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Schemi di convertitori di frequenza amatoriali
Uno dei primi circuiti di inverter per alimentare un motore trifase è stato pubblicato sulla rivista Radio n. 11 del 1999. Lo sviluppatore del programma M. Mukhin a quel tempo era uno studente di grado 10 ed era impegnato in un circolo radiofonico.
Il convertitore doveva alimentare il motore trifase in miniatura DID-5TA, utilizzato nella macchina per la perforazione di circuiti stampati. Va notato che la frequenza operativa di questo motore è 400Hz e la tensione di alimentazione è 27V. Inoltre, è stato messo in evidenza il punto medio del motore (quando si collegano gli avvolgimenti con una "stella"), il che ha permesso di semplificare notevolmente il circuito: sono stati necessari solo tre segnali di uscita e ogni fase ha richiesto solo una chiave di uscita. Il circuito del generatore è mostrato in Figura 1.
Come si può vedere dallo schema, il convertitore è composto da tre parti: un generatore-generatore di impulsi in sequenza trifase su microcircuiti DD1 ... DD3, tre chiavi su transistor compositi (VT1 ... VT6) e l'attuale motore elettrico M1.
La Figura 2 mostra i diagrammi di temporizzazione degli impulsi generati dal generatore del generatore. L'oscillatore principale è realizzato sul chip DD1. Utilizzando la resistenza R2, è possibile impostare la velocità del motore desiderata, nonché modificarla entro determinati limiti. Informazioni più dettagliate sul circuito sono disponibili nel registro sopra. Va notato che, secondo la terminologia moderna, tali generatori sono chiamati controller.
Figura 1
Figura 2. Diagrammi di temporizzazione degli impulsi del generatore.
Basato sul controller A. Dubrovsky della città di Novopolotsk, nella regione di Vitebsk. È stata sviluppata la progettazione di un variatore di frequenza per un motore alimentato a 220 V CA. Lo schema elettrico è stato pubblicato sulla rivista Radio 2001. Numero 4
In questo schema, praticamente invariato, il controller appena rivisto viene utilizzato secondo lo schema di M. Mukhin. I segnali di uscita dagli elementi DD3.2, DD3.3 e DD3.4 vengono utilizzati per controllare i tasti di uscita A1, A2 e A3, a cui è collegato il motore elettrico. Il diagramma mostra la chiave A1, il resto è identico. Uno schema completo del dispositivo è mostrato nella Figura 3.
Figura 3
Collegamento del motore all'uscita di un inverter trifase
Per familiarizzare con la connessione del motore alle chiavi di uscita, vale la pena considerare uno schema semplificato mostrato in Figura 4.
Figura 4
La figura mostra il motore M, controllato dai tasti V1 ... V6. Elementi a semiconduttore per semplificare il circuito mostrato sotto forma di contatti meccanici. Il motore elettrico è alimentato da una tensione costante Ud ottenuta dal raddrizzatore (non mostrato in figura). In questo caso, i tasti V1, V3, V5 sono chiamati in alto e i tasti V2, V4, V6 in basso.
È abbastanza ovvio che l'apertura dei tasti superiore e inferiore contemporaneamente, vale a dire con le coppie V1 e V6, V3 e V6, V5 e V2, è completamente inaccettabile: si verificherà un cortocircuito. Pertanto, per il normale funzionamento di tale schema di chiavi, è indispensabile che al momento dell'apertura del tasto inferiore, il tasto superiore sia già stato chiuso. A tal fine, i controller formano una pausa, spesso definita "zona morta".
L'entità di questa pausa è tale da garantire la chiusura garantita dei transistor di potenza. Se questa pausa non è sufficiente, è possibile aprire brevemente contemporaneamente i tasti superiore e inferiore. Ciò provoca il riscaldamento dei transistor di uscita, che spesso porta al loro fallimento. Questa situazione è chiamata attraverso le correnti.
Ritorniamo al circuito mostrato in Figura 3. In questo caso, gli interruttori superiori sono transistor 1VT3 e quelli inferiori 1VT6. È facile vedere che i tasti inferiori sono collegati galvanicamente al dispositivo di controllo e tra loro.Pertanto, il segnale di controllo dall'uscita 3 dell'elemento DD3.2 attraverso i resistori 1R1 e 1R3 viene inviato direttamente alla base del transistor composito 1VT4 ... 1VT5. Questo transistor composito non è altro che un driver chiave inferiore. Esattamente anche dagli elementi DD3, DD4, i transistor compositi del driver chiave inferiore dei canali A2 e A3 sono controllati. Tutti e tre i canali sono alimentati dallo stesso raddrizzatore. sul ponte a diodi VD2.
I tasti superiori della comunicazione galvanica con un filo comune e un dispositivo di controllo non devono quindi controllarli, oltre al driver, su un transistor composito 1VT1 ... 1VT2, è stato necessario installare un accoppiatore ottico 1U1 aggiuntivo in ciascun canale. Il transistor accoppiatore ottico di uscita in questo circuito svolge anche la funzione di un inverter aggiuntivo: quando l'uscita 3 dell'elemento DD3.2 è di alto livello, il transistor dell'interruttore superiore 1VT3 è aperto.
Un raddrizzatore separato 1VD1, 1C1 viene utilizzato per alimentare ciascun driver top-key. Ogni raddrizzatore è alimentato da un singolo avvolgimento del trasformatore, che può essere considerato un inconveniente del circuito.
Il condensatore 1C2 fornisce un ritardo di commutazione della chiave di circa 100 microsecondi, il fotoaccoppiatore 1U1 fornisce la stessa quantità, formando così la suddetta "zona morta".
La regolazione della frequenza è sufficiente?
Con una diminuzione della frequenza della tensione alternata di alimentazione, la resistenza induttiva degli avvolgimenti del motore diminuisce (basta ricordare la formula della resistenza induttiva), che porta ad un aumento della corrente attraverso gli avvolgimenti e, di conseguenza, al surriscaldamento degli avvolgimenti. Inoltre, il circuito magnetico dello statore è saturo. Per evitare queste conseguenze negative, quando la frequenza diminuisce, è necessario ridurre anche il valore effettivo della tensione sugli avvolgimenti del motore.
Un modo per risolvere il problema nei chastotnik dilettanti è stato proposto di regolare questo valore più efficace con l'aiuto di LATR, il cui contatto mobile aveva una connessione meccanica con un resistore variabile del regolatore di frequenza. Questo metodo è stato raccomandato nell'articolo di S. Kalugin, "Finalizzazione del regolatore di velocità dei motori asincroni trifase". Journal of Radio 2002, n. 3, p. 31.
In condizioni amatoriali, l'assemblaggio meccanico si è rivelato complesso e, soprattutto, inaffidabile. Un modo più semplice e affidabile di utilizzare un autotrasformatore è stato proposto da E. Muradkhanian di Yerevan nella rivista Radio n. 12 2004. Un diagramma di questo dispositivo è mostrato nelle Figure 5 e 6.
La tensione di rete di 220 V viene fornita all'autotrasformatore T1 e dal suo contatto mobile al ponte raddrizzatore VD1 con un filtro C1, L1, C2. All'uscita del filtro, si ottiene una Ureg a tensione costante variabile, che viene utilizzata per alimentare il motore stesso.
Figura 5
La tensione Ureg attraverso la resistenza R1 viene fornita anche all'oscillatore principale DA1, realizzato sul chip KR1006VI1 (versione importata NE555). Come risultato di questa connessione, un generatore convenzionale ad onda quadra si trasforma in un VCO (generatore controllato in tensione). Pertanto, con un aumento della tensione Ureg, aumenta anche la frequenza del generatore DA1, che porta ad un aumento della velocità del motore. Con una diminuzione della tensione Ureg, anche la frequenza dell'oscillatore principale diminuisce in modo proporzionale, evitando il surriscaldamento degli avvolgimenti e la sovrasaturazione del circuito magnetico dello statore.
Figura 6
Nello stesso articolo di giornale, l'autore offre una variante dell'oscillatore principale, che consente di eliminare l'uso di un autotrasformatore. Il circuito del generatore è mostrato in Figura 7.
Figura 7
Il generatore è realizzato sul secondo trigger del chip DD3, nello schema è designato come DD3.2. La frequenza è impostata dal condensatore C1, la frequenza è controllata da un resistore variabile R2. Insieme al controllo della frequenza, cambia anche la durata dell'impulso all'uscita del generatore: con la frequenza decrescente, la durata diminuisce, quindi la tensione sugli avvolgimenti del motore diminuisce. Questo principio di controllo è chiamato modulazione di larghezza di impulso (PWM).
Nel circuito amatoriale in esame, la potenza del motore è piccola, il motore è alimentato da impulsi rettangolari, quindi il PWM è piuttosto primitivo. In realtà convertitori di frequenza industriali PWM ad alta potenza è progettato per generare una tensione quasi sinusoidale in uscita, come mostrato nella Figura 8, e per implementare il lavoro con vari carichi: a coppia costante, a potenza costante e a carico del ventilatore.
Figura 8. La forma della tensione di uscita di una fase di un inverter trifase con PWM.
Parte di potenza del circuito
I moderni chastotnik hanno un risultato Transistor di potenza MOSFET o IGBTappositamente progettato per funzionare con convertitori di frequenza. In alcuni casi, questi transistor sono combinati in moduli, il che generalmente migliora le prestazioni dell'intera struttura. Questi transistor sono controllati utilizzando microcircuiti di driver specializzati. In alcuni modelli, i driver sono disponibili integrati in moduli a transistor.
Attualmente, i chip e i transistor più comuni sono International Rectifier. Nello schema descritto, è del tutto possibile utilizzare i driver IR2130 o IR2132. In un caso di tale chip ci sono sei driver contemporaneamente: tre per la chiave inferiore e tre per quella superiore, il che semplifica il montaggio di uno stadio di uscita a ponte trifase. Oltre alla funzione principale, questi driver ne contengono anche diversi altri, ad esempio la protezione da sovraccarichi e cortocircuiti. Informazioni più dettagliate su questi driver sono disponibili nelle descrizioni tecniche della scheda tecnica per i rispettivi chip.
Con tutti i vantaggi, l'unico inconveniente di questi microcircuiti è il loro prezzo elevato, quindi l'autore della costruzione ha optato per un modo diverso, più semplice, più economico e allo stesso tempo praticabile: i microcircuiti per driver specializzati sono stati sostituiti da chip timer integrati KR1006VI1 (NE555).
Tasti di uscita su timer integrati
Se torniamo alla Figura 6, possiamo vedere che il circuito ha segnali di uscita per ciascuna delle tre fasi, indicate come "H" e "B". La presenza di questi segnali consente un controllo separato dei tasti superiore e inferiore. Questa separazione consente di creare una pausa tra la commutazione dei tasti superiore e inferiore utilizzando l'unità di controllo, anziché i tasti stessi, come mostrato nel diagramma in Figura 3.
Il layout delle chiavi di uscita utilizzando i microcircuiti KR1006VI1 (NE555) è mostrato nella Figura 9. Naturalmente, per un convertitore trifase, saranno necessarie tre copie di tali chiavi.
Figura 9
Come driver dei tasti superiore (VT1) e inferiore (VT2), vengono utilizzati i microcircuiti KR1006VI1, che sono inclusi secondo lo schema di trigger Schmidt. Con il loro aiuto, è possibile ottenere una corrente di gate ad impulsi di almeno 200 mA, il che consente di ottenere un controllo sufficientemente affidabile e veloce dei transistor di uscita.
I chip dei tasti inferiori DA2 hanno una connessione galvanica con l'alimentatore + 12V e, di conseguenza, con l'unità di controllo, quindi sono alimentati da questa fonte. I microchip dei tasti superiori possono essere alimentati come mostrato nella Figura 3 utilizzando raddrizzatori aggiuntivi e avvolgimenti separati sul trasformatore. Ma in questo schema viene utilizzato un diverso metodo cosiddetto "rapido" di nutrizione, il cui significato è il seguente. Il microcircuito DA1 riceve energia dal condensatore elettrolitico C1, la cui carica si verifica attraverso il circuito: + 12V, VD1, C1, un transistor aperto VT2 (attraverso gli elettrodi lo scarico è la fonte), “comune”.
In altre parole, la carica sul condensatore C1 si verifica mentre il transistor chiave inferiore è aperto. In questo momento, il terminale negativo del condensatore C1 è quasi in cortocircuito verso il filo comune (la resistenza del drain aperto - la sezione sorgente di potenti transistor ad effetto di campo è millesimi di Ohm!), Il che rende possibile caricarlo.
Con il transistor VT2 chiuso, anche il diodo VD1 si chiuderà, la carica del condensatore C1 si fermerà fino alla successiva apertura del transistor VT2.Ma la carica del condensatore C1 è sufficiente per alimentare il chip DA1 mentre il transistor VT2 è chiuso. Naturalmente, in questo momento, il transistor della chiave superiore è nello stato chiuso. Questo schema di tasti di accensione si è rivelato così buono che viene applicato senza modifiche in altri progetti amatoriali.
Questo articolo discute solo gli schemi più semplici di inverter trifase amatoriali su microcircuiti di piccolo e medio grado di integrazione, con i quali tutto è iniziato e dove puoi persino considerare tutto dall'interno usando il circuito. Vengono realizzati disegni più moderni utilizzando microcontrollori, molto spesso serie PIC, i cui schemi sono stati anche più volte pubblicati su riviste radiofoniche.
Le unità di controllo a microcontrollore secondo lo schema sono più semplici rispetto ai microcircuiti di medio grado di integrazione, hanno le funzioni necessarie come avvio regolare del motore, protezione da sovraccarichi e cortocircuiti e alcuni altri. In questi blocchi, tutto viene implementato a spese dei programmi di controllo o come vengono chiamati "firmware". L'unità di controllo di un inverter trifase dipenderà proprio da questi programmi.
I circuiti abbastanza semplici per i controller di inverter trifase sono pubblicati sulla rivista Radio 2008 n. 12. L'articolo si chiama "L'oscillatore master per un inverter trifase". L'autore dell'articolo è anche autore di una serie di articoli sui microcontrollori e molti altri progetti. L'articolo presenta due semplici circuiti sui microcontrollori PIC12F629 e PIC16F628.
La frequenza di rotazione in entrambi gli schemi viene modificata gradualmente con l'aiuto di interruttori unipolari, il che è abbastanza in molti casi pratici. Esiste anche un collegamento in cui è possibile scaricare "firmware" già pronti e, inoltre, un programma speciale con il quale è possibile modificare i parametri del "firmware" a propria discrezione. È anche possibile il funzionamento della modalità generatori "demo". In questa modalità, la frequenza del generatore viene ridotta di 32 volte, il che consente di utilizzare visivamente i LED per osservare il funzionamento dei generatori. Fornisce inoltre raccomandazioni per il collegamento dell'alimentatore.
Ma, se non si desidera impegnarsi nella programmazione di microcontrollori, Motorola ha rilasciato un controller intelligente specializzato MC3PHAC, progettato per sistemi di controllo motore trifase. Sulla sua base, è possibile creare sistemi economici di un azionamento trifase regolabile contenente tutte le funzioni necessarie per il controllo e la protezione. Tali microcontrollori sono sempre più utilizzati in vari elettrodomestici, ad esempio in lavastoviglie o frigoriferi.
Completo di controller MC3PHAC è possibile utilizzare moduli di alimentazione standardizzati, ad esempio IRAMS10UP60A sviluppato da International Rectifier. I moduli contengono sei interruttori di alimentazione e un circuito di controllo. Per maggiori dettagli su questi elementi, consultare la relativa documentazione, che è facile da trovare su Internet.
Boris Aladyshkin
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