Esquemas de convertidores de frecuencia aficionados

Uno de los primeros circuitos inversores para alimentar un motor trifásico se publicó en la revista Radio No. 11 de 1999. El desarrollador del esquema M. Mukhin en ese momento era un estudiante de grado 10 y estaba involucrado en un círculo de radio.

El convertidor estaba destinado a alimentar el motor trifásico en miniatura DID-5TA, que se usaba en la máquina para perforar placas de circuito impreso. Cabe señalar que la frecuencia de funcionamiento de este motor es de 400Hz, y el voltaje de suministro es de 27V. Además, se destacó el punto medio del motor (al conectar los devanados con una "estrella"), lo que permitió simplificar extremadamente el circuito: solo tomó tres señales de salida, y cada fase requirió solo una tecla de salida. El circuito generador se muestra en la Figura 1.

Como puede verse en el diagrama, el convertidor consta de tres partes: un generador de impulsos de secuencia trifásica en microcircuitos DD1 ... DD3, tres teclas en transistores compuestos (VT1 ... VT6) y el motor eléctrico real M1.

La figura 2 muestra los diagramas de temporización de pulsos generados por el generador generador. El oscilador maestro está hecho en el chip DD1. Usando la resistencia R2, puede establecer la velocidad deseada del motor, así como cambiarla dentro de ciertos límites. Se puede encontrar información más detallada sobre el circuito en el registro anterior. Cabe señalar que, según la terminología moderna, estos generadores se denominan controladores.

Figura 1

Figura 2. Diagramas de tiempo de los pulsos del generador.

Basado en el controlador A. Dubrovsky de la ciudad de Novopolotsk, región de Vitebsk. Se desarrolló el diseño de un variador de frecuencia para un motor alimentado por 220V AC. El diagrama del circuito fue publicado en la revista Radio 2001. Numero 4.

En este esquema, prácticamente sin cambios, el controlador recién revisado se usa de acuerdo con el esquema de M. Mukhin. Las señales de salida de los elementos DD3.2, DD3.3 y DD3.4 se utilizan para controlar las teclas de salida A1, A2 y A3, a las que está conectado el motor eléctrico. El diagrama muestra la clave A1, el resto son idénticos. Un diagrama completo del dispositivo se muestra en la Figura 3.

Figura 3

Conexión del motor a la salida de un inversor trifásico

Para familiarizarse con la conexión del motor a las teclas de salida, vale la pena considerar un diagrama simplificado que se muestra en la Figura 4.

Figura 4

La figura muestra el motor M, controlado por las teclas V1 ... V6. Elementos semiconductores para simplificar el circuito mostrado en forma de contactos mecánicos. El motor eléctrico funciona con un voltaje constante Ud obtenido del rectificador (no se muestra en la figura). En este caso, las teclas V1, V3, V5 se denominan superiores y las teclas V2, V4, V6 inferiores.

Es bastante obvio que la apertura de las teclas superior e inferior al mismo tiempo, es decir, con los pares V1 y V6, V3 y V6, V5 y V2, es completamente inaceptable: se producirá un cortocircuito. Por lo tanto, para el funcionamiento normal de un esquema de teclas de este tipo, es imprescindible que para cuando se abra la tecla inferior, la tecla superior ya se haya cerrado. Con este fin, los controladores forman una pausa, a menudo denominada "zona muerta".

La magnitud de esta pausa es tal que garantiza el cierre garantizado de los transistores de potencia. Si esta pausa es insuficiente, es posible abrir brevemente las teclas superior e inferior al mismo tiempo. Esto hace que los transistores de salida se calienten, lo que a menudo conduce a su falla. Esta situación se llama a través de las corrientes.

Volvamos al circuito que se muestra en la Figura 3. En este caso, los interruptores superiores son transistores 1VT3 y los inferiores 1VT6. Es fácil ver que las teclas inferiores están conectadas galvánicamente al dispositivo de control y entre ellas.Por lo tanto, la señal de control de la salida 3 del elemento DD3.2 a través de las resistencias 1R1 y 1R3 se alimenta directamente a la base del transistor compuesto 1VT4 ... 1VT5. Este transistor compuesto no es más que un controlador de clave inferior. Exactamente también a partir de los elementos DD3, DD4, se controlan los transistores compuestos del controlador de clave inferior de los canales A2 y A3. Los tres canales están alimentados por el mismo rectificador. en el puente de diodos VD2.

Las teclas superiores de comunicación galvánica con un cable común y dispositivo de control no tienen, por lo tanto, que controlarlas, además del controlador, en un transistor compuesto 1VT1 ... 1VT2, se tuvo que instalar un optoacoplador adicional 1U1 en cada canal. El transistor optoacoplador de salida en este circuito también realiza la función de un inversor adicional: cuando la salida 3 del elemento DD3.2 es de alto nivel, el transistor del interruptor superior 1VT3 está abierto.

Se utiliza un rectificador separado 1VD1, 1C1 para alimentar cada controlador de tecla superior. Cada rectificador está alimentado por un devanado de transformador individual, que puede considerarse como un inconveniente del circuito.

El condensador 1C2 proporciona un retardo de conmutación de teclas de aproximadamente 100 microsegundos, el optoacoplador 1U1 proporciona la misma cantidad, formando así la "zona muerta" mencionada anteriormente.

¿Es suficiente la regulación de frecuencia?

Con una disminución en la frecuencia de la tensión alterna de suministro, la resistencia inductiva de los devanados del motor cae (solo recuerde la fórmula de resistencia inductiva), lo que conduce a un aumento de la corriente a través de los devanados y, como resultado, al sobrecalentamiento de los devanados. Además, el circuito magnético del estator está saturado. Para evitar estas consecuencias negativas, cuando la frecuencia disminuye, el valor efectivo del voltaje en los bobinados del motor también debe reducirse.

Se propuso una forma de resolver el problema en los chastotniks aficionados para regular este valor más efectivo con la ayuda de LATR, cuyo contacto móvil tenía una conexión mecánica con una resistencia variable del regulador de frecuencia. Este método fue recomendado en el artículo de S. Kalugin, "Finalización del controlador de velocidad de motores asíncronos trifásicos". Journal of Radio 2002, No. 3, p. 31.

En condiciones de aficionado, el ensamblaje mecánico resultó ser complejo y, lo más importante, poco confiable. E. Muradkhanian, de Ereván, de la revista Radio No. 12 2004, propuso una forma más simple y confiable de usar un autotransformador. En las Figuras 5 y 6 se muestra un diagrama de este dispositivo.

La tensión de red de 220V se suministra al autotransformador T1, y desde su contacto móvil al puente rectificador VD1 con un filtro C1, L1, C2. En la salida del filtro, se obtiene un voltaje constante variable Ureg, que se utiliza para alimentar el motor.

Figura 5

El voltaje Ureg a través de la resistencia R1 también se suministra al oscilador maestro DA1, realizado en el chip KR1006VI1 (versión importada NE555) Como resultado de esta conexión, un generador de onda cuadrada convencional se convierte en un VCO (generador controlado por voltaje). Por lo tanto, con un aumento en el voltaje Ureg, la frecuencia del generador DA1 también aumenta, lo que conduce a un aumento en la velocidad del motor. Con una disminución en el voltaje Ureg, la frecuencia del oscilador maestro también disminuye proporcionalmente, lo que evita el sobrecalentamiento de los devanados y la sobresaturación del circuito magnético del estator.

Figura 6

En el mismo artículo de la revista, el autor ofrece una variante del oscilador maestro, que le permite deshacerse del uso de un autotransformador. El circuito generador se muestra en la Figura 7.

Figura 7

El generador se realiza en el segundo disparador del chip DD3, en el diagrama se designa como DD3.2. La frecuencia es establecida por el condensador C1, la frecuencia es controlada por una resistencia variable R2. Junto con el control de frecuencia, la duración del pulso en la salida del generador también cambia: al disminuir la frecuencia, la duración disminuye, por lo que el voltaje en los devanados del motor cae. Este principio de control se llama modulación de ancho de pulso (PWM).

En el circuito amateur en consideración, la potencia del motor es pequeña, el motor funciona con pulsos rectangulares, por lo que el PWM es bastante primitivo. En real convertidores de frecuencia industrial El PWM de alta potencia está diseñado para generar voltaje casi sinusoidal en la salida, como se muestra en la Figura 8, y para implementar el trabajo con varias cargas: a par constante, a potencia constante y a carga del ventilador.

Figura 8. La forma del voltaje de salida de una fase de un inversor trifásico con PWM.

Parte del poder del circuito

Los chastotniks modernos de marca tienen una salida Transistores de potencia MOSFET o IGBTespecialmente diseñado para operar en convertidores de frecuencia. En algunos casos, estos transistores se combinan en módulos, lo que generalmente mejora el rendimiento de toda la estructura. Estos transistores se controlan mediante microcircuitos controladores especializados. En algunos modelos, los controladores están disponibles integrados en los módulos de transistores.

Actualmente, los chips y transistores más comunes son International Rectifier. En el esquema descrito, es bastante posible utilizar los controladores IR2130 o IR2132. En un caso de un chip de este tipo, hay seis controladores a la vez: tres para la clave inferior y tres para la superior, lo que facilita el montaje de una etapa de salida del puente trifásico. Además de la función principal, estos controladores también contienen varios adicionales, por ejemplo, protección contra sobrecargas y cortocircuitos. Se puede encontrar información más detallada sobre estos controladores en las descripciones técnicas de la hoja de datos para los chips respectivos.

Con todas las ventajas, el único inconveniente de estos microcircuitos es su alto precio, por lo que el autor de la construcción fue de una manera diferente, más simple, más barata y al mismo tiempo viable: los microcircuitos controladores especializados fueron reemplazados por chips temporizadores integrados KR1006VI1 (NE555).

Teclas de salida en temporizadores integrados

Si volvemos a la Figura 6, podemos ver que el circuito tiene señales de salida para cada una de las tres fases, designadas como "H" y "B". La presencia de estas señales permite un control separado de las teclas superior e inferior. Esta separación le permite crear una pausa entre el cambio de las teclas superior e inferior utilizando la unidad de control, en lugar de las teclas en sí, como se muestra en el diagrama de la Figura 3.

El circuito de las teclas de salida usando los microcircuitos KR1006VI1 (NE555) se muestra en la Figura 9. Naturalmente, para un convertidor trifásico, se necesitan tres copias de dichas teclas.

Figura 9

Como controladores de las teclas superior (VT1) e inferior (VT2), se utilizan los microcircuitos KR1006VI1, que se incluyen según el esquema de activación de Schmidt. Con su ayuda, es posible obtener una corriente de compuerta de pulso de al menos 200 mA, lo que permite obtener un control suficientemente confiable y rápido de los transistores de salida.

Los chips de las teclas inferiores DA2 tienen conexión galvánica con la fuente de alimentación de +12 V y, en consecuencia, con la unidad de control, por lo que se alimentan de esta fuente. Los microchips de las teclas superiores se pueden alimentar de la misma manera que se muestra en la Figura 3 utilizando rectificadores adicionales y bobinados separados en el transformador. Pero en este esquema, se usa un método de nutrición diferente, llamado "enérgico", cuyo significado es el siguiente. El microcircuito DA1 recibe energía del condensador electrolítico C1, cuya carga se produce a través del circuito: + 12V, VD1, C1, un transistor abierto VT2 (a través de los electrodos, el drenaje es la fuente), "común".

En otras palabras, la carga en el condensador C1 ocurre mientras el transistor de llave inferior está abierto. En este momento, el terminal negativo del condensador C1 está casi en cortocircuito al cable común (la resistencia de la sección de drenaje abierto - fuente de los potentes transistores de efecto de campo es milésimas de ohmios), lo que hace posible cargarlo.

Con el transistor VT2 cerrado, el diodo VD1 también se cerrará, la carga del condensador C1 se detendrá hasta la próxima apertura del transistor VT2.Pero la carga del condensador C1 es suficiente para alimentar el chip DA1 mientras el transistor VT2 está cerrado. Naturalmente, en este momento, el transistor de la tecla superior está en el estado cerrado. Este esquema de teclas de encendido resultó ser tan bueno que se aplica sin cambios en otros diseños de aficionados.

Este artículo analiza solo los esquemas más simples de inversores trifásicos aficionados en microcircuitos de pequeño y mediano grado de integración, con los que todo comenzó, y donde incluso puede considerar todo desde el interior utilizando el circuito. Se hacen diseños más modernos. utilizando microcontroladores, con mayor frecuencia series PIC, cuyos esquemas también se han publicado repetidamente en revistas de radio.

Las unidades de control de microcontroladores según el esquema son más simples que en microcircuitos de grado medio de integración, tienen funciones necesarias como: arranque suave del motor, protección contra sobrecargas y cortocircuitos y algunos otros. En estos bloques, todo se implementa a expensas de los programas de control o como se llaman "firmware". La unidad de control de un inversor trifásico dependerá precisamente de estos programas.

Se publican circuitos bastante simples para controladores de inversor trifásico en la revista Radio 2008 No. 12. El artículo se llama "El oscilador maestro para un inversor trifásico". El autor del artículo es también el autor de una serie de artículos sobre microcontroladores y muchos otros diseños. El artículo presenta dos circuitos simples en microcontroladores PIC12F629 y PIC16F628.

La frecuencia de rotación en ambos esquemas se cambia paso a paso con la ayuda de interruptores unipolares, lo cual es suficiente en muchos casos prácticos. También hay un enlace donde puede descargar el "firmware" listo para usar, y, además, un programa especial con el que puede cambiar los parámetros del "firmware" a su discreción. También es posible el funcionamiento del modo generador "demo". En este modo, la frecuencia del generador se reduce 32 veces, lo que permite utilizar visualmente los LED para observar el funcionamiento de los generadores. También proporciona recomendaciones para conectar la unidad de potencia.

Pero, si no desea participar en la programación de microcontroladores, Motorola ha lanzado un controlador inteligente especializado MC3PHAC, diseñado para sistemas de control de motores trifásicos. Sobre esta base, es posible crear sistemas económicos de un variador trifásico ajustable que contenga todas las funciones necesarias para el control y la protección. Tales microcontroladores se utilizan cada vez más en diversos electrodomésticos, por ejemplo, en lavavajillas o refrigeradores.

Completo con el controlador MC3PHAC, es posible utilizar módulos de potencia listos para usar, por ejemplo IRAMS10UP60A desarrollado por International Rectifier. Los módulos contienen seis interruptores de potencia y un circuito de control. Para obtener más detalles sobre estos elementos, consulte la documentación de su Hoja de datos, que es fácil de encontrar en Internet.

Boris Aladyshkin