FV-600 Frekvenciaváltó


      Az villamos motorok közül az aszinkron motorok a legelterjedtebbek az ipari és haztartási alkalmazások között. Ez köszönhető egyszerű és masszív felepítésének, tartósságának és kis karbantartás igényének. Az asszinkron motorokat hazánkban leggyakrabban 50Hz-es váltakozó áramú hálózatról táplálják. Ennek megfelelően a fordulatszámuk megközeliti a szinkron fordulatszámot. Az asszinkron motor furdalatszámát a következő képlettel számithatjuk ki:



Ahol n a motor fordulatszáma (1/min), f a tápláló áram frekvenciája (Hz), p a póluspárok száma, s pedig a slip. A képletet átgondolva kiderül, hogy milyen lehetőségeink adódnak a fordulatszám megváltoztatására. Ezek a következök:

póluspárok számának megváltoztatása
A tekercselés kialakításától függően a motor egy bizonyos névleges fordulatszámon fog müködni. Ez 50Hz-es táplálás és 1 póluspár esetén kb. 2880 1/min. Több póluspár kialakitásával ez csökkenthető. 2 póluspár esetén kb. 1440 1/min, 3 póluspár esetén kb. 960 1/min 4 póluspár esetén pedig kb. 720 1/min. Speciális tekercseléssel elérhető, hogy a póluspárok számát üzem közben is változtatni lehesen. Ezt vagy ugynevezett Dahlander vagy többszörös tekercskialakitással készitik el. Dahlander tekercselés esetén az 1:2 -hoz arányú fordulatszámváltás lehetseges. (pl: 2880/1440 1/min vagy 1440/720 1/min) A többszörös tekercskialakitással más arány is kialakitható. Erre példa a legtöbb autómata mosogépnek a motorja, amelyek mosáshoz kis fordulatszámon, centrifugázáshoz pedig nagy fordulatszámon üzemelnek. Hátránya, hogy csak néhány diszkrét fordulatszám között lehet változtatni a fordulatszámot.

slip megváltoztatása
A slip (magyarul csúszás) a forgórész lemaradása a szinkron fordulatszámhoz képest. A slip növelésére több lehetöség is van. Csökkenthetjük a kapocsfeszültséget, vagy tekercselt forgórészü csúszógyürüs aszinkron motorok esetében a csúszógyürük közé bekötött ellenállással is növelhetjük. Legnagyobb hátránya, hogy slip nagyon terhelésfüggő, ezért ennek a fordulatszámváltoztatási módnak az alkalmazása erősen korlátozott. De létezik például a körhinták indítását és fordulatszám változtatása ma is ilyen módon történik.

tápláló frekvencia megváltoztatása
Nem véletlen hagytam ezt a legvégére, hiszen a továbbiakban erröl lesz szó. Ez a módszer a legalkalmasabb az aszinkron motorok fordulatszámának megváltoztatására. Nagyon nagy fordulatszámátfogást lehet vele elérni, (1-200% között) amelynek jelentös tartományában a nyomaték is közel névleges lehet. A motor terheléssel történő indítását is nagyban segíti, hiszen az inditónyomaték ebben az esetben megközelitöleg azonos lehet a billenőnyomatékkal.

A tápáram frekvenviájának megváltoztatására is több lehetőség kinálkozik. Létezik közvetlen vagy közbülső egyenfeszültségü átalakitó. Ez utóbbiból a közbülső egyenfeszültséget változtató, vagy a PWM-et alkalmazó típus. Léteznek fordulatszám visszacsatolásos, vagy úgy nevezett nyílt hurkú szabályzók. (Ez utóbbi tulajdonképpen vezérlés!) Tehát a paletta elég széles.
De nézzük a inkább a konkrék kapcsolás adatait:


Az itt ismertetésre kerülő frekvenciaváltó tulajdonságai:


A fenti paraméterekből is kitünik, hogy az alábbi kapcsolás egy közbülső egyenfeszültségü körös, nyilt hurkú, U/f karakterisztikájú, PWM kimenő jelü fordulatszámszabályozó. Az inverter gyorsulás szabályzóval van ellátva. Nézzük sorra, hogy mit jelentenek a fenti tulajdonságok:


Közbülső egyenfeszültségü körös
Ez annyit jelent, hogy a kimenőfeszültséget nem közvetlenül a hálózati feszültségből, hanem egyenfeszültségből állitja elő. Az egyenfeszültséget pedig egyszerűen a hálózati feszültség egyenirányitásával és szürésével kapom. Az alábbi ábrán az áramkör blokk-vázlatát mutatja. Itt megfigyelhető, hogy a hálozati 1 fázisú feszültség egy egyenirányitóra, majd egy pufferkondira kerül. Az igy keletkezett kb. 325V-os feszültség táplálja az invertert.



Nyilt hurkú
A motor tenyleges fordulatszámát nem érzékeli az áramkör, igy tulajdonképpen nem is szabályozásról hanem vezérlésről beszélhetünk. Az áramkör előállítja a fordulatszámot meghatározó potméter állásának megfelelő frekvenciájú jelet. De nincs tudomása a tényleges fordulatszámról. A tényleges fordulatszám a terhelés nagyságától függően a slip mértékével változhat. De ez a változás normál üzemben csak maximum néhány százalék lehet.


U/f karakterisztikájú
A frekvencia változtatása mellett egy dologról nem szabad megfeledkeznünk, a frekvencia változtatásával arányosan a feszültséget is változtatnunk kell. Vessunk egy pillantást az aszinkron gépek indukált feszültség képletére:

Ahol Ui az indukált feszültség (V), fi a fluxus, f a frekvencia (Hz) N pedig a tekercselés menetszáma. A képletből egyártelmüen látszik, ha nem csökkentjük a feszültséget, akkor nő a fluxul. Ami telitené a vasat. A névleges frekvencia alatti tartományban tehát a feszültséget is csökkentenünk kell. Ha pedig a frekvenciát a hálózati fölé növeljük, akkor magasabb feszültségre lenne szükség mint a névleges, hogy a fluxus ebben a tartományban is állandó maradjon. Erre nem volt lehetőség, igy a motorra jutó feszültséget a névleges értéken tartom, ezzel viszont a növekvő frekvenciával csökken a motor fluxusa, és a nyomatéka is.
Az fenti ábra a fázis-feszültség változását mutatja a frekvencia függvényében. A szaggatott vonal mutatja a képlet szerinti arányt a feszültség és a frekvencia között. A tekercs és vasveszteség miatt - amelyek főként kis fordulatszamnál jelentős - az folyamatos vonallal rajzolt feszültség- frekvencia karakterisztikát valósitja meg az áramkör. Az ábrán jól látható, hogy névleges fordulatszám felett - megvalositási korlátok miatt - nem nő tovább a feszültség.


PWM kimenő jelű
A motorra jutó feszültség hállózati üzemben szinuszos. A rossz hatásfok miatt az inverterekben ezt valamilyen más hullámformával közelítik. Lehet Lépcsös négyszög, trapéz, vagy PWM modulált négyszög. Itt ez utóbbit alkalmaztam. Az alábbi ábrán látható az alkalmazott jelalak. A képre kattintva megtekinthető nagyobban is. A kép csak példa, a négyszögjel frekvenciájának aránya a szinuszhoz képest a valóságban nagyobb.



A kék vonal mutatja a motorra jutó feszültséget, fekete pedig a feszültség átlagértékét. Jól megfigyelhető, hogy a motorra jutó 4,88kHz frekvenciájú négyszögjel kitöltési tényezője, és igy az átlagértéke is szinuszosan változik. A szinusz amplitudója is és frekvenciája is a kitöltési tényező folyamatos változtatásával (modulációjával) történik. A következő animált ábrán a motorra jutó három PWM jel időbeli változását figyelhetjük meg.

Az ábrán jól látható, hogy úgynevezett szimetrikus PWM-et alkalmazok, azaz a négyszögjel kitöltési tényezőjét egy periódusra nézve, a periódus idő felére szimetrikusan változtatom.


Gyorsulás szabályozás
Az áramkör gyorsulás szabályozással van ellátva, ami annyit jelent, hogy a motor bekapcsolásakor, kikapcsolásakor, forgásirányváltáskor, vagy a fordulatszám megváltoztatásakor nem rögtön a kivánt fordulatszámnak megfelelő frekvencia kerül a motorra, hanem a frekvenciát folyamatosan változtatva éri el a beállított értéket. A frekvencia maximális vátozását (a motor fordulatszámának változását) a P2-es trimmer potméterrel lehet beállítani.

Nézzük a kapcsolási rajzot:

A hálózati feszültség a biztosíték és zavarszürés után egy egyenirányitóra, majd egy pufferkondira kerül. Az igy keletkezett kb. 325V-os feszültség táplálja az invertert.
Az inverter 6db IRF840-es FET-ből kialakitott teljes 3 fázisú híd, amely előállitja a motor számára szükséges hullámformát. A FET-ek meghajtását az International Rectifier gyártmányú IR2130 típusú IC végzi.
Az inverter vezérlését egy Microchip gyártmányú PIC16F819-es mikrokontrollerrel oldottam meg. (Korábban PIC16C711-vel.) A PIC feladata a bemenő paraméterek (kivánt fordulatszám, gyorsulás, irány, ki vagy bekapcsolt állapot) olvasása, és a paramétereknek megfelelő vezérlőjelek előállitása.

A kivánt fordulatszámot a P+, P_IN, P_GND közé kötött 5 kOhm-os lineáris porméterrel lehet szamélyozni. A áramkorlát határáramát a P1-el, a maximális gyorsulást pedig a P2 trimmerpotméterrel lehet szabályozni. A DIR1 és DIR2 közé kötött zárókontaktussal lehet a forgásirányt meghatározni. Az EN1 és EN2 közé köttött zárókontaktussal lehet az áramkört engedélyezni/tiltani, azaz a motor-t ki es bekapcsolni. Az kapcsolás két LED-et tartalmaz, a ON-jelü D15 (zöld) a bekapcsolt állapotot jelzi, a FAULT jelü D14 (piros) pedig túláram védelem vagy a túl alacsony feszültség védelem müködését jelzi.


Konstrukció:

Az áramkör egyoldalas nyákon került megvalósitásra. Kompakt kivitelben. A panel minden szükséges alkatreszt tartalmaz, igy el lett kerulve a felesleges csatlakozók és vezetékezés. Az panelen lévő nagyáramú vezetősávokhoz tartozó átkötéseket 0,8 .. 1 mm átmérőjű rézvezetékkel kössük át. A többi átkötést valamilyen vekonyabb huzallal. Az IC-knek jó minőségű preciziós foglalatot epitsünk be. A beültetésnél a FET-eket hagyjuk a végére, elöször ültessönk be minden mást, majd a mellékelt pdf alapján elkészített hütőbordat rögzitsük két csavarral. A FET-eket csillámmal elszigtelve szereljük fel a bordára. Mivel itt elég nagy a feszültség a FET-eken, ezért csak jó minőségű szigetelőgyűrüt használjunk. A szigetelés nagyon fontos, hibás szigetelés esetén a félvezetőink tönkremehetnek. Ha nem vagyunk biztosak a dolgunkban, akkor inkabb valamilyen TO-247-es tokozású 500V-os FET-et használjuk. (Például: IRFP450) Teljesítményre ugyan nem kell ekkora, viszont a szereléséhez nem kell szigetelőgyürű, igy biztosabban szerelhető. A FET-et felfogatásához a jobb hőátadás érdekében használjuk hovezeto pasztát. (Ne ezüst tartalmut, mert az vezet!)
A greatz hidra szinten szereljünk hütőbordát. A FET-ek hütőbordájára pedig a megfelelő hűtés érdekében a rajznak szerint rögzitsünk egy 50x50mm-es ventilátort. Az ilyen méretű ventilátort magában nehéz beszerezni, de a CPU hütőkhőz hasznaltak/hasznalnak ilyet. Bármeny számítástechnikai boltban beszerezhető.

A Panelt a mellékelt ábra szerinti nyitott dobozba szereljük. A doboz 1,5 mm vastag vaslemezből készült, feketére van festve. A dobozra feltétlen csatlakoztassuk a panelról a védő vezetőt. A doboz méretben illeszkedik a villamos iparban szokásos aluminiumtokozathoz. A dobozt cimkézzük fel a mellékelt bekötési rajzzal. A hozzá szükséges 192x61mm-es öntapadós matricát nagyobb papirboltokban lehet beszerezni. (pl.; Ápisz, Ferenciek tere)

A motort bekötéséhez árnyékolt kábelt (pl.; földkábel)kell használnunk, hogy a kisugárzott zavarójel mértékét csökkentsük.

Az áramkörhöz használhatjuk kiegészítésképpen a szinten az oldalamon található Fordulatszám és frekvencia kijelzo-t a motor, vagy az attételezés utánni fordulatszám mérésére.



A doksik:



Ajánlott irodalom:



A IR2130 IC beszerzése:


Képek:


 
 


Ird meg kérdésed vagy véleményed: