Частотный привод 5-200Гц (10-400Гц) своими руками

В данной статье речь пойдет о частотном преобразователе, в простонародье, частотнике. Данный частотник, а в дальнейшем частотный привод, способен управлять 3-х фазным асинхронным двигателем. В данном частотном приводе (ЧП) я использую интеллектуальный силовой модуль компании International Rectifier, а конкретно IRAMS10UP60B (на AliExpress), единственное, что с ним сделал, это перегнул ножки, так что, по сути, модуль получился IRAMS10UP60B-2. Выбор на данный модуль пал преимущественно из-за встроенного драйвера. Главной особенностью встроенного драйвера является возможность использования 3 ШИМ вместо 6 ШИМ каналов. Кроме того цена на данный модуль на eBay около 270 рублей. В качестве управляющего контроллера использую ATmega48.

Разрабатывая данный привод я делал упор на эффективность конструкции, минимальную себестоимость, наличие необходимых защит, гибкость конструкции. В результате получился частотный привод со следующими характеристиками (функциями):

1. Выходная частота 5-200Гц
2. Скорость набора частоты 5-50Гц в секунду
3. Скорость снижения частоты 5-50Гц в секунду
4. 4-х фиксированная скорость (каждая из которых от 5-200Гц)
5. Вольт добавка 0-20%
6. Две "заводских" настройки, которые всегда можно активировать 
7. Функция намагничивания двигателя 
8. Функция полной остановки двигателя 
9. Вход для реверса (как без него)
10. Возможность менять характеристику U/F
11. Возможность задания частоты с помощью переменного резистора
12. Контроль температуры IGBT модуля (сигнализация в случае перегрева и остановки привода)
13. Контроль напряжения DC звена (повышенное-пониженное напряжение DC звена, сигнализация и остановка привода)
14. Пред заряд  DC звена  
15. Максимальная мощность с данным модулем 750вт, но крутит и 1.1кв на моем ЧПУ
16. Все это на одной плате размером 8 х 13 см .  

На данный момент защита от сверх тока или кз не реализованы (считаю нет смысла, хотя, свободную ногу в МК с прерыванием по изменению оставил) 

Собственно, схема данного девайса .

Проект в layout

Ниже фото того, что у меня получилось   

Печатная плата данного девайса (доступна в lay под утюг)

На данном фото полностью рабочий экземпляр, проверенный и обкатанный (не имеет панельки расположен слева). Второй для теста atmega 48 перед отправкой (расположен справа) . 

На данном фото тот самый irams (делал с запасом,  должен поместится iramx16up60b )

Алгоритм работы устройства

Изначально МК  (микроконтроллер) является настроенным на работу с электродвигателем номинальным напряжением 220В при частоте вращающего поля 50Гц (т.е. обычный асинхронник, на котором написано 220в 50Гц). Скорость набора частоты установлена на уровне 15Гц/сек.(т.е. разгон до 50 гц займет чуть более 3 сек., до 150 Гц-10 сек ). Вольт добавка установлена на уровне 10 %, длительность намагничивания 1 сек. (постоянная величина неизменна ), длительность торможения постоянным током 1 сек. (постоянная величина неизменна). Следует отметить ,что напряжение при намагничивании, как и при торможении, является напряжением вольт добавки и меняется одновременно. К слову, преобразователь частоты является скалярным, т.е. с ростом выходной частоты увеличивается выходное напряжение.

 После подачи питания происходит заряд емкости dc звена. Как только напряжение достигает 220В (постоянное ) с определенной задержкой включается реле предзаряда и загорается единственный у меня светодиод L1. С этого момента привод готов к запуску. Для управления частотником имеется 6 входов:

1. Вкл (если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц)
2. Вкл+реверс(если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц, но в другую сторону) 
3. 1 фиксированная частота (задается R1)
4. 2 фиксированная частота (задается R2)
5. 3 фиксированная частота (задается R3)
6. 4 фиксированная частота (задается R4)

В этом управлении есть одно Но. Если в процессе вращения двигателя менять задание на резисторе, то оно изменится лишь после повторной подачи команды (вкл.) или (вкл+реверс.). Иначе говоря, данные с резисторов читаются пока отсутствуют эти два сигнала. Если планируется регулировать скорость с помощью резистора в процессе работы, то необходимо установить джампер J1.В этом режиме активен лишь первый резистор, причем резистор R4 ограничивает максимальную частоту, то есть если его выставить на 50% (2.5 вольта 4 "штырь". на фото ниже 5 земля), то частота R1 будет регулироваться резистором от 5 до 100Гц. 

Для задании частоты вращение нужно учитывать, что 5v на входе в МК соответствует 200Гц., 1v-40Гц, 1.25v-50Гц и т.д. Для измерения напряжение предусмотрены контакты 1-5, где 1-4 соответствуют номерам резисторов, 5- общий минус(на фото ниже). Резистор R5 служит для подстройки маштабирования напряжения DC звена 1в -100в (на схеме R30).

Расположение элементов

Внимание! Плата находится под напряжением опасным для жизни. Входа  управления развязаны оптопарами.

Особенности настройки

Настройка привода  перед первым включением сводится к проверке монтажа электронных компонентов и настройки делителя напряжения для DC звена (R2).

100 Вольтам DC звена должно соответствовать 1 вольт на 23 (ножке МК)- это ВАЖНО!!!!....На этом настройка завершена...

Перед подачей сетевого напряжения необходимо промыть плату (удалить остатки канифоли) со стороны пайки растворителем или  спиртом, желательно покрыть лаком.

Привод имеет "заводские " настройки, которые подходят как для двигателя с напряжением 220В и частотой 50Гц), так и  для двигателя с напряжением 380в и частотой 50гц. Данные настройки всегда можно установить если вы не решаетесь сами настраивать привод. Для того чтобы установить "заводские " настройки для двигателя (220в 50Гц) : 

1. Включить привод 
2. Дождаться готовности (если подано питание только на МК , просто подождать 2-3 секунды)
3. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод L1 не начнет мигать, отпустить кнопку В1
4. Подать команду выбора 1 скорости. Как только светодиод перестанет мигать, убрать команду
5. Привод настроен . В зависимости от того .........................светодиод горел (если не горел, то привод ожидает напряжения на DC звене).

  При такой настройке автоматически в  записываются следующие параметры:

1. Номинальная частота двигателя при 220В - 50Гц
2. Вольт добавка (напряжение намагничивания, торможения ) - 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек 
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек 

Если подать сигнал выбора второй скорости, то в EEPROM запишутся следующие параметры  (разница лишь в частоте):

1. Номинальная частота двигателя при 220В- 30Гц
2. Вольт добавка (Напряжение намагничивания, торможения ) 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек 
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек 

Наконец, третий вариант Настройки:

1. Нажать на кнопку В1 и держать
2. Дождаться, когда светодиод начнет мигать
3. Отпустить кнопку В1
4. Не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости 
5. Задать параметры подстроечными резисторами
6. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод не начнет моргать 

Таким образом, до тех пор, пока светодиод мигает, привод находится в режиме настройки. В этом режиме при подаче входа 1-ой или 2-ой скорости  в EEPROM записываются  параметры. Если не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости, то фиксированные параметры в  EEPROM не запишутся, а будут задаваться подстроечными резисторами.

1. Резистор задает номинальную частоту двигателя при 220 В ( Так, например, если на двигателе написано 200Гц /220 то резистор нужно выкрутить  на  максимум; если написано 100Гц/ 220в нужно добиться 2.5 Вольта на 1-ом контакте. (1Вольт на первом контакте соответствует 40Гц); если на двигателе написано 50Гц/400В то нужно  выставить 27Гц/0,68 В (например:(50/400)*220=27Гц )так, как нам необходимо знать частоту двигателя при 220В питания двигателя. Диапазон изменения параметра 25Гц - 200Гц.(1 Вольту на контакте 1-ом соответствует 40 Гц) 
2. Резистор отвечает за вольт добавку. 1 Вольт на 2-ом контакте соответствует 4% напряжения вольт добавки (мое мнение выбрать на уровне 10% то есть 2.5 вольта повышать с осторожностью) Диапазон настройки 0-20% от напряжения сети (1 Вольту на контакте 2-ом соответствует 4%) 
3. Интенсивность разгона 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 15 -25 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек - 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 3-ом соответствует 10 Гц/сек) 
4. Интенсивность торможения 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 10 -15 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек - 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 4-ом соответствует 10 Гц/сек) 

После того, как все резисторы выставлены нажимаем и держим кнопку В1 до тех пор пока светодиод не перестанет мигать!!!! Если светодиод моргал и загорелся, то привод готов к запуску.Если светодиод моргал и НЕ загорелся, то ждем 5 секунд, и только потом отключаем питание от контроллера.

Ниже представлена вольт-частотная характеристика устройства для двигателя 220в 50Гц с вольт добавкой в 10 % . 

• Uмах- максимальное напряжение, которое способен выдать преобразователь
• Uв.д.- напряжение вольт добавки в процентах от напряжении сети
• Fн.д.- номинальная частота вращения двигателя при 220В . ВАЖНО
• Fmax- максимальная выходная частота преобразователя.

Еще один пример настройки

Предположим, у вас имеется двигатель, на котором указана номинальная частота 50Гц , номинальное напряжение 80В, Чтобы узнать  какая будет  номинальная частота при 220В  необходимо: 220 В разделить на номинальное напряжение и умножить на номинальную частоту (220/80*50=137Гц). Таким образом, мы получим,что напряжение на 1 контакте (резисторе) нужно выставить 137/40=3,45 В. 

Симуляция в протеусе разгон 0-50Гц одной фазы (на 3-х фазах зависает комп )

Как видно из скриншота с ростом частоты увеличивается амплитуда синуса. Разгон занимает примерно 3.1 сек.

По поводу питания

Рекомендую использовать трансформатор, так как это самый надежный вариант. На моих тестовых платах нет диодных мостов и стабилизатора для igbt  модуля 7812. Для скачивания доступны две печатные платы. Первая та которая представлена в обзоре. Вторая имеет незначительные изменения, добавлен диодный мостик и стабилизатор. Защитный диод ставить обязательно P6KE18A или 1.5KE18A ставить обязательно.

Пример размещения трансформатора, как оказалось найти совсем нетрудно.

Какой двигатель можно подключить к данному преобразователю частоты?

 Все зависит от модуля. В принципе можно подключить любой, главное, чтобы его сопротивление для модуля irams10up60 было более 9 Ом. Нужно учесть, что модуль irams10up60 рассчитан на маленький импульсный ток и имеет встроенную защиту на уровне 15 А  Этого очень мало. Но для двигателей 50Гц 220В 750 Вт, этого за глаза. Если у вас высокооборотистый шпиндель, то скорее всего он имеет маленькое сопротивление обмоток. Данный модуль может пробьет импульсным током. При использовании модуля IRAMX16UP60B (ножки придется загнуть самостоятельно) мощность двигателя по даташиту возрастает с 0.75 до 2.2 КВт.

Главное у данного модуля: ток короткого замыкания 140А против 47А, защита настроена на уровне 25А. Какой модуль использовать решать вам. Нужно помнить что на 1 кВт необходимо 1000мкФ емкости dc звена.

По поводу защиты от КЗ. Если у привода сразу после выхода не ставить сглаживающий дроссель (ограничивает скорость нарастания тока) и коротнуть выход модуля, то модулю придет "хана". Если у вас модуль iramX, шансы есть.  А вот с IRAMS шансов ноль, проверено.

Программа занимает 4096 кБ памяти из 4098. Все сжато и оптимизировано под размер программы по максимум. Время цикла есть фиксированная величина равная 10мс.

На данный момент всё вышеописанное работает и испытано. 

Если использовать кварц на 20МГц, то привод получится 10-400Гц; темп разгона 10-100Гц/сек; частота ШИМа возрастет до 10кГц; время цикла упадет до 5мс.

Забегая вперед следующий частотный преобразователь будет реализован на ATmegа64, иметь разрядность ШИМ не 8, а 10 Бит, иметь дисплей и множество параметров. 

Ниже смотрите видео настройки привода, проверки защиты перегрева, демонстрации работы (использую двигатель 380В 50Гц, а настройки для 220В 50Гц). Так сделал специально, чтобы проверить как работает ШИМ с минимальным заданием.)

В свободном доступе прошивке не будет, НО запрограммированный контролер ATmega48-10pu или ATmega48-20pu будет дешевле mc3phac. Готов ответить на все ваши вопросы.

Заказ прошитого контроллера

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• Микроконтроллер
• AVR