Чи можна збирати частотні перетворювачі своїми руками? Принцип роботи і схема підключення частотних перетворювачів

Виготовити частотні перетворювачі своїми руками досить складно, так як необхідно дуже добре розбиратися в силовій електроніці і напівпровідниковій техніці. Але перед тим як задуматися про проектування даного пристрою, необхідно дізнатися, для яких цілей вони використовуються. Також буде потрібно знати, які основні складові у цих електронних систем.

Що таке частотний перетворювач?

Всім відомо, що в мережі змінний струм, і у нього є деяка частота. У Росії стандарт - це 50 Герц. У деяких західних країнах дещо інший стандарт - 60 Герц. Від того, яка частота струму, залежить робота багатьох пристроїв. Перетворювачі використовуються для живлення асинхронних двигунів. Причин для використання електронних засобів досить багато. Наприклад, у промисловості ПЧ одержали широке поширення, оскільки їх використання дозволяє позбутися від величезних механізмів.

Якщо докладніше, то змінити швидкість обертання стрічки на конвеєрі можна шляхом використання редуктора, в основі якого лежить якусь подобу коробки швидкостей автомобіля. Причому вона може бути як механічною (з використанням декількох шестерень), так і вариаторной. Але набагато ефективніше виявляється зміна параметрів струму, яким харчується двигун. Поворотом змінного резистора змінюється швидкість обертання транспортера. Причому частоту можна змінювати в широкому діапазоні.

Які є ще властивості у частотних перетворювачів?

Крім цього, настройки ПЧ дозволяють досягти того, що електричний двигун буде поступово набирати обертів протягом декількох секунд. Час задається користувачем за допомогою програмування функцій перетворювача частоти. Аналогічно можна вчинити і з часом зупинки якоря двигуна. Це дозволяє зменшити навантаження на привід, що прямо позначається на його ресурсі.

Крім того, для невеликих підприємств, у яких немає можливості забезпечити себе трифазної мережею, але необхідність в ній є, застосування частотних перетворювачів - це справжня панацея. Існує чимало моделей таких пристроїв, які підключаються до мережі змінного однофазного струму, а на виході у них виробляється зо три. Отже, можна в звичайну розетку включити електродвигун. І в цьому випадку він не загубиться потужності, робота його буде правильною.

Силові компоненти перетворювачів

У всіх частотних перетворювачах використані потужні IGBT або MOSFET-транзистори. Вони ідеально підходять для даного типу роботи. Вони змонтовані в окремі модулі. Такий спосіб монтажу здатний поліпшити показники електронного пристрою. Працюють дані транзистори в режимі ключа, управління проводиться за допомогою мікропроцесорної системи. Справа в тому, що все управління слабкострумове, комутація високих напруг не вимагається. Тому забезпечити це можна за допомогою самого простого мікропроцесора.

Найчастіше використовуються спеціальні збірки серій IR2132 і IR2130. Вони складаються з шести драйверів, які керують ключами. Три використовуються для нижнього, а три - для верхнього. Така збірка дозволяє реалізувати нескладний каскад частотного перетворювача. Крім того, вона має кілька ступенів захисту. Наприклад, від короткого замикання і перевантаження. Більш докладні характеристики всіх елементів можна дізнатися з керівництв. Але у всіх силових елементів є величезний недолік - висока вартість виробів.

Структурна схема перетворювача

Будь частотний перетворювач для двигуна має у своєму складі три основні блоки - випрямляч, фільтри, інвертор. Виходить так, що змінна напруга спочатку перетворюється в постійну, потім фільтрується. Після всього цього воно інвертується в змінну. Але є ще третій блок - мікропроцесорне управління інвертором. А якщо бути точніше, то потужними IGBT-транзисторами. Якщо вам траплялося мати справу з частотники, то ви знаєте, що на лицьовій панелі у них є кілька кнопок для програмування.

Інструкція частотного перетворювача підкаже вам, як провести настройки всіх функцій. Справа ця вельми складне, оскільки налаштувань навіть у самому простому пристрої досить багато. Крім того, що електронний пристрій дозволяє змінювати частоту обертання якоря двигуна, регулювати час розгону і гальмування, присутній ще й кілька ступенів захисту. Наприклад, по перевищенню струму. У разі використання такого приладу зайвими встановленні автоматичних вимикачів.

Випрямний блок

Залежно від того, яке призначення у перетворювача частоти, використовуються різні випрямні каскади. А варіант харчування може бути або від трифазної мережі, або від однофазної. Але на виході ПЧ в будь-якому випадку знаходиться трифазне змінну напругу. Але щоб проводити управління струмом, необхідно його спочатку випрямити. Вся справа в тому, що управляти змінним досить складно - необхідно застосовувати великі реостати, що не дуже зручно. Тим більше, зараз час мікроелектроніки та автоматики, застосовувати застарілі технології не просто нерозумно, а й дуже невигідно.

Для випрямляння змінного трифазного струму використовується електронний пристрій, що складається з шести напівпровідникових діодів. Включаються вони по бруківці схемою, виходить так, що кожна пара діодів служить для випрямлення однієї фази. На виході блоку випрямляча з`являється постійна напруга, його величина дорівнює тому, яке тече на вхід. На даному етапі всі перетворення закінчені, ніякого управління цим блоком не проводиться. У разі якщо проводиться живлення від однофазної мережі, досить випрямного каскаду навіть з одного діода. Але ефективніше використовувати мостову схему з чотирьох.

Блок фільтрів

Цей модуль використовується для фільтрації постійної напруги. Найпростіший варіант блоку - це котушка індуктивності, включена в розрив плюсового плеча. Між полюсами включається електролітичний конденсатор. У нього функція одна - позбутися змінної складової. Вся справа в тому, що випрямляч не здатний повністю позбавитися від пульсацій. Залишається невелика складова змінного струму, яка може видати значні перешкоди при роботі.

Для розгляду принципу роботи блоку фільтрів необхідно провести аналіз, провівши заміщення елементів. При роботі в умовах постійного струму індуктивність замінюється опором, конденсатор ж заміщається розривом ланцюга. Але ось при живленні змінним струмом ємність заміщається опором. Отже, вся змінна складова зникає, так як відбувається коротке замикання в цьому випадку. Зрозуміти це досить складно, необхідно розбиратися в теоретичних засадах електротехніки. Але частотний перетворювач 3 фази зробити без цього неможливо.

Інверторний каскад

І тут починається найцікавіше - використання потужних IGBT-транзисторів. Вони-то і управляються мікропроцесорною системою, від якості їх функціонування залежить робота всього перетворювача частоти. Така схема перетворювача напруги має широке поширення. По суті, за допомогою силових транзисторів можна інвертувати будь-яку напругу. Всього використовується шість елементів в найпростішій схемі - по два на кожну фазу. Частотний перетворювач 220 вольт видає на кожній фазі по відношенню до нуля.

Щоб позбутися від виникнення зворотної напруги, необхідно використовувати напівпровідникові діоди. Включаються вони між колектором і емітером силових транзисторів. Управління проводиться по входу бази. Як говорилося раніше, частотні перетворювачі, своїми руками виготовлені, мають у інверторному каскаді по два транзистора на кожну фазу. Включають їх pn-переходи послідовно. Із середньою точки кожного плеча знімається фаза. У продажу є готові модулі, у них є висновки для подачі постійної напруги, а також три контакту для зняття трифазного змінного. Крім того, є роз`єм для підключення микроконтроллерной системи управління.

Мікропроцесорне управління

Використовується для зміни швидкості вала двигуна перетворювач, напруга, частота якого за замовчуванням становить 50 Герц, може бути змінено за амплітудою в широкому діапазоні. А якщо конкретніше, то від нуля і до тієї частоти, яку може забезпечити мікропроцесор. До останнього вимога основне - це можливість підключення декількох пристроїв. Коли ви конструюєте перетворювач, напруга, частота якого змінюється змінним опором, має контролюватися процесором. Вибирається він ретельно, у нього має бути достатня кількість портів вводу-виводу.

Трохи ускладнити систему можна, підключивши до мікроконтролера РК-дисплей. Не вимагається від нього висока передача кольору, досить монохромного, як у простих калькуляторах. До портів введення-виведення підключаються також і кнопки для здійснення програмування. Ось так можна зробити нескладний перетворювач частоти. Ціна всіх елементів складе не більше двох тисяч рублів. А от вартість ПЧ з потужністю 200-750 Ватт коливається в інтервалі від 6500 до 12000 рублів. Залежить все від виробника і можливостей пристрою.

Корпус для пристрою

Частотні перетворювачі, своїми руками виготовляються, повинні мати надійний корпус. Від нього залежить не тільки зручність використання, а й ефективність. Основа виготовляється з алюмінію. Причина використання цього матеріалу - необхідність в якісному охолодженні. При роботі IGBT-модуль сильно нагрівається, температура підвищується і в напівпровідникових діодів. І абсолютно не має значення, перетворювач частотний 380 або ж 220 Вольт у вас.

Інша частина корпусу виготовляється з пластика. Необхідно, щоб всі силові елементи були приховані їм, щоб не відбулося випадкового торкання високовольтних висновків при роботі. У лицьовій частині необхідно передбачити отвір для РК-дисплея і кнопок. Окремо, у зручному місці, встановлюється змінний резистор. При програмуванні мікроконтролера необхідно врахувати, щоб цим опором змінювалася частота вихідного струму.

Теплообмін елементів системи

Особливу увагу слід приділити відведенню тепла. Чим могутніше розроблювальний пристрій, тим надійніше повинна бути система охолодження. Як говорилося вище, основа повинна бути виготовлено з алюмінію. Схема перетворювача напруги повинна передбачати захист від перегріву. Для цієї мети потрібно висвердлити отвір в корпусі, в нього монтується датчик температури. З нього сигнал подається через пристрій, що погодить на мікроконтролер. У разі перевищення максимальної температури навантаження повинна відключитися. Отже, відбувається вимикання модуля силових транзисторів.

Для поліпшення тепловіддачі необхідно використовувати вентилятори. Їх розташування вибрати треба так, щоб потік повітря охолоджував ребра радіатора корпусу. Для збільшення ефективності системи охолодження необхідно використовувати термопасту. Включення вентиляторів розумніше виробляти в момент запуску пристрою. Але можна і здійснити програмування контролера, використавши сигнал з датчика температури. При досягненні температури, яка дорівнює половині тієї, при якій відбувається аварійне відключення пристрою, проводиться включення вентиляторів.

Монтажна плата

В якості монтажної плати найкраще використовувати готові варіанти. У продажу є плати різних розмірів з отворами, навколо яких невеликі луджені контакти. У просторіччі вони називаються «риба». Єдине, що варто врахувати, так це можливість заміни процесора і мікросхем. Для цієї мети використовувати потрібно роз`єми, які припаиваются до плати. Частотні перетворювачі своїми руками виготовляти найкраще з розрахунком швидкої заміни елементів. Мікросхема або контролер просто встановлюються в цей роз`єм, як вилка в розетку.

Висновки

Виготовити можна і самостійно перетворювач частоти. Ціна аналогів, як ми з`ясували, значно вище. Хоча, звичайно, можливостей у них більше. Але на ділі, якщо придивитися уважніше, виявляється, що реально використовується не більше п`яти функцій. При роботі приводу необхідно змінювати частоту обертання, а також регулювати час розгону і гальмування. Трохи рідше використовується функція реверсу і зміни максимально допустимого струму.