Частотник для асинхронного трехфазного электродвигателя своими руками и принцип его работы

Асинхронные 3-х фазные движки очень широко применяются не только в промышленных отраслях, но и в других областях. Очень сложно нормально организовать работу современного оборудования без подобных агрегатов. Ведь самая важная составляющая работы механизма - это его плавный пуск и остановка. Чтобы обеспечить плавный запуск машины и также плавно остановить ее после выполненной работы, изобрели преобразователи частоты - данные устройства довольно эффективны, когда речь идет о крупных электромоторах с высокой мощностью. Именно при помощи приводов прекрасно выполняют регулировку пусковых токов и возможность контроля за ними, чтобы они не превышали допустимые значения. Чтобы правильно использовать данную аппаратуру, нужно знать, по какому принципу работает преобразователь для асинхронного электродвигателя. С его применением получится продлить срок эксплуатации оборудования и уменьшить потери электричества. Мало того, что управление электронное, так еще и пуск мягкий - все это позволяет обеспечить плавное регулирование работы приводов, а соотношение между напряжением и частотой идеальное.

Что из себя представляют приводы

К их главной функции относится плавная регулировка вращательной скорости асинхронных моторов. Для этой цели на входах устройств создают 3-х фазную силу тока с переменной частотой.  Также можно встретить и другое название - инверторы. В основе их принципа работы лежит выпрямление переменного тока промышленных сетей. Прибегают к использованию выпрямительных диодов, которые объединяют в общий блок. Фильтруют ток конденсаторы, у которых высокая емкость - они призваны снижать до минимальных показателей пульсацию поступающего питания. 

Принцип работы инверторов

Для того, чтобы качественно и эффективно управлять асинхронным электромотором, необходимо к нему подсоединить инвертор. В общую конструкцию входит частотно-регулируемый привод, позволяющий значительно улучшать технические показатели механизмов и машин. Именно ПЧ выступает в качестве одного из управляющих элементов. Его основная функция - это смена частоты для питающей сети. Конструкцию имеет в виде статических электронных узлов, а формирует переменный ток на выходной клемме. Получается, что благодаря изменению амплитуды происходит регулировка скорости вращения двигателя. Каким образом происходит управление асинхронными моторами:

1. Векторным - удержание момента нагрузки в постоянном виде в разных диапазонах регулировок частоты. Становится более точным управление, привод гибко реагирует на смену выходной нагрузки. В итоге вращательный момент двигатель находится под управлением ЧП. Также следует брать в расчет, что момент вращения будет образовываться в зависимости от токов статора. Фаза статорных токов при векторном управлении меняется. Именно она и управляет вращательным моментом.
2. По линейному закону работает скалярное управление - частота с амплитудой находятся в пропорциональной зависимости между собой. Переменная частота приведет к смене амплитуды питания, которое поступает и оказывает влияние на коэффициент мощности оборудования, крутящий момент и КПД. Также нужно учесть зависимость выходящей частоты от нагрузочного момента на валах движка. Чтобы добиться равномерного и постоянного момента нагрузки, отношение выходной частоты к амплитуде напряжения должно быть одинаковым. Именно это равновесие и поддерживает частотник.

Способы настройки преобразователей для электродвигателей

Чтобы частотники для асинхронных движков полностью выполняли свои функции, их нужно правильным образом подключать и настраивать. Изначально подключают в сеть, размещая под прибором автоматический переключатель. При этом его номинальная мощность должна быть сопоставима с величиной тока, которую потребляет двигатель. Если эксплуатация ЧП предполагается в 3-х фазной сети, то автомат нужно использовать такой же. И рычаг нужен общий, чтобы в случае короткого замыкания на одной фазе быстро отключались и другие. 

Самостоятельное подключение частотников

Прежде чем подключать устройство, лучше применить обесточивающий автомат, который обеспечит отключение всей системы на случай короткого замыкания. Всего есть только два варианта соединения частотников с электродвижками. Либо треугольником - когда нужно управлять однофазными приводами, либо звездой - когда нужно подключить трехфазный инвертор, запитывающий промышленные 3-х фазные сети. Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент во время запуска электромотора нужно применять переключение со звезды на треугольник. При пуске питания на статор преобладает подключение звездой. А когда скорость стремится к номинальной, тогда это уже ближе к треугольнику. Это возможно в том случае, если позволят технические возможности подключения по двум схемам. У тока срабатывания должны быть характеристики, которые полностью соответствуют токам отдельных фаз электродвигателя. Если ЧП будут применять в однофазных сетях, то лучше использовать одинарные автоматы, но их номинал должен быть трижды выше тока одной фазы. От количества фаз не зависит во время установки частотника, включаются в нулевой провод или в заземляющий разрыв. Желательно прибегать к прямому подключению.

Как сконструировать частотный привод своими руками

При разработке привода следует делать упор на то, чтобы конструкция была эффективной и стоила немного. Также необходима защита и и гибкость. В итоге выйдет инвертор, у которого следующие функции:

• намагничивания двигателя;
• полной остановки мотора;
• скорости набора частоты от 5 до 50 Гц за секунду;
• максимальной мощности с модулем 750 Вт;
• выходной частоты от 5 до 200 Гц;
• входа реверса;
• возможности менять характеристику У/Ф;
• контроля напряжения ДС звена;
• вольт добавки от 0 до 20 %.

Когда подается питание, то происходит заряд емкости ДС звена. Когда оно достигнет 220 В, произойдет определенная задержка и включится реле предзаряда, загорится единственный светодиод. Можно считать, что привод полностью готов к работе. Чтобы управлять частотником, в наличии шесть входов.  [caption id="attachment_4579" align="aligncenter" width="1600"] схема девайса[/caption]

По какому алгоритму работает устройство

С самого начала микроконтроллер настроен на работу с электродвигателем с номинальной мощностью 220 В, а частота вращения поля 50 Гц - речь идет об обычном частотнике. Набирается частота со скоростью где-то на уровне 15 Гц за секунду. Вольт добавку устанавливают на уровне 10 % с длительностью намагничивания 1 секунду. Эта величина является неизменной. Продолжительность торможения постоянными токами 1 секунда. Не стоит забывать,  что величина электричества в момент намагничивания и торможения изменяется в одно время. Частотные преобразователи скалярные. Когда растет выходная скорость, то растет и выходной ток. Если в момент вращения движка изменить задание на резисторе, то оно сможет измениться только когда команда будет дана повторно. Грубо говоря, данные с резистора будут читаться при отсутствии этих двух сигналов. Если планируется регулировка скорости при помощи резистора в момент работы, то нужно будет устанавливать джампер. 

Особенности настроек и регулирования

Прежде чем в первый раз включить привод, необходимо его настроить и проверить, правильно ли смонтированы все электронные компоненты и настроен делитель напряжения для ДС звена. Если на 100 вольт звена 1 вольт на 23, то можно считать настройку завершенной. Плата перед подачей тока промывается и удаляются остатки канифоли со стороны пайки при помощи спирта или растворителя, покрывается лаком плата.  У привода присутствуют заводские настройки - они подойдут как для движка с напряжением 220В, так и для движка с током 380В. Чтобы выставить заводские настройки для движка 220 в и частотой 50 Гц следует выполнить следующие действия:

1. Привод включается.
2. Ожидается готовность.
3. Нажимается и удерживается кнопка В1, пока светодиод не замигает, тогда кнопку можно отпускать.
4. Подается команда выбора скорости. Когда светодиод уже не мигает, команда убирается.
5. Можно считать привод настроенным. 

Во время этих настроек в автоматическом режиме записываются параметры номинальной частоты движка, интенсивность разгона, вольт добавки, интенсивность торможения. Получается, что пока светодиоды мигают, то привод настраивается.  [caption id="attachment_4580" align="aligncenter" width="600"] плата[/caption]

Что касается питания

Лучше всего воспользоваться трансформатором, потому что он надежнее всех остальных вариантов. Обязательна установка защитного диода. Какие движки можно подключать к самодельным преобразователям частоты? В данном случае большое значение имеет модуль. Следует учитывать, что некоторые модули рассчитаны на небольшие импульсные токи и имеют встроенную защиту на уровне 15 А. А это крайне мало. Если речь идет о двигателе в 50 Гц, то этого вполне достаточно. Когда вы располагаете высокооборотистым шпинделем, то зачастую у них небольшое сопротивление обмотки. Данные модули можно будет пробить импульсными токами. 

Предназначение частотно регулируемых приводов

С того момента как появились инверторы ничто не обходится без их использования. Самый значительный момент при работе - это плавное торможение и плавный пуск. И чтобы это требование выполнить, необходимо прибегать к помощи частотников. Названий у них много, но функционал один. При помощи инверторов происходит регулировка вращательной скорости асинхронного движка, который предназначен для преобразования электроэнергии в механическую. Благодаря специально разработанной схеме частотников получается довести коэффициент полезного действия движка до уровня 99%. Чем больше мощность движка, тем нужнее ему инвертор, который осуществляет смену пусковых токов и задает нужную для них силу. Когда используешь ручное управление пусковых токов, то это может закончиться чрезмерными энергозатратами и в результате это снизит срок эксплуатации электромотора. Когда нет инвертора, то превысится номинальное значение напряжения в разы. Именно работа в таком отрицательном режиме оказывает отрицательное влияние. Именно приводы призваны обеспечить плавное управление работой движка. Ориентироваться нужно на сбалансированные значения частоты и напряжения, в результате в два раза снизится потребление энергии. Именно частотник обеспечивает все эти положительные моменты. По какому принципу действуют приводы:

• продуцируют прямоугольные импульсы и затем корректируют амплитуду с помощью обмотки статора;
• электронное управление, формирующее определенную частоту, которая соответствует предварительно обозначенному режиму и трехфазному напряжению;
• регулировка сетевого тока посредством выпрямления и фильтрования в звене прямого тока.

Перед тем как решиться на покупку привода, нужно понимать, что это недешевое приобретение. Либо он будет малофункциональным и как следствие бесполезным. Тип управления частотника тоже отличается: либо скалярный, либо векторный. Рабочие режимы ограничиваются заданными выходными соотношениями напряжения и частоты. Мощность частотника тоже крайне важна. Чтобы снизить вероятность поломки при возможных резких скачках напряжения, лучше воспользоваться питающей сетью с широким диапазоном питания. Если оно превысит максимально допустимые значения, то конденсаторы просто взорвутся. https://youtu.be/KrrsJXgZVR8