Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.
Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.
Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.
На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.
Рисунок 1.
Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.
На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.
В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.
Рисунок 3.
Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.
Рисунок 4.
На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.
Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».
Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.
Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя VD2.
Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.
Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.
Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».
Достаточно ли только регулирования частоты?
С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.
Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.
В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.
Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.
Рисунок 5.
Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант ). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.
Рисунок 6.
Рисунок 7.
Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).
В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.
Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.
Силовая часть схемы
Современные фирменные частотники имеют на выходе , специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.
Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.
При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).
Выходные ключи на интегральных таймерах
Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.
Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.
Рисунок 9.
В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.
Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток - исток), «общий».
Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток - исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.
При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.
В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены , схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».
Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как , защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.
Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.
Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.
Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.
В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.
Экология познания.Наука и техника: Асинхронные двигатели применяются сегодня достаточно широко, а современные частотные преобразователи призваны сделать их работу более эффективной, устойчивой и безопасной.
Асинхронные двигатели применяются сегодня достаточно широко, а современные частотные преобразователи призваны сделать их работу более эффективной, устойчивой и безопасной. В каждом конкретном случае режим работы асинхронного двигателя свой, и особенности этих режимов отличаются, в связи с этим полезно оптимизировать параметры питания двигателей, чему и способствует применение частотных преобразователей.
При выборе частотного преобразователя для конкретной цели, необходимо учесть ряд рабочих параметров: мощность электродвигателя, его тип, диапазон регулировки скорости и точность этой регулировки, точность поддержания момента на валу. Это первостепенные параметры для выбора. Дополнительно стоит обратить внимание на габариты и форму устройства, а также на расположение элементов управления, будет ли оно удобным в вашей ситуации.
Частотные преобразователи бывают однофазными или трехфазными. И даже если на вход подается всего одна фаза, на выходе может быть как одна, так и три фазы. Обязательно обратите на это внимание при выборе частотного преобразователя.
Что касается мощности асинхронного двигателя, то она связана с максимальным потребляемым током, на который и следует ориентироваться. Если при старте двигателя требуется получить значительный пусковой момент на валу, то в этом случае и ток нужен больший, значит, имеет смысл выбрать частотный преобразователь на большее значение тока. Быстрый разгон и резкое торможение напрямую связано с током, если преобразователь в состоянии дать необходимый ток, значит, по этому параметру он вам подходит.
Для специальных двигателей, как то: погружные насосы, синхронные двигатели, с втяжным ротором, высокоскоростные, - максимальный ток частотного преобразователь должен быть лишь немного выше номинального тока двигателя.
Когда параметры нагрузки заранее известны и не меняются при постоянной частоте (например это могут быть вентиляторы, насосы, компрессоры, то есть те механизмы, которые отвечают за поддержание определенного состояния технологического процесса), то есть момент зависит непосредственно от частоты, применяют скалярный метод частотного регулирования с диапазоном от 5 до 50 Гц и выше.
К примеру, компрессор должен поддерживать определенное давление, и датчик давления, отслеживая текущее состояние в текущем режиме, дает сигнал на изменение оборотов, - обороты компрессора меняются, следовательно, меняется и нагрузка, эту возможность дает опция обратной связи.
Для более точного управления, когда требуется поддерживать постоянный момент или скорость даже на низких частотах, применяют частотные преобразователи с векторным регулированием. Они могут поддерживать скорость постоянной даже при резко меняющейся нагрузке, и это уже более сложное управление.
В основном частотные преобразователи с векторным управлением подходят для приведения в действие конвейеров, лифтов, транспортеров, строительной техники, прессов, станков, и другого оборудования, требующего постоянной скорости при переменной нагрузке. Могут такие преобразователи поддерживать и постоянный момент при меняющейся скорости.
Преобразователь с векторным управлением требует настройки, то есть ввода паспортных данных подключенного двигателя. В процессе работы происходит автоматическое регулирование на основе текущей информации о токе, напряжении и частоте. Векторный метод регулирования позволяет снизить реактивный ток двигателя до оптимального путем соответствующего понижения или повышения напряжения на двигателе.
Частотные преобразователи с обратной связью по скорости позволяют прецизионно регулировать скорость, когда нагрузка при одной и той же частоте может меняться, и момент вообще не связан напрямую со скоростью. У таких преобразователей возможна и регулировка скорости в широком диапазоне при моментах близких к номиналу.
К дополнительным опциям частотных преобразователей можно отнести возможность подключения по протоколам MODBUS, PROFIBUS, CANOPEN, а также управление посредством Bluetooth. Встречаются частотные преобразователи с выносным потенциометром, с возможностью управления с компьютера, и с функцией сохранения настроек.опубликовано
Добавить тег
Частотный преобразователь
Всем здравствуйте. Вот решил написать статейку про асинхронный привод и преобразователь частоты, который я изготавливал. Моему товарищу надо было крутить пилораму, и крутить хорошо. А сам я занимался импульсной электроникой и сразу предложил ему частотник. Да, можно было купить фирмовый преобразователь, и мне приходилось с ними сталкиваться, параметрировать, но захотелось своего, САМОДЕЛАШНОГО! Да и привод циркулярки к качеству регулирования скорости не критичен, только вот к ударным нагрузкам и к работе в перегрузе должен быть готов. Также максимально-простое управление с помощью пары кнопок и никаких там параметров.
Основные достоинства частотнорегулируемого привода (может для кого-то повторюсь):
Формируем из одной фазы 220В полноценные 3 фазы 220В со сдвигом 120 град., и имеем полный вращающий момент и мощность на валу.
Увеличенный пусковой момент и плавный пуск без большого пускового тока
Отсутствует замагничивание и лишний нагрев двигателя, как при использовании конденсаторов.
Возможность легко регулировать скорость и направление, если необходимо.
Вот какая схемка собралась:
3-фазный мост на IGBT транзисторах c обратными диодами (использовал имеющиеся G4PH50UD) управляется через оптодрайвера HCPL 3120 (бутстрепная схема запитки) микроконтроллером PIC16F628A. На входе гасящий конденсатор для плавного заряда электролитов DC звена. Затем его шунтирует реле и на микроконтроллер одновременно приходит логический уровень готовности. Также имеется триггер токовой защиты от к.з. и сильной перегрузки двигателя. Управление осуществляют 2 кнопки и тумблер изменения направления вращения.
Силовая часть мною была собрана навесным монтажом. Плата контроллера отутюжина вот в таком виде:
Параллельные резисторы по 270к на проходных затворных конденсаторах (забыл под них места нарисовать) припаял сзади платы, потом хотел заменить на смд но так и оставил.
Есть внешний вид этой платы, когда уже спаивал:
С другой стороны
Для питания управления был собран типовой импульсный обратноходовой (FLAYBACK) блок питания.
Его схема:
Можно использовать любой блок питания на 24В, но стабилизированный и с запаздыванием пропадания выходного напряжения от момента пропажи сетевого на пару тройку секунд. Это необходимо чтобы привод успел отключиться по ошибке DC. Добивался установкой электролита С1 большей ёмкости.
Теперь о самом главном...о програме микроконтроллера. Программирование простых моргалок для меня сложности не представляло, но тут надо было поднатужить мозги. Порыскав в нете, я не нашёл на то время подходящей информации. Мне предлагали поставить и специализированные контроллеры, например контроллер фирмы MOTOROLA MC3PHAC. Но хотелось, повторюсь, своего. Принялся детально разбираться с ШИМ модуляцией, как и когда нужно открыть какой транзистор... Открылись некие закономерности и вышел шаблон самой простой программы отработки задержек, с помощью которой можно выдать удовлетворительно синусовую ШИМ и регулировать напряжение. Считать ничего контроллер конечно не успевал, прерывания не давали что надо и поэтому я идею крутого обсчёта ШИМ на PIC16F628A сразу отбросил. В итоге получилась матрица констант, которую отрабатывал контроллер. Они задавали и частоту и напряжение. Возился честно скажу, долго. Пилорама уже во всю пилила конденсаторами, когда вышла первая версия прошивки. Проверял всю схему сначала на 180 ватном движке вентиляторе. Вот как выглядела "экспериментальная установка":
Первые эксперименты показали, что у этого проекта точно есть будущее.
Программа дорабатывалась и в итоге после раскрутки 4кВТ-ного движка её можно было собирать и идти на лесопилку.
Товарищ был приятно удивлён, хоть и с самого начала относился скептически. Я тоже был удивлён, т.к. проверилась защита от к.з. (случайно произошло в борно двигателя). Всё осталось живо. Двигатель на 1,5кВт 1440об/мин легко грыз брусы диском на 300мм. Шкивы один к одному. При ударах и сучках свет слегка пригасал, но двигатель не останавливался. Ещё пришлось сильно подтягивать ремень, т.к. скользил при сильной нагрузке. Потом поставили двойную передачу.
Сейчас ещё дорабатываю программу она станет еще лучше, алгоритм работы шим чуть сложнее, режимов больше, возможность раскручиваться выше номинала...а тут снизу та самая простая версия которая работает на пиле уже около года.
Её характеристики:
Выходная Частота: 2,5-50Гц, шаг 1,25Гц; Частота ШИМ синхронная, изменяющаяся. Диапазон примерно 1700-3300Гц.; Скалярный режим управления U/F, мощность двигателя до 4кВт.
Минимальная рабочая частота после однократного нажатия на кнопку ПУСК(RUN) - 10Гц.
При удержании кнопки RUN происходит разгон, при отпускании частота остаётся та, до которой успел разогнаться. Максимальная 50Гц- сигнализируется светодиодом. Время разгона около 2с.
Светодиод "готовность" сигнализирует о готовности к запуску привода.
Реверс опрашивается в состоянии готовности.
Режимов торможения и регулирования частоты вниз нет, но они в данном случае и не нужны.
При нажатии Стоп или СБРОС происходит остановка выбегом.
На этом пока всё. Спасибо, кто дочитал до конца.
|
Как вам эта статья? |
Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:
- ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
- частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.
Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.
Конструкция и принцип действия частотного преобразователя
Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора . В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.
Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные . Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.
В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.
Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды , рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры , чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.
Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры . Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры , а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.
Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:
- силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
- клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
- разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).
На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.
Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.
Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.
Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.
Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления . Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки , позволяющие эти данные ввести.
Простейшие схемы управления частотным преобразователем
С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.
Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой . Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.
С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.
Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков
Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни .
Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.
При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).
Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.
Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали . В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.
Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения . Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры , фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.
Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов
Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.
И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.
К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли , но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.
Промышленные установки с системами АСУТП
Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.
Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.
Для регулировки используется два способа:
- с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
- с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.
Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ . Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.
Частотное управление электроприводами активно развивается и все чаще можно услышать о новом методе управления, или улучшенном частотнике, или о внедрении частотного электропривода в какой-то сфере, где ранее никто и подумать не мог что это возможно. Но это факт!
Если мы внимательно рассмотрим электродвигатели, к которым применяют частотное регулирование – то это асинхронные или синхронные трехфазные двигатели. Существует несколько Но ведь есть и однофазные асинхронные машины, почему прогресс не касается их? Почему частотное управление не применяют так активно к однофазным машинам? Давайте рассмотрим.
Содержание:
Принцип работы однофазной асинхронной машины
При однофазном питании асинхронника в нем вместо вращающегося магнитного поля возникает пульсирующее, которое можно разложить на два магнитных поля, которые будут вращаться в разные стороны с одинаковой частотой и амплитудой. При остановленном роторе электродвигателя данные поля создадут моменты одинаковой величины, но различного знака. В итоге результирующий пусковой момент будет равен нулю, что не позволит двигателю запустится. По своим свойствам однофазный электродвигатель похож на трехфазный, который работает при сильном искажении симметрии напряжений:
на рисунке а) показана схема асинхронной однофазной машины, а на б) векторная диаграмма
Основные виды однофазных электроприводов
Как упоминалось однофазный двигатель не может развивать пусковой момент, следствием чего становится невозможность его самостоятельного запуска. Для этого придумали несколько способов компенсации магнитного поля противоположного по знаку основному.
Двигатели с пусковой обмоткой
В данном способе пуска кроме основной обмотки Р, имеющей фазную зону 120 0 , на статор наматывают еще и пусковую П, которая имеет фазную зону 60 0 . Также пусковая обмотка сдвигается относительно рабочей на 90 0 электрических. Для того, чтоб создать фазовый сдвиг между токами обмоток I р и I п последовательно в пусковую обмотку подключают элемент, приводящий к сдвигу фаз ψ (фазосдвигающее сопротивление Z п):
Где: а) схема подключения машины, б) векторные диаграммы при использовании различных сопротивлений.
Наилучшими условиями для пуска будет включения конденсатора в пусковую обмотку. Но поскольку емкость конденсатора довольно велика, соответственно и его стоимость и габариты тоже возрастают. Зачастую его применяют для получения повышенного момента для пуска. Пуск с помощью индуктивности имеет наихудшие показатели и в настоящее время не используется. Довольно часто могут применять запуск с помощью активного сопротивления, при этом пусковую обмотку делают с повышенным активным сопротивлением. После запуска электродвигателя пусковая обмотка отключается. Ниже показаны схемы включений и их пусковые характеристики:
Где: а,б) двигатели с пусковой обмоткой, в,г) конденсаторные
Конденсаторный двигатель
Данный тип электродвигателя имеет две рабочие обмотки, в одну из которых подключают рабочую емкость С р. Данные обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 0 электрических и имеют фазные зоны тоже 90 0 . При этом мощности обеих обмоток равны, но их токи и напряжения различны, также различны количества витков. Иногда величины конденсатора рабочего не достаточно для формирования нужного пускового момента, поэтому параллельно ему могут вешать пусковой, как это показано на рисунке выше. Схема приведена ниже:
Где: а) схема конденсаторного электродвигателя, б) его векторная диаграмма
В данном типе однофазных машин коэффициент мощности cosφ даже выше чем у трехфазных. Это объясняется наличием конденсатора. КПД такого электродвигателя выше, чем однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой.
Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей
Итак, все чаще появляются предложения частотных преобразователей, которые могут управлять однофазными асинхронными машинами. В силу того что частотники предназначены для работы с трехфазными машинами, то для регулирования оборотов однофазной машинами необходим особый вид частотного преобразователя. Это обусловлено тем, что трехфазные и однофазные машины имеют немного разный принцип работы. Давайте рассмотрим схему включения, которую предоставляет один из официальных производителей частотных преобразователей для однофазных машин:
Это схема прямого подключения. Где: Ф-фаза питающего напряжения, N-нейтральный проводник, L1, L2 – обмотки двигателя, Ср – рабочий конденсатор.
А вот схема подключения преобразователя:
Как мы можем видеть, конденсатор при включении данной схемы отключается. Обмотка L1 переключается к выходу преобразователя фазы А, а L2 к В. Общий провод подключается к выходу С. Тем самым мы фактически получили двухфазную машину. Фазовый сдвиг теперь будет реализовывать частотный преобразователь, а не конденсатор. На выходе преобразователя будет обычное трехфазное напряжение.
Данный способ частотного регулирования трудно назвать однофазным, так как при питания двигателя от сети напрямую необходимо опять восстанавливать схему с конденсатором. Более того, этот способ регулирования частоты НЕ ПОДХОДИТ для машин с пусковой обмоткой, так как сопротивление рабочей и пусковой обмотки не равны, появится асимметрия.
Можем сделать вывод, что данный вид частотного регулирования подходит не всем электродвигателям, а только конденсаторным. Более того, при такой схеме подключения необходимо провести переподключение обмоток внутри электродвигателя (в коробке выводов электродвигателя), что после переподключения не позволит работать ему от сети напрямую. Поэтому если вы собираетесь питать электродвигатель от однофазной сети через частотник, то, может быть стоит купить преобразователь, который питается от однофазной сети, а двигатель обычный, трехфазный. Это лучше с точки зрения работы самой машины, также отсутствуют переделки внутри электрической машины. Если вы собираетесь таким образом модернизировать систему, то внимательно изучите характеристики электродвигателя, преобразователя, чтоб избежать пустой траты средств или выхода из строя элементов системы.
