Частотник своими руками — любительская схема преобразователя

Зачем нужно делать самому преобразователь для 3-фазного электромотора, и как смастерить его своими руками? Чтобы защитить окружающую природу повсюду создаются правила, которые рекомендуют изготовителям электрических устройств делать продукцию, которая будет экономить электрическую энергию. Часто это бывает достигнуто правильным управлением частотой вращения электромотора. Преобразователь частоты легко решает эту задачу.

Частотник электромотора с тремя фазами по-разному называют: инвертор, частотный изменитель тока, приводной механизм, регулируемый частотой. Сегодня такие устройства делают разные заводы, но многие умельцы своими руками изготавливают не хуже.

Как я сам изготовил частотный преобразователь

Я изготовил преобразователь частоты и асинхронный привод для моего товарища. Ему нужен был привод для пилорамы, мощный и хороший. Так как я любил заниматься электроникой, то сразу предложил ему такую схему:

Трехфазный мост на транзисторах с диодами обратной связи я использовал, которые имелись. Управление осуществил через оптодрайвер HCPL 3120 микроконтроллером PIC16F628A. У входа припаял гасящую емкость, чтобы электролиты заряжались плавно. Затем припаял шунтовое реле. Еще установил триггер защиты тока от замыкания и перегрузки. Для управления установил две кнопки и выключатель для обратного вращения.

Силовую часть я собрал на навесном монтаже.

Резисторы, соединил параллельно по 270 кОм с помощью затворных проходных конденсаторов, позади платы их напаял. Моя плата показана на внешнем виде:

Вид этой моей платы с другой стороны:

Для подключения питающего напряжения я собрал блок питания, работающий на импульсах, обратноходовой. Вот привожу схему этого блока питания:

Как я запрограммировал микроконтроллер? Простые моргалки для меня не представляли какой-то проблемы. Получились константы в виде матрицы, над которой работал мой контроллер. Частота и напряжение были заданы этими величинами. Всю схему работы проверил на моторчике вентилятора небольшой мощности, 200 Вт. Эта моя конструкция выглядела так:

Начальные эксперименты дали хороший результат. Затем доработал программу. Раскрутил двигатель на 4 кВт, и пошел собирать управление пилорамой.

При монтаже у нас с товарищем случайно произошло замыкание и сработала защита, проверили ее работу. Мотор на 2 кВт 1500 оборотов с легкостью пилил доски. Сейчас программа еще дорабатывается для раскрутки двигателя выше номинала. Характеристики: частота от 2 до 50 герц с шагом 1,5 герц, синхронная частота, постоянно меняется, разбег от 1500 до 3500 герц, управление скалярного типа U/F, мощность мотора до 5 кВт.

Удерживаем кнопку RUN и разгоняем двигатель. Отпускаем, частота держится на уровне. Когда загорается светодиод, то привод готов к запуску.

Подключение и настройка

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

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

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

Как сделать инвертор самому своими руками?

Вместе с производством заводских инверторов любители делают их сами, своими руками. Здесь нет ничего сложного. Такой преобразователь частоты преобразовывает одну фазу, делает из нее три фазы. Электродвигатель с похожим частотником используют в домашних условиях, мощность его не будет теряться.

Блок выпрямления в схеме расположен в начале. Далее идут фильтры, которые отсекают токовые переменные. Чтобы изготовить данные инверторы применяют транзисторы IGBT.

За тиристорами стоит будущее, хотя и в настоящем они уже применяются давно. Купленный частотник на биполярных транзисторах стоит дорого и мало где применяется (сервоприводы, металлорежущие станки с векторным управлением). Эти приводы как транспортеры и конвейеры, карусельные станки, станции подкачки воды, климатические системы управления — это большая часть от всего применения устройств заводов, где лучше использовать частотники для управления электромоторами с короткозамкнутыми якорями и можно делать управление оборотами двигателя, если подать потенциал, изменяя частоту до 50 герц.

Приведем простые примеры частотных преобразователей, которые тянули мощные электродвигатели тепловозов и электричек, имеющих в своем составе много вагонов товарных платформ, большие станции с насосами напряжением 600 вольт, обеспечивающие городские районы питьевой водой. Очевидно, что данные сильные электродвигатели не подойдут на биполярных транзисторах. Поэтому применяют активные тиристоры типа GTO, GCT, IGCT и SGCT. Они преобразуют из постоянного тока токовую сеть с тремя фазами с хорошей мощностью. Однако, имеются простые схемы на тиристорах простого типа, закрывающиеся током катода обратного. Такие тиристоры не будут действовать в режиме ШИМ, их хорошо применяют в прямой регулировке электромоторов, без тока постоянного размера. Преобразователи частоты на тиристорах в застойные времена были задействованы для моторов на постоянном токе. Фирма Сименс изобрела векторные частотники, преобразившие промышленность до неузнаваемости.

Стоимость всех деталей самодельного инвертора существенно ниже цены заводского устройства.

Такие самодельные устройства хорошо подходят для электромоторов мощностью до 0,75 кВт.

Управление через аналоговый вход

В преобразователе частоты PR6000 имеется два аналоговых входа – AI1 и AI2. Это выгодно отличает его от других моделей с одним аналоговым входом.

Вход AI1 может использоваться для управления по напряжению с входным сопротивлением 47 кОм. Вход AI2 имеет выбор, который производится переключателем: токовый вход с входным сопротивлением 500 Ом, или вход по напряжению.

Для чего предназначен инвертор — его принцип действия

Инвертор действует на частоту вращения асинхронных моторов. Моторы переделывают электроэнергию в механическое движение. Вращательное движение преобразуется в движения механические. Это создает большое удобство. Асинхронные моторы очень популярны во многих сторонах жизни людей.

Обороты электродвигателя можно изменять и другими устройствами. Но, у них много недостатков. Они сложны в пользовании, дорого стоят, работают с плохим качеством, разбег регулировки маленький.

Частотный преобразователь для мотора с тремя фазами легко решает эту проблему. Все знают, что пользование частотниками для изменения частоты вращения есть самый хороший и правильный метод. Такой аппарат дает мягкий пуск и торможение, а также контролирует многие процессы, происходящие в моторе. Аварийные ситуации при этом сводятся на нет.

Чтобы плавно и быстро регулировать работу двигателя, специалисты разработали специальную электрическую схему. Использование в работе частотника дает возможность работать двигателю без перерыва, экономично. Коэффициент полезного действия его достигает 98%. Это происходит за счет повышения частоты коммутации. Механические устройства не могут выполнить такие функции.

Управление через дискретные входы

У преобразователя PR6000 имеется 8 дискретных (цифровых) входов: FWD (вперед/стоп), REW (назад/стоп) и 6 входов DI1…DI6.

Входы FWD и REW могут работать в двух- и трехпроводном режиме, при этом третий провод программируется на одном из входов DI1…DI6. Выбор режима управления скоростью устанавливается в параметре Р077.

Дискретные входы DI1…DI6 являются многофункциональными, они программируются на разные функции, которые запускаются при активации соответствующего входа.

Набор возможных функций: выбор многоскоростного режима, выбор разгона/замедления, включение вращения в режиме JOG вперед/назад, управление остановом, увеличение/уменьшение частоты, вход сигнализации неисправности (аварии), пауза при пуске, трехпроводное управление пуском/стопом, торможение постоянным током, сброс ошибки/сообщения, работа по качающейся частоте, включение/сброс/вход счетчика. Всего можно выбрать до 20 различных параметров, которые устанавливаются в параметрах Р071…Р076 для каждого входа. Активация дискретных входов происходит путем замыкания нужного входа на клемму СОМ. Причем, это может производиться разными способами — выходом контроллера, контактами реле, датчика или ручной кнопки. Дискретные и аналоговые входы показаны ниже.

Как регулировать скорость инвертором?

Как частотник может изменять частоту вращения трехфазного электромотора? Сначала он меняет напряжение сетевое. Далее, из него получается нужная амплитуда и частота напряжения, поступает на электромотор.

Разбег интервала регулирования скорости преобразователем большой. Можно изменять вращение мотора в другую сторону. Чтобы двигатель не вышел из строя, нужно брать во внимание данные из его характеристики, допускаемые обороты, мощность.

Управление через последовательный интерфейс

При работе через интерфейс RS-485 преобразователь частоты управляется контроллером либо персональным компьютером через специальный адаптер-преобразователь RS-485/RS-232.

Через этот интерфейс преобразователь может не только принимать команды на изменения параметров и состояния, но и выдавать информацию о своем текущем состоянии на другие устройства. Также по интерфейсу RS-485 может поддерживаться связь с другими преобразователями.

Далее поговорим о способах оперативного управления режимами ПЧ.

Из чего состоит привод регулирования?

Схема частотника.

Он имеет в составе три звена:

1. выпрямитель, дающий потенциал постоянного тока при включении к питанию электрической сети. Сеть может быть управляемой или нет;
2. фильтрующий элемент, который сглаживает выходное напряжение (применяется емкость);
3. инвертор, который производит нужную частоту потенциала, крайнего звена возле электромотора.

Характеристика

Большинство распространённых электрорегулируемых приводов используют преобразователей частоты ПЧ двух классов. Основными признаками их разделения являются структурное отличие и принцип работы силовой части устройства. Свои функции ПЧ выполняет с промежуточным узлом, действующим с постоянным током, или осуществляется прямая связь с источником.

Положительной особенностью является высокая эффективность. Отдача достигает 98,5% и более. Используется для управления мощными высоковольтными приводами. Частотник значится относительно дешёвым, несмотря на дополнительную комплектацию схем регулирования. Эффективный способ его применения оценивают, рассматривая класс, преимущества или недостатки. Сначала использовались преобразователи с прямым, непосредственным подсоединением к сети. (рисунок 1).

То есть, источник питания подключается к статорным обмоткам двигателя через открытые вентили. Конструкция силовой части состояла из выпрямителей, выполненных на полупроводниковых приборах — тиристорах.

Обладающих свойствами электровентиля. И системы управления (СУ). Которая, попеременно их открывая, подключала к сети обмотки электродвигателя. Напряжение поступает на тиристоры, имея трёхфазный вид синусоиды Ua, Uв, Uс. На выходе преобразователя сформировано напряжение U вых.

Это показано на одной фазе с вырезанной полосой (рисунок 1). Увеличенный, он имеет зазубренный вид, который аппроксимирует линия синего цвета. Выходная частота устройства значится в границах 0—30 Гц. Этот короткий диапазон лимитирует возможность привода регулировать скорость асинхронного электродвигателя. Такое подключение на практике даёт результат один к десяти. Хотя технологические процессы диктуют значительного увеличения этого соотношения.

В настоящее время преобразователи с прямой (непосредственной) связью не применяют. Сейчас в системах дополнительно включён узел с функцией постоянного тока. При этом задействовано удвоенное трансформирование электроэнергии. Напряжение на входе, с неизменной амплитудой, частотой и формой синусоиды, поступает на клеммы выпрямительного блока (B). Дальше проходит фильтр (Ф), уменьшающий пульсацию высших гармоник. Назначение (И) инвертора — преобразовать постоянное напряжение в переменное варьируемой частоты и амплитуды. При этом используются отдельные внутренние блоки. Функции электронных ключей, в составе инверторов, выполняют запираемые GTO тиристоры. Или заменяемые его типы: GCT, IGCT, SGCT, а также трёхэлектродным полупроводниковым элементом с изолированным затвором IGBT.

Преимуществом частотника на тиристорах обоих классов является возможность использовать их при повышенных показателях напряжения и тока. Они выдерживают длительную работу, электроимпульсные скачки. Устойчивое функционирование преобразователи частоты поддерживают в широком диапазоне мощностей. С вилкой от сотни кВт до десятка мВт. На выходе ПЧ напряжение составляет от 3 до 10 кв. Однако, сравнивая цену по отношению к мощности, она остаётся завышенной.

Устройства регулируемого привода, в состав которого входили запираемые тиристоры, занимали преобладающее место. Но, потом их сменил транзистор IGBT с изолированным затвором. Применение тиристора усложняет средство управления. Являясь полупроводниковым элементом, он подключается подачей импульса на регулируемый контакт, достаточно сменить полярность напряжение или понизить величину тока близкую к нулю. Сложность процесса и дополнительные элементы делают систему регулировки более громоздкой.

Транзисторы IGBT отличаются простым способом управления с незначительной затратой расхода энергии. Большой рабочий диапазон частот расширяет границы выбора оборотов электромотора и увеличивает скоростную характеристику. Совместное действие транзистора с микропроцессорным управлением влияет на степень высших гармоник. Кроме того, отмечаются следующие особенности.

• В обмотках и магнитопроводе электродвигателя уменьшаются потери.
• Снижается тепло подогрев.
• Минимум проявлений пульсаций момента.
• Исключаются рывки ротора в зоне небольших частот.
• Сокращаются потери в конденсаторах, трансформаторах, проводах тем самым увеличиваются сроки их эксплуатационной пригодности.
• Приборы измерений и защиты (особенно индукционные) допускают меньшее неточностей, искажённых срабатываний.

Сравнивая ПЧ одинаковой выходной мощности с другими схемами, устройства на транзисторах IGBT отличаются надёжностью, меньшими габаритами, массой. Достигается это за счёт модульной конструкции аппаратных средств. Минимальным набора элементов, составляющих устройство. Защитой от резких колебаний тока и напряжения. Снижением количества отказов и остановок электропривода. Лучшим теплоотводом

Высокая цена низковольтных преобразователей (IGBT) на единицу выходной мощности объясняется трудностью изготовления транзисторных модулей. Рассматривая цену и качество, они предпочтительнее тиристорных. И также надо учитывать постоянную динамику сокращения стоимости производства устройств. Тенденцию к её снижению.

Затруднение в применении высоковольтного привода с прямым изменением частоты является ограничение по мощности свыше двух мВт. Так как увеличение напряжения и рабочего тока укрупняют габариты транзисторного модуля, необходим более высокоэффективный теплоотвод от полупроводника. И как выход, до появления новейших биполярных элементов, модули в преобразователях соединяют последовательно по несколько штук.

Режим управления частотников

Их делят на виды управления оборотами двигателя:

1. скалярное управление (нет связи с обратной стороны);
2. режим векторного управления (связь с обратной стороны имеется, или отсутствует).

В первом случае управляется статор с его магнитным полем. Управление вектором учитывает действие полей магнита ротора и статора, улучшается крутящий момент при разных скоростях вращения. Это и есть основное различие их режимов управления.

Способ векторов точнее и эффективнее. Обслуживать его дороже. Он больше подходит для специалистов с хорошими профессиональными умениями и знаниями. Метод управления скалярного типа наиболее прост в работе. Применяется он с выходными параметрами, не требующими регулировки особой точности.

Как выбрать ПЧ перед тем, как его купить

Перед тем, как выбрать частотный преобразователь,проверяют электрическую совместимость с двигателем и нагрузочной способностью (мощностью).

Рис. №1. Структурная схема работы системы насосных агрегатов от преобразователя частоты VFD.

При работе преобразователя частоты с одним двигателем выбор проводят в зависимости от паспортных характеристик. При выборе учитываются такие показатели, как:

1. Мощности по паспорту ПЧ и электродвигателя должны быть равными. Этот параметр действует в случае использования двигателей с двумя парами полюсов (2p=4), со скоростью вращения до 1500 об/мин, с постоянным моментом. Он же действует и для ПЧ, которые могут справиться с перегрузом в 150% (конвейеры, транспортерные ленты) и для преобразователей, работающих с перегрузом 120% (вентиляторы, центробежные насосы).
2. Величина номинального тока должна быть равной и быть больше продолжительного фактического тока, который потребляется двигателем (тока нагрузки).

Время разгона двигателя при пусковом токе 150% составляет 120% для преобразователей, специализирующихся в насосных агрегатах, от номинального ПЧ обычно не должно превышать 60сек.

1. Входное напряжение сети должно удовлетворять преобразователь, он должен сохранять свою работоспособность при любых отклонениях напряжения от нормы.
2. Диапазон регулирования частот, который может поддерживать преобразователь должен удовлетворять высокоскоростному режиму двигателя.
3. Наличие дискретных входов управления необходимо для ввода различного рода команд, запрограммированных пользователем. Нужны и аналоговые, служат для ввода сигналов задания и для обратной связи. Необходимы и цифровые входы, служащие для высокочастотных сигналов, поступающих от энкордеров или цифровых датчиков скорости и положения.
4. Число выходных сигналов служат для создания сложных схем для системы насосных станций.
5. Возможность оперативного управления в рабочем режиме, это могут быть входы управления с помощью пульта. Или управление с помощью шины последовательной связи посредством контроллера или компьютера. Может быть это будет комбинированное управление.
6. Выбор преобразователя зависит от предпочтения способа управления электродвигателем, скалярное или векторное управление. Зависит раздельного векторного управления двигателями или скалярное управление – поддержание одного постоянного отношения выходного напряжения к выходной частоте. Для насосных агрегатов более свойственен способ векторного управления.
7. К более точным критериям выбора частотника принадлежит параметр, определяющий работу двигателя на установившейся скорости. При работе преобразователя с одним двигателем необходимая мощность для запуска рассчитывается по формуле:

Рис. №2. Формула расчета полной пусковой мощности.

Ток потребления двигателем от преобразователя при сетевом напряжении 220/380В рассчитывают по формуле:

Рис. №3. Расчет механических характеристик двигателя.

Рис. №4. Таблица неравенств, которые необходимо соблюдать при выборе ПЧ для работы одного частотника с несколькими двигателями.

Как подключить инвертор треугольником и звездой?

Когда мы купили инвертор по недорогой цене, то возникает необходимость: подключение его к электромотору самому без специалистов. Сначала надо установить для безопасности автоматический выключатель для обесточивания. Если возникнет короткое замыкание на фазах, то отключится вся система.

Подключить частотник к мотору можно звездой или треугольником.

Когда привод регулирования с одной фазой, то контакты электромотора присоединяют треугольником. Тогда мощность не потеряется. Мощность этого преобразователя частоты будет не более 3 кВт.

Инверторы с тремя фазами технически наиболее современны. Они питаются от заводских трехфазных сетей, подключаются звездой.

Для ограничения тока пуска и уменьшения момента пуска при пуске электромотора свыше 5 кВт можно использовать способ включения треугольник и звезда.

При включении статора применяется схема звезды, а если обороты двигателя нормальные, то переходят на вариант треугольника. Но это используется при существовании возможности соединения по двум схемам.

Отмечаем, что в варианте звезда-треугольник большие перепады тока будут всегда. При переключении на вторую схему обороты двигателя сильно снизятся. Для восстановления скорости вращения надо повысить силу тока.

Большой применяемостью оказывают пользу частотники для моторов мощностью до 8 кВт.

Зачем нужен преобразователь частоты

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

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

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

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

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

Старт/Стоп двигателя

Запуск и останов двигателя может производиться следующими способами.

1. С панели управления преобразователя частоты. Для этого используются кнопки RUN, STOP/RESET. Если нужен кратковременный запуск, используется кнопка JOG.
2. Подачей сигнала на дискретные входы FWD, REW при двухпроводном управлении. Для трехпроводного управления нужно задействовать один из дискретных входов DI1…DI6 и запрограммировать его соответствующим образом. Режим выбирается параметром Р077. Любой из этих входов можно также использовать для импульсного запуска (команда JOG). При двухпроводном управлении для работы двигателя необходим постоянный сигнал на соответствующих входах. При трехпроводном достаточно кратковременного сигнала.
3. Через последовательный интерфейс командами с контроллера. Выбор источника команды Старт/Стоп в ПЧ Prostar PR6000 производится в параметре Р006.

Двухпроводное управление пуском/остановом

Трехпроводное управление пуском/остановом

Аварийный останов ПЧ

Кроме штатного останова функцией Стоп с заданным замедлением используются два способа экстренного останова двигателя и отключения ПЧ.

1. Аварийный останов прерыванием питания. Для этого производители рекомендуют перед силовым питанием ПЧ устанавливать трехфазный линейный контактор, питание катушки которого зависит от состояния аварийной цепи всего оборудования. При нажатии на кнопку «Аварийный останов» или другом экстренном случае питание контактора отключается, и напряжение с ПЧ снимается. Таким образом двигатель гарантированно остановится.
2. Используется функция дискретного входа DI1…DI6 «Сигнализация неисправности внешнего устройства». Если запрограммировать нужный вход на эту функцию, в случае подачи на него аварийного сигнала преобразователь остановится.

Другие полезные материалы:

Тонкости настройки преобразователя частоты FAQ по электродвигателям Настройка преобразователя частоты для работы на несколько двигателей Назначение и виды энкодеров