Из данной статьи вы узнаете, что такое рассмотрите его схему, принцип работы, а также узнаете о настройках промышленных образцов. Основной упор будет сделан на изготовление Конечно, для этого вам потребуется иметь хотя бы общее представление о проводниковой технике. Начинать необходимо с того, для каких целей используются преобразователи частоты.

Когда возникает необходимость в ПЧ

Современные преобразователи частоты — это высокотехнологичные устройства, которые состоят из элементов на основе полупроводников. Кроме того, имеется электронная система управления, построенная на микроконтроллере. С ее помощью производится управление всеми важнейшими параметрами электродвигателя. В частности при помощи преобразователя частоты можно изменять скорость вращения Возникает мысль о том, чтобы приобрести частотный преобразователь для электродвигателя. Цена такого устройства для моторов мощностью 0,75 кВт составит примерно 5-7 тыс. руб.

Стоит заметить, что изменить скорость вращения можно при помощи редуктора, построенного на основе вариатора, либо шестеренчатого типа. Но такие конструкции очень большие, применять их не всегда имеется возможность. Ко всему прочему, такие механизмы необходимо своевременно обслуживать, а их надежность крайне мала. Применение частотного преобразователя позволяет уменьшить расходы на обслуживание электрического привода, а также увеличить его возможности.

Основные узлы частотного преобразователя

Любой преобразователь частоты состоит из четырех основных модулей:

1. Блока выпрямителя.
2. Устройства фильтрации постоянного напряжения.
3. Инверторного узла.
4. Микропроцессорной системы управления.

Все они взаимосвязаны, причем блок управления контролирует работу выходного каскада - инвертора. Именно с его помощью осуществляется изменение выходных характеристик переменного тока.

О нем будет подробно рассказано ниже, приведена схема. Частотный преобразователь для электродвигателя имеет еще несколько особенностей. Стоит отметить, что в состав устройства входит несколько степеней защиты, которые также управляются микроконтроллерным устройством. В частности производится контроль температуры силовых полупроводниковых элементов. Кроме того, имеется функция защиты от короткого замыкания и превышения тока. Частотный преобразователь необходимо подключать к питающей сети посредством защитных устройств. Необходимость в отпадает.

Выпрямитель преобразователя частоты

Это самый первый модуль, через который протекает ток. С его помощью производится выпрямление переменного тока - преобразование в постоянный. Происходит это благодаря использованию таких элементов, как полупроводниковые диоды. Но теперь стоит упомянуть о небольшой особенности. Вы знаете, что питание большей части осуществляется от трехфазной сети переменного тока. Но не везде такая имеется. Конечно, на крупных предприятиях она есть, но в быту ее редко используют, так как проще провести однофазную. Да и с учетом электроэнергии дела обстоят проще.

А преобразователи частоты могут питаться как от трехфазной сети, так и от однофазной. В чем же разница? А она несущественная, в конструкции используются различные типы выпрямителей. Если речь идет про однофазный частотный преобразователь для электродвигателя, то необходимо применять схему на четырех полупроводниковых диодах, включенных по мостовому типу. Но если есть необходимость питания от трехфазной сети, следует выбрать иную схему, состоящую из шести полупроводниковых диодов. Два элемента в каждом плече, в результате вы получите выпрямление переменного тока. На выходе появятся «плюс» и «минус».

Фильтрация постоянного напряжения

На выходе выпрямителя вы имеете постоянное напряжение, но оно обладает большими пульсациями, все еще проскакивает переменная составляющая. Чтобы сгладить все эти «неровности» тока, вам потребуется применять как минимум два элемента - катушку индуктивности и электролитический конденсатор. Но обо всем стоит рассказать более детально.

Катушка индуктивности имеет большое число витков, она обладает некоторым что позволяет немного сгладить пульсации тока, протекающего через нее. Второй элемент - конденсатор, включенный между двумя полюсами. Он обладает поистине интересными свойствами. При протекании постоянного тока он по закону Кирхгофа заменяться должен обрывом, то есть между плюсом и минусом как бы ничего нет. А вот при протекании переменного - проводником, отрезком провода без сопротивления. Как было сказано выше, протекает постоянный ток, но в нем присутствует небольшая доля переменного. И она-то замыкается, в результате чего попросту исчезает.

Инверторный модуль

Инверторный узел, если быть точным, наиболее важный во всей конструкции. С его помощью производится изменение параметров выходного тока. В частности его частоты, напряжения и т. д. Состоит инвертор из шести управляемых транзисторов. Для каждой фазы два полупроводниковых элемента. Стоит отметить, что в инверторном каскаде используются современные сборки из IGBT-транзисторов. Хоть самодельный, хоть частотный преобразователь Delta, самый бюджетный и доступный на сегодняшний день, состоят из одинаковых узлов. Возможности только разные.

Они имеют три входа, столько же выходов, а также шесть точек подключения к устройству управления. Стоит отметить, что при самостоятельном изготовлении частотного преобразователя необходимо производить подбор сборки по мощности. Поэтому вы должны сразу определиться с тем, какой тип электродвигателя будет подключаться к преобразователю частоты.

Микропроцессорная система управления

При самостоятельном изготовлении вряд ли получится достигнуть тех же параметров, которые имеются у промышленных образцов. Причина этого кроется вовсе не в том, что выпускаемые сборки силовых транзисторов являются неэффективными. Дело в том, что в домашних условиях изготовить модуль управления оказывается довольно сложно. Конечно, речь идет не про пайку элементов, а о программировании микроконтроллерного устройства. Самый простой вариант — это изготовить блок управления, при помощи которого можно проводить регулировку скорости вращения, осуществление реверса, защиту по току и от перегрева.

Для изменения необходимо использовать переменное сопротивление, которое подключается к порту ввода микроконтроллера. Это задающее устройство, которое подает сигнал микросхеме. Последняя анализирует уровень изменения напряжения по сравнению с эталонным, которое составляет 5 В. Система управления работает по определенному алгоритму, который пишется до начала программирования. Строго по нему происходит работа микропроцессорной системы. Очень популярны модули управления фирмы Siemens. Частотный преобразователь этого производителя имеет высокую надежность, может использоваться в любом типе электропривода.

Как настроить преобразователь частоты

На сегодняшний день имеется много производителей данного устройства. Но алгоритм настройки у всех практически одинаков. Конечно, провести настройку преобразователя частоты без определенных знаний не получится. Вам необходимо иметь две вещи — опыт в регулировке и руководство по эксплуатации. В последнем имеется приложение, в котором описаны все функции, которые могут быть запрограммированы. Обычно на корпусе частотного преобразователя имеется несколько кнопок. Как минимум четыре штуки должно присутствовать. Две предназначены для переключения между функциями, при помощи остальных производится выбор параметров либо отмена введенных данных. Для перехода в режим программирования необходимо нажать определенную кнопку.

Для каждой модели частотного преобразователя свой алгоритм входа в режим программирования. Поэтому без руководства по эксплуатации невозможно обойтись. Стоит также отметить, что функции разбиты на несколько подгрупп. И запутаться в них не составит труда. Старайтесь не изменять те настройки, которые не рекомендует трогать производитель. Эти параметры нужно менять лишь в исключительных случаях. При выборе функции программирования вы будете видеть на дисплее ее цифро-буквенное обозначение. По мере набора опыта настройка частотного преобразователя будет казаться вам очень простым делом.

Выводы

При эксплуатации, обслуживании либо изготовлении частотного преобразователя необходимо соблюдать все меры предосторожности. Помните, что в конструкции устройства имеются электролитические конденсаторы, которые сохраняют заряд даже после отключения от сети переменного тока. Поэтому, перед тем как производить разборку, необходимо дождаться разряда. Обратите внимание на то, что в конструкции частотных преобразователей присутствуют элементы, которые боятся статического электричества. В частности это относится к микропроцессорной системе управления. Поэтому проводить пайку следует со всеми мерами предосторожности.

Асинхронные двигатели используются в промышленности для обеспечения работы различных механизмов. Но они имеют один существенный недостаток - при запуске происходит кратковременный скачок тока в пять–семь раз. Кроме потерь электроэнергии, промышленные механизмы терпят ударные нагрузки, что приводит к их преждевременному изнашиванию. Поэтому было разработан частотный преобразователь или инвертор, обеспечивающий плавный пуск и останов асинхронных двигателей.

Основы работы преобразователя

Преобразователь частоты не только обеспечивает плавный пуск-остановка двигателя , но и изменяет частоту вращения ротора , регулируя частоту напряжения на входе двигателя. При этом инверторы изменяют частоту в широком диапазоне от значения частоты питающей сети. В величина напряжения питания определяет частоту вращения магнитного поля, создаваемого статором. Обозначим частоту напряжения , тогда угловая скорость магнитного поля двигателя определяется следующей формулой:

где -число пар полюсов статора. Закон пропорциональности зависит от момента нагрузки. Если момент нагрузки постоянный, то напряжение на статоре регулируется по закону

Для вентиляторов применяется следующая зависимость:

.

Если момент нагрузки обратно пропорционален скорости, то напряжение и частота связаны формулой:

По принципу управления преобразователи можно разделить на типы:

• со скалярным управлением;
• с векторным управлением.

Принцип скалярного управления заключается в управлении частотой питающего тока и силы этого тока . Скалярное управление предусматривает поддержание заданного соотношения частоты и напряжения при неизменном крутящемся моменте. Инвертор с управлением по скалярному принципу применяется для вентиляторов, компрессоров, насосов . Допускается подключение к одному преобразователю несколько двигателей.

Скалярный режим позволяет осуществлять регулировку скорости двигателя в узком диапазоне и в среднем колеблется от 1Гц до 100Гц. Это означает, что инвертор преобразует частоту вращения электрического тока сети 50Гц на входе в частоту вращения электрического тока на выходе в диапазоне 1:100Гц .

Важной характеристикой частотных преобразователей является диапазон сохранения скорости с сохранением крутящего момента вала двигателя.

Принцип действия инвертора с векторным управлением заключается в управление характеристиками частоту, силы тока и фазы питающего тока. Так как вращение ротора отстает от вращения магнитного поля статора на 3-5% при максимальном КПД и соответственно максимальной мощности и крутящем моменте, то инвертор с векторным управлением регулирует вращение фазы магнитного поля статора по отношению к вращению ротора, так, чтобы оно было всегда впереди на 3-5%.

При использовании частотного преобразователя реализованного по векторному принципу необходимы датчики обратной связи , которые отслеживают положение ротора электродвигателя. С использованием датчиков диапазон регулирования скорости увеличивается и может достигать показаний выходного тока от 1Гц до 800Гц, что составляет диапазон 1:800Гц . Что актуально для регулирования скорости в лифтовых механизмах, станках.

Название «векторное управление» возникло из-за математического представления тока, создаваемого магнитным полем статора в виде вектора, величина которого равна величине тока, а координаты зависят от фазы тока. Кратко можно сказать, что при векторном режиме управления двигатель развивает максимальный момент тогда, когда вектор магнитного поля находится под углом 103 0 — 105 0 к электрическому току в обмотке ротора. Векторный режим обеспечивает постоянный момент вращения на малых скоростях, высокую точность управления и возможность быстро регулировать скорость изменением частоты.

В инверторе используется принцип преобразования напряжения сети в два этапа. На первом этапе переменное напряжение сети (220 В/380 В) выпрямляется, сглаживается с помощью диодов и конденсаторов. В итоге на первом этапе получается напряжение постоянного тока. На втором этапе формируются прямоугольные импульсы заданной частоты. Через транзисторы инвертора они поступают на обмотки статора, где под воздействием магнитного поля превращаются в синусоидальные, соответствующие переменному току.

Преобразователи с методом широтно-импульсной модуляции напряжения (ШИМ) формируют синусоидальную кривую, параметры которой определяют амплитуду и частоту напряжения.

Виды частотных преобразователей

По назначению преобразователи выпускаются для однофазного и трехфазного напряжения. По типу управления - со скалярным или векторным управлением, о чем рассказывали выше. По типу преобразования делятся на два вида:

• с автономным инвертором напряжения (АИН);
• автономным инвертором тока (АИТ).

Современная промышленность выпускает частотные преобразователи в широком ассортименте, разной мощности и с разными функциями.

Виды входной и выходной информации

Частотные преобразователи различаются по количеству входов и выходов. Входные(выходные) сигналы делятся на следующие типы, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Дискретные сигналы		Аналоговые сигналы		Цифровые сигналы
Входные	Выходные	Входные	Выходные	Входные	Выходные
Пуск	Готов	Задание частоты от систем управления или получение сигналов от датчиков	Для подключения к устройствам отображения информации	Передают информацию от датчиков положения и скорости.	Для передачи данных АСУ
Стоп	Работа
Блокировка пуска	Отказ
Торможение
Реверс
Выбор скорости

Преобразователи частоты по способу подключения к сети делятся на однофазные и трехфазные. Однофазные частотники подключаются к бытовой сети 220 В , а на выходе формируют трехфазное напряжение. К двигателю они подключаются по схеме «треугольник» . При этом необходимо, чтобы выходной ток составлял не больше половины номинального.

Трехфазные инверторы подключаются к сети 380 В , подключение проводится по принципу «звезда» .

Частотный преобразователь на корпусе имеет ряд клемм для подключения с соответствующей маркировкой. Рассмотрим их обозначения и функции.

Отдельно имеются цифровые выходы для подключения к управляющей аппаратуре (АСУ). Количество выходов определяется производителем инверторов, подробнее они описаны в инструкции по эксплуатации на конкретную модель.

Основные правила выбора преобразователя

В зависимости от требований по мощности и типу управляемых механизмов подбирается частотный преобразователь.

• Мощность инвертора , указанная в документации, должна быть равной или больше механической мощности электродвигателя . Но при этом необходимо дополнительно ориентироваться на тип подключаемых механизмов. Для подъемных устройств выбирается преобразователь, имеющий величину мощности выше паспортного значения мощности двигателя. А для центробежного насоса допускается мощность инвертора ниже.
• Если подключаемая нагрузка отличается большой инерционностью , то в зависимости от требуемого времени разгона подбирается мощность преобразователя. Для быстрого разгона потребуется преобразователь с мощностью, больше номинальной мощности двигателя на 10-15% .
• При выборе частотника номинальный рабочий ток должен превышать значение номинального тока электродвигателя на 10% , чтобы не допустить блокировку по превышению тока.

Основным критерием выбора частотного преобразователя при невозможности одновременно удовлетворить требования по току и напряжению является выбор по полной номинальной мощности, которая должна превышать номинальную мощность двигателя.

При выборе инвертора нельзя обойти вниманием и количество входных (выходных) сигналов и их тип, что позволяет осуществлять автоматизацию производственным процессом и ее модернизацию. При этом желательно ориентироваться принципом - «входов много не бывает».

Как уже обсуждали, в первую очередь выбирается метод управления: скалярный или векторный. Скалярный способ используется для простых механизмов , где требуется обеспечение заданной скорости вращения (вентиляторы, компрессоры и т. д.), где не требуются датчики обратной связи . Векторное управление подразделяется на управление по напряжению и по току. При высоких требованиях к регулировке скорости (от 1:800) дополнительно предусмотрены специальные приводы. И есть необходимость ставить датчики обратной связи на вал

На использовании сигнала обратной связи основана работа ПИД — регулятора . ПИД — регулятор расшифровывается как пропорционально – интегрально — дифференциальный регулятор. Измеряется отклонение величины (скорости, напряжения) от уставки (заранее заданного отклонения) и управляющей системой формируется сигнал по корректировке с учетом статистической ошибки. Такая система используется при работе насосов, станков.

Использование преобразователя частоты позволяет обеспечить защиту двигателя от перегрузки (холостого хода), возникающих при сбое в работе присоединенных механизмов. При обнаружении перегрузки преобразователь формирует аварийный сигнал и выдает команду «Останов».

Дополнительная функция «Летящий пуск» позволяет осуществлять задержку пуска двигателя в зависимости от условий вращения, при перезапуске двигателя. Особенно это актуально для механизмов, допускающих вращение в одну или другую сторону.

Фильтр ЕМС уменьшает электромагнитные помехи , обеспечивая защиту преобразователя и машин, чувствительных к помехам.

Среди функций защиты системы преобразователь - двигатель перечислим основные, которые осуществляются с помощью частотника:

• от перегрузки по току;
• от перегрева;
• от замыкания выходных фаз;
• от перенапряжения;
• от неисправностей в системе питания.

Разные производители оснащают инверторы различными дополнительными функциями по согласованию с заказчиком. Поэтому выбор частотного преобразователя определяется подключаемым оборудованием и задачами, выполнение которых должна обеспечивать система преобразователь - двигатель.

Внимание! Порядок добавления тегов имеет значение! Начинайте добавлять с наиболее важного. По возможности пользуйтесь уже существующими тегами

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

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

Частотные преобразователи предназначены для плавного регулирования скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f , в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление .
Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными антипараллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.
Блок-схема инвертора показана ниже.
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.
Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.
Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).
Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.
Регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.
Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя.
Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. При использовании частотных регуляторов обеспечивается плавная регулировка скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры.
При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, тем самым увеличивает срок их службы.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка


Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.


Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3).
Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.
Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.
Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.
Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.
Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.
За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.


И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;

Вариант схемы подключения частотного преобразователя фирмы Omron.

Подключение частотных преобразователей с соблюдением требований ЭМС

Монтаж и подключение с соблюдением требований ЭМС подробно описаны в соответствующих руководствах на устройства.

Техническая информация преобразователи

Трёхфазный асинхронный двигатель был создан в конце XIX столетия и на данном этапе развития человечества является одним из незаменимых элементов в современном промышленном производстве. Для обеспечения плавного пуска и остановки такого двигателя используется специальное устройство.

Называется оно - преобразователь частоты или частотник, если попроще. Для крупных двигателей с большой мощностью наличие такого преобразователя особенно актуально . С помощью частотников можно регулировать пусковые токи, что подразумевает осуществление таких манипуляций, как контроль и ограничение их величины.

Принцип работы частотного преобразователя

Исключительно механическое управление током приводит к энергетическим потерям и уменьшению срока службы оборудования. Показатели этого тока будут в несколько раз больше номинальных , что крайне отрицательно скажется на нормальной работе оборудования.

Принцип работы частотного преобразователя заключается в том, что управление током осуществляется электронным путём. Это обеспечивает мягкий пуск, плавное регулирование работы привода, путём соблюдения соотношения между частотой и направления по специальной заданной формуле.

У частотного преобразователя существует целый ряд преимуществ, которые очень положительно характеризуют работу этого устройства. Одним из таких преимуществ является тот факт, что частотник помогает экономить потребляемую энергию . Экономия составляет примерно 50%, что само по себе является весьма большим плюсом. Кстати, с учётом потребности конкретного производства существует возможность регулирования энергии, которая потребляется в процессе работы оборудования.

Суть работы данного устройства заключается в принципе двойного преобразования напряжения. Сама суть может быть описана посредством расписывания всего двух пунктов, что позволит проследить и осознать весь принцип:

1. Напряжение сети подвергается выпрямлению и фильтрации системой конденсаторов.
2. После этого в работу вступает непосредственно электронное управление , что заключается в образовании тока с частотой, которая была заранее запрограммирована.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые поддаются воздействию обмотки статора двигателя, после чего они становятся близкими к синусоиде.

Выбор частотника

Производители таких приборов делают упор на стоимость частотных преобразователей. Из этого следует, что многие опции, которые имеются у более дорогих моделей, на дешёвых моделях преобразователей уже не будут присутствовать. Перед выбором нужного прибора следует обратить внимание на технические характеристики всех имеющихся моделей, представленных в ассортименте, а также на основные требования для конкретного использования.

• Управления может осуществляться двумя способами : векторным и скалярным. Векторное управление предоставляет возможность точной регулировки. Принцип работы скалярного управления заключается в поддержании одного соотношения между напряжением и частотой на выходе, заданного пользователем. Скалярное управление не подходит для сложных устройств и используется на более простых устройствах вроде вентилятора.
• Чем выше указанная в характеристиках мощность , тем выше универсальность преобразователя. Это означает, что это обеспечит взаимозаменяемость. К тому же обслуживание такого устройства будет проще.
• Непременно следует обратить внимание на указанный диапазон напряжения сети . Он должен быть максимально широким, что обеспечит безопасность при перепадах его норм. И нельзя не упомянуть тот факт, что повышение намного опаснее, чем понижение. При повышении могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Указанная частота обязательно должна соответствовать всем производственным потребностям . На диапазон регулирования скорости привода указывает нижний предел. При надобности в более широком следует прибегнуть к векторному управлению. Практическое применение предусматривает применение таких частот, как: от 10 до 60 Гц. Редко, но встречаются и до 100 Гц.
• Осуществление управление предусматривает использование различных входов и выходов . Чем их больше, тем, конечно же, лучше. Но нужно брать вниманию, что при большем количестве входов и выходов, значительно увеличивается стоимость частотного преобразователя, а также усложняется его настройка.
• Внимание также следует обратить и на шину управления подключаемого оборудования . Она должна совпадать с возможностью схемы частотника по количеству входов и выходов. Также не стоит забывать о том, что лучше иметь в наличии небольшой запах для возможной модернизации.
• Не стоит забывать и о перегрузочных возможностях устройства . Рекомендуется выбирать частотный преобразователь, обладающий мощность, которая будет на 15 % больше мощности используемого двигателя. Настоятельно рекомендуется прочесть инструкции, прилагающуюся к частотнику в комплекте. Производители непременно указывают в документации к устройству все его основные параметры. В том случае, если важны пиковые нагрузки, то следует обратить при выборе устройства внимание на реальные показатели тока и величины, указанные в качестве пиковых. В этом случае нужно выбрать преобразователь с показателями пикового тока, которые будут на 10% выше, чем указанные в документации.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

• Для однофазной проводки (220 В) , то есть для использования в домашних условиях, подключение должно осуществляться пользователем путём выполнения схемы «треугольник». Ток на выходе ни в коем случае не должен превышать 50% от номинального! Это очень важно!
• Для промышленного использования (трёхфазная проводка на 380В) рекомендуется осуществление подключения частотного преобразователя к двигателю по схеме «звезда».

Клеммы

Частотный преобразователь имеет определённое количество клемм, которые обозначены разными буквами, и которые нужны для разных подключений:

Для того чтобы продлить срок эксплуатации преобразователя, следует выполнять ряд требований и следовать советам, которые помогут продлить жизнь устройству:

Управление асинхронным двигателем - процесс совсем не лёгкий. Требуется обладать определёнными знаниями, чтобы успешно осуществлять все манипуляции, предполагающие как подключения, так и мероприятия по эксплуатации.

Преобразователи, которые были произведены кустарно, вполне могут быть использованы в домашних условиях и в бытовых целях. К тому же стоят такие частотники существенно меньше, чем промышленные аналоги. Но на для работы на производстве крайне не рекомендуется использовать такие преобразователи. Для таких условий следует выбирать частотники, которые были собраны на заводах. Работу на таких устройствах и их обслуживание следует доверить персоналу, который хорошо разбирается в данных устройствах и обладает достаточными знаниями для того, чтобы работать с частотниками.

Выводы

Асинхронные электродвигатели по многим параметрам превосходят двигатели постоянного тока. Превосходство это касается и устройства и надёжности. Поэтому во многих случаях пользователи выбирают именно асинхронные двигатели, руководствуясь именно соображениями насчёт их превосходства над другими устройствами.

Механическое управление током вызывает некоторые негативные последствия, так как при использовании этого варианта управления нельзя быть уверенным в стопроцентной и качественной работе оборудования. Использование частотных преобразователей для асинхронных двигателей имеет свои очень важные преимущества, которые немаловажны во многих аспектах работы с двигателями. Одним из самых главных плюсов использования электронного управления и частотников является тот факт, что эти устройства позволяют экономить расход потребляемой электроэнергии. К тому же и мощность будет больше.

Частотники следует выбирать, беря во внимание множество характеристик, которые прописываются в документации, приложенной к устройству. Частотные преобразователи, сделанные кустарно, могут пригодиться в бытовых условиях, но на производстве их использовать не стоит.

Эксплуатация преобразователей должна проводиться грамотно, в соответствии со всеми рекомендациями и правилами. Это позволит улучшить качество работы оборудования. К тому же многие советы позволят продлить работу двигателю и преобразователю. Крайне рекомендуется следить за напряжением. В случае критического повышения напряжения могут взорваться конденсаторы. Частотники должны быть использованы с оглядкой на все основные правила безопасности. Рекомендуется не браться за работу с ними в отсутствие всех необходимых знаний в этой области.