Универсальный тормозной модуль для частотного преобразователя

Частотные преобразователи становятся все более и более доступными для рядового потребителя. Многие мастера приобретают их для питания различных двигателей в личной мастерской. Предлагаю вашему вниманию схему универсального тормозного модуля для частотного преобразователя (далее ЧП) из недорогих и доступных деталей. Данный модуль требуется, если необходимо быстро останавливать двигатель при питании его от ЧП. Например, это крайне необходимо при нарезании резьб на токарном станке. Если вовремя не остановить шпиндель или не отвести резец, он может нарезать лишнего и даже врезаться в патрон.

Во многих ЧП этот модуль уже встроен, причем, иногда уже вместе с тормозным резистором (реостатом). В некоторых встроена только управляющая часть, тормозной реостат необходимо подключать дополнительно. В моем же ЧП из соображений компактности и удешевления блока этот модуль предполагается подключать целиком в виде внешнего отдельного блока. Найти такой модуль оказалось проблемой, поэтому и пришлось разработать его самостоятельно.

В ЧП исходное напряжение (одна фаза 220 В или три фазы 380 В) выпрямляются до постоянного тока (по-хорошему – обязательно с коррекцией коэффициента мощности). А потом из постоянного тока с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) снова генерируются, но уже три фазы, сдвинутые на 120 градусов. При этом можно в некоторых пределах изменять напряжение и частоту этих фаз, и, соответственно, частоту вращения асинхронного двигателя (поскольку в асинхронных двигателях частота питающей сети напрямую определяет частоту вращения ротора). Таким образом можно плавно разгонять и тормозить двигатель и менять частоту его вращения.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя заключается в том, что трехфазный ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в короткозамкнутом роторе ток, который начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле, так, чтобы поля статора и ротора стали взаимно неподвижными. В двигательном (при разгоне и работе) режиме частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного поля. Эта относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. При торможении ЧП генерирует вращающееся магнитное поле частотой меньше чем та, с которой в данный момент вращается ротор, при этом двигатель переходит в генераторный режим и начинает не потреблять, а отдавать энергию.

В частотном преобразователе эта отданная энергия начинает накапливаться в конденсаторах фильтра выпрямленного напряжения звена постоянного тока, приводя к увеличению напряжения на них вплоть до их пробоя. Некоторые модели ЧП умеют рекуперировать эту энергию, возвращая ее обратно в сеть переменного тока. Но это приводит к существенному усложнению их схемы. Такой ЧП вместо простых и дешевых выпрямительных диодов должен иметь на входе схему синхронного выпрямителя, по сути, такой же трехфазный транзисторный мост, как и на его выходе. Такое усложнение имеет смысл и оправдано для приводов двигателей с частыми разгонами и торможениями, приводящих в движение высокоинерционные механизмы и часто работающих в режиме торможения. Это, например, электродвигатели привода лифтов. Когда кабина едет с пассажирами вверх, лифт потребляет электроэнергию, когда едет вниз – отдает ее обратно в сеть.

Большинство же ЧП, в том числе и используемые на производстве, все же собраны по более простым схемам и рекуперации не имеют. Вместо этого в момент торможения специальным транзисторным ключом к конденсаторам фильтра подключается тормозной реостат, или попросту обычный резистор. Этот резистор отбирает на себя лишнюю мощность, преобразуя ее в тепло и не позволяя, тем самым, напряжению на конденсаторах вырасти сверх допустимого уровня.

Следует отметить, что у некоторых специалистов существует ошибочное представление о роли этого резистора. Они рассуждают по аналогии с двигателями постоянного тока, применяемыми, например, на электротранспорте. Там, в момент торможения двигатель отключается от сети, переводится в генераторный режим и подключается к тормозным реостатам. Таким образом, механическая энергия преобразуется сначала в электрическую электродвигателем, а потом в тепловую реостатом. В асинхронных двигателях немного не так. В них торможение осуществляет (создает тормозящее магнитное поле) не реостат, а именно сам ЧП. Реостат подключается к ЧП исключительно для защиты самого ЧП от перенапряжения, вызванного избыточной энергией, полученной от двигателя. ЧП может работать и без реостата, расходуя эту энергию, например, на собственные нужды. В моем ЧП фирмы «Omron» этот режим реализуется следующим образом: частотный преобразователь начинает торможение, напряжение на конденсаторах фильтра растет (Рисунок 1). Когда напряжение дорастает до определенного уровня, задаваемого значением в определенном регистре, ЧП торможение прекращает. Энергия конденсаторов расходуется на питание самого преобразователя, тратится на переключение транзисторов. После того как она упадет ниже безопасного уровня, ЧП снова начинает тормозить двигатель. Торможение получается прерывистым. Но, по сравнению с режимом торможения простым выбегом, останов происходит несколько быстрее.

Торможение ЧП без тормозного резистора.
Рисунок 1. Торможение ЧП без тормозного резистора.

Но наиболее быструю остановку двигателя можно получить, утилизируя энергию на тормозном реостате. Скорость остановки механизма в этом случае ограничена только током, который могут коммутировать выходные транзисторы, и током, который может гасить в себе тормозной реостат. Если мощность, которую необходимо «загасить» реостатом, еще можно как-то прикинуть, анализируя мощность и инерцию механизма, то вот максимальный ток коммутирующих транзисторов, который выдержит при этом сам ЧП, неизвестен. Однако, в общем случае, знать это и не требуется. Обычно, сопротивления реостатов для работы с конкретной моделью ЧП приведены в его описании. Если этой информации нет, как в случае моей модели ЧП, то можно посмотреть ее в описании на модель другой серии или другой фирмы на аналогичную мощность и аналогичное рабочее напряжение. Примерное значение можно взять, например, из Таблицы 1.

Таблица 1. Сопротивление и мощность тормозного резистора
в зависимости от мощности ЧП и напряжения сети.
(Источник: Интернет)
Напряжение
сети,
В
Мощность
двигателя,
кВт
Сопротивление
резистора,
Ом
Мощность
резистора,
Вт
220 (230) 0.4 200 80
0.75 200 80
1.5 100 300
2.2 70 300
380 (400) 0.75 750 80
1.5 400 300
2.2 250 300
3.7 150 400
5.5 100 500
7.5 75 1000

Для моего ЧП на мощность 1.5 кВт при питании от 380 В тормозной резистор должен иметь сопротивление около 400 Ом и рассеивать мощность примерно 300 Вт. При этом для определенных моделей ЧП указывается и минимально допустимое сопротивление этого реостата, ограниченное, вероятно, допустимым максимальным током коммутирующего транзистора.

Принцип работы тормозного модуля прост. Модуль должен отслеживать напряжение на фильтрующих конденсаторах звена постоянного тока ЧП. При его увеличении выше определенного уровня параллельно подключается гасящий резистор. При снижении до безопасного уровня резистор отключается. Какие же должны быть пороги включения и выключения резистора? С одной стороны, порог должен быть как можно меньше, чтобы как можно раньше включить резистор и начать гасить энергию, не дожидаясь, когда напряжение на конденсаторах вырастет до опасных величин. Но, с другой стороны, это напряжение должно быть больше максимально возможного рабочего напряжения на конденсаторах. При питании от сети переменного тока напряжение этой сети может изменяться в некоторых пределах, соответственно, также будет меняться и напряжение на фильтрующих конденсаторах. По ГОСТ 13109-87 максимальное отклонение напряжения сети составляет 10%. Максимальное напряжение при питании от сети 230 В – 253 В, при питании от сети 400 В – 440 В. При этом, после выпрямления на конденсаторах фильтра будет 357 В и 620 В, соответственно. С другой стороны, в настройках защиты ЧП от перенапряжения можно выставить параметр от 660 до 790 В. Таким образом, пороговое напряжение для срабатывания тормозного модуля можно выбрать любое в районе 630…680 В с гистерезисом примерно 10 В. Небольшой гистерезис необходим для предотвращения дребезга при переходе через пороговое напряжение.

Входное напряжение отслеживается управляемым стабилитроном DA1 типа TL431 (Рисунок 2). Делитель напряжения R1, R2 выбран таким, чтобы уровень его срабатывания был около 680 В. Цепочка C1, R7 обеспечивает небольшой гистерезис и ФНЧ для предотвращения возбуждения и дребезга вблизи порогового напряжения. R4, R5 обеспечивают минимальный рабочий ток микросхемы и управляют транзистором VT1, который, в свою очередь, включает VT2. Включение торможения индицируется светодиодом H2 красного цвета. От возможных выбросов индуктивности нагрузки транзистор защищается встроенным диодом. Светодиод H1 индицирует наличие питания и работоспособность модуля. Схема питается от готового миниатюрного источника питания 9 В, 0.1 А, в качестве которого использовано ставшее уже ненужным зарядное устройство от сотового телефона. Зарядное устройство питается от входного напряжения через гасящий резистор R3; напряжение на нем ограничивается стабилитронами VD1, VD2 на уровне 350-360 В постоянного тока.

Схема тормозного модуля.
Рисунок 2. Схема тормозного модуля.

Печатная плата для устройства не разрабатывалась, крупногабаритные элементы R1, R3, VD1, VD2, VT2, смонтированы навесным монтажом на подходящей по размеру изоляционной пластине. Низковольтные элементы смонтированы на небольшой макетной плате (Рисунок 3). Остальные детали и ЗУ смонтированы в подходящем по размеру пластмассовом корпусе (Рисунок 4), в котором также установлены держатели предохранителей FU1, FU2 на 5 А. В корпусе необходимо предусмотреть вентиляционные отверстия. Ощутимо греются R3, VD1, VD2. Транзистор VT2 по большей части находится в выключенном состоянии, его нагрев минимален. Для него следует предусмотреть радиатор, если модулем предполагается длительное торможение.

Примерный вид на монтаж блока.
Рисунок 3. Примерный вид на монтаж блока.

В качестве R1 использован специальный высоковольтный резистор типа КЭВ-0,5. Такие резисторы можно найти в блоках строчной развертки старых цветных телевизоров типа УЛПЦТ. При отсутствии такого резистора его можно собрать из нескольких обычных. При этом следует учитывать максимально допустимое рабочее напряжение на резисторах. Для резисторов поверхностного монтажа оно составляет 50 В для типоразмеров 0603, 150 В для 0805, 200 В для 1206. Для выводных резисторов оно составляет примерно 200 В для резисторов мощности 0.125 Вт, 250 В для 0.25 Вт, 350 В для 0.5 Вт, 500 В для 1 Вт и 750 В для 2-ваттных резисторов. Таким образом, набирая нужное сопротивление из выводных резисторов мощностью, например, 0.25 Вт, их нужно применить не менее 4 штук в цепочке. Сопротивление R1 также не критично, его можно изменять в широких пределах, но не более 10 МОм. Изменяя сопротивление этого резистора, одновременно нужно пересчитывать и сопротивление резистора R2 для сохранения коэффициента деления делителя напряжения. Пересчитать можно по приблизительной формуле: R2=2.5×R1/650. Полученное сопротивление необходимо округлить в большую сторону из ближайших сопротивлений ряда. В схеме необходимо предусмотреть возможность подпайки параллельно R2 дополнительных резисторов для подгонки напряжения срабатывания.

Внешний вид блока.
Рисунок 4. Внешний вид блока.

Резистор R3 должен быть мощностью не менее 5 Вт. Стабилитроны КС680А можно заменить другими с суммарным напряжением стабилизации 300-360 В, например, Д817Г, КС620А, КС650А, 2С920А, 2С950А, 2С980А. Их необходимо установить на небольшие алюминиевые радиаторы.

Транзистор VT1 заменяется любым низковольтным p-n-p с током коллектора не менее 0.1 А. Транзистор VT2 можно заменить любым высоковольтным MOSFET с допустимым напряжением сток-исток не менее 900-1200 В, током 5-10 А и сопротивлением в открытом состоянии 1-3 Ом. Светодиоды – любые, красного и зеленого цвета свечения.

В качестве источника питания подойдет любое ЗУ с выходным током не менее 0.1 А и выходным напряжением 9 В. При выборе из нескольких моделей ЗУ следует отдавать предпочтение фирменным изделиям, собранным на специализированной микросхеме ШИМ, а не китайским аналогам, собранным на одном транзисторе. Я использовал зарядное устройство на 5 В, подняв его выходное напряжение до 9 В увеличением сопротивления цепи обратной связи микросхемы ШИМ. При этом даже не пришлось менять какие-либо другие компоненты.

Схему можно легко переделать и для работы с ЧП на 230 В. В этом случае необходимо пересчитать делитель R1, R2 для срабатывания при пороговом напряжении около 370 В. Если оставить R1 тем же, то R2 должен будет иметь сопротивление примерно 33 кОм. Также необходимо будет уменьшить сопротивление R3 до 4.7 кОм; тогда мощность, рассеиваемая на этом резисторе, не будет превышать 0.5 Вт. Выходной транзистор можно применить более низковольтный. В остальном же схема не изменяется.

Схема проста, при исправных компонентах и правильной сборке начинает работать сразу. Единственное, необходимо проверить правильность установки порога срабатывания и, при необходимости, подобрать желаемый, припаивая параллельно резистору R2 дополнительные резисторы. Подавать различное напряжение можно, например, с помощью гальванически развязанного ЛАТРа. Повышенное напряжение можно получить с помощью простого удвоителя напряжения, собранного из двух диодов и двух конденсаторов. Диоды должны быть на обратное напряжение не менее 600 В, конденсаторы – на напряжение не менее 450 В.

Контролируя параметры схемы при работе в составе с ЧП, следует соблюдать повышенные правила электробезопасности. В схеме присутствует высокое напряжение – до 800 В, все элементы схемы гальванически связаны с сетевым напряжением, поэтому касание элементов схемы во время работы недопустимо. Для монтажа схемы и тормозного реостата необходимо использовать провода, рассчитанные на повышенное напряжение, с утолщенной изоляцией.

При отсутствии готового тормозного реостата, рекомендованного производителем, его можно собрать из нескольких мощных резисторов, отопительных или нагревательных ТЭНов и различных других нагревательных элементов, например, от отслуживших свое утюгов, чайников, электроплиток и пр. У меня получилось приобрести несколько штук ТЭНов весьма недорого (правда, для других целей) на рынке, просто попросив продавца продать самые неликвидные товары. Для улучшения отвода тепла нагревательные элементы желательно закрепить на металлических частях станка или обеспечить теплоотвод иными способами. Напряжение, которое подается на реостат в момент торможения, может достигать 800 В, поэтому набирать нужное сопротивление необходимо из 3-4 нагревательных элементов, рассчитанных на 220 В и включенных последовательно. Для этих целей отлично подходит, например, конфорка от бытовых электроплит. Такая конфорка уже содержит внутри 3 спирали, включенных последовательно, имеет небольшие габариты, плоскую поверхность для теплоотвода и ее удобно крепить за уже имеющуюся резьбовую шпильку. Конфорка на 1 кВт имеет полное сопротивление всех спиралей около 470 Ом, на 1.5 кВт – около 300 Ом, на 2 кВт – около 220 Ом.

Я использовал в качестве реостата так называемый «трамвайный» обогреватель, давно валявшийся без дела в гараже еще от предыдущего владельца. Такой обогреватель рассчитан на работу от напряжения 750 В трамвайной электросети и имеет мощность 1 кВт. Обогреватель состоит из 8 отдельных ТЭНов сопротивлением 75 Ом каждый. ТЭНы можно соединить различными способами – последовательно или параллельно, получая тем самым необходимое сопротивление согласно требованиям инструкции на ЧП. Обогреватель не требует принудительного охлаждения, имеет простую и дубовую конструкцию, единственный недостаток которой – большие габариты. В этом обогревателе я соединил 4 секции последовательно и получил тормозной реостат сопротивлением 300 Ом и средней мощностью 500 Вт. Оставшиеся 4 секции я соединил последовательно-параллельно (получившееся сопротивление 75 Ом) и использовал их как обычный обогреватель мощностью 650 Вт рабочего места и станка, включаемый в холодное время года для более комфортной работы.

Проверив правильность установки порога срабатывания, можно подключать модуль к ЧП и проверять его работу на реальном оборудовании. После этого, меняя настройки ЧП в соответствии с инструкцией по эксплуатации, можно выставить значительно меньшее время остановки двигателя. Однако при установке слишком маленького значения этого параметра ЧП может выдать ошибку по превышению максимального тока при торможении. Это значит, что коммутирующие транзисторы ЧП не могут обеспечить большую скорость остановки. С этим ничего сделать не получится, необходимо просто увеличить время торможения в настройках ЧП. Если при торможении возникает ошибка по превышению максимального напряжения в звене постоянного тока, это значит, что или модуль (реостат) неисправен или же он не справляется с отводом мощности, например, из-за высокой инерции механизма. При этом высвободившаяся энергия механизма заряжает конденсаторы фильтра до порогового значения, при котором происходит отключение функции торможения. В этом случае можно попробовать уменьшить сопротивление тормозного резистора до минимально допустимого значения, подключая параллельно дополнительные реостаты. Таким образом можно рассеять больше энергии в единицу времени. Если заменить реостат нет возможности, тогда подойдет другой способ – увеличить величину фильтрующей емкости, подключая параллельно конденсаторам фильтра дополнительные конденсаторы на необходимое напряжение. При этом энергия останавливаемого механизма будет запасаться в большей емкости, она будет дольше заряжаться и, соответственно, дольше разряжаться, как бы «размазывая» импульс мощности во времени. В тяжелых случаях можно комбинировать оба этих способа.

  1. Datasheet Diodes TL431
  2. Datasheet ON Semiconductor BC640
  3. Datasheet STMicroelectronics STW9NK90Z

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1320
сейчас смотрят 12
представлено поставщиков 1570
загружено
позиций
25 067 862