Частотник для трехфазного и однофазного электродвигателя: частотный преобразователь своими руками, как сделать

Назначение частотного преобразователя

Асинхронный электродвигатель может работать и без преобразователя частоты, но в этом случае он будет иметь постоянную скорость без возможности регулировки.

Кроме того, отсутствие преобразователя частоты приведет к увеличению пускового тока в 5-7 раз от номинального, что приведет к увеличению ударных нагрузок, увеличению токовых потерь и приведет к значительному сокращению ресурса устройства.

Чтобы уравновесить все вышеперечисленные негативные факторы, были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей с трехфазным и однофазным током.

Преобразователь частоты дает возможность регулировать скорость электродвигателя в широком диапазоне, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как пусковую скорость, так и скорость торможения, подключать трехфазный двигатель к однофазной сети, и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут варьироваться от модели к модели.

Установка частотника

Ошибки при подключении двигателя через преобразователь частоты могут значительно сократить срок службы и даже вывести преобразователь частоты из строя при первом пуске. Важным этапом ввода в эксплуатацию является выбор предполагаемого места установки инвертора. Необходимо учитывать комплекс условий, в том числе:

• Варианты линии подачи.
• Диапазон рабочих температур.
• Влажность воздуха.
• Вибрации.
• Наличие агрессивных сред (требуется какой класс защиты IP).

Преобразователь частоты может быть установлен на расстоянии от двигателя. А вот с длиной кабеля есть нюансы. Во избежание эффектов отраженной волны, перенапряжения и коронного разряда длина питающего кабеля должна быть ограничена. При периоде ШИМ 0,3 мс — не более 45 м, при периоде ШИМ 0,1 мс — не более 16 м.

Если двигатель специально разработан для работы с инвертором, длина кабеля может быть любой. Например, двигатели сертифицированы по стандарту NEMA MG-1. Двигатель преобразователя должен иметь класс изоляции F или выше и быть изолированным по фазам. Кроме того, чтобы избежать нежелательных явлений при большой длине кабеля, уравнительные дроссели и фильтры могут быть установлены сразу после инвертора и непосредственно перед двигателем.

Подключение преобразователя частоты к электродвигателю должно производиться строго по инструкции производителя. Особое внимание следует уделить подключению силового агрегата. Автоматический выключатель должен быть установлен перед устройством, которое работает с током ≥ номинального потребляемого тока двигателя.

Входные клеммы должны быть подключены только к фазам сети (заземление только к контуру заземления), а выходные клеммы к ведомому двигателю. Vesper разработала наглядные схемы и подробные инструкции для каждой модели. Например, схема подключения преобразователя частоты Vesper E4-8400»:

Регулировка скорости инвертором

В основном, он изменяет напряжение, поступающее из сети. Затем из преобразованного напряжения формируется трехфазное напряжение с необходимой амплитудой и частотой, которое подается на электродвигатель.

Диапазон регулировки достаточно большой. Ротор двигателя можно повернуть в противоположном направлении. Во избежание поломок необходимо учитывать паспортные данные, в которых указаны максимально допустимые обороты и мощность в кВт.

Составные части регулируемого привода

Ниже представлена ​​схема преобразователя частоты.

Состоит из 3-х трансформирующих звеньев:

• выпрямитель, вырабатывающий постоянное напряжение при подключении к сети, которое может быть управляемым или нерегулируемым,
• фильтр, выравнивающий уже выпрямленное напряжение (для этого используются конденсаторы),
• инвертор, вырабатывающий нужную частоту напряжения, являющийся последним звеном перед электродвигателем.

Типы сигналов управления

Преобразователь частоты имеет входные и выходные клеммы для подключения датчиков, внешних блоков управления, сигнализации и управления. Для управления преобразователем частоты используются следующие сигналы:

• Цифровой (0-5; 0-10 В). Они используются для обмена данными с ПК, а также для удаленного управления оборудованием по протоколам CAN, RS232, LAN и так далее.
• Аналоговый (0-10 В; 0-20 мА). К таким входам подключаются датчики, блоки управления с подходящим уровнем выходного сигнала.
• Реле. Предназначен для включения предупредительных устройств, сигнальных ламп, звуковой сигнализации, электромагнитных тормозных муфт и т д
• Дискретный (0–10 В; 0–20 мА). Для подключения устройств с 2 позициями.

Режимы управления

Преобразователи частоты характеризуются видами управления:

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

В первом режиме контролю подлежит магнитное поле статора. Что касается векторного режима управления, то учитывается взаимодействие магнитных полей ротора и статора, оптимизируется момент при работе на разных скоростях. Это основное различие между двумя режимами.

Кроме того, векторный метод более точен и эффективен. Но обслуживание дороже. Он предназначен для профессионалов, обладающих обширными знаниями и навыками. Скалярный способ проще. Он применим там, где выходные параметры не требуют тонкой настройки.

Подключение инвертора «звезда — треугольник»

Купив преобразователь по доступной цене, возникает вопрос: как подключить его к двигателю своими руками? Перед этим нелишним будет установить обесточенный автомат. В случае короткого замыкания хотя бы в одной фазе вся система будет немедленно отключена.

Подключение инвертора к электродвигателю может осуществляться по схемам «треугольник» и «звезда».

Если преобразователь частоты является однофазным, клеммы двигателя подключаются по схеме треугольника. В этом случае потери мощности не происходит. Максимальная мощность такого преобразователя частоты составляет 3 кВт.

Трехфазные инверторы более совершенны. Они питаются от промышленных трехфазных сетей. Они соединены по схеме «звезда».

Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при пуске электродвигателя мощностью более 5 кВт применяется вариант обмотки звезда-треугольник».

Для пускового напряжения на статоре используется вариант «звезда». Когда скорость двигателя достигает номинальной скорости, питание переключается на треугольник. Но этот способ используется там, где возможно подключение по обеим схемам.

Важно отметить, что в схеме звезда-треугольник неизбежны резкие скачки токов. В момент переключения на второй вариант скорость вращения резко падает. Для восстановления скорости необходимо увеличить силу тока.

Наиболее популярны преобразователи для электродвигателей мощностью от 0,4 кВт до 7,5 кВт.

Инвертор своими руками

Наряду с выпуском промышленных преобразователей многие изготавливают их своими руками. Особых сложностей с этим нет. Такой преобразователь частоты может преобразовать одну фазу в три. Электродвигатель с подобным преобразователем можно использовать в быту, тем более что мощность не теряется.

Первым в цепи стоит выпрямительный блок. Затем идут фильтрующие элементы, отсекающие переменную составляющую тока. Как правило, для изготовления таких преобразователей используются IGBT-транзисторы. Цена всех составляющих частотника своими руками намного меньше цены готового производственного изделия.

Преобразователи частоты этого типа подходят для электродвигателей мощностью от 0,1 кВт до 0,75 кВт

Использование современных инверторов

Современные инверторы производятся с использованием микроконтроллеров. Это значительно расширило функциональные возможности преобразователей в алгоритмах управления и контроля за безопасностью труда.

Преобразователи с большим успехом используются в следующих областях:

• в системах водоснабжения, теплоснабжения для регулирования скорости насосов горячей и холодной воды,
• в инженерии,
• в текстильной промышленности,
• в топливно-энергетической сфере,
• для скважин и дренажных насосов,
• для автоматизации систем управления технологическими процессами.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где выпрямляется и поступает в банк сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT-транзисторов, управляемых основным контроллером.

 

Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь давайте посмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и т.п.) — это электронный ключ, принцип его работы основан на возникновении проводимости между двумя выводами (стоком и истоком) мосфета, когда на управляющем элементе появляется напряжение выход (затвор), который превышает напряжение стока.

В отличие от обычных реле, переключатели работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц), поэтому заменить их реле невозможно.
Благодаря этим быстродействующим переключателям микроконтроллер получает возможность управлять силовыми цепями.

Помимо мосфетов к контроллеру также подключаются датчики тока, регуляторы частоты и прочая периферия.

При работе преобразователя частоты микроконтроллер измеряет потребляемый ток и в соответствии с параметрами, указанными на панели управления, изменяет продолжительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (закрыт), тем самым изменение или поддержание скорости вращения электродвигателя.

Самостоятельное изготовление прибора

Несмотря на множество узлов заводского изготовления, преобразователи частоты люди изготавливают самостоятельно, так как сегодня все комплектующие можно купить в любом радиомагазине или заказать в Китае. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве сборки и надежности.

Делаем трехфазный преобразователь

Собирать наш инвертор мы будем на мофетах G4PH50UD, которым будет управлять контроллер PIC16F628A с помощью оптодрайверов HCPL3120.

Составной преобразователь частоты при подключении к однофазной сети 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со смещением 120°, и мощностью 3 кВт.

Схема цепи выглядит так:

Поскольку преобразователь частоты состоит из частей, работающих как на высокое (силовая часть), так и на низкое (управляющее) напряжение, то логично было бы разделить его на три платы (основная плата, плата управления и низковольтный блок питания к ней) .) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и неисправностей на устройстве.

Вот так выглядит внешний вид панели управления:

Для питания платы управления можно использовать любой блок питания 24 В, с пульсациями не более 1 В на виток, с задержкой отключения питания 2-3 секунды с момента пропадания питающего напряжения 220 В.

Блок питания можно собрать самостоятельно по такой схеме:

Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиодеталей на схемах уже подписаны, поэтому даже начинающий радиолюбитель сможет собрать из них работающий блок.

Перед монтажом инвертора убедитесь, что:

1. У вас есть все необходимые компоненты;
2. В правильной настройке платы;
3. В наличии все необходимые отверстия для установки радиодеталей на плате;
4. Что не забыли залить прошивку из этого архива в микроконтроллер:

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

 

Теперь нужно просто проверить устройство: для этого подключаем двигатель к преобразователю частоты и подаем на него напряжение. После того, как загорится светодиод и просигнализирует о готовности, нажмите кнопку «Старт».

Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки мотор начинает разгоняться, при отпускании поддерживает скорость на том уровне, на котором смог разогнаться. При нажатии кнопки сброса двигатель останавливается. Кнопка «Реверс» активируется только при остановленном двигателе.

Если проверка прошла успешно, можно приступать к изготовлению корпуса и сборке в нем преобразователя частоты. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT.

Читайте также: Сварочный трансформатор: расчет, устройство и схема

Частотник для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки здесь нет, двигатель однофазный, при подключении без преобразователя частоты рабочая обмотка подключается к сети напрямую, а пусковая обмотка подключается через конденсатор; но при использовании преобразователя частоты пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и нейтраль — в отличие от трех фаз последней, таким образом делая частоту преобразователь для однофазного электродвигателя не будет использовать за основу трехфазную схему, поэтому придется начинать заново.

В качестве мозга этого конвертера будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком Arduino. В принципе, это Ардуино, только без обвязки. Итак, если у вас завалялась в закромах ардуино с таким микроконтроллером, то можете смело ее отвязывать и использовать для дела, предварительно закачав на нее скетч (прошивку) из этого архива:

К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а к нему мосфеты IRG4BC30, которые мы будем подключать к двигателю мощностью до 1 кВт в комплекте.

Схема преобразователя частоты для однофазного двигателя:

Обратите внимание на следующее! Эта договоренность не проста. Возможно, потребуется настроить и отладить прошивку, чтобы устройство полностью заработало, но это несложно, и в Интернете есть множество руководств по программированию Arduino.

Кроме того, сам скетч содержит достаточно подробные комментарии к каждому действию. Но если это для вас слишком сложно, можно попробовать найти такой преобразователь частоты в магазине.

Хотя они не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, купить их можно, хотя и не во всех магазинах.

Также обратите внимание на то, что без балласта включать схему нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт должен быть подключен через диод, обращенный к аноду фильтрующего конденсатора питания. Если подключить балласт без диода, ключи снова выйдут из строя.

Если вас все устраивает, можно переходить к изготовлению платы, а затем к сборке всей схемы. Перед монтажом убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов, а также в наличии всех радиодеталей, указанных на схеме. Не забудьте установить IGBT на массивный радиатор и изолировать их от него термопрокладками и изолирующими шайбами.

После сборки преобразователя частоты можно приступать к его тестированию.

В идеале у вас должен получиться следующий функционал: кнопка «S1» — старт, каждое последующее нажатие добавляет определенное (измененное редактированием скетча) количество оборотов; «S2» — то же, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в обратную сторону; кнопка «S3» — стоп, при нажатии двигатель останавливается с выхлопом.

Учтите, что реверсирование производится через полную остановку двигателя, при попытке изменить направление вращения работающего двигателя он сразу же остановится, а автоматические выключатели сгорят от перегрузки.

Если вы не возражаете против денег, которые вам придется потратить на замену мосфетов, вы можете использовать эту функцию в качестве экстренного торможения.

Возможные проблемы при проверке

Если при проверке преобразователя частоты схема не работала или работала некорректно, вы где-то ошиблись. Отключите преобразователь частоты от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие обрывов/коротких замыканий в дорожках, где их быть не должно. Если обнаружена ошибка, исправьте ее и перепроверьте инвертор. Если с этим все в порядке, продолжайте отлаживать прошивку.

Классификация и виды

Все преобразователи частоты для электродвигателей можно условно разделить на несколько групп:

• Физическое лицо. Разработано под конкретный тип и характеристики двигателя.
• Универсальный. Благодаря возможности изменения параметров они могут работать с разными двигателями.
• Специализированный. Предназначены для конкретных видов оборудования. Например, преобразователи для насосных станций (насосов) и вентиляторов (Mitsubishi FR-F740).
• Умный. Имеют встроенный персональный компьютер, имеют функции самодиагностики. Преобразователь сам следит за состоянием быстроизнашивающихся деталей и сообщает о необходимости замены при исчерпании ресурса.

Самые дешевые – индивидуальные. Но они могут работать только с моторами одного типа/мощности. Специализированные также имеют достаточно ограниченный набор подключаемого оборудования. Универсальные с этой точки зрения хороши, но стоят они гораздо дороже (сложнее схема и больше компонентов).

Но все же самыми дорогими являются интеллектуалы. Многими из них можно управлять с помощью сенсорной панели, а не набора элементов управления. Кроме того, большинство моделей имеют пульт дистанционного управления.

Это практично, так как регулятор частоты можно установить далеко. Обычно их размещают в шкафу или где-нибудь у входа. Если у вас есть пульт дистанционного управления, вы можете управлять работой, находясь рядом с двигателем и не подъезжая к шкафу.

Выбор по мощности

Основным критерием выбора преобразователя частоты для электродвигателя является мощность. Преобразователь частоты не должен быть менее мощным, чем управляемый им двигатель. Сильнее может быть, слабее — нет.

Но все не так просто, так как конкретный коэффициент мощности зависит от типа оборудования, к которому будет подключаться инвертор. Преобразователь частоты для электродвигателя с двумя парами полюсов должен обеспечивать:

• равно двигателю, если двигатель работает постоянно (конвейеры);
• не менее 150 % мощности, если двигатель работает с перегрузкой;
• не менее 120 % мощности двигателя для центробежных насосов и вентиляторов;
• для управления двигателями грузоподъемного оборудования может потребоваться удвоение мощности.

При выборе следует обращать внимание на описание преобразователя, так как производители часто нормируют нагрузки на постоянный и переменный крутящий момент. У некоторых есть отдельные линейки для работы с постоянным и переменным крутящим моментом. Например преобразователи частоты Дельта (Delta).

Кроме того, нужно отслеживать следующие параметры:

• Номинальный длительный ток преобразователя частоты должен быть не менее рабочего тока, потребляемого управляемым оборудованием.
• Если необходимо подключить несколько двигателей, ток инвертора должен быть как минимум на 25 % больше, чем общее потребление подключенных устройств.

Если вам нужно обеспечить быстрый разгон устройств, лучше выбрать более мощный преобразователь — он быстрее справляется с задачей.

Дополнительные функции и параметры

Современный преобразователь частоты для электродвигателя представляет собой сложное устройство. Если он сделан на базе процессора, то у него много функций. Даже недорогие модели могут иметь широкий функционал. Для обоснованного выбора стоит знать, что означает каждый из параметров и зачем нужна та или иная функция.

• Выходная частота или диапазон изменения. Здесь все готово. Этот параметр описывает возможности изменения выходной частоты.
• Пределы регулирования напряжения. Тоже нет вопросов.
• Тип преобразования частоты. Может быть векторным или скалярным. Весы используются в более простых моделях. Параметры контролируются соотношением между напряжением и частотой. Векторный тип преобразования частоты в FM регулирует работу таким образом, чтобы крутящий момент был постоянным по отношению к нагрузке. Этот способ управления более сложен и надежен; он используется в более дорогих моделях.
• Наличие ПИД-регулятора. Поддерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (установленных на руле или запрограммированных). Должен иметь сигнальные выходы (аналоговые и/или цифровые) для связи с другими органами управления).
• Регулировка скорости. Помогает стабилизировать двигатель во время изменений мощности или скачков напряжения.
• Тип торможения. Обычно рекомендуется останавливать двигатель на холостом ходу — отключать питание и ждать его остановки. Можно использовать плавное торможение — постепенное снижение напряжения. Торможение механическое — когда скорость вращения вала замедляется за счет силы трения. Самый быстрый способ остановить ротор — динамическое торможение. При этом на одну из фаз подается постоянное напряжение. Он взаимодействует с ротором и за короткое время останавливает его.
• Количество выходов с разными частотами. Такой преобразователь частоты для электродвигателя может одновременно управлять несколькими двигателями с разными (фиксированными) скоростями вращения.

Помимо параметров и дополнительных функций на работу влияет качество сборки. Естественно, оборудование лучше брать известных производителей. Хорошо зарекомендовали себя компании ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron.

Но их частотники нельзя назвать дешевыми. Если вам нужно сэкономить и внешний вид не столь важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешний дизайн, как обычно, хочется улучшить, да и характеристики и стабильность работы неплохие.

Особенности эксплуатации двигателей с частотными преобразователями

Как было сказано выше, применяя преобразователь частоты для электродвигателя, мы уменьшаем потери мощности за счет уменьшения реактивной составляющей тока. Кроме того, есть некоторые вещи, которые вам нужно знать:

• На пониженной скорости двигатель может перегреться. Это связано с уменьшением скорости естественного воздушного потока. Перегрев особенно заметен на скоростях, близких к номинальным. Для снижения температуры в этом случае желательно использовать дополнительный приток воздуха.
• При использовании стандартного электродвигателя (на 50 Гц) на более высоких частотах вращения стоит учитывать состояние подшипников. Из-за возникающей более сильной вибрации они быстрее выходят из строя. Чтобы сгладить это явление, можно использовать прокладки, гасящие вибрацию. Кроме того, частоту нужно выбирать так, чтобы не было резонанса. И помните: на более высоких скоростях вентилятор электродвигателя будет издавать больше шума.
• При снижении частоты вращения вала необходимо пропорционально уменьшить нагрузку для нормальной работы. Асинхронный двигатель обеспечивает максимальный крутящий момент только при номинальной скорости. Поэтому при уменьшении частоты она падает.
• Для длительной работы на пониженных оборотах применяют электродвигатели с пониженной номинальной частотой — от 750 об/мин до 1500 об/мин. Второй вариант — двигатели повышенной мощности.
• Если вы выбираете частотный преобразователь для погружного насоса, вам предстоит сделать выбор не только по мощности, но и по току. Двигатели для этой категории насосов имеют гораздо больший номинальный ток. При большой длине кабеля от преобразователя к насосу напряжение может быть значительно снижено, что приводит к уменьшению скорости вращения вала двигателя. Чтобы падение было менее значительным, используйте кабель с большим поперечным сечением жилы.

Преобразователь частоты для электродвигателя расширяет возможности использования. Это важно, но не менее важно правильно выбрать, учитывая все функции произведения. Это гарантирует долговременную работу обоих агрегатов.

Первый пуск и настройка

Перед первым включением интегральной схемы на преобразователе частоты устанавливается минимально возможная частота вращения вала. Затем включите машину, подайте питание на преобразователь частоты инвертора. Светодиоды на нем должны загореться. На моделях с экраном на экране появятся индикаторы загрузки устройства. Следующие шаги:

• Коротко нажмите кнопку «Пуск» на преобразователе частоты.
• Вал начинает медленно вращаться. Если он движется не в ту сторону, можно либо перепрограммировать направление вращения (см инструкцию), либо переключить фазы, предварительно выключив автомат.
• Если вал вращается в правильном направлении, с помощью регулятора установите нужную частоту.

На некоторых моделях на дисплее отображается не частота вращения вала, а частота подаваемого напряжения. В таком случае необходимо будет произвести перерасчет значений по таблице.