Рубрики
Электромастерская

Схемы любительских частотных преобразователей

Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного мотора была размещена в журнальчике «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался

Схемы любительских частотных преобразователейОдна из первых схем преобразователя для питания трехфазного мотора была размещена в журнальчике «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.

Преобразователь предназначался для питания маленького трехфазного мотора ДИД-5ТА, который употреблялся в станке для сверления печатных плат. При всем этом необходимо подчеркнуть, что рабочая частота этого мотора 400Гц, а напряжение питания 27В. Не считая того, средняя точка мотора (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило максимально упростить схему: пригодилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.

Как видно из схемы преобразователь состоит из 3-х частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, 3-х ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и фактически электродвигателя M1.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. При помощи резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения мотора, также изменять ее в неких границах. Более подробную информацию о схеме можно выяснить в обозначенном выше журнальчике. Необходимо подчеркнуть, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи именуются контроллерами.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 1.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.

На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для мотора с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была размещена в журнальчике «Радио» 2001г. №4.

В этой схеме, фактически без конфигураций, употребляется только-только рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с частей DD3.2, DD3.3 и DD3.4 употребляются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме стопроцентно показан ключ A1, другие схожи. Стопроцентно схема устройства показана на рисунке 3.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 3.

Подключение мотора к выходу трехфазного инвертора

Для ознакомления с подключением мотора к выходным ключам стоит разглядеть облегченную схему, приведенную на рисунке 4.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 4.

На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется неизменным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При всем этом, ключи V1, V3, V5 именуются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.

Совсем разумеется, что открытие сразу верхних и нижних ключей, а конкретно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совсем неприемлимо: произойдет куцее замыкание. Потому, для обычной работы таковой главный схемы, непременно, чтоб к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления сформировывают паузу, нередко именуемую «мертвой зоной».

Величина этой паузы такая, чтоб обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то может быть краткосрочное открытие верхнего и нижнего ключа сразу. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, нередко приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию именуют сквозными токами.

Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В этом случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Несложно увидеть, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Потому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются конкретно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что другое, как драйвер нижнего ключа. В точности также от частей DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех 3-х каналов осуществляется от 1-го и такого же выпрямителя на диодном мосте VD2.

Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, потому для управления ими не считая драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также делает функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высочайший уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.

Для питания каждого драйвера верхнего ключа употребляется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от персональной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недочет схемы.

Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем формируется вышеупомянутая «мертвая зона».

Довольно ли только регулирования частоты?

С снижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток мотора (довольно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к повышению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтоб избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и действенное значение напряжения на обмотках мотора.

Одним из методов решения трудности в любительских частотниках предлагалось это самое действенное значение регулировать с помощью ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Таковой метод был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнальчик «Радио» 2002, №3, стр.31.

В любительских критериях механический узел выходил в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более обычный и надежный метод использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнальчике «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.

Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра выходит изменяемое неизменное напряжение Uрег, применяемое фактически для питания мотора.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 5.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (ввезенный вариант NE555). В итоге такового подключения обыденный генератор прямоугольных импульсов преобразуется в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Потому, при увеличении напряжения Uрег возрастает и частота генератора DA1, что приводит к повышению частоты вращения мотора. При понижении напряжения Uрег пропорционально миниатюризируется и частота задающего генератора, что дает возможность избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 6.

В той же журнальной статье создатель предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 7.

Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Совместно с регулировкой частоты меняется и продолжительность импульса на выходе генератора: при снижении частоты продолжительность миниатюризируется, потому напряжение на обмотках мотора падает. Таковой принцип управления именуется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).

В рассматриваемой любительской схеме мощность мотора невелика, питание мотора делается прямоугольными импульсами, потому ШИМ довольно примитивна. В реальных промышленных частотных преобразователях большой мощности ШИМ создана для формирования на выходе напряжений фактически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с разными нагрузками: при неизменном моменте, при неизменной мощности и при вентиляторной нагрузке.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы

Современные фирменные частотники имеют на выходе массивные транзисторы структуры MOSFET либо IGBT, специально созданные для работы в преобразователях частоты. В ряде всевозможных случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает характеристики всей конструкции. Управление этими транзисторами делается при помощи специализированных микросхем-драйверов. В неких моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.

Более всераспространены в текущее время микросхемы и транзисторы компании International Rectifier. В описываемой схеме полностью может быть применить драйверы IR2130 либо IR2132. В одном корпусе таковой микросхемы содержится сходу 6 драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет просто собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Не считая основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, к примеру защита от перегрузок и маленьких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно выяснить из технических описаний Data Sheet на надлежащие микросхемы.

При всех плюсах единственный недочет этих микросхем их высочайшая стоимость, потому создатель конструкции пошел другим, более обычным, дешевеньким, и в то же время работоспособным методом: спец микросхемы-драйверы изменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Выходные ключи на интегральных таймерах

Если возвратиться к рисунку 6, то можно увидеть, что схема имеет для каждой из 3-х фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет сформировывать паузу меж переключением верхних и нижних ключей с помощью блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.

Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя пригодится три экземпляра таких ключей.

Схемы любительских частотных преобразователей

Набросок 9.

В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей употребляются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С помощью их может быть получить импульсный ток затвора более 200мА, что позволяет получить довольно надежное и резвое управление выходными транзисторами.

Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, потому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с внедрением дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется другой, так именуемый, «бустрепный» способ питания, смысл которого в последующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток — исток), «общий».

Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается фактически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток — исток» у массивных полевых транзисторов составляет тысячные толики Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.

При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диодик VD1, заряд конденсатора C1 закончится до последующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась так хороша, что без конфигураций применяется и в других любительских конструкциях.

В данной статье рассмотрены только самые обыкновенные схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме разглядеть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены с применением микроконтроллеров, в большинстве случаев серии PIC, схемы которых также не один раз публиковались в журнальчиках «Радио».

Микроконтроллерные блоки управления по схеме более ординарны, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как плавный запуск мотора, защита от перегрузок и маленьких замыканий и некие другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ либо как их принято именовать «прошивок». Конкретно от этих программ и зависит как отлично либо плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.

Довольно обыкновенные схемы контроллеров трехфазного инвертора размещены в журнальчике «Радио» 2008 №12. Статья именуется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Создатель статьи А. Длинный является также создателем цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две обычных схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.

Частота вращения в обеих схемах меняется ступенчато при помощи однополюсных тумблеров, что полностью довольно в почти всех практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программку, при помощи которой можно изменять характеристики «прошивок» по собственному усмотрению. Вероятна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет зрительно при помощи светодиодов следить работу генераторов. Также даются советы по подключению силовой части.

Но, если не охото заниматься программированием микроконтроллера компания Motorola выпустила спец умственный контроллер MC3PHAC, созданный для систем управления 3-фазным движком. На его базе может быть создание дешевых систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все нужные функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более обширное применение в различной бытовой технике, к примеру, в посудомоечных машинах либо холодильниках.

В комплекте с контроллером MC3PHAC может быть внедрение готовых силовых модулей, к примеру IRAMS10UP60A разработанных компанией International Rectifier. Модули содержат 6 силовых ключей и схему управления. Более тщательно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую довольно легко отыскать в вебе.

Борис Аладышкин