Преобразователь частоты для асинхронного двигателя своими руками

Частотник для трехфазного электродвигателя своими руками

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:

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

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

После сборки у вас получится что-то похожее:

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.

Частотный преобразователь своими руками

Частотный преобразователь своими руками

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

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

Главные преимущества привода с регулировкой частоты:

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

Ниже показана принципиальная схема устройства:

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

Быстродействующая защита

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

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

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

Здесь показано фото печатной платы контроллера после распайки компонентов:

А это с противоположной стороны

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

Принципиальная схема блока питания:

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

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

Программа формирования задержек

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

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

Тестирование устройства

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

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

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

Характеристики:

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

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя своими руками

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

Автор: Сергей М.
Опубликовано 11.12.2012
Создано при помощи КотоРед.

Первым был ресторан – зимой холодный воздух должен строго дозировано дуть на разгорячённых посетителей, а летом наоборот –замерзших от холодного мороженого плавно согревать жарким воздухом с улицы. Без инвертора никак не обойтись.
Второй хочет стричь лохматых овец , но вот беда машинка трехфазная. А в поле только одна да и та не 220в. Опять нужен инвертор.
Третий вообще наждачный камень , сверлильный станок и намоточный –захотел прицепить к двигателю.
В конце концов оглядевшись по сторонам я увидел – все…все делают инверторы японцы, французы, немцы …. , только я ещё не имею своего точила для отверток. И мало того все приличные фирмы уже написали , как это делать.

Итак коль уж асинхронный двигатель так распространён и трехфазная система напряжения созданная М. О. Доливо-Добровольским так удобна. А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты –это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Возможно кто то скажет « Ну, зачем мне инвертор , я поставлю фазосдвигающий конденсатор и все решено» . Но при этом обороты не покрутишь и в мощности потеряешь и потом это не интересно.

Возьмём за основу – в быту есть однофазная сеть 220в, народный размер двигателя до 1 кВт. Значить соединяем обмотки двигателя треугольником. Дальше –проще, понадобится драйвер трехфазного моста IR2135(IR2133) выбираем такой потому, что он применяется в промышленной технике имеет вывод SD и удобное расположение выводов. Подойдёт и IR2132 , но у неё dead time больше и выхода SD нет. В качестве генератора PWM выберем микроконтроллер AT90SPWM3B – доступен, всем понятен, имеет массу возможностей и недорого стоит, есть простой программатор -https://real.kiev.ua/avreal/. Силовые транзисторы 6 штук IRG4BC30W выберем с некоторым запасом по току – пусковые токи АД могут превышать номинальные в 5-6 раз. И пока не ставим “тормозной” ключ и резистор, будем тормозить и намагничивать перед пуском ротор постоянным током, но об этом позже . Весь процесс работы отображается на 2-х строчном ЖКИ индикаторе. Для управления достаточно 6 кнопок (частота +, частота -, пуск, стоп, реверс, меню).
Получилась вот такая схема.

Я вовсе не претендую на законченность конструкции и предлагаю брать данную конструкцию за некую основу для энтузиастов домашнего электропривода. Приведённые здесь платы были сделаны под имеющиеся в моём распоряжении детали.

Конструктивно инвертор выполнен на двух платах – силовая часть ( блок питания , драйвер и транзисторы моста , силовые клеммы) и цифровая часть (микроконтроллер + индикатор ). Электрически платы соединены гибким шлейфом. Такая конструкция выбрана для перехода в будущем на контроллер TMS320 или STM32 или STM8.
Блок питания собран по классической схеме и в комментариях не нуждается. Микросхема IL300 линейная опто развязка для управления током 4-20Ма. Оптроны ОС2-4 просто дублируют кнопки «старт, стоп, реверс» для гальванически развязанного управления. Выход оптрона ОС-1 «функция пользователя» (сигнализация и пр.)
Силовые транзисторы и диодный мост закреплены на общий радиатор. Шунт 4 витка манганинового провода диаметром 0.5мм на оправке 3 мм.
Сразу замечу некоторые узлы и элементы вовсе не обязательны. Для того что бы просто крутить двигатель , не нужно внешнее управление током 4-20 Ма. Нет необходимости в трансформаторе тока, для оценочного измерения подойдёт и токовый шунт. Не нужна внешняя сигнализация. При мощности двигателя 400 Вт и площади радиатора 100см 2 нет нужды в термодатчике.

ВАЖНО! – имеющиеся на плате кнопки управления изолированы от сети питания только пластмассовыми толкателями. Для безопасного управления необходимо использовать опторазвязку.

Возможные изменения в схеме в зависимости от микропрограммы.
Усилитель DA-1 можно подключать к трансформатору тока или к шунту. Усилитель DA-1-2 может быть использован для измерения напряжения сети или для измерения сопротивления терморезистора если не используется термодатчик PD-1.
В случае длинных соединительных проводов необходимо на каждый провод хотя бы надеть помехоподавляющие кольцо. Имеют место помехи. Так например –пока я этого не сделал у меня «мышь» зависала.
Так же считаю важным отметить проверку надёжности изоляции АД –т.к. при коммутации силовых транзисторов выбросы напряжение на обмотках могут достигать значений 1,3 Uпит.

Общий вид.

Немного про управление.

Начитавшись книжек с длинными формулами в основном описывающих как делать синусоиду при помощи PWM. И как стабилизировать скорость вращения вала двигателя посредством таходатчика и ПИД регулятора. Я пришёл к выводу –АД имеет достаточно жёсткую характеристику во всём диапазоне допустимых нагрузок на валу.
Поэтому для личных нужд вполне подойдет управление описанное законом Костенко М.П. или как его ещё называют скаляроное. Достаточное для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40. Т.е. грубо говоря мы в самом простом случае делаем обычную 3-х фазную розетку с переменной частотой и напряжением меняющимися в прямой зависимости. С небольшими «но» на начальных участках характеристики необходимо выполнять IR компенсацию т.е. на малых частотах нужно фиксированное напряжение . Втрое «но» в питающие двигатель напряжение замешать 3 гармонику. Всё остальное сделают за нас физические принципы АД. Более подробно про это можно прочесть в документе AVR494.PDF
Основываясь на моих личных наблюдениях и скромном опыте именно эти методы без особых изысков чаще всего применяются в приводах мощностью до 15 кВт.
Далее не буду углубляться в теорию и описание мат моделей АД. Это и без меня достаточно хорошо изложили профессора ещё в 60-х.

Но ни в коем случае не стоит недооценивать сложности управления АД. Все мои упрощения оправданны только некоммерческим применением инвертора.

Плата силовых элементов.

В программе V-1.0 для AT90SPWM3B реализовано
1- Частотное управление АД .Форма напряжения синусоида с 3 гармоникой.
2- Частота задания 5 Гц -50 Гц с шагом 1 Гц. Частота ШИМ 4 кГц.
3- Фиксированное время разгона –торможения
4- Реверс (только через кнопку СТОП)
5- Разгон до заданной частоты с шагом 1 Гц
6 – Индикация показаний канала АЦП 6 (разрядность 8 бит., оконный фильтр апертура 4 бита)
я использую этот канал для замера тока шунта.
7 – Индикация режима работы START,STOP,RUN,RAMP, и Частота в Гц.
8- Обработка сигнала авария от мс IR2135

Торможение двигателя принудительное – без выбега. При этом нужно помнить – если на валу будет висеть огромный вентилятор или маховик то напряжение на звене постоянного тока может достичь опасных значений. Но я думаю вертолёты с приводом от АД строить никто не будет

Функции микропрограммы в будущих версиях

1 -намагничивание ротора перед пуском
2- торможение постоянным током
3 –прямой реверс
4 – частота задания 1 -400 Гц.
5 – ограничение, контроль тока двигателя.
6 – переключаемые зависимости U/F
7 – контроль звена постоянного тока.
8 – некоторые макросы управления –это вообще в далёких планах.

Испытания.
Данная конструкции была проверена с двигателем 0.18кВт и 0.4 кВт и 0.8 кВт. Все двигатели остались довольны.
Только при малых оборотах и долговременной работе необходимо принудительное охлаждение АД.

Строка для программатора
av_28r4.exe -aft2232 -az +90pwm3b -e -w -v -fckdiv=1,psc2rb=0,psc1rb=0,psc0rb=0,pscrv=0,bodlevel=5 -c01.hex

{SOURCE}