1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазных

Что такое преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазных

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

«векторный» и «скалярный» являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина «скалярный» вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина — это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале — отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. — скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином «скалярные», более точным названием которых было бы: «частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока».

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:

может превышать фазные токи, поскольку амплитуда колебаний третьей гармоники

существенно больше амплитуд последующих гармоник. Данный эффект может быть

использован для увеличения мощности выходного тока и увеличения момента на валу двигателя.

Инженерная мысль, однако, не стоит на месте и некоторые разработчики приняли решение

использовать для управления моментом на валу двигателя не только частоту и силу

питающего тока, но и его фазу. Кстати, именно отсюда появился и начал гулять по интернету и рекламным изданиям термин «векторный» частотный преобразователь.

Первые попытки создать частотный преобразователь с управлением моментом двигателя по фазе питающего тока строились на измерении параметров выходного тока и напряжения (по

аналогии с электросчетчиком) и вычислении необходимого сдвига фаз. Эти попытки

оказались недостаточно эффективными, особенно на малых скоростях вращения двигателя,

хотя для этой цели использовались процессоры с внушительными вычислительными мощностями.

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Лучших результатов удалось достичь путем введения контура обратной связи для контроля

положения ротора двигателя. Используя обратную связь по скорости вращения ротора

двигателя и, вычисляя в режиме текущего времени необходимую скорость вращения магнитного поля статора, удалось оптимизировать стабильность момента вращения в довольно широком диапазоне за счет дополнительного сдвига фаз.

Физическая природа явления кроется в конструкции асинхронного электродвигателя с

короткозамкнутым ротором. Вращающееся магнитное поле пересекает замкнутую обмотку ротора, где появляются токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем статора, создают

механическую силу. Эта сила вынуждает ротор вращаться в направлении вращения

магнитного поля статора, однако, скорость вращения ротора всегда будет отставать на 3-6% от скорости вращения магнитного поля.

Такое отставание называется скольжением, и именно оно обеспечивает превращение

электрической энергии в механическую энергию в асинхронном электродвигателе. Строго

говоря, при отсутствии скольжения в обмотках ротора не будет возникать электродвижущая

сила, соответственно не будет взаимодействия магнитных полей и не будет возникать момент вращения ротора.

Иными словами, если в т.н. «скалярных» преобразователях объектом контроля и управления

является только магнитное поле статора, то в т.н. «векторных» преобразователя объектом

контроля и управления является как магнитное поле статора, так и ротора, а точнее — их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Что

касается методов контроля и управления, то в первом случае используется выходная частота и ток преобразователя, а во втором случае — выходная частота, ток и его фаза.

Для чего это делается? Как известно, момент вращения электродвигателя прямо

пропорционален силе тока и обратно пропорционален скорости вращения ротора.

Разработчики «векторных» преобразователей ставили перед собой вполне определенную

цель — обеспечить высокий постоянный момент на валу электродвигателя на малых

скоростях вращения, т.е. потерю момента вращения вследствие низкой скорости стремились

компенсировать повышением тока и усилением сцепления магнитных полей статора и ротора.

Если бы поставленная цель была достигнута, частотно-регулируемый асинхронный

электропривод превратился бы в сервопривод, где высокий постоянный момент на валу

обеспечивается даже при нулевой скорости вращения. Однако, принципиальные

конструктивные и электротехнические различия между асинхронным электродвигателем и

серводвигателем настолько велики, что никакие усилия и уловки разработчиков не могут

серьезно приблизить асинхронный электропривод к сервоприводу. Вследствие этого

эффективность т.н. «векторных» методов не так велика, как этого им хотелось — на малых скоростях вращения электродвигателя она мало заметна. Более того, на малых скоростях вращения да еще при повышенном токе происходит перегрев двигателя, что вынуждает разработчиков применять внешние вентиляторы обдува.

В рекламе т.н. «векторных» преобразователей упор делается на постоянство момента

вращения двигателя в широком диапазоне частот. Таким способом подчеркивается, что «невекторные» преобразователи эти свойством не обладают.

Подобные утверждения не имеют под собой серьезной основы.

Во-первых, все разговоры о моменте вращения имеют смысл на этапе проектирования

привода, когда производятся необходимые расчеты, подбираются электродвигатели, редукторы, компоненты для передачи движения. В процессе эксплуатации частотно-

регулируемого асинхронного электропривода предметом контроля и управления является

уже собственно технологический параметр (скорость вращения, давление, температура, влажность, яркость и т.д.).

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Во-вторых, асинхронный электродвигатель имеет одно уникальное свойство, а именно:

способность изменять момент вращения в зависимости от момента сопротивления на валу. Иными словами, асинхронный двигатель потребляет только такую величину тока, которая

обеспечивает равенство момента вращения и момента сопротивления, создаваемого нагрузкой.

По этой причине, при правильном выборе мощности электродвигателя на этапе

проектирования привода в т.н. «векторных» способах управления моментом вращения

вообще-то нет особой нужды, тем более что и они на минимальных скоростях малоэффективны.

Жизнь идет вперед, время покажет, является ли «векторный» вариант столбовой дорогой

развития частотно-регулируемого асинхронного привода, или канет в лету, как многие другие произведения инженерной мысли.

Сейчас же совершенно очевидно, что дополнительная плата, взимаемая за т.н. «векторность» преобразователя технически не оправдана, а любое усложнение системы, как известно, ведет к снижению ее надежности.

Другим немаловажным обстоятельством, препятствующим широкому распространению т.н.

«векторных» преобразователей, является невозможность их использования в

многодвигательных приводах, тогда как преобразователи с предварительной настройкой

частоты и величины выходного тока (т.н. «скалярные») могут одновременно управлять работой неограниченного количества электродвигателей.

Иными словами, с точки зрения эксплуатационных свойств частотных преобразователей, их

следовало бы классифицировать не по принципу «векторные» — «скалярные», а по способу

управления параметрами выходного тока, а именно:

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока.

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока. Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления — шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

Читать еще:  Что означает контрольная лампа неисправности двигателя

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

Что же делать? Все гениальное просто — достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей. автор статьи

большинстве современных т.н. «скалярных» преобразователей.

Для асинхронного двигателя

Подбор параметров

Частотный преобразователь RI51-РК37-2

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 2.2 Напряжение: 220 В

Частотный преобразователь 135N0487

    Мощность (кВт): 0.25 Ток, Iном. (А): 1.7 Напряжение: 220 В

Преобразователь RI20V-PK25-2

    Мощность (кВт): 0.25 Ток, Iном. (А): 1.7 Напряжение: 220 В

Преобразователь RI51-РК75-2

    Мощность (кВт): 0.75 Ток, Iном. (А): 4.2 Напряжение: 220 В

Частотный преобразователь 132F0001

    Мощность (кВт): 0.18 Ток, Iном. (А): 1.2 Напряжение: 220 В

Частотный преобразователь 135N0555

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 2.4 Напряжение: 220 В

Преобразователь RI20V-PK37-2

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 2.4 Напряжение: 220 В

Частотный преобразователь 132F0002

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 1.5 Напряжение: 220 В

RI20V-PK55-2

    Мощность (кВт): 0.55 Ток, Iном. (А): 2.8 Напряжение: 220 В

Частотный преобразователь 135N0556

    Мощность (кВт): 0.55 Ток, Iном. (А): 2.8 Напряжение: 220 В

RI20V-PK37-4

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 1.3 Напряжение: 380 В

RI20V-PK55-4

    Мощность (кВт): 0.55 Ток, Iном. (А): 1.9 Напряжение: 380 В

RI20V-PK75-2

    Мощность (кВт): 0.75 Ток, Iном. (А): 3.7 Напряжение: 220 В

RI51-Р1К5-2

    Мощность (кВт): 1.5 Ток, Iном. (А): 6.8 Напряжение: 220 В

Преобразователь 135N0491

    Мощность (кВт): 0.75 Ток, Iном. (А): 3.7 Напряжение: 220 В

RI51-РК37-4

    Мощность (кВт): 0.37 Ток, Iном. (А): 1.2 Напряжение: 380 В
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • .
  • 19
  • След.

Способ частотного регулирования скорости вращения трехфазного асинхронного двигателя теоретически был известен практически с момента изобретения самого двигателя. Частотное управление по всем показателям является самым эффективным из всех существующих методов. Но на протяжении долгого времени на практике он оставался голубой несбыточной мечтой учёных и инженеров.

И буквально всего несколько десятилетий назад сказка стала превращаться в быль. Успехи в развитии силовой электроники позволили создать интеллектуальное устройство, именуемое частотный преобразователь, способный изменять частоту питающего напряжения в широких пределах. А сегодня уже трудно найти отрасль промышленности, где не используется асинхронный электродвигатель управляемый преобразователем частоты.

Не вдаваясь в историю развития, попытаемся коротко дать представление о современном частотном преобразователе для асинхронного двигателя. Структура асинхронного частотно-регулируемого привода представлена на рисунке.

Основными функциональными элементами преобразователя являются

  • выпрямитель (1),
  • звено постоянного тока (2),
  • инвертор (3)
  • система управления.

Снизу под каждым элементом на схеме изображены виды выходных сигналов для одной фазы. В схеме устройства осуществляется двойное преобразование электрической энергии: сначала выпрямление, а затем инвертирование. За счёт этого удаётся получить выходное напряжение с изменяемыми частотой и амплитудой.

Для формировании выходного напряжения uи используется синусоидальная широтно-импульсная модуляция. Форма сигнала показана на рисунке. При высокой несущей (опорной) частоте процент высших гармоник невелик и в обмотках двигателя превалирует первая гармоника близкая к синусоиде. Для улучшения формы сигнала могут использоваться дополнительные фильтры (4).

Для более детального представления на рисунке изображена развернутая принципиальная схема частотного преобразователя.

Частотный привод 5-200Гц (10-400Гц) своими руками

В данной статье речь пойдет о частотном преобразователе, в простонародье, частотнике. Данный частотник, а в дальнейшем частотный привод, способен управлять 3-х фазным асинхронным двигателем. В данном частотном приводе (ЧП) я использую интеллектуальный силовой модуль компании International Rectifier, а конкретно IRAMS10UP60B (на AliExpress), единственное, что с ним сделал, это перегнул ножки, так что, по сути, модуль получился IRAMS10UP60B-2. Выбор на данный модуль пал преимущественно из-за встроенного драйвера. Главной особенностью встроенного драйвера является возможность использования 3 ШИМ вместо 6 ШИМ каналов. Кроме того цена на данный модуль на eBay около 270 рублей. В качестве управляющего контроллера использую ATmega48.

Разрабатывая данный привод я делал упор на эффективность конструкции, минимальную себестоимость, наличие необходимых защит, гибкость конструкции. В результате получился частотный привод со следующими характеристиками (функциями):

  1. Выходная частота 5-200Гц
  2. Скорость набора частоты 5-50Гц в секунду
  3. Скорость снижения частоты 5-50Гц в секунду
  4. 4-х фиксированная скорость (каждая из которых от 5-200Гц)
  5. Вольт добавка 0-20%
  6. Две «заводских» настройки, которые всегда можно активировать
  7. Функция намагничивания двигателя
  8. Функция полной остановки двигателя
  9. Вход для реверса (как без него)
  10. Возможность менять характеристику U/F
  11. Возможность задания частоты с помощью переменного резистора
  12. Контроль температуры IGBT модуля (сигнализация в случае перегрева и остановки привода)
  13. Контроль напряжения DC звена (повышенное-пониженное напряжение DC звена, сигнализация и остановка привода)
  14. Пред заряд DC звена
  15. Максимальная мощность с данным модулем 750вт, но крутит и 1.1кв на моем ЧПУ
  16. Все это на одной плате размером 8 х 13 см .

На данный момент защита от сверх тока или кз не реализованы (считаю нет смысла, хотя, свободную ногу в МК с прерыванием по изменению оставил)

Собственно, схема данного девайса .

Проект в layout

Ниже фото того, что у меня получилось

Печатная плата данного девайса (доступна в lay под утюг)

На данном фото полностью рабочий экземпляр, проверенный и обкатанный (не имеет панельки расположен слева). Второй для теста atmega 48 перед отправкой (расположен справа) .


На данном фото тот самый irams (делал с запасом, должен поместится iramx16up60b )

Алгоритм работы устройства

Изначально МК (микроконтроллер) является настроенным на работу с электродвигателем номинальным напряжением 220В при частоте вращающего поля 50Гц (т.е. обычный асинхронник, на котором написано 220в 50Гц). Скорость набора частоты установлена на уровне 15Гц/сек.(т.е. разгон до 50 гц займет чуть более 3 сек., до 150 Гц-10 сек ). Вольт добавка установлена на уровне 10 %, длительность намагничивания 1 сек. (постоянная величина неизменна ), длительность торможения постоянным током 1 сек. (постоянная величина неизменна). Следует отметить ,что напряжение при намагничивании, как и при торможении, является напряжением вольт добавки и меняется одновременно. К слову, преобразователь частоты является скалярным, т.е. с ростом выходной частоты увеличивается выходное напряжение.

После подачи питания происходит заряд емкости dc звена. Как только напряжение достигает 220В (постоянное ) с определенной задержкой включается реле предзаряда и загорается единственный у меня светодиод L1. С этого момента привод готов к запуску. Для управления частотником имеется 6 входов:

  1. Вкл (если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц)
  2. Вкл+реверс(если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц, но в другую сторону)
  3. 1 фиксированная частота (задается R1)
  4. 2 фиксированная частота (задается R2)
  5. 3 фиксированная частота (задается R3)
  6. 4 фиксированная частота (задается R4)

В этом управлении есть одно Но. Если в процессе вращения двигателя менять задание на резисторе, то оно изменится лишь после повторной подачи команды (вкл.) или (вкл+реверс.). Иначе говоря, данные с резисторов читаются пока отсутствуют эти два сигнала. Если планируется регулировать скорость с помощью резистора в процессе работы, то необходимо установить джампер J1.В этом режиме активен лишь первый резистор, причем резистор R4 ограничивает максимальную частоту, то есть если его выставить на 50% (2.5 вольта 4 «штырь». на фото ниже 5 земля), то частота R1 будет регулироваться резистором от 5 до 100Гц.

Для задании частоты вращение нужно учитывать, что 5v на входе в МК соответствует 200Гц., 1v-40Гц, 1.25v-50Гц и т.д. Для измерения напряжение предусмотрены контакты 1-5, где 1-4 соответствуют номерам резисторов, 5- общий минус(на фото ниже). Резистор R5 служит для подстройки маштабирования напряжения DC звена 1в -100в (на схеме R30).


Расположение элементов

Внимание! Плата находится под напряжением опасным для жизни. Входа управления развязаны оптопарами.

Особенности настройки

Настройка привода перед первым включением сводится к проверке монтажа электронных компонентов и настройки делителя напряжения для DC звена (R2).

100 Вольтам DC звена должно соответствовать 1 вольт на 23 (ножке МК)- это ВАЖНО. На этом настройка завершена.

Перед подачей сетевого напряжения необходимо промыть плату (удалить остатки канифоли) со стороны пайки растворителем или спиртом, желательно покрыть лаком.

Привод имеет «заводские » настройки, которые подходят как для двигателя с напряжением 220В и частотой 50Гц), так и для двигателя с напряжением 380в и частотой 50гц. Данные настройки всегда можно установить если вы не решаетесь сами настраивать привод. Для того чтобы установить «заводские » настройки для двигателя (220в 50Гц) :

  1. Включить привод
  2. Дождаться готовности (если подано питание только на МК , просто подождать 2-3 секунды)
  3. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод L1 не начнет мигать, отпустить кнопку В1
  4. Подать команду выбора 1 скорости. Как только светодиод перестанет мигать, убрать команду
  5. Привод настроен . В зависимости от того . светодиод горел (если не горел, то привод ожидает напряжения на DC звене).
Читать еще:  2109 глохнет на холостых при горячем двигателе

При такой настройке автоматически в записываются следующие параметры:

  1. Номинальная частота двигателя при 220В — 50Гц
  2. Вольт добавка (напряжение намагничивания, торможения ) — 10%
  3. Интенсивность разгона 15Гц./сек
  4. Интенсивность торможения 15Гц./сек

Если подать сигнал выбора второй скорости, то в EEPROM запишутся следующие параметры (разница лишь в частоте):

  1. Номинальная частота двигателя при 220В- 30Гц
  2. Вольт добавка (Напряжение намагничивания, торможения ) 10%
  3. Интенсивность разгона 15Гц./сек
  4. Интенсивность торможения 15Гц./сек

Наконец, третий вариант Настройки:

  1. Нажать на кнопку В1 и держать
  2. Дождаться, когда светодиод начнет мигать
  3. Отпустить кнопку В1
  4. Не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости
  5. Задать параметры подстроечными резисторами
  6. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод не начнет моргать

Таким образом, до тех пор, пока светодиод мигает, привод находится в режиме настройки. В этом режиме при подаче входа 1-ой или 2-ой скорости в EEPROM записываются параметры. Если не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости, то фиксированные параметры в EEPROM не запишутся, а будут задаваться подстроечными резисторами.

  1. Резистор задает номинальную частоту двигателя при 220 В ( Так, например, если на двигателе написано 200Гц /220 то резистор нужно выкрутить на максимум; если написано 100Гц/ 220в нужно добиться 2.5 Вольта на 1-ом контакте. (1Вольт на первом контакте соответствует 40Гц); если на двигателе написано 50Гц/400В то нужно выставить 27Гц/0,68 В (например:(50/400)*220=27Гц )так, как нам необходимо знать частоту двигателя при 220В питания двигателя. Диапазон изменения параметра 25Гц — 200Гц.(1 Вольту на контакте 1-ом соответствует 40 Гц)
  2. Резистор отвечает за вольт добавку. 1 Вольт на 2-ом контакте соответствует 4% напряжения вольт добавки (мое мнение выбрать на уровне 10% то есть 2.5 вольта повышать с осторожностью) Диапазон настройки 0-20% от напряжения сети (1 Вольту на контакте 2-ом соответствует 4%)
  3. Интенсивность разгона 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 15 -25 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 3-ом соответствует 10 Гц/сек)
  4. Интенсивность торможения 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 10 -15 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 4-ом соответствует 10 Гц/сек)

После того, как все резисторы выставлены нажимаем и держим кнопку В1 до тех пор пока светодиод не перестанет мигать. Если светодиод моргал и загорелся, то привод готов к запуску.Если светодиод моргал и НЕ загорелся, то ждем 5 секунд, и только потом отключаем питание от контроллера.

Ниже представлена вольт-частотная характеристика устройства для двигателя 220в 50Гц с вольт добавкой в 10 % .

  • Uмах- максимальное напряжение, которое способен выдать преобразователь
  • Uв.д.- напряжение вольт добавки в процентах от напряжении сети
  • Fн.д.- номинальная частота вращения двигателя при 220В . ВАЖНО
  • Fmax- максимальная выходная частота преобразователя.

Еще один пример настройки

Предположим, у вас имеется двигатель, на котором указана номинальная частота 50Гц , номинальное напряжение 80В, Чтобы узнать какая будет номинальная частота при 220В необходимо: 220 В разделить на номинальное напряжение и умножить на номинальную частоту (220/80*50=137Гц). Таким образом, мы получим,что напряжение на 1 контакте (резисторе) нужно выставить 137/40=3,45 В.

Симуляция в протеусе разгон 0-50Гц одной фазы (на 3-х фазах зависает комп )

Как видно из скриншота с ростом частоты увеличивается амплитуда синуса. Разгон занимает примерно 3.1 сек.

По поводу питания

Рекомендую использовать трансформатор, так как это самый надежный вариант. На моих тестовых платах нет диодных мостов и стабилизатора для igbt модуля 7812. Для скачивания доступны две печатные платы. Первая та которая представлена в обзоре. Вторая имеет незначительные изменения, добавлен диодный мостик и стабилизатор. Защитный диод ставить обязательно P6KE18A или 1.5KE18A ставить обязательно.

Пример размещения трансформатора, как оказалось найти совсем нетрудно.

Какой двигатель можно подключить к данному преобразователю частоты?

Все зависит от модуля. В принципе можно подключить любой, главное, чтобы его сопротивление для модуля irams10up60 было более 9 Ом. Нужно учесть, что модуль irams10up60 рассчитан на маленький импульсный ток и имеет встроенную защиту на уровне 15 А Этого очень мало. Но для двигателей 50Гц 220В 750 Вт, этого за глаза. Если у вас высокооборотистый шпиндель, то скорее всего он имеет маленькое сопротивление обмоток. Данный модуль может пробьет импульсным током. При использовании модуля IRAMX16UP60B (ножки придется загнуть самостоятельно) мощность двигателя по даташиту возрастает с 0.75 до 2.2 КВт.

Главное у данного модуля: ток короткого замыкания 140А против 47А, защита настроена на уровне 25А. Какой модуль использовать решать вам. Нужно помнить что на 1 кВт необходимо 1000мкФ емкости dc звена.

По поводу защиты от КЗ. Если у привода сразу после выхода не ставить сглаживающий дроссель (ограничивает скорость нарастания тока) и коротнуть выход модуля, то модулю придет «хана». Если у вас модуль iramX, шансы есть. А вот с IRAMS шансов ноль, проверено.

Программа занимает 4096 кБ памяти из 4098. Все сжато и оптимизировано под размер программы по максимум. Время цикла есть фиксированная величина равная 10мс.

На данный момент всё вышеописанное работает и испытано.

Если использовать кварц на 20МГц, то привод получится 10-400Гц; темп разгона 10-100Гц/сек; частота ШИМа возрастет до 10кГц; время цикла упадет до 5мс.

Забегая вперед следующий частотный преобразователь будет реализован на ATmegа64, иметь разрядность ШИМ не 8, а 10 Бит, иметь дисплей и множество параметров.

Ниже смотрите видео настройки привода, проверки защиты перегрева, демонстрации работы (использую двигатель 380В 50Гц, а настройки для 220В 50Гц). Так сделал специально, чтобы проверить как работает ШИМ с минимальным заданием.)

В свободном доступе прошивке не будет, НО запрограммированный контролер ATmega48-10pu или ATmega48-20pu будет дешевле mc3phac. Готов ответить на все ваши вопросы.

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Существует немало технологических операций, нуждающихся в регулировании угловых скоростей приводных валов механизмов. Традиционно эта задача решалась двумя путями:

  • применением механических многоскоростных редукторов для ступенчатого регулирования скорости, либо вариаторов для плавного регулирования;
  • использованием электродвигателей постоянного тока совместно с регуляторами уровня питающего напряжения.

Регулирование угловой скорости ротора, основанное на изменении передаточного числа механической трансмиссии, характеризуется снижением общего КПД передачи. Это объясняется высоким уровнем механических потерь в редукторе, подверженном к тому же, интенсивному износу.

Двигатели постоянного тока представляют собой достаточно сложные и дорогие машины. Наличие коллекторного механизма со щёточным аппаратом, предъявляет повышенные требования к их обслуживанию и снижает надёжность.

Компания Овердрайв-Электро предлагает частотно-регулируемые приводы ABB со склада в Минске:

Классификация преобразователей частоты для асинхронного двигателя

Различают несколько разновидностей таких устройств.

  1. По типу напряжения частотники подразделяются на:
    • однофазные;
    • трехфазные;
    • высоковольтные.
  2. В зависимости от области использования устройства делятся на:
    • Механизмы, предназначенные для эксплуатации на промышленных предприятиях. Мощность частотников этого вида достигает 315 кВт.
    • Устройства с векторным управлением. Их мощность может составлять до 500 кВт.
    • Частотные преобразователи тока, предназначенные для управления приборами, которые имеют насосно-вентиляторный тип нагрузки.
    • Устройства, используемые на подъемных кранах и прочих механизмах такого типа.
    • Преобразователи частоты, эксплуатируемые в условиях взрывоопасности.
    • Устройства, которые устанавливаются непосредственно на двигатель.

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

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

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

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

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

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

  • Индукционные.
  • Электронные.

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

Читать еще:  Электроподогрев двигателя ваз своими руками

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:
  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

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

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:
  • Выпрямитель.
  • Фильтр напряжения.
  • Инверторный узел.
  • Микропроцессорная система.

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

Выпрямитель

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

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

Фильтр напряжения

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

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

Инверторный модуль

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

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

Микропроцессорная система

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

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

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

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

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

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

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

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

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

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

Принцип подключения ключей на транзисторах

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

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:
  • Радиопомехи.
  • Помехи от электрооборудования.

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

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:
  • Ввод связи.
  • Контроллер.
  • Карта памяти.
  • Программа.
  • Дисплей.
  • Тормозной прерыватель с фильтром.
  • Охлаждение схемы вентилятором.
  • Прогрев двигателя.
Схемы подключения

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

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

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

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

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

Конструкция

Частотные преобразователи состоят из:

  • выпрямителя — мост постоянного тока, предназначенный для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный;
  • инвертора — преобразователь постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой;
  • входных тиристоров (GTO) или транзисторов (IGBT) — питающие устройства, обеспечивающие необходимый для работы электродвигателя ток.

Чтобы улучшить форму выходного напряжения, между инвертором и мотором иногда монтируют дроссель. Уменьшить электромагнитные помехи помогает EMC-фильтр.

Преобразователь частоты, для чего он нужен Вашему предприятию?

Частотные преобразователи предназначены для изменения скорости вращения вала асинхронного электродвигателя вручную или автоматически (управления электродвигателем), путём преображения входного напряжения (220В или 380В) в импульсное выходное с частотой от 0,1 до 600 Герц. При этом на обмотках электродвигателя создаётся переменный синусоидальный ток с регулируемой амплитудой и частотой (основной принцип работы преобразователя частоты переменного тока).

Частотное регулирование асинхронных двигателей позволяет менять направление вращения с помощью инвертирования напряжения посредством широтно-импульсной модуляции. Кроме того эти устройства обеспечивают плавный пуск и торможение асинхронных электродвигателей.

С помощью наших частотников (ПЧ) так же можно контролировать изменения основных параметров асинхронного двигателя: выходной мощностью и частотой, крутящим моментом, током, напряжением, скоростью вращения вала, состоянием дискретных входов и т.д. Вся информация по управлению электродвигателем при этом наглядно отображается на специальном дисплее, он же является пультом управления.

Вот основной перечень преимуществ для работы оборудования, которые вы получаете, используя преобразователи:

  • Плавный пуск и плавную остановку оборудования
  • Эффективную защиту от перегрузок и бросков напряжения
  • Возможность эксплуатации оборудования с большими номинальными сетевыми напряжениями и токами
  • Понижение энергопотребления
  • Стабильность технологического процесса и улучшение КПД

Итак, это наиболее важная информация о частотных преобразователях, которую мы хотели до вас донести. В завершение скажем о том, от чего зависит стоимость и на что стоит обращать внимание при выборе. Это такие факторы, как марка производителя, модель и тип управления преобразователем. Также стоит обращать внимание при выборе на тип и уровень мощности двигателя, его диапазон и точность, а также степень точности поддержки крутящего момента.

Электромагнитная совместимость преобразователей частоты

При расчёте и подключении частотника к сети и электрическому двигателю, следует помнить, что он очень подвержен помехам. Также, преобразователь частоты может и сам стать источником помех для другого оборудования. Именно поэтому, все подключения к частотнику и от него выполняются экранированными кабелями и выдерживанием дистанции в 10 см друг от друга.

По своей сути, применение частного преобразователя для питания асинхронного электрического двигателя позволило существенно продлить жизнь электрического двигателя, дало возможность регулировать работу двигателя и хорошо экономить на расходе электрической энергии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector