Projektowanie przetwornic częstotliwości własnymi rękami jest dość trudne, ponieważ trzeba bardzo dobrze znać energoelektronikę i technologię półprzewodnikową. Zanim jednak pomyślisz o zaprojektowaniu tego urządzenia, musisz dowiedzieć się, do jakich celów są one używane. Będziesz także musiał wiedzieć, jakie są główne elementy tych systemów elektronicznych.
Co to jest przetwornica częstotliwości?
Wszyscy wiedzą, że w sieci jest prąd zmienny i ma on określoną częstotliwość. W Rosji standardem jest 50 Hz. W niektórych krajach zachodnich nieco innym standardem jest 60 Hz. Działanie wielu urządzeń zależy od częstotliwości prądu. Przetwornice służą do zasilania silników asynchronicznych. Istnieje wiele powodów, dla których warto korzystać ze środków elektronicznych. Na przykład w przemyśle falowniki stały się powszechne, ponieważ ich zastosowaniepozwala pozbyć się ogromnych mechanizmów.
Bardziej szczegółowo, możesz zmienić prędkość obrotu taśmy na przenośniku za pomocą skrzyni biegów, która opiera się na rodzaju skrzyni biegów samochodowej. Co więcej, może być mechaniczny (przy użyciu kilku biegów) lub CVT. Ale o wiele bardziej efektywna jest zmiana parametrów prądu zasilającego silnik. Obracanie rezystora zmiennego zmienia prędkość obrotową przenośnika. Ponadto częstotliwość można zmieniać w szerokim zakresie.
Jakie inne funkcje mają przetwornice częstotliwości?
Ponadto ustawienia falownika umożliwiają stopniowe zwiększanie prędkości silnika elektrycznego w ciągu kilku sekund. Czas jest ustawiany przez użytkownika poprzez programowanie funkcji przemiennika częstotliwości. Podobnie możesz zrobić z czasem zatrzymania twornika silnika. Zmniejsza to obciążenie dysku, co bezpośrednio wpływa na jego zasoby.
Ponadto dla małych firm, które nie mają możliwości zaopatrywania się w sieć trójfazową, ale jest na to zapotrzebowanie, stosowanie przetwornic częstotliwości jest prawdziwym panaceum. Istnieje wiele modeli takich urządzeń podłączonych do jednofazowej sieci prądu przemiennego i wytwarzają trzy na wyjściu. Dzięki temu możliwe jest podłączenie silnika elektrycznego do zwykłego gniazdka. I w tym przypadku nie straci mocy, jego praca będzie poprawna.
Komponenty zasilania konwerterów
Wszystkie przetwornice częstotliwości wykorzystują potężne tranzystory IGBT lub MOSFET. Są idealne do tego typu prac. Są montowane w osobnych modułach. Ta metoda instalacji może poprawić wydajność urządzenia elektronicznego. Tranzystory te pracują w trybie klucza, sterowanie odbywa się za pomocą układu mikroprocesorowego. Faktem jest, że cała kontrola jest niskoprądowa, przełączanie wysokich napięć nie jest wymagane. Dlatego można to osiągnąć za pomocą najprostszego mikroprocesora.
Najczęściej używane zespoły specjalne serii IR2132 i IR2130. Składają się z sześciu kierowców, którzy kontrolują kluczyki. Trzy są używane na dole i trzy na górze. Taki montaż pozwala na realizację prostej kaskady przetwornicy częstotliwości. Dodatkowo posiada kilka stopni ochrony. Na przykład przed zwarciem i przeciążeniem. Bardziej szczegółową charakterystykę wszystkich elementów można znaleźć w instrukcjach. Ale wszystkie elementy zasilania mają ogromną wadę - wysoki koszt produktów.
Schemat strukturalny konwertera
Każda przetwornica częstotliwości dla silnika ma trzy główne bloki - prostownik, filtry, falownik. Okazuje się, że napięcie AC jest najpierw konwertowane na DC, a następnie filtrowane. Po tym wszystkim jest odwracany w zmienną. Ale jest trzeci blok - mikroprocesorowe sterowanie falownikiem. A żeby być bardziej precyzyjnym, potężne tranzystory IGBT. Jeśli kiedykolwiek miałeś do czynienia zprzetwornice częstotliwości to wiadomo, że na przednim panelu mają kilka przycisków do programowania.
Instrukcja obsługi falownika zawiera wskazówki dotyczące konfiguracji wszystkich funkcji. To bardzo skomplikowana sprawa, ponieważ ustawień jest całkiem sporo nawet w najprostszym urządzeniu. Oprócz tego, że urządzenie elektroniczne pozwala na zmianę częstotliwości obrotów twornika silnika, regulację czasu przyspieszania i zwalniania, istnieje również kilka stopni ochrony. Na przykład przetężenie. W przypadku korzystania z takiego urządzenia nie ma potrzeby instalowania automatycznych wyłączników.
Prostownik
W zależności od przeznaczenia przetwornicy częstotliwości stosowane są różne stopnie prostownika. A opcja zasilania może pochodzić z sieci trójfazowej lub z sieci jednofazowej. Ale na wyjściu falownika w każdym przypadku występuje trójfazowe napięcie przemienne. Aby jednak kontrolować prąd, należy go najpierw wyprostować. Chodzi o to, że sterowanie zmienną jest dość trudne - konieczne jest użycie dużych reostatów, co nie jest zbyt wygodne. Co więcej, teraz jest czas mikroelektroniki i automatyki, nie tylko nierozsądne jest stosowanie przestarzałych technologii, ale także bardzo nieopłacalne.
Urządzenie elektroniczne składające się z sześciu diod półprzewodnikowych służy do prostowania trójfazowego prądu przemiennego. Załączane są w układzie mostkowym, okazuje się, że każda para diod służy do prostowania jednej fazy. Na wyjściu prostownika pojawia się stałe napięcie, jegowartość jest równa tej, która wpływa na wejście. Na tym etapie wszystkie transformacje są zakończone, nie jest wykonywana kontrola tego bloku. W przypadku zasilania z sieci jednofazowej stopień prostowniczy wystarcza nawet z pojedynczej diody. Ale bardziej wydajne jest użycie obwodu mostkowego składającego się z czterech.
Skrzynka filtracyjna
Ten moduł służy do filtrowania napięcia DC. Najprostszą wersją bloku jest cewka indukcyjna zawarta w szczelinie dodatniego ramienia. Między biegunami jest podłączony kondensator elektrolityczny. Ma jedną funkcję - pozbyć się składnika zmiennego. Rzecz w tym, że prostownik nie jest w stanie całkowicie pozbyć się tętnień. Pozostaje niewielka ilość prądu przemiennego, która może wytwarzać znaczny hałas podczas pracy.
Aby uwzględnić zasadę działania bloku filtrującego, należy przeprowadzić analizę poprzez wymianę elementów. Podczas pracy w warunkach prądu stałego indukcyjność zastępuje się rezystancją, kondensator zastępuje obwód otwarty. Ale przy zasilaniu prądem przemiennym pojemność jest zastępowana przez opór. Dlatego cały składnik zmienny znika, ponieważ w tym przypadku występuje zwarcie. Aby to zrozumieć, jest to dość trudne, konieczne jest zrozumienie teoretycznych podstaw elektrotechniki. Ale bez tego nie można wykonać 3-fazowej przetwornicy częstotliwości.
Stopień falownika
I tu zaczyna się zabawa - zastosowanie potężnych tranzystorów IGBT. Są sterowane przez system mikroprocesorowy, odjakość ich funkcjonowania zależy od pracy całej przetwornicy częstotliwości. Taki obwód konwertera napięcia jest szeroko stosowany. W rzeczywistości za pomocą tranzystorów mocy można odwrócić dowolne napięcie. Łącznie w najprostszym obwodzie zastosowano sześć elementów - po dwa na każdą fazę. Przetwornica częstotliwości wytwarza 220 woltów na każdej fazie w odniesieniu do zera.
Aby pozbyć się występowania napięcia wstecznego, konieczne jest zastosowanie diod półprzewodnikowych. Są one połączone między kolektorem a emiterem tranzystorów mocy. Zarządzanie odbywa się przy wejściu do bazy. Jak wspomniano wcześniej, przetwornice częstotliwości do samodzielnego montażu mają po dwa tranzystory dla każdej fazy w kaskadzie falowników. Włącz szeregowo ich złącza p-n. Faza jest usuwana z punktu środkowego każdego ramienia. W sprzedaży dostępne są gotowe moduły, posiadają wyprowadzenia do zasilania napięcia stałego oraz trzy styki do odłączania prądu trójfazowego przemiennego. Dodatkowo istnieje złącze do podłączenia układu sterowania mikrokontrolerem.
Sterowanie mikroprocesorowe
Służy do zmiany prędkości wału silnika przez falownik, napięcie, którego domyślna częstotliwość wynosi 50 Hz, może być zmieniane pod względem amplitudy w szerokim zakresie. A dokładniej od zera do częstotliwości, jaką może zapewnić mikroprocesor. Głównym wymaganiem dla tych ostatnich jest możliwość podłączenia wielu urządzeń. Kiedy tyzaprojektować przekształtnik, którego napięcie, którego częstotliwość zmienia się przez zmienną rezystancję, musi być kontrolowane przez procesor. Jest starannie dobrany, musi mieć wystarczającą liczbę portów I / O.
Możesz trochę skomplikować system, podłączając wyświetlacz LCD do mikrokontrolera. Nie jest od niego wymagane wysokie oddawanie barw, wystarczy monochromatyczny, jak w prostych kalkulatorach. Przyciski do programowania są również podłączone do portów wejścia-wyjścia. W ten sposób można zrobić prosty przemiennik częstotliwości. Cena wszystkich elementów wyniesie nie więcej niż dwa tysiące rubli. Ale koszt falownika o mocy 200-750 watów waha się od 6500 do 12000 rubli. Wszystko zależy od producenta i możliwości urządzenia.
Przypadek urządzenia
Przetwornice częstotliwości do samodzielnego montażu muszą mieć niezawodną obudowę. Od tego zależy nie tylko łatwość użytkowania, ale także wydajność. Podstawa wykonana z aluminium. Powodem zastosowania tego materiału jest potrzeba wysokiej jakości chłodzenia. Podczas pracy moduł IGBT bardzo się nagrzewa, wzrasta również temperatura diod półprzewodnikowych. I nie ma znaczenia, czy masz przetwornicę częstotliwości 380 czy 220 V.
Reszta korpusu wykonana jest z plastiku. Konieczne jest, aby wszystkie elementy mocy były przez nią ukryte, aby podczas pracy nie doszło do przypadkowego kontaktu z zaciskami wysokiego napięcia. W przedniej części należy przewidzieć otwór na wyświetlacz LCD i przyciski. Oddzielnie, wdogodne miejsce, zainstalowany jest zmienny rezystor. Przy programowaniu mikrokontrolera należy wziąć pod uwagę, że rezystancja ta zmienia częstotliwość prądu wyjściowego.
Wymiana ciepła elementów systemu
Szczególną uwagę należy zwrócić na rozpraszanie ciepła. Im mocniejsze jest opracowywane urządzenie, tym bardziej niezawodny powinien być system chłodzenia. Jak wspomniano powyżej, podstawa musi być wykonana z aluminium. Obwód przetwornika napięcia musi zapewniać ochronę przed przegrzaniem. W tym celu wymagane jest wywiercenie otworu w obudowie, montowany jest w nim czujnik temperatury. Z niego sygnał jest podawany przez pasujące urządzenie do mikrokontrolera. Jeśli maksymalna temperatura zostanie przekroczona, obciążenie musi zostać odłączone. Dlatego moduł tranzystora mocy wyłącza się.
Aby poprawić odprowadzanie ciepła, należy użyć wentylatorów. Ich lokalizację należy dobrać tak, aby przepływ powietrza chłodził żeberka chłodnicy obudowy. Aby zwiększyć wydajność układu chłodzenia, musisz użyć pasty termicznej. Rozsądniej jest włączyć wentylatory w momencie uruchamiania urządzenia. Ale możliwe jest również zaprogramowanie sterownika za pomocą sygnału z czujnika temperatury. Gdy temperatura osiągnie połowę temperatury, przy której następuje awaryjne wyłączenie urządzenia, włączają się wentylatory.
Płytka drukowana
Jako płytkę drukowaną najlepiej jest używać gotowych opcji. W sprzedaży dostępne są deski o różnych rozmiarach z otworami wokół którychmałe cynowane kontakty. Potocznie nazywane są „rybami”. Jedyną rzeczą wartą rozważenia jest możliwość wymiany procesora i mikroukładów. W tym celu należy użyć złączy, które są przylutowane do płytki. Przetwornice częstotliwości do samodzielnego montażu najlepiej wykonywać z myślą o szybkiej wymianie elementów. Układ scalony lub kontroler jest po prostu podłączany do tego gniazda, tak jak wtyczka do gniazdka.
Wnioski
Możesz także stworzyć własną przetwornicę częstotliwości. Cena analogów, jak się dowiedzieliśmy, jest znacznie wyższa. Chociaż oczywiście mają więcej możliwości. Ale w rzeczywistości, jeśli przyjrzysz się bliżej, okaże się, że faktycznie używanych jest nie więcej niż pięć funkcji. W trakcie pracy napędu konieczna jest zmiana prędkości obrotowej, a także dostosowanie czasów przyspieszania i zwalniania. Nieco rzadziej stosuje się funkcję odwrotną i zmianę maksymalnego dopuszczalnego prądu.
