Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока и способ управления им. Трехфазный генератор импульсов Трехфазный задающий генератор на микроконтроллере

В настоящей статье рассмотрена схема несложного устройства, позволяющего реализовать управление силовой схемой частотного асинхронного привода. Статья ориентирована на радиолюбителей, интересующихся разработкой и изготовлением самодельных регуляторов частоты вращения асинхронных двигателей, в том числе при питании их от бытовой однофазной сети.

Важное замечание. В статье не рассматриваются вспомогательные системы, без которых построение законченной схемы привода невозможно, а именно: источники питания всех узлов привода, схема сопряжения низковольтной схемы управления и силовой схемы инвертора (драйверы силовых ключей), собственно силовая схема инвертора. Разработка этих узлов остается на усмотрение читателей.

Частотно-управляемый (или регулируемый) асинхронный привод (далее просто привод) обычно строится по схеме "питающая сеть - выпрямитель - фильтр - трехфазный инвертор напряжения - приводимый асинхронный двигатель (далее - АД)". Питающая сеть может быть как бытовой однофазной, так и промышленной трехфазной, соответственно и выпрямитель делается одно- или трех-фазным. В качестве фильтра, как правило, используются Г-образные LC-фильтры, в системах малой мощности допустимо применение обычного сглаживающего С-фильтра.

Наиболее сложным узлом является инвертор напряжения. Последние годы он строится на основе полноуправляемых силовых ключей - транзисторов (MOSFET или IGBT), а еще совсем недавно применялись схемы на полууправляемых ключах (тиристорах). Задача инвертора - получение из постоянного напряжения регулируемого по частоте и действующему значению трехфазного напряжения. Регулирование частоты особой сложности не вызывает, а вот для регулирования действующего значения напряжения приходится применять ШИМ модуляцию, что далеко не просто.

Управление силовыми ключами инвертора осуществляет по определенному алгоритму специальный управляющий контроллер (иначе говоря - схема управления). Алгоритм управления подразумевает не только реализацию функций регулирования частоты и действующего значения выходного напряжения, но так же и реализацию защиты силовых ключей от перегрузок и КЗ. В некоторых случаях дополнительно реализуются функции регулирования момента на валу АД и другие специфические задачи, неактуальные для любительского применения.

Разработка схемы управления инвертором с полным набором функций - задача слишком сложная, чтобы рекомендовать ее широкому кругу любителей электроники, однако в усеченном, но достаточном для бытового применения (и даже для некоторых особых промышленных случаев, например, приводов вентиляции) решить ее возможно - см. статьи в журналах Радио №4 за 2001 г. и №12 за 2003 г (можно скачать из ). К сожалению, в этих конструкциях есть несколько недостатков, в частности, невысокая стабильность параметров из-за смешанного полуаналогового-полуцифрового подхода, непроработанность систем защиты и др. Попытка избавиться от этих недостатков и одновременно расширить функциональные возможности системы управления вылилась в создание схемы управления инвертором напряжения на недорого микроконтроллере (см. Рисунок 1 ), которая и предлагается к повторению.

Рисунок 1. Принципиальная схема

Краткие характеристики и особенности:

формирование последовательности импульсов управления силовыми ключами по алгоритму, реализующему линейную зависимость действующего значения напряжения от частоты;
регулирование частоты выходного напряжения инвертора от 5 до 50 Гц;
быстродействующая защита силовых ключей инвертора от токов КЗ;
возможность использования в качестве датчика тока схемы защиты как специализированного датчика (например, фирмы LEM ), так и обычного шунта;
возможность подключения дополнительного дисплея с последовательным интерфейсом для индикации текущей и заданной частоты;
чрезвычайная простота схемы - всего 4 микросхемы, включая микроконтроллер.

В схеме используется недорогой микроконтроллер AT89C2051-24PI . Он реализует все требуемые функции по специально разработанной программе.

Разъем XP3 служит для подключения напряжения питания схемы управления 5 В (контакты 1 и 4), а так же для подключения к схеме драйверов силовых ключей инвертора (контакты 12 - 17).

Разъем XP1 служит для подключения сигнала с датчика тока инвертора. Если используется датчик тока фирмы LEM или аналогичный, то обязательно наличие нагрузочного резистора R0 , его сопротивление определяется типом датчика. Если в качестве датчика используется шунт, то этот резистор не нужен. Шунт должен быть рассчитан так, чтобы при наличии тока КЗ в цепи постоянного тока инвертора на нем падало напряжение от 3 до 5 В. Если напряжение существенно ниже, может потребоваться дополнительный каскад усиления.

Схема защиты построена на компараторе DA1A и триггере DD1.1 и работает так. Напряжение с датчика тока через защитную цепь R1 -VD1 поступает на неинвертирующий вход компаратора DA1.A , а на инвертирующий его вход поступает пороговое напряжение с подстроечного резистора R2 . Когда напряжение с датчика тока превысит пороговое, компаратор сработает, и высокий логический уровень с его выхода поступит на тактовый вход триггера DD1.1 , который переключится и сигналом со своего вывода 5 переведет микроконтроллер в состояние сброса. При включении питания триггер DD1.1 устанавливается в состояние сброса при помощи цепи R5 -C1 . Чтобы сбросить схему защиты в рабочее положение и запустить тем самым инвертор, следует кратковременно нажать на кнопку SB1 .

Когда поступление сигнала сброса на микроконтроллер DD2 прекратится, он начнет выполнение своей программы. Сначала происходит внутренняя инициализация микроконтроллера, а затем подается сигнал разрешения работы шинного буфера DD3 "GATE ". Этот буфер используется для быстрого отключения выходных управляющих сигналов при срабатывании защиты, т.к. при поступлении сигнала сброса на микроконтроллер на всех его выходных портах устанавливается высокий логический уровень, в том числе и на линии "GATE ", что переводит выходы DD3 в Z-состояние. Благодаря резисторам R9 -R14 на выходах схемы управления, помеченных "VT1 " - "VT6 ", устанавливается низкий логический уровень, что соответствует запертому состоянию всех силовых ключей инвертора. Светодиод HL1 индицирует режим работы схемы управления: зеленое свечение "работа", красное - "защита".

Такое построение схемы защиты обусловлено тем, что быстродействия современных недорогих микроконтроллеров явно недостаточно для реализации защиты программными средствами. Это относится не только к используемому микроконтроллеру, но так же и к более быстродействующим AVR и PIC.

При помощи резистора R8 устанавливается желаемое значение частоты выходного напряжения инвертора. Вне зависимости от положения движка R8 , сразу после начала работы инвертор формирует выходные сигналы для частоты напряжения в 5 Гц. Затем, проанализировав положение движка этого резистора, микроконтроллер начинает постепенное повышение частоты до заданного уровня. Изменение частоты происходит дискретно с шагом в 1 Гц, причем скорость изменения установлена в 2 Гц/сек. Это сделано для исключения скачкообразного изменения выходной частоты, что может привести к возникновению ударных токов в АД и механическим перегрузкам в приводном механизме.

К разъему XP2 можно подключить дисплей с последовательным интерфейсом, при помощи которого отображаются заданное и текущее значения частоты, для работы схемы наличие дисплея необязательно. В авторском варианте применен на шести семисегментных светодиодных индикаторах и шести регистрах с последовательным вводом и параллельным выводом данных.

Рисунок 2 Чертеж сторон печатной платы

Рисунок 3 Расположение элементов на плате.

Для схемы управления разработана печатная плата (см. Рисунок 2 ). Размещение элементов схемы показывает Рисунок 3 . В качестве разъемов использованы штыревые вилки типа PLS . Микроконтроллер DD2 устанавливается в панель, чтобы обеспечить возможность перепрограммирования. Двухцветный светодиод - любой, кристалл красного свечения подключается к резистору R16 . Кнопка SB1 - любая тактовая, подстроечный резистор R3 типа СП5-16 , переменный R8 - любой. Тип резисторов и конденсаторов принципиального значения не имеет, важно только, чтобы напряжение электролитических конденсаторов было не менее 10 В. Неэлектролитические конденсаторы - дисковые керамические.

Алгоритм работы схемы управления поясняют диаграммы выходных сигналов и соответствующие им диаграммы выходных напряжений инвертора (при активной нагрузке) - см. Рисунок 4 и Рисунок 5 . Длительность импульсов 1,11 миллисекунды, а длительность паузы между ними (внутри пачки) зависит от частоты, и при частоте выходного напряжения инвертора 50 Гц составляет около 20 микросекунд (защитный интервал, полностью исключающий возможность возникновения сквозных токов в инверторе).

Рисунок 4 Диаграмма выходных сигналов схемы управления

Рисунок 5 Форма выходных напряжений инвертора при активной нагрузке

Схема управления была испытана с использованием мощного инвертора на IGBT транзисторах MBN1200C33 (HITACHI), к которому подключался АД мощностью 55 кВт с номинальной частотой вращения 1500 мин-1, нагруженный на центробежный вентилятор. Сбоев в работе схемы управления не было. Фактическую форму напряжений на выходе инвертора с вышеуказанным АД демонстрируют осциллограммы - см. Рисунок 6 и Рисунок 7 .

Рисунок 6 Фазные напряжения на двигателе

Рисунок 7 Фазные напряжения на двигателе

Качественные изображения схемы, рисунка проводников печатной платы, бинарный файл прошивки, можно скачать в , а некоторые дополнительные сведения об особенностях построения остальных, не рассмотренных в настоящей статье, узлов привода и инвертора можно получить из дополнительной статьи-приложения, находящейся там же.

(3) | Просмотров: 132858

Генератор, схема которого приведена на рис.1, может найти применение в различных преобразователях однофазного напряжения в трехфазное. Он проще описанных в .

Рис. 1 Схема трехфазного генератора импульсов

Устройство состоит из генератора тактовых импульсов DD1.1 ...DD1.3, формирователя DD2 и инверторов DD1.4...DD1.6. Частоту тактового генератора выбирают в 6 раз выше частоты необходимого трехфазного напряжения и рассчитывают по приближенной формуле

Формирователь выполнен на сдвиговом регистре, включенном по схеме счетчика-делителя частоты на 6. На выходах 1, 3 и 5 (выводы 5, 6, 13)

Рис. 2 Выходные сигналы трехфазного генератора импульсов

DD2 образуются прямоугольные импульсы, сдвинутые на 1/3 периода со скважностью 2. К выходам DD2 для развязки подключают инверторы DD1.4...DD1.6. Выходные сигналы генератора показаны на рис.2.

А.РОМАНЧУК

Литература

1. Шило B.Л Популярные цифровые микросхемы. - Радио и связь,1989, С.60.

2. Ильин А. Подключение трех-фазных пoтpeбитeлeй к однофазной цепи. - Радиолюбитель, 1998, N10, С.26.

3. Кроер Ю. Трехфазное 200 Гц из 50 Гц. - Радиолюбитель, 1999, N10, С.21.

4. Пышкин В. Трехфазный инвертор. - Радио, 2000, N2, С.35.

Тема питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети не нова, но по-прежнему остается актуальной. Сегодня мы предлагаем вниманию читателей еще одно техническое решение проблемы. Для упрощения задающего генератора - основы трехфазного инвертора, обеспечивающего питание такого двигателя, - автор статьи предлагает использовать микроконтроллер.
За последние годы в журнале "Радио" описано немало трехфазных инверторов - преобразователей постоянного или переменного однофазного напряжения в трехфазное. Эти устройства предназначены, как правило, для питания асинхронных трехфазных электродвигателей в отсутствие трехфазной сети. Многие из них позволяют регулировать частоту вращения вала двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.
Кроме мощных выходных узлов, непосредственно связанных с двигателем, все инверторы содержат задающий генератор, формирующий необходимые для работы названных узлов многофазные импульсные последовательности. Собранный на стандартных логических микросхемах, такой генератор представляет собой довольно сложное устройство. Особенно усложняет его необходимость при регулировке частоты импульсов изменять по определенному закону их скважность (для сохранения тока в обмотках питаемого от инвертора электродвигателя в допустимых пределах). Часто применяемая одновременная регулировка этих параметров обычным сдвоенным переменным резистором не позволяет соблюдать нужную взаимосвязь с достаточной степенью точности.
Все эти проблемы легко решаются с помощью микроконтроллера (МК). Схема задающего генератора (рис. 1) упрощается до предела, а все его свойства реализуются программно. Здесь элементы U1.1-U6.1 - излучающие диоды транзисторных оптронов, связывающих генератор с мощными узлами инвертора. Через диоды U1.1, U3.1 и U5.1 ток протекает в интервалы времени, когда должны быть открыты "верхние" (по схеме) ключи фаз А, В и С соответственно, а через диоды U2.1, U4.1, U6.1, когда должны быть открыты "нижние" ключи этих фаз. Значения тока, протекающего через излучающие диоды, можно изменить подбором резисторов R3-R5, но они не должны превышать допустимых для МК 25 мА.
В оптоизолированной от задающего генератора мощной части инвертора импульсы нужной полярности для управления ключами формируют с помощью узлов, выполненных по схемам, показанным на рис. 2 (а - положительной, б - отрицательной). Здесь Uп.2 - фототранзисторы оптронов U1-U6 (см. рис. 1). Напряжение питания Uпит и номинал резистора R1 выбирают в зависимости от типа применяемых в инверторе мощных ключей и их драйверов.

Переключателем SA1 (см. рис. 1) выбирают одно из четырех значений частоты трехфазного напряжения. В прилагаемом к статье варианте программы (файл G3F629.HEX) два из них ниже номинального (50 Гц), а одно выше. Длительность формируемых импульсов при номинальной и повышенной частотах немного меньше полупериода их повторения, что исключает одновременное открывание "верхнего" и "нижнего" ключей одной фазы. Понижение частоты относительно номинальной достигается увеличением пауз между импульсами, длительность которых остается той же, что и при номинальной частоте. Этим обеспечивается неизменность амплитуды импульсов тока в обмотках двигателя и предотвращается насыщение его магнитопровода. Если необходимости в изменении частоты нет, переключатель SA1 и диоды VD1, VD2 исключают (устройство будет генерировать импульсы с частотой повторения 50 Гц). Вместо МК PIC12F629 можно применить PIC12F675.
Схема аналогичного генератора на МК PIC16F628 показана на рис. 3. Его основное преимущество перед рассмотренным ранее - возможность подключения к МК внешнего кварцевого резонатора ZQ1 и увеличения частоты формируемых сигналов пропорционально отношению частот резонатора и внутреннего генератора МК (4 МГц). Например, при частоте резонатора 20 МГц максимальная частота трехфазного напряжения достигнет 88,5x20/4 = 442,5 Гц (здесь 88,5 Гц - максимальная частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК - встроенного или с внешним кварцевым резонатором - 4 МГц). Если повышать частоту не нужно, кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С1, С2 (на рис. 3 показаны штриховыми линиями) не устанавливают, а МК конфигурируют на работу от встроенного RC-генератора. Именно на такую конфигурацию устройства рассчитан прилагаемый к статье вариант программы G3F628.HEX. Без изменений в схеме и программе допустима замена PIC16F628 на PIC16F628A или PIC16F648A.

Оптическая развязка задающего генератора и мощных узлов трехфазного инвертора в данном случае не предусмотрена, однако ее несложно организовать, подключив к паре выходов каждой фазы излучающие диоды оптронов по схеме, изображенной на рис. 4. Кроме развязки, такое схемное решение дополнительно гарантирует, что "верхний" и "нижний" ключи каждой фазы не будут открыты одновременно (при одинаковых уровнях напряжения на выходах МК ток через излучающие диоды отсутствует, а при разных течет только через один из них).
Если записанные в программе МК по умолчанию значения частоты и скважности импульсов по каким-либо причинам не подходят, их можно изменить (а в варианте для МК PIC16F628 еще и поменять полярность выходных импульсов). Для этого предназначена компьютерная программа "Настройка трехфазного генератора" (G3F.exe), после запуска которой на экран монитора выводится окно, показанное на рис. 5.

Настройку начинают с выбора МК, для которого предназначена откорректированная программа. Затем при необходимости изменяют указанные в таблице значения частоты формируемых импульсов и их коэффициента заполнения (обратная скважности величина, называемая в англоязычной литературе "duty cycle"). Делают это с помощью имеющихся в соответствующих графах таблицы кнопок со стрелками. Значения "некруглые", они изменяются с предусмотренной в программе МК дискретностью. Пределы изменения частоты в каждом положении переключателя SA1 ограничены значениями, установленными для его положений с меньшим и большим номерами. Наибольшая частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК 4 МГц, равна, как уже говорилось, 88,5 Гц, наименьшая - 8,02 Гц.
Значение коэффициента заполнения можно изменять вручную в пределах от нуля (импульсы отсутствуют) до 98,33 % (пауза между импульсами, открывающими "верхние" и "нижние" ключи, минимальна). Если же нажать на экранную кнопку "Автоматически", за основу будет принят коэффициент заполнения для положения переключателя SA1, соответствующего номинальной частоте (оно обозначено "ном."). Для частоты выше номинальной коэффициент будет установлен таким же, а ниже ее снижен пропорционально частоте. Заметим, что за номинальное может быть принято любое положение переключателя - достаточно "щелкнуть" мышью рядом с его номером.

Поля "Тактовый генератор" и "Полярность импульсов", расположенные ниже таблицы режимов работы генератора, активны только при выборе МК PIC16F628. В первом из них выбирают тип тактового генератора и при необходимости уточняют его частоту. Во втором устанавливают полярность выходных импульсов отдельно для каналов управления "верхними” и "нижними" ключами. Учтите, что при использовании оптической развязки по схеме, изображенной на рис. 4, полярность импульсов может быть любой, но обязательно одинаковой. В других случаях ее выбирают в зависимости от особенностей мощных узлов инвертора.
Закончив установку всех нужных значений, нажмите на экранную клавишу "Создать НЕХ-файл". Откроется окно, в котором следует указать имя этого файла (программа предлагает G3F.HEX), место на жестком диске компьютера, куда он будет записан, и затем нажать на экранную кнопку "Сохранить". Остается загрузить созданный файл в программную память МК.

В заключение - об имеющемся в окне программы настройки генератора пункте "Демо”. Если его отметить, будет сформирован вариант программы с уменьшенными в 32 раза относительно указанных в таблице значениями частоты формируемых импульсов. Если в генераторе, собранном по схеме рис. 1, загрузить его в МК, к которому вместо излучающих диодов оптронов подключена светодиодная сборка DLA/6GD (рис. 6), можно увидеть поочередные вспышки шести расположенных в ней по окружности светодиодов, что имитирует вращение ротора трехфазного двигателя. Такую конструкцию вполне можно использовать как игрушку или сувенир. Светодиодную сборку можно заменить шестью единичными светодиодами, в том числе разного цвета свечения, смонтировав их на плате подходящих размеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубровский А. Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. - Радио, 2001, № 4, С. 42, 43.
2. Калугин С. Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. - Радио, 2002, N9 3, с. 31.
3. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. - Радио, 2003, № 12, с. 35-37.
4. Мурадханян Э. Управляемый инвертор для питания трехфазного двигателя. - Радио, 2004, № 12, с. 37, 38.
Материал взят из: Журнала Радио 2008 №12

В архиве Программа, Прошивка и Исходный код

(cкачиваний: 2447)

Трёхфазные асинхронные двигатели находят широкое применение в промышленности и в быту благодаря своей простоте и надёжности. Отсутствие искрящего и греющегося коллекторнощёточного узла, а также простая конструкция ротора обуславливают долгий срок их эксплуатации, упрощают профилактику и обслуживание. Однако при необходимости регулировать частоту вращения вала такого двигателя возникают сложности. Для этого обычно применяют специальные преобразователи, называемые частотными регуляторами, изменяющие частоту питающего двигатель напряжения. Такие регуляторы нередко позволяют питать трёхфазный двигатель от однофазной сети, что особенно актуально при их применении в быту.

Частотным регуляторам посвящено довольно много статей, например, . К сожалению, большинство описанных конструкций не очень подходят для повторения, поскольку они либо слишком сложны , либо (как регулятор, описанный в ) построены из дорогих деталей, стоимость которых достигает половины стоимости регулятора промышленного изготовления. Дополнительные функции регулятора необходимы далеко не всегда. Поэтому для многих простых применений такой регулятор невыгоден. Устройство, описанное в , несложно по схеме, но организовать плавное регулирование частоты вращения с его помощью затруднительно.

Оптимальным для повторения можно считать устройство, описанное в , если его немного упростить. Оно построено на дешёвых широко распространённых микросхемах, поэтому нет нужды покупать дорогостоящие микроконтроллеры или специализированные модули. В описываемом в настоящей статье устройстве из оставлен только формирователь импульсов управления. Остальное изменено с целью упрощения.

Как известно, при уменьшении частоты питающего двигатель напряжения необходимо пропорционально снижать и его амплитуду. Проще всего это делать с помощью широтно-импульсной модуляции формируемого напряжения. В для этого использованы отдельный генератор и пять микросхем. Это не очень удобно, поскольку требует применять для управления двигателем сдвоенный переменный резистор и налаживать два генератора, да и число микросхем можно сократить.

Я использовал другой способ реализации широтно-импульсной модуляции, позволяющий упростить устройство и его налаживание. Теперь оно состоит из регулируемого по частоте генератора импульсов постоянной длительности, счётчика-делителя частоты следования импульсов генератора на три, формирователя импульсов управления и оптронов, управляющих силовыми ключами инвертора постоянного напряжения в трёхфазное переменное.

Формирователь импульсов управления делит частоту поступающих на него импульсов на шесть. Излучающие диоды оптронов включены так, что ток через них течёт только в отрезки времени, когда на выходе генератора установлен высокий логический уровень напряжения, а на соответствующем выходе формирователя импульсов управления - низкий. Поэтому каждый полу-период напряжения, подаваемого на обмотку двигателя, состоит из девяти импульсов постоянной длительности, но с регулируемыми паузами между ними. При этом снижение эффективного значения напряжения, подаваемого на обмотки, происходит автоматически по нужному закону за счёт увеличения скважности при понижении его частоты.

Принципиальная схема задающего генератора частотного регулятора, использующего такой принцип, изображена на рис. 1. Он разработан для системы питания осевого вентилятора с трёхфазным двигателем мощностью 0,37 кВт. На триггере Шмитта DD3.4 и транзисторе VT1 построен генератор импульсов. Рассмотрим его работу с момента, когда конденсатор C9 разряжен и на выходе триггера DD3.4 установлен высокий логический уровень, а на выходах параллельно соединённых триггеров DD3.5 и DD3.6 - низкий.

Рис. 1. Принципиальная схема задающего генератора частотного регулятора

Конденсатор C9 начинает заряжаться через резистор R12 и сопротивление сток-исток транзистора VT1, зависящее от напряжения на его затворе. В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе превысит верхний порог переключения триггера, уровень на выходе которого станет низким. Далее начнётся разрядка конденсатора C9. После того как напряжение на конденсаторе достигнет нижнего порога переключения триггера, всё повторится сначала.

Длительность импульса низкого уровня на выходе триггера DD3.4 и высокого уровня на выходах триггеров DD3.5 и DD3.6 неизменна и определяется постоянной времени цепи C9R13. А продолжительность пауз между импульсами зависит от напряжения на затворе полевого транзистора VT1, которое устанавливают переменным резистором R3. Чем оно выше, тем меньше сопротивление сток-исток транзистора, следовательно, короче паузы между импульсами и выше частота их следования. При максимальной частоте паузы между импульсами минимальны, поэтому напряжение, подаваемое на обмотки двигателя, близко к напряжению силовых ключей.

При понижении частоты длительность пауз увеличивается, что ведёт к уменьшению среднего значения напряжения на обмотке двигателя.

Переменным резистором R3 и регулируют частоту вращения двигателя, а подстроечным резистором R4 устанавливают её минимальное значение. Резистор R12 определяет минимальную длительность пауз между импульсами.

Такой генератор сложнее, чем в , но применён по нескольким причинам. Во-первых, он позволяет получить широкий интервал регулирования частоты при небольшом сопротивлении переменного резистора R3. У большинства переменных резисторов при переходе подвижного контакта с металлического контакта на резистивное покрытие (или наоборот) происходит резкое изменение сопротивления. Причём, чем больше номинальное сопротивление резистора, тем ярче это свойство проявляется. А в обычном генераторе для получения широкого интервала регулирования требуются именно высокоомные переменные резисторы. На практике этот эффект проявляется как резкий рывок вала двигателя и бросок потребляемого им тока при приближении движка переменного резистора к крайнему положению.

Во-вторых, стало возможным реализовать плавный запуск двигателя без существенного усложнения устройства. Это актуально для вентиляторов, особенно центробежных, поскольку момент инерции рабочего колеса у них, как правило, довольно велик, что способствует длительной работе двигателя в пусковом режиме со значительным превышением номинального потребляемого тока.

В-третьих, благодаря тому что частотой генератора управляют изменением постоянного напряжения, при необходимости легко организовать дистанционное регулирование частоты вращения вала двигателя.

Для реализации плавного пуска служат элементы C2, R1, R2, VD1, а также реле K2. В момент включения питания цепь обмотки реле K2 разорвана, излучающие диоды оптронов U1-U6 отключены от генератора импульсов, конденсатор C2 разряжен. В этом состоянии подстроечным резистором R2 устанавливают минимальную частоту следования импульсов генератора, с которой начнётся запуск двигателя. Следует отметить, что минимальная частота зависит в некоторой степени и от положения движка переменного резистора R3.

При нажатии на кнопку SB1 "Пуск" реле K2 своими контактами K2.2 подключит оптроны к генератору. Конденсатор C2 начнёт заряжаться в основном через резистор R2. Напряжение на затворе транзистора, а следовательно, и частота генератора плавно увеличиваются. Подбирая ёмкость конденсатора C2, можно изменять скорость разгона двигателя. Когда частота генератора достигнет значения, установленного переменным резистором R3, диод VD1 закроется. Конденсатор C2, заряжаясь до напряжения питания через резистор R2, на дальнейшую работу генератора не влияет.

При нажатии на кнопку SB2 "Стоп" реле K2 отключает оптроны, а контактами K2.1 разряжает конденсатор C2. Реле K1 управляет узел токовой защиты частотного регулятора. При перегрузке оно размыкает цепь питания обмотки реле K2. Для дополнительной защиты частотный регулятор подключён к сети через автоматический выключатель с током отключения 3 А.

Если плавный пуск и управление частотным регулятором с помощью кнопок не требуются, все элементы, находящиеся на схеме внутри штрих-пунктирной рамки, можно не устанавливать. Вместо участка сток-исток транзистора VT1 следует включить по схеме реостата переменный резистор сопротивлением 100 кОм. Ёмкость конденсатора C9 лучше увеличить до 470 нФ, а сопротивление резисторов R12 и R13 выбрать соответственно
200 Ом и 1,6 кОм. Аноды излучающих диодов оптронов U1-U6 следует соединить с выходами триггеров DD3.5 и DD3.6 напрямую.

С выхода триггера DD3.4 импульсы поступают на вход счётчика DD4, коэффициент деления которого установлен равным трём. Формирователь импульсов управления построен на счётчике DD1, элементах 3ИЛИ-НЕ микросхемы DD2 и триггерах Шмитта DD3.1-DD3.3. Его работа достаточно подробно описана в и .

Работу узла управления поясняют временные диаграммы сигналов в некоторых его точках, показанные на рис. 2. В качестве выходных сигналов фазы А показаны токи, протекающие через излучающие диоды оптронов U1 и U4. Поскольку, в отличие от , в рассматриваемом устройстве все процессы синхронизированы с частотой генератора, так называемое мёртвое время At между открытыми состояниями разных силовых ключей, равное по длительности паузе между импульсами генератора, обеспечивается автоматически. При указанных на схеме номиналах резистора R12 и конденсатора C9 и максимальной частоте импульсов её длительность - не менее 30 мкс.

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов

Полевой транзистор КП501А можно заменить на BSN304 или серии КП505. Вместо микросхемы 74НСТ14 лучше установить один из её функциональных аналогов КР1554ТЛ2, 74АС14, отличающихся повышенной нагрузочной способностью. Применять здесь микросхемы серии К561, а тем более К176 не следует.

Литература

1. Нарыжный В. Источник питания трёхфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. - Радио, 2003, № 12, с. 35-37.

2. Галичанин А. Система частотного управления асинхронным двигателем. - Радио, 2016, № 6, с. 35-41.

3. Хиценко В. Три фазы из одной. - Радио, 2015, № 9, с. 42, 43.

Дата публикации: 17.05.2017

Мнения читателей

петр / 10.09.2018 - 17:16
Номера выводов кр1561ле10 не соответствуют справочнику
Александр / 24.05.2017 - 19:40
В качестве выходных сигналов фазы А показаны токи, протекающие через излучающие диоды оптронов U1 и U4 Через U1 и U2 Зачем инвертировать сигнал для драйверов -(А, В, С)

Для питания различных приборов хозяйственного и промышленного назначения требуется трехфазная сеть переменного тока с частотой 200 или 400 гц. Для получения такого напряжения, в большинстве случаев используют соответствующий электромеханический трехфазный генератор, ротор которого приводится в движение при помощи однофазного электродвигателя, питаемого от сети 220В.

Предлагаемый электронный генератор позволяет решить эту проблему с лучшим коэффициентом полезного действия.

Если изучить диаграмму трехфазного напряжения можно увидеть три синусоидальных сигнала, сдвинутых последовательно на 1/3 периода. Если предполагается частота 200 Гц, то период составляет 5 mS. Следовательно 1/3 периода равна 1,666... mS. Таким образом получается, что если у нас будет исходное однофазное напряжение 200 Гц, пропустив его через две последовательно включенные линии задержки, каждая из которых вносит задержку по 1,666.. mS мы получим трехфазное напряжение, одна фаза -напряжение исходное, и две фазы напряжения с выходов соответствующих линий задержки.

Принципиальная схема устройства, работающего на таком принципе показана на рисунке. Все исходные сигналы прямоугольные, их преобразование в синусоидальные происходит в индуктивностях выходных трансформаторов Т1-Т3.

Мультивибратор на микросхеме D1 вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 200 Гц. Эти импульсы поступают на вход электронного высоковольтного ключа на транзисторах VT1 и VT4, на выходе которого включена первичная обмотка трансформатора Т1. В результате на обмотку поступает импульсное напряжение 300В. ЭДС самоиндукции сглаживает эти импульсы до формы, близкой к синусоидальной и на вторичной обмотке Т1 формируется переменное напряжение частотой 200 гц. Таким образом формируется фаза "А".

Для формирования фазы "В" импульсы частотой 200 Гц с выхода D1 поступают на схему задержки, имеющую постоянную времени равную 1,666 mS. С выхода D1.2 импульсное напряжение, сдвинутое на 1/3 фазы по сравнению с напряжением на выходе D1.3, поступает на второй ключ на транзисторах VT2 и VT5, работающий аналогично предыдущему. На вторичной обмотке Т1 имеется фаза "В".

Затем, с выхода элемента D2.2 импульсное напряжение, уже сдвинутое на 1/3 фазы, поступает на вторую линию задержки на элементах D2.3 и D2.4, в которой происходит еще один сдвиг на 1/3 фазы. Импульсы с выхода элемента D2.4 поступают на третий ключ на транзисторах VT3 и VT6, в коллекторной цепи которого включена первичная обмотка трансформатора Т3, а на на его вторичной обмотке выделяется переменное напряжение третей фазы.

Микросхемы: D1 - К561ЛЕ5, D2 -К561ЛП2. Микросхемы могут быть из серии К176, но в этом случае напряжение питания нужно понизить до 9В (вместо 12В). Транзисторы КТ604 можно заменить на КТ940, транзисторы КТ848 - на КТ841. Трансформаторы Т1-Т3 одинаковые трансформаторы, рассчитанные на получение нужного напряжения при подаче на их первичную обмотку напряжения 220В. Например, если требуется получить трехфазное напряжение 36В нужно взять трансформаторы 220В/36В на нужную мощность. Для питания микросхем используется

источник постоянного стабилизированного напряжения 12В. Напряжение +300В получается выпрямлением сетевого напряжения 220В при помощи диодного моста, например на диодах Д242 или других мощных диодах на напряжение не менее 300В. Сглаживание пульсаций производится конденсатором на 100мкф/360V (как в источнике питания телевизора УСЦТ). Это постоянное напряжение подается на точку "+300V. Можно подавать и меньшее напряжение, при этом соответственно будут изменяться и выходные напряжения.

В процессе настройки нужно, подбором сопротивления R1, установить при помощи частотомера частоту на выводе 10 D1 равную 200 гц, а затем подбором R2 и R3, при помощи фазометра установить сдвиг фаз по 120°.

Если требуется трехфазное напряжение частотой 400 Гц величины элементов меняются на такие: R1 = 178 ком, R2 = 60 ком, R3 = 60ком. Все детали, кроме выходных транзисторов и трансформаторов монтируются на одной печатной плате из одностороннего стеклотекстолита. Выходные транзисторы должны быть установлены на теплоотводящие радиаторы с площадью поверхности не менее 100 см2.

Вид печатной платы источника трехфазного напряжения