Σχέδια ερασιτεχνικών μετατροπέων συχνότητας

Ένα από τα πρώτα κυκλώματα αναστροφέα για τροφοδοσία ενός τριφασικού κινητήρα δημοσιεύθηκε στο ραδιοφωνικό περιοδικό Νο. 11 του 1999. Ο προγραμματιστής του έργου M. Mukhin εκείνη την εποχή ήταν φοιτητής βαθμού 10 και ασχολήθηκε με έναν ραδιοκύκλο.

Ο μετατροπέας προοριζόταν για την τροφοδοσία του μικροσκοπικού τριφασικού κινητήρα DID-5TA, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στο μηχάνημα για τη διάτρηση τυπωμένων κυκλωμάτων. Πρέπει να σημειωθεί ότι η συχνότητα λειτουργίας αυτού του κινητήρα είναι 400Hz και η τάση τροφοδοσίας είναι 27V. Επιπλέον, το μεσαίο σημείο του κινητήρα (κατά τη σύνδεση των περιελίξεων με ένα "αστέρι") εξελίχθηκε, πράγμα που επέτρεψε την εξαιρετικά απλοποίηση του κυκλώματος: χρειάστηκαν μόνο τρία σήματα εξόδου και κάθε φάση απαιτούσε μόνο ένα πλήκτρο εξόδου. Το κύκλωμα της γεννήτριας φαίνεται στο σχήμα 1.

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, ο μετατροπέας αποτελείται από τρία μέρη: μία τριφασική γεννήτρια παλμών ακολουθίας σε μικροκυκλώματα DD1 ... DD3, τρία πλήκτρα σε σύνθετα τρανζίστορ (VT1 ... VT6) και ο πραγματικός ηλεκτροκινητήρας M1.

Το σχήμα 2 δείχνει τα διαγράμματα χρονισμού παλμών που παράγονται από τη γεννήτρια γεννήτριας. Ο κύριος ταλαντωτής κατασκευάζεται στο τσιπ DD1. Χρησιμοποιώντας την αντίσταση R2, μπορείτε να ρυθμίσετε τις επιθυμητές στροφές του κινητήρα, καθώς και να το αλλάξετε εντός ορισμένων ορίων. Λεπτομερέστερες πληροφορίες σχετικά με το κύκλωμα μπορούν να βρεθούν στο παραπάνω αρχείο καταγραφής. Πρέπει να σημειωθεί ότι, σύμφωνα με τη σύγχρονη ορολογία, οι γεννήτριες αυτές ονομάζονται ελεγκτές.

Σχήμα 1

Σχήμα 2. Διαγράμματα χρονισμού των παλμών της γεννήτριας.

Με βάση τον ελεγκτή A. Dubrovsky από την πόλη Novopolotsk, Vitebsk περιοχή. Σχεδιάστηκε ο σχεδιασμός ενός μηχανισμού μεταβλητής συχνότητας για έναν κινητήρα με ισχύ 220V AC. Το διάγραμμα κυκλωμάτων δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Radio 2001. Αριθμός 4.

Σε αυτό το σχήμα, πρακτικά αμετάβλητο, ο ελεγχόμενος ελεγκτής χρησιμοποιείται μόνο σύμφωνα με το σχέδιο του M. Mukhin. Τα σήματα εξόδου από τα στοιχεία DD3.2, DD3.3 και DD3.4 χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των πλήκτρων εξόδου A1, A2 και A3, στα οποία συνδέεται ο κινητήρας. Το διάγραμμα δείχνει το κλειδί A1, το υπόλοιπο είναι το ίδιο. Ένα πλήρες διάγραμμα της συσκευής φαίνεται στο σχήμα 3.

Σχήμα 3

Συνδέστε τον κινητήρα στην έξοδο ενός τριφασικού μετατροπέα

Για να εξοικειωθείτε με τη σύνδεση του κινητήρα με τα πλήκτρα εξόδου, αξίζει να εξετάσετε ένα απλοποιημένο διάγραμμα που φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4

Το σχήμα δείχνει τον κινητήρα M, τον οποίο ελέγχουν τα πλήκτρα V1 ... V6. Στοιχεία ημιαγωγών για την απλοποίηση του κυκλώματος που παρουσιάζεται με τη μορφή μηχανικών επαφών. Ο ηλεκτρικός κινητήρας τροφοδοτείται από σταθερή τάση Ud που λαμβάνεται από τον ανορθωτή (δεν φαίνεται στο σχήμα). Σε αυτή την περίπτωση, τα πλήκτρα V1, V3, V5 ονομάζονται άνω, και τα πλήκτρα V2, V4, V6 χαμηλότερα.

Είναι προφανές ότι το άνοιγμα του άνω και κάτω πλήκτρου ταυτόχρονα, δηλαδή με τα ζεύγη V1 & V6, V3 & V6, V5 & V2, είναι εντελώς απαράδεκτο: θα υπάρξει βραχυκύκλωμα. Επομένως, για την κανονική λειτουργία ενός τέτοιου σχήματος κλειδιού, είναι επιτακτικό ότι από τη στιγμή που ανοίγει το κάτω πλήκτρο, το επάνω κλειδί έχει ήδη κλείσει. Για το σκοπό αυτό, οι ελεγκτές σχηματίζουν μια παύση, που συχνά αναφέρεται ως "νεκρή ζώνη".

Το μέγεθος αυτής της παύσης είναι τέτοιο ώστε να εξασφαλίζει εγγυημένο κλείσιμο των τρανζίστορς ισχύος. Αν αυτή η παύση είναι ανεπαρκής, είναι δυνατό να ανοίξετε για λίγο το επάνω και το κάτω πλήκτρο ταυτόχρονα. Αυτό προκαλεί τη θέρμανση των τρανζίστορ εξόδου, κάτι που συχνά οδηγεί στην αποτυχία τους. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται από ρεύματα.

Ας επιστρέψουμε στο κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 3. Στην περίπτωση αυτή, οι άνω διακόπτες είναι τα τρανζίστορ 1VT3, και τα χαμηλότερα 1VT6. Είναι εύκολο να δείτε ότι τα κάτω πλήκτρα είναι γαλβανικά συνδεδεμένα στη συσκευή ελέγχου και μεταξύ τους.Επομένως, το σήμα ελέγχου από την έξοδο 3 του στοιχείου DD3.2 μέσω των αντιστάσεων 1R1 και 1R3 τροφοδοτείται απευθείας στη βάση του σύνθετου τρανζίστορ 1VT4 ... 1VT5. Αυτό το σύνθετο τρανζίστορ δεν είναι παρά ένας κατώτερος βασικός οδηγός. Ακριβώς επίσης από τα στοιχεία DD3, DD4, ελέγχονται τα σύνθετα τρανζίστορ του κατώτερου βασικού οδηγού των καναλιών Α2 και Α3. Και τα τρία κανάλια τροφοδοτούνται από τον ίδιο ανορθωτή. στη γέφυρα δίοδος VD2.

Επομένως, τα επάνω πλήκτρα της γαλβανικής επικοινωνίας με ένα κοινό καλώδιο και συσκευή ελέγχου δεν πρέπει να τα ελέγχουν, εκτός από τον οδηγό, σε ένα σύνθετο τρανζίστορ 1VT1 ... 1VT2, έπρεπε να εγκατασταθεί ένας πρόσθετος οπτοστοιχείο 1U1 σε κάθε κανάλι. Το τρανζίστορ εξόδου οπτικού συνδέσμου σε αυτό το κύκλωμα εκτελεί επίσης τη λειτουργία ενός πρόσθετου αντιστροφέα: όταν η έξοδος 3 του στοιχείου DD3.2 είναι υψηλή, το τρανζίστορ του άνω διακόπτη 1VT3 είναι ανοιχτό.

Ένας ξεχωριστός ανορθωτής 1VD1, 1C1 χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία κάθε οδηγού κορυφαίου κλειδιού. Κάθε ανορθωτής τροφοδοτείται από μια ξεχωριστή περιέλιξη μετασχηματιστή, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως μειονέκτημα του κυκλώματος.

Ο πυκνωτής 1C2 παρέχει μία καθυστέρηση μεταγωγής κλειδιού περίπου 100 μικροδευτερόλεπτα, ο οπτοπλέκτης 1U1 δίνει την ίδια ποσότητα, σχηματίζοντας έτσι την προαναφερθείσα "νεκρή ζώνη".

Είναι αρκετή η ρύθμιση της συχνότητας;

Με τη μείωση της συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης τροφοδοσίας, η επαγωγική αντίσταση των περιελίξεων του κινητήρα πέφτει (απλά θυμηθείτε τον τύπο επαγωγικής αντίστασης), γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος μέσω των περιελίξεων και, κατά συνέπεια, στην υπερθέρμανση των περιελίξεων. Επίσης, το μαγνητικό κύκλωμα στάτη είναι κορεσμένο. Για να αποφευχθούν αυτές οι αρνητικές συνέπειες, όταν μειώνεται η συχνότητα, πρέπει επίσης να μειωθεί η πραγματική τιμή της τάσης στις περιελίξεις του κινητήρα.

Ένας τρόπος για την επίλυση του προβλήματος σε ερασιτέχνες chastotniks προτάθηκε να ρυθμίσει αυτή την πιο αποτελεσματική τιμή με τη βοήθεια του LATR, η κινητή επαφή του οποίου είχε μια μηχανική σύνδεση με μια μεταβλητή αντίσταση του ρυθμιστή συχνότητας. Αυτή η μέθοδος συστήθηκε στο άρθρο του S. Kalugin, "Ολοκλήρωση του ρυθμιστή ταχύτητας των τριφασικών ασύγχρονων κινητήρων". Journal of Radio 2002, Νο. 3, σελ. 31.

Σε ερασιτεχνικές συνθήκες, η μηχανική συναρμολόγηση αποδείχθηκε πολύπλοκη και, κυρίως, αναξιόπιστη. Ένας απλούστερος και πιο αξιόπιστος τρόπος χρήσης ενός αυτομετασχηματιστή προτάθηκε από τον Ε. Muradkhanian από το Ερεβάν στο ραδιοφωνικό περιοδικό Νο. 12 του 2004. Ένα διάγραμμα αυτής της συσκευής φαίνεται στα Σχήματα 5 και 6.

Η τάση δικτύου 220V τροφοδοτείται στον αυτόματο μετασχηματιστή Τ1 και από την κινητή επαφή του στη γέφυρα ανορθωτή VD1 με φίλτρο C1, L1, C2. Στην έξοδο του φίλτρου, λαμβάνεται μια μεταβλητή σταθερή τάση Ureg, η οποία χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του ίδιου του κινητήρα.

Σχήμα 5

Η τάση Ureg διαμέσου της αντίστασης R1 παρέχεται επίσης στον κύριο ταλαντωτή DA1, που κατασκευάζεται στο chip KR1006VI1 (εισαγόμενη έκδοση NE555) Ως αποτέλεσμα αυτής της σύνδεσης, μια συμβατική γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων μετατρέπεται σε VCO (γεννήτρια ελεγχόμενη από τάση). Συνεπώς, με αύξηση της τάσης Ureg, αυξάνεται επίσης η συχνότητα της γεννήτριας DA1, πράγμα που οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα. Με τη μειούμενη τάση Ureg, η συχνότητα του κύριου ταλαντωτή μειώνεται επίσης αναλογικά, πράγμα που αποτρέπει την υπερθέρμανση των περιελίξεων και τον υπερκορεσμό του μαγνητικού κυκλώματος στάτη.

Σχήμα 6

Στο ίδιο άρθρο περιοδικών, ο συγγραφέας προσφέρει μια παραλλαγή του κύριου ταλαντωτή, που σας επιτρέπει να απαλλαγείτε από τη χρήση ενός αυτομετασχηματιστή. Το κύκλωμα της γεννήτριας φαίνεται στο σχήμα 7.

Σχήμα 7

Η γεννήτρια κατασκευάζεται στη δεύτερη σκανδάλη του τσιπ DD3, στο διάγραμμα ονομάζεται DD3.2. Η συχνότητα ρυθμίζεται από τον πυκνωτή C1, η συχνότητα ελέγχεται από μια μεταβλητή αντίσταση R2. Μαζί με τον έλεγχο συχνότητας, η διάρκεια παλμού στην έξοδο της γεννήτριας επίσης αλλάζει: όταν η συχνότητα είναι μειωμένη, η διάρκεια μειώνεται, έτσι πέφτει η τάση στις περιελίξεις του μοτέρ. Αυτή η αρχή ελέγχου ονομάζεται διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM).

Στο ερασιτεχνικό κύκλωμα που εξετάζεται, η ισχύς του κινητήρα είναι μικρή, ο κινητήρας τροφοδοτείται από ορθογώνια παλμούς, οπότε το PWM είναι αρκετά πρωτόγονο. Στην πραγματικότητα βιομηχανικούς μετατροπείς συχνότητας το PWM υψηλής ισχύος έχει σχεδιαστεί για να παράγει σχεδόν την ημιτονοειδή τάση στην έξοδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, και για την υλοποίηση εργασιών με διάφορα φορτία: με σταθερή ροπή, με σταθερή ισχύ και φορτίο ανεμιστήρα.

Σχήμα 8. Το σχήμα της τάσης εξόδου μιας φάσης τριφασικού μετατροπέα με PWM.

Ισχύος μέρος του κυκλώματος

Τα σύγχρονα επώνυμα chastotniks έχουν απόδοση Τρανζίστορ ισχύος MOSFET ή IGBTειδικά σχεδιασμένα για λειτουργία σε μετατροπείς συχνότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτά τα τρανζίστορ συνδυάζονται σε ενότητες, οι οποίες γενικά βελτιώνουν την απόδοση ολόκληρης της δομής. Αυτά τα τρανζίστορ ελέγχονται χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα μικροκυκλώματα οδηγού. Σε ορισμένα μοντέλα, οι οδηγοί διατίθενται ενσωματωμένοι σε τρανζίστορ.

Επί του παρόντος, οι πιο κοινές μάρκες και τρανζίστορ είναι οι διεθνείς ανορθωτές. Στο περιγραφόμενο σχήμα, είναι πολύ πιθανό να χρησιμοποιηθούν οι οδηγοί IR2130 ή IR2132. Σε μία περίπτωση ενός τέτοιου τσιπ υπάρχουν έξι οδηγούς ταυτόχρονα: τρεις για το κατώτερο κλειδί και τρεις για το ανώτερο ένα, γεγονός που καθιστά εύκολη τη συναρμολόγηση μιας φάσης εξόδου τριών φάσεων. Εκτός από την κύρια λειτουργία, αυτοί οι οδηγοί περιέχουν επίσης αρκετές πρόσθετες, για παράδειγμα, προστασία από υπερφόρτωση και βραχυκύκλωμα. Λεπτομερέστερες πληροφορίες σχετικά με αυτούς τους οδηγούς μπορούν να βρεθούν στις τεχνικές περιγραφές του φύλλου δεδομένων για τις αντίστοιχες μάρκες.

Με όλα τα πλεονεκτήματα, το μόνο μειονέκτημα αυτών των μικροκυκλωμάτων είναι η υψηλή τιμή τους, οπότε ο συγγραφέας του σχεδιασμού πήγε με διαφορετικό, απλούστερο, φθηνότερο και ταυτόχρονα λειτουργικό τρόπο: τα εξειδικευμένα μικροκυκλώματα οδηγού αντικαταστάθηκαν από ενσωματωμένες μάρκες timer ΚΡ1006ΒΙ1 (NE555).

Κλειδιά εξόδου σε ενσωματωμένους χρονομετρητές

Αν επιστρέψουμε στο Σχήμα 6, μπορούμε να δούμε ότι το κύκλωμα έχει σήματα εξόδου για κάθε μία από τις τρεις φάσεις, που χαρακτηρίζονται ως "Η" και "Β". Η παρουσία αυτών των σημάτων επιτρέπει τον ξεχωριστό έλεγχο των επάνω και κάτω πλήκτρων. Αυτός ο διαχωρισμός σας επιτρέπει να δημιουργήσετε μια παύση μεταξύ της εναλλαγής των επάνω και κάτω πλήκτρων χρησιμοποιώντας τη μονάδα ελέγχου, αντί των ίδιων των κλειδιών, όπως φαίνεται στο διάγραμμα στο σχήμα 3.

Η διάταξη των πλήκτρων εξόδου χρησιμοποιώντας μικροκυκλώματα KR1006VI1 (NE555) φαίνεται στο σχήμα 9. Φυσικά, για έναν τριφασικό μετατροπέα, θα χρειαστούν τρία αντίγραφα αυτών των πλήκτρων.

Σχήμα 9

Ως οδηγοί των πλήκτρων άνω (VT1) και κατώτερου (VT2), χρησιμοποιούνται τα μικροκυκλώματα KR1006VI1, τα οποία περιλαμβάνονται σύμφωνα με το σχέδιο σκανδαλισμού Schmidt. Με τη βοήθειά τους, είναι δυνατόν να επιτευχθεί ένα ρεύμα πύλης παλμού τουλάχιστον 200 mA, το οποίο καθιστά δυνατή την επίτευξη ενός επαρκώς αξιόπιστου και γρήγορου ελέγχου των τρανζίστορ εξόδου.

Τα μάρκες των κάτω πλήκτρων DA2 έχουν γαλβανική επικοινωνία με την τροφοδοσία + 12V και, κατά συνέπεια, με τη μονάδα ελέγχου, ώστε να τροφοδοτούνται από αυτήν την πηγή. Οι μικροτσίπ των επάνω πλήκτρων μπορούν να τροφοδοτηθούν με τον ίδιο τρόπο που παρουσιάστηκε στο Σχήμα 3 χρησιμοποιώντας επιπρόσθετους ανορθωτές και ξεχωριστές περιελίξεις στον μετασχηματιστή. Αλλά σε αυτό το σχήμα, χρησιμοποιείται μια διαφορετική, λεγόμενη "ζωηρή" μέθοδος διατροφής, η έννοια της οποίας έχει ως εξής. Η μικροκυκλοφορία DA1 λαμβάνει ισχύ από τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή C1, η φόρτιση του οποίου πραγματοποιείται μέσω του κυκλώματος: + 12V, VD1, C1, ένα ανοικτό τρανζίστορ VT2 (μέσω των ηλεκτροδίων η πηγή είναι η πηγή), "κοινή".

Με άλλα λόγια, η φόρτιση στον πυκνωτή C1 συμβαίνει ενώ το κάτω τρανζίστορ κλειδιού είναι ανοιχτό. Αυτή τη στιγμή, ο πλησιέστερος ακροδέκτης του πυκνωτή C1 είναι σχεδόν βραχυκυκλωμένος στο κοινό καλώδιο (η αντίσταση του ανοιχτού τμήματος πηγής αποχέτευσης των ισχυρών τρανζίστορ πεδίου δράσης είναι χιλιοστά Ohm!), Πράγμα που καθιστά δυνατή τη φόρτιση του.

Με το τρανζίστορ VT2 κλειστό, η δίοδος VD1 θα κλείσει επίσης, η φόρτιση του πυκνωτή C1 θα σταματήσει μέχρι το επόμενο άνοιγμα του τρανζίστορ VT2.Αλλά η φόρτιση του πυκνωτή C1 επαρκεί για να τροφοδοτήσει το τσιπ DA1 ενώ το τρανζίστορ VT2 είναι κλειστό. Φυσικά, αυτή τη στιγμή, το τρανζίστορ του άνω πλήκτρου βρίσκεται στην κλειστή κατάσταση. Αυτό το σχέδιο των κλειδιών δύναμης αποδείχθηκε τόσο καλό που εφαρμόζεται χωρίς αλλαγές σε άλλα ερασιτεχνικά σχέδια.

Αυτό το άρθρο ασχολείται μόνο με τα απλούστερα σχήματα ερασιτεχνικών τριφασικών μετατροπέων σε μικροκυκλώματα μικρού και μεσαίου βαθμού ολοκλήρωσης, με τα οποία ξεκίνησαν όλα και όπου μπορείτε να εξετάσετε τα πάντα από μέσα χρησιμοποιώντας το κύκλωμα. Σχεδιάζονται πιο μοντέρνα σχέδια χρησιμοποιώντας μικροελεγκτές, πιο συχνά PIC σειρά, τα προγράμματα των οποίων έχουν επίσης επανειλημμένα δημοσιευθεί σε ραδιοφωνικά περιοδικά.

Οι μονάδες ελέγχου μικροελεγκτών σύμφωνα με το σχήμα είναι απλούστερες απ 'ότι σε μικροκυκλώματα μέσου βαθμού ολοκλήρωσης, έχουν τέτοιες απαραίτητες λειτουργίες όπως ομαλή εκκίνηση του κινητήρα, προστασία από υπερφόρτωση και βραχυκύκλωμα και μερικές άλλες. Σε αυτά τα μπλοκ, τα πάντα εφαρμόζονται σε βάρος των προγραμμάτων ελέγχου ή όπως ονομάζονται "firmware". Η μονάδα ελέγχου ενός τριφασικού μετατροπέα θα εξαρτηθεί ακριβώς από αυτά τα προγράμματα.

Αρκετά απλά κυκλώματα για τριφασικούς ελεγκτές αναστροφέων δημοσιεύονται στο περιοδικό Radio 2008 No. 12. Το άρθρο ονομάζεται "Κύριος ταλαντωτής για έναν τριφασικό αναστροφέα". Ο συντάκτης του άρθρου είναι επίσης ο συντάκτης μιας σειράς άρθρων για τους μικροελεγκτές και πολλά άλλα σχέδια. Το άρθρο παρουσιάζει δύο απλά κυκλώματα στους μικροελεγκτές PIC12F629 και PIC16F628.

Η συχνότητα περιστροφής και στα δύο σχήματα αλλάζει σταδιακά με τη βοήθεια μονοπολικών διακοπτών, κάτι που είναι αρκετό σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις. Υπάρχει επίσης ένας σύνδεσμος από τον οποίο μπορείτε να κατεβάσετε έτοιμο "firmware" και, επιπλέον, ένα ειδικό πρόγραμμα με το οποίο μπορείτε να αλλάξετε τις παραμέτρους του "firmware" κατά την κρίση σας. Είναι επίσης δυνατή η λειτουργία της λειτουργίας "demo" των γεννητριών. Σε αυτή τη λειτουργία, η συχνότητα της γεννήτριας μειώνεται κατά 32 φορές, γεγονός που επιτρέπει την οπτική χρήση των LED ώστε να παρακολουθείται η λειτουργία των γεννητριών. Παρέχει επίσης συστάσεις για τη σύνδεση της μονάδας ισχύος.

Αλλά εάν δεν θέλετε να συμμετάσχετε στον προγραμματισμό των μικροελεγκτών, η Motorola κυκλοφόρησε έναν εξειδικευμένο έξυπνο ελεγκτή MC3PHAC, σχεδιασμένο για τριφασικά συστήματα ελέγχου κινητήρα. Στη βάση του, είναι δυνατό να δημιουργηθούν φθηνά συστήματα ρυθμιζόμενου τριφασικού ηλεκτροκινητήρα που να περιέχουν όλες τις απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου και προστασίας. Αυτοί οι μικροελεγκτές χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε διάφορες οικιακές συσκευές, για παράδειγμα σε πλυντήρια πιάτων ή ψυγεία.

Ολοκληρωμένη με τον ελεγκτή MC3PHAC είναι δυνατή η χρήση μονάδων ισχύος εκτός του ράφι, για παράδειγμα το IRAMS10UP60A που αναπτύχθηκε από την International Rectifier. Τα δομοστοιχεία περιέχουν έξι διακόπτες ισχύος και ένα κύκλωμα ελέγχου. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με αυτά τα στοιχεία, ανατρέξτε στην τεκμηρίωση του φύλλου δεδομένων, το οποίο είναι εύκολο να βρεθεί στο διαδίκτυο.

Μπόρις Αλαντίσκιν