Regelingen van amateur-frequentieomzetters

Een van de eerste convertorcircuits voor het aandrijven van een driefasige motor werd gepubliceerd in Radio Magazine nr. 11 van 1999. Scheme ontwikkelaar M. Mukhin was in die tijd een student van klas 10 en was bezig met een radiocirkel.

De converter was bedoeld om de miniatuur driefasemotor DID-5TA aan te drijven, die in de machine werd gebruikt voor het boren van printplaten. Opgemerkt moet worden dat de werkfrequentie van deze motor 400Hz is en de voedingsspanning 27V is. Bovendien werd het middelpunt van de motor (bij het verbinden van de wikkelingen met een "ster") naar voren gebracht, waardoor het circuit extreem kon worden vereenvoudigd: er waren slechts drie uitgangssignalen nodig en voor elke fase was slechts één uitgangssleutel vereist. Het generatorcircuit is weergegeven in figuur 1.

Zoals u in het diagram kunt zien, bestaat de omzetter uit drie delen: een driefasige reeks pulsgenerator-generator op DD1 ... DD3-microschakelingen, drie toetsen op composiet transistors (VT1 ... VT6) en de elektromotor M1 zelf.

Figuur 2 toont de tijddiagrammen van pulsen gegenereerd door de generatorgenerator. De master-oscillator is gemaakt op de DD1-chip. Met weerstand R2 kunt u het gewenste motortoerental instellen en dit binnen bepaalde grenzen wijzigen. Meer gedetailleerde informatie over het circuit vindt u in het bovenstaande logboek. Opgemerkt moet worden dat dergelijke generatoren volgens de moderne terminologie controllers worden genoemd.

Figuur 1

Figuur 2. Tijddiagrammen van de generatorpulsen.

Gebaseerd op de controller A. Dubrovsky uit de stad Novopolotsk, regio Vitebsk. Het ontwerp van een frequentieregelaar voor een motor aangedreven door 220V AC werd ontwikkeld. Het schakelschema is gepubliceerd in het tijdschrift Radio 2001. Nummer 4

In dit schema, vrijwel ongewijzigd, wordt de zojuist beoordeelde controller gebruikt volgens het schema van M. Mukhin. De uitgangssignalen van de elementen DD3.2, DD3.3 en DD3.4 worden gebruikt om de uitgangstoetsen A1, A2 en A3 te bedienen, waarop de elektromotor is aangesloten. Het diagram toont de sleutel A1, de rest is identiek. Een volledig diagram van het apparaat is weergegeven in figuur 3.

Figuur 3

Motor aansluiten op de uitgang van een driefasige omvormer

Om vertrouwd te raken met de aansluiting van de motor op de uitgangstoetsen, is het de moeite waard om een ​​vereenvoudigd diagram te overwegen dat wordt weergegeven in figuur 4.

Figuur 4

De afbeelding toont de motor M, bestuurd door de toetsen V1 ... V6. Halfgeleiderelementen om het weergegeven circuit in de vorm van mechanische contacten te vereenvoudigen. De elektromotor wordt aangedreven door een constante spanning Ud verkregen uit de gelijkrichter (niet weergegeven in de afbeelding). In dit geval worden de toetsen V1, V3, V5 bovenste genoemd en de toetsen V2, V4, V6 lager.

Het is vrij duidelijk dat het tegelijkertijd openen van de bovenste en onderste toetsen, namelijk met de paren V1 & V6, V3 & V6, V5 & V2, volkomen onaanvaardbaar is: een kortsluiting zal optreden. Daarom is het voor de normale werking van een dergelijk toetsschema noodzakelijk dat tegen de tijd dat de onderste sleutel wordt geopend, de bovenste sleutel al is gesloten. Hiertoe vormen de controllers een pauze, vaak een "dode zone" genoemd.

De omvang van deze pauze is zodanig dat een gegarandeerde sluiting van vermogenstransistors wordt gewaarborgd. Als deze pauze onvoldoende is, is het mogelijk om tegelijkertijd de bovenste en onderste toetsen kort te openen. Dit veroorzaakt dat de uitgangstransistors verhitten, wat vaak leidt tot hun falen. Deze situatie wordt door stromingen genoemd.

Laten we terugkeren naar het circuit dat wordt weergegeven in figuur 3. In dit geval zijn de bovenste schakelaars transistoren 1VT3 en de onderste 1VT6. Het is gemakkelijk te zien dat de onderste toetsen galvanisch zijn verbonden met het bedieningsapparaat en onderling.Daarom wordt het stuursignaal van de uitgang 3 van het element DD3.2 via de weerstanden 1R1 en 1R3 rechtstreeks aan de basis van de samengestelde transistor 1VT4 ... 1VT5 toegevoerd. Deze composiet transistor is niets anders dan een lagere key driver. Precies ook uit de elementen DD3, DD4 worden de samengestelde transistors van de lagere belangrijke driver van kanalen A2 en A3 bestuurd. Alle drie kanalen worden gevoed door dezelfde gelijkrichter. op de diodebrug VD2.

De bovenste toetsen van galvanische communicatie met een gemeenschappelijke draad en besturingsapparaat hoeven daarom niet, naast de driver, op een composiet transistor 1VT1 ... 1VT2 te worden geïnstalleerd, een extra optocoupler 1U1 moest in elk kanaal worden geïnstalleerd. De uitgangsoptocoupler-transistor in dit circuit vervult ook de functie van een extra omvormer: wanneer de uitgang 3 van het DD3.2-element een hoog niveau heeft, is de transistor van de bovenste schakelaar 1VT3 open.

Een afzonderlijke gelijkrichter 1VD1, 1C1 wordt gebruikt om elke top-key driver van stroom te voorzien. Elke gelijkrichter wordt aangedreven door een individuele transformatorwikkeling, die kan worden beschouwd als een nadeel van het circuit.

De condensator 1C2 levert een sleutelschakelvertraging van ongeveer 100 microseconden, de optocoupler 1U1 geeft dezelfde hoeveelheid, waardoor de bovengenoemde "dode zone" wordt gevormd.

Is frequentieregulatie voldoende?

Met een afname van de frequentie van de voedingswisselspanning daalt de inductieve weerstand van de motorwikkelingen (onthoud de formule voor inductieve weerstand), wat leidt tot een toename van de stroom door de wikkelingen en, als gevolg, oververhitting van de wikkelingen. Ook is het magnetische statorcircuit verzadigd. Om deze negatieve gevolgen te voorkomen, moet de effectieve waarde van de spanning op de motorwikkelingen ook worden verlaagd als de frequentie afneemt.

Een manier om het probleem bij amateur-chastotniks op te lossen werd voorgesteld om deze meest effectieve waarde te regelen met behulp van LATR, waarvan het beweegbare contact een mechanische verbinding had met een variabele weerstand van de frequentieregelaar. Deze methode werd aanbevolen in het artikel van S. Kalugin, "Afronding van de snelheidsregelaar van driefasige asynchrone motoren". Journal of Radio 2002, nr. 3, p.31.

In amateur-omstandigheden bleek de mechanische assemblage complex en vooral onbetrouwbaar. Een eenvoudigere en betrouwbaardere manier om een ​​autotransformator te gebruiken werd voorgesteld door E. Muradkhanian van Yerevan in Radio magazine nr. 12 2004. Een diagram van dit apparaat wordt getoond in de figuren 5 en 6.

De netspanning van 220 V wordt geleverd aan de autotransformator T1, en van zijn beweegbare contact aan de gelijkrichtbrug VD1 met een filter C1, L1, C2. Aan de filteruitgang wordt een variabele constante spanning Ureg verkregen, die wordt gebruikt om de motor zelf te voeden.

Figuur 5

De spanning Ureg door de weerstand R1 wordt ook geleverd aan de masteroscillator DA1, gemaakt op de chip KR1006VI1 (geïmporteerde versie NE555). Als gevolg van deze verbinding verandert een conventionele blokgolfgenerator in een VCO (spanningsgestuurde generator). Daarom neemt bij een toename van de spanning Ureg de generatorfrequentie DA1 ook toe, wat leidt tot een toename van het motortoerental. Met afnemende spanning Ureg neemt de frequentie van de hoofdoscillator ook evenredig af, wat oververhitting van de wikkelingen en de oververzadiging van het magnetische statorketen vermijdt.

Figuur 6

In hetzelfde tijdschriftartikel biedt de auteur een variant van de master-oscillator, waarmee u zich kunt ontdoen van het gebruik van een autotransformator. Het generatorcircuit is weergegeven in figuur 7.

Figuur 7

De generator wordt gemaakt op de tweede trigger van de DD3-chip, in het diagram wordt deze aangeduid als DD3.2. De frequentie wordt ingesteld door condensator C1, de frequentie wordt geregeld door een variabele weerstand R2. Samen met de frequentieregeling verandert ook de pulsduur op de generatoruitgang: wanneer de frequentie wordt verlaagd, neemt de duur af, waardoor de spanning op de motorwikkelingen daalt. Dit besturingsprincipe wordt pulsbreedtemodulatie (PWM) genoemd.

In het betreffende amateurcircuit is het motorvermogen klein, wordt de motor aangedreven door rechthoekige pulsen, dus de PWM is vrij primitief. In het echt industriële frequentieomvormers PWM met hoog vermogen is ontworpen om bijna sinusvormige spanning aan de uitgang te genereren, zoals weergegeven in figuur 8, en om werkzaamheden met verschillende belastingen uit te voeren: bij constant koppel, bij constant vermogen en bij ventilatorbelasting.

Figuur 8. De vorm van de uitgangsspanning van een fase van een driefasige omvormer met PWM.

Machtsdeel van het circuit

Moderne chastotniks hebben een output MOSFET of IGBT-vermogenstransistorsspeciaal ontworpen voor gebruik in frequentieomvormers. In sommige gevallen worden deze transistoren gecombineerd tot modules, wat in het algemeen de prestaties van de gehele structuur verbetert. Deze transistors worden bestuurd met behulp van gespecialiseerde stuurmicrocircuits. In sommige modellen zijn stuurprogramma's beschikbaar die zijn geïntegreerd in transistormodules.

Momenteel zijn de meest voorkomende chips en transistors International Rectifier. In het beschreven schema is het heel goed mogelijk om de IR2130- of IR2132-stuurprogramma's te gebruiken. In één geval van een dergelijke chip zijn er zes stuurprogramma's tegelijk: drie voor de onderste toets en drie voor de bovenste, waardoor het eenvoudig is om een ​​driefasige bruguitgangstrap samen te stellen. Naast de hoofdfunctie bevatten deze stuurprogramma's ook een aantal extra, bijvoorbeeld bescherming tegen overbelasting en kortsluiting. Meer gedetailleerde informatie over deze stuurprogramma's is te vinden in de technische beschrijvingen van de gegevensbladen voor de respectieve chips.

Met alle voordelen, het enige nadeel van deze microschakelingen is hun hoge prijs, dus de auteur van het ontwerp ging een andere, eenvoudiger, goedkoper en tegelijkertijd werkbare manier: gespecialiseerde stuurmicrocircuits werden vervangen door geïntegreerde timerchips КР1006ВИ1 (NE555).

Uitgangstoetsen op geïntegreerde timers

Als we terugkeren naar figuur 6, kunnen we zien dat het circuit uitgangssignalen heeft voor elk van de drie fasen, aangeduid als "H" en "B". De aanwezigheid van deze signalen maakt afzonderlijke bediening van de bovenste en onderste toetsen mogelijk. Met deze scheiding kunt u een pauze creëren tussen het schakelen van de bovenste en onderste toetsen met behulp van de besturingseenheid, in plaats van de toetsen zelf, zoals getoond in het diagram in figuur 3.

De lay-out van de uitgangstoetsen die KR1006VI1 (NE555) -microcircuits gebruiken, wordt weergegeven in figuur 9. Uiteraard zijn voor een driefasige converter drie exemplaren van dergelijke toetsen nodig.

Figuur 9

Als stuurprogramma's voor de bovenste (VT1) en onderste (VT2) toetsen worden de KR1006VI1-microschakelingen gebruikt, die zijn opgenomen volgens het Schmidt-triggerschema. Met hun hulp is het mogelijk om een ​​pulspoortstroom van ten minste 200 mA te verkrijgen, wat het mogelijk maakt om een ​​voldoende betrouwbare en snelle regeling van de uitgangstransistors te verkrijgen.

Chips van de onderste toetsen DA2 hebben galvanische communicatie met de + 12V voeding en, dienovereenkomstig, met de controle-eenheid, dus ze worden gevoed vanaf deze bron. De microchips van de bovenste toetsen kunnen op dezelfde manier worden gevoed als in Afbeelding 3, met behulp van extra gelijkrichters en afzonderlijke wikkelingen op de transformator. Maar in dit schema wordt een andere, zogenaamde 'stevige' voedingsmethode gebruikt, waarvan de betekenis als volgt is. De DA1-microschakeling ontvangt stroom van de elektrolytische condensator C1, waarvan de lading plaatsvindt via het circuit: + 12V, VD1, C1, een open transistor VT2 (via de elektroden is de afvoer de bron), 'gemeenschappelijk'.

Met andere woorden, de lading op condensator Cl treedt op terwijl de onderste sleuteltransistor open is. Op dit moment is de minpool van de condensator C1 bijna kortgesloten naar de gemeenschappelijke draad (de weerstand van de open afvoer - bronsectie van krachtige veldeffecttransistors is duizendsten van Ohm!), Waardoor het mogelijk is om deze op te laden.

Met de transistor VT2 gesloten, zal de diode VD1 ook sluiten, de lading van de condensator C1 zal stoppen tot de volgende opening van de transistor VT2.Maar de lading van condensator C1 is voldoende om de DA1-chip te voeden terwijl de transistor VT2 gesloten is. Natuurlijk bevindt de transistor van de bovenste toets zich op dit moment in de gesloten toestand. Dit schema van aan / uit-toetsen bleek zo goed te zijn dat het zonder wijzigingen in andere amateurontwerpen wordt toegepast.

Dit artikel bespreekt alleen de eenvoudigste schema's van amateur driefasige omvormers op microcircuits van kleine en middelgrote mate van integratie, waarmee het allemaal begon, en waar u zelfs alles van binnenuit kunt overwegen met behulp van het circuit. Er worden meer moderne ontwerpen gemaakt met behulp van microcontrollers, meestal PIC-seriewaarvan schema's ook herhaaldelijk zijn gepubliceerd in radiomagazines.

Microcontroller-regeleenheden volgens het schema zijn eenvoudiger dan op microcircuits van gemiddelde mate van integratie, ze hebben de nodige functies zoals vlotte start van de motor, bescherming tegen overbelasting en kortsluiting en enkele anderen. In deze blokken wordt alles geïmplementeerd ten koste van besturingsprogramma's of zoals ze "firmware" worden genoemd. De besturing van een driefasige omvormer is precies afhankelijk van deze programma's.

Vrij eenvoudige circuits voor driefasige omvormercontrollers worden gepubliceerd in het tijdschrift Radio 2008 nr. 12. Het artikel heet "De hoofdoscillator voor een driefasige omvormer." De auteur van het artikel is ook de auteur van een reeks artikelen over microcontrollers en vele andere ontwerpen. Het artikel presenteert twee eenvoudige circuits op microcontrollers PIC12F629 en PIC16F628.

De rotatiefrequentie in beide schema's wordt stapsgewijs gewijzigd met behulp van enkelpolige schakelaars, wat in veel praktische gevallen voldoende is. Er is ook een link waar je kant-en-klare "firmware" kunt downloaden, en bovendien een speciaal programma waarmee je de parameters van de "firmware" naar eigen inzicht kunt wijzigen. Het is ook mogelijk de werking van de generatormodus "demo". In deze modus wordt de frequentie van de generator 32 keer verlaagd, waardoor de LED's visueel kunnen worden gebruikt om de werking van de generatoren te observeren. Het biedt ook aanbevelingen voor het aansluiten van de voedingseenheid.

Maar als u geen microcontroller wilt programmeren, heeft Motorola een gespecialiseerde intelligente controller MC3PHAC uitgebracht, ontworpen voor driefasige motorbesturingssystemen. Op basis hiervan is het mogelijk om goedkope systemen te maken van een verstelbare driefasige aandrijving met alle benodigde functies voor controle en bescherming. Dergelijke microcontrollers worden in toenemende mate gebruikt in verschillende huishoudelijke apparaten, bijvoorbeeld in vaatwassers of koelkasten.

Compleet met de MC3PHAC-controller is het mogelijk om kant-en-klare voedingsmodules te gebruiken, bijvoorbeeld IRAMS10UP60A ontwikkeld door International Rectifier. De modules bevatten zes stroomschakelaars en een stuurcircuit. Voor meer informatie over deze elementen, zie hun Datasheetdocumentatie, die gemakkelijk op internet te vinden is.

Boris Aladyshkin