Как сделать частотный преобразователь своими силами: принцип работы, сборка по схеме, обслуживание

Впервые мир познакомился с таким устройством, как трехфазный асинхронный электродвигатель, еще в конце 19 столетия. И начиная с того времени, его стали применять на каждом промышленном предприятии, где он стал обязательным элементом. Во время эксплуатации электродвигателя важно обеспечить его плавный пуск и остановку. Это можно сделать только при наличии специального устройства – преобразователя частоты.

В первую очередь, целесообразно оснащать преобразователем крупные электродвигатели, обладающие высокими показателями мощности. Польза от наличия такого устройства заключается в возможности менять пусковые токи, задавая необходимую их величину.

Принцип работы частотного преобразователя

Конечно, можно регулировать пусковой ток и вручную, однако в этом случае будет тратиться определенное количество энергии впустую, что негативным образом скажется на эксплуатационном ресурсе электродвигателя. Наблюдаемый в устройствах, не имеющих подобного приспособления, ток имеет величину, превышающую в 5-7 раз номинальное напряжение. В таких условиях невозможно создать нормальные условия для работы оборудования.

Действие такого устройства, как преобразователь частоты, основывается на использовании электронного механизма, который контролирует работу двигателя. Но его возможности не ограничиваются лишь мягким пуском. При помощи преобразователя частоты можно осуществлять плавную настройку работы привода, выбирая оптимальный показатель между напряжением и частотой, который рассчитывается строго по заданной формуле.

Среди достоинств такого устройства главным следует назвать то, что оно помогает уменьшить расход электроэнергии в среднем на 50%. К тому же частотный преобразователь позволяет выставлять такой режим работы, который будет в максимальной степени учитывать потребности определённого производства.

Действие подобного преобразователя основывается на принципе двойного преобразования напряжения.

1. На начальном этапе выполняется регулировка напряжения сети путем его выпрямления и фильтрования, что достигается посредством использования системы конденсаторов.
2. Далее настает черед электронного управления, благодаря которому для тока выставляется частота, соответствующая заранее выбранному режиму.

В результате возникают прямоугольные импульсы, которые корректируются обмоткой статора двигателя, что позволяет вывести ее на уровень синусоиды.

На что обратить внимание при выборе?

Если обратить внимание на доступные сегодня модели преобразователей, то определяющим фактором становится именно цена частотника . Дело в том, что наибольшим функционалом обладают лишь дорогие модели пребразователей частоты. Однако, чтобы выбираемый преобразователь смог успешно справляться с необходимыми задачами, нужно исходить из конкретных условий его использования.

• Преобразователь частоты может предусматривать два типа управления: векторное и скалярное. В первом случае можно выставить с высокой точностью необходимую величину тока. Особенностью скалярного управления является то, что устройство работает лишь в одном заданном соотношении между частотой и напряжением на выходе. Такие устройства могут использоваться лишь для обычных бытовых устройств, наподобие вентилятора.
• Характеристики мощности во многом влияют на универсальность преобразователя частоты. Это не только расширяет его возможности, но и создает меньше проблем при обслуживании.
• Для работы устройства должна быть предусмотрено сеть, обладающая максимально широким диапазоном напряжения. В этом случае уменьшается опасность, что устройство выйдет из строя в случае резких скачков. Наибольшую угрозу для оборудования представляет повышение напряжения, что может привести к взрыву сетевых конденсаторов.
• Важным параметром является и частота, значение которой должно быть достаточным для удовлетворения потребностей производства. По его нижнему пределу можно понять, насколько широкие возможности имеются для выбора оптимальной скорости привода. Если имеется необходимость в устройстве, обладающем более широким диапазоном частоты, то следует обратить внимание на модели с векторным управлением. На практике же наиболее распространены частоты с диапазоном 10-60 Гц, в редких случаях используются до 100 Гц.
• Наличие различных входов и выходов, используемых для управления. Гораздо удобнее пользоваться устройством, у которого количество подобных разъемов достаточно велико. Однако это же приводит к увеличению стоимости оборудования, а также создает трудности с правильной настройкой. В устройствах подобного типа могут быть предусмотрены три типа разъемов: дискретные, цифровые, аналоговые. Основное назначение первых заключается во вводе команд управления и вывода сообщений о событиях. При помощи цифровых разъёмов осуществляется ввод сигналов цифровых датчиков. Аналоговые же разъемы призваны решать задачу по вводу сигналов обратной связи.
• При выборе модели преобразователя следует обращать внимание на шину управления, характеристики которой должны соответствовать возможностям схемы частотного преобразователя, что проявляется в соответствующем количестве разъемов. Оптимальный вариант, когда их имеется достаточное количество на случай возможной модернизации.
• Перегрузочные способности. Рекомендуется отдавать предпочтение моделям частотников, запас мощности которых на 15% превосходит мощность используемого двигателя. Во избежание ошибок не помешает перед принятием решения ознакомиться с документацией. В них обычно приводятся все основные характеристики двигателя. Если стоит задача подобрать частотник, способное выдерживать пиковые нагрузки, то рекомендуется отдавать предпочтение оборудованию, которое сможет сохранять значение тока в условиях пиковой работы на 10% больше указанного.

Материалы

Чтобы сделать своими руками частотный преобразователь для однофазного электродвигателя, необходимо подготовить следующее:

• IR2135(IR2133) – драйвер трёхфазного моста;
• AT90SPWM3B – микроконтроллёр (используется как генератор PWM);
• программатор (например, AVReAl);
• шесть штук транзисторов IRG4BC30W;
• ЖКИ индикатор;
• шесть кнопок.

Самостоятельная сборка преобразователя частоты

Не стоит отказываться от идеи сделать своими силами преобразователь. Эту задачу решить по силам любому владельцу, учитывая, что в сети можно найти большое количество инструкций и схем по сборке подобного устройства и его подключению к асинхронному двигателю.

Рассматривая такой вариант, главное, о чем следует помнить – собираемая своими руками модель должна отличаться не только доступной ценой, но и надежностью, а также быть способна успешно решать задачи в бытовых условиях. Если же имеется потребность в устройстве для промышленного использования, то, естественно, оптимальным выбором будут преобразователи, предлагаемые магазинами.

Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя

Приводимая ниже схема рассчитана на проводку с напряжением 220В и одной фазой. Устройство предназначено для двигателя, мощность которого не превышает 1 кВт.

Вначале необходимо соединить между собой обмотки двигателя, для чего используется вариант «треугольник».

Основу конструкции оборудования образуют две платы. Первая будет уступать место для размещения таких элементов, как блок питания и драйвер. Помимо них здесь будут установлены транзисторы и силовые клеммы. Вторая плата используется для крепления микроконтроллера и индикатора. Для соединения плат друг с другом используется гибкий шлейф.

Для изготовления импульсного блока питания используется обычная схема, которую можно найти в сети.

Чтобы контролировать работу двигателя, нет необходимости воздействовать на ток при помощи внешних устройств. Однако нелишним будет добавить в конструкцию микросхему(IL300) путем введения линейной развязки.

Общий радиатор используется для размещения не только транзисторов, но и диодного моста.

Обязательным является наличие оптронов ОС2-4, назначение которых заключается в дублировании кнопок управления. На ОС-1 возлагается задача по выполнению пользовательских функций.

Если выбираемый частотный преобразователь имеет одну фазу, то он может работать без трансформатора. Альтернативой ему может служить токовый шунт, который выполняется в виде четырех витков манганинового провода сечением 0,5 км на оправе 3мм. Используемый шунт можно дополнить и усилителем DA-1.

Если мощность двигателя составляет 400 Вт, то он может работать и без термодатчика. С задачей по измерению напряжения сети успешно может справиться и DA-1-2 (усилитель).

Следует позаботиться о защите кнопок, установив на них пластиковые толкатели, управление же осуществляется посредством опторазвязки.

Если будут присутствовать длинные провода, то к ним следует добавить помехоподавляющие кольца.

Во время работы ротора двигателя можно выбирать любую скорость пределах частоты 1: 40. В режиме работы малых частот следует задействовать режим фиксированного напряжения.

Подключение частотного преобразователя

Если используемая проводка имеет одну фазу и напряжение 220В, то в качестве предпочтительной схемы подключения используется вариант «треугольник». Важно помнить о том, что ток на выходе может быть больше номинального не более, чем на 50%.

Если речь идет о трехфазной проводке с напряжением 380В, то для подключения к двигателю частотного преобразователя выбирается схема «звезда». Для простоты выполнения этой процедуры на преобразователе присутствуют клеммы, на поверхности которых имеются подсказки в виде букв.

• R, S, T– к этим контактам подводят провода сети в любом порядке;
• U , V , W – при помощи их выполняется включение асинхронного двигателя (в тех случаях, когда двигатель работает в режиме реверса, для возвращения к нормальному вращению достаточно любой из двух проводов поменять местами на контактах).

Обязательно в конструкции имеется клемма, используемая для заземления.

Рекомендации по обслуживанию оборудования

Чтобы собранный своими руками частотный преобразователь смог успешно выполнять свои функции на протяжении длительного времени, владелец должен выполнять следующие рекомендации:

1. Следить за состоянием внутренних элементов, не допуская скопления на них пыли. При необходимости используют небольшой компрессор, поскольку пылесосу может быть не под силу удалить пыль, лежащую плотным слоем.
2. Проверять работоспособность узлов и менять их при необходимости. Нормальным для электролитических конденсаторов считается срок службы длительностью 5 лет, для предохранителей – 10 лет. Вентиляторы охлаждения следует менять уже по прошествии 2-3 лет эксплуатации. Внутренние же шлейфы допускается использовать не более 6 лет.
3. Необходимо следить за температурой внутренних механизмов, а также напряжением на шине постоянного тока. В случае роста температуры возникает опасность засыхания термопроводящей пасты, что может закончиться выходом из строя конденсаторов. Необходимо взять за правило наносить не реже как минимум каждые три года новый слой пасты на силовые компоненты привода.
4. Необходимо в точности соблюдать условия эксплуатации. Оптимальным считается температурный режим окружающей среды на уровне до + 40 градусов. Крайне негативное влияние на работу элементов оказывают повышенная влажность и запыленность воздуха.

Заключение

Частотный преобразователь является необходимым оборудованием, повышающим эффективность работы асинхронного двигателя. При необходимости его можно изготовить своими силами. Для этого достаточно подготовить необходимые материалы и в точности следовать схеме сборки. При этом следует уделить особое внимание обслуживанию частотного преобразователя, так как при отсутствии должного внимания к его состоянию это оборудование может довольно скоро выйти из строя, что негативным образом скажется и на работе электродвигателя.