8-900-374-94-44
[email protected]
Slide Image
Меню

Частотники схемы – Самодельный частотник. Разрабатываем преобразователь вместе

Содержание

Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Частотные преобразователи – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

    1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
    2. С непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
      • практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
      • способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
      • относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства инедостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируетсяиз «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжениядля одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорныхдействует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость,простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорнойсистемой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя,уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют болеевысокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производстватранзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а такжетребует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность примененияIGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечиваетсяв середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 


Сделать заказ на частотный преобразователь

www.softstarter.ru

Схемы любительских частотных преобразователей CAVR.ru

Рассказать в:
      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. Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4. Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора
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 на диодном мосте 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  NE555). 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. В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования  автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.
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 промышленных частотных преобразователях 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. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ
Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ. Силовая часть схемы Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, 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 с  применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, 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   плавный пуск двигателя, 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.
Раздел: [Схемы]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:

www.cavr.ru

Частотный преобразователь — принцип работы, схема подключения частотника

Чтобы подключить частотник к асинхронному трёхфазному двигателю, следует хотя бы на минимальном уровне разбираться в схеме его подключения и принципах работы. Нижеприведённая информация позволяет изучить данную тему.

Принцип управления электродвигателем

Ротор электрического двигателя функционирует благодаря вращению электромагнитных полей под статорной обмоткой. Скорость движения ротора находится в зависимости от промышленной частоты питающей сети.

Стандартное её значение составляет 50Гц и вызывает соответственно пятьдесят колебательных периодов за секунду. На протяжении минуты количество оборотов увеличивается до трёх тысяч. Настолько же часто осуществляются обороты ротора подвергаемого воздействию электромагнитных полей.

При изменении уровня прилагаемой к статору частоты, появляется возможность управления вращательной скоростью ротора и соединяемого с ним привода. Именно благодаря этому принципу осуществляется управление электродвигателем.

Классификация частотных преобразователей

По своим конструктивным различиям модели частотного преобразователя делятся на:

Индукционные.

Сюда относятся электрические двигатели имеющие асинхронный принцип работы. Данные устройства не отличаются высоким уровнем КПД и значительной эффективностью. Ввиду этих качеств они не имеют большой доли в общем числе преобразователей и редко применяются.

Электронные.

Пригодны для осуществления плавного управления оборотами в машинах асинхронного и синхронного типа. Управление в электронных моделях может производиться двумя способами:

Скалярный (согласно предварительно введённым параметрам взаимозависимости вращательной V и частоты).

Наиболее простой подход к управлению, довольно неточный.

Векторный.

Отличительной характеристикой является точность управления.

Векторное управление преобразователем частот

Принцип работы векторного управления заключается в следующем: при нём оказывается воздействие на магнитный поток, изменяя направление его «пространственного вектора» и регулирующий роторную частоту поля.

Создать рабочий алгоритм частотного преобразователя с векторным управлением можно при помощи двух способов:

Бессенсорное управление.

Осуществляется за счёт назначения зависимостей чередования между последовательностями широтно-импульсных модуляций инвертора для предварительно составленных алгоритмов. Регуляция размера амплитуды и выходной частоты, которую имеет напряжение, осуществляется в соответствии со скольжением и нагрузочным током, но обратная связь от роторной вращательной скорости не учитывается.

Потокорегулирование.

Рабочие токи устройства регулируются. При этом они раскладываются на активный и реактивный компонент. Это облегчает возможность внесения корректирующих изменений в рабочий процесс (изменение амплитуд, частот, векторных углов, которые имеет напряжение на выходе).

Способствует повышению точности и диапазона регуляции вращений асинхронного двигателя. Весьма актуален такой подход для устройства с малыми оборотами и высоким уровнем двигательных нагрузок.

В целом, схема векторного управления более прочих подходит для динамической регулировки вращающегося момента трёхфазного асинхронного двигателя.

Подключение транзисторных ключей

Все шесть IGBT-транзисторов соединяются с соответствующими диодами обратного тока с соблюдением встречно-параллельной схемы. После по цепи силового подключения, образуемой каждым транзистором происходит прохождение активного тока асинхронного двигателя, с последующим направлением его реактивной составляющей через диоды. С целью обеспечения безопасности инвертора и асинхронного двигателя от воздействия сторонних электрических помех конструкция преобразователя частоты может включать в себя помехозащитные фильтры. Если промышленные источники постоянного тока имеют рабочее напряжение в 220 В, то они также могут использоваться для запитывания инверторов.

Как подключить частотник к асинхронному двигателю?

Используемый для управления частотой напряжения преобразователь зачастую используется для энергоснабжения трёхфазных двигателей.  С помощью преобразователя частоты также возможно обеспечить присоединение такого устройства к однофазной сети, предотвратив снижение его рабочей мощности. Этим они значимо выигрывают у конденсаторов, которые при подключении не могут сохранить исходный уровень мощности. Подробней про применение частотника для трехфазника- смотрите здесь.

При подключении частотного преобразователя следует предварительно разместить автоматический выключатель, функционирующий от тока сети по значению равного номинальному (или наиболее близкого к таковому) уровню потребления тока в двигателе. Если используется частотник трёхфазного типа, то соответственно следует воспользоваться трёхфазным автоматом с общим рычагом. Такой вариант обеспечивает быстрое обесточивание всех фаз сразу при замыкании на одной из них.

Ток срабатывания по своим характеристикам должен совпадать с однофазным током электрического двигателя.

В случае же, если для частотного преобразователя свойственно однофазное питание, то следует применить одинарный автомат, который подходит для работы с утроенным однофазным током.

Однако, при любых обстоятельствах установку частотного преобразователя нельзя осуществлять через включение автомата в месте разрыва нулевых или заземляющих проводов. В таких условиях подразумевается только прямое включение автомата.

Дальнейшую настройку преобразователя частоты осуществляют через соединение с контактами электрического двигателя. Используются при этом фазные провода. Но предварительно производится соединение обмоток электрического двигателя по схеме «звезда» или «треугольник».

Работа по той или иной схеме базируется на том, каков тип преобразователя частоты и характер производимого им напряжения.

По стандарту корпус каждого двигателя имеет отметку с двумя значениями, которым может равняться напряжение. Если частотник продуцирует напряжение соответствующее нижней границы, то соединение осуществляется по типу «треугольник». В остальных случаях для использования принцип «звезды».

Месторасположение управляющего пульта, обязательно прилагающегося при покупке частотного преобразователя, следует подбирать тщательно, чтобы обеспечить наибольшее удобство пользования.

Подключения пульта управления осуществляется по схеме обозначенной в прилагаемой к преобразователю инструкции. После рукоятка фиксируется на нулевом уровне, и автомат включается. В этот момент должно наблюдаться свечение светового индикатора.

Для использования частотного преобразователя, следует надавить кнопку «RUN» (она уже запрограммирована надлежащим образом). Далее делается лёгкий поворот рукоятки, провоцирующий старт постепенного вращения электрического двигателя. Если вращение осуществляется в направлении, противоположном необходимому, то следует нажать реверс. После при помощи рукоятки настраивается требуемая частота вращения устройства. При этом следует учитывать, что на корпусе пульта управления зачастую прописаны не уровни частоты вращения двигателя, выражаемые в оборотах в минуту, а частоты, которую имеет питающее напряжение, выражаемое в герцах.

Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент в момент пуска асинхронного двигателя с уровнем мощности больше 5000Вт, используется подключение типа «звезда-треугольник». До достижения номинала скорости задействуется схема подключения частотного преобразователя «звезда», а после питание осуществляется по схеме «треугольник». В момент переключения уровень пускового тока уменьшается в три раза относительно прямого пуска. При начале работы по второй схеме до момента разгона двигателей ток возрастёт до уровня прямого пуска. Такой варианты наиболее актуален для, имеющих большую маховую массу, позволяя после разгона сбросить нагрузку.

Логично, что использование такой схемы возможно только с двигателями, рассчитанными на подключения обоих типов.

Проведение работы по схеме «звезда-треугольник» всегда чревато резкими скачками уровня тока в противовес плавному нарастанию в условиях прямого пуска. В момент смены соединения скорость резко снижается и увеличить её можно только увеличив силу тока.

Частотный преобразователь.Как подключить трёхфазный электродвигатель от 220В.


Watch this video on YouTube

chistotnik.ru

Схемы любительских частотных преобразователей — Конструкции простой сложности — Схемы для начинающих

     

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.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора

Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора


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 на диодном мосте 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 

NE555). 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.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования 

автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.


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 промышленных частотных преобразователях 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.

Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ


Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы

Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, 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 с 

применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, 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 

 плавный пуск двигателя, 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.

cxema.my1.ru

Частотный преобразователь для трёхфазного АД / Приборы / МодноНемодно.ру

Немного предыстории. Тема моей дипломной работы звучала так: «Разработка и исследование тиристорного частотно-регулируемого асинхронного электропривода электромобильного агрегата».  Пространное название, зато отражающее суть: и силовую элементную базу (тиристоры, точнее тринисторы), и способ управления (частотно-регулируемый), и назначение электропривода – электромобиль.

Это мой диплом инженера-электрика. Слева внизу печать: Нагрудный знак выдан.

Вкладыш к диплому. Вверху напечатано, на какую тему я зашитил дипломный прект.

Внизу напечатаны предметы, которые я изучал по индивидуальному плану.

Вкладыш в развёрнутом виде. Сколько же предметов изучено за 5 лет!

А теперь краткое описание моей дипломной работы, которую я защитил на «отлично» с ходатайством о поступлении в аспирантуру:

Схемы блоков управления были выполнены на транзисторах. Блок силовых тринисторов был увесистой конструкцией. В качестве двигателя агрегата использовался трёхфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Для питания силового блока и схемы управления применялась свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, занимающая всё пространство багажника и весящая неимоверно много.

Получался электромобиль-фургон, назначение которого было перевозить небольшие грузы в черте города, например, по торговым точкам. Запаса электроэнергии аккумуляторов хватало на рабочий день. Средняя скорость – 70 км/час.

Теперь перенесёмся на несколько десятилетий вперёд. Тяга к проблеме электропривода у меня с годами не только не прошла, а всё более разгоралась. На смену и в дополнение мощным тринисторам пришли мощные полевые (например, IRF840A) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IRG4PSC71U). Взамен схем управления на транзисторах и микросхем малой и средней степени интеграции пришли микроконтроллеры (я использую в своих конструкциях любимые мной PIC-контроллеры) и специализированные драйверы – микросхемы управления выходными силовыми транзисторными ключами IR2130-IR2131.

Мой путь к успеху был тернистым. Много времени я повторял чужие схемотехнические ошибки, допуская свои. Использовал недоработанные программы управления, записанные в памяти PIC-контроллеров. Не будучи программистом, я не мог программы доработать, усовершенствовать. В результате – куча сгоревших мощных транзисторов и, как неизбежное, несмотря на узлы защиты, «палёных» микросхем драйверов IR2131 и моих любимцев – PIC16F628A – микроконтроллеров.

Успех стал приходить с внимательным изучением материала по этому актуальному вопросу из различных источников. Это и иностранные статьи, в которых раньше чем в отечественной технической литературе публиковались и теоретические материалы, и практические схемные решения по управлению трёхфазными асинхронными электродвигателями от одно- и трёхфазной электрической сети, что непринципиально.

В результате моя самодельная конструкция собрана из нескольких функциональных блоков, разработанных разными авторами, которым я стал доверять, навсегда расставшись с другими,  «благодаря» которым я терпел неуспех за неуспехом.

Буквально на-днях собрал, запустил и опробовал свой модульный, пока последний, вариант частотного преобразователя на 4 фиксированные скорости вращения.

С 250-ватным 3-фазным электродвигателем работа устойчива. Мощные ключевые транзисторы IRG4PSC71 без радиаторов позволяют управлять электродвигателями до 5 кВт.

Принципиальная электрическая схема этого варианта «частотника» показана на фото:

Основные этапы сборки будут отражены на ряде фотографий.

Внешний вид платы управления со стороны деталей:

Это основная плата управления преобразователя. В панельку вставлен PIC16F628A. Три транзисторных сдвоенных оптронных ключа АТ101АС гальванически развязывают выходы микроконтроллера и входы драйвера силовых ключй IR2131.

Внешний вид платы управления со сотороны печати:

Компоновка основных узлов прибора на кросс-плате:

Кросс-плата с закреплёнными узлами установлена в корпусе от БП ПК:

Вид прибора сверху:

Вид прибора сзади:

Вид прибора сбоку со стороны печатных дорожек платы драйвера:

Импровизированный испытательный стенд:

Статья обзорная. Такую сложную тему невозможно описать в рамках всего одной статьи, поэтому по мере доработок и усовершенствований будет время от времени подлежать корректуре и редактированию.

monemo.ru

Схемы любительских частотных преобразователей — Статьи по электротехнике — Каталог статей

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.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора

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 на диодном мосте 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 NE555). 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.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

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 промышленных частотных преобразователях 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 мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, 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 с применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, 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 плавный пуск двигателя, 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.

Борис Аладышкин, http://electrik.info

elektromehanika.org

Частотный преобразователь — принцип работы, схема подключения, фото и видео материал

Электрическая оснащенность современных зданий (жилых и нежилых) – это не только удобство, это определенные проблемы, связанные с подбором одного электрического прибора для работы остальных или эффективной работы целой системы. К примеру, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который сегодня используется повсеместно, даже в быту. Так вот вращается он с определенной скоростью, что не всегда удобно. Изменить скорость вращения можно двумя способами: механическим, установив редуктор, как промежуточную часть, и электрическим, установив частотный преобразователь. В этой стать будем говорить именно о втором приборе. Итак, частотный преобразователь – принцип работы, устройство, положительные и отрицательные стороны.

Частотные преобразователи служат для регулирования скорости асинхронного двигателя

С чего необходимо начать наш разговор? Электродвигатель при пуске потребляет большой ток, который называется пусковым. Он раз в семь превышает номинальный. Так вот частотный преобразователь снижает величину пускового тока в пять раз, при этом запуск электродвигателя происходит плавно. А так как пусковой ток снижает свои значения, значит, это неплохая экономия электроэнергии. Тестирования показали, что экономия составляет до 50%.

Принцип работы

Нас в первую очередь интересует принцип работы частотного преобразователя. Но начать надо с его устройства (со схемы). По сути, преобразователь – это инвертор с двухэтапным преобразованием напряжения. Вот его схема:

  • Первый этап – это выпрямление и сглаживание напряжения сети или 220 В, или 380 В. Сначала ток проходит через диодный мост, где выпрямляется. Затем проходит через конденсаторы, где фильтруется и сглаживается. То есть, на выходе получается напряжение постоянного тока.
  • Второй этап – это необходимость перевести постоянное напряжение в переменное. Для этого в прибор установлены специальные микросхемы управления или инвертор на транзисторах.
Принцип работы на схеме

А вот теперь принцип работы. С получением постоянного напряжения все понятно. Как же образуется переменный ток с разной частотой и амплитудой? Система управления выдает сигналы, которые поступают на обмотки электродвигателя. Соединение обмоток и преобразователя частоты производится через силовые транзисторы инвертора, у которого есть положительный и отрицательный полюс. Длительность подключения каждой обмотки формируется по синусоидальной кривой, где учитывается период следования импульсов.

В середине полупериода ширина импульсов самая большая, в начале и конце – самая маленькая. Именно на этом и основывается система управления, которая обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения (ШИМ). При этом амплитуда и частота напряжения зависят от параметров и характеристик синусоидальной кривой.

Необходимо отметить, что существуют частотные преобразователи, в которых настройка производится вручную и автоматически.

Критерии выбора частотного преобразователя

Существует несколько параметров, которые необходимо учитывать, выбирая частотный преобразователь. Вот основные из них.

Функциональность

Конкуренция на рынке жесткая, так что производители стараются наделить свои преобразователи различными функциями. Правда, при этом создают базовую функциональность, которая и закладывается в себестоимость изделия. Все остальные функции – это бонусы, поэтому стоит обращать внимание именно на базу.

Способ управления

Здесь выбор стоит между скалярным и векторным управлением. Вторые дороже, но со сниженной статистической ошибкой. Первые – это приборы, которые поддерживают одно и то же соотношение между напряжением и частотой. К примеру, для вентиляторов данная схема управления бывает достаточной.

Мощность

Тут все понятно, преобразователь должен выдерживать мощность потребителя. Оптимальный же вариант – это когда, к примеру, установка циркуляционного насоса для отопительной системы требует установки той же марки частотного преобразователя для насоса. К тому же обязательно узнайте, есть ли в вашем городе сервисный центр, который отремонтирует купленный вами прибор.

Сетевое напряжение

Напряжение в отечественных подающих сетях оставляет желать лучшего. То оно падает ниже 180 вольт, то взлетает выше 270 вольт. Поэтому, выбирая частотный преобразователь, необходимо обратить внимание на диапазон напряжений, в пределах которых он может работать. Оптимальный вариант – максимальный диапазон.

Схемы подключения

Схема подключения частотного преобразователя к электродвигателю может производиться от одно- или 3-х фазных сетей. При этом к однофазной сети можно подключить однофазный преобразователь или трехфазный с установкой конденсаторного блока. Но необходимо учитывать тот факт, что при подключении трехфазного преобразователя к однофазной сети произойдет падение мощности. Подключение производится по схеме треугольник. В трехфазном подключении используется только схема звезда.

Обратите внимание, что при использовании электродвигателя мощность больше 5 кВт для снижения пускового момента, можно применять переход звезда-треугольник. То есть, при пуске, чтобы он был плавным, статор подключается по схеме звезда. Как только мотор наберет номинальное вращение статора, схема переключится на треугольник. Единственный момент, на который необходимо обратить внимание, это возможность работы трехфазного двигателя и по схеме звезда, и по схеме треугольник.


onlineelektrik.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.