Изготовить частотные преобразователи своими руками довольно сложно, так как необходимо очень хорошо разбираться в силовой электронике и полупроводниковой технике. Но перед тем как задуматься о проектировании данного устройства, необходимо узнать, для каких целей они используются. Также потребуется знать, какие основные составляющие у этих электронных систем.
Что такое частотный преобразователь?
Всем известно, что в сети переменный ток, и у него имеется некоторая частота. В России стандарт – это 50 Герц. В некоторых западных странах несколько иной стандарт – 60 Герц. От того, какова частота тока, зависит работа многих устройств. Преобразователи используются для питания асинхронных двигателей. Причин для использования электронных средств достаточно много. Например, в промышленности ПЧ получили широкое распространение, так как их использование позволяет избавиться от огромных механизмов.
Если подробнее, то изменить скорость вращения ленты на конвейере можно путем использования редуктора, в основе которого лежит некое подобие коробки скоростей автомобиля. Причем она может быть как механической (с использованием нескольких шестерен), так и вариаторной. Но намного эффективнее оказывается изменение параметров тока, которым питается двигатель. Поворотом переменного резистора изменяется скорость вращения транспортера. Причем частоту можно изменять в широком диапазоне.
Какие есть еще свойства у частотных преобразователей?
Кроме этого, настройки ПЧ позволяют достичь того, что электрический двигатель будет постепенно набирать обороты в течение нескольких секунд. Время задается пользователем при помощи программирования функций преобразователя частоты. Аналогично можно поступить и с временем остановки якоря двигателя. Это позволяет уменьшить нагрузки на привод, что прямо сказывается на его ресурсе.
Кроме того, для небольших предприятий, у которых нет возможности обеспечить себя трехфазной сетью, но необходимость в ней имеется, применение частотных преобразователей – это истинная панацея. Существует немало моделей таких устройств, которые подключаются к сети переменного однофазного тока, а на выходе у них вырабатывается три. Следовательно, можно в обычную розетку включить электродвигатель. И в этом случае он не потеряется мощности, работа его будет правильной.
Силовые компоненты преобразователей
Во всех частотных преобразователях использованы мощные IGBT или MOSFET-транзисторы. Они идеально подходят для данного типа работы. Они смонтированы в отдельные модули. Такой способ монтажа способен улучшить показатели электронного устройства. Работают данные транзисторы в режиме ключа, управление производится при помощи микропроцессорной системы. Дело в том, что все управление слаботочное, коммутация высоких напряжений не требуется. Поэтому обеспечить это можно при помощи самого простого микропроцессора.
Чаще всего используются специальные сборки серий IR2132 и IR2130. Они состоят из шести драйверов, которые управляют ключами. Три используются для нижнего, а три - для верхнего. Такая сборка позволяет реализовать несложный каскад частотного преобразователя. Кроме того, она имеет несколько степеней защиты. Например, от короткого замыкания и перегрузки. Более подробные характеристики всех элементов можно узнать из руководств. Но у всех силовых элементов имеется огромный недостаток – высокая стоимость изделий.
Структурная схема преобразователя
Любой частотный преобразователь для двигателя имеет в своем составе три основных блока – выпрямитель, фильтры, инвертор. Получается так, что переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем фильтруется. После всего этого оно инвертируется в переменное. Но есть еще третий блок – микропроцессорное управление инвертором. А если быть точнее, то мощными IGBT-транзисторами. Если вам случалось иметь дело с частотниками, то вы знаете, что на лицевой панели у них имеется несколько кнопок для программирования.
Инструкция частотного преобразователя подскажет вам, как провести настройки всех функций. Дело это весьма сложное, так как настроек даже в самом простом устройстве довольно много. Кроме того, что электронное устройство позволяет изменять частоту вращения якоря двигателя, регулировать время разгона и торможения, присутствует еще и несколько степеней защиты. Например, по превышению тока. В случае использования такого прибора отпадает необходимость в установке автоматических выключателей.
Выпрямительный блок
В зависимости от того, какое назначение у преобразователя частоты, используются различные выпрямительные каскады. А вариант питания может быть либо от трехфазной сети, либо от однофазной. Но на выходе ПЧ в любом случае находится трехфазное переменное напряжение. Но чтоб проводить управление током, необходимо его сначала выпрямить. Все дело в том, что управлять переменным достаточно сложно – необходимо применять крупные реостаты, что не очень удобно. Тем более, сейчас время микроэлектроники и автоматики, применять устаревшие технологии не просто неразумно, но и очень невыгодно.
Для выпрямления переменного трехфазного тока используется электронное устройство, состоящее из шести полупроводниковых диодов. Включаются они по мостовой схеме, получается так, что каждая пара диодов служит для выпрямления одной фазы. На выходе блока выпрямителя появляется постоянное напряжение, его величина равна тому, которое течет на вход. На данном этапе все преобразования закончены, никакого управления этим блоком не производится. В случае если производится питание от однофазной сети, достаточно выпрямительного каскада даже из одного диода. Но эффективнее использовать мостовую схему из четырех.
Блок фильтров
Этот модуль используется для фильтрации постоянного напряжения. Самый простой вариант блока – это катушка индуктивности, включенная в разрыв плюсового плеча. Между полюсами включается электролитический конденсатор. У него функция одна – избавиться от переменной составляющей. Все дело в том, что выпрямитель не способен полностью избавиться от пульсаций. Остается небольшая составляющая переменного тока, которая может выдать значительные помехи при работе.
Для рассмотрения принципа работы блока фильтров необходимо провести анализ, проведя замещение элементов. При работе в условиях постоянного тока индуктивность заменяется сопротивлением, конденсатор же замещается разрывом цепи. Но вот при питании переменным током емкость замещается сопротивлением. Следовательно, вся переменная составляющая исчезает, так как происходит короткое замыкание в этом случае. Понять это достаточно сложно, необходимо разбираться в теоретических основах электротехники. Но частотный преобразователь 3 фазы сделать без этого невозможно.
Инверторный каскад
И здесь начинается самое интересное – использование мощных IGBT-транзисторов. Они-то и управляются микропроцессорной системой, от качества их функционирования зависит работа всего преобразователя частоты. Такая схема преобразователя напряжения имеет широкое распространение. По сути, с помощью силовых транзисторов можно инвертировать любое напряжение. Всего используется шесть элементов в простейшей схеме – по два на каждую фазу. Частотный преобразователь 220 вольт выдает на каждой фазе по отношению к нулю.
Чтобы избавиться от возникновения обратного напряжения, необходимо использовать полупроводниковые диоды. Включаются они между коллектором и эмиттером силовых транзисторов. Управление производится по входу базы. Как говорилось ранее, частотные преобразователи, своими руками изготовленные, имеют в инверторном каскаде по два транзистора на каждую фазу. Включают их p-n-переходы последовательно. Со средней точки каждого плеча снимается фаза. В продаже имеются готовые модули, у них имеются выводы для подачи постоянного напряжения, а также три контакта для снятия трехфазного переменного. Кроме того, имеется разъем для подключения микроконтроллерной системы управления.
Микропроцессорное управление
Используется для изменения скорости вала двигателя преобразователь, напряжение, частота которого по умолчанию составляет 50 Герц, может быть изменено по амплитуде в широком диапазоне. А если конкретнее, то от нуля и до той частоты, которую может обеспечить микропроцессор. К последнему требование основное – это возможность подключения нескольких устройств. Когда вы конструируете преобразователь, напряжение, частота которого меняется переменным сопротивлением, должно контролироваться процессором. Выбирается он тщательно, у него должно быть достаточное количество портов ввода-вывода.
Немного усложнить систему можно, подключив к микроконтроллеру ЖК-дисплей. Не требуется от него высокая цветопередача, достаточно монохромного, как в простых калькуляторах. К портам ввода-вывода подключаются также и кнопки для осуществления программирования. Вот так можно сделать несложный преобразователь частоты. Цена всех элементов составит не более двух тысяч рублей. А вот стоимость ПЧ с мощностью 200-750 Ватт колеблется в интервале от 6500 до 12000 рублей. Зависит все от производителя и возможностей устройства.
Корпус для устройства
Частотные преобразователи, своими руками изготавливаемые, должны иметь надежный корпус. От него зависит не только удобство использования, но и эффективность. Основа изготавливается из алюминия. Причина использования этого материала – необходимость в качественном охлаждении. При работе IGBT-модуль сильно нагревается, температура повышается и у полупроводниковых диодов. И совершенно не имеет значения, преобразователь частотный 380 или же 220 Вольт у вас.
Остальная часть корпуса изготавливается из пластика. Необходимо, чтобы все силовые элементы были скрыты им, чтобы не произошло случайного касания высоковольтных выводов при работе. В лицевой части необходимо предусмотреть отверстие для ЖК-дисплея и кнопок. Отдельно, в удобном месте, устанавливается переменный резистор. При программировании микроконтроллера необходимо учесть, чтобы этим сопротивлением изменялась частота выходного тока.
Теплообмен элементов системы
Особое внимание следует уделить отводу тепла. Чем мощнее разрабатываемое устройство, тем надежнее должна быть система охлаждения. Как говорилось выше, основание должно быть изготовлено из алюминия. Схема преобразователя напряжения должна предусматривать защиту от перегрева. Для этой цели требуется высверлить отверстие в корпусе, в него монтируется датчик температуры. С него сигнал подается через согласующее устройство на микроконтроллер. В случае превышения максимальной температуры нагрузка должна отключиться. Следовательно, происходит выключение модуля силовых транзисторов.
Для улучшения теплоотдачи необходимо использовать вентиляторы. Их расположение выбрать нужно так, чтобы поток воздуха охлаждал ребра радиатора корпуса. Для увеличения эффективности системы охлаждения необходимо использовать термопасту. Включение вентиляторов разумнее производить в момент запуска устройства. Но можно и осуществить программирование контроллера, использовав сигнал с датчика температуры. При достижении температуры, равной половине той, при которой происходит аварийное отключение устройства, производится включение вентиляторов.
Монтажная плата
В качестве монтажной платы лучше всего использовать готовые варианты. В продаже имеются платы разных размеров с отверстиями, вокруг которых небольшие луженые контакты. В просторечии они называются «рыба». Единственное, что стоит учесть, так это возможность замены процессора и микросхем. Для этой цели использовать нужно разъемы, которые припаиваются к плате. Частотные преобразователи своими руками изготавливать лучше всего с расчетом быстрой замены элементов. Микросхема или контроллер просто устанавливаются в этот разъем, как вилка в розетку.
Выводы
Изготовить можно и самостоятельно преобразователь частоты. Цена аналогов, как мы выяснили, значительно выше. Хотя, конечно, возможностей у них больше. Но на деле, если присмотреться внимательнее, оказывается, что реально используется не больше пяти функций. При работе привода необходимо изменять частоту вращения, а также регулировать время разгона и торможения. Немного реже используется функция реверса и изменения максимально допустимого тока.
