Amatieru frekvences pārveidotāju shēmas

Viena no pirmajām invertora ķēdēm trīsfāzu motora darbināšanai tika publicēta Radio žurnālā Nr. 1999. Shēmas izstrādātājs M. Muhins tajā laikā bija 10. klases students un nodarbojās ar radio apli.

Pārveidotājs bija paredzēts, lai darbinātu miniatūru trīsfāzu motoru DID-5TA, kuru mašīnā izmantoja iespiedshēmas plates urbšanai. Jāatzīmē, ka šī motora darbības frekvence ir 400Hz, un barošanas spriegums ir 27V. Turklāt tika izvadīts motora viduspunkts (savienojot tinumus ar “zvaigzni”), kas ļāva ārkārtīgi vienkāršot ķēdi: tas prasīja tikai trīs izejas signālus, un katrai fāzei bija nepieciešama tikai viena izejas atslēga. Ģeneratora ķēde ir parādīta 1. attēlā.

Kā redzams no diagrammas, pārveidotājs sastāv no trim daļām: trīsfāzu secības impulsu ģeneratora-ģeneratora uz DD1 ... DD3 mikroshēmām, trim taustiņiem uz saliktajiem tranzistoriem (VT1 ... VT6) un faktiskā elektromotora M1.

2. attēlā parādītas ģeneratora ģeneratora ģenerēto impulsu laika diagrammas. Galvenais oscilators tiek veikts uz DD1 mikroshēmas. Izmantojot rezistoru R2, jūs varat iestatīt vēlamo motora apgriezienu skaitu, kā arī mainīt to noteiktās robežās. Sīkāku informāciju par shēmu var atrast iepriekš minētajā žurnālā. Jāatzīmē, ka saskaņā ar mūsdienu terminoloģiju šādus ģeneratorus sauc par kontrolieriem.

1. attēls

Ģeneratora impulsu laika diagrammas.

Balstās uz kontroliera A. Dubrovska no Novopolockas pilsētas, Vitebskas apgabalu. Tika izstrādāts mainīgas frekvences piedziņas dizains motoram, ko darbina ar 220 V maiņstrāvu. Shēmas shēma tika publicēta žurnālā Radio 2001. 4. numurs.

Šajā shēmā, praktiski nemainīts, tikko pārskatītais kontrolieris tiek izmantots pēc M. Muhina shēmas. Izejas signālus no elementiem DD3.2, DD3.3 un DD3.4 izmanto, lai vadītu izejas taustiņus A1, A2 un A3, kuriem ir pievienots elektromotors. Diagrammā parādīts taustiņš A1, pārējie ir identiski. Pilnīga ierīces shēma parādīta 3. attēlā.

3. attēls

Motora pievienošana trīsfāzu invertora izejai

Lai iepazītos ar motora savienojumu ar izvades taustiņiem, ir vērts apsvērt vienkāršotu shēmu, kas parādīta 4. attēlā.

4. attēls

Attēlā parādīts motors, ko kontrolē ar taustiņiem V1 ... V6. Pusvadītāju elementi, lai vienkāršotu shēmu, kas parādīta mehānisku kontaktu veidā. Elektromotoru darbina ar pastāvīgu spriegumu Ud, kas iegūts no taisngrieža (nav parādīts attēlā). Šajā gadījumā taustiņus V1, V3, V5 sauc par augšējiem, bet taustiņus V2, V4, V6 - zemāk.

Ir pilnīgi acīmredzami, ka augšējā un apakšējā taustiņa atvēršana vienlaikus, proti, ar pāriem V1 un V6, V3 un V6, V5 un V2, ir pilnīgi nepieņemama: notiks īssavienojums. Tāpēc normālai šādas atslēgas shēmas darbībai ir obligāti, ka līdz brīdim, kad tiek atvērta apakšējā atslēga, augšējā atslēga jau ir aizvērta. Šajā nolūkā kontrolieri veido pauzi, ko bieži dēvē par “mirušo zonu”.

Šīs pauzes apjoms ir tāds, kas nodrošina garantētu strāvas tranzistoru slēgšanu. Ja šī pauze nav pietiekama, ir iespējams vienlaikus īsi atvērt augšējo un apakšējo taustiņu. Tas izraisa izejas tranzistoru sasilšanu, bieži izraisot to sabojāšanos. Šī situācija tiek saukta caur straumēm.

Atgriezīsimies shēmā, kas parādīta 3. attēlā. Šajā gadījumā augšējie slēdži ir tranzistori 1VT3, bet apakšējie - 1VT6. Ir viegli redzēt, ka apakšējie taustiņi ir galvaniski savienoti ar vadības ierīci un savā starpā.Tāpēc vadības signāls no elementa DD3.2 izejas 3 caur rezistoriem 1R1 un 1R3 tiek padots tieši uz salikta tranzistora 1VT4 ... 1VT5 pamatni. Šis saliktais tranzistors ir nekas cits kā atslēgas atslēga. Tieši no elementiem DD3, DD4 tiek kontrolēti kanālu A2 un A3 apakšējā atslēgas piedziņas kompozītie tranzistori. Visus trīs kanālus darbina viens un tas pats taisngriezis. uz diodes tilta VD2.

Tāpēc galvaniskās saziņas ar kopējo vadu un vadības ierīci augšējiem taustiņiem nav papildus vadītājam, lai tos kontrolētu saliktajā tranzistorā 1VT1 ... 1VT2, katrā kanālā bija jāuzstāda papildu optoelements 1U1. Izejas optoelementa tranzistors šajā ķēdē veic arī papildu invertora funkciju: kad DD3.2 elementa izeja 3 ir augsta līmeņa, augšējā slēdža 1VT3 tranzistors ir atvērts.

Katra augšējā taustiņa draivera barošanai tiek izmantots atsevišķs taisngriezis 1VD1, 1C1. Katru taisngriezi darbina individuāls transformatora tinums, ko var uzskatīt par ķēdes trūkumu.

Kondensators 1C2 nodrošina atslēgas pārslēgšanas aizkavēšanos apmēram 100 mikrosekundēs, optoelements 1U1 dod tādu pašu daudzumu, tādējādi veidojot iepriekšminēto "mirušo zonu".

Vai frekvences regulēšana ir pietiekama?

Samazinoties barošanas maiņstrāvas frekvencei, motora tinumu induktīvā pretestība samazinās (tikai atcerieties par induktīvās pretestības formulu), kas noved pie strāvas palielināšanās caur tinumiem, un rezultātā tinumu pārkaršana. Arī statora magnētiskā ķēde ir piesātināta. Lai izvairītos no šīm negatīvajām sekām, kad samazinās frekvence, jāsamazina arī motora tinumu sprieguma faktiskā vērtība.

Tika piedāvāts viens no veidiem, kā atrisināt problēmu amatieru čatniksos, regulēt šo visefektīvāko vērtību ar LATR palīdzību, kuras kustīgajam kontaktam bija mehānisks savienojums ar frekvences regulatora mainīgo rezistoru. Šo metodi ieteica S. Kalugins rakstā “Trīsfāzu asinhrono motoru ātruma regulatora pabeigšana”. Radio 2002 žurnāls, Nr. 3, 31. lpp.

Amatieru apstākļos mehāniskā montāža izrādījās sarežģīta un, pats galvenais, neuzticama. Vienkāršāku un uzticamāku autotransformatora izmantošanas veidu ierosināja E. Muradkhanian no Erevānas Radio žurnālā Nr. 2004. 2004. Šīs ierīces diagramma parādīta 5. un 6. attēlā.

Tīkla spriegums 220 V tiek piegādāts autotransformatoram T1 un no tā kustīgā kontakta līdz taisngrieža tiltam VD1 ar filtru C1, L1, C2. Filtra izejā tiek iegūts mainīgs pastāvīgs spriegums Ureg, ko izmanto paša motora darbināšanai.

5. attēls

Urez spriegums caur rezistoru R1 tiek piegādāts arī galvenajam oscilatoram DA1, kas izgatavots uz mikroshēmas KR1006VI1 (importētā versija NE555) Šī savienojuma rezultātā parastais kvadrātveida viļņu ģenerators pārvēršas par VCO (sprieguma kontrolētu ģeneratoru). Tāpēc, palielinoties spriegumam Ureg, palielinās arī ģeneratora DA1 frekvence, kas izraisa motora apgriezienu skaita palielināšanos. Samazinoties spriegumam Ureg, proporcionāli samazinās arī galvenā oscilatora frekvence, kas ļauj izvairīties no tinumu pārkaršanas un statora magnētiskās ķēdes pārsātināšanas.

6. attēls

Tajā pašā žurnāla rakstā autore piedāvā galvenā oscilatora variantu, kas ļauj atbrīvoties no autotransformatora izmantošanas. Ģeneratora ķēde ir parādīta 7. attēlā.

7. attēls

Ģenerators tiek veikts uz DD3 mikroshēmas otrā sprūda, diagrammā tas tiek apzīmēts kā DD3.2. Frekvenci iestata kondensators C1, frekvenci kontrolē mainīgais rezistors R2. Kopā ar frekvences vadību mainās arī impulsa ilgums pie ģeneratora izejas: samazinoties frekvencei, ilgums samazinās, tāpēc motora tinumu spriegums samazinās. Šo vadības principu sauc par impulsa platuma modulāciju (PWM).

Apskatāmajā amatieru ķēdē motora jauda ir maza, motoru darbina taisnstūrveida impulsi, tāpēc PWM ir diezgan primitīvs. Reāli rūpniecības frekvences pārveidotāji lieljaudas PWM ir paredzēts gandrīz sinusoidāla sprieguma ģenerēšanai pie izejas, kā parādīts 8. attēlā, un darbu ar dažādām slodzēm: ar nemainīgu griezes momentu, ar nemainīgu jaudu un pie ventilatora slodzes.

8. attēls. Trīsfāzu pārveidotāja ar PWM izejas sprieguma forma.

Ķēdes barošanas daļa

Mūsdienu zīmola chastotniks ir izeja MOSFET vai IGBT jaudas tranzistoriīpaši izstrādātas darbībai frekvences pārveidotājos. Dažos gadījumos šie tranzistori tiek apvienoti moduļos, kas parasti uzlabo visas struktūras veiktspēju. Šos tranzistorus kontrolē, izmantojot specializētas vadītāja mikroshēmas. Dažos modeļos draiveri ir pieejami integrēti tranzistora moduļos.

Pašlaik visizplatītākās mikroshēmas un tranzistori ir International Rectifier. Aprakstītajā shēmā ir pilnīgi iespējams izmantot draiverus IR2130 vai IR2132. Vienā šādas mikroshēmas gadījumā ir uzreiz seši draiveri: trīs apakšējai atslēgai un trīs augšējai, kas ļauj viegli salikt trīsfāžu tilta izejas posmu. Šajos draiveros papildus galvenajai funkcijai ir arī vairāki papildu, piemēram, aizsardzība pret pārslodzēm un īssavienojumiem. Sīkāka informācija par šiem draiveriem ir atrodama datu lapu tehniskajos aprakstos par attiecīgajām mikroshēmām.

Izmantojot visas priekšrocības, vienīgais šo mikroshēmu trūkums ir to augstā cena, tāpēc konstrukcijas autors gāja citādā, vienkāršākā, lētākā un vienlaikus praktiski realizējamā veidā: specializētās vadītāja mikroshēmas tika aizstātas ar integrētām laika mikroshēmām KR1006VI1 (NE555).

Izejas taustiņi integrētajos taimeros

Ja atgriezīsimies pie 6. attēla, mēs redzam, ka ķēdei ir izejas signāli katrai no trim fāzēm, kas apzīmētas ar “H” un “B”. Šo signālu klātbūtne ļauj atsevišķi kontrolēt augšējo un apakšējo taustiņu. Šis nodalījums ļauj izveidot pauzi starp augšējo un apakšējo taustiņu pārslēgšanu, izmantojot vadības bloku, nevis pašas atslēgas, kā parādīts diagrammā 3. attēlā.

Izvades taustiņu shēma, izmantojot KR1006VI1 (NE555) mikroshēmas, ir parādīta 9. attēlā. Protams, trīsfāzu pārveidotājam ir nepieciešami trīs šādu atslēgu eksemplāri.

9. attēls

Kā augšējās (VT1) un apakšējās (VT2) taustiņu draiveri tiek izmantotas KR1006VI1 mikroshēmas, kuras ir iekļautas saskaņā ar Schmidt sprūda shēmu. Ar viņu palīdzību ir iespējams iegūt impulsa vārtu strāvu vismaz 200 mA, kas ļauj iegūt pietiekami uzticamu un ātru izejas tranzistoru vadību.

Apakšējo taustiņu DA2 mikroshēmām ir galvanisks savienojums ar + 12V barošanas avotu un attiecīgi ar vadības bloku, tāpēc tos baro no šī avota. Augšējo taustiņu mikroshēmas var darbināt tādā pašā veidā, kā parādīts 3. attēlā, izmantojot papildu taisngriežus un atsevišķus tinumus transformatoram. Bet šajā shēmā tiek izmantota atšķirīga, tā sauktā “ņiprā” uztura metode, kuras nozīme ir šāda. DA1 mikroshēma saņem enerģiju no elektrolītiskā kondensatora C1, kura lādēšana notiek caur ķēdi: + 12V, VD1, C1, atvērts tranzistors VT2 (caur elektrodiem avots ir drenāža), "kopīgs".

Citiem vārdiem sakot, maksa par kondensatoru C1 notiek, kamēr apakšējā atslēgas tranzistors ir atvērts. Šajā brīdī C1 kondensatora mīnus spaile praktiski ir īssavienojuma vietā līdz kopējam vadam (jaudīgu lauka efektu tranzistoru atvērtā aizplūšanas avota sekcijas pretestība ir tūkstošdaļas Ohmas!), Kas ļauj to uzlādēt.

Ja tranzistors VT2 ir aizvērts, arī diode VD1 tiks aizvērta, kondensatora C1 lādēšana apstāsies līdz nākamajai tranzistora VT2 atvēršanai.Bet kondensatora C1 lādiņš ir pietiekams, lai darbinātu DA1 mikroshēmu, kamēr tranzistors VT2 ir slēgts. Dabiski, ka šobrīd augšējās atslēgas tranzistors ir slēgtā stāvoklī. Šī barošanas taustiņu shēma izrādījās tik laba, ka tā tiek piemērota bez izmaiņām citos amatieru dizainos.

Šajā rakstā apskatītas tikai vienkāršākās amatieru trīsfāzu pārveidotāju shēmas uz mazas un vidējas integrācijas mikroshēmām, ar kurām tas viss sākās, un kur, izmantojot ķēdi, jūs pat varat apsvērt visu no iekšpuses. Tiek izgatavoti modernāki dizaini izmantojot mikrokontrollerus, visbiežāk PIC sērijas, kuru shēmas ir atkārtoti publicētas arī radio žurnālos.

Mikrokontrolleru vadības ierīces saskaņā ar shēmu ir vienkāršākas nekā vidējas integrācijas pakāpes mikroshēmām, tām ir tādas nepieciešamās funkcijas kā vienmērīga motora iedarbināšana, aizsardzība pret pārslodzēm un īssavienojumiem un daži citi. Šajos blokos viss tiek realizēts uz kontroles programmu rēķina vai kā tās sauc par “programmaparatūru”. Trīsfāzu invertora vadības bloks būs precīzi atkarīgs no šīm programmām.

Diezgan vienkāršas shēmas trīsfāzu invertora kontrolleriem ir publicētas žurnālā Radio 2008 Nr. 12. Raksts saucas "Trīsfāzu invertora galvenais oscilators". Raksta autors ir arī rakstu sēriju par mikrokontrolleriem un daudzu citu dizainu autors. Rakstā parādītas divas vienkāršas shēmas mikrokontrolleros PIC12F629 un PIC16F628.

Rotācijas biežums abās shēmās tiek pakāpeniski mainīts ar viena pola slēdžu palīdzību, kas daudzos praktiskos gadījumos ir pietiekami. Ir arī saite, kurā jūs varat lejupielādēt gatavu "programmaparatūru", un, turklāt, īpaša programma, ar kuru jūs varat mainīt "programmaparatūras" parametrus pēc saviem ieskatiem. Iespējama arī ģeneratoru režīma "demo" darbība. Šajā režīmā ģeneratora frekvence tiek samazināta par 32 reizēm, kas ļauj vizuāli izmantot gaismas diodes, lai novērotu ģeneratoru darbību. Tas arī sniedz ieteikumus barošanas bloka pievienošanai.

Bet, ja jūs nevēlaties iesaistīties mikrokontrolleru programmēšanā, Motorola ir izlaidusi specializētu inteliģento kontrolieri MC3PHAC, kas paredzēts 3 fāžu motora vadības sistēmām. Uz tā pamata ir iespējams izveidot lētas regulējamas trīsfāzu piedziņas sistēmas, kas satur visas nepieciešamās vadības un aizsardzības funkcijas. Šādus mikrokontrollerus arvien vairāk izmanto dažādās mājsaimniecības ierīcēs, piemēram, trauku mazgājamajās mašīnās vai ledusskapjos.

Komplektācijā ar MC3PHAC kontrolieri ir iespējams izmantot jau pieejamus barošanas moduļus, piemēram, International Rectifier izstrādātu IRAMS10UP60A. Moduļos ir seši barošanas slēdži un vadības ķēde. Lai iegūtu sīkāku informāciju par šiem elementiem, skatiet to datu lapas dokumentāciju, kuru ir viegli atrast internetā.

Boriss Aladyshkin