и резкое торможение напрямую связано с током, если преобразователь в состоянии дать необходимый ток, значит, по этому параметру он вам подходит.

Для специальных двигателей, как то: погружные насосы, синхронные двигатели, с втяжным ротором, высокоскоростные, - максимальный ток частотного преобразователь должен быть лишь немного выше номинального тока двигателя.

Когда параметры нагрузки заранее известны и не меняются при постоянной частоте (например это могут быть вентиляторы, насосы, компрессоры, то есть те механизмы, которые отвечают за поддержание определенного состояния технологического процесса), то есть момент зависит непосредственно от частоты, применяют скалярный метод частотного регулирования с диапазоном от 5 до 50 Гц и выше.

К примеру, компрессор должен поддерживать определенное давление, и датчик давления, отслеживая текущее состояние в текущем режиме, дает сигнал на изменение оборотов, - обороты компрессора меняются, следовательно, меняется и нагрузка, эту возможность дает опция обратной связи.

Для более точного управления, когда требуется поддерживать постоянный момент или скорость даже на низких частотах, применяют частотные преобразователи с векторным регулированием. Они могут поддерживать скорость постоянной даже при резко меняющейся нагрузке, и это уже более сложное управление.

В основном частотные преобразователи с векторным управлением подходят для приведения в действие конвейеров, лифтов, транспортеров, строительной техники, прессов, станков, и другого оборудования, требующего постоянной скорости при переменной нагрузке. Могут такие преобразователи поддерживать и постоянный момент при меняющейся скорости.

Преобразователь с векторным управлением требует настройки, то есть ввода паспортных данных подключенного двигателя. В процессе работы происходит автоматическое регулирование на основе текущей информации о токе, напряжении и частоте. Векторный метод регулирования позволяет снизить реактивный ток двигателя до оптимального путем соответствующего понижения или повышения напряжения на двигателе.

Частотные преобразователи с обратной связью по скорости позволяют прецизионно регулировать скорость, когда нагрузка при одной и той же частоте может меняться, и момент вообще не связан напрямую со скоростью. У таких преобразователей возможна и регулировка скорости в широком диапазоне при моментах близких к номиналу.

К дополнительным опциям частотных преобразователей можно отнести возможность подключения по протоколам MODBUS, PROFIBUS, CANOPEN, а также управление посредством Bluetooth. Встречаются частотные преобразователи с выносным потенциометром, с возможностью управления с компьютера, и с функцией сохранения настроек.опубликовано

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.

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.

На рынке современной энергетики, электромонтёрам приходилось применять для подключения асинхронного двигателя стартовый или фазосдвигающий конденсатор большой ёмкости.

Двигатель при этом работал, но существенно терял мощность. Также, применение конденсаторов сильно разогревало обмотки двигателя, что сильно снижало его ресурс работы, и двигатели часто приходилось «перематывать». Учитывая, что обмотки асинхронного двигателя делаются из медной проволоки, то такие ремонты приносили большой ущерб.

Так как асинхронный двигатель является составной частью почти каждого современного привода, то вопрос создания частотного регулирования вставал на особый уровень. И вот, частотники уже повсеместно применяются для подключения электрического двигателя к сети и его управление.

По сути, частотный инвертор, это прибор, изменяющий частоту поданного на обмотки напряжения с ШИМ-регулированием. Благодаря частотнику, получилось подключить асинхронный двигатель к сети без ущерба его ресурсу, без перегрева, и ещё дать массу возможностей по управлению скоростью вращения вала.

Также, применяя различные интерфейсы передачи данных и команд, применение частотников позволило объединить все приводы большого предприятия в одно диспетчерскую систему управления и контроля параметров.

В мир современной автоматизации технологических процессов, это весомый аргумент.

Современный частотный инвертер состоит из двух принципиальных блоков. Первый блок полностью сглаживает напряжение и на выходе выдаёт постоянное. Постоянное напряжение подаётся на силовой блок генерации частоты. После преобразования, на выходе из второго блока частота напряжения уже будет такая, какая задана настройкой.

За возможность изменять частоту напряжения отвечает микропроцессор, который встроен в частотник. Используя заданную программу, процессор следит за выходной частотой напряжения, а также за параметрами работы электрического двигателя.

По сути, частотные преобразователи для асинхронных двигателей принцип работы которых заключён в простом вырабатывании нужной частоты переменного тока, это модуляторы нужной природы напряжения, которая необходима для того или иного оборудования. Именно это и снизило негативное влияние на работу электрического двигателя, которое имело место быть при использовании конденсатов.

Электрический двигатель получает именно такое напряжение, которое положено ему для нормальной и полноценной работы.

Считаем нужным отметить, что и при наличии линии трёхфазного напряжения, не всегда рационально подключать электрический двигатель к сети просто через выключатель. В таком случае, двигатель будет работать, но регулировать его работу не получится. Не получится и следить за состоянием обмоток.

В промышленном исполнении можно встретить два основных типа :

• Специальные.
• Универсальные.

Специальный частотный преобразователь для асинхронного двигателя, схема которого несколько отличается от универсального, изготавливается под конкретное оборудование по конкретным потребностям. Как правило, это очень урезанные версии, не способные на работу с любым оборудованием.

Универсальные частотные инвертера могут работать, как и в специальном оборудовании, так и во всех остальных вариантах применения. На то они и универсальные, что их можно настраивать и программировать под любые нужды.

Поэтому, выбор для асинхронного двигателя должен быть не столько продиктован конкретными необходимостями производства, но и возможностью модернизации оборудования.

Практически во всех частотниках сегодня реализована возможность установки и контроля режима работы электрического двигателя с пульта управления. Первый интерфейс управления встроен в сам корпус частотника. Там же есть и ручка регулирования скорости вращения двигателя.

Но можно и применять выносные пульты управления. Которые можно располагать как в диспетчерской, так и непосредственно на станке, который приводится в движение электрическим двигателем.
Такое чаще встречается в ситуациях, когда станок с двигателем находится в помещении, где не рекомендуется установка частотного инвертора. И его устанавливают вдали от оборудования.

Большая часть инвертеров частоты позволяют программировать работу оборудования. Но, задать программу просто с пульта управления не получится. Для этого используется интерфейс передачи данных и настройки, который, при помощи компьютера позволяет задать нужную программу работы.

Разница типов сигналов управления

При проектировании цеха очень важно учитывать, что общение частотных преобразователей с диспетчерским пультом будет происходить при помощи электрических импульсов по проводам связи. Пи этом, не стоит забывать, что разные стандарты связи по-разному влияют друг на друга. Посему, переда данных одним способом, может существенно снижать качество передачи данных другим способом.
Поэтому, расчет частотного преобразователя для асинхронного двигателя должен производиться не только по его электротехническим показателям, но и по показателям совместимости с сетью.

Вопрос мощности частотника, скорее всего, стоит на первом плане, при расчете привода для любого станка или агрегата. Дело в том, что большинство частотных инвертеров способны выдерживать большие перегрузки до 200 – 300 %. Но, это совсем не означает, что для питания электрического двигателя можно смело покупать частотник сегментом ниже, чем требуется по планированию.

Выбор осуществляется с обязательным запасом в 20 – 30%. Игнорирование этого правила может повлечь за собой выход из строя частотного преобразователя и простой оборудования.

Также важно учитывать пиковые нагрузки, которые может выдерживать частотник. Дело в том, что при старте электрического двигателя его пусковые токи могут сильно превышать номинальные. В некоторых случаях, пусковой ток превышает номинальный в шесть раз! Частотик должен быть рассчитан на такие изменения.

Каждый электрический двигатель оборудован вентилятором охлаждения. Это лопасти, которые установлены в задней части двигателя и по мере вращения вала прогоняют через корпус мотора воздух.

Если электрический двигатель работает на пониженных оборотах, то мощности потока воздуха может не хватить для охлаждения.

В этом случае, нужно выбирать частотник с датчиками температуры двигателя. Или организовать дополнительное охлаждение.

Электромагнитная совместимость преобразователей частоты

При расчёте и к сети и электрическому двигателю, следует помнить, что он очень подвержен помехам. Также, преобразователь частоты может и сам стать источником помех для другого оборудования. Именно поэтому, все подключения к частотнику и от него выполняются экранированными кабелями и выдерживанием дистанции в 10 см друг от друга.

По своей сути, применение частного преобразователя для питания асинхронного электрического двигателя позволило существенно продлить жизнь электрического двигателя, дало возможность регулировать работу двигателя и хорошо экономить на расходе электрической энергии.