Частотники для трифазного електродвигуна своїми руками
Сьогодні асинхронні двигуни є основними тяговими приводами для верстатів, конвеєрів, і інших промислових агрегатів.
Для того щоб мотори могли нормально функціонувати, їм потрібен частотний перетворювач. Він дозволяє оптимізувати роботу агрегату і продовжити термін його служби. Купувати пристрій необов'язково – Частотники для трифазного електродвигуна можна зробити своїми руками.
Призначення частотного перетворювача
Асинхронний електродвигун може працювати і без Частотники, але в цьому випадку у нього буде постійна швидкість без можливості регулювання. До того ж відсутність частотного перетворювача призведе до зростання пускового струму в 5-7 разів від номінального, що викличе збільшення ударних навантажень, підвищить втрати електроенергії і призведе до істотного скорочення терміну служби агрегату.
Для нівелювання всіх перерахованих вище негативних факторів були винайдені перетворювачі частоти для асинхронних двигунів трифазного і однофазного струму.
Частотники дає можливість в широких межах регулювати швидкість електродвигуна, забезпечує плавний пуск, дозволяє регулювати як швидкість запуску, так і швидкість гальмування, підключати трифазний мотор до однофазної мережі і багато іншого. Всі ці функції залежать від мікроконтролера, на якому він побудований, і можуть відрізнятися у різних моделей.
Принцип роботи пристрою
Змінний струм надходить з мережі на діодний міст, де він випрямляється і потрапляє на батарею згладжують конденсаторів, де остаточно перетворюється в постійний струм, який надходить на стоки потужних IGBT транзисторів, керованих головним контролером. Витоки транзисторів, в свою чергу, підключені до двигуна.
Ось спрощена схема перетворювача частоти для трифазного асинхронного двигуна.
Тепер розглянемо, що відбувається з транзисторами і як вони працюють.
Польовий транзистор (він же ключ, мосфети та ін.) – це електронний вимикач, принцип його дії заснований на виникненні провідності між двома висновками (стік і джерело) мосфети, при появі на керуючому виведення (затворі) напруги, що перевищує напругу стоку.
На відміну від звичайних реле, ключі працюють на дуже високих частотах (від декількох герц до сотень кілогерц) так що замінити їх на реле не вийде.
За допомогою цих швидкодіючих перемикачів мікроконтролер отримує можливість управління силовими ланцюгами.
До контролера, крім мосфетов, також підключені датчики струму, органи управління частотники, і інша периферія.
При роботі частотного перетворювача мікроконтролер вимірює споживану потужність і, відповідно до встановлених на панелі управління параметрами, змінює тривалість і частоту періодів, коли транзистор відкритий (включений) або закритий (вимкнений), тим самим змінюючи або підтримуючи швидкість обертання електродвигуна.
Самостійне виготовлення приладу
Незважаючи на безліч агрегатів заводського виробництва, люди роблять перетворювачі частоти самостійно, благо на сьогоднішній день все його компоненти можна купити в будь-якому радіомагазині або замовити з Китаю. Такий Частотники обійдеться вам значно дешевше покупного, до того ж ви не будете сумніватися в якості його збірки і надійності.
Робимо трифазний перетворювач
Збирати наш перетворювач будемо на мосфети G4PH50UD, якими буде управляти контролер PIC16F628A за допомогою оптодрайверов HCPL3120.
Зібраний Частотники при підключенні в однофазну мережу 220 В матиме на виході три повноцінні фази 220 В, із зсувом 120 °, і потужність 3 кВт.
Схема Частотники виглядає так:
Так як частотний перетворювач складається з частин, які працюють як на високому (силова частина), так і на низькому (управління) напрузі, то логічно буде розбити його на три плати (основна плата, плата управління, і низьковольтний блок живлення для неї) для виключення можливості пробою між доріжками з високим і низьким напругою і виходу пристрою з ладу.
Ось так виглядає розводка плати управління:
Для живлення плати управління можна використовувати будь-який блок живлення на 24 В, з пульсаціями не більше 1 В в розмаху, з затримкою припинення подачі живлення на 2-3 секунди з моменту зникнення напруги живлення 220 В.
Блок живлення можна зібрати і самим за цією схемою:
Зверніть увагу, що номінали і назви всіх радиокомпонентов на схемах вже підписані, так що зібрати по ним працюючий пристрій може навіть початківець радіоаматор.
Перед тим як приступити до складання перетворювача, переконайтеся:
В наявності у вас всіх необхідних компонентів;- У правильності розводки плати;
- В наявності всіх потрібних отворів для установки радіодеталей на платі;
- У тому, що не забули залити в мікроконтролер прошивку з цього архіву:
Якщо ви все зробили правильно і нічого не забули, можете приступати до складання.
Після складання у вас вийде щось схоже:
Тепер вам залишилося перевірити пристрій: для цього підключаємо двигун до частотники і подаємо на нього напругу. Після того як загориться світлодіод, що сигналізує про готовність, натисніть на кнопку «Пуск». Двигун повинен почати повільно обертатися. При утриманні кнопки двигун починає розганятися, при відпуску – підтримує обороти на тому рівні, до якого встиг розігнатися. При натисканні кнопки «Скидання» двигун зупиняється з вибігом. Кнопка «Реверс» задіюється тільки при зупиненому двигуні.
Якщо перевірка пройшла успішно, то можете починати виготовляти корпус і збирати в ньому Частотники. Не забудьте зробити в корпусі отвори для притоку холодного і відтоку гарячого повітря від радіатора IGBT транзисторів.
Частотники для однофазного двигуна
Перетворювач частоти для однофазного двигуна відрізняється від трифазного тим, що має на виході дві фази (помилки тут немає, двигун однофазний, при підключенні без Частотники робоча обмотка підключається до мережі безпосередньо, а пускова – через конденсатор, але при використанні Частотники пускова обмотка підключається через другу фазу) і одну нейтраль – на відміну від трьох фаз у останнього, так що зробити Частотники для однофазного електродвигуна, Використовуючи в якості основи схему від трифазного, не вийде, тому доведеться починати все спочатку.
Як мозку цього перетворювача ми будемо використовувати МК ATmega328 з завантажувачем Ардуіно. В принципі, це і є Arduino, тільки без своєї обв'язки. Так що, якщо у вас в засіках завалялася ардуінка з таким мікро контролером, можете сміливо випоювати його і використовувати для справи, попередньо заливши на нього скетч (прошивку) з цього архіву:
До атмеге буде підключений драйвер IR2132, а вже до нього – мосфети IRG4BC30, до яких ми підключимо двигун потужністю до 1 КВт включно.
Схема частотного перетворювача для однофазного двигуна:
Також для харчування Ардуіно (5в) і для живлення силового реле (12в), нам знадобляться 2 стабілізатора. Ось їх схеми:
Стабілізатор на 12 вольт.
Стабілізатор на 5 вольт.
Увага! Ця схема не з простих. Можливо, доведеться налаштовувати і налагоджувати прошивку для досягнення повної працездатності пристрою, але це нескладно, і мінлива з програмування Arduino в інтернеті – безліч. До того ж сам скетч містить досить докладні коментарі до кожної дії. Але якщо для вас це занадто складно, то ви можете спробувати знайти такий Частотники в магазині. Нехай вони і не так поширені, як частотники для трифазних двигунів, але купити їх можна, нехай і не в кожному магазині.
Ще зверніть увагу на те, що включати схему без баласту не можна – згорять вихідні ключі. Баласт потрібно підключати через діод, звернений анодом до силового фільтруючого конденсатора. Якщо підключіть баласт без діода – знову вийдуть з ладу ключі.
Якщо вас все влаштовує, можете приступати до виготовлення плати, А потім – до збірки всієї схеми. Перед складанням переконайтеся в правильності розводки плати та відсутності дефектів в ній, а також – в наявності у вас всіх зображених на схемі радіодеталей. Також не забудьте встановити IGBT-транзистори на масивний радіатор і ізолювати їх від нього шляхом використання термопрокладок і ізолюючих шайб.
Після складання Частотники можете приступати до його перевірці. В ідеалі у вас повинен вийти такий функціонал: кнопка «S1» – пуск, кожне наступне натискання додає певну (змінюється шляхом редагування скетчу) кількість оборотів; «S2» – те ж саме, що і «S1», тільки змушує двигун обертатися в протилежному напрямку; кнопка «S3» – стоп, при її натисканні двигун зупиняється з вибігом.
Зверніть увагу, що реверс здійснюється через повну зупинку двигуна, при спробі змінити напрямок обертання на працюючому двигуні станеться його миттєва зупинка, а силові ключі згорять від перевантаження. Якщо вам не шкода грошей, які доведеться витратити на заміну мосфетов, то можете використовувати цю особливість в якості аварійного гальма.
Можливі проблеми при перевірці
Якщо при перевірці Частотники схема не запрацювала або заробила неправильно, значить, ви десь допустили помилку. Вимкніть Частотники від мережі і перевірте правильність установки компонентів, їх справність і відсутність розривів / замикань доріжок там, де їх бути не повинно. Після виявлення несправності усуньте її та перевірте перетворювач знову. Якщо з цим все в порядку, приступайте до налагодження прошивки.