Schematy amatorskich przetwornic częstotliwości

Jeden z pierwszych obwodów falownika do zasilania silnika trójfazowego został opublikowany w czasopiśmie Radio nr 11 z 1999 roku. Twórca programu M. Mukhin w tym czasie był uczniem klasy 10 i był zaangażowany w krąg radiowy.

Konwerter miał zasilać miniaturowy silnik trójfazowy DID-5TA, który był używany w maszynie do wiercenia płytek drukowanych. Należy zauważyć, że częstotliwość robocza tego silnika wynosi 400 Hz, a napięcie zasilania wynosi 27 V. Ponadto wydobyto środkowy punkt silnika (podczas łączenia uzwojeń z „gwiazdą”), co umożliwiło niezwykle uproszczenie obwodu: wymagało tylko trzech sygnałów wyjściowych, a każda faza wymagała tylko jednego klucza wyjściowego. Obwód generatora pokazano na rysunku 1.

Jak widać ze schematu, konwerter składa się z trzech części: trójfazowego generatora impulsów sekwencyjnych na mikroukładach DD1 ... DD3, trzech kluczy na tranzystorach kompozytowych (VT1 ... VT6) i rzeczywistego silnika elektrycznego M1.

Ryc. 2 pokazuje schematy czasowe impulsów generowanych przez generator generatora. Oscylator główny wykonany jest na układzie DD1. Za pomocą rezystora R2 można ustawić żądaną prędkość obrotową silnika, a także zmienić ją w określonych granicach. Bardziej szczegółowe informacje o obwodzie można znaleźć w powyższym dzienniku. Należy zauważyć, że zgodnie ze współczesną terminologią takie generatory nazywane są kontrolerami.

Rycina 1

Rysunek 2. Schematy czasowe impulsów generatora.

Na podstawie kontrolera A. Dubrowskiego z miasta Nowopołock, obwód witebski. Opracowano konstrukcję przemiennika częstotliwości dla silnika zasilanego 220 V AC. Schemat obwodu został opublikowany w czasopiśmie Radio 2001. Numer 4.

W tym schemacie, praktycznie niezmienionym, właśnie sprawdzony kontroler jest używany zgodnie ze schematem M. Mukhina. Sygnały wyjściowe z elementów DD3.2, DD3.3 i DD3.4 są używane do sterowania przyciskami wyjściowymi A1, A2 i A3, do których podłączony jest silnik elektryczny. Schemat pokazuje klucz A1, pozostałe są identyczne. Pełny schemat urządzenia pokazano na rysunku 3.

Rycina 3

Podłączenie silnika do wyjścia falownika trójfazowego

Aby zapoznać się z podłączeniem silnika do kluczy wyjściowych, warto rozważyć uproszczony schemat pokazany na rycinie 4.

Rycina 4

Na rysunku pokazano silnik M sterowany przyciskami V1 ... V6. Elementy półprzewodnikowe dla uproszczenia pokazanego obwodu w postaci styków mechanicznych. Silnik elektryczny jest zasilany stałym napięciem Ud uzyskanym z prostownika (nie pokazano na rysunku). W tym przypadku klawisze V1, V3, V5 nazywane są górnymi, a klawisze V2, V4, V6 niższymi.

Jest oczywiste, że jednoczesne otwieranie górnego i dolnego klawisza, a mianowicie parami V1 i V6, V3 i V6, V5 i V2, jest całkowicie niedopuszczalne: nastąpi zwarcie. Dlatego do normalnego działania takiego schematu klucza konieczne jest, aby do czasu otwarcia dolnego klucza górny klucz był już zamknięty. W tym celu kontrolery tworzą pauzę, często nazywaną „martwą strefą”.

Wielkość tej przerwy jest taka, aby zapewnić gwarantowane zamknięcie tranzystorów mocy. Jeśli ta przerwa jest niewystarczająca, możliwe jest jednoczesne krótkie otwarcie górnego i dolnego klawisza. Powoduje to nagrzewanie tranzystorów wyjściowych, co często prowadzi do ich awarii. Ta sytuacja jest wywoływana przez prądy.

Wróćmy do obwodu pokazanego na rysunku 3. W tym przypadku górnymi przełącznikami są tranzystory 1VT3, a dolne 1VT6. Łatwo zauważyć, że dolne klawisze są galwanicznie połączone z urządzeniem sterującym i między sobą.Dlatego sygnał sterujący z wyjścia 3 elementu DD3.2 przez rezystory 1R1 i 1R3 jest podawany bezpośrednio do podstawy tranzystora kompozytowego 1VT4 ... 1VT5. Ten kompozytowy tranzystor jest niczym innym jak niższym kluczowym sterownikiem. Dokładnie również z elementów DD3, DD4 kontrolowane są tranzystory kompozytowe dolnego kluczowego sterownika kanałów A2 i A3. Wszystkie trzy kanały są zasilane przez ten sam prostownik. na mostku diodowym VD2.

Górne klucze komunikacji galwanicznej ze wspólnym przewodem i urządzeniem sterującym nie muszą więc sterować nimi, oprócz sterownika, na tranzystorze kompozytowym 1VT1 ... 1VT2, w każdym kanale musiał być zainstalowany dodatkowy transoptor 1U1. Tranzystor transoptora wyjściowego w tym obwodzie pełni również funkcję dodatkowego falownika: gdy wyjście 3 elementu DD3.2 ma wysoki poziom, tranzystor górnego przełącznika 1VT3 jest otwarty.

Oddzielny prostownik 1VD1, 1C1 służy do zasilania każdego górnego klawisza. Każdy prostownik jest zasilany przez indywidualne uzwojenie transformatora, co można uznać za wadę obwodu.

Kondensator 1C2 zapewnia opóźnienie przełączania klucza wynoszące około 100 mikrosekund, transoptor 1U1 daje tę samą ilość, tworząc w ten sposób wspomnianą „martwą strefę”.

Czy regulacja częstotliwości wystarczy?

Wraz ze spadkiem częstotliwości napięcia przemiennego zasilania opór indukcyjny uzwojeń silnika spada (pamiętaj tylko wzór oporu indukcyjnego), co prowadzi do wzrostu prądu przez uzwojenia, aw rezultacie do przegrzania uzwojeń. Ponadto obwód magnetyczny stojana jest nasycony. Aby uniknąć tych negatywnych konsekwencji, gdy częstotliwość maleje, należy również zmniejszyć wartość skuteczną napięcia na uzwojeniach silnika.

Zaproponowano jeden sposób rozwiązania problemu amatorskich chastotników, aby uregulować tę najbardziej efektywną wartość za pomocą LATR, którego ruchomy styk miał mechaniczne połączenie z rezystorem zmiennym regulatora częstotliwości. Metodę tę zalecił artykuł S. Kalugin „Finalizacja sterownika prędkości trójfazowych silników asynchronicznych”. Journal of Radio 2002, nr 3, s. 31.

W warunkach amatorskich montaż mechaniczny okazał się złożony i, co najważniejsze, zawodny. Prostszy i bardziej niezawodny sposób korzystania z autotransformatora zaproponował E. Muradkhanian z Erewania w czasopiśmie Radio nr 12 2004. Schemat tego urządzenia pokazano na rysunkach 5 i 6.

Napięcie sieciowe 220 V jest doprowadzane do autotransformatora T1, a od jego ruchomego styku do mostka prostowniczego VD1 z filtrem C1, L1, C2. Na wyjściu filtra uzyskuje się zmienne napięcie stałe Ureg, które służy do zasilania samego silnika.

Rycina 5

Napięcie Ureg przez rezystor R1 jest również dostarczane do głównego oscylatora DA1, wykonanego na chipie KR1006VI1 (wersja importowana NE555) W wyniku tego połączenia konwencjonalny generator fal prostokątnych zamienia się w VCO (generator sterowany napięciem). Dlatego wraz ze wzrostem napięcia Ureg rośnie również częstotliwość generatora DA1, co prowadzi do wzrostu prędkości obrotowej silnika. Wraz ze spadkiem napięcia Ureg częstotliwość oscylatora głównego również maleje proporcjonalnie, co pozwala uniknąć przegrzania uzwojeń i przesycenia obwodu magnetycznego stojana.

Rycina 6

W tym samym artykule w czasopiśmie autor oferuje wariant głównego oscylatora, który pozwala pozbyć się korzystania z autotransformatora. Obwód generatora pokazano na rysunku 7.

Rycina 7

Generator jest wykonany na drugim spuście układu DD3, na schemacie jest oznaczony jako DD3.2. Częstotliwość jest ustawiana przez kondensator C1, częstotliwość jest kontrolowana przez rezystor zmienny R2. Wraz z regulacją częstotliwości zmienia się także czas trwania impulsu na wyjściu generatora: wraz ze spadkiem częstotliwości czas trwania maleje, więc spada napięcie na uzwojeniach silnika. Ta zasada sterowania nazywana jest modulacją szerokości impulsu (PWM).

W omawianym obwodzie amatorskim moc silnika jest niewielka, silnik napędzany jest prostokątnymi impulsami, więc PWM jest dość prymitywny. W rzeczywistości przemysłowe przetwornice częstotliwości PWM o wysokiej mocy jest zaprojektowany do generowania prawie sinusoidalnego napięcia na wyjściu, jak pokazano na rysunku 8, i do realizacji pracy z różnymi obciążeniami: przy stałym momencie obrotowym, przy stałej mocy i przy obciążeniu wentylatora.

Rysunek 8. Kształt napięcia wyjściowego jednej fazy falownika trójfazowego z PWM.

Część mocy obwodu

Nowoczesne markowe chastotniki mają moc wyjściową Tranzystory mocy MOSFET lub IGBTspecjalnie zaprojektowane do pracy w przetwornicach częstotliwości. W niektórych przypadkach tranzystory te są łączone w moduły, co ogólnie poprawia wydajność całej struktury. Tranzystory te są kontrolowane za pomocą wyspecjalizowanych mikroukładów sterujących. W niektórych modelach dostępne są sterowniki zintegrowane z modułami tranzystorowymi.

Obecnie najbardziej popularnymi układami scalonymi i tranzystorami są International Rectifier. W opisanym schemacie całkiem możliwe jest użycie sterowników IR2130 lub IR2132. W jednym przypadku takiego układu jest jednocześnie sześć sterowników: trzy dla dolnego klucza i trzy dla górnego, co ułatwia montaż trójfazowego mostka wyjściowego. Oprócz głównej funkcji, sterowniki te zawierają również kilka dodatkowych, na przykład ochronę przed przeciążeniem i zwarciem. Bardziej szczegółowe informacje na temat tych sterowników można znaleźć w opisach technicznych karty danych dla odpowiednich układów.

Ze wszystkimi zaletami jedyną wadą tych mikroukładów jest ich wysoka cena, więc autor projektu wybrał inny, prostszy, tańszy, a jednocześnie wykonalny sposób: wyspecjalizowane mikroukłady sterownika zostały zastąpione zintegrowanymi układami czasowymi KR1006VI1 (NE555).

Klucze wyjściowe na zintegrowanych zegarach

Jeśli wrócimy do rysunku 6, zobaczymy, że obwód ma sygnały wyjściowe dla każdej z trzech faz, oznaczonych jako „H” i „B”. Obecność tych sygnałów umożliwia osobne sterowanie górnego i dolnego klawisza. Ta separacja pozwala stworzyć przerwę między przełączaniem górnego i dolnego klawisza za pomocą jednostki sterującej, a nie samych klawiszy, jak pokazano na schemacie na rycinie 3.

Obwód kluczy wyjściowych z wykorzystaniem mikroukładów KR1006VI1 (NE555) pokazano na rysunku 9. Naturalnie, w przypadku konwertera trójfazowego potrzebne są trzy kopie takich kluczy.

Rycina 9

Jako sterowniki klawiszy górnego (VT1) i dolnego (VT2) stosowane są mikroukłady KR1006VI1, które są uwzględnione zgodnie ze schematem wyzwalania Schmidta. Za ich pomocą można uzyskać prąd bramki impulsu o wartości co najmniej 200 mA, co umożliwia uzyskanie wystarczająco niezawodnego i szybkiego sterowania tranzystorami wyjściowymi.

Układy dolnych klawiszy DA2 mają połączenie galwaniczne z zasilaczem + 12V i odpowiednio z jednostką sterującą, dlatego są zasilane z tego źródła. Mikroczipy górnych klawiszy można zasilać w taki sam sposób, jak pokazano na ryc. 3, stosując dodatkowe prostowniki i oddzielne uzwojenia na transformatorze. Ale w tym schemacie stosuje się inną, tak zwaną „energiczną” metodę żywienia, której znaczenie jest następujące. Mikroukład DA1 otrzymuje energię z kondensatora elektrolitycznego C1, którego ładunek zachodzi przez obwód: + 12V, VD1, C1, otwarty tranzystor VT2 (przez elektrody źródłem jest dren), „wspólny”.

Innymi słowy, ładowanie kondensatora C1 występuje, gdy dolny tranzystor kluczowy jest otwarty. W tym momencie zacisk ujemny kondensatora C1 jest prawie zwarty do wspólnego przewodu (rezystancja otwartego drenu - sekcja źródłowa silnych tranzystorów polowych wynosi tysięczne Ohma!), Co umożliwia jego naładowanie.

Przy zamkniętym tranzystorze VT2 dioda VD1 również się zamknie, ładowanie kondensatora C1 zatrzyma się do następnego otwarcia tranzystora VT2.Ale ładunek kondensatora C1 jest wystarczający do zasilania układu DA1, gdy tranzystor VT2 jest zamknięty. Oczywiście w tym momencie tranzystor górnego klucza jest w stanie zamkniętym. Ten schemat klawiszy zasilania okazał się tak dobry, że zastosowano go bez zmian w innych projektach amatorskich.

W tym artykule omówiono tylko najprostsze schematy amatorskich falowników trójfazowych na mikroukładach o małym i średnim stopniu integracji, od których wszystko się zaczęło i gdzie można nawet rozważyć wszystko od wewnątrz za pomocą tego schematu. Powstają bardziej nowoczesne projekty za pomocą mikrokontrolerów, najczęściej serii PIC, których schematy były również wielokrotnie publikowane w czasopismach radiowych.

Jednostki sterujące mikrokontrolerem zgodnie ze schematem są prostsze niż w mikroukładach o średnim stopniu integracji, pełnią tak niezbędne funkcje, jak: płynny rozruch silnika, ochrona przed przeciążeniami i zwarciami i niektórymi innymi. W tych blokach wszystko jest realizowane kosztem programów sterujących lub tak zwanych „firmware”. Jednostka sterująca falownika trójfazowego będzie zależeć dokładnie od tych programów.

Dość proste obwody dla trójfazowych sterowników falowników zostały opublikowane w czasopiśmie Radio 2008 nr 12. Artykuł nazywa się „Główny oscylator dla falownika trójfazowego”. Autor artykułu jest także autorem serii artykułów na temat mikrokontrolerów i wielu innych projektów. W artykule przedstawiono dwa proste obwody mikrokontrolerów PIC12F629 i PIC16F628.

Częstotliwość obrotu w obu schematach zmienia się stopniowo za pomocą przełączników jednobiegunowych, co w wielu praktycznych przypadkach jest wystarczające. Istnieje również link do pobrania gotowego „oprogramowania układowego”, a ponadto specjalny program, za pomocą którego możesz zmienić parametry „oprogramowania układowego” według własnego uznania. Możliwe jest również działanie trybu „demo” generatorów. W tym trybie częstotliwość generatora jest zmniejszana o 32 razy, co pozwala wizualnie za pomocą diod LED obserwować działanie generatorów. Zawiera także zalecenia dotyczące podłączenia jednostki mocy.

Ale jeśli nie chcesz angażować się w programowanie mikrokontrolera, Motorola wypuściła specjalistyczny inteligentny sterownik MC3PHAC, zaprojektowany do trójfazowych układów sterowania silnikiem. Na jego podstawie można stworzyć niedrogie układy regulowanego napędu trójfazowego, zawierające wszystkie niezbędne funkcje do sterowania i ochrony. Takie mikrokontrolery są coraz częściej stosowane w różnych urządzeniach gospodarstwa domowego, na przykład w zmywarkach lub lodówkach.

W komplecie ze sterownikiem MC3PHAC można stosować gotowe moduły zasilania, na przykład IRAMS10UP60A opracowany przez International Rectifier. Moduły zawierają sześć przełączników zasilania i obwód sterujący. Więcej informacji na temat tych elementów można znaleźć w dokumentacji arkusza danych, którą można łatwo znaleźć w Internecie.

Boris Aladyshkin