Схеми на аматьорски честотни преобразуватели

Една от първите вериги на преобразувателя за захранване на трифазен двигател е публикувана в списание Radio № 11 от 1999 г. Разработчикът на схеми М. Мухин по това време е бил ученик от 10 клас и е бил ангажиран в радиокръг.

Преобразувателят е предназначен да захранва миниатюрния трифазен двигател DID-5TA, който се използва в машината за пробиване на печатни платки. Трябва да се отбележи, че работната честота на този двигател е 400Hz, а захранващото напрежение е 27V. В допълнение, средната точка на двигателя (когато свързвате намотките със „звезда“) беше изведена, което даде възможност за изключително опростяване на веригата: тя отне само три изходни сигнала и всяка фаза изискваше само един изходен ключ. Схема на генератора е показана на фигура 1.

Както се вижда от диаграмата, преобразувателят се състои от три части: трифазен последователен импулсен генератор-генератор на DD1 ... DD3 микросхема, три клавиша на композитни транзистори (VT1 ... VT6) и действителния електрически двигател M1.

Фигура 2 показва времевите диаграми на импулсите, генерирани от генератора на генератора. Главният осцилатор е направен на чипа DD1. Използвайки резистор R2, можете да зададете желаната скорост на двигателя, както и да го промените в определени граници. По-подробна информация за веригата можете да намерите в горния дневник. Трябва да се отбележи, че според съвременната терминология такива генератори се наричат ​​контролери.

Фигура 1

Фигура 2. Временни диаграми на импулсите на генератора.

Въз основа на контролера А. Дубровски от град Новополоцк, Витебска област. Разработен е дизайнът на задвижване с променлива честота за двигател, захранван от 220V AC. Схемата на схемата е публикувана в списание Radio 2001. Номер 4.

В тази схема, практически непроменена, току-що прегледаният контролер се използва по схемата на М. Мухин. Изходните сигнали от елементите DD3.2, DD3.3 и DD3.4 се използват за управление на изходните клавиши A1, A2 и A3, към които е свързан електродвигателят. Диаграмата показва ключа А1, останалите са идентични. Пълна схема на устройството е показана на фигура 3.

Фигура 3

Свързване на двигателя към изхода на трифазен инвертор

За да се запознаете с връзката на двигателя към изходните клавиши, струва си да разгледате опростена схема, показана на фигура 4.

Фигура 4

Фигурата показва мотора M, управляван от клавишите V1 ... V6. Полупроводникови елементи за опростяване на схемата, показана под формата на механични контакти. Електродвигателят се захранва от постоянно напрежение Ud, получено от токоизправителя (не е показано на фигурата). В този случай ключовете V1, V3, V5 се наричат ​​горни, а клавишите V2, V4, V6 долни.

Съвсем очевидно е, че отварянето на горния и долния клавиш едновременно, а именно с двойките V1 и V6, V3 & V6, V5 & V2, е напълно неприемливо: ще възникне късо съединение. Следователно, за нормалната работа на такава ключова схема, е задължително до момента на отваряне на долния ключ горният ключ вече да е затворен. За тази цел контролерите образуват пауза, често наричана "мъртва зона".

Големината на тази пауза е такава, че да гарантира гарантирано затваряне на силови транзистори. Ако тази пауза е недостатъчна, е възможно едновременно да се отворят горните и долните клавиши. Това причинява изходните транзистори да се нагряват, което често води до тяхната повреда. Тази ситуация се нарича чрез течения.

Да се ​​върнем към схемата, показана на фигура 3. В този случай горните превключватели са транзистори 1VT3, а долните 1VT6. Лесно е да се види, че долните клавиши са галванично свързани с устройството за управление и помежду си.Следователно, управляващият сигнал от изхода 3 на елемента DD3.2 през резисторите 1R1 и 1R3 се подава директно към основата на композитния транзистор 1VT4 ... 1VT5. Този композитен транзистор не е нищо друго освен драйвер за по-нисък ключ. Точно също от елементите DD3, DD4 се управляват композитните транзистори на драйвера на долния ключ на каналите A2 и A3. И трите канала се захранват от един и същи изправител. на диодния мост VD2.

Горните клавиши на галваничната комуникация с общ проводник и управляващо устройство нямат, следователно, за да ги управляват, в допълнение към драйвера, върху композитен транзистор 1VT1 ... 1VT2, във всеки канал трябваше да се монтира допълнителен оптрон 1U1. Изходният транзистор на оптрона в тази схема също изпълнява функцията на допълнителен инвертор: когато изходът 3 на елемента DD3.2 е високо ниво, транзисторът на горния превключвател 1VT3 е отворен.

Отделен токоизправител 1VD1, 1C1 се използва за захранване на всеки драйвер от най-висок клавиш. Всеки токоизправител се захранва от индивидуална намотка на трансформатор, което може да се счита за недостатък на веригата.

Кондензаторът 1C2 осигурява закъснение при превключване на ключ от около 100 микросекунди, което дава същото количество оптодвойник 1U1, като по този начин образува гореспоменатата „мъртва зона“.

Достатъчен ли е честотният контрол?

С намаляване на честотата на захранващото променливо напрежение индуктивното съпротивление на намотките на двигателя спада (само не забравяйте формулата на индуктивното съпротивление), което води до увеличаване на тока през намотките и в резултат на това до прегряване на намотките. Също така магнитната верига на статора е наситена. За да се избегнат тези негативни последици, когато честотата намалява, ефективната стойност на напрежението върху намотките на двигателя също трябва да бъде намалена.

Един от начините за решаване на проблема в аматьорските chastotniks беше предложен за регулиране на тази най-ефективна стойност чрез LATR, чийто подвижен контакт имаше механична връзка с променлив резистор на честотния регулатор. Този метод е препоръчан в статията на С. Калугин, „Финализиране на регулатора на скоростта на трифазни асинхронни двигатели“. Journal of Radio 2002, № 3, стр. 31.

В любителски условия механичният монтаж се оказа сложен и най-важното - ненадежден. По-прост и по-надежден начин за използване на автотрансформатор беше предложен от Е. Мурадханян от Ереван в радио списание № 12 2004. Диаграма на това устройство е показана на фигури 5 и 6.

Основното напрежение 220V се подава към автотрансформатора Т1, а от подвижния му контакт към изправителния мост VD1 с филтър C1, L1, C2. На изхода на филтъра се получава Ureg с променливо постоянно напрежение, което се използва за захранване на самия двигател.

Фигура 5

Напрежението Ureg през резистора R1 се подава и към главния осцилатор DA1, направен на чипа KR1006VI1 (внесена версия NE555). В резултат на тази връзка конвенционален генератор с квадратна вълна се превръща във VCO (генератор с управление на напрежението). Следователно, с увеличаване на напрежението Ureg, честотата на генератора DA1 също се увеличава, което води до увеличаване на скоростта на двигателя. С намаляващото напрежение Ureg честотата на главния осцилатор също намалява пропорционално, което избягва прегряване на намотките и пренасищане на магнитната верига на статора.

Фигура 6

В същата статия в списанието авторът предлага вариант на главния осцилатор, който ви позволява да се отървете от използването на автотрансформатор. Схема на генератора е показана на фигура 7.

Фигура 7

Генераторът е направен на втория спусък на DD3 чипа, на диаграмата той е обозначен като DD3.2. Честотата се задава от кондензатор С1, честотата се управлява от променлив резистор R2. Заедно с регулирането на честотата продължителността на импулса на изхода на генератора също се променя: когато честотата е намалена, продължителността намалява, така че напрежението върху намотките на двигателя спада. Този принцип на управление се нарича импулсна ширина модулация (PWM).

В разглежданата аматьорска верига мощността на двигателя е малка, двигателят се захранва от правоъгълни импулси, така че PWM е доста примитивен. В действителност промишлени честотни преобразуватели PWM с висока мощност е проектиран да генерира почти синусоидално напрежение на изхода, както е показано на фигура 8, и да изпълнява работа с различни натоварвания: при постоянен въртящ момент, при постоянна мощност и при натоварване на вентилатора.

Фигура 8. Формата на изходното напрежение на една фаза на трифазен инвертор с ШИМ.

Силова част на веригата

Съвременните маркови chastotniks имат изход MOSFET или IGBT силови транзисториспециално проектиран за работа в честотни преобразуватели. В някои случаи тези транзистори се комбинират в модули, което като цяло подобрява работата на цялата структура. Тези транзистори се управляват с помощта на специализирани микросхеми на водача. В някои модели са налични драйвери, интегрирани в транзисторни модули.

В момента най-често срещаните чипове и транзистори са International Rectifier. В описаната схема е напълно възможно да използвате драйвери IR2130 или IR2132. В един случай на такъв чип има шест драйвери наведнъж: три за долния ключ и три за горния, което улеснява сглобяването на изходния етап на трифазен мост. В допълнение към основната функция, тези драйвери съдържат и няколко допълнителни, например защита срещу претоварвания и къси съединения. По-подробна информация за тези драйвери можете да намерите в техническите описания на техническия лист за съответните чипове.

При всички предимства, единственият недостатък на тези микросхеми е тяхната висока цена, така че авторът на дизайна премина по друг, по-опростен, по-евтин и в същото време работещ начин: специализираните микросхеми на драйвери бяха заменени от интегрирани чипове на таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Изходни ключове на интегрирани таймери

Ако се върнем към Фигура 6, можем да видим, че веригата има изходни сигнали за всяка от трите фази, обозначени като “H” и “B”. Наличието на тези сигнали позволява отделно управление на горния и долния клавиш. Това разделяне ви позволява да създадете пауза между превключването на горния и долния клавиш с помощта на контролния блок, а не самите клавиши, както е показано на диаграмата на фигура 3.

Разположението на изходните клавиши с помощта на микросхеми KR1006VI1 (NE555) е показано на фигура 9. Естествено, за трифазен преобразувател ще са необходими три копия на такива клавиши.

Фигура 9

Като драйвери на горните (VT1) и долните (VT2) клавиши се използват микросхеми KR1006VI1, които са включени съгласно схемата на тригер на Schmidt. С тяхна помощ е възможно да се получи импулсен затворен ток от най-малко 200 mA, което дава възможност да се получи достатъчно надежден и бърз контрол на изходните транзистори.

Чиповете на долните клавиши DA2 имат галванична комуникация с + 12V захранване и съответно с контролния блок, така че те се захранват от този източник. Микрочипите на горните клавиши могат да се захранват по същия начин, както е показано на фигура 3, като се използват допълнителни изправители и отделни намотки на трансформатора. Но в тази схема се използва различен, така наречен „бърз“ метод на хранене, чийто смисъл е следният. Микросхемата DA1 получава мощност от електролитичния кондензатор С1, зарядът на който става през веригата: + 12V, VD1, C1, отворен транзистор VT2 (през електродите източникът е източник), „общ“.

С други думи, зарядът на кондензатора С1 възниква, докато транзисторът на долния ключ е отворен. В този момент минусовият терминал на кондензатора С1 е почти късо съединен към общия проводник (съпротивлението на отворения дренаж - източник секция на мощни полеви транзистори е хилядни ома!), Което дава възможност да се зареди.

При затворен транзистор VT2 диодът VD1 също ще се затвори, зарядът на кондензатора С1 ще спре до следващото отваряне на транзистора VT2.Но зарядът на кондензатора C1 е достатъчен за захранване на чипа DA1, докато транзисторът VT2 е затворен. Естествено, че в този момент транзисторът на горния ключ е в затворено състояние. Тази схема на клавишите за захранване се оказа толкова добра, че се прилага без промени в други любителски дизайни.

Тази статия разглежда само най-простите схеми на аматьорските трифазни инвертори на микросхеми с малка и средна степен на интеграция, с които всичко започна и където можете дори да разгледате всичко отвътре, като използвате веригата. Правят се по-модерни дизайни използване на микроконтролери, най-често PIC серия, схемите на които също са многократно публикувани в списания на Радио.

Устройствата за управление на микроконтролера според схемата са по-прости, отколкото при микросхемите със средна степен на интеграция, имат такива необходими функции като плавен старт на двигателя, защита от претоварвания и къси съединения и някои други. В тези блокове всичко се реализира за сметка на контролни програми или както се наричат ​​„фърмуер“. Управляващият блок на трифазен инвертор ще зависи именно от тези програми.

Сравнително прости схеми за трифазни инверторни контролери са публикувани в списание Radio 2008 № 12. Статията се нарича "Главният осцилатор за трифазен инвертор." Автор на статията е и автор на поредица от статии за микроконтролери и много други дизайни. Статията представя две прости схеми на микроконтролери PIC12F629 и PIC16F628.

Честотата на въртене и в двете схеми се променя поетапно с помощта на еднополюсни превключватели, което е напълно достатъчно в много практични случаи. Има и линк, където можете да изтеглите готов "фърмуер" и освен това специална програма, с която можете да променяте параметрите на "фърмуера" по ваша преценка. Възможна е и работата на режима на генератори "демонстрация". В този режим честотата на генератора се намалява 32 пъти, което позволява визуално използване на светодиодите да наблюдават работата на генераторите. Също така предоставя препоръки за свързване на захранващия блок.

Но, ако не искате да се занимавате с програмиране на микроконтролери, Motorola пусна специализиран интелигентен контролер MC3PHAC, предназначен за 3-фазни системи за управление на двигателя. На негова основа е възможно да се създадат евтини системи на регулируемо трифазно задвижване, съдържащи всички необходими функции за контрол и защита. Такива микроконтролери се използват все по-често в различни домакински уреди, например в съдомиялни или хладилници.

В комплект с контролера MC3PHAC е възможно да се използват модули за захранване извън рафта, например IRAMS10UP60A, разработени от International Rectifier. Модулите съдържат шест захранващи превключвателя и управляваща верига. За повече подробности относно тези елементи, вижте тяхната документация с данни, която е лесна за намиране в Интернет.

Борис Аладишкин