Частотник на ардуино своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Самостоятельная разработка частотника для трехфазного электродвигателя, дело достаточно затратное и хлопотное. Но если есть желание и интерес к данной теме огромен, то можно попробовать. Данный пост не
претендует на оригинальность и писатель из меня честно говоря плохой. Итак обо всем по порядку.
Начнем с общей структурной схемы.
Данная структурная схема построена по так называемой схеме двойного преобразования. Трехфазное напряжение 380В частотой 50 Гц поступает на вход неуправляемого выпрямителя. На выходе выпрямителя напряжение составляет около 540 В. Это и есть первый этап преобразования. На втором этапе напряжение при помощи инвертора преобразуется в широтно-модулированные импульсы, которые и поступают на обмотки электродвигателя. Статорные обмотки имеют активно-индуктивный характер сопротивления и являются фильтрами, сглаживающими ток. Среднее значение тока будет зависеть от среднего значения приложенного напряжения, то есть от соотношения длительностей внутри периода ШИМ. Блок управления реализует основные алгоритмы управления инвертором. Обеспечивает диагностику силового модуля, а также выполняет функции противоаварийной защиты. Блок питания предназначен для питания цепей управления.
Выпрямитель.
Схема выпрямителя предельно проста.
На вход силового блока поступает трехфазное напряжение сети амплитудой 380 В, и частотой 50 Гц. Для защиты от перенапряжения в схеме используются варисторы VR1- VR3. Далее входное напряжение поступает на выпрямитель с промежуточным звеном постоянного тока. Выпрямитель 36МТ160 представляет собой трехфазную мостовую схему (т.н схема Ларионова) конструктивно выполненную в одном модуле.
Во время зарядки конденсатора промежуточного контура протекает очень большой кратковременный ток. Это может вывести из строя выпрямитель. Ток зарядки ограничивается включением балластного резистора R4 последовательно с конденсаторами DC-звена, который активизируется только при включении преобразователя. После зарядки конденсаторов резистор шунтируется, контактными реле К1. Большая емкость конденсаторов требуется для сглаживания напряжения промежуточного звена. После выключения инвертора из сети, конденсаторы сохраняют высокое напряжение в течение определенного времени.
Вот что получилось в итоге.
Блок питания.
Собран на микросхеме UC3843. Вообще, что касается блока питания, то вовсе не важно какой будет использован.
Хоть самодельный хоть купленный. Главное, на мой взгляд, по возможности питание драйвера IGBT и питания блока управления было от отдельных обмоток трансформатора.
Инвертор.
Схема инвертора.
Все это протестировано, проверено и ждет изготовления блока управления. Будем надеется что у меня хватит терпения, времени и сил довести этот проект до работающего прототипа.
Комментарии ( 118 )
Люто плюсую=))
Сам пару лет назад помогал другу с подобным пепелацом…
На каком камушке систему управления будете делать?
Мне попадались апноты где мегой простинькой все крутилось… тут уж зависти какой функионал заложить хотите и для чего делаете
Вот еще что, забегая далеко на перед, скалярную(намного проше в реализации) или векторную системы управления реализовывать будете?
Инверторы используются в случаях когда невозможно получить напряжение переменного тока (AC) из сети. Инверторы предназначены для преобразования напряжения постоянного тока (DC) в напряжение переменного тока (AC) и разделяются на два типа: чистые синусоидальные инверторы (Pure Sine Wave Inverters) и модифицированные прямоугольные инверторы (Modified Square Wave Inverters). Чистые синусоидальные инверторы достаточно дорого стоят, а модифицированные прямоугольные инверторы стоят существенно дешевле.
В этой статье мы рассмотрим создание чистого синусоидального инвертора (pure sine wave inverter) на основе платы Arduino.
Если вы решили повторить создание рассмотренной в данной статье схемы, то учтите, что она не имеет ни защиты от превышения тока, ни защиты от короткого замыкания, ни защиты от перегрева. Схема данного проекта представлена в образовательных целях и не рекомендуется для промышленного использования. Тем не менее, вы по своему желанию можете добавить в этот проект названные схемы защиты – подробной информации о них достаточно много в сети.
Предупреждение : при работе с представленной в этом проекте схемой будьте предельно внимательны, поскольку в ней используются высокие напряжения и импульсы напряжения, формируемые за счет переключения сигнала на входе схемы.
Что такое синусоидальная ШИМ (SPWM)
SPWM расшифровывается как Sinusoidal Pulse Width Modulation и переводится как синусоидальная ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ранее мы ее уже рассматривали в генераторе синусоидальных и прямоугольных импульсов на Arduino.
Как мы знаем, в ШИМ мы можем изменять ее скважность (коэффициент занятости, duty cycle), то есть соотношение периодов активности (on-time) и неактивности (off-time). Таким образом, изменяя скважность ШИМ, мы изменяем среднее напряжение импульса. Это наглядно показано на следующей картинке.
Как видно из представленной картинки, при скважности (коэффициенте заполнения) 100% мы получаем среднее выходное напряжение 5V, при скважности 50% получаем среднее выходное напряжение 2.5V, а при скважности 25% - еще в 2 раза меньше.
Синусоидальное напряжение представляет собой аналоговое напряжение, которое изменяет свою амплитуду с течением времени, поэтому мы можем воспроизвести "поведение" синусоидальной волны при помощи непрерывного изменения скважности ШИМ волны (сигнала), что показано на следующем рисунке.
Если вы посмотрите на схемы, представленные ниже в данной статье, вы увидите, что на выход трансформатора подключается конденсатор – он как раз и ответственен за сглаживание подобного сигнала переменного тока.
Используемый входной сигнал будет заряжать и разряжать конденсатор в соответствии с входным сигналом и нагрузкой. Мы будем использовать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ сигнал) высокой частоты, он будет иметь сначала очень маленькую скважность 1%, этот 1% будет заряжать конденсатор совсем чуть-чуть, сигнал со скважностью 5% будет заряжать конденсатор немного больше, скважность 10% будет заряжать конденсатор еще больше и постепенно мы достигнем скважности 100%, а после этого мы будем уменьшать скважность до 1%. С помощью этого процесса будет сформирована очень гладкая кривая, очень похожая на синусоидальную волну. Таким образом, обеспечивая правильные значения скважности на входе, мы получим хорошую синусоидальную волну на выходе.
Как работает инвертор на основе SPWM сигнала
Схема подобного инвертора показана на следующем рисунке.
Как вы видите, мы использовали в схеме два MOSFET транзистора N-типа и полумост для управления трансформатором. Для уменьшения нежелательных шумов и защиты MOSFET транзисторов мы использовали два диода 1N5819, включенных параллельно MOSFET транзисторам. Для уменьшения возможных нежелательных импульсов, формируемых в секции управления, мы использовали резисторы сопротивлением 4.7 Ом, включенных параллельно диодам 1N4148. И, наконец, транзисторы BD139 и BD 140 включены по двухтактной схеме для управления затворами MOSFET транзисторов потому что MOSFET транзисторы имеют очень большое емкостное сопротивление затвора и требуют как минимум напряжения 10V на своем затворе чтобы работать корректно.
Для лучшего понимания принципов работы представленной схемы на следующем рисунке мы привели ее половину. Рассмотрим случай когда MOSFET транзистор в ней открыт – в этой ситуации ток протекает сначала через трансформатор и затем через MOSFET транзистор замыкается на землю, таким образом, магнитный поток возникает в том же самом направлении, в котором течет ток, поэтому сердечник трансформатора передает этот магнитный поток на вторую обмотку и, таким образом, на выходе мы получаем положительную половину цикла синусоидального сигнала.
В следующем цикле ток течет уже в обратном направлении и, следовательно, магнитный поток возникает в этом же самом направлении, поэтому направление магнитного потока в сердечнике трансформатора также изменяется (по сравнению с предыдущим рассмотренным случаем).
То есть теперь мы знаем, что направление магнитного потока в трансформаторе изменяется. Таким образом, включая и выключая оба MOSFET транзистора (они инвертированы по отношению друг к другу) и осуществляя эти переключения 50 раз в секунду, мы будем формировать изменяющееся магнитное поле в сердечнике трансформатора, следовательно, будет изменяться направление тока во вторичной обмотке трансформатора в соответствии с законом Фараде. В этом и заключается основной принцип работы инвертора.
Теперь на следующем рисунке рассмотрим полную схему чистого синусоидального инвертора на основе платы Arduino.
Как вы видите из представленной схемы, переключение циклов работы выше представленной схемы инвертора будет осуществляться с помощью двух цифровых контактов платы Arduino.
Конструкция проекта
В демонстрационных целях мы собрали схему нашего инвертора на стрипборде (Veroboard). На выходе трансформатора схемы будет протекать огромный ток, поэтому в этом месте коннекторы (соединители) необходимо использовать как можно толще.
Необходимые компоненты
Полный список компонентов, необходимых для сборки нашего инвертора, представлен в следующей таблице.
| № п/п | Название | Тип компонента | Количество | Где купить |
| 1 | Atmega328P | микроконтроллер | 1 | |
| 2 | IRFZ44N | Mosfet транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 3 | BD139 | транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 4 | BD140 | транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 5 | 22pF | конденсатор | 2 | купить на AliExpress |
| 6 | 10K,1% | резистор | 1 | купить на AliExpress |
| 7 | 16MHz | кварцевый генератор | 1 | купить на AliExpress |
| 8 | 0.1uF | конденсатор | 3 | купить на AliExpress |
| 9 | 4.7R | резистор | 2 | купить на AliExpress |
| 10 | 1N4148 | диод | 2 | купить на AliExpress |
| 11 | LM7805 | регулятор напряжения | 1 | купить на AliExpress |
| 12 | 200uF,16V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
| 13 | 47uF, 16V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
| 14 | 2.2uF,400V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
Внешний вид этих компонентов показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
Прежде чем переходить непосредственно к программе давайте вспомним основы формирования необходимого нам сигнала. Как выглядит изменяющийся во времени ШИМ сигнал мы изучили в первой части нашей статьи, здесь же стоит проблема как сформировать подобный сигнал с помощью платы Arduino.
Для формирования изменяющего во времени ШИМ сигнала мы будем использовать 16-битный timer1 с коэффициентом деления предделителя равным 1, что обеспечит нам время 1600/16000000 = 0.1ms на каждую единицу счета таймера (более подробно о таймерах Arduino можно прочитать в этой статье). То есть в нашем случае половина цикла нужной нам синусоидальной волны будет соответствовать 100 единицам счета таймера. Другими словами, мы можем разделить полный цикл нашей синусоидальной волны на 200 частей.
То есть нам необходимо разделить нашу синусоиду на 200 частей и рассчитать соответствующие амплитуды каждой из этих частей. Далее мы должны конвертировать эти значения в значения счета таймера при помощи умножения их на предел счета таймера. Потом эти значения мы должны поместить в таблицу преобразования чтобы в дальнейшем брать из нее значения для таймера, с помощью которого мы и будем формировать нашу синусоидальную волну.
В этой статье, будут разобраны общие принципы работы частотного регулятора скорости, на примере запуска модели трехфазного генератора с постоянными магнитами в качестве синхронного электродвигателя.
Частотный преобразователь также применяется и для асинхронных двигателей. Для регулировки скорости вращения вала асинхронного двигателя применяют следящие способы:
- изменение дополнительного сопротивления цепи ротора;
- изменение напряжения, подводимого к обмотке статора двигателя;
- переключение числа пар полюсов;
- изменение частоты питающего напряжения.
Наиболее перспективный метод регулирования угловой скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.
Типичный частотно-регулируемый привод для промышленного двигателя переменного тока обычно работает путем выпрямления сетевого напряжения (часто 400 В трехфазного для промышленных приложений). Результирующая мощность постоянного тока передается по шине постоянного тока к инвертору. Инвертор генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Этот сигнал мощности переменного тока запускает двигатель, который в промышленных условиях обычно является трехфазным асинхронным двигателем.
Инвертор, преобразователь постоянного тока в переменный, получает постоянный ток. Инвертор обычно состоит из шести биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которые создают выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией, который питает двигатель. Сам инвертор при этом может питаться либо от источника однофазного напряжения (через выпрямитель), или даже от батарей.
Для синхронного электродвигателя изменение частоты питающего напряжения - единственный способ изменить скорость вращения вала. Вал такого электродвигателя может вращаться только со скоростью вращения магнитного поля . Однако для синхронного электродвигателя появляется одно преимущество - зная какую частоту мы подали на электродвигатель мы всегда будем знать с какой скоростью вращается вал . Постройка простейшей модели инвертора и будет разобрана в этой статье. Для упрощения примера ШИМ модуляция для создания синуса использоваться не будет.
Судя по документации, есть несколько вариантов, и некоторые из них я проверил.
Но давайте все по порядку:
После того как мы купили частотник и шпиндель, для того чтобы последний закрутился, требуется соединить эти два устройства и включить частотник в сеть.
Напомню, что у меня частотник YL620-A, на 1.5 кВт.
При заводских настройках начнет мигать дисплей со значением установленной частоты вращения.
Для того чтобы шпиндель закрутился требуется нажать кнопку РАН.
Значение на дисплее перестанет мигать и шпиндель должен закрутиться, если значение установленной частоты больше нуля. Частота вращения задается вращением ручки на встроенном пульте частотника, который можно вынуть из передней панели.
По большему счету это и есть основной вариант управления, который нам дает понять, что для запуска вращения шпинделя требуется задать частоту вращения и подать команду на запуск.
Теперь, давайте переходить постепенно к внешнему управлению, и будем управлять частотой вращения по средством подключения переменного резистора на 10 кОм, по вот такой вот схеме:
Фактически она дублирует ручку на встроенном пульте частотника. Но чтобы управлние частотой работало от нашего резистора требуется поменять значение одного из параметров, в моём частотнике это параметр Р07.08, меняем его на значение 3 - аналоговый вход.
После этих манипуляций, у нас получается что скорость управляется от резистора, а запуск вращения осуществляется по прежнему от нажатия кнопки РАН.
Чтобы это изменить на внешнее управление, добавим в схему кнопку.
Помимо этого требуется изменить в настройках еще один параметр отвечающий за старт / стоп. У меня это Р00.01 - меняем его значение на 1.
Проверяем…
Теперь можно сказать, что у нас осуществлено внешнее управление.
Кнопку старт стоп так же можно завести через управление ардуинкой.
Для проверки залил простенький скетч.
Расскажу еще об одном способе внешнего управления - через мультиспид.
Управлять им так же можно при помощи ардуино, но я покажу упрощенную схему:
В соответствующие параметры настройки забиваем желаемые частоты вращения шпинделя.
Так же меняем параметр Р07.08, на значение 2 - мультиспид.
Проверяем…
Замыкая вывод GND на любой из Х1-Х4, шпиндель будет вращаться с выбранной скоростью.
Таких заданных скоростей может быть 8, так как это 4-х битное соединение. Нельзя забывать, что скорость задается частотой от 0 до 400 Гц.
Читайте также: