Изучаем принцип работы, собираем и подключаем частотный преобразователь для асинхронных двигателей. Частотный преобразователь для электродвигателя

С все более увеличивающимся ростом автоматизации в бытовой сфере появляется необходимость в современных системах и устройствах управления электродвигателями.

Управление и преобразование частоты в небольших по мощности однофазных асинхронных двигателях, запускаемых в работу с помощью конденсаторов, позволяет экономить электроэнергию и активирует режим энергосбережения на новом, прогрессивном уровне.

Принцип работы однофазной асинхронной машины

В основе работы асинхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и токов, наводимых им в роторе двигателя. При разности частоты вращения пульсирующих магнитных полей возникает вращающий момент. Именно этим принципом руководствуются при регулировании скорости вращения асинхронного двигателя с помощью .

Пусковая обмотка занимает в конструкции статора 1/3 пазов, на главную обмотку приходится 23 паза статора.

Ротор однофазного двигателя коротко замкнутый, помещенный в неподвижное магнитное поле статора, начинает вращаться.

Рис.№1 Схематический рисунок двигателя, демонстрирующий принцип работы однофазного асинхронного двигателя.

Основные виды однофазных электроприводов

Кондиционеры воздуха, холодильные компрессоры, электрические вентиляторы, обдувочные агрегаты, водяные, дренажные и фекальные насосы, моечные машины используют в своей конструкции асинхронный трехфазный двигатель.

Все типы частотников преобразуют переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение. Служат для формирования однофазного напряжения с регулируемой частотой и заданной амплитудой для управления вращения асинхронных двигателей.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Существует несколько способов регулирования скорости вращения однофазного двигателя.

Управление скольжением двигателя или изменением напряжения. Способ актуален для агрегатов с вентиляторной нагрузкой, для него рекомендуется использовать двигатели с повышенной мощностью. Недостаток способа – нагрев обмоток двигателя.
Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя с помощью автотрансформатора.

Рис.№2. Схема регулировки с помощью автотрансформатора.

Достоинства схемы – напряжение выхода имеет чистую синусоиду. Способность трансформатора к перегрузкам имеет большой запас по мощности.

Недостатки – автотрансформатор имеет большие габаритные размеры.

Использование тиристорного . Применяются тиристорные ключи, подключенные встречно-параллельно.

Рис. №3.Схема тиристорного регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

При использовании для регулирования скорости вращения однофазных асинхронных двигателей, чтобы избежать негативного влияния индукционной нагрузки производят модификацию схемы. Добавляют LRC-цепи для защиты силовых ключей, для корректировки волны напряжения используют конденсатор, минимальная мощность двигателя ограничивается, так гарантируется старт двигателя. Тиристор должен иметь ток выше тока электродвигателя.

Транзисторный регулятор напряжения

В схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с применением выходного каскада, построенного на использовании полевых или биполярных IGBT транзисторах.

Рис. №4. Схема использования ШИМ для регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

Частотное регулирование асинхронного однофазного электродвигателя считается основным способом регулирования , мощности, эффективности использования, скорости и показателей энергосбережения.

Рис. №5. Схема управления электродвигателем без исключения из конструкции конденсатора.

Частотный преобразователь: виды, принцип действия, схемы подключения

Разрешает своему владельцу снизить энергопотребление и автоматизировать процессы в управлении оборудованием и производством.

Основные компоненты частотного преобразователя: выпрямитель, конденсатор, IGBT-транзисторы, собранные в выходной каскад.

Благодаря способности управлением параметрами выходной частоты и напряжения достигается хороший энергосберегающий эффект. Энергосбережение выражается в следующем:

В двигателе поддерживается неизменный текущий момент ращения вала. Это обусловлено взаимодействием выходной частоты инверторного преобразователя с частотой вращения двигателя и соответственно, зависимостью напряжения и крутящего момента на валу двигателя. Значит, что преобразователь дает возможность автоматически регулировать напряжение на выходе при обнаружении превышающего норму значения напряжения с определенной рабочей частотой нужно для поддержания требуемого момента. Все инверторные преобразователи с векторным управлением имеют функцию поддержания постоянного вращающего момента на валу.
Частотный преобразователь служит для регулировки действия насосных агрегатов (). При получении сигнала, поступающего с датчика давления, частотник снижает производительность насосной установки. При снижении оборотов вращения двигателя уменьшается потребление выходного напряжения. Так, стандартное потребление воды насосом требует 50Гц промышленной частоты и 400В напряжения. Руководствуясь формулой мощности можно высчитать соотношение потребляемых мощностей.

Уменьшая частоту до 40Гц, уменьшается величина напряжения до 250В, означает, что уменьшается количество оборотов вращения насоса и потребление энергии снижается в 2,56 раз.

Рис. №6. Использование частотного преобразователя Speedrive для регулирования насосных агрегатов по систем CKEA MULTI 35.

Для повышения энергетической эффективности использования необходимо сделать следующее:

Частотный преобразователь должен соответствовать параметрам электродвигателя.
Частотник подбирается в соответствии с типом рабочего оборудования, для которого он предназначен. Так, частотник для насосов функционирует в соответствии с заложенными в программу параметрами для управления работой насоса.
Точные настройки параметров управления в ручном и автоматическом режиме.
Частотный преобразователь разрешает использовать режим энергосбережения.
Режим векторного регулирования позволяет произвести автоматическую настройку управления двигателем.

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
Энергосбережение введено в автоматический режим.
Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Важно: Однофазный преобразователь частоты, питаясь от однофазной сети напряжением 220В, выдает три линейных напряжения, величина каждого из них по 220В. То есть, линейное напряжение между 2 фазами находится в прямой зависимости от величины выходного напряжения самого частотника.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

Первое на что обращаем внимание при выборе частотника для своего оборудования – это соответствие сетевого напряжения и номинального значения тока нагрузки, на который рассчитан двигатель. Способ подключения выбирается относительно рабочего тока.

Главным в схеме подключения является наличие фазосдвигающего конденсатора, он служит для сдвига напряжения, поступающего на пусковую обмотку. Она служит для пускового включения двигателя, иногда после того, как двигатель заработал, пусковая обмотка вместе с конденсатором отключается, иногда остается включенной.

Схема подключения однофазного двигателя с помощью однофазного частотного преобразователя без использования конденсатора

Выходное линейное напряжение устройства на каждой фазе равно выходному напряжению частотника, то есть на выходе будет три напряжения линии, каждое по 220В. Для запуска может использоваться только пусковая обмотка.

Рис. №8. Схема присоединения однофазного асинхронного двигателя через конденсатор

Фазосдвигающий конденсатор не может обеспечить равномерный фазовый сдвиг в пределах границ частот инвертора. Частотник обеспечит равномерный сдвиг фаз. Для того, чтобы исключить из схемы конденсатор, нужно:

Конденсатор стартера С1 удаляется.
Вывод обмотки двигателя присоединяем к точке выхода напряжения частотника (используется прямая проводка).
Точка А присоединяется к СА; В соединяется с СВ; W соединяется к СС, таким образом электродвигатель присоединится напрямую.
Для включения в обратном направлении (обратная проводка) необходимо В присоединить к СА; А присоединить к СВ; W соединить с СС.

Рис. №9. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя без использования конденсатора.

На видео — Частотный преобразователь. в однофазную сеть 220В.

Впервые асинхронный двигатель был использован в конце 19-го века. Его успешное применение позволило внедрить данное оборудование практически на любой завод, фабрику, в любую отрасль промышленности. Однако управлять данным устройством оказалось довольно проблемно, особенно пуском и остановкой. Основной целью эксплуатации частотного преобразователя, а также целью его создания как раз и стала необходимость в устройстве, управляющем асинхронным двигателем.

Общая информация

Целесообразнее всего снабжать преобразователем частоты (ЧП) те устройства, которые обладают довольно высоким показателем мощности. Основная цель, для которой используется такое оборудование, - это изменение пускового тока. ЧП дает возможность задавать величину для этого параметра, что и обеспечивает более плавную остановку и запуск двигателя.

Также можно отметить, что эти два устройства, работающие в паре, позволяют заменить такие устройства, как электроприводы постоянного тока. С одной стороны, регулировать скорость у такой системы очень просто, однако есть и слабое место в такой сети - сам электродвигатель. В электроприводах постоянного тока именно это устройство является наиболее дорогим и ненадежным. А если сравнивать асинхронное оборудование с прибором постоянного тока, то тут можно выделить явные преимущества: более простое и надежное устройство; масса, стоимость и габариты асинхронного приспособления будут гораздо ниже, чем у аппарата постоянного тока с той же мощностью.

Что такое частотный преобразователь

Стоит сказать о том, что регулировать числовое значение тока можно и вручную. Однако на это будет уходить определенное количество времени, так как человек не способен моментально среагировать на любое изменение, как машина. А это приведет к тому, что некоторое количество энергии будет уходить впустую, а энергетический ресурс двигателя выработается быстрее.

Частотный преобразователь для электродвигателя - это практически необходимая деталь, так как те устройства, которые не имели его, обладали значением тока, превышающим номинальное значение напряжение в 5-7 раз. Такая разница не позволит создавать приемлемые условия для эксплуатации двигателя.

Принцип работы частотного преобразователя кроется в том, что в нем используется специальный электронный механизм, который и управляет работой асинхронного двигателя. Также важно отметить, что ЧП позволяет не только настроить плавный запуск, но и выбрать оптимальный показатель между напряжением и частотой. Эта характеристика рассчитывается по определенной формуле.

Основное преимущество применения частотного преобразователя для двигателя - это экономия электрической энергии, значение которой доходит до 50 %. Еще одно важное преимущество ЧП - это возможность настроить его работу так, чтобы она максимально подходила под каждую отрасль производства. Применение такого устройства основывается на принципе работы двойного преобразования напряжения.

Первый этап - это регулировка напряжения, поступающего из сети. Оно выпрямляется и фильтруется. Эти операции осуществляются посредством системы конденсаторов.

Второй этап - включение в работу электронного управления системой. Этот элемент выставляет значение тока, которое будет соответствовать частоте, а также ранее выбранному режиму работы.

Как можно заметить, принцип работы частотного преобразователя довольно прост.

Материалы для сборки

На сегодняшний день распространение и улучшение технологий и оборудования привело к тому, что, имея некоторые знания в электронике и умения, можно собрать ЧП для однофазного двигателя собственноручно.

Для того чтобы собрать это устройство, понадобятся такие материалы, как:

драйвер трехфазного моста модели IR2135 или 2133;
понадобится микроконтроллер, который будет использоваться как генератор PWM, модели AT90SPWM3B;
еще одна важная деталь - программатор;
три пары транзисторов;
жидкокристаллический индикатор;
шесть кнопок для управления системой.

Сборка устройства

Для начала работы необходимо иметь схему частотного преобразователя. Осуществлять сборку будет намного удобнее и быстрее, имея этот документ.

Первый шаг сборки - соединение обмоток двигателя. Для этого нужно использовать вариант подключения, который в электротехнике называется треугольник.

В сборке частотного преобразователя своими руками основой будут выступать две платы. Одна из них (первая) будет являться основой для размещения таких элементов, как блок питания, драйвер, транзисторы. Силовые клеммы также будут подключаться к этой плате. Вторая же плата необходима для крепления микроконтроллера и индикатора. Для того чтобы соединить эти два элемента между собой, нужно использовать гибкий шлейф. Чтобы изготовить импульсный блок, можно использовать самую простую схему.

Для того чтобы осуществлять контроль над работой двигателя, нет необходимости в добавлении внешних устройств. Однако если такое желание все же есть, то можно добавить схему IL300 в конструкцию.

Следующим важным элементом в сборке частотного преобразователя своими руками станет общий радиатор. В схеме этих устройств данный элемент используется для того, чтобы разместить на нем транзисторы и диодный мост. Один из обязательных шагов - это установка оптронов ОС2-4. Основное предназначение этих элементов - дублирование кнопок управления.

При изготовлении частотного преобразователя своими руками для двигателя с мощностью до 400 Вт можно обойтись без термодатчика. Для того чтобы измерять напряжение, можно использовать обычный усилитель (DA-1-2). Необходимо также защитить все кнопки управления. Для этого используются пластиковые толкатели. Управление устройством осуществляется при помощи опторазвязки.

Последнее, что необходимо сделать при изготовлении частотного преобразователя своими руками, - это позаботиться о подавлении помех. Это необходимо делать лишь в том случае, если в системе используются слишком длинные провода. Когда ротор двигателя уже запущен, то можно выбрать любою скорость вращения, которая лежит в пределах частоты от 1 до 40.

Подключение

Собрать ЧП - это лишь половина дела. Вторая половина - это правильное подключение преобразователя к двигателю. Частотный преобразователь для насоса, работающего посредством использования асинхронного двигателя, может подключаться по двум методам. Выбор метода зависит от напряжения сети.

Если она обладает напряжением в 220 В и всего одной фазой, то наиболее выгодная схема подключения - это треугольник. Тут важно запомнить одну вещь. Выходной ток не может превышать номинальный более чем на 50 %.

Если подключать частотный преобразователь на 380 В и трех фазах, то для подсоединения к двигателю лучше всего прибегнуть к такой схеме, как звезда. Для того чтобы максимально упростить этот процесс, на покупных ЧП имеются специальные клеммы, которые обладают нужной маркировкой. На самодельном придется обойтись без этого.

Важно не забыть, что в любой системе, самодельной или покупной, должна быть схема, имеющая клемму для заземления.

Обслуживание устройства

Как уже говорилось ранее, просто собрать ЧП и подключить его - мало. Еще одна важная часть, которая гарантирует длительный срок службы устройства, - это обслуживание прибора. Частотный преобразователь для насоса, двигателя или любого другого устройства, должен подвергаться тщательному уходу:

Наиболее страшный враг электронного оборудования - это пыль. Важно следить, чтобы на внутренних контактах она не скапливалась. Для удаления этих частиц мусора можно использовать компрессор с невысокой мощностью. Пылесос использовать нежелательно, так как он не сможет убрать плотный слой пыли.
Необходимо регулярно проверять работоспособность всех узлов. При возникновении неполадок сразу их менять. Нормальный срок эксплуатации электролитического конденсатора - 5 лет, для предохранителя - 10 лет. Вентиляторы, работающие внутри устройства, нужно менять каждые 2-3 года, внутренние шлейфы - каждые 6 лет.
Очень важно следить за такими параметрами, как температура внутренних элементов, а также напряжение на шине постоянного тока. Если температура повысится слишком сильно, то термопаста с большой долей вероятности высохнет, что приведет к выходу из строя конденсаторов. Чтобы избежать этой проблемы, рекомендуется менять термопасту каждые три года.
Важно соблюдать следующие правила эксплуатации: температура окружающего воздуха не выше +40 градусов; помещение должно быть сухим, повышенная влажность недопустима; повышенная запыленность также отрицательно скажется на приборе.

Структурное устройство ЧП

Для того чтобы точно ответить на вопрос, как сделать частотный преобразователь, необходимо разобраться еще в одном пункте. Это - структурное устройство данного прибора.

Так как ориентироваться при изготовлении нужно на покупные модели, то и схема должна быть соответствующей. А это значит, что работать он должен на структуре двойного преобразования. У этой схемы имеются основные части: звено постоянного тока, силовой импульсный инвертор и система управления.

Если рассматривать более детально, то часть с постоянным током состоит из двух соединений: неуправляемый выпрямитель и фильтр. Именно в этом элементе переменное напряжение, которое действует в сети, будет преобразовываться в постоянное.

Второй элемент - силовой импульсный инвертор. Он является трехфазным, а состоит из шести транзисторных ключей. Они предназначены для подключения соответствующей обмотки двигателя к каждому из ключей как положительному, так и отрицательному. Этот элемент отвечает за преобразование поступающего постоянного напряжения в трехфазное и переменное. Также это устройство задает нужную частоту и амплитуду.

Последний элемент - это система управления. Здесь используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать с обычными тиристорами, то частота переключения у транзисторов выше. Это позволяет вырабатывать выходной сигнал в форме синусоиды с минимальным искажением.

Частотные преобразователи на микроконтроллере

Принцип работы таких устройств является следующим. Изначально характеристики всех микроконтроллеров (МК) настраиваются так, чтобы работать в паре с напряжением в 200 В, а также частотой поля в 50 Гц. Другими словами, они настроены по умолчанию для работы в паре с наиболее примитивными асинхронными двигателями 220 В/50 Гц. Также имеется такой показатель, как скорость набора частоты. По умолчанию это значение устанавливается как 15 Гц/сек. Это означает, что разгон МК до 50 Гц будет занимать чуть более чем 3 секунды, а, к примеру, до 150 Гц за 10 секунд ровно. Также важно отметить, что изначально ЧП является скалярным. Другими словами, чем выше будет выходная частота двигателя, тем выше будет его напряжение.

Ремонт и наладка прибора

Ремонт частотных преобразователей - неотъемлемая часть работы с этими устройствами. Довольно часто случается такая проблема, как выход из строя тормозного резистора. Если это происходит, то ЧП не сможет работать на полную мощность. Для того чтобы установить, вышел ли из строя тормозной элемент или нет, имеется таблица, в которой приведены все номинальные значения для всех типов элементов. Если после сверки с этим документом выяснилось, что какой-либо параметр не совпадает, то резистор нужно менять.

Также могут быть сбои в том случае, если ЧП оказался слишком мощным или же сеть слишком слабая для этой модели. Тут дело заключается в принципе работы элементов ЧП. Он рассчитан на эксплуатацию при постоянном высоком напряжении. Если параметры сети не дотягивают до минимальных показателей, требуемых для работы, то и выполнять свои функции он не сможет. Как таковой ремонт частотного преобразователя тут не требуется, необходимо купить менее мощный прибор.

Основные показатели преобразователей

К основным характеристикам этих устройств можно отнести следующее:

рабочее напряжение в пределах от 220 до 480 В;
все модели обладают защитой lP54;
температурный режим, требуемый для нормальной эксплуатации, в пределах от +10 до +40 градусов по Цельсию;
мощность для большинства покупных моделей - от 1 кВт.

Кроме того, существуют такие модели, как двухзвенные частотные преобразователи, а также такие разновидности, как матричные и векторные устройства. К примеру, векторный тип - это ЧП переменного тока и напряжение, которое подается на него, необходимое для создания нужной амплитуды. Этот тип прибора обеспечивает включение в работу двигателя спустя 2 секунды после запуска ЧП. Однако недостатком стало то, что он довольно дорогой, а потому его популярность стремительно падает.

Очень важно заметить, что подбирать просто мощный прибор - это неправильно. Выбор должен осуществляться в соответствии с рабочими параметрами сети. Если купить слишком мощный частотный преобразователь для электродвигателя, то получится, что будет переплата за то оборудование, которое будет представлять угрозу, а не регулировать работу агрегата.

Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:

ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.

Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.

Конструкция и принцип действия частотного преобразователя

Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора . В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.

Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные . Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.

В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.

Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды , рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры , чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.

Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры . Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры , а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.

Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:

силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).

На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.

Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.

Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.

Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.

Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления . Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки , позволяющие эти данные ввести.

Простейшие схемы управления частотным преобразователем

С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.

Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой . Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.

С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.

Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков

Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни .

Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.

При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).

Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.

Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали . В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.

Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения . Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры , фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.

Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов

Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.

И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.

К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли , но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.

Промышленные установки с системами АСУТП

Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.

Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.

Для регулировки используется два способа:

с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.

Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ . Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.

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

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

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.

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

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:

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

После сборки у вас получится что-то похожее:

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

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.

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.

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.

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.

Режимы управления
Инвертор своими руками

Назначение и принцип работы инвертора

Инвертор 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.

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.

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.

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

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».

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.

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.