Принцип работы и назначение частотных преобразователей: как сделать своими руками

Содержание

• 1 Что такое частотник
• 2 Классификация преобразователей частоты
• 3 Структура частотного преобразователя
• 4 Непосредственные частотные преобразователи (НПЧ)
• 5 Частотные преобразователи со звеном ПТ
• 6 Принцип действия преобразователя частоты
• 7 Как подключить и настроить ПЧ
• 8 Для чего преобразователь напряжения и частоты (ПНЧ)
• 9 Где используются частотные преобразователи
• 10 Способ управления
• 11 Как выбрать частотник
  • 11.1 По мощности
  • 11.2 Напряжение в сети
  • 11.3 Частотная регулировка
  • 11.4 Дискретные входы
  • 11.5 Соотношение цены и количества выводов
  • 11.6 Перегрузки и ШУ
• 12 Как сделать преобразователь частоты собственноручно
• 13 Видео

Изменить скорость вращения электромотора можно, используя силовое электронное устройство – преобразователь частоты (ПЧ). С его помощью выполняют изменение частоты трёхфазного или однофазного напряжения. Изменению подвергается переменный ток частотой 50 Гц. С помощью ПЧ его преобразуют в трёх,- или однофазный ток с частотой, лежащей в интервале 1-800 Гц.

Преобразователь частоты Delta VFD004EL43A

Что такое частотник

Частотником в обиходе называют ПЧН (преобразователь частоты и напряжения). Это устройство, позволяющее не только регулировать частоту переменного тока и напряжения, но и создавать целый спектр защитных опций для присоединяемой нагрузки.

Важно! Изменение частоты на выходе ПЧ относительно частоты на входе происходит по обусловленному порядку V/f или с применением векторного регулирования.

Классификация преобразователей частоты

Подобные устройства можно разделить на два типа: электроиндукционный и электронный. К первым ПЧ относятся работающие в режиме генератора-преобразователя асинхронные моторы с фазными роторами.

Преобразователь частоты

Ко вторым – следует относить электронные ПЧ (инверторы). Они подразделяются на два вида:

• непосредственные;
• двухзвенные.

Подключаемые непосредственно в сеть и не нуждающиеся в дополнительных устройствах реверсивные преобразователи на тиристорах представляют собой непосредственные ПЧ.

Двухзвенные ПЧ включают в свой состав транзисторную или тиристорную схему (одно звено) и второе звено постоянного тока (ПТ).

К сведению. Двухзвенные преобразователи всегда идут в комплекте: инвертор частотник и выпрямитель, который выдаёт постоянный ток.

Классификация ПЧ

Структура частотного преобразователя

Все виды преобразователей напряжения

Состав блоков, из которых состоят устройства, зависит от их класса. Преобразователи непосредственного включения состоят из блоков:

• блок системы управления;
• тиристорный блок (управляемый выпрямитель);
• электродвигатель.

Структура ПЧ с узлом постоянного тока (ПТ) выглядит следующим образом:

• звено ПТ;
• импульсный инвертор трёх фаз;
• управляющая система.

Нагрузкой тоже выступает электродвигатель, частота вращения которого подлежит регулировке.

Непосредственные частотные преобразователи (НПЧ)

К этим типам устройств относятся аппараты, выполненные по двум схемам: естественного и принудительного коммутирования. Циклоконверторы обладают естественной коммутацией и включают в себя совокупность преобразователей на реверсивных тиристорах. Используются также сборки, имеющие совместное или раздельное управление.

Упрощённая схема НПЧ с естественной коммутацией Особенности преобразователя напряжения с 12В в 220 В

Принудительная коммутация НПЧ выполняется с применением запираемых тиристоров или транзисторов, входящих в состав ключей управления (матриц). Непосредственное управление осуществляет ШИМ – контроллер.

Внимание! ШИМ – это широтно-импульсная модуляция, которая позволяет управлять частотой и напряжением на двигателе, изменяя скважность управляющих ключами импульсов. В этом случае любую фазу сети можно подключить к любой фазе мотора.

ПНЧ с принудительной коммутацией

Частотные преобразователи со звеном ПТ

В состав такого звена входят выпрямитель, не имеющий управления, и фильтр. Трёхфазное переменное напряжение, поданное на его вход, выпрямляется и фильтруется. После чего снова при помощи инвертора преобразуется в переменное напряжение, но его уже возможно изменять по частоте и амплитуде.

Схема двойного преобразования

Принцип действия преобразователя частоты

Преобразователь напряжения и частоты работает следующим образом:

• выпрямленное напряжение поступает на 6 ключей, собранных на транзисторах;
• обмотки мотора присоединяются к «+» и «-» звена ПТ;
• управляемый инвертор преобразует сглаженное постоянное напряжение в переменное (трёхфазное).

Управляя инвертором, изменяют такие параметры, как частота, напряжение и амплитуда (U, V, W).

Как подключить и настроить ПЧ

Подключение можно выполнять, как к трёхфазной (380 В), так и однофазной сети (220 В). При присоединении следует обеспечить следующие действия (для обоих вариантов):

• установить защитный автомат в фазной цепи перед преобразователем (однофазный или трёхфазный выключатель);
• выходы фаз ПЧ соединить с контактами обмоток электродвигателя, предварительно соединённых в «звезду» или «треугольник» (отмечено в инструкции по эксплуатации частотника);
• подключить к аппарату и разместить в доступном месте управляющий ПЧ пульт.

Подключение ПЧ к трёхфазной сети

Важно! Токи автоматических выключателей подбираются по току фазы (Iф) для трёхфазной сети и трёхкратному Iф – для однофазной сети.

Подключение ПЧ к однофазной сети

После того, как схема собрана, регулятор вращения вала мотора убирают в минимальное положение. Далее выполняется следующее:

• включают автомат и подают питание;
• фиксируют включение по индикации светодиодов на панели (начальные показания);
• далее нажимают кнопку «ПУСК» («RUN») кратковременным нажатием (пуск осуществится по запрограммированным изготовителем параметрам «по умолчанию»);
• медленное вращение вала в нужную сторону указывает на правильную регулировку, в противном случае изменяют направление движения с помощью опции «реверс»;
• после пуска выставляют желаемую частоту вращения вала электродвигателя.

Внимание! Возможно, на дисплее высвечивается частота напряжения питания (Гц) вместо значений частоты, с которой вращается вал (об./мин.). Не стоит путать эти две величины.

Для чего преобразователь напряжения и частоты (ПНЧ)

Он необходим для управления приводом синхронных и асинхронных электрических машин. Там, где необходимо осуществлять контроль над частотой вращения вала, используют ПНЧ.

Где используются частотные преобразователи

Подобной аппаратурой пользуются в промышленных масштабах: в устройствах, требующих регулировки скоростей вращения электромоторов и устранения негативного влияния амплитудных токов при пуске. К подобным устройствам относятся:

• лифты;
• насосы центробежные, центрифуги и вентиляторы;
• трaнcпортёры и поточные линии;
• станки, требующие точного позиционирования.

Наличие обратной связи при управлении ПЧ обеспечивает корректную регулировку вращения привода.

Способ управления

Частотные преобразователи управляются разными способами. К основным комaндам относятся: пуск, остановка, регулировка скорости, аварийное торможение. Эти действия допустимо выполнять как с панели ПЧ, так и с пульта. Это касается подачи комaнд от оператора к оборудованию. Осуществлять управление работой электропривода моторов ЧМ может следующими способами:

• скалярным;
• векторным.

Скалярная регулировка опирается на постоянное соотношение выходных напряжения и частоты (Uвых/Fвых). Данный метод не требует применения датчика, указывающего на текущее положение ротора. Применяется там, где нагрузки не изменяющиеся, и нет повышенных динамических нагрузок.

Важно! При такой регулировке нагрузка на двигатель влияет на скорость: при большой нагрузке скорость уменьшается, при малой – увеличивается.

Векторный метод опирается не только на контроль над U/F, но и угол, и величину вектора прострaнcтва (фазу). При данном методе отсутствует инерционность регулировки, она осуществляется в большом интервале скоростей.

Внимание! При векторном способе нагрузка не влияет на скорость вращения, постоянство скорости достигается при помощи автоматической корректировки напряжения на выходе.

Как выбрать частотник

Существует несколько критериев, по которым выбирают аппарат.

По мощности

Мощность преобразователя (P) должна быть немного больше, чем электрическая мощность двигателя, которым он будет управлять. Электрическая мощность, которую двигатель будет потрeбллять, равна произведению значений напряжения и тока (В*А). Частотник подбирают с 15-20% запасом мощности.

Шильдик на электродвигателе

Напряжение в сети

От того, какое напряжение будет являться питающим (380 В или 220 В), зависит выбор регулятора. Величина Uпит указана в техпаспорте прибора.

Частотная регулировка

Интервал регулировки частот преобразователя, заявленный производителем, должен позволять регулировать вращение вала присоединяемого электромотора в спектре его скоростных хаpaктеристик.

Дискретные входы

Наличие входов обязательно. Они нужны для подачи (ввода) комaнд. С их помощью можно изменять параметры преобразователя и его состояние.

Дискретные входы

Соотношение цены и количества выводов

Подобрать частотник по цене можно, руководствуясь количеством функциональных выводов. От их количества зависит не только стоимость, но и удобство подключения, управления, настройки и регулировки.

Схема выводов инвертора Delta VFD-B

Перегрузки и ШУ

Шина управления (ШУ) подбирается под конкретный инвертор. Хорошим вариантом при приобретении будет ШУ, которая имеет достаточный запас колодок (разъёмов) для подключения. Это позволит в дальнейшем подключать к аппарату дополнительную аппаратуру, устройства защиты от перегрузок. Учесть все необходимые качества поможет сборка частотного преобразователя своими руками.

Как сделать преобразователь частоты собственноручно

Многие любители пробуют изготавливать преобразователи частоты своими руками.

Схема самодельного инвертора

Схема хорошо работает с мотором мощностью до 1 кВт, российского и зарубежного производства.

Для изготовления инвертора понадобятся следующие детали:

• микросхемы: К155ЛА3, К155ИЕ4, К155ЛП5;
• транзисторы: КТ315 (3 шт.), КТ817В (3шт.);
• диоды: КД105Г – 3 шт.;
• резисторы сопротивлением: 10 кОм (3 шт.), 6,2 кОм (3 шт.), 1 кОм (3 шт.), 220 Ом и переменный резистор на 1 кОм;
• конденсаторы: 0,33 и 0,1 мкФ;
• электролитические конденсаторы: 100 мкФ*10 В и 1000 мкФ*50 В.

Этому частотнику, своими руками изготовленному, обязательно нужен блок питания на 27 В и 5 В постоянного напряжения. Электродвигатель подключают согласно схеме.

Включение электромотора в схему

Если обращаться к современным технологиям, то создание инвертора можно выполнять на базе платформы Ардуино. Регуляторы частоты – незаменимая вещь для управления электроприводом, как в бытовых, так и в промышленных условиях.

Видео