Amatööritaajuusmuuttajien järjestelmät

Yksi ensimmäisistä taajuusmuuttajapiireistä kolmivaihemoottorin virran saamiseksi julkaistiin Radiolehdessä nro 11 1999. Järjestelmän kehittäjä M. Mukhin oli tuolloin luokan 10 opiskelija ja harjoitti radiopiiriä.

Muunnin oli tarkoitettu syöttämään pienimuotoista kolmivaihemoottoria DID-5TA, jota käytettiin koneessa piirilevyjen poraamiseen. On huomattava, että tämän moottorin toimintataajuus on 400Hz ja syöttöjännite 27V. Lisäksi moottorin keskipiste (kun käämit kytketään “tähtiin”) todettiin mahdolliseksi piirin yksinkertaistamiseksi äärimmäisen helposti: se vaati vain kolme lähtösignaalia ja kukin vaihe tarvitsi vain yhden lähtöavaimen. Generaattoripiiri on esitetty kuvassa 1.

Kuten kaaviosta voidaan nähdä, muunnin koostuu kolmesta osasta: kolmivaiheisen sekvenssin pulssigeneraattori-generaattori DD1 ... DD3-mikropiireissä, kolme näppäintä komposiittitransistoreissa (VT1 ... VT6) ja itse sähkömoottori M1.

Kuvio 2 esittää generaattorigeneraattorin generoimien pulssien ajoituskaavioita. Pääoskillaattori tehdään DD1-sirulle. Vastuksella R2 voit asettaa halutun moottorin kierrosnopeuden ja muuttaa sitä tietyissä rajoissa. Tarkemmat tiedot piiristä löytyvät yllä olevasta lokista. On huomattava, että nykyaikaisen terminologian mukaan sellaisia ​​generaattoreita kutsutaan ohjaimiksi.

Kuvio 1

Kuva 2. Generaattoripulssien ajoituskaaviot.

Perustuu ohjaimeen A. Dubrovskyan, joka sijaitsee Novopolotskin kaupungista, Vitebskin alueelta. 220 V: n vaihtovirtalaitteella varustetun moottorin muuttuvan taajuuden taajuusmuuttajan suunnittelua kehitettiin. Piirikaavio julkaistiin Radio 2001 -lehdessä. Numero 4.

Tässä kaaviossa, käytännöllisesti katsoen muuttumattomana, käytetään juuri tarkistettua ohjainta M. Mukhinin kaavion mukaisesti. Elementtien DD3.2, DD3.3 ja DD3.4 lähtösignaaleja käytetään ohjaamaan lähtöavaimia A1, A2 ja A3, joihin sähkömoottori on kytketty. Kaavio näyttää avaimen A1, loput ovat identtisiä. Laitteen täydellinen kaavio on esitetty kuvassa 3.

Kuvio 3

Moottorin kytkeminen kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan ulostuloon

Tutustuaksesi moottorin kytkemiseen lähtöavaimiin kannattaa harkita yksinkertaistettua kaaviota, joka on esitetty kuvassa 4.

Kuvio 4

Kuvassa on moottori M, jota ohjataan näppäimillä V1 ... V6. Puolijohde-elementit mekaanisten koskettimien muodossa esitetyn piirin yksinkertaistamiseksi. Sähkömoottori saa voiman vakiojännitteellä Ud, joka saadaan tasasuuntaajasta (ei esitetty kuvassa). Tässä tapauksessa näppäimiä V1, V3, V5 kutsutaan ylempiksi ja näppäimiä V2, V4, V6 alemmiksi.

On aivan selvää, että ylemmän ja alemman näppäimen avaaminen samanaikaisesti, nimittäin parien V1 ja V6, V3 ja V6, V5 ja V2 kanssa, on täysin mahdotonta hyväksyä: tapahtuu oikosulku. Siksi tällaisen näppäinjärjestelmän normaalissa toiminnassa on välttämätöntä, että siihen mennessä, kun alempi näppäin avataan, ylempi näppäin on jo suljettu. Tätä varten ohjaimet muodostavat tauon, jota usein kutsutaan ”kuollut alueeksi”.

Tämän tauon suuruus on sellainen, että se varmistaa taatun tehotransistorien sulkemisen. Jos tämä tauko ei ole riittävä, on mahdollista avata hetkellisesti ylempi ja alempi näppäin samanaikaisesti. Tämä aiheuttaa lähtötransistorien kuumenemisen, mikä johtaa usein niiden vikaantumiseen. Tätä tilannetta kutsutaan virtojen kautta.

Palataanpa takaisin kuvan 3 piiriin. Tässä tapauksessa ylemmät kytkimet ovat transistoreita 1VT3 ja alemmat kytkimet 1VT6. On helppo nähdä, että alemmat näppäimet on kytketty galvaanisesti ohjauslaitteeseen ja keskenään.Siksi elementin DD3.2 ulostulosta 3 ohjaussignaali vastuksien 1R1 ja 1R3 kautta syötetään suoraan komposiittitransistorin 1VT4 ... 1VT5 kannalle. Tämä yhdistelmätransistori ei ole muuta kuin alemman näppäimen ohjain. Täsmälleen myös elementeistä DD3, DD4 ohjataan kanavien A2 ja A3 alemman näppäinohjaimen komposiittitransistoreita. Kaikilla kolmella kanavalla on virta samassa tasasuuntaajassa. diodisillalla VD2.

Galvaanisen kommunikaation ylemmillä näppäimillä yhteisen johtimen ja ohjauslaitteen kanssa ei sen vuoksi tarvitse ohjata niitä ohjaimen lisäksi komposiittitransistorissa 1VT1 ... 1VT2, jokaiselle kanavalle oli asennettava lisäoptoeristin 1U1. Tämän piirin lähtöoptotransistori suorittaa myös ylimääräisen vaihtosuuntaajan toiminnan: kun DD3.2-elementin lähtö 3 on korkea, yläkytkimen 1VT3 transistori on auki.

Jokaiselle ylä-avaimen ohjaimelle syötetään erillinen tasasuuntaaja 1VD1, 1C1. Jokainen tasasuuntaaja saa virtansa yksilöllisestä muuntajakäämityksestä, jota voidaan pitää piirin haittana.

Kondensaattori 1C2 tarjoaa avaimen kytkentäviiveen noin 100 mikrosekuntia, optoeristin 1U1 antaa saman määrän muodostaen siten edellä mainitun "kuollut alueen".

Riittääkö taajuuden säätely?

Kun syöttöjännitteen taajuus pienenee, moottorin käämien induktiivinen vastus laskee (muista vain induktiivisen resistanssin kaava), mikä johtaa käämien läpi kulkevan virran lisääntymiseen ja seurauksena käämien ylikuumenemiseen. Myös staattorin magneettinen piiri on kyllästetty. Näiden kielteisten seurausten välttämiseksi, kun taajuus laskee, moottorin käämien jännitteen efektiivistä arvoa on myös alennettava.

Yksi tapa ratkaista ongelma amatöörien chastotnikissa ehdotettiin säätelemään tätä tehokkainta arvoa LATR: n avulla, jonka liikuttavalla koskettimella oli mekaaninen yhteys taajuussäätimen muuttuvan vastuksen kanssa. Tätä menetelmää suositteli S. Kaluginin artikkelissa ”Kolmivaiheisten asynkronisten moottorien nopeussäätimen viimeistely”. Journal of Radio 2002, nro 3, s. 31.

Amatöörioloissa mekaaninen kokoonpano osoittautui monimutkaiseksi ja mikä tärkeintä, epäluotettavaksi. Yerevanista E. Muradkhanian ehdotti yksinkertaista ja luotettavaa tapaa muuntajan käyttämiseksi Jerevanista radiolehdessä nro 12 2004. Tämän laitteen kaavio esitetään kuvioissa 5 ja 6.

220 V: n verkkojännite syötetään automaattimuuntajaan T1 ja sen liikkuvasta koskettimesta tasasuuntaajasiltaan VD1 suodattimilla C1, L1, C2. Suodattimen ulostulossa saadaan muuttuva vakiojännite Ureg, jota käytetään itse moottorin virran syöttämiseen.

Kuvio 5

Jännite Ureg vastuksen R1 kautta syötetään myös isäntäoskillaattorille DA1, joka on valmistettu sirulle KR1006VI1 (tuotu versio) NE555). Tämän yhteyden tuloksena tavanomaisesta neliöaaltogeneraattorista tulee VCO (jänniteohjattu generaattori). Siksi, kun jännite Ureg kasvaa, myös generaattorin DA1 taajuus kasvaa, mikä johtaa moottorin kierrosnopeuden kasvuun. Kun jännite Ureg laskee, isäntäoskillaattorin taajuus pienenee myös suhteellisesti, mikä välttää käämien ylikuumenemisen ja staattorin magneettisen piirin ylikyllästymisen.

Kuvio 6

Samassa päiväkirjaartikkelissa kirjoittaja tarjoaa variantin isäntäoskillaattorista, jonka avulla voit päästä eroon autotransformerin käytöstä. Generaattoripiiri on esitetty kuvassa 7.

Kuvio 7

Generaattori on tehty DD3-sirun toiseen liipaisimeen, kaaviossa se on merkitty DD3.2. Taajuuden säätää kondensaattori C1, taajuutta ohjataan muuttuvalla vastuksella R2. Yhdessä taajuussäätimen kanssa myös pulssin kesto generaattorin ulostulossa muuttuu: taajuuden pienentyessä kesto pienenee, joten moottorin käämitysjännite laskee. Tätä ohjausperiaatetta kutsutaan pulssinleveyden modulaatioksi (PWM).

Tarkasteltavana olevassa amatööripiirissä moottorin teho on pieni, moottoria saa suorakulmaiset pulssit, joten PWM on melko primitiivinen. Itse asiassa teollisuuden taajuusmuuttajat suuritehoinen PWM on suunniteltu tuottamaan lähdössä melkein sinimuotoista jännitettä, kuten kuvassa 8 esitetään, ja toteuttamaan työtä erilaisilla kuormituksilla: vakion vääntömomentin, vakion tehon ja puhaltimen kuorman kanssa.

Kuva 8. PWM: llä varustetun kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan yhden vaiheen lähtöjännitteen muoto.

Piirin tehoosa

Nykyaikaisilla merkkituotteilla on lähtö MOSFET- tai IGBT-virtatransistoriterityisesti suunniteltu toimimaan taajuusmuuttajissa. Joissain tapauksissa nämä transistorit yhdistetään moduuleiksi, mikä yleensä parantaa koko rakenteen suorituskykyä. Näitä transistoreita ohjataan erikoistuneilla ohjainmikropiireillä. Joissakin malleissa ohjaimia on saatavana integroituna transistorimoduuleihin.

Tällä hetkellä yleisimmät sirut ja transistorit ovat International Rectifier. Kuvatussa kaaviossa on täysin mahdollista käyttää IR2130- tai IR2132-ohjaimia. Yhdessä tapauksessa tällaisessa sirussa on kuusi ohjainta kerralla: kolme alemmalle avaimelle ja kolme ylemmälle, mikä tekee kolmivaiheisen sillan lähtövaiheen kokoamisen helpoksi. Päätoiminnon lisäksi nämä ohjaimet sisältävät myös useita muita, esimerkiksi suojausta ylikuormituksilta ja oikosulkuilta. Tarkempia tietoja näistä ohjaimista löytyy vastaavien sirujen teknisistä kuvauksista.

Kaikilla eduilla näiden mikroskooppien ainoa haitta on niiden korkea hinta, joten suunnittelijan kirjoittaja meni erilaiseen, yksinkertaisempaan, halvempaan ja samalla toimivaan tapaan: erikoistuneet ohjainmikropiirit korvattiin integroiduilla ajastinpiireillä КР1006ВИ1 (NE555).

Integroitujen ajastimien lähtönäppäimet

Jos palaamme kuvaan 6, voimme nähdä, että piirissä on lähtösignaalit jokaiselle kolmelle vaiheelle, nimeltään “H” ja “B”. Näiden signaalien läsnäolo mahdollistaa ylemmän ja alemman näppäimen erillisen hallinnan. Tämän erottelun avulla voit luoda tauon ylemmän ja alemman näppäimen vaihtamisen välillä ohjausyksikön avulla itse avaimien sijasta, kuten kuvan 3 kaaviossa esitettiin.

Lähtöavaimien piiri, joka käyttää KR1006VI1 (NE555) -piiriä, on esitetty kuvassa 9. Kolmivaihemuuntimelle tarvitaan luonnollisesti kolme kopiota tällaisista avaimista.

Kuvio 9

Ylemmän (VT1) ja alemman (VT2) näppäimen ohjaimina käytetään KR1006VI1-mikropiirejä, jotka sisältyvät Schmidtin liipaisujärjestelmään. Niiden avulla on mahdollista saada aikaan vähintään 200 mA pulssiporttivirta, mikä mahdollistaa ulostransistorien riittävän luotettavan ja nopean ohjauksen.

Alempien näppäinten DA2 siruilla on galvaaninen yhteys + 12 V: n virtalähteeseen ja vastaavasti ohjausyksikköön, joten ne saavat virtaa tästä lähteestä. Ylänäppäimien mikrosiruille voidaan saada virta samalla tavalla kuin kuvassa 3 esitettiin käyttämällä lisäsuuntaajia ja erillisiä käämejä muuntajassa. Mutta tässä järjestelmässä käytetään erilaista, ns. ”Reipasta” ravitsemustapaa, jonka merkitys on seuraava. DA1-mikropiiri saa virtaa elektrolyyttikondensaattorilta C1, jonka varaus tapahtuu piirin kautta: + 12 V, VD1, C1, avoin transistori VT2 (elektrodien kautta virta on lähde), “yhteinen”.

Toisin sanoen kondensaattorin C1 varaus tapahtuu alemman avaintransistorin ollessa auki. Tällä hetkellä kondensaattorin C1 miinusnapa on melkein oikosuljettu yhteiseen johtimeen (voimakkaiden kenttätehokkaiden transistorien avoimen tyhjennys - lähdeosan vastus on tuhatosaa Ohmista!), Mikä mahdollistaa sen lataamisen.

Transistorin VT2 ollessa suljettuna myös diodi VD1 sulkeutuu, kondensaattorin C1 varaus pysähtyy transistorin VT2 seuraavaan aukkoon saakka.Mutta kondensaattorin C1 varaus on riittävä DA1-sirun syöttämiseen transistorin VT2 ollessa kiinni. Luonnollisesti tällä hetkellä ylemmän näppäimen transistori on suljetussa tilassa. Tämä virtapainikkeiden järjestelmä osoittautui niin hyväksi, että sitä käytetään ilman muutoksia muissa amatöörirakenteissa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan vain amatöörien kolmivaiheisten vaihtosuuntaajien yksinkertaisimpia järjestelmiä, joiden mikropiirit ovat pieniä ja keskisuuria integroituneita, joiden kanssa kaikki alkoi ja joissa voit jopa harkita kaikkea sisältäpäin piirin avulla. Valmistetaan moderneja malleja käyttämällä mikro-ohjaimia, useimmiten PIC-sarjoja, joiden järjestelmiä on myös toistuvasti julkaistu Radiolehdissä.

Kaavion mukaiset mikrokontrolleriohjausyksiköt ovat yksinkertaisempia kuin keskipitkällä integraatiolla varustetuissa mikropiireissä, niillä on tarvittavat toiminnot kuten moottorin tasainen käynnistys, suoja ylikuormituksilta ja oikosulkuilta sekä joillakin muilla. Näissä lohkoissa kaikki toteutetaan ohjausohjelmien kustannuksella tai kuten niitä kutsutaan ”laiteohjelmaksi”. Kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan ohjausyksikkö riippuu tarkalleen näistä ohjelmista.

Melko yksinkertaiset piirit kolmivaiheisiin invertteriohjaimiin julkaistaan ​​Radio 2008 -lehdessä nro 12. Artikkelin nimi on "kolmivaiheisen taajuusmuuttajan pääoskillaattori". Artikkelin kirjoittaja on myös kirjoittanut sarjan artikkeleita mikrokontrollereista ja monista muista malleista. Artikkelissa esitellään kaksi yksinkertaista piiriä mikro-ohjaimissa PIC12F629 ja PIC16F628.

Kiertotaajuutta muutetaan molemmissa järjestelmissä vaiheittain yksinapaisten kytkimien avulla, mikä on riittävän monissa käytännöllisissä tapauksissa. Siellä on myös linkki, josta voit ladata valmiita "laiteohjelmistoja", ja lisäksi erityinen ohjelma, jolla voit muuttaa "laiteohjelmiston" parametreja harkintasi mukaan. On myös mahdollista käyttää generaattoritilaa "demo". Tässä tilassa generaattorin taajuus pienenee 32 kertaa, mikä mahdollistaa visuaalisesti ledien käytön seuraamalla generaattorien toimintaa. Se tarjoaa myös suosituksia voimayksikön kytkemiseksi.

Mutta jos et halua osallistua mikrokontrolleriohjelmointiin, Motorola on julkaissut erikoistetun älykkään ohjaimen MC3PHAC, joka on suunniteltu 3-vaiheisiin moottorin ohjausjärjestelmiin. Sen perusteella on mahdollista luoda edullisia järjestelmiä säädettävään kolmivaiheiseen käyttölaitteeseen, joka sisältää kaikki ohjaukseen ja suojaukseen tarvittavat toiminnot. Tällaisia ​​mikro-ohjaimia käytetään yhä enemmän erilaisissa kodinkoneissa, esimerkiksi astianpesukoneissa tai jääkaappeissa.

MC3PHAC-ohjaimella varustettuna on mahdollista käyttää hyllyssä olevia virtamoduuleja, esimerkiksi International Rectifierin kehittämää IRAMS10UP60A. Moduulit sisältävät kuusi virtakytkintä ja ohjauspiirin. Lisätietoja näistä elementeistä on niiden käyttöohjeissa, jotka on helppo löytää Internetistä.

Boris Aladyshkin