Самый простой частотник на скорую руку. Из чего состоит привод регулирования? Виды входной и выходной информации

Трехфазные асинхронные двигатели уже долгое время используются в промышленности и других сферах жизни и деятельности людей. Среди всех этапов рабочего процесса, более всего уделяется внимание обеспечению плавного пуска и торможения агрегата. Для того чтобы выполнить это условие, необходимо использовать - частотник для трехфазного электродвигателя. Кроме своего основного названия - частотный преобразователь известен также, как инвертор, частотно регулируемый привод или преобразователь частоты переменного тока.

Основной функцией частотного преобразователя является регулировка скорости вращения асинхронных двигателей, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую. Первоначальное движение трансформируется в другие типы движений, необходимые для выполнения конкретной технологической операции. Использование частотных преобразователей позволяет довести коэффициент полезного действия электродвигателя до 98%.

Устройство и принцип действия преобразователя

Частотный преобразователь регулирует скорость вращения трехфазных электрических двигателей асинхронного типа. Вращение, полученное под действием электроэнергии, превращается в механическое движение с помощью специальных приводных устройств. Регулировка скорости вращения может осуществляться и другими устройствами. Однако все они обладают серьезными недостатками в виде высокой стоимости, сложной конструкции и низкого качества. Кроме того, диапазон регулировок подобных приспособлений совершенно недостаточный для нормальной работы.

Все эти проблемы эффективно решаются с помощью частотного преобразователя. Этот аппарат помимо обеспечения плавного пуска и остановки, контролирует и другие процессы, происходящие в двигателе. Использование частотника сократило до минимума риск возникновения неисправностей и аварийных ситуаций. Быстродействие и плавную регулировку обеспечивает специально разработанная схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя. В результате ее применения существенно возросла продолжительность непрерывной работы электродвигателя, удалось добиться значительной экономии электроэнергии и увеличения .

За счет чего же становится возможным управлять скоростью вращения электродвигателя? Прежде всего в частотном изменяется напряжение, поступающее из сети. Далее, из него формируется уже нормальное трехфазное напряжение с нужной амплитудой и частотой, которое и потребляет электродвигатель. Регулировка скоростей осуществляется в достаточно широком диапазоне. В случае необходимости частотник позволяет переключить вращение ротора на противоположное направление. Все регулировки должны выполняться с учетом паспортных данных агрегата, с учетом максимально допустимых оборотов и установленной мощности.

Общее устройство частотного преобразователя представлено на схеме. В конструкцию аппарата входят три составные части:

• Выпрямитель. При подключении к источнику электропитания формирует напряжение постоянного тока. В зависимости от модификации бывает управляемым или неуправляемым.
• Фильтр. Предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения, поэтому в его конструкцию входят конденсаторы.
• Инвертор. Непосредственно формирует напряжение с нужной частотой и подает его на двигатель.

Основная классификация частотников осуществляется в зависимости от вида управления скоростью вращения. Существует два основных режима:

1. Скалярный режим без обратной связи. В данном случае осуществляется управление магнитным полем статора.
2. Векторный режим с обратной связью или без нее. Тут взаимодействуют магнитные поля ротора и статора, что и учитывается при управлении. В этом режиме происходит оптимизация момента вращения на различных скоростях. Данный способ управления считается более точным и эффективным. Однако он требует специальных знаний и навыков, более дорогой в обслуживании.

Подключение и настройка преобразователя частоты

Подключение частотных преобразователей особенно актуально для частных владельцев оборудования с асинхронными двигателями. Предварительно рекомендуется установить автоматический выключатель, который обесточит сеть при возможном коротком замыкании в одной из фаз.

В схемах частотники для асинхронных двигателей подключаются к электродвигателям двумя способами - «треугольником» и «звездой». Первая схема применяется для однофазных регулируемых приводов, без потери мощности. Такие частотники обладают максимальной мощностью 3 кВт и предназначены в основном для эксплуатации в бытовых условиях. Схема «звезда» используется там, где имеются трехфазные промышленные сети.

С целью ограничения пускового тока и уменьшения пускового момента, запуск двигателей, мощностью свыше 5 кВт осуществляется по смешанной схеме . «Звезда» используется в момент запуска, когда напряжение подается на статор. После того как двигатель достигнет номинальной скорости, подача питания переключается на другую схему - «треугольник». Данный способ применяется не везде, а только там, где имеется возможность подключения сразу обеих схем.

Подключение пульта осуществляется в соответствии со схемой, прилагаемой к частотному преобразователю. Перед началом монтажа и до подачи питания управляющий рычаг должен находиться в положении ВЫКЛЮЧЕНО. Когда рычаг переводится в положение ВКЛЮЧЕНО, это действие подтверждается световым индикатором. Во многих моделях запуск по умолчанию осуществляется путем нажатия на кнопку RUN. Постепенное наращивание оборотов электродвигателя производится медленным поворотом рукоятки пульта. По достижении необходимой скорости, рукоятка фиксируется в этом положении. Для переключения режима на обратное вращение существует кнопка реверса.

Самостоятельное изготовление частотного преобразователя

В последнее время широкое распространение в быту получили асинхронные электродвигатели малой мощности, используемые в приводах различных устройств. Поэтому чтобы не приобретать к ним дорогостоящее дополнительное оборудование, многие домашние мастера обеспечивают частотное регулирование электродвигателей путем изготовления преобразователей своими руками. Таким образом, достигается экономия электроэнергии с сохранением мощности двигателя.

Домашняя однофазная сеть позволяет подключать электродвигатель, мощность которого не превышает 1 кВт. Именно для таких агрегатов в основном и изготавливаются самодельные частотники. Нужно заранее продумать схему подключения треугольников, предназначенную для однофазной сети. С этой целью выводы обмоток последовательно соединяются между собой, по принципу подключения вывода одной обмотки к вводу другой. Также рекомендуется, чтобы схема частотного преобразователя, собираемого собственноручно, была составлена заранее.

Перед началом конструирования нужно подготовить все необходимые элементы и материалы. Можно воспользоваться любым микроконтроллером - аналогом модели АТ90РWМ3В и драйвером трехфазного моста, аналогичного модели IR2135. Кроме того, нужно запастись 6 транзисторами типа IRG4BC30W, 6 кнопками и индикатором. Все детали располагаются на двух платах, соединяемых между собой гибким шлейфом.

Конструкция частотного преобразователя дополняется . Эту деталь можно приобрести в готовом виде или собрать своими руками по отдельной схеме. Контроль над работой двигателя осуществляется с помощью внешнего управляющего тока или микросхемы IL300, имеющей линейную развязку. Для монтажа транзисторов и диодного моста используется общий радиатор. Управляющие кнопки дублируются оптронами ОС2-4.

Если электродвигатель обладает небольшой мощностью, то устанавливать трансформатор на однофазный частотный преобразователь необязательно. Вместо него можно использовать токовый шунт, в котором провода имеют сечение 0,5 мм. К нему же подключается и усилитель DA-1, выполняющий дополнительную функцию измерения напряжения.

Обслуживание устройства в процессе эксплуатации

• В первую очередь нужно выполнять своевременную очистку устройства изнутри от пыли. Основная процедура выполняется с помощью пылесоса, но полную очистку таким способом выполнить невозможно. Пылесос просто не справляется с толстыми и плотными слоями скопившейся пыли. Поэтому рекомендуется использовать компрессор или проводить чистку вручную.
• Большое значение придается своевременной периодической замене элементов, деталей и узлов. Вентиляторы охлаждения рекомендуется менять через 2-3 года эксплуатации. Существуют сроки для предохранителей, внутренних шлейфов и других частей. При соблюдении этих сроков частотник для электродвигателя будет служить значительно дольше.
• Необходимо в обязательном порядке контролировать внутреннею температуру и напряжение на шине. Слишком высокая температура приводит к негативным последствиям, когда разрушаются конденсаторы и начинает засыхать термопроводящая паста.
• Пасту рекомендуется менять, не реже, чем один раз в три года. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов, а влажность и концентрация пыли - допустимых пределов.

Преимущества частотников в асинхронных двигателях

Асинхронные двигатели обладают многими преимуществами по сравнению с устройствами постоянного тока. Они отличаются простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому для бытовых и промышленных целей чаще всего выбираются асинхронные агрегаты.

В настоящее время многие пользователи отказываются от механического управления током в процессе эксплуатации двигателей. Такой способ не гарантирует надлежащее качество работы оборудования. Вместо него уже давно используются частотные преобразователи. Электронное управление позволяет существенно сократить потребление электроэнергии, сохраняя при этом собственную мощность двигателя.

Эксплуатировать частотные преобразователи следует в соответствии с техническими характеристиками, отраженными в документации оборудования. Самодельные устройства рекомендуется использовать только в бытовых условиях, а на производстве применять аппаратуру заводского изготовления. Ремонт и обслуживание преобразователей должны выполнять только квалифицированные специалисты.

Асинхронные двигатели используются в промышленности для обеспечения работы различных механизмов. Но они имеют один существенный недостаток - при запуске происходит кратковременный скачок тока в пять–семь раз. Кроме потерь электроэнергии, промышленные механизмы терпят ударные нагрузки, что приводит к их преждевременному изнашиванию. Поэтому было разработан частотный преобразователь или инвертор, обеспечивающий плавный пуск и останов асинхронных двигателей.

Основы работы преобразователя

Преобразователь частоты не только обеспечивает плавный пуск-остановка двигателя , но и изменяет частоту вращения ротора , регулируя частоту напряжения на входе двигателя. При этом инверторы изменяют частоту в широком диапазоне от значения частоты питающей сети. В величина напряжения питания определяет частоту вращения магнитного поля, создаваемого статором. Обозначим частоту напряжения , тогда угловая скорость магнитного поля двигателя определяется следующей формулой:

где -число пар полюсов статора. Закон пропорциональности зависит от момента нагрузки. Если момент нагрузки постоянный, то напряжение на статоре регулируется по закону

Для вентиляторов применяется следующая зависимость:

.

Если момент нагрузки обратно пропорционален скорости, то напряжение и частота связаны формулой:

По принципу управления преобразователи можно разделить на типы:

• со скалярным управлением;
• с векторным управлением.

Принцип скалярного управления заключается в управлении частотой питающего тока и силы этого тока . Скалярное управление предусматривает поддержание заданного соотношения частоты и напряжения при неизменном крутящемся моменте. Инвертор с управлением по скалярному принципу применяется для вентиляторов, компрессоров, насосов . Допускается подключение к одному преобразователю несколько двигателей.

Скалярный режим позволяет осуществлять регулировку скорости двигателя в узком диапазоне и в среднем колеблется от 1Гц до 100Гц. Это означает, что инвертор преобразует частоту вращения электрического тока сети 50Гц на входе в частоту вращения электрического тока на выходе в диапазоне 1:100Гц .

Важной характеристикой частотных преобразователей является диапазон сохранения скорости с сохранением крутящего момента вала двигателя.

Принцип действия инвертора с векторным управлением заключается в управление характеристиками частоту, силы тока и фазы питающего тока. Так как вращение ротора отстает от вращения магнитного поля статора на 3-5% при максимальном КПД и соответственно максимальной мощности и крутящем моменте, то инвертор с векторным управлением регулирует вращение фазы магнитного поля статора по отношению к вращению ротора, так, чтобы оно было всегда впереди на 3-5%.

При использовании частотного преобразователя реализованного по векторному принципу необходимы датчики обратной связи , которые отслеживают положение ротора электродвигателя. С использованием датчиков диапазон регулирования скорости увеличивается и может достигать показаний выходного тока от 1Гц до 800Гц, что составляет диапазон 1:800Гц . Что актуально для регулирования скорости в лифтовых механизмах, станках.

Название «векторное управление» возникло из-за математического представления тока, создаваемого магнитным полем статора в виде вектора, величина которого равна величине тока, а координаты зависят от фазы тока. Кратко можно сказать, что при векторном режиме управления двигатель развивает максимальный момент тогда, когда вектор магнитного поля находится под углом 103 0 — 105 0 к электрическому току в обмотке ротора. Векторный режим обеспечивает постоянный момент вращения на малых скоростях, высокую точность управления и возможность быстро регулировать скорость изменением частоты.

В инверторе используется принцип преобразования напряжения сети в два этапа. На первом этапе переменное напряжение сети (220 В/380 В) выпрямляется, сглаживается с помощью диодов и конденсаторов. В итоге на первом этапе получается напряжение постоянного тока. На втором этапе формируются прямоугольные импульсы заданной частоты. Через транзисторы инвертора они поступают на обмотки статора, где под воздействием магнитного поля превращаются в синусоидальные, соответствующие переменному току.

Преобразователи с методом широтно-импульсной модуляции напряжения (ШИМ) формируют синусоидальную кривую, параметры которой определяют амплитуду и частоту напряжения.

Виды частотных преобразователей

По назначению преобразователи выпускаются для однофазного и трехфазного напряжения. По типу управления - со скалярным или векторным управлением, о чем рассказывали выше. По типу преобразования делятся на два вида:

• с автономным инвертором напряжения (АИН);
• автономным инвертором тока (АИТ).

Современная промышленность выпускает частотные преобразователи в широком ассортименте, разной мощности и с разными функциями.

Виды входной и выходной информации

Частотные преобразователи различаются по количеству входов и выходов. Входные(выходные) сигналы делятся на следующие типы, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Преобразователи частоты по способу подключения к сети делятся на однофазные и трехфазные. Однофазные частотники подключаются к бытовой сети 220 В , а на выходе формируют трехфазное напряжение. К двигателю они подключаются по схеме «треугольник» . При этом необходимо, чтобы выходной ток составлял не больше половины номинального.

Трехфазные инверторы подключаются к сети 380 В , подключение проводится по принципу «звезда» .

Частотный преобразователь на корпусе имеет ряд клемм для подключения с соответствующей маркировкой. Рассмотрим их обозначения и функции.

Отдельно имеются цифровые выходы для подключения к управляющей аппаратуре (АСУ). Количество выходов определяется производителем инверторов, подробнее они описаны в инструкции по эксплуатации на конкретную модель.

Основные правила выбора преобразователя

В зависимости от требований по мощности и типу управляемых механизмов подбирается частотный преобразователь.

• Мощность инвертора , указанная в документации, должна быть равной или больше механической мощности электродвигателя . Но при этом необходимо дополнительно ориентироваться на тип подключаемых механизмов. Для подъемных устройств выбирается преобразователь, имеющий величину мощности выше паспортного значения мощности двигателя. А для центробежного насоса допускается мощность инвертора ниже.
• Если подключаемая нагрузка отличается большой инерционностью , то в зависимости от требуемого времени разгона подбирается мощность преобразователя. Для быстрого разгона потребуется преобразователь с мощностью, больше номинальной мощности двигателя на 10-15% .
• При выборе частотника номинальный рабочий ток должен превышать значение номинального тока электродвигателя на 10% , чтобы не допустить блокировку по превышению тока.

Основным критерием выбора частотного преобразователя при невозможности одновременно удовлетворить требования по току и напряжению является выбор по полной номинальной мощности, которая должна превышать номинальную мощность двигателя.

При выборе инвертора нельзя обойти вниманием и количество входных (выходных) сигналов и их тип, что позволяет осуществлять автоматизацию производственным процессом и ее модернизацию. При этом желательно ориентироваться принципом - «входов много не бывает».

Как уже обсуждали, в первую очередь выбирается метод управления: скалярный или векторный. Скалярный способ используется для простых механизмов , где требуется обеспечение заданной скорости вращения (вентиляторы, компрессоры и т. д.), где не требуются датчики обратной связи . Векторное управление подразделяется на управление по напряжению и по току. При высоких требованиях к регулировке скорости (от 1:800) дополнительно предусмотрены специальные приводы. И есть необходимость ставить датчики обратной связи на вал

На использовании сигнала обратной связи основана работа ПИД — регулятора . ПИД — регулятор расшифровывается как пропорционально – интегрально — дифференциальный регулятор. Измеряется отклонение величины (скорости, напряжения) от уставки (заранее заданного отклонения) и управляющей системой формируется сигнал по корректировке с учетом статистической ошибки. Такая система используется при работе насосов, станков.

Использование преобразователя частоты позволяет обеспечить защиту двигателя от перегрузки (холостого хода), возникающих при сбое в работе присоединенных механизмов. При обнаружении перегрузки преобразователь формирует аварийный сигнал и выдает команду «Останов».

Дополнительная функция «Летящий пуск» позволяет осуществлять задержку пуска двигателя в зависимости от условий вращения, при перезапуске двигателя. Особенно это актуально для механизмов, допускающих вращение в одну или другую сторону.

Фильтр ЕМС уменьшает электромагнитные помехи , обеспечивая защиту преобразователя и машин, чувствительных к помехам.

Среди функций защиты системы преобразователь - двигатель перечислим основные, которые осуществляются с помощью частотника:

• от перегрузки по току;
• от перегрева;
• от замыкания выходных фаз;
• от перенапряжения;
• от неисправностей в системе питания.

Разные производители оснащают инверторы различными дополнительными функциями по согласованию с заказчиком. Поэтому выбор частотного преобразователя определяется подключаемым оборудованием и задачами, выполнение которых должна обеспечивать система преобразователь - двигатель.

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко . Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

• Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
• Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее - от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе , в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры , например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

• Индукционные.
• Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

• Выпрямитель.
• Фильтр напряжения.
• Инверторный узел.
• Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

• Амплитудная.
• Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

• Радиопомехи.
• Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:

• Ввод связи.
• Контроллер.
• Карта памяти.
• Программа.
• Дисплей.
• Тормозной прерыватель с фильтром.
• Охлаждение схемы вентилятором.
• Прогрев двигателя.

Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме .

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

• Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
• Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
• Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
• Компрессоры.
• Дымососы.
• Центрифуги.
• Лифтовое оборудование.
• Оборудование в деревообработке.
• Робототехника.

Преимущества

• Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
• Возможность управления группой двигателей.
• Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
• Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
• Образование многофункциональных систем управления приводами.
• Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.

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.