Частотный регулятор для асинхронного двигателя своими руками

Частотный преобразователь своими руками

Частотный преобразователь своими руками-1

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

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

Главные преимущества привода с регулировкой частоты:

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

Ниже показана принципиальная схема устройства:

Частотный преобразователь своими руками-2

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

Быстродействующая защита

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

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

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

Здесь показано фото печатной платы контроллера после распайки компонентов:

Частотный преобразователь своими руками-4

А это с противоположной стороны

Частотный преобразователь своими руками-5

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

Принципиальная схема блока питания:

Частотный преобразователь своими руками-6

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

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

Программа формирования задержек

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

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

Частотный преобразователь своими руками-7

Тестирование устройства

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

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

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

Характеристики:

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

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Изменение оборотов асинхронного двигателя

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Схема обмоток конденсаторного электромотораКонденсаторный двигатель с фазосдвигающей обмоткой

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

  • изменения расхода воздуха в системе вентиляции
  • регулирования производительности насосов
  • изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

  • изменение напряжения питания двигателя
  • изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n1 скорость вращения магнитного поля

n2 — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

Регулировка скорости асинхронного двигателя

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

      • неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
      • хорошая перегрузочная способность трансформатора

      Недостатки:

          • большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
          • все недостатки присущие регулировке напряжением

          Регулирование напряжением скорости вращения двигателяУправление скоростью двигателя трансформатором

          Тиристорный регулятор оборотов двигателя

          В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

          Принципиальная электронная схема регулятора оборотов двигателя вентилятора

          Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

          Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

          Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

          Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

          Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

          • устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
          • добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
          • ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
          • используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

          Достоинства тиристорных регуляторов:

              • низкая стоимость
              • малая масса и размеры

              Недостатки:

                  • можно использовать для двигателей небольшой мощности
                  • при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
                  • при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
                  • все недостатки регулирования напряжением

                  Используется для изменения оборотов вентилятораУстройство тиристорного регулятора

                  Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

                  Транзисторный регулятор напряжения

                  Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

                  Электронный трансформатор для двигателя вентилятора

                  Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

                  Электронная схема трансформатора регулировки вращения двигателя

                  Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

                  Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

                  Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

                  Плюсы электронного автотрансформатора:

                        • Небольшие габариты и масса прибора
                        • Невысокая стоимость
                        • Чистая, неискажённая форма выходного тока
                        • Отсутствует гул на низких оборотах
                        • Управление сигналом 0-10 Вольт

                        Слабые стороны:

                              • Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
                              • Все недостатки регулировки напряжением

                              Частотное регулирование

                              Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

                              Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

                              На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

                              Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

                              Однофазные двигатели могут управляться:

                              • специализированными однофазными ПЧ
                              • трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

                              Преобразователи для однофазных двигателей

                              В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

                              Это модель Optidrive E2

                              Частотный преобразователь для однофазных двигателей

                              Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

                              При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

                              f — частота тока

                              С — ёмкость конденсатора

                              В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

                              Преобразователь частоты для однофазного двигателя

                              Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

                              Преимущества специализированного частотного преобразователя:

                                    • интеллектуальное управление двигателем
                                    • стабильно устойчивая работа двигателя
                                    • огромные возможности современных ПЧ:
                                      • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
                                      • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
                                      • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
                                      • различные выходы
                                      • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
                                      • предустановленные скорости
                                      • ПИД-регулятор

                                      Минусы использования однофазного ПЧ:

                                            • ограниченное управление частотой
                                            • высокая стоимость

                                            Использование ЧП для трёхфазных двигателей

                                            Частотный преобразователь Тошиба

                                            Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

                                            Из однофазного двигателя удаляют конденсатор

                                            Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

                                            Расположение обмоток

                                            Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

                                            В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

                                            При работе без конденсатора это приведёт к:

                                            • более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
                                            • разному току в обмотках

                                            Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

                                            Для чего нужен частотник и как сделать его своими руками для трехфазного электродвигателя

                                            С целью охраны окружающей среды везде вводятся правила, рекомендующие производителям электрооборудования выпускать продукцию, экономно расходующую электроэнергию. Зачастую это достигается эффективным управлением скорости электродвигателя.

                                            Частотник для трехфазного электродвигателя или частотный преобразователь имеет множество наименований: инвертор, преобразователь частоты переменного тока, частотно регулируемый привод. На сегодняшний день частотники производят многие фирмы, но есть немало энтузиастов, создающих преобразователи своими руками.

                                            Назначение и принцип работы инвертора

                                            Частотный преобразователь на трехфазный двигательИнвертор управляет скоростью вращения асинхронных электродвигателей, т. е. двигателей, преобразующих энергию электрическую в механическую. Полученное вращение приводными устройствами трансформируется в другой вид движения. Это очень удобно и благодаря этому асинхронные электродвигатели приобрели большую популярность во всех областях человеческой жизни.

                                            Важно отметить, что скорость вращения могут регулировать и другие устройства, но все они имеют множество недостатков:

                                            • сложность в использовании,
                                            • высокую цену,
                                            • низкое качество работы,
                                            • недостаточный диапазон регулирования.

                                            Многим известно, что использование частотных преобразователей для регулировки скорости является самым эффективным методом. Это устройство обеспечивает плавный пуск и остановку, а также осуществляет контроль всех процессов, которые происходят в двигателе. Риск возникновения аварийных ситуаций, при использовании преобразователя частоты, крайне незначителен.

                                            Схема частотного преобразователя

                                            Для обеспечения плавной регулировки и быстродействия разработана специальная схема частотного преобразователя. Его использование в значительной мере увеличивает время непрерывной работы трехфазного двигателя и экономит электроэнергию. Преобразователь позволяет довести КПД до 98%. Это достигается увеличением частоты коммутации. Механические регуляторы на такое не способны.

                                            Регулировка скорости инвертором

                                            Первоначально он изменяет поступающее из сети напряжение. Затем из преобразованного напряжения формирует трехфазное, необходимой амплитуды и частоты, которое подается на электродвигатель.

                                            Диапазон регулировки достаточно широкий. Есть возможность крутить ротор двигателя и в обратном направлении. Во избежание его поломки необходимо учитывать паспортные данные, где указаны максимально допустимые обороты и мощность в кВт.

                                            Составные части регулируемого привода

                                            Ниже представлена схема преобразователя частоты.

                                            Схема преобразователя частоты

                                            Он состоит из 3 преобразующих звеньев:

                                            • выпрямителя, формирующего напряжение постоянного тока при подключении к питающей электросети, который может быть управляемым или неуправляемым,
                                            • фильтра, сглаживающего уже выпрямленное напряжение (для этого применяют конденсаторы),
                                            • инвертора, формирующего нужную частоту напряжения, являющегося последним звеном перед электродвигателем.

                                            Режимы управления

                                            Частотники различают по видам управления:

                                            • скалярный тип (отсутствие обратной связи),
                                            • векторный тип (наличие обратной связи, или ее отсутствие).

                                            При первом режиме подлежит управлению магнитное поле статора. В случае векторного режима управления учитывается взаимодействие магнитных полей ротора и статора, оптимизируется момент вращения при работе на разной скорости. Это является главным различием двух режимов.

                                            Кроме этого, векторный способ более точен, эффективен. Однако в обслуживании — более затратен. Рассчитан он на специалистов с большим багажом знаний и навыков. Скалярный способ проще. Он применим там, где параметры на выходе не требуют точной регулировки.

                                            Подключение инвертора «звезда — треугольник»

                                            После приобретения инвертора по доступной цене возникает вопрос: как подключить его к двигателю своими руками? Прежде чем это сделать будет нелишним поставить обесточивающий автомат. В случае возникновения короткого замыкания хотя бы в одной фазе, вся система будет немедленно отключена.

                                            Подключение преобразователя к электродвигателю можно осуществить по схемам «треугольник» и «звезда».

                                            Способы подключения преобразователя

                                            Если регулируемый привод однофазный, клеммы электродвигателя подключают по схеме «треугольник». В этом случае потерь мощности не происходит. Максимальная мощность такого частотника 3 кВт.

                                            Трехфазные инверторы более совершенны. Они получают питание от промышленных трехфазных сетей. Подключаются по схеме «звезда».

                                            Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент во время запуска электродвигателя мощностью более 5 кВт используют вариант переключения «звезда-треугольник».

                                            При пуске напряжения на статор используется вариант «звезда». Когда скорость двигателя станет номинальной, питание переключается на схему «треугольник». Но такой способ применяется там, где существует возможность подключения по обеим схемам.

                                            Важно отметить, что в схеме «звезда-треугольник» резкие скачки токов неизбежны. В момент переключения на второй вариант скорость вращения резко снижается. Чтобы восстановить частоту оборотов, необходимо увеличить силу тока.

                                            Наибольшей популярностью пользуются преобразователи для электродвигателей мощностью от 0,4 кВт до 7,5 кВт.

                                            Инвертор своими руками

                                            Наряду с выпуском промышленных инверторов многие изготавливают их своими руками. Особой сложности в этом нет. Такой частотник может преобразовать одну фазу в три. Электродвигатель с подобным преобразователем можно использовать в быту, тем более что мощность его не теряется.

                                            Схема частотного преобразователя своими руками

                                            Выпрямительный блок идет в схеме первым. Затем идут фильтрующие элементы, отсекающие переменную составляющую тока. Как правило, для изготовления таких инверторов используют IGBT-транзисторы. Цена всех составляющих частотника, изготовленного своими руками, намного меньше цены готового производственного изделия.

                                            Частотники подобного типа пригодны для электродвигателей мощностью от 0,1 кВт до 0,75 кВт

                                            Использование современных инверторов

                                            Современные преобразователи производятся с использованием микроконтроллеров. Это намного расширило функциональные возможности инверторов в области алгоритмов управления и контроля за безопасностью работы.

                                            Преобразователи с большим успехом применяют в следующих областях:

                                            • в системах водоснабжения, теплоснабжения для регулирования скорости насосов горячей и холодной воды,
                                            • в машиностроении,
                                            • в текстильной промышленности,
                                            • в топливно-энергетической области,
                                            • для скважинных и канализационных насосов,
                                            • для автоматизации систем управления технологическими процессами.

                                            Цены источников бесперебойного питания напрямую зависят от наличия в нем частотника. Они становятся «проводниками» в будущее. Благодаря им, малая энергетика станет наиболее развитой отраслью экономики.

                                            Скалярный частотник для однофазного асинхронного двигателя

                                            Начнём с того, что у каждого программера должен быть токарный станок. Ну… Или, как минимум, у меня он должен быть. И пусть даже без ЧПУ. Это моя мечта.

                                            И мечта сбылась. Станок куплен, привезён, поставлен на место парковки и… Надо бы его включить. А включить его не так и просто. И если не искать простых путей, то нужен «частотник», а по-научному: преобразователь частоты. И пусть я в этом профан, но я его сделал.

                                            И вот с подключения двигателя и начинаются интересности. Сам по себе я в таком профан, есть некоторые общие знания, но как оно реально работает — понятия не имел. А уж когда вместо ожидаемых 3-х выводов 3-х фазника я узрел 4, да ещё и не 3 обмотки с общей точкой, а отдельные 2, да ещё с разным сопротивлением… Ну, я, кхм, скажем так — «удивился».

                                            Так вот, двигатели. Они бывают трёхфазные, трёхфазные, включенные треугольником через конденсаторы и… однофазные конденсаторные.

                                            Трёхфазные — «полноценные» асинхронники. 3 обмотки, по-хорошему включённые звездой и повешенные на полноценные 3 фазы. Ну, или 3-х фазный частотник, коих валом на али.

                                            Трёхфазные + треугольник + конденсаторы. Тут мы уже теряем в КПД, мощности и моменте, ну да если 3-х фаз нету, то вполне себе решение. Дёшево, просто, надёжно, сердито.

                                            Однофазные конденсаторные

                                            Вот о них то и пойдёт речь. Вообще, такие двигатели очень распространены. Это и вентиляторы моторчиков проекторов и приводы некоторых часов, и моторчики для маленьких наждаков и остальные применения, где не надо большой мощности, но нужны плюсы асинхронников: огромная надёжность + обороты, зависящие только от частоты питающего напряжения.

                                            Базовая схема включения (картинка не моя, честно найденная на просторах интернета):

                                            В общем, грубо, принцип такой: Есть стартерная обмотка, она наводит ЭДС в короткозамкнутом роторе. Со смещением по фазе включается рабочая обмотка. Она «отталкивает» замагниченный якорь, начинается вращение. При повороте на некий угол, всё повторяется. Мотор начинает крутиться.

                                            Итого — нужно 2 фазы, смещённые на некий угол. Обычно это 90 градусов. Это и обеспечивается пусковым конденсатором. Ну а после набора оборотов — якорь начинает работать от самой же рабочей обмотки и стартерную обмотку можно вообще даже отключить. Ну, или запитать от рабочего конденсатора, существенно меньшей ёмкости.

                                            Но это всё теория. А на практике то чего хочется? Хочется частотник. Что б само разгонялось, тормозило, крутилось в обе стороны, ну и с разными оборотами, конечно! И вот тут становится всё несколько сложнее. Дело в том, что таких частотников в продаже в разы меньше. И стоят они в разы больше. В общем — экзотика.

                                            А ведь, если так задуматься, то разница от 3-х фазного не так и велика. И даже можно использовать ту же схемотехнику. При этом, есть те же 3 отвода: общий, стартерная обмотка, рабочая обмотка. И всё дело в прошивке. А значит — это можно сделать. И пусть это будет не векторное управление с кучей математики, а простое скалярное, но… как умею.

                                            Итак — что требуется. Для начала посмотрим на графики синуса и косинуса (у нас же смещение 90 градусов) УСЛОВНО оно будет выглядеть так:

                                            Т.е. задача элементарна: «притягиваем» к земле общий, подаём пачку положительных импульсов в стартерную обмотку, подаём пачку импульсов в рабочую. Затем подтягиваем общий к плюсу и подаём пачку отрицательных импульсов к стартерной, а затем и рабочей обмотке. Т.о. грубо получаем имитацию смены полярности и сдвиг фаз. От того, как часто мы это будем делать — будет зависеть «частота».

                                            В общем — теория проста. В качестве контроллера ATMega 328 с бутлоадером ардуины (да по сути, сама ардуина, просто без лишней обвязки), в качестве драйвера IR2132 (старая, но с IR2136 не сложилось) и выходные ключи IRG4BC30. Дя моего 1.1КВт-го мотора этого более чем достаточно.

                                            (Если повторять схему, то просто делается плата, в Arduino Duemilanove заливается скетч, затем Mega328 выдёргивается и впаивается в плату. Готово.)

                                            А вот дальше… Дальше я погрузился в удивительный мир индуктивностей и силовой электроники. И всё оказалось не так и просто, как думалось вначале:

                                            1. Скорость открытия и закрытия ключей — это важно. Deadtime — это ОЧЕНЬ важно.
                                            2. Включение балласта — обязательно с использованием диода, обращённого плюсом на силовой фильтрующий конденсатор. Иначе выбросы при снятии нагрузки с индуктивности на раз выводят из строя силовые IGBT.
                                            3. Охлаждение. На плате маленькие радиаторы — плохо. Либо перегреется, либо надо обдувать. Но если обдувать, то вся металлическая взвесь от станка, рано или поздно, закоротит что-то и будет бах.
                                            3+. Слюда, а точнее ОЧЕНЬ ТОНКАЯ слюда, это плохо. Она пробивается и получается то, что в заглавии статьи. В то же время силиконовые термопрокладки хуже по теплопроводности. Ну а керамика… У меня её нет.
                                            4. Торможение методом длинной пачки импульсов одной полярности на одну обмотку, быстро перегревает транзисторы и они сгорают. А так же, очень весело прыгает мотор, раскрученный до 3-х тыс оборотов и остановленный за 0.3 сек до 0.
                                            5. Когда у вас всё заработает и вы расслабитесь, включите схему без балласта и нажмёте пуск — будет бах. Это приводит ещё и к замене драйвера.

                                            Скетч: Сейчас реализовано вращение в обе стороны с плавной перестройкой частоты 25-75Гц с шагом 0.25. Была идея с тормозом. Сейчас закомментировано и надо будет менять схему. А именно, идея такая: я правильно подавал импульсы одной полярности, НО. Это надо делать через балластное сопротивление отдельным ключом.

                                            Силовая часть: схема ещё будет дорабатываться, но на данный момент станок стоит в не отапливаемом помещении и работать с ним крайне сложно из-за замерзания масла.

                                            Схема:
                                            image
                                            В общем-то почти классик, но собранная из 5-и разных схем. Диоды по «высоким» плечам в общем-то при применении IGBT транзисторов и не обязательны, но я сначала сделал, а потом только подумал

                                            В итоге: оно работает. Многое ещё стоит доделать, например выносной «пультик», тормоз. Может стоит поэкспериментировать с длительностью импульсов или сделать таки полноценный ШИМ имитирующий синус, а не постоянную скважность. Но пока это так. Может кому пригодится.

                                            И в окончание, хотелось бы спросить: вместо балласта я поставил дроссель, «зажатый» диодами. На сколько я не прав в таком решении? Дроссель, я даже не знаю какой индуктивности. Взят из БП ATX, где он стоял в блоке компенсации реактивной мощности.

                                            Ну а опыт… Опыт очень интересный. Я никогда б не подумал что это может быть столь сложно. И что 30В и 300В это огромная разница. Очень зауважал людей, которые такие вещи проектируют.
                                            А это цена моих ошибок:

                                            Видео всего процесса можно посмотреть тут: 1 2 3

                                            Вопросы более знающим, ответы хотелось бы в комментариях:

                                            1. Дроссель что стоит по цепи +310. Стоит ли мне от него избавляться? Я поставил его в надежде что нарастание тока, в случае сквозного тока, будет медленней и драйвер успеет уйти в защиту по току.

                                            2. У меня получаются импульсы одинаковой скважности. Критически ли это важно? Оставить, или всё ж таки делать нечто «синусозависимое» по скважности?

                                            Частотник для трехфазного электродвигателя своими руками

                                            Прибор частотник

                                            Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.

                                            Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.

                                            Назначение частотного преобразователя

                                            Назначение частотника

                                            Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.

                                            Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.

                                            Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.

                                            Принцип работы устройства

                                            Схема частотника

                                            Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

                                            Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

                                            Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

                                            Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

                                            В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

                                            Как используется частотник

                                            С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

                                            К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

                                            При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

                                            Самостоятельное изготовление прибора

                                            Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.

                                            Делаем трехфазный преобразователь

                                            Трехфазный частотник своими руками

                                            Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.

                                            Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.

                                            Схема частотника выглядит так:

                                            Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.

                                            Вот так выглядит разводка платы управления:

                                            Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.

                                            Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:

                                            Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.

                                            Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:

                                            Прибор частотник

                                            1. В наличии у вас всех необходимых компонентов;
                                            2. В правильности разводки платы;
                                            3. В наличии всех нужных отверстий для установки радиодеталей на плате;
                                            4. В том, что не забыли залить в микроконтроллер прошивку из этого архива:

                                            Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.

                                            После сборки у вас получится что-то похожее:

                                            Самодельный частотник

                                            Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании — поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.

                                            Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.

                                            Частотник для однофазного двигателя

                                            Принцип работы частотника

                                            Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая — через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль — в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя, используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.

                                            В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:

                                            К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему — мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.

                                            Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:

                                            Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:

                                            Стабилизатор на 12 вольт.

                                            Стабилизатор на 5 вольт.

                                            Принцип работы стабилизатора

                                            Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете — великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.

                                            Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода — опять выйдут из строя ключи.

                                            Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы, а затем — к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также — в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.

                                            Сборка частотника

                                            После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» — пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» — то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» — стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.

                                            Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.

                                            Возможные проблемы при проверке

                                            Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: