Частотный привод для электродвигателя своими руками. Назначение частотного преобразователя для однофазного электродвигателя

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

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.

Частотное управление электроприводами активно развивается и все чаще можно услышать о новом методе управления, или улучшенном частотнике, или о внедрении частотного электропривода в какой-то сфере, где ранее никто и подумать не мог что это возможно. Но это факт!

Если мы внимательно рассмотрим электродвигатели, к которым применяют частотное регулирование – то это асинхронные или синхронные трехфазные двигатели. Существует несколько Но ведь есть и однофазные асинхронные машины, почему прогресс не касается их? Почему частотное управление не применяют так активно к однофазным машинам? Давайте рассмотрим.
Содержание:

Принцип работы однофазной асинхронной машины

При однофазном питании асинхронника в нем вместо вращающегося магнитного поля возникает пульсирующее, которое можно разложить на два магнитных поля, которые будут вращаться в разные стороны с одинаковой частотой и амплитудой. При остановленном роторе электродвигателя данные поля создадут моменты одинаковой величины, но различного знака. В итоге результирующий пусковой момент будет равен нулю, что не позволит двигателю запустится. По своим свойствам однофазный электродвигатель похож на трехфазный, который работает при сильном искажении симметрии напряжений:

на рисунке а) показана схема асинхронной однофазной машины, а на б) векторная диаграмма

Основные виды однофазных электроприводов

Как упоминалось однофазный двигатель не может развивать пусковой момент, следствием чего становится невозможность его самостоятельного запуска. Для этого придумали несколько способов компенсации магнитного поля противоположного по знаку основному.

Двигатели с пусковой обмоткой

В данном способе пуска кроме основной обмотки Р, имеющей фазную зону 120 0 , на статор наматывают еще и пусковую П, которая имеет фазную зону 60 0 . Также пусковая обмотка сдвигается относительно рабочей на 90 0 электрических. Для того, чтоб создать фазовый сдвиг между токами обмоток I р и I п последовательно в пусковую обмотку подключают элемент, приводящий к сдвигу фаз ψ (фазосдвигающее сопротивление Z п):

Где: а) схема подключения машины, б) векторные диаграммы при использовании различных сопротивлений.

Наилучшими условиями для пуска будет включения конденсатора в пусковую обмотку. Но поскольку емкость конденсатора довольно велика, соответственно и его стоимость и габариты тоже возрастают. Зачастую его применяют для получения повышенного момента для пуска. Пуск с помощью индуктивности имеет наихудшие показатели и в настоящее время не используется. Довольно часто могут применять запуск с помощью активного сопротивления, при этом пусковую обмотку делают с повышенным активным сопротивлением. После запуска электродвигателя пусковая обмотка отключается. Ниже показаны схемы включений и их пусковые характеристики:

Где: а,б) двигатели с пусковой обмоткой, в,г) конденсаторные

Конденсаторный двигатель

Данный тип электродвигателя имеет две рабочие обмотки, в одну из которых подключают рабочую емкость С р. Данные обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 0 электрических и имеют фазные зоны тоже 90 0 . При этом мощности обеих обмоток равны, но их токи и напряжения различны, также различны количества витков. Иногда величины конденсатора рабочего не достаточно для формирования нужного пускового момента, поэтому параллельно ему могут вешать пусковой, как это показано на рисунке выше. Схема приведена ниже:

Где: а) схема конденсаторного электродвигателя, б) его векторная диаграмма

В данном типе однофазных машин коэффициент мощности cosφ даже выше чем у трехфазных. Это объясняется наличием конденсатора. КПД такого электродвигателя выше, чем однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой.

Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

Итак, все чаще появляются предложения частотных преобразователей, которые могут управлять однофазными асинхронными машинами. В силу того что частотники предназначены для работы с трехфазными машинами, то для регулирования оборотов однофазной машинами необходим особый вид частотного преобразователя. Это обусловлено тем, что трехфазные и однофазные машины имеют немного разный принцип работы. Давайте рассмотрим схему включения, которую предоставляет один из официальных производителей частотных преобразователей для однофазных машин:

Это схема прямого подключения. Где: Ф-фаза питающего напряжения, N-нейтральный проводник, L1, L2 – обмотки двигателя, Ср – рабочий конденсатор.

А вот схема подключения преобразователя:

Как мы можем видеть, конденсатор при включении данной схемы отключается. Обмотка L1 переключается к выходу преобразователя фазы А, а L2 к В. Общий провод подключается к выходу С. Тем самым мы фактически получили двухфазную машину. Фазовый сдвиг теперь будет реализовывать частотный преобразователь, а не конденсатор. На выходе преобразователя будет обычное трехфазное напряжение.

Данный способ частотного регулирования трудно назвать однофазным, так как при питания двигателя от сети напрямую необходимо опять восстанавливать схему с конденсатором. Более того, этот способ регулирования частоты НЕ ПОДХОДИТ для машин с пусковой обмоткой, так как сопротивление рабочей и пусковой обмотки не равны, появится асимметрия.

Можем сделать вывод, что данный вид частотного регулирования подходит не всем электродвигателям, а только конденсаторным. Более того, при такой схеме подключения необходимо провести переподключение обмоток внутри электродвигателя (в коробке выводов электродвигателя), что после переподключения не позволит работать ему от сети напрямую. Поэтому если вы собираетесь питать электродвигатель от однофазной сети через частотник, то, может быть стоит купить преобразователь, который питается от однофазной сети, а двигатель обычный, трехфазный. Это лучше с точки зрения работы самой машины, также отсутствуют переделки внутри электрической машины. Если вы собираетесь таким образом модернизировать систему, то внимательно изучите характеристики электродвигателя, преобразователя, чтоб избежать пустой траты средств или выхода из строя элементов системы.

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.

Для того, чтобы использовать незапираемые тиристоры, нужно организовывать сложные системы управления, которые значительно повышают стоимость создаваемой цепи.

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. Используются специальные 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 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 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.

Как правило, современные варианты исполнения частотников имеют подробную инструкцию того, каким образом они должны быть включены в сеть. Подобную информацию стоит учитывать при создании цепи подключения электродвигателя к источнику питания.

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.

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.