Главное меню

Трехфазный инвертор в однофазной сети

Оставлен Evgenij Bortnik Чт, 01/09/2025 - 00:43

Проблема электропитания трехфазного преобразователя частоты (ПЧ) от бытовой сети является ключевой в расширении практики применения управляемых приводов с асинхроными моторами. Изображение некоторых ПЧ и моторов показаны ниже. При поготовке материала пришлось ориентироваться на габариты моторов не более 3кВт и мощности ПЧ не более 4кВт. Пример промышленного блока ПЧ показан на фото.

Примеры частотников показаны по ходу текста. ПЧ состоит из входного трехфазного выпрямителя, иногда - дросселя, шины постоянного тока (ШПТ) и силового трехфазного инвертора. Выпрямитель бывает полууправляемый (диодно-тиристорный: 3шт+3шт) или полностью управляемый (тиристорный-6шт). ШПТ в мощных преобразователях реализуют как элемент конструкции, с применением копланарных пластин (двухслойных). Тем самым уменьшают внутреннее сопротивление и собственную индуктивность кондесаторной батареи. Конденсаторы ШПТ привинчивают к пластине по месту болтами. В относительно слабых преобразователях применяется крепление конденсаторов на печатной плате или присоединение толстыми проводами. Схемотехника инверторного блока - стандартная, на силовых IGBT-транзисторах. Для аварийного сброса мощности ставят дополнительный транзисторный ключ и тормозной резистор. Пример структурной схемы ПЧ - ниже.

Принципиальные схемы типовых маломощных ПЧ особым разнообразием не отличаются. Основной принцип их построения - обеспечение простоты и ДЕШЕВИЗНЫ в изготовлении. Особенно удачно, когда в руки пападается простенький отечественный ПЧ из общепрома. В нем практически нет защит. Фрагмент принципиальной схемы ПЧ также показан ниже. Конечно же упрощенное изображение представлено.

В отношении приспособления фирменных ПЧ - могут быть заморочки. Каждая компания норовит применить свою фишку, чтобы сделать свой частотник - уникальным. Это типа борьбы с несанкционированным применением и воровством интеллектуальной собственности. Лучше, когда ПЧ характеризуется как китайский или отечественный NONAME. С устройствами от Rockwell Automation или Mitsubishi геммороя может оказаться побольше, и знаний потребуется побольше. Хотя в сети щас уже есть всякая информация от многочисленных умельцев. Управление частотником выполняют кнопками с панели н аморде ПЧ. Некоторые ПЧ имеют интерфейс для подключения плавных регуляторов, через специальные мелкие разъемы на ПЧ. Даже случаи употребления игровых джойстиков для управления электромотором встречаются. Для таких ухищрений требуется уже больше знаний. Ищите это в сети, - да обрящете. Пример разъемов для подключения внешнего упрвления показан на рисунке ниже.

Решение проблемы однофазного подключения ПЧ в сеть есть. Умельцы сообразили, что штатный входной трехфазный выпрямитель следует просто обойти, и при помощи отдельного выпрямителя подключиться к ШПТ. Причем даже выбрасывать из схемы (ящика) ПЧ ничего не нужно. Надо просто припаяться (+/-) к выводам силовых кондесаторов ШПТ внутри инвертора. Это сравнительно легко сделать в простых ПЧ, где нет сложных многоуровневых защит и контроллера. Остается только обеспечить требуемое для нормальной работы ШПТ стабильное постоянное напряжение, несколько большее, чем +600 вольт. Пример узла с коненсаторами внутри ПЧ показан ниже.

Голый диодный мост применять при однофазном подключении входа ПЧ не годится. А вот схема с удвоением напряжения уже волне сойдёт. Нужно только правильно выбрать параметры элементов. Для простоты решения не следует мудрить с количеством диодов. Есть например схема выпрямления в нулевой точкой (два диода). Не нужно такого делать. Лучше применить мостовую схему (4 диода), дополненную силовым электролитом.

Ниже показан пример схемы, которая может быть использована для полноценного электропитания шины постоянного тока внутри инвертора. Для нормальной работы трехфазного частотного преобразователя, нагруженного электромотором, необходимо обеспечить стабильное напряжение на шине постоянного тока, внутри самого IGBT-инвертора. Для пояснения сути выгодного решения следует обратиться к типовой структуре частотного преобразователя. На входе ПЧ всегда есть выпрямитель. Он преобразует электричество переменного тока в постоянное напряжение ШПТ. Если входная сеть трехфазная, то трехфазный выпрямитель от напряжения 380х3 легко получает выпрямленное пульсирующее напряжение несколько большее +600 вольт. Именно этим напряжением питают шину постоянного тока внутри инвертора, построенную на базе мощных электролитов. А вот если трехфазной сети нет, то беда. Напряжения однофазной сети 230 вольт при выпрямлении в +310 вольт оказывается просто недостаточно. Поэтому защиты ПЧ просто не допускают такого кривого режима.

Дело в том, что энергетические параметры схемы с удвоением напряжения значительно хуже, чем мостовой схемы. Поэтому следует и диоды использовать помощнее и конденсаторы применить значительно большей ёмкости. Диоды годятся и дискретные на ток 25-40 ампер. Конденсаторы-электролиты - банки с болтовым креплением М6 со значениями емкости 2200-4700 мкФ. Ближе к ШПТ установлена пара электролитов, включенная последовательно. Для выравнивания напряжений на конденсаторах ставят резисторы, ограничивая выделяемую в них мощность. Все манипуляции с обвесом мелкими деталями выполняют прямо на диодых сборках с применением контактных лепестков и паяльника.

В схеме формально показано реле напряжения KV1. Это любое устройство обеспечиающее коммутацию контактора при достижении уровня напряжения на ШПТ примерно 75-80% от номинала. После коммутации контактора происходит свободный дозаряд ШПТ до номинала, но уже без диких ударных токов. Вместо реле напряжения KV1 в схеме заряда ШПТ можно использовать модуль реле времени. Расчетные параметры эквивалентной силовой RC-цепи, а точнее (RLC-цепи) таковы, что реле времени следует употребить с диапазоном срабатывания 5-10 секунд. За это время ШПТ успешно заряжается до 80% нужного уровня напряжения. Надо помнить, что емкости в выпрямителе задействованы большие, а внутреннее сопротивление схемы с диодами маловато. Это неплохо, поскольку увеличивает скорость заряда. Однако это же создает опасность колебательного переходного процесса при заряде. Поэтому балласт следует применить до сотни Ом. Зарядный резистор на схеме показан без указания мощности. Можно применить сборку из параллельных зеленых резисторов, в сумме ватт на 100-150 с эквиваленным значением сопротивления 40-100 Ом, ограничивая пиковый ток, чтобы не бабахнуло. Важно, чтобы за 5-10 секунд заряда ШПТ резисторы не перегрелись. Контакторы можно использовать самые мелкие - первого габарита, на ток 10-15 ампер с катушкой управления на 220 вольт. 

Предложенная схема не является оптимальной. Можно составить и применить другие схемы. Моё отношение к нарисованному очень простое. Схема собрана из того, что оказалось под рукой. Компактных силовых диодных модулей не нашел. Поэтому применил тиристорные сборки МТТ. Для уверенного открывания тиристоров применены пусковые цепочки из диода и резистора в затвор вентиля. Хотя, следует заметить, что диодные сборки МДД здесь гораздо предпочтительнее. У них меньшее прямое напряжение на p-n переходах, поэтому меньше падение напряжения на диодах и меньше потери мощности в долговременном режиме. Показанные на схеме тиристорные сборки будут греться посильнее. Их придется монтировать на корпус ящика, в котором собирают все оборудование. При токах до 15-20 ампер даже падение напряжения 2-3 вольта не должно стать проблемой. Важно, чтобы сама гаражная сеть была крепкой и не допускала больших потерь напряжения. Однако модули МДД40-МДД63 здесь применить конечно же лучше, потери вдвое меньше. Электролиты в схеме использованы также те, которые оказались под рукой. Это достаточно мощные конденсаторы, есть запас. Применять электролиты 470-680 мкФ, с выводами для запаивания в плату, здесь не следует, маловато будет. На мой взгляд. Качество напряжения ШПТ окажется хуже, особенно при работе нагруженных моторов 3-4 кВт.

Таким образом - предлагаемое решение, с применением недорогих частотных инверторов и самодельщины, позволяет победить проблему эффективного использования в бытовых станках трехфазных промышленных асинхроных моторов.

                         Евгений Бортник, Красноярск, Россия, январь 2025