Задающий генератор для трехфазного инвертора

Цифровые формирователи трехфазного напряжения с ШИМ-управлением

Texas Instruments CD4017B CD4070B CD4093B

Михаил Шустов, г. Томск

Рассмотрены схемы цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью плавного управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов в пределах от 1 до 99%.

Формирователи трехфазных сигналов с возможностью регулирования частоты выходных сигналов и их интеграла мощности с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) известны из монографий и журнальных статей последних лет [1–3]. Несмотря на очевидный прогресс в совершенствовании схем устройств подобного назначения, они остаются избыточно сложными для повторения. Ниже приводятся две схемы относительно простых цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.

Формирователи трехфазных сигналов (Рисунки 1 и 2) построены по аналогичной структурной схеме и включают генератор импульсов повышенной частоты с независимой регулировкой частоты и скважности [4], делитель частоты, формирователь трехфазных сигналов и выходные каскады.

Рисунок 1. Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением
частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих
выходной импульс высокочастотных сигналов.

Формирователь, Рисунок 1, содержит собственно генератор прямоугольных импульсов на элементе DD1.1 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1) с коэффициентом заполнения, близким к 99%, работающий на частоте порядка 20 кГц. На элементе DD1.2 выполнен узел плавной регулировки ширины сигналов задающего генератора. Регулировка ширины импульсов (коэффициента заполнения D) в пределах от 1 до 99% производится потенциометром R2.

Рисунок 2. Формирователь трехфазного напряжения с плавной перестройкой частоты
выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих
выходной импульс высокочастотных сигналов.

На элементах DD2.1 и DD2.2 микросхемы CD4070 (К561ЛП2) выполнен целочисленный делитель частоты входного сигнала, имеющий коэффициент деления примерно от 13 до 267. Этот коэффициент деления ступенчато задается плавной регулировкой потенциометра R4 и зависит от RC-постоянной времени (R3+R4)C2. Несмотря на то, что коэффициент деления меняется ступенчато, при больших значениях этого коэффициента ступенчатая перестройка частоты выходного сигнала несущественно отличается от плавной перестройки.

На микросхеме DD3 CD4017 (К561ИЕ8) выполнен делитель частоты входного сигнала на 3 и, одновременно, формирователь трехфазного напряжения.

Выходные каскады на каждую из фаз выполнены по идентичным схемам (блоки A, B и С). На вход каждого из этих каскадов поступает сигнал соответствующей фазы (A, B и С) частотой 25…500 Гц и, одновременно, сигнал частотой порядка 20 кГц, плавно регулируемый по коэффициенту заполнения от 1 до 99%. В итоге на выходах (A, B и С) устройства формируются серии высокочастотных (

20 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (25…500 Гц) трехфазных сигналов.

Второй формирователь трехфазного напряжения, Рисунок 2, имеет генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности [4], выполненный на элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1). Генератор работает на частоте 1.5…12 кГц (перестройка потенциометром R2). Регулировка коэффициента заполнения D производится потенциометром R4 в пределах от 1 до 99% и совершенно не зависит от частоты генерации.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на вход двухступенчатого делителя частоты, выполненного на микросхемах DD2 и DD3 CD4017 (К561ИЕ8). Второй каскад делителя (микросхема DD3) одновременно выполняет функции формирователя трехфазного напряжения. Итоговый коэффициент деления частоты равен 30 (10×3).

Выходные каскады устройства, Рисунок 2, выполнены по схеме, идентичной приведенной ранее на Рисунке 1.

В итоге на выходе формирователя трехфазного напряжения, Рисунок 2, формируются серии из 30 высокочастотных (1.5…12 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (50…400 Гц) трехфазных сигналов.

Задающий генератор регулятора частоты для трёхфазного асинхронного двигателя

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, [1-3]. К сожалению, большинство описанных конструкций не очень подходят для повторения, поскольку они либо слишком сложны [1], либо (как регулятор, описанный в [2]) построены из дорогих деталей, стоимость которых достигает половины стоимости регулятора промышленного изготовления. Дополнительные функции регулятора [2] необходимы далеко не всегда. Поэтому для многих простых применений такой регулятор невыгоден. Устройство, описанное в [3], несложно по схеме, но организовать плавное регулирование частоты вращения с его помощью затруднительно.

Оптимальным для повторения можно считать устройство, описанное в [1], 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 [1] 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 [1] 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 [1], 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.

Читайте также  Какая защита должна предусматриваться на электродвигателях?

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 [1] и [2].

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 [1], 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.

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.

Автор: Е. Герасимов, станица Выселки Краснодарского края

Мнения читателей
  • Валерий / 16.02.2020 — 16:39

https://photos.google.com/share/AF1QipNAMSZR1wSu8LzLQbCn6mOPIALbW730e__AVpbmDk43JE1IoAJNz66Ov0nm8r59ng/photo/AF1QipM_moLoFg5Ur3tBIq3li8MDSElh9yTPJpb885v6?key=UEdCeldFdTVMM2Q3ZFB0dDJaOW1zRXRQMm9VZ0pRЭто ссылка на фото и схему инвертора, как подключить Ваше устройство к этому инвертору для вращения двигателя. Ответ пришлите на почту:perm.pvu@mail.ru

Валерий / 10.02.2020 — 15:39

https://photos.app.goo.gl/dVMkBT4pjrMy5VHZ7Как подключить Ваше устройство к инвертору (ссылка на инвертор)?

Валерий / 10.02.2020 — 15:08

Подскажите, пожалуйста, как подключить это устройство к инвертору для вращения двигателя.

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 U4Через U1 и U2Зачем инвертировать сигнал для драйверов -(А, В, С)

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Частотник своими руками — любительская схема преобразователя

    10 commentsПринцип работы 27 января, 2020

Зачем нужно делать самому преобразователь для 3-фазного электромотора, и как смастерить его своими руками? Чтобы защитить окружающую природу повсюду создаются правила, которые рекомендуют изготовителям электрических устройств делать продукцию, которая будет экономить электрическую энергию. Часто это бывает достигнуто правильным управлением частотой вращения электромотора. Преобразователь частоты легко решает эту задачу.

Частотник электромотора с тремя фазами по-разному называют: инвертор, частотный изменитель тока, приводной механизм, регулируемый частотой. Сегодня такие устройства делают разные заводы, но многие умельцы своими руками изготавливают не хуже.

Как я сам изготовил частотный преобразователь

Я изготовил преобразователь частоты и асинхронный привод для моего товарища. Ему нужен был привод для пилорамы, мощный и хороший. Так как я любил заниматься электроникой, то сразу предложил ему такую схему:

Трехфазный мост на транзисторах с диодами обратной связи я использовал, которые имелись. Управление осуществил через оптодрайвер HCPL 3120 микроконтроллером PIC16F628A. У входа припаял гасящую емкость, чтобы электролиты заряжались плавно. Затем припаял шунтовое реле. Еще установил триггер защиты тока от замыкания и перегрузки. Для управления установил две кнопки и выключатель для обратного вращения.

Силовую часть я собрал на навесном монтаже.

Резисторы, соединил параллельно по 270 кОм с помощью затворных проходных конденсаторов, позади платы их напаял. Моя плата показана на внешнем виде:

Вид этой моей платы с другой стороны:

Для подключения питающего напряжения я собрал блок питания, работающий на импульсах, обратноходовой. Вот привожу схему этого блока питания:

Как я запрограммировал микроконтроллер? Простые моргалки для меня не представляли какой-то проблемы. Получились константы в виде матрицы, над которой работал мой контроллер. Частота и напряжение были заданы этими величинами. Всю схему работы проверил на моторчике вентилятора небольшой мощности, 200 Вт. Эта моя конструкция выглядела так:

Начальные эксперименты дали хороший результат. Затем доработал программу. Раскрутил двигатель на 4 кВт, и пошел собирать управление пилорамой.

При монтаже у нас с товарищем случайно произошло замыкание и сработала защита, проверили ее работу. Мотор на 2 кВт 1500 оборотов с легкостью пилил доски. Сейчас программа еще дорабатывается для раскрутки двигателя выше номинала. Характеристики: частота от 2 до 50 герц с шагом 1,5 герц, синхронная частота, постоянно меняется, разбег от 1500 до 3500 герц, управление скалярного типа U/F, мощность мотора до 5 кВт.

Удерживаем кнопку RUN и разгоняем двигатель. Отпускаем, частота держится на уровне. Когда загорается светодиод, то привод готов к запуску.

Как сделать инвертор самому своими руками?

Вместе с производством заводских инверторов любители делают их сами, своими руками. Здесь нет ничего сложного. Такой преобразователь частоты преобразовывает одну фазу, делает из нее три фазы. Электродвигатель с похожим частотником используют в домашних условиях, мощность его не будет теряться.

Блок выпрямления в схеме расположен в начале. Далее идут фильтры, которые отсекают токовые переменные. Чтобы изготовить данные инверторы применяют транзисторы IGBT.

За тиристорами стоит будущее, хотя и в настоящем они уже применяются давно. Купленный частотник на биполярных транзисторах стоит дорого и мало где применяется (сервоприводы, металлорежущие станки с векторным управлением). Эти приводы как транспортеры и конвейеры, карусельные станки, станции подкачки воды, климатические системы управления — это большая часть от всего применения устройств заводов, где лучше использовать частотники для управления электромоторами с короткозамкнутыми якорями и можно делать управление оборотами двигателя, если подать потенциал, изменяя частоту до 50 герц.

Приведем простые примеры частотных преобразователей, которые тянули мощные электродвигатели тепловозов и электричек, имеющих в своем составе много вагонов товарных платформ, большие станции с насосами напряжением 600 вольт, обеспечивающие городские районы питьевой водой. Очевидно, что данные сильные электродвигатели не подойдут на биполярных транзисторах. Поэтому применяют активные тиристоры типа GTO, GCT, IGCT и SGCT. Они преобразуют из постоянного тока токовую сеть с тремя фазами с хорошей мощностью. Однако, имеются простые схемы на тиристорах простого типа, закрывающиеся током катода обратного. Такие тиристоры не будут действовать в режиме ШИМ, их хорошо применяют в прямой регулировке электромоторов, без тока постоянного размера. Преобразователи частоты на тиристорах в застойные времена были задействованы для моторов на постоянном токе. Фирма Сименс изобрела векторные частотники, преобразившие промышленность до неузнаваемости.

Стоимость всех деталей самодельного инвертора существенно ниже цены заводского устройства.

Такие самодельные устройства хорошо подходят для электромоторов мощностью до 0,75 кВт.

Для чего предназначен инвертор — его принцип действия

Инвертор действует на частоту вращения асинхронных моторов. Моторы переделывают электроэнергию в механическое движение. Вращательное движение преобразуется в движения механические. Это создает большое удобство. Асинхронные моторы очень популярны во многих сторонах жизни людей.

Обороты электродвигателя можно изменять и другими устройствами. Но, у них много недостатков. Они сложны в пользовании, дорого стоят, работают с плохим качеством, разбег регулировки маленький.

Частотный преобразователь для мотора с тремя фазами легко решает эту проблему. Все знают, что пользование частотниками для изменения частоты вращения есть самый хороший и правильный метод. Такой аппарат дает мягкий пуск и торможение, а также контролирует многие процессы, происходящие в моторе. Аварийные ситуации при этом сводятся на нет.

Чтобы плавно и быстро регулировать работу двигателя, специалисты разработали специальную электрическую схему. Использование в работе частотника дает возможность работать двигателю без перерыва, экономично. Коэффициент полезного действия его достигает 98%. Это происходит за счет повышения частоты коммутации. Механические устройства не могут выполнить такие функции.

Как регулировать скорость инвертором?

Как частотник может изменять частоту вращения трехфазного электромотора? Сначала он меняет напряжение сетевое. Далее, из него получается нужная амплитуда и частота напряжения, поступает на электромотор.

Разбег интервала регулирования скорости преобразователем большой. Можно изменять вращение мотора в другую сторону. Чтобы двигатель не вышел из строя, нужно брать во внимание данные из его характеристики, допускаемые обороты, мощность.

Из чего состоит привод регулирования?

Он имеет в составе три звена:

  1. выпрямитель, дающий потенциал постоянного тока при включении к питанию электрической сети. Сеть может быть управляемой или нет;
  2. фильтрующий элемент, который сглаживает выходное напряжение (применяется емкость);
  3. инвертор, который производит нужную частоту потенциала, крайнего звена возле электромотора.

Режим управления частотников

Их делят на виды управления оборотами двигателя:

  1. скалярное управление (нет связи с обратной стороны);
  2. режим векторного управления (связь с обратной стороны имеется, или отсутствует).

В первом случае управляется статор с его магнитным полем. Управление вектором учитывает действие полей магнита ротора и статора, улучшается крутящий момент при разных скоростях вращения. Это и есть основное различие их режимов управления.

Способ векторов точнее и эффективнее. Обслуживать его дороже. Он больше подходит для специалистов с хорошими профессиональными умениями и знаниями. Метод управления скалярного типа наиболее прост в работе. Применяется он с выходными параметрами, не требующими регулировки особой точности.

Как подключить инвертор треугольником и звездой?

Когда мы купили инвертор по недорогой цене, то возникает необходимость: подключение его к электромотору самому без специалистов. Сначала надо установить для безопасности автоматический выключатель для обесточивания. Если возникнет короткое замыкание на фазах, то отключится вся система.

Читайте также  Почему сгорают светодиодные лампочки?

Подключить частотник к мотору можно звездой или треугольником.

Когда привод регулирования с одной фазой, то контакты электромотора присоединяют треугольником. Тогда мощность не потеряется. Мощность этого преобразователя частоты будет не более 3 кВт.

Инверторы с тремя фазами технически наиболее современны. Они питаются от заводских трехфазных сетей, подключаются звездой.

Для ограничения тока пуска и уменьшения момента пуска при пуске электромотора свыше 5 кВт можно использовать способ включения треугольник и звезда.

При включении статора применяется схема звезды, а если обороты двигателя нормальные, то переходят на вариант треугольника. Но это используется при существовании возможности соединения по двум схемам.

Отмечаем, что в варианте звезда-треугольник большие перепады тока будут всегда. При переключении на вторую схему обороты двигателя сильно снизятся. Для восстановления скорости вращения надо повысить силу тока.

Большой применяемостью оказывают пользу частотники для моторов мощностью до 8 кВт.

Применение инверторов нового поколения

Современные частотные преобразователи делаются с применением таких устройств как микроконтроллеры. Это значительно повышает функции инверторов в алгоритмах управления и контролирования с точки зрения безопасности работ.

Частотники имеют успешное применение в областях производства:

  • в водоснабжении, снабжении теплом при изменении скорости подачи помпы холодного и горячего водоснабжения;
  • в заводских условиях машиностроения;
  • в легкой и текстильной промышленности;
  • в энергетике и производстве топлива;
  • для насосов канализации и скважин;
  • в технологических процессах для автоматики управления.

Чтобы управлять и контролировать частотники изготовитель прибора предлагает созданную программу, которая будет всегда иметь связь с контроллером посредством порта, будет показывать на мониторе состояние и позволит производить управление. Данные документируются протоколом обмена и используются пользователями, создающими программы управления для электронной техники и контроллеров.

Данные обмениваются в три этапа:

  1. Идентификация.
  2. Инициализация.
  3. Управление и контроль.

Стоимость блоков питания бесперебойного напряжения имеет зависимость от того, есть ли в нем частотный преобразователь. За такими устройствами будущее. Отрасли экономики и энергетики будут быстрее развиваться благодаря новым современным устройствам.

Задающий генератор для трехфазного инвертора

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

Автор: Сергей М.
Опубликовано 11.12.2012
Создано при помощи КотоРед.

Первым был ресторан – зимой холодный воздух должен строго дозировано дуть на разгорячённых посетителей, а летом наоборот –замерзших от холодного мороженого плавно согревать жарким воздухом с улицы. Без инвертора никак не обойтись.
Второй хочет стричь лохматых овец , но вот беда машинка трехфазная. А в поле только одна да и та не 220в. Опять нужен инвертор.
Третий вообще наждачный камень , сверлильный станок и намоточный –захотел прицепить к двигателю.
В конце концов оглядевшись по сторонам я увидел – все…все делают инверторы японцы, французы, немцы …. , только я ещё не имею своего точила для отверток. И мало того все приличные фирмы уже написали , как это делать.

Итак коль уж асинхронный двигатель так распространён и трехфазная система напряжения созданная М. О. Доливо-Добровольским так удобна. А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты –это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Возможно кто то скажет « Ну, зачем мне инвертор , я поставлю фазосдвигающий конденсатор и все решено» . Но при этом обороты не покрутишь и в мощности потеряешь и потом это не интересно.

Возьмём за основу – в быту есть однофазная сеть 220в, народный размер двигателя до 1 кВт. Значить соединяем обмотки двигателя треугольником. Дальше –проще, понадобится драйвер трехфазного моста IR2135(IR2133) выбираем такой потому, что он применяется в промышленной технике имеет вывод SD и удобное расположение выводов. Подойдёт и IR2132 , но у неё dead time больше и выхода SD нет. В качестве генератора PWM выберем микроконтроллер AT90SPWM3B — доступен, всем понятен, имеет массу возможностей и недорого стоит, есть простой программатор -https://real.kiev.ua/avreal/. Силовые транзисторы 6 штук IRG4BC30W выберем с некоторым запасом по току — пусковые токи АД могут превышать номинальные в 5-6 раз. И пока не ставим «тормозной» ключ и резистор, будем тормозить и намагничивать перед пуском ротор постоянным током, но об этом позже . Весь процесс работы отображается на 2-х строчном ЖКИ индикаторе. Для управления достаточно 6 кнопок (частота +, частота -, пуск, стоп, реверс, меню).
Получилась вот такая схема.

Я вовсе не претендую на законченность конструкции и предлагаю брать данную конструкцию за некую основу для энтузиастов домашнего электропривода. Приведённые здесь платы были сделаны под имеющиеся в моём распоряжении детали.

Конструктивно инвертор выполнен на двух платах – силовая часть ( блок питания , драйвер и транзисторы моста , силовые клеммы) и цифровая часть (микроконтроллер + индикатор ). Электрически платы соединены гибким шлейфом. Такая конструкция выбрана для перехода в будущем на контроллер TMS320 или STM32 или STM8.
Блок питания собран по классической схеме и в комментариях не нуждается. Микросхема IL300 линейная опто развязка для управления током 4-20Ма. Оптроны ОС2-4 просто дублируют кнопки «старт, стоп, реверс» для гальванически развязанного управления. Выход оптрона ОС-1 «функция пользователя» (сигнализация и пр.)
Силовые транзисторы и диодный мост закреплены на общий радиатор. Шунт 4 витка манганинового провода диаметром 0.5мм на оправке 3 мм.
Сразу замечу некоторые узлы и элементы вовсе не обязательны. Для того что бы просто крутить двигатель , не нужно внешнее управление током 4-20 Ма. Нет необходимости в трансформаторе тока, для оценочного измерения подойдёт и токовый шунт. Не нужна внешняя сигнализация. При мощности двигателя 400 Вт и площади радиатора 100см 2 нет нужды в термодатчике.

ВАЖНО! – имеющиеся на плате кнопки управления изолированы от сети питания только пластмассовыми толкателями. Для безопасного управления необходимо использовать опторазвязку.

Возможные изменения в схеме в зависимости от микропрограммы.
Усилитель DA-1 можно подключать к трансформатору тока или к шунту. Усилитель DA-1-2 может быть использован для измерения напряжения сети или для измерения сопротивления терморезистора если не используется термодатчик PD-1.
В случае длинных соединительных проводов необходимо на каждый провод хотя бы надеть помехоподавляющие кольцо. Имеют место помехи. Так например –пока я этого не сделал у меня «мышь» зависала.
Так же считаю важным отметить проверку надёжности изоляции АД –т.к. при коммутации силовых транзисторов выбросы напряжение на обмотках могут достигать значений 1,3 Uпит.

Общий вид.

Немного про управление.

Начитавшись книжек с длинными формулами в основном описывающих как делать синусоиду при помощи PWM. И как стабилизировать скорость вращения вала двигателя посредством таходатчика и ПИД регулятора. Я пришёл к выводу –АД имеет достаточно жёсткую характеристику во всём диапазоне допустимых нагрузок на валу.
Поэтому для личных нужд вполне подойдет управление описанное законом Костенко М.П. или как его ещё называют скаляроное. Достаточное для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40. Т.е. грубо говоря мы в самом простом случае делаем обычную 3-х фазную розетку с переменной частотой и напряжением меняющимися в прямой зависимости. С небольшими «но» на начальных участках характеристики необходимо выполнять IR компенсацию т.е. на малых частотах нужно фиксированное напряжение . Втрое «но» в питающие двигатель напряжение замешать 3 гармонику. Всё остальное сделают за нас физические принципы АД. Более подробно про это можно прочесть в документе AVR494.PDF
Основываясь на моих личных наблюдениях и скромном опыте именно эти методы без особых изысков чаще всего применяются в приводах мощностью до 15 кВт.
Далее не буду углубляться в теорию и описание мат моделей АД. Это и без меня достаточно хорошо изложили профессора ещё в 60-х.

Но ни в коем случае не стоит недооценивать сложности управления АД. Все мои упрощения оправданны только некоммерческим применением инвертора.

Плата силовых элементов.

В программе V-1.0 для AT90SPWM3B реализовано
1- Частотное управление АД .Форма напряжения синусоида с 3 гармоникой.
2- Частота задания 5 Гц -50 Гц с шагом 1 Гц. Частота ШИМ 4 кГц.
3- Фиксированное время разгона –торможения
4- Реверс (только через кнопку СТОП)
5- Разгон до заданной частоты с шагом 1 Гц
6 – Индикация показаний канала АЦП 6 (разрядность 8 бит., оконный фильтр апертура 4 бита)
я использую этот канал для замера тока шунта.
7 – Индикация режима работы START,STOP,RUN,RAMP, и Частота в Гц.
8- Обработка сигнала авария от мс IR2135

Торможение двигателя принудительное – без выбега. При этом нужно помнить – если на валу будет висеть огромный вентилятор или маховик то напряжение на звене постоянного тока может достичь опасных значений. Но я думаю вертолёты с приводом от АД строить никто не будет

Функции микропрограммы в будущих версиях

1 -намагничивание ротора перед пуском
2- торможение постоянным током
3 –прямой реверс
4 – частота задания 1 -400 Гц.
5 – ограничение, контроль тока двигателя.
6 — переключаемые зависимости U/F
7 – контроль звена постоянного тока.
8 – некоторые макросы управления –это вообще в далёких планах.

Испытания.
Данная конструкции была проверена с двигателем 0.18кВт и 0.4 кВт и 0.8 кВт. Все двигатели остались довольны.
Только при малых оборотах и долговременной работе необходимо принудительное охлаждение АД.

Строка для программатора
av_28r4.exe -aft2232 -az +90pwm3b -e -w -v -fckdiv=1,psc2rb=0,psc1rb=0,psc0rb=0,pscrv=0,bodlevel=5 -c01.hex

Разрабатываем частотник. Часть первая, силовая часть.

Самостоятельная разработка частотника для трехфазного электродвигателя, дело достаточно затратное и хлопотное. Но если есть желание и интерес к данной теме огромен, то можно попробовать. Данный пост не
претендует на оригинальность и писатель из меня честно говоря плохой. Итак обо всем по порядку.

Начнем с общей структурной схемы.

Данная структурная схема построена по так называемой схеме двойного преобразования. Трехфазное напряжение 380В частотой 50 Гц поступает на вход неуправляемого выпрямителя. На выходе выпрямителя напряжение составляет около 540 В. Это и есть первый этап преобразования. На втором этапе напряжение при помощи инвертора преобразуется в широтно-модулированные импульсы, которые и поступают на обмотки электродвигателя. Статорные обмотки имеют активно-индуктивный характер сопротивления и являются фильтрами, сглаживающими ток. Среднее значение тока будет зависеть от среднего значения приложенного напряжения, то есть от соотношения длительностей внутри периода ШИМ. Блок управления реализует основные алгоритмы управления инвертором. Обеспечивает диагностику силового модуля, а также выполняет функции противоаварийной защиты. Блок питания предназначен для питания цепей управления.

Читайте также  Принцип работы резистора простым языком

Выпрямитель.
Схема выпрямителя предельно проста.

На вход силового блока поступает трехфазное напряжение сети амплитудой 380 В, и частотой 50 Гц. Для защиты от перенапряжения в схеме используются варисторы VR1- VR3. Далее входное напряжение поступает на выпрямитель с промежуточным звеном постоянного тока. Выпрямитель 36МТ160 представляет собой трехфазную мостовую схему (т.н схема Ларионова) конструктивно выполненную в одном модуле.
Во время зарядки конденсатора промежуточного контура протекает очень большой кратковременный ток. Это может вывести из строя выпрямитель. Ток зарядки ограничивается включением балластного резистора R4 последовательно с конденсаторами DC-звена, который активизируется только при включении преобразователя. После зарядки конденсаторов резистор шунтируется, контактными реле К1. Большая емкость конденсаторов требуется для сглаживания напряжения промежуточного звена. После выключения инвертора из сети, конденсаторы сохраняют высокое напряжение в течение определенного времени.

Вот что получилось в итоге.

Блок питания.
Собран на микросхеме UC3843. Вообще, что касается блока питания, то вовсе не важно какой будет использован.
Хоть самодельный хоть купленный. Главное, на мой взгляд, по возможности питание драйвера IGBT и питания блока управления было от отдельных обмоток трансформатора.

Инвертор.
Схема инвертора.

IGBT-драйвер собран на транзисторах FGA25N120 и связке оптопары TLP250 и микросхемы TC4420. Что касается микросхемы TC4420 то ее мне посоветовал использовать один мой друг который занимается усилителями «класса D».

Подопытный кролик Электродвигатель.
Двигатель взял для начала малой мощности. Закрепил на нем инкрементальный энкодер «RO6345» фирмы «IFM».

Все это протестировано, проверено и ждет изготовления блока управления. Будем надеется что у меня хватит терпения, времени и сил довести этот проект до работающего прототипа.

Расщепитель фазы.Из 220*1,сделать 220*3.. Страница 2 из 2

Вы здесь

Страницы

  • « первая
  • «
  • 1
  • 2

Вопросы задавать можно только после регистрации. Войдите или зарегистрируйтесь, пожалуйста.

После детального анализа схемы пришел к выводу что она непригодна для воплощения в железо, в особенности силовая часть на симисторе. Причина одна, тиристор и/или симистор предусмотрен для управления переменного тока, если он откроется то обратно его не закрыть, нужно прервать силовую цепь или применить специальный запираемый тиристор/симистор. В качестве альтернативы могу предложить несколько публикаций в журнале «Радио» связанных с электронным расщепителем фаз:
№ 2, 2000, с. 35
№ 7, 2000, с. 37
№ 4, 2001, с. 42
№12, 2004, с. 37
№ 5, 2005, с. 29
№10, 2009, с. 35

Вот базовая схема расщепителя(на рисунке обозван генератором),а на следующем с ёмкостью ,которую необходимо подобрать экспериментально для выравнивания фаз по напряжению.Пока всё.

Никому из электриков не хочется провести эксперимент?Ваши знания и опыт тут пригодились бы.И описать вы смогли бы лучше ,что получилось.

Никому из электриков не хочется провести эксперимент?Ваши знания и опыт тут пригодились бы.И описать вы смогли бы лучше ,что получилось.

Странно. У Вас же все есть
Сами и проведите. Набейте собственные шишки.
Литературу с результатами экспериментов и теоретическими обоснованиями найти несложно.
Какая разница, чьим результатам не верить?

Какая разница, чьим результатам не верить?

Дело не в неверии.Практика и условия эксплуатации иногда вразрез теории.То ,что не подойдёт категорически в промышленных условиях -устраивает частника с не очень большими потребностями.Например ,литература не рекомендует использование конденсаторов с двигателями более 1,5 квт в однофазной сети,потому ,что стоимость конденсаторов приближается к стоимости самого двигателя(где то читал,не надо акцентировать).Я использую двигатели до 4 квт,с конденсаторами и не считаю это экономически убыточным.Напротив ,по каким то причинам за электроэнергию счета получаются меньше.А здесь,то ли я опишу эксперимент,то ли человек с образованием-есть разница.На чипе есть люди довольные машиной ,а есть и не очень.

Так Вам для описания или для собственного использования? Если для себя, то скрутите три провода и посмотрите результат. Вольтметром померяйте напряжение, силу тока амперметром. Никак не могу понять чего Вы хотите
Блин, разное исполнение двигателя — уже разный результат

Александр,в идеале я бы хотел скопировать работающую установку. Я понимаю неувязки.Разные двигатели, разная сеть. видимо, однозначного ответа дать невозможно.Я прошу посоветовать опытных электриков как всё таки сделать такой преобразователь.Какие сложности могут быть?Какой двигатель по характеристикам наиболее пригоден?Не исключаю противоречий.Не исключаю даже ,что не получится.Ответственность за эксперимент я полностью беру на себя.

Да запросто! Совершенно бесплатно могу провести эксперимент на Вашем оборудовании, оплатите только перелет и проживание
Что там КОПИРОВАТЬ? Вы сами выложили выше схему с тремя проводами и одним кондером. Двигатели все равно не будете покупать, будете использовать имеющиеся. Ну так и экспериментируйте со СВОИМ оборудованием.
Создаётся впечатление, что общаюсь с ленивым студентом третьего курса, которому скоро сдавать курсовой по этой теме.

Не говорите глупостей.Есть разные двигатели,могу ещё найти.Схему я предлагаю не для воплощения немедленно,а для обсуждения. предложений.Вы меня ,пардон,за кого держите?Почему ,конкретно ,на свой счёт всё принимаете?Я совета прошу и разъяснения.

Совершенно бесплатно могу провести эксперимент на Вашем оборудовании, оплатите только перелет и проживание

Вот здесь беспокоиться не стоит.Я провожу эксперименты ,а сведующие советуют.В неудаче обвинять никого не буду.Вот ,что я хотел сказать.

Я Вас совершенно не держу. Ни за кого и ни за что
Просто хотел понять чего Вы хотите: сделать СЕБЕ расщепитель или собрать материал для реферата по электротехнике.
Какого совета Вы ждёт и разъяснения чего? На чипе тема обсосана гораздо тщательнее, чем она того стоит
Ну, и когда читаете книги или статьи, обращайте внимание на год издания, часто так бывает, то что изобретали тридцать лет назад, сейчас просто утратило смысл. Кстати, хороший пример на эту тему который Вы сами и привели- цена конденсаторов, которая тридцать лет назад была соизмерима с ценой двигателя

Вот здесь беспокоится не стоит.Я провожу эксперименты ,а сведующие советуют.В неудаче обвинять никого не буду.Вот ,что я хотел сказать.

Это другой подход
Тогда совет N 1: скрутите провода по приведенной выше схеме и побробуйте подбором конденсатора выровнять фазы при средней нагрузке на рабочем двигателе. Потом желательно измерять потребляемый ток однофазной цепи

Вот это по делу,спасибо.И ещё пожалуйста не злитесь за глупые вопросы.Когда то я такие же задавал по поводу подключения с конденсаторами. теперь освоил.

Потом желательно измерять употребляемый ток однофазной цепи

измерять потребляемый ток однофазной цепи

В электрике есть немало способов проверить знания оппонента,я сразу говорю :они у меня не велики.Пожалуйста выражайтесь яснее.Вы предлагаете мерить напряжение или силу тока?

Можно на разных режимах. Чтобы понять на сколько лишних денег попадаем, по сравнению с конденсаторной схемой.

Вы предлагаете мерить напряжение или силу тока?

Так вроде ж написано: ток?
Ну хорошо, выражаюсь яснее — измеряем силу тока амперметром (если есть возможность)
Но для начала соберите и попробуйте запустить, а потом выровнять фазы. Чтобы сделать вывод о целесообразности мероприятия вообще.

Ну, вроде, собранных знаний для начала пока хватит.На чипе даже нашёлся человек ,который запустил расщепитель вообще без кондёров и результат его устроил.Скоро показать не обещаю,но что получится покажу.Спасибо всем кто помогал.

Вот,замечательное видео на чипе подкинули.Кому ещё интересно.

Особенно понравилось высказывание про потерю 40% мощности при конденсаторном включении.
А измерение напряжения двумя пальцами — это вообще песТня!
Скрутите-таки три провода и посмотрите что получится при помощи вольтметра. Это займет гораздо меньше времени чем рытье в инете.

Особенно понравилось высказывание про потерю 40% мощности при конденсаторном включении.
А измерение напряжения двумя пальцами — это вообще песТня!

Ну,не без косяков,конечно,но суть не в этом.

Скрутите-таки три провода и посмотрите что получится при помощи вольтметра. Это займет гораздо меньше времени чем рытье в инете.

Не могу пока.Много переделок ,что б этот двигатель забрать на расщепитель.Замена ему пока не готова.

Работает схема 100% расщепителя с фото в 36 посту, только звездой пусковой двигатель соединить.
Делается не первый год. Используектся для питания двигателя на пилораме, пиле, дробилке, и др. устройствах. Запускается 5,5 кВт двигатель на 1000 об., он легче всего запускается. Через пусковой конденсатор. Схема обмоток сделана звездой была изначально. Потом в треугольник переделывали, разницы не заметели, греется меньше на звезде, оставили на звезде. На выходе гдето 220-200 вольт. Подключали рабочий двигатель максимум на 4 кВт 1000 об. всех лучше работает и используется, 1500об. похуже пуск. и работа, нагрузка тока пуска большая для более оборотистых. 4кВт 3000 об. запускается пустой, но в нагрузке греется генератор и пробки выбивает. Поэтому совет, не нагружать больше 80% от мощности генератора. Да и вообще не советую более 7 кВт ставить нагрузку на 220 в. Спалите у себя или у соседей что-либо. Вот 1,5 -2 кВт 3000 об работает хорошо.
Плюс этой схемы в том что работаеют все обмотки трех фазного двигателя.Запуск и нагрев минимален, не нужно кондексаторов, пусковых операций, провел 3х фазную сеть и все работает как от трех фаз. Минус КПД от сновного на 3 х фазах 65-70% где то.

МТЗ-80; Т-25
Кто ищет, тот найдет. Кто хочет, тот добьется.

Понеслась. Опять ,зараза, свет подорожал.Тока начал собирать расщепитель и из магазинов пропали кабели и розетки .Буду собирать из того ,что есть по помойкам.Сегодня хотел заделать пробный пуск,но забухал.Будку эту, я ему уже сварганил(планирую выгнать на улицу ,потому что),вольметров не нашёл-жаль.Замеры показали солидный разнобой.При напряжении в сети 210 между фазами прошло от 180 до 200 бэз нагрузки на расщепитель.С 100мфтЧё будет с нагрузкой-будем мерить.Ну пока, как то так.