Частотник своими руками — любительская схема преобразователя

Зачем нужно делать самому преобразователь для 3-фазного электромотора, и как смастерить его своими руками? Чтобы защитить окружающую природу повсюду создаются правила, которые рекомендуют изготовителям электрических устройств делать продукцию, которая будет экономить электрическую энергию. Часто это бывает достигнуто правильным управлением частотой вращения электромотора. Преобразователь частоты легко решает эту задачу.

Частотник электромотора с тремя фазами по-разному называют: инвертор, частотный изменитель тока, приводной механизм, регулируемый частотой. Сегодня такие устройства делают разные заводы, но многие умельцы своими руками изготавливают не хуже.

Как я сам изготовил частотный преобразователь

Я изготовил преобразователь частоты и асинхронный привод для моего товарища. Ему нужен был привод для пилорамы, мощный и хороший. Так как я любил заниматься электроникой, то сразу предложил ему такую схему:

Трехфазный мост на транзисторах с диодами обратной связи я использовал, которые имелись. Управление осуществил через оптодрайвер HCPL 3120 микроконтроллером PIC16F628A. У входа припаял гасящую емкость, чтобы электролиты заряжались плавно. Затем припаял шунтовое реле. Еще установил триггер защиты тока от замыкания и перегрузки. Для управления установил две кнопки и выключатель для обратного вращения.

Силовую часть я собрал на навесном монтаже.

Резисторы, соединил параллельно по 270 кОм с помощью затворных проходных конденсаторов, позади платы их напаял. Моя плата показана на внешнем виде:

Вид этой моей платы с другой стороны:

Для подключения питающего напряжения я собрал блок питания, работающий на импульсах, обратноходовой. Вот привожу схему этого блока питания:

Как я запрограммировал микроконтроллер? Простые моргалки для меня не представляли какой-то проблемы. Получились константы в виде матрицы, над которой работал мой контроллер. Частота и напряжение были заданы этими величинами. Всю схему работы проверил на моторчике вентилятора небольшой мощности, 200 Вт. Эта моя конструкция выглядела так:

Начальные эксперименты дали хороший результат. Затем доработал программу. Раскрутил двигатель на 4 кВт, и пошел собирать управление пилорамой.

При монтаже у нас с товарищем случайно произошло замыкание и сработала защита, проверили ее работу. Мотор на 2 кВт 1500 оборотов с легкостью пилил доски. Сейчас программа еще дорабатывается для раскрутки двигателя выше номинала. Характеристики: частота от 2 до 50 герц с шагом 1,5 герц, синхронная частота, постоянно меняется, разбег от 1500 до 3500 герц, управление скалярного типа U/F, мощность мотора до 5 кВт.

Удерживаем кнопку RUN и разгоняем двигатель. Отпускаем, частота держится на уровне. Когда загорается светодиод, то привод готов к запуску.

Что такое инвертор, он же преобразователь напряжения с 12 на 220 Вольт?

Инвертор (в узком электротехническом понимании этого слова) – это устройство для преобразования постоянного тока в переменное с изменением величины действующего значения напряжения. В ещё более узком – преобразователь постоянного напряжения (12, 24 или 48 В) в переменное 220 В. И наконец, в радикально узком понимании – штуковина, позволяющая запитать от автомобильного аккумулятора различные бытовые приборы, рассчитанные на сетевое питание, а короче – весьма полезный и удобный в хозяйстве прибамбас!

По форме выходного напряжения инверторы подразделяются на следующие виды:

• Постоянное выпрямленное напряжение 220 В или переменное импульсное напряжение высокой частоты (десятки килогерц). Используются такие преобразователи крайне редко, т. к. непригодны для многих источников потребления, мало того, для некоторых могут представлять серьёзную опасность и угрозу полного кирдыка.
• Меандр 50 Гц. Используются также редко, так как выходное напряжение содержит большое количество высокочастотных составляющих. Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства импульсных источников питания, ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп. Малопригодны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока.
• Модифицированное синусоидальное напряжение 50Гц. От инверторов с модифицированной синусоидой работает практически всё, но менее эффективно, чем с чистой синусоидой. Некоторые приборы могут больше греться, сильнее гудеть и работать с пониженной мощностью. Нежелательны для работы с электродвигателями и компрессорами, а так же чувствительной радиоаппаратурой с 50-герцовыми трансформаторами.
• Чистое синусоидальное напряжение. Пригодно без всяких ограничений для любых потребителей электроэнергии!

Из сказанного выше вытекает, что предпочтительными и более универсальными являются инверторы с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Причём, для их реализации подходят готовые низкочастотные силовые трансформаторы необходимой номинальной мощности, включённые «задом на перёд». То есть — его вторичная низковольтная обмотка служит первичной, а высоковольтная первичная — вторичной. Именно такие схемы мы и рассмотрим в рамках данной статьи.
Схема, изображённая на Рис.1, а также комментарии к ней заимствованы из книги М. А. Шустова «Практическая схемотехника», раздел — «Преобразователи напряжения». Рис.1 Схема простого преобразователя напряжения 220 В, 50 Гц

Читайте также:  Типы, достоинства и недостатки автомобильных колпаков на колеса

«Максимальная выходная мощность преобразователя — 100 Вт, КПД — до 50%. Задающий генератор выполнен по схеме традиционного симметричного мультивибратора, выполненного на транзисторах ѴТ1 и ѴТ2 (КТ815). Выходные каскады преобразователя собраны на составных транзисторах ѴТ3 и ѴТ4 (КТ825). Эти транзисторы устанавливают без изолирующих прокладок на общий радиатор. Устройство потребляет от аккумулятора ток до 20 А. В качестве силового использован готовый сетевой трансформатор на 100 Вт (сечение центральной части железного сердечника — около 10 см2). У него должны быть две вторичные обмотки, рассчитанные на 8В/10А каждая. Для того, чтобы частота работы задающего генератора была равна 50 Гц, подбирают номиналы резисторов R1 и R2». Так как мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, а мощные эмиттерные повторители повторяют эту форму, то и в нагрузке будет протекать переменный ток, напоминающий по форме синусоиду и дополнительных мер по сглаживанию не требуется.

Значительно повысить КПД инвертора можно, если применить в качестве силовых каскадов не повторители напряжения, а транзисторы, работающие в ключевом режиме. Такая модификация преобразователя приведена на Рис.2.

Принцип работы преобразователя такой же, как и у предыдущего устройства. Задающий генератор (Т1, Т2) формирует два пара-фазных напряжения с частотой 50 Гц. Напряжения с выходов задающего генератора подаются на два однотипных ключевых каскада (Т3, Т4), которые коммутируют напряжение на первичной обмотке трансформатора. Поскольку мультивибратор генерирует меандр с заваленными фронтами, ключевые транзисторы срабатывают с некоторой задержкой, обуславливая формирование на выходе инвертора подобие модифицированного синусоидального напряжения. С указанными на схеме элементами выходная мощность преобразователя составляет около 200 Вт. Дальнейшего повышения КПД и увеличения мощности инвертора можно добиться простой заменой биполярных ключевых элементов на мощные MOSFET транзисторы, как это показано на Рис.2.

Многочисленные и довольно популярные схемы инверторов, построенные на специализированных микросхемах для импульсных источников питания (типа TL494, TL594 и др.) обладают следующими преимуществами: высоким КПД и не менее высокой стабильность частоты, мало зависящей от напряжения питания и внешних условий. Приведём для примера подобную схему импульсного преобразователя напряжения +12V в ~220V мощностью 100W, опубликованную в журнале «Радиоконструктор» — 07 — 17.

«Эквивалентная частота генерации составляет 50 Гц и задаётся величиной сопротивления резистора R5 и ёмкостью конденсатора С5. Резистором R4 регулируется скважность выходных импульсов. Им можно регулировать выходное напряжение. На выходах микросхемы (выводы 9 и 10) выделяются противофазные импульсы, немного задержанные относительно друг друга, чтобы не вызывать сквозного тока в схеме выходного каскада в моменты переключения. Импульсы поступают на мощные ключевые полевые транзисторы VT1 и VT2. Диоды VD2 и VD3 защищают эти транзисторы от выбросов отрицательной ЭДС на первичной обмотке импульсного трансформатора Т1.

Трансформатор Т1 — готовый низкочастотный силовой трансформатор номинальной мощностью 100W с одной первичной обмоткой на 220V и вторичной обмоткой на 18V с отводом от середины. Можно попробовать и трансформатор с вторичной обмоткой на 12V с отводом от середины или на 24V с отводом от середины. Но во втором случае, боюсь, что выходное напряжение окажется несколько ниже 220V. Трансформатор включён «задом на перёд», то есть, его вторичная низковольтная обмотка теперь служит первичной, а высоковольтная первичная — вторичной. Подключив нагрузку и мультиметр, резистором R4 выставить напряжение на нагрузке 220V».

Многие схемы, построенные на TL494, TL594 и т. д., при всех своих достоинствах, часто обладают одним, но существенным недостатком. Если не позаботиться о корректной установке «мёртвого времени» ИМС (в приведённой схеме — резистором R4), то напряжения на выходе преобразователей будет иметь форму, близкую к форме меандра со всеми вытекающими отсюда последствиями. Причём, никакие дополнительные дроссели, а также конденсаторы во вторичной обмотке трансформатора — к существенному результату не приведут!

А вот уважаемый товарищ А.П. Семьян в своей книжке «500 схем для радиолюбителей» порадовал нас оригинальным схемотехническим решением с формированием модифицированного синуса посредством цифровой микросхемы 561ИЕ8 (Рис.4).

Рис.4 Схема простого импульсного преобразователя напряжения на микросхеме 561ИЕ8

На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор с частотой 500 Гц. Делитель на DD2 формирует две импульсные последовательности частотой 50 Гц со сдвинутыми на 180° фазами для управления силовыми ключами VT1 и VT2 двухтактного преобразователя. Чтобы избежать сквозных токов переключения между выключением одного ключа и включением другого существует «мёртвая зона», равная 10% длительности периода. При подаче высокого уровня (логической «1») на вход «Блокировка» оба выходных ключа запираются. Выходная мощность преобразователя ограничена мощностью силового трансформатора Т1 и максимальным допустимым током выходных транзисторов. Коэффициент трансформации силового трансформатора Кт = 20.

В качестве выходных транзисторов подойдут IRFZ034 (15А), IRFZ044 и RG723A (30A), IRFZ046 (50A), IRFP064 (100А). Для надёжности устройства рекомендуется иметь двойной запас по току и тройной — по напряжению. Силовые цепи должны быть по возможности короче и выполнены проводами соответствующего сечения.

Создание преобразователей с чистым 50-герцовым синусом обычно сопряжено с использованием микроконтроллерных прибамбасов, что делает рассмотрение этого вопроса (для нас доблестных электронщиков) не таким уж и простым и в рамках данной статьи — нецелесообразным.

Читайте также:  3 классных идеи, как сделать гайкокол своими руками

Как сделать инвертор самому своими руками?

Вместе с производством заводских инверторов любители делают их сами, своими руками. Здесь нет ничего сложного. Такой преобразователь частоты преобразовывает одну фазу, делает из нее три фазы. Электродвигатель с похожим частотником используют в домашних условиях, мощность его не будет теряться.

Блок выпрямления в схеме расположен в начале. Далее идут фильтры, которые отсекают токовые переменные. Чтобы изготовить данные инверторы применяют транзисторы IGBT.

За тиристорами стоит будущее, хотя и в настоящем они уже применяются давно. Купленный частотник на биполярных транзисторах стоит дорого и мало где применяется (сервоприводы, металлорежущие станки с векторным управлением). Эти приводы как транспортеры и конвейеры, карусельные станки, станции подкачки воды, климатические системы управления — это большая часть от всего применения устройств заводов, где лучше использовать частотники для управления электромоторами с короткозамкнутыми якорями и можно делать управление оборотами двигателя, если подать потенциал, изменяя частоту до 50 герц.

Приведем простые примеры частотных преобразователей, которые тянули мощные электродвигатели тепловозов и электричек, имеющих в своем составе много вагонов товарных платформ, большие станции с насосами напряжением 600 вольт, обеспечивающие городские районы питьевой водой. Очевидно, что данные сильные электродвигатели не подойдут на биполярных транзисторах. Поэтому применяют активные тиристоры типа GTO, GCT, IGCT и SGCT. Они преобразуют из постоянного тока токовую сеть с тремя фазами с хорошей мощностью. Однако, имеются простые схемы на тиристорах простого типа, закрывающиеся током катода обратного. Такие тиристоры не будут действовать в режиме ШИМ, их хорошо применяют в прямой регулировке электромоторов, без тока постоянного размера. Преобразователи частоты на тиристорах в застойные времена были задействованы для моторов на постоянном токе. Фирма Сименс изобрела векторные частотники, преобразившие промышленность до неузнаваемости.

Стоимость всех деталей самодельного инвертора существенно ниже цены заводского устройства.

Такие самодельные устройства хорошо подходят для электромоторов мощностью до 0,75 кВт.

Особенности работы конструкции

Инверторы 12-220 Вольт применяются довольно широко. Рядовые автомобилисты используют их в качестве источника питания при дальних поездках. Элементарно можно включить электрическую бритву, фен, телевизор, даже чайник вскипятить. Правда, электронагревательные приборы быстро посадят аккумулятор. Поэтому лучше использовать устройства для питания приборов первой необходимости и освещения.

Самые простые самодельные инверторы 12-220 В можно изготовить из нескольких силовых транзисторов и мультивибратора. Эксплуатация прибора может происходить даже при сильном морозе. А вот для жары необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение, иначе транзисторы выйдут из строя. Простой кулер от персонального компьютера достаточно установить на радиатор охлаждения полупроводниковых силовых транзисторов.

Для чего предназначен инвертор — его принцип действия

Инвертор действует на частоту вращения асинхронных моторов. Моторы переделывают электроэнергию в механическое движение. Вращательное движение преобразуется в движения механические. Это создает большое удобство. Асинхронные моторы очень популярны во многих сторонах жизни людей.

Обороты электродвигателя можно изменять и другими устройствами. Но, у них много недостатков. Они сложны в пользовании, дорого стоят, работают с плохим качеством, разбег регулировки маленький.

Частотный преобразователь для мотора с тремя фазами легко решает эту проблему. Все знают, что пользование частотниками для изменения частоты вращения есть самый хороший и правильный метод. Такой аппарат дает мягкий пуск и торможение, а также контролирует многие процессы, происходящие в моторе. Аварийные ситуации при этом сводятся на нет.

Чтобы плавно и быстро регулировать работу двигателя, специалисты разработали специальную электрическую схему. Использование в работе частотника дает возможность работать двигателю без перерыва, экономично. Коэффициент полезного действия его достигает 98%. Это происходит за счет повышения частоты коммутации. Механические устройства не могут выполнить такие функции.

Бесперебойнику вторую жизнь!

Если у вас есть «лишний» бесперебойник, у которого полностью села батарея, его можно еще оживить. Для этого потребуется сделать небольшие изменения:

1. Убрать старый аккумулятор.
2. Припаять новые провода для подключения к аккумулятору 12 Вольт.
3. На краях проводов установить клеммы для соединения с автомобильным АКБ. Если будет использоваться устройство в машине, можно сделать питание от прикуривателя. Но нежелательно так поступать – большая мощность устройства вызывает чрезмерный нагрев проводов.

Как регулировать скорость инвертором?

Как частотник может изменять частоту вращения трехфазного электромотора? Сначала он меняет напряжение сетевое. Далее, из него получается нужная амплитуда и частота напряжения, поступает на электромотор.

Разбег интервала регулирования скорости преобразователем большой. Можно изменять вращение мотора в другую сторону. Чтобы двигатель не вышел из строя, нужно брать во внимание данные из его характеристики, допускаемые обороты, мощность.

Использование усилителей

Сейчас в профильных магазинах в основном встречаются двухканальные усилители. Кроме наличия двух каналов, остальные характеристики могут значительно отличаться. В этом случае целесообразнее выбирать те из них, которые имеют высокую электропроводность.

Обязательно учитывайте, что предельное напряжение используемых усилителей не должно быть меньше 220В. Начните сборку устройства с установки индукционной катушки. Для изготовления платформы, на которую будут установлены части системы, выбирают материал, не проводящий ток, например деревянную доску.

Как только катушка будет закреплена, установите трансформатор. Тетрод и усилитель должны находиться радом друг с другом. Чтобы стабилизировать напряжение, вам понадобится 2 фильтра.

Из чего состоит привод регулирования?

Схема частотника.

Он имеет в составе три звена:

1. выпрямитель, дающий потенциал постоянного тока при включении к питанию электрической сети. Сеть может быть управляемой или нет;
2. фильтрующий элемент, который сглаживает выходное напряжение (применяется емкость);
3. инвертор, который производит нужную частоту потенциала, крайнего звена возле электромотора.

Варианты сборки

Существует 3 оптимальных способы изготовления инвертора 12 в 220 своими руками:

1. сборка из готовых блоков или радиоконструкторов;
2. изготовление из источника бесперебойного питания;
3. использование радиолюбительских схем.

У китайцев можно найти хорошие радиоконструкторы и готовые блоки для сборки преобразователей постоянной тока в переменный 220В. По цене этот способ будет самый затратный, но требуется минимум времени.

Второй способ, это апгрейд источника бесперебойного питания (ИБП), который без аккумулятора в больших количествах продаются на Авито и стоят от 100 до 300руб.

Самый сложный вариант это сборка с ноля, без радиолюбительского опыта никак не обойтись. Придется изготавливать печатные платы, подбирать компоненты, работы очень много.

Режим управления частотников

Их делят на виды управления оборотами двигателя:

1. скалярное управление (нет связи с обратной стороны);
2. режим векторного управления (связь с обратной стороны имеется, или отсутствует).

В первом случае управляется статор с его магнитным полем. Управление вектором учитывает действие полей магнита ротора и статора, улучшается крутящий момент при разных скоростях вращения. Это и есть основное различие их режимов управления.

Способ векторов точнее и эффективнее. Обслуживать его дороже. Он больше подходит для специалистов с хорошими профессиональными умениями и знаниями. Метод управления скалярного типа наиболее прост в работе. Применяется он с выходными параметрами, не требующими регулировки особой точности.

Особенности конструкции на основе бесперебойника

С хорошим аккумулятором емкостью 55 А/ч подобная конструкция может до суток поддерживать нормальную температуру в инкубаторе на 100 яиц, например. Любой фермер знает, насколько страшно переохлаждение для инкубаторов. Правда, мощность у такого прибора небольшая, кондиционер или холодильник не смогут нормально работать.

Один недостаток у подобной конструкции – стандартная схема не сможет полностью зарядить автомобильный аккумулятор. Поэтому, когда батарея полностью сядет, необходимо ставить ее на зарядку от нормального устройства, выдающего ток свыше 5-6 Ампер.

Как подключить инвертор треугольником и звездой?

Когда мы купили инвертор по недорогой цене, то возникает необходимость: подключение его к электромотору самому без специалистов. Сначала надо установить для безопасности автоматический выключатель для обесточивания. Если возникнет короткое замыкание на фазах, то отключится вся система.

Подключить частотник к мотору можно звездой или треугольником.

Когда привод регулирования с одной фазой, то контакты электромотора присоединяют треугольником. Тогда мощность не потеряется. Мощность этого преобразователя частоты будет не более 3 кВт.

Инверторы с тремя фазами технически наиболее современны. Они питаются от заводских трехфазных сетей, подключаются звездой.

Для ограничения тока пуска и уменьшения момента пуска при пуске электромотора свыше 5 кВт можно использовать способ включения треугольник и звезда.

При включении статора применяется схема звезды, а если обороты двигателя нормальные, то переходят на вариант треугольника. Но это используется при существовании возможности соединения по двум схемам.

Отмечаем, что в варианте звезда-треугольник большие перепады тока будут всегда. При переключении на вторую схему обороты двигателя сильно снизятся. Для восстановления скорости вращения надо повысить силу тока.

Большой применяемостью оказывают пользу частотники для моторов мощностью до 8 кВт.

Модель с фазными выпрямителями

Простой преобразователь напряжения для дома с фазным выпрямителем обязательно оснащают индуктором на 40 Ом. Для этой схемы нужны будут хроматические тиристоры. Внимательно выбирайте трансформатор.

Некоторые эксперты советуют применять понижающие модели, но их не всегда удается найти в продаже. Именно поэтому, многие мастера до сих пор используют силовые модели. Для этой схемы понадобится только один усилитель. Трансформатор подключается к тетроду посредством дросселя.

Чтобы увеличить проводимость тока, можно использовать резонаторы. Обязательно проверяйте предельное напряжение трансформатора посредством специальных приборов. Чтобы тетрод не перегорел, воспользуйтесь стабилитроном. Для этой модели выпрямителя лучше приобрести двухконтактную версию. В самом конце операции не забудьте зафиксировать клеммные колодки.

Меры безопасности

Основные правила безопасности при преобразовании энергии:

Внимание! Нельзя пренебрегать правилами безопасности, иначе это может привести не только к выходу из строя бытовых приборов, но и к возгоранию, порче проводки и щитка оборудования.

Подобной работой должен заниматься только опытный электромонтер, либо человек, обладающий достаточными познаниями в электрике. Чтобы понять, как с 380 взять 220, необходимо изучить принцип действия всех приборов для преобразования энергии. Опытные мастера рекомендуют применять только трансформаторы или двигатели с конденсаторами. С данными устройствами сможет справиться даже новичок, при соблюдении всех правил безопасности.

Устройство защитного отключения

Итак, было расмотрено несколько методик преобразования тока. В заключении необходимо отметить, что процесс это достаточно сложный. В некоторых случаях необходимо специальное разрешение и допуск для работы. Некачественно выполненная работа может привести к КЗ и пожарам, нарушению целостности изоляции. Считается, что для подключения стандартных электроприборов в квартирах достаточно 220 В.

Источник

Синусоида

Форма сигнала на выходе автомобильного инвертора формируется за счёт высокочастотного генератора. Синусоида может быть быть двух видов:

1. модифицированная синусоида;
2. чистая синусоида, чистый синус.

Не каждый электрический прибор может работать с модифицированной синусоидой, которая имеет прямоугольную форму. У некоторых компонентов в меняется режим работы, они могут нагреваться и начать шабарчать. Похожее можно получить,если диммировать светодиодную лампу, у которой яркость не регулируется. Начинается треск и мигание.