Planer för amatörfrekvensomvandlare

En av de första växelriktarkretsarna för drivning av en trefasmotor publicerades i Radio Magazine nr 11 från 1999. Schemautvecklare M. Mukhin vid den tiden var student i klass 10 och var engagerad i en radiocirkel.

Omvandlaren var avsedd att driva miniatyr trefasmotorn DID-5TA, som användes i maskinen för borrning av kretskort. Det bör noteras att driftsfrekvensen för denna motor är 400Hz och matningsspänningen är 27V. Dessutom togs fram motorens mittpunkt (när lindningarna anslutits till en "stjärna"), vilket gjorde det möjligt att extremt förenkla kretsen: den tog bara tre utsignaler och varje fas krävde endast en utgångsnyckel. Generatorkretsen visas i figur 1.

Som ni ser av diagrammet består konverteraren av tre delar: en trefas-sekvenspulsgeneratorgenerator på DD1 ... DD3-mikrokretsar, tre tangenter på komposittransistorer (VT1 ... VT6) och själva elmotorn M1.

Figur 2 visar tidsdiagrammen för pulser genererade av generatorgeneratorn. Huvudoscillatorn är tillverkad på DD1-chipet. Med hjälp av motstånd R2 kan du ställa in önskad motorvarvtal och ändra den inom vissa gränser. Mer detaljerad information om kretsen finns i loggen ovan. Det bör noteras att enligt modern terminologi kallas sådana generatorer styrenheter.

Figur 1

Figur 2. Tidsdiagram över generatorpulser.

Baserat på styrenheten A. Dubrovsky från staden Novopolotsk, Vitebsk-regionen. Konstruktionen av en frekvensomriktare för en motor som drivs med 220 V AC utvecklades. Kretsschemat publicerades i tidskriften Radio 2001. Nummer 4.

I detta schema, praktiskt taget oförändrat, används den just granskade styrenheten enligt schemat från M. Mukhin. Utgångssignalerna från elementen DD3.2, DD3.3 och DD3.4 används för att styra utgångsknapparna A1, A2 och A3, till vilka den elektriska motorn är ansluten. Diagrammet visar nyckeln A1, resten är identiska. Ett komplett diagram över anordningen visas i figur 3.

Figur 3

Ansluta motorn till utgången från en trefasomvandlare

För att bekanta dig med motorns anslutning till utgångsknapparna är det värt att överväga ett förenklat diagram som visas i figur 4.

Figur 4

Bilden visar motorn M, styrd av knapparna V1 ... V6. Halvledarelement för att förenkla den krets som visas i form av mekaniska kontakter. Elmotorn drivs av en konstant spänning Ud som erhålls från likriktaren (visas inte i figuren). I detta fall kallas tangenterna V1, V3, V5 övre och tangenterna V2, V4, V6 lägre.

Det är ganska uppenbart att öppningen av de övre och nedre tangenterna samtidigt, nämligen med paren V1 & V6, V3 & V6, V5 & V2, är helt oacceptabel: en kortslutning kommer att inträffa. För den normala driften av ett sådant nyckelschema är det därför nödvändigt att när den undre tangenten öppnas, har den övre tangenten redan stängts. För detta ändamål bildar kontrollerna en paus, ofta kallad en "död zon".

Storleken på denna paus är sådan att den garanterar stängning av krafttransistorer. Om denna paus är otillräcklig är det möjligt att kort öppna övre och nedre knapparna samtidigt. Detta får utgångstransistorerna att värma, vilket ofta leder till att de misslyckas. Denna situation kallas genom strömmar.

Låt oss återgå till kretsen som visas i figur 3. I det här fallet är de övre omkopplarna transistorer 1VT3 och de nedre 1VT6. Det är lätt att se att de nedre knapparna är galvaniskt anslutna till styrenheten och varandra.Därför matas styrsignalen från utgången 3 från elementet DD3.2 genom motstånden 1R1 och 1R3 direkt till basen hos komposittransistorn 1VT4 ... 1VT5. Denna sammansatta transistor är inget annat än en lägre nyckeldrivrutin. Exakt även från elementen DD3, DD4 styrs de sammansatta transistorerna för den nedre nyckeldrivaren för kanalerna A2 och A3. Alla tre kanalerna drivs av samma likriktare. på diodbron VD2.

De övre tangenterna för galvanisk kommunikation med en gemensam tråd och styranordning behöver därför inte, förutom föraren, styra dem på en sammansatt transistor 1VT1 ... 1VT2, en extra optokopplare 1U1 måste installeras i varje kanal. Den utgående optokopplare-transistorn i denna krets utför också funktionen som en ytterligare inverterare: när utgången 3 från DD3.2-elementet är en hög nivå, är transistorn för den övre omkopplaren 1VT3 öppen.

En separat likriktare 1VD1, 1C1 används för att driva varje toppnyckeldrivrutin. Varje likriktare drivs av en individuell transformatorlindning, som kan betraktas som en nackdel med kretsen.

Kondensatorn 1C2 tillhandahåller en nyckelomkopplingsfördröjning på cirka 100 mikrosekunder, optokopplaren 1U1 ger samma mängd, varigenom den ovannämnda "döda zonen" bildas.

Räcker frekvensreglering?

Med en minskning i frekvensen för växelspänningen i matningen sjunker motorlindningens induktiva motstånd (kom bara ihåg formeln för induktivt motstånd), vilket leder till en ökning av strömmen genom lindningarna och som ett resultat till överhettning av lindningarna. Statormagnetkretsen är också mättad. För att undvika dessa negativa konsekvenser, när frekvensen minskar, måste också spänningens effektiva värde på motorlindningarna minskas.

Ett sätt att lösa problemet hos amatörchastotniker föreslogs att reglera detta mest effektiva värde med hjälp av LATR, vars rörliga kontakt hade en mekanisk anslutning med ett variabelt motstånd för frekvensregulatorn. Denna metod rekommenderades i artikeln av S. Kalugin, "Finalisering av hastighetsregulatorn för trefas asynkronmotorer". Journal of Radio 2002, nr 3, s. 31.

Under amatörförhållanden visade sig den mekaniska enheten vara komplex och, viktigast av allt, otillförlitlig. Ett enklare och mer tillförlitligt sätt att använda en autotransformator föreslogs av E. Muradkhanian från Yerevan i Radiomagasinet nr 12 2004. Ett diagram över denna anordning visas i figurerna 5 och 6.

Huvudspänningen på 220V matas till autotransformatorn T1 och från dess rörliga kontakt till likriktarbron VD1 med ett filter Cl, L1, C2. Vid filterutgången erhålls en variabel konstant spänning Ureg, som används för att driva själva motorn.

Figur 5

Spänningen Ureg genom motståndet R1 levereras också till masteroscillatorn DA1, tillverkad på chipet KR1006VI1 (importerad version NE555). Som ett resultat av denna anslutning förvandlas en konventionell fyrkantvåggenerator till en VCO (spänningsstyrd generator). Därför, med en ökning av spänningen Ureg, ökar även generatorfrekvensen DA1, vilket leder till en ökning av motorvarvtalet. Med en minskning av spänningen Ureg, minskar även frekvensen hos huvudoscillatorn proportionellt, vilket undviker överhettning av lindningarna och övermättnaden av statorns magnetiska krets.

Figur 6

I samma tidskriftsartikel erbjuder författaren en variant av masteroscillatorn, som gör att du kan bli av med användningen av en autotransformator. Generatorkretsen visas i figur 7.

Figur 7

Generatorn är gjord på DD3-chipets andra utlösare, i diagrammet betecknas den som DD3.2. Frekvensen ställs in av kondensatorn Cl, frekvensen styrs av ett variabelt motstånd R2. Tillsammans med frekvensstyrningen ändras även pulsvaraktigheten vid generatorutgången: med sjunkande frekvens minskar varaktigheten, så spänningen på motorlindningarna sjunker. Denna styrprincip kallas PWM (pulsbreddmodulering).

I amatörkretsen som beaktas är motoreffekten liten, motorn drivs av rektangulära pulser, så PWM är ganska primitiv. På riktigt industriella frekvensomvandlare högeffekt PWM är utformad för att generera nästan sinusformad spänning vid utgången, såsom visas i figur 8, och för att implementera arbete med olika belastningar: med konstant vridmoment, vid konstant effekt och vid fläktbelastning.

Figur 8. Formen på utgångsspänningen för en fas i en trefasomvandlare med PWM.

Strömdel av kretsen

Moderna märkta chastotniks har en produktion MOSFET- eller IGBT-krafttransistorerspeciellt utformad för drift i frekvensomvandlare. I vissa fall kombineras dessa transistorer till moduler, vilket generellt förbättrar prestandan för hela strukturen. Dessa transistorer styrs med hjälp av specialiserade drivrutinsmikrokretsar. I vissa modeller finns drivrutiner tillgängliga integrerade i transistormoduler.

För närvarande är de vanligaste chips och transistorer International Rectifier. I det beskrivna schemat är det fullt möjligt att använda drivrutinerna IR2130 eller IR2132. I ett fall av ett sådant chip finns det sex drivrutiner på en gång: tre för den nedre tangenten och tre för den övre, vilket gör det enkelt att montera ett trefasbroutgångssteg. Förutom huvudfunktionen innehåller dessa drivrutiner också flera ytterligare, till exempel skydd mot överbelastning och kortslutningar. Mer detaljerad information om dessa drivrutiner finns i de tekniska beskrivningarna för datablad för respektive chips.

Med alla fördelarna är den enda nackdelen med dessa mikrokretsar det höga priset, så konstruktionsförfattaren gick på ett annorlunda, enklare, billigare och samtidigt fungerande sätt: specialiserade drivrutinsmikrokretsar ersattes av integrerade timerchips KR1006VI1 (NE555).

Utgångstangenter på integrerade tidtagare

Om vi ​​återgår till figur 6 kan vi se att kretsen har utsignaler för var och en av de tre faserna, betecknade “H” och “B”. Närvaron av dessa signaler tillåter separat kontroll av de övre och nedre knapparna. Denna separering gör att du kan skapa en paus mellan omkopplingen av de övre och nedre knapparna med hjälp av styrenheten, snarare än själva tangenterna, som visades i diagrammet i figur 3.

Kretsen för utgångsnycklarna med hjälp av KR1006VI1 (NE555) mikrokretsar visas i figur 9. Naturligtvis krävs tre kopior av sådana nycklar för en trefasomvandlare.

Figur 9

Som drivrutiner för de övre (VT1) och nedre (VT2) nycklarna används KR1006VI1 mikrokretsar, som ingår i Schmidt trigger-schema. Med deras hjälp är det möjligt att erhålla en pulsgrindström på minst 200 mA, vilket gör det möjligt att erhålla en tillräckligt tillförlitlig och snabb kontroll av utgångstransistorerna.

Chips på de nedre knapparna DA2 har galvanisk anslutning till + 12V strömförsörjning och följaktligen med styrenheten, så de drivs från denna källa. Mikrochiperna på de övre knapparna kan drivas på samma sätt som visades i figur 3 med hjälp av ytterligare likriktare och separata lindningar på transformatorn. Men i detta schema används en annan, så kallad "snabb" näringsmetod, vars betydelse är som följer. DA1-mikrokretsen får effekt från den elektrolytiska kondensatorn C1, vars laddning sker genom kretsen: + 12V, VD1, C1, en öppen transistor VT2 (genom elektroderna är avloppet källan), "vanligt".

Med andra ord inträffar laddningen på kondensatorn Cl medan den nedre tangenttransistorn är öppen. Just nu är kondensatorns C1 minusterminal nästan kortsluten till den gemensamma tråden (motståndet för det öppna avloppet - källsektionen av kraftfulla fälteffekttransistorer är tusendels Ohm!), Vilket gör det möjligt att ladda den.

Med transistorn VT2 stängd kommer dioden VD1 också att stängas, laddningen för kondensatorn C1 kommer att stanna tills nästa öppning av transistorn VT2.Men laddningen av kondensatorn C1 är tillräcklig för att driva DA1-chipet medan transistorn VT2 är stängd. Naturligtvis är den övre tangentens transistor i detta ögonblick i stängt tillstånd. Detta schema med strömnycklar visade sig vara så bra att det appliceras utan förändringar i andra amatörkonstruktioner.

Den här artikeln diskuterar bara de enklaste schema för amatörens trefasomvandlare på mikrokretsar med liten och medelstor integrationsgrad, från vilken allt började, och där du till och med kan överväga allt från insidan med schemat. Mer moderna mönster görs med hjälp av mikrokontroller, oftast PIC-serier, av vilka schema också upprepade gånger har publicerats i Radiotidsskrifter.

Mikrokontrollenheter enligt schemat är enklare än på mikrokretsar med medelhög integrationsgrad, de har så nödvändiga funktioner som jämn motorstart, skydd mot överbelastning och kortslutningar och vissa andra. I dessa block implementeras allt på bekostnad av kontrollprogram eller som de kallas ”firmware”. Styrenheten för en trefasomvandlare beror exakt på dessa program.

Ganska enkla kretsar för trefas-inverterkontroller publiceras i tidskriften Radio 2008 No. 12. Artikeln kallas "Masteroscillatorn för en trefasomvandlare." Författaren till artikeln är också författaren till en serie artiklar om mikrokontroller och många andra mönster. Artikeln presenterar två enkla kretsar på mikrokontroller PIC12F629 och PIC16F628.

Rotationsfrekvensen i båda scheman ändras stegvis med hjälp av enpoliga omkopplare, vilket är tillräckligt i många praktiska fall. Det finns också en länk där du kan ladda ner färdiga "firmware", och dessutom ett speciellt program som du kan ändra parametrarna för "firmware" efter eget gottfinnande. Det är också möjligt att använda generatorläget "demo". I detta läge reduceras generatorns frekvens med 32 gånger, vilket möjliggör visuellt användning av lysdioderna för att observera generatorernas funktion. Den ger också rekommendationer för anslutning av strömaggregatet.

Men om du inte vill delta i programmering av mikrokontroller har Motorola släppt en specialiserad intelligent controller MC3PHAC, utformad för 3-fas motorstyrsystem. På grundval av detta är det möjligt att skapa billiga system för en justerbar trefas-enhet som innehåller alla nödvändiga funktioner för kontroll och skydd. Sådana mikrokontroller används alltmer i olika hushållsapparater, till exempel i diskmaskiner eller kylskåp.

Komplett med MC3PHAC-styrenheten är det möjligt att använda elektriska moduler utanför hyllan, till exempel IRAMS10UP60A utvecklad av International Rectifier. Modulerna innehåller sex strömbrytare och en styrkrets. Mer information om dessa element finns i deras datablad, som är lätt att hitta på Internet.

Boris Aladyshkin