Schémata amatérských frekvenčních měničů

Jeden z prvních invertorových obvodů pro napájení třífázového motoru byl publikován v časopise Radio č. 11 z roku 1999. Vývojář schématu M. Mukhin byl v té době studentem třídy 10 a byl zapojen do rádiového kruhu.

Konvertor byl určen k napájení miniaturního třífázového motoru DID-5TA, který byl použit ve stroji pro vrtání desek s plošnými spoji. Je třeba poznamenat, že provozní frekvence tohoto motoru je 400 Hz a napájecí napětí je 27 V. Kromě toho byl vyveden střed motoru (při spojení vinutí s „hvězdou“), což umožnilo extrémně zjednodušit obvod: trvalo pouze tři výstupní signály a každá fáze vyžadovala pouze jeden výstupní klíč. Obvod generátoru je znázorněn na obrázku 1.

Jak je vidět na obrázku, převaděč se skládá ze tří částí: třífázového sekvenčního generátoru impulzů-generátorů na mikroobvodech DD1 ... DD3, tří klíčů na kompozitních tranzistorech (VT1 ... VT6) a samotném elektromotoru M1.

Obrázek 2 ukazuje časové diagramy impulsů generovaných generátorem generátoru. Hlavní oscilátor je vytvořen na čipu DD1. Pomocí rezistoru R2 můžete nastavit požadované otáčky motoru a také je změnit v určitých mezích. Podrobnější informace o obvodu najdete ve výše uvedeném protokolu. Je třeba poznamenat, že podle moderní terminologie se takové generátory nazývají řadiče.

Obrázek 1

Obrázek 2. Časové diagramy pulzů generátoru.

Na základě správce A. Dubrovsky z města Novopolotsk, Vitebsk region. Byl vyvinut návrh měniče kmitočtu pro motor poháněný střídavým napětím 220 V AC. Schéma zapojení byla publikována v časopise Radio 2001. Číslo 4.

V tomto schématu, prakticky nezměněném, se právě kontrolovaný řadič používá podle schématu M. Mukhina. Výstupní signály z prvků DD3.2, DD3.3 a DD3.4 se používají k ovládání výstupních tlačítek A1, A2 a A3, ke kterým je připojen elektromotor. Diagram ukazuje klíč A1, ostatní jsou identické. Kompletní schéma zařízení je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3

Připojení motoru na výstup třífázového střídače

Abychom se seznámili s připojením motoru k výstupním klíčům, je třeba zvážit zjednodušený diagram znázorněný na obrázku 4.

Obrázek 4

Obrázek ukazuje motor M, ovládaný tlačítky V1 ... V6. Polovodičové prvky pro zjednodušení obvodu znázorněného ve formě mechanických kontaktů. Elektromotor je napájen konstantním napětím Ud získaným z usměrňovače (na obrázku není znázorněno). V tomto případě se klávesy V1, V3, V5 nazývají horní a klávesy V2, V4, V6 nižší.

Je zcela zřejmé, že otevírání horních a dolních klíčů současně, konkrétně u párů V1 a V6, V3 & V6, V5 a V2, je zcela nepřijatelné: dojde ke zkratu. Proto je pro normální provoz takového schématu klíčů nezbytné, aby v době otevření spodního klíče byl horní klíč již uzavřen. Za tímto účelem tvoří regulátory pauzu, často označovanou jako „mrtvá zóna“.

Velikost této pauzy je taková, aby zajistila zaručené uzavření výkonových tranzistorů. Pokud tato pauza není dostatečná, je možné současně krátce otevřít horní a dolní tlačítko. To způsobuje zahřívání výstupních tranzistorů, což často vede k jejich selhání. Tato situace se nazývá proudy.

Vraťme se k obvodu znázorněnému na obrázku 3. V tomto případě jsou horní spínače tranzistory 1VT3 a dolní 1VT6. Je snadno vidět, že spodní klávesy jsou galvanicky spojeny s ovládacím zařízením a mezi sebou.Proto je řídicí signál z výstupu 3 prvku DD3.2 přes odpory 1R1 a 1R3 veden přímo do základny složeného tranzistoru 1VT4 ... 1VT5. Tento složený tranzistor není nic jiného než ovladač s nižším klíčem. Přesně také z prvků DD3, DD4 jsou řízeny složené tranzistory dolního klíčového ovladače kanálů A2 a A3. Všechny tři kanály jsou napájeny stejným usměrňovačem. na diodovém mostě VD2.

Horní klíče galvanické komunikace se společným drátem a ovládacím zařízením proto nemusí ovládat, kromě ovladače, na kompozitním tranzistoru 1VT1 ... 1VT2, musel být do každého kanálu nainstalován další optočlen 1U1. Výstupní optočlenový tranzistor v tomto obvodu také plní funkci přídavného střídače: když je výstup 3 prvku DD3.2 na vysoké úrovni, tranzistor horního spínače 1VT3 je otevřený.

Samostatný usměrňovač 1VD1, 1C1 se používá k napájení každého ovladače s nejvyššími klíči. Každý usměrňovač je napájen samostatným vinutím transformátoru, které lze považovat za nevýhodu obvodu.

Kondenzátor 1C2 poskytuje zpoždění přepínání klíčů asi 100 mikrosekund, stejné množství optočlenu 1U1 dává, čímž se vytvoří výše uvedená „mrtvá zóna“.

Je regulace frekvence dostatečná?

S poklesem frekvence napájecího střídavého napětí klesá indukční odpor vinutí motoru (pamatujte si vzorec indukčního odporu), což vede ke zvýšení proudu vinutím a v důsledku toho k přehřátí vinutí. Rovněž magnetický obvod statoru je nasycený. Aby se těmto negativním důsledkům zabránilo, musí se při poklesu frekvence také snížit efektivní hodnota napětí na vinutí motoru.

Jeden způsob, jak vyřešit problém v amatérských chastotnikech, byl navržen k regulaci této nejúčinnější hodnoty pomocí LATR, jehož pohyblivý kontakt měl mechanické spojení s proměnným odporem regulátoru frekvence. Tuto metodu doporučil v článku S. Kalugin, „Dokončení regulátoru otáček třífázových asynchronních motorů“. Journal of Radio 2002, No. 3, s. 31.

V amatérských podmínkách se ukázalo, že mechanická sestava je složitá a hlavně nespolehlivá. Jednodušší a spolehlivější způsob použití autotransformátoru navrhl E. Muradkhanian z Jerevanu v časopise Radio č. 12 2004. Schéma tohoto zařízení je znázorněno na obrázcích 5 a 6.

Síťové napětí 220 V je dodáváno do autotransformátoru T1 a od jeho pohyblivého kontaktu k usměrňovacímu můstku VD1 s filtrem C1, L1, C2. Na výstupu filtru se získá proměnné Ureg s konstantním napětím, které se používá k napájení samotného motoru.

Obrázek 5

Napětí Ureg přes odpor R1 je také dodáváno do hlavního oscilátoru DA1, vyrobeného na čipu KR1006VI1 (importovaná verze) NE555) V důsledku tohoto spojení se konvenční generátor čtvercové vlny změní na VCO (generátor řízený napětím). Proto se vzrůstajícím napětím Ureg také roste frekvence generátoru DA1, což vede ke zvýšení otáček motoru. S poklesem napětí Ureg také úměrně klesá frekvence hlavního oscilátoru, což zabraňuje přehřátí vinutí a přesycení magnetického obvodu statoru.

Obrázek 6

Ve stejném článku časopisu autor nabízí variantu hlavního oscilátoru, který vám umožňuje zbavit se použití autotransformátoru. Obvod generátoru je znázorněn na obrázku 7.

Obrázek 7

Generátor je vytvořen na druhém spuštění čipu DD3, v diagramu je označen jako DD3.2. Frekvence je nastavena kondenzátorem C1, frekvence je řízena proměnným odporem R2. Spolu s regulací frekvence se také mění doba trvání pulsu na výstupu generátoru: s klesající frekvencí se doba trvání snižuje, takže napětí na vinutí motoru klesá. Tento řídicí princip se nazývá modulace šířky pulsu (PWM).

V uvažovaném amatérském obvodu je výkon motoru malý, motor je poháněn pravoúhlými pulzy, takže PWM je docela primitivní. Ve skutečnosti průmyslové měniče kmitočtu Vysoce výkonný PWM je navržen tak, aby na výstupu generoval téměř sinusové napětí, jak je znázorněno na obrázku 8, a aby vykonával práci s různými zátěžemi: ​​při konstantním točivém momentu, při konstantním výkonu a při zatížení ventilátoru.

Obrázek 8. Tvar výstupního napětí jedné fáze třífázového střídače s PWM.

Napájecí část obvodu

Moderní značkové chastotníky mají výstup MOSFET nebo IGBT výkonové tranzistoryspeciálně konstruované pro provoz ve frekvenčních měničích. V některých případech jsou tyto tranzistory sloučeny do modulů, což obecně zlepšuje výkon celé struktury. Tyto tranzistory jsou řízeny pomocí speciálních mikroobvodů řidiče. U některých modelů jsou ovladače integrovány do tranzistorových modulů.

V současné době jsou nejběžnějšími čipy a tranzistory International Rectifier. V popsaném schématu je docela možné použít ovladače IR2130 nebo IR2132. V jednom případě takového čipu je šest ovladačů současně: tři pro dolní klíč a tři pro horní, což usnadňuje sestavení třífázového můstkového výstupního stupně. Kromě hlavní funkce obsahují tyto ovladače také několik dalších ovladačů, například ochranu proti přetížení a zkratům. Podrobnější informace o těchto ovladačích lze nalézt v technických popisech příslušných čipů.

Se všemi výhodami je jedinou nevýhodou těchto mikroobvodů jejich vysoká cena, takže autor návrhu šel jiným, jednodušším, levnějším a zároveň proveditelným způsobem: specializované mikroobvody řidičů byly nahrazeny integrovanými časovými čipy КР1006ВИ1 (NE555).

Výstupní klávesy integrovaných časovačů

Vrátíme-li se na obrázek 6, můžeme vidět, že obvod má výstupní signály pro každou ze tří fází, označených jako „H“ a „B“. Přítomnost těchto signálů umožňuje samostatné ovládání horního a dolního tlačítka. Toto oddělení umožňuje vytvořit pauzu mezi přepínáním horních a dolních kláves pomocí řídicí jednotky, nikoli samotných kláves, jak je znázorněno na obrázku na obrázku 3.

Rozložení výstupních klíčů pomocí mikroobvodů KR1006VI1 (NE555) je znázorněno na obrázku 9. Při trojfázovém převaděči budou samozřejmě zapotřebí tři kopie takových klíčů.

Obrázek 9

Jako ovladače horních (VT1) a dolních (VT2) kláves se používají mikroobvody KR1006VI1, které jsou zahrnuty podle Schmidtova schématu spouštění. S jejich pomocí je možné získat pulzní hradlový proud nejméně 200 mA, což umožňuje dostatečně spolehlivé a rychlé řízení výstupních tranzistorů.

Čipy dolních kláves DA2 mají galvanickou komunikaci s napájecím zdrojem + 12 V, a tedy s řídicí jednotkou, takže jsou napájeny z tohoto zdroje. Mikročipy horních klíčů mohou být napájeny stejným způsobem, jak je znázorněno na obrázku 3, za použití dalších usměrňovačů a samostatných vinutí na transformátoru. V tomto schématu se však používá jiná, takzvaná „rychlá“ metoda výživy, jejíž význam je následující. Mikroobvod DA1 přijímá energii z elektrolytického kondenzátoru C1, jehož náboj se vyskytuje v obvodu: + 12 V, VD1, C1, otevřený tranzistor VT2 (přes elektrody je zdrojem zdroj), „běžný“.

Jinými slovy, nabíjení na kondenzátoru C1 nastává, když je tranzistor spodního klíče otevřený. V tomto okamžiku je mínus terminál kondenzátoru C1 téměř zkratován ke společnému drátu (odpor otevřeného odtoku - zdrojová část výkonných tranzistorů s efektem pole je tisícin Ohmu!), Což umožňuje jeho nabíjení.

Když je tranzistor VT2 uzavřen, dioda VD1 se také uzavře, nabíjení kondenzátoru C1 se zastaví až do dalšího otevření tranzistoru VT2.Avšak náboj kondenzátoru C1 je dostatečný pro napájení čipu DA1, zatímco je tranzistor VT2 uzavřen. V tomto okamžiku je přirozeně tranzistor horní klávesy v uzavřeném stavu. Toto schéma vypínačů se ukázalo být tak dobré, že bylo použito beze změn v jiných amatérských vzorech.

Tento článek pojednává pouze o nejjednodušších schématech amatérských třífázových střídačů na mikroobvodech malého a středního stupně integrace, od kterých všechno začalo, a kde můžete dokonce zvážit vše zevnitř pomocí tohoto schématu. Jsou vyrobeny modernější designy pomocí mikrokontrolérů, nejčastěji řady PIC, jejichž schémata byla opakovaně publikována v rozhlasových časopisech.

Řídicí jednotky mikrokontroléru podle schématu jsou jednodušší než na mikroobvodech se středním stupněm integrace, mají takové nezbytné funkce jako hladký start motoru, ochrana proti přetížení a zkratům a jiným. V těchto blocích je vše implementováno na úkor řídicích programů nebo jak se nazývají „firmware“. Řídicí jednotka třífázového střídače bude přesně záviset na těchto programech.

Do časopisu Radio 2008 č. 12 jsou publikovány poměrně jednoduché obvody pro třífázové měniče. Článek se nazývá „Hlavní oscilátor pro třífázový měnič.“ Autor článku je také autorem řady článků o mikrokontrolérech a mnoha dalších designech. Článek představuje dva jednoduché obvody na mikrokontrolérech PIC12F629 a PIC16F628.

Frekvence rotace v obou schématech se postupně mění pomocí jednopólových spínačů, což v mnoha praktických případech stačí. Existuje také odkaz, kde si můžete stáhnout hotový „firmware“, a navíc speciální program, pomocí kterého můžete podle svého uvážení změnit parametry „firmwaru“. Je také možné provozování "demo" režimu generátorů. V tomto režimu je frekvence generátoru snížena 32krát, což umožňuje vizuální použití LED diod sledovat provoz generátorů. Poskytuje také doporučení pro připojení napájecí jednotky.

Pokud se však nechcete zapojit do programování mikrokontrolérů, společnost Motorola vydala specializovaný inteligentní ovladač MC3PHAC, navržený pro třífázové systémy řízení motoru. Na jeho základě je možné vytvořit levné systémy nastavitelného třífázového pohonu obsahující všechny potřebné funkce pro řízení a ochranu. Tyto mikrokontroléry se stále více používají v různých domácích spotřebičích, například v myčkách nádobí nebo chladničkách.

Spolu s řadičem MC3PHAC je možné použít napájecí moduly, které jsou k dispozici na poli, například IRAMS10UP60A vyvinuté společností International Rectifier. Moduly obsahují šest výkonových spínačů a řídicí obvod. Více podrobností o těchto prvcích naleznete v dokumentaci k datovému listu, kterou lze snadno najít na internetu.

Boris Aladyshkin