Задающий генератор для трехфазного инвертора

Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.

Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.

Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.

Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.

На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.

В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора

Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.

На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.

Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».

Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.

Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя на диодном мосте VD2.

Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.

Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.

Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».

Достаточно ли только регулирования частоты?

С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.

Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.

В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.

Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант NE555). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).

В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных промышленных частотных преобразователях большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.

Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы

Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.

Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.

При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Выходные ключи на интегральных таймерах

Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.

Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.

В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.

Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток – исток), «общий».

Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток – исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.

При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.

В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены с применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».

Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как плавный пуск двигателя, защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.

Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.

Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.

Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.

В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.

Вы просматриваете архив форума.

Этот форум работает только в режиме просмотра и поиска.

Действующий форум переведен на новый движок и
находится по адресу www.microchip.su

Здравствуйте!
Разработал и сделал Трехфазный инвертор на PIC16F628 и IR2130 с плавной регулировкой частоты
от1 до 99 Гц, модуляция 10кГц.Туда же навесил индикацию частоты.Синусоиду формирую табличным
методом. Таблица 255 байт.Все работает,проблема заключается в том что на высокой частоте (50-
99Гц)момент на валу маленький , а вот на частоте 5-10 Гц поболее. Мало того на частоте 1Гц
замето дерганье вала.Может это вследствие малого размера таблицы,или использования метода
классической синусоидальной центрированной ШИМ. Подскажите где возможно найти метод
формирования фазных
напряжений с компенсирующей третьей гармоникой.
С уважением Сергей

Очень любопытно, на мой взгляд великовата таблица.Еще хотелось бы посмотреть силовую схему и
принцип изменения частоты, меняется ли количество импульсов на период.

А закон управления какой? (в смысле зависимость U от f)

Каждые 100мкс счетчик увеличивает свое значение до 90 град.а затем уменьшается.(Для полупериода)
и по этой зависимости обращается к таблице синусов, Выбирает значение и складывает в регистре
амплитуды фазы, как только произошло переполнение выдается импульс длительностью 100мкс.По
форме тока на обмотке (на сопротивлении 1 Ом)смотрел осциллографом вроде Похоже на синусоиду.
В чем проблема понять не могу.
С уважением Сергей

Я же спросил силовую схему. По всей видимости маловато одной таблицы. Я делал 5 штук. Момент
полючался шороший. Толко надо иметь запас по навпряжению.

А что схема. Она стандартная нового ничего нет. Контроллер PIC16F628 RB0-RB5 подключены на
вход IR2130, На RA0-RA4,RB6-RB7- Индикаторы и клавиатура. На RA5-FAULT. А ключи подключены к
IR2130 по стандартной схеме. Форма напряжения на затворах повторяет выходную от RB0-RB5. В
схеме все О.К. у меня даже нет сомнений. Проблема в методе управления двигателем.
(Формированием ШИМ импульсов). Видимо я пошел не по тому пути.
С уважением Сергей

А где обратная связь. Надо корректировать каждый пульс, а он у Вас не чувствует двигатель.

не надо никаких обратных связей, не путайте человека.

Сергей, исходя из контекста и Ваших писем, Вы не меняете напряжение (моему тезке,
видимо, тоже так показалось). Отложите качество синусоиды на потом. Двигатель будет
НОРМАЛЬНО крутиться и от прямоугольника, но с недоиспользованием по мощности. Если
давать знакопеременные импульсы по 120 град с паузой 60 град, то это даст потерю
мощности 10. 15% (по памяти). Если Вы даете 50 герцовому двигателю 100 герц при
том же напряжении, Вы имеете падение момента вчетверо. При малых частотах, железо
насыщается, падает индуктивное сопротивление, ток намагничивания (это вертикальная
палка в Т-образной схеме замещения) начинает неконтролируемо расти. Судя по тому,
что у Вас ничего не погорело, Вы использовали двигатель очень малой мощности (сотня
ватт), у которого существенно омическое (даже не активное) сопротивление статора и
оно несколько ограничело ток. Потренеруйтесь – сделайте прямоугольник, но
модулированный в режиме ШИМ2 и меняйте напряжение пропорционально частоте.

Кому интересно схему и программу можете найти на моем сайте http://www.radio-konst.narod.ru
Не судите строго. Это всего лиш радиолюбительская конструкция. Если поможете написать программу
лучше и правильнее с удовольствием помещу на своем сайте.
С уважением Сергей.

Dobry vecher uvojaemy Sergey.Proekt ostavlyaet vpechatlenie,odnako na skol’ko ya
ponyal ,vras’enie dvigatelya odnostoronee,a tak-je otsutstvuet terminal’noe
uprovlenie vremenem uskoreniya i tormojeniya,chto v korne otlichaet, po svoim
technicheskim dannym, invertory ot plavnyh puskateley. A v octal’nom vse SUPER, i
voobs’e otdel’noe spasibo za Vash side, mnogo interesnogo.Da esli Vam ne trudno ,
hotelos’ by vzglyanut’ na programmu invertora ,v "ASM" ,a luchshe "C" formate.
Blagodaryu.

Честно говоря стыдно показывать ASM, Да и к тому же метод управления выбран неудачный, без
регулировки амплитуды на выходе.

Да кстати если уж очень нужно возьмите дизассемблер и вперед

Наверное все же придется выложить исходник на сайт так как слишком много просьб
поступило. Хотя я писал что как рабочая эта программа не подойдет, ее надо
переделывать. Эта работа достаточно сложная и так просто ее не сделать, необходимо
учитывать массу факторов, ну например в зависимости от нагрузки на валу в процессе
вращения менять ширину импульсов, то есть необходим достаточно мощный процессор,
или сразу делать двухпроцессорную систему один обсчитывает второй управляет. Мою
схему можно без проблем использовать в управлении 3х фазным двигателем который
может работать от прямоугольных импульсов.
Текс программы на ассемблере для MPLAB

Сегодня поместил исходники на все статьи подробно расписаны все команды
начинающим очень может быть полезно
С уважением Сергей

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.

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.

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.