Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока и способ управления им. Простая схема управления трехфазным инвертором напряжения Схемы генераторов трехфазных последовательности импульсов

Тема питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети не нова, но по-прежнему остается актуальной. Сегодня мы предлагаем вниманию читателей еще одно техническое решение проблемы. Для упрощения задающего генератора - основы трехфазного инвертора, обеспечивающего питание такого двигателя, - автор статьи предлагает использовать микроконтроллер.
За последние годы в журнале "Радио" описано немало трехфазных инверторов - преобразователей постоянного или переменного однофазного напряжения в трехфазное. Эти устройства предназначены, как правило, для питания асинхронных трехфазных электродвигателей в отсутствие трехфазной сети. Многие из них позволяют регулировать частоту вращения вала двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.
Кроме мощных выходных узлов, непосредственно связанных с двигателем, все инверторы содержат задающий генератор, формирующий необходимые для работы названных узлов многофазные импульсные последовательности. Собранный на стандартных логических микросхемах, такой генератор представляет собой довольно сложное устройство. Особенно усложняет его необходимость при регулировке частоты импульсов изменять по определенному закону их скважность (для сохранения тока в обмотках питаемого от инвертора электродвигателя в допустимых пределах). Часто применяемая одновременная регулировка этих параметров обычным сдвоенным переменным резистором не позволяет соблюдать нужную взаимосвязь с достаточной степенью точности.
Все эти проблемы легко решаются с помощью микроконтроллера (МК). Схема задающего генератора (рис. 1) упрощается до предела, а все его свойства реализуются программно. Здесь элементы U1.1-U6.1 - излучающие диоды транзисторных оптронов, связывающих генератор с мощными узлами инвертора. Через диоды U1.1, U3.1 и U5.1 ток протекает в интервалы времени, когда должны быть открыты "верхние" (по схеме) ключи фаз А, В и С соответственно, а через диоды U2.1, U4.1, U6.1, когда должны быть открыты "нижние" ключи этих фаз. Значения тока, протекающего через излучающие диоды, можно изменить подбором резисторов R3-R5, но они не должны превышать допустимых для МК 25 мА.
В оптоизолированной от задающего генератора мощной части инвертора импульсы нужной полярности для управления ключами формируют с помощью узлов, выполненных по схемам, показанным на рис. 2 (а - положительной, б - отрицательной). Здесь Uп.2 - фототранзисторы оптронов U1-U6 (см. рис. 1). Напряжение питания Uпит и номинал резистора R1 выбирают в зависимости от типа применяемых в инверторе мощных ключей и их драйверов.

Переключателем SA1 (см. рис. 1) выбирают одно из четырех значений частоты трехфазного напряжения. В прилагаемом к статье варианте программы (файл G3F629.HEX) два из них ниже номинального (50 Гц), а одно выше. Длительность формируемых импульсов при номинальной и повышенной частотах немного меньше полупериода их повторения, что исключает одновременное открывание "верхнего" и "нижнего" ключей одной фазы. Понижение частоты относительно номинальной достигается увеличением пауз между импульсами, длительность которых остается той же, что и при номинальной частоте. Этим обеспечивается неизменность амплитуды импульсов тока в обмотках двигателя и предотвращается насыщение его магнитопровода. Если необходимости в изменении частоты нет, переключатель SA1 и диоды VD1, VD2 исключают (устройство будет генерировать импульсы с частотой повторения 50 Гц). Вместо МК PIC12F629 можно применить PIC12F675.
Схема аналогичного генератора на МК PIC16F628 показана на рис. 3. Его основное преимущество перед рассмотренным ранее - возможность подключения к МК внешнего кварцевого резонатора ZQ1 и увеличения частоты формируемых сигналов пропорционально отношению частот резонатора и внутреннего генератора МК (4 МГц). Например, при частоте резонатора 20 МГц максимальная частота трехфазного напряжения достигнет 88,5x20/4 = 442,5 Гц (здесь 88,5 Гц - максимальная частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК - встроенного или с внешним кварцевым резонатором - 4 МГц). Если повышать частоту не нужно, кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С1, С2 (на рис. 3 показаны штриховыми линиями) не устанавливают, а МК конфигурируют на работу от встроенного RC-генератора. Именно на такую конфигурацию устройства рассчитан прилагаемый к статье вариант программы G3F628.HEX. Без изменений в схеме и программе допустима замена PIC16F628 на PIC16F628A или PIC16F648A.

Оптическая развязка задающего генератора и мощных узлов трехфазного инвертора в данном случае не предусмотрена, однако ее несложно организовать, подключив к паре выходов каждой фазы излучающие диоды оптронов по схеме, изображенной на рис. 4. Кроме развязки, такое схемное решение дополнительно гарантирует, что "верхний" и "нижний" ключи каждой фазы не будут открыты одновременно (при одинаковых уровнях напряжения на выходах МК ток через излучающие диоды отсутствует, а при разных течет только через один из них).
Если записанные в программе МК по умолчанию значения частоты и скважности импульсов по каким-либо причинам не подходят, их можно изменить (а в варианте для МК PIC16F628 еще и поменять полярность выходных импульсов). Для этого предназначена компьютерная программа "Настройка трехфазного генератора" (G3F.exe), после запуска которой на экран монитора выводится окно, показанное на рис. 5.

Настройку начинают с выбора МК, для которого предназначена откорректированная программа. Затем при необходимости изменяют указанные в таблице значения частоты формируемых импульсов и их коэффициента заполнения (обратная скважности величина, называемая в англоязычной литературе "duty cycle"). Делают это с помощью имеющихся в соответствующих графах таблицы кнопок со стрелками. Значения "некруглые", они изменяются с предусмотренной в программе МК дискретностью. Пределы изменения частоты в каждом положении переключателя SA1 ограничены значениями, установленными для его положений с меньшим и большим номерами. Наибольшая частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК 4 МГц, равна, как уже говорилось, 88,5 Гц, наименьшая - 8,02 Гц.
Значение коэффициента заполнения можно изменять вручную в пределах от нуля (импульсы отсутствуют) до 98,33 % (пауза между импульсами, открывающими "верхние" и "нижние" ключи, минимальна). Если же нажать на экранную кнопку "Автоматически", за основу будет принят коэффициент заполнения для положения переключателя SA1, соответствующего номинальной частоте (оно обозначено "ном."). Для частоты выше номинальной коэффициент будет установлен таким же, а ниже ее снижен пропорционально частоте. Заметим, что за номинальное может быть принято любое положение переключателя - достаточно "щелкнуть" мышью рядом с его номером.

Поля "Тактовый генератор" и "Полярность импульсов", расположенные ниже таблицы режимов работы генератора, активны только при выборе МК PIC16F628. В первом из них выбирают тип тактового генератора и при необходимости уточняют его частоту. Во втором устанавливают полярность выходных импульсов отдельно для каналов управления "верхними” и "нижними" ключами. Учтите, что при использовании оптической развязки по схеме, изображенной на рис. 4, полярность импульсов может быть любой, но обязательно одинаковой. В других случаях ее выбирают в зависимости от особенностей мощных узлов инвертора.
Закончив установку всех нужных значений, нажмите на экранную клавишу "Создать НЕХ-файл". Откроется окно, в котором следует указать имя этого файла (программа предлагает G3F.HEX), место на жестком диске компьютера, куда он будет записан, и затем нажать на экранную кнопку "Сохранить". Остается загрузить созданный файл в программную память МК.

В заключение - об имеющемся в окне программы настройки генератора пункте "Демо”. Если его отметить, будет сформирован вариант программы с уменьшенными в 32 раза относительно указанных в таблице значениями частоты формируемых импульсов. Если в генераторе, собранном по схеме рис. 1, загрузить его в МК, к которому вместо излучающих диодов оптронов подключена светодиодная сборка DLA/6GD (рис. 6), можно увидеть поочередные вспышки шести расположенных в ней по окружности светодиодов, что имитирует вращение ротора трехфазного двигателя. Такую конструкцию вполне можно использовать как игрушку или сувенир. Светодиодную сборку можно заменить шестью единичными светодиодами, в том числе разного цвета свечения, смонтировав их на плате подходящих размеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубровский А. Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. - Радио, 2001, № 4, С. 42, 43.
2. Калугин С. Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. - Радио, 2002, N9 3, с. 31.
3. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. - Радио, 2003, № 12, с. 35-37.
4. Мурадханян Э. Управляемый инвертор для питания трехфазного двигателя. - Радио, 2004, № 12, с. 37, 38.
Материал взят из: Журнала Радио 2008 №12

В архиве Программа, Прошивка и Исходный код

(cкачиваний: 2447)

Сайт находится в тестовом режиме. Приносим извинения за сбои и неточности.
Просим Вас писать нам о неточностях и проблемах через форму обратной связи.

Задающий генератор для трехфазного инвертора.

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники и может быть использовано для питания с частотой 400 Гц бортовых систем летательных аппаратов (ЛА), а также для питания высокочастотного инструмента частотой 400 Гц или 200 Гц. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении массогабаритных показателей устройства, повышении надежности и качества выходного напряжений за счет контроля и управления генератором паузы. Для этого заявленное устройство, которое выполнено по мостовой схеме, содержащий полностью управляемые ключи с встречно-параллельно соединенными диодами, нагрузки фаз, соединенные по схеме звезда, и блок управления, включает новый, согласно техническому решению, блок управления, состоящий из задающего генератора, генератора паузы включения управляющих ключей, формирователя трехфазной последовательности импульсов и задатчика параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н, вход которого подключен к цепи нагрузки. Другой объект - способ управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока снабжен блоком управления, формирующим паузу между включениями управляемых ключей, и длительность паузы между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора при значениях cos φ н =1,0÷0,8 составляет 0,05Т÷0,044Т. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники, может быть использовано для питания с частотой 400 Гц бортовых систем летательных аппаратов (ЛА), а также для питания высокочастотного инструмента частотой 400 Гц или 200 Гц.

Известны трехфазные инверторы со звеном постоянного тока, включением нагрузки по схеме звезда, с продолжительностью (λ) открытого состояния управляемых ключей половины периода (λ=180° эл.), в которых фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму [Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М.Чиженко. Киев. Изд-во: Техника, 1978, с.131, 132, рис.3.38 и 3.39б,в].

Недостатками таких инверторов являются относительно низкая надежность из-за возможности протекания сквозных токов через противофазные управляемые вентили всех фаз при переключении, а также высокий коэффициент нелинейных искажений, т.е. значительное отличие выходного напряжения от синусоидального.

Существуют схемы формирования трехфазных последовательностей импульсов управления вентилями каждой фазы, но они не позволяют формировать интервал между включениями противофазных вентилей [В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Металлургия, 1988, с.59, рис.1.38а, б].

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является трехфазный инвертор со звеном постоянного тока, который выполнен по мостовой схеме, содержащий полностью управляемые ключи с встречно-параллельно соединенными диодами, нагрузки фаз, соединенные по схеме звезда, блок управления и вспомогательные ключи, соединенные с соответствующими фазами нагрузки и дополнительным конденсатором, причем основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12Т, а вспомогательные 1/12Т, где Т - период выходного напряжения [Патент (РФ) №2125761, Н02М 7/5387,1999].

Недостатками данного устройства являются большое число дополнительных элементов, сложность, а также относительно низкая надежность.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных показателей устройства, повышение надежности и качества выходного напряжения за счет контроля и управления генератором паузы.

Задача решается тем, что в трехфазный инвертор со звеном постоянного тока, выполненный по мостовой схеме, содержащий полностью управляемые ключи с встречно-параллельно соединенными диодами, нагрузки фаз, соединенные по схеме звезда, блок управления, согласно изобретению блок управления содержит задающий генератор, формирователь трехфазной последовательности импульсов и задатчик параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н, вход которого подключен к цепи нагрузки, генератор паузы включения управляемых ключей и первый, второй, третий дешифратор управляющих импульсов ключей противофазных плеч соответствующих фаз инвертора, входы которых соединены с выходом генератора паузы включения управляемых ключей и соответствующими выходами формирователя трехфазной последовательности импульсов, выход задающего генератора подключен к первому входу генератора паузы включения управляемых ключей и второму входу задатчика параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н.

Поставленная задача решается также способом управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока, по которому согласно изобретению длительность паузы между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора при cos φ н =1,0÷0,8 задают 0,05Т÷0,044Т.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема трехфазного инвертора, на фиг.2 - временные диаграммы напряжений.

Инвертор состоит из силовых модулей 1-6, состоящих из ключей и диодов, включенных встречно-параллельно ключам, которые соединены по мостовой схеме одним зажимом с отрицательным зажимом источника питания 7, а другим - с соответствующей фазой нагрузки 8. Блок управления 9 состоит из задающего генератора 10, формирователя трехфазной последовательности импульсов 11, первого дешифратора управляющих импульсов 12, второго дешифратора управляющих импульсов 13, третьего дешифратора управляющих импульсов 14 каждой фазы А,В,С, генератора паузы 15 и задатчика параметров периода выходного напряжения Т, коэффициента мощности нагрузки cos φ н 16 (фиг.1).

От задающего генератора 10 поступают импульсы (U10) (фиг.2) формирователю трехфазной последовательности импульсов 11, выдающего импульсы управления (U11) на верхние и нижние силовые модули 1-6 каждого плеча моста в течение полупериода выходного напряжения. Длительность паузы между включениями противофазных плеч инвертора (tп) задается генератором паузы 15, на вход которого подаются импульсы с задающего генератора 10. Генератор паузы 15 осуществляет одновременное введение паузы в первый, второй, третий дешифраторы управляющих импульсов 12, 13, 14. Импульсы поступают с блока управления 9 на верхние (U1) и нижние (U2) силовые модули 1-6 каждого плеча моста с паузой между включениями противофазных плеч инвертора. Задатчик параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н 16, на вход которого поступают с задающего генератора 10 импульсы, осуществляет контроль и управление генератором паузы 15 по полученным значениям периода выходного напряжения Т, коэффициента мощности нагрузки cos φ н с нагрузки фаз 8.

Как видно из временных диаграмм, напряжение на нагрузке (U8) имеет трехступенчатую форму с паузой между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора, что приближает форму фазного напряжения к синусоидальной. Это приводит к уменьшению содержания нечетных гармоник, следовательно, улучшается качество выходного напряжения устройства.

Пример конкретной реализации способа.

От задающего генератора 10 подают импульсы формирователю трехфазной последовательности импульсов 11, выдающего импульсы управления на верхние и нижние силовые модули 1-6. Длительность паузы между включениями противофазных плеч инвертора для значения cos φ н =1,0 задают генератором паузы 15, равной значению 0,05Т. Генератор паузы 15 осуществляет одновременное введение значения 0,05Т в первый, второй, третий дешифраторы управляющих импульсов 12,13,14. Импульсы поступают с блока управления 9 на верхние и нижние силовые модули 1-6 каждого плеча моста с паузой, равной значению 0,05Т между включениями противофазных плеч инвертора, формируя трехступенчатую форму выходного напряжения.

Применение данного трехфазного инвертора позволяет упростить схему, уменьшить габариты и вес, повысить надежность устройства. Способ управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока приближает форму выходного напряжения к синусоидальной, что улучшает качество выходного напряжения при значениях cos φ н =1,0÷0,8.

1. Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока, выполненный по мостовой схеме, содержащий полностью управляемые ключи с встречно-параллельно соединенными диодами, нагрузки фаз, соединенные по схеме звезда, блок управления, отличающийся тем, что блок управления содержит задающий генератор, формирователь трехфазной последовательности импульсов и задатчик параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н, вход которого подключен к цепи нагрузки, генератор паузы включения управляемых ключей и первый, второй, третий дешифраторы управляющих импульсов ключей противофазных плеч соответствующих фаз инвертора, входы которых соединены с выходом генератора паузы включения управляемых ключей и соответствующими выходами формирователя трехфазной последовательности импульсов, выход задающего генератора подключен к первому входу генератора паузы включения управляемых ключей и второму входу задатчика параметров периода выходного напряжения Т и коэффициента мощности нагрузки cos φ н.

2. Способ управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока, отличающийся тем, что длительность паузы между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора при cos φ н =1,0÷0,8 задают 0,05÷0,044Т.

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным полумостовым транзисторным инверторам, предназначено для использования в электротехнической промышленности и может применяться в различных вторичных источниках питания, например в электросварочных аппаратах, зарядных устройствах, источниках тока с высокой стабилизацией выходного выпрямленного тока и т.п.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на электроподвижном составе с тяговыми асинхронными двигателя, питающимися от контактной сети постоянного тока, в частности на электроподвижном составе вагонов метрополитена.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для индукционного нагрева и плавки металлов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных устройствах, вращающейся машине или в двигателе транспортного средства для преобразования переменного тока в постоянный или наоборот или для изменения формы, амплитуды и частоты тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводах и высоковольтной технике. Техническим результатом является повышение надежности за счет исключения полного отказа установки, использующей вентильный преобразователь. В вентильном преобразователе переменного тока тормозное сопротивление имеет несколько отдельных тормозных сопротивлений (18), которые, соответственно, являются частью биполярного подмодуля (14), причем подмодули (14), при образовании последовательного соединения подмодулей, включены последовательно и по меньшей мере частично содержат накопитель (16) энергии в параллельном соединении с соответственно сопоставленным отдельным тормозным сопротивлением (18) и управляемый силовой полупроводник (28) торможения, который в положении торможения допускает протекание тока через соответственно сопоставленное отдельное тормозное сопротивление (18), а в положении нормального режима работы прерывает протекание тока через него. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления множеством силовых преобразователей, в частности электронных частотных преобразователей, посредством беспроводной связи. Техническим результатом является повышение быстродействия и точности управления. В способе и системе беспроводного управления переключающими устройствами каждый силовой преобразователь содержит полупроводниковые устройства большой мощности. Управляющие сигналы передаются между контроллером и беспроводным узлом одного или более из указанного множества силовых преобразователей с использованием беспроводной системы связи. Управляющие сигналы передаются в локальный беспроводной узел одного или более из множества силовых преобразователей. Передача данных включает пакеты данных, содержащие такую управляющую информацию, что временной модуль локального беспроводного узла может быть синхронизирован с использованием временной синхронизирующей информации беспроводной системы связи. В качестве других аспектов настоящего изобретения описываются система, применяющая указанный способ, и компьютерная программа для выполнения указанного способа. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах регулирования мощности, передаваемой в нагрузку. Технический результат - повышение энергетической эффективности и надежности. В мостовой преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах, введена дополнительная конденсаторная цепь, включенная между первым и вторым выводами выходной цепи транзисторного моста. В простейшем случае дополнительная конденсаторная цепь содержит один конденсатор. В другом варианте устройства дополнительная конденсаторная цепь выполнена в виде четырех конденсаторов, и первый, второй, третий и четвертый ее конденсаторы включены параллельно выходным цепям соответственно первого, второго, третьего и четвертого силовых транзисторов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах БП и обратных преобразователях Технический результат - повышение надежности и эффективности для пользователей и поставщиков. Способ и устройство для обеспечения решения по несовместимости между системами бесперебойного питания (БП) несинусоидального колебания и нагрузками с активной коррекцией коэффициента мощности (ККМ) включает в себя этапы, на которых: генерируют несинусоидальное сигнальное колебание (к примеру, колебание напряжения), подлежащее доставке в нагрузку, со скважностью широтно-импульсной модуляции (ШИМ); дискретизируют это несинусоидальное колебание для накопления выходных сигнальных отсчетов и регулируют скважность для управления несинусоидальным сигнальным колебанием в зависимости от выходных сигнальных отсчетов, чтобы доставлять в нагрузку желаемую сигнальную характеристику (к примеру, среднеквадратичный сигнальный уровень). В вариантах осуществления изобретения выходная скважность регулируется по-разному в случаях, соответственно, нарастающего и падающего потребления мощности нагрузкой. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к преобразователям электрической энергии, конкретно к автономным инверторам напряжения и может быть использовано во вторичных источниках питания в общепромышленной технике, а так же в преобразователях собственных нужд для локомотивов на железнодорожном транспорте. Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных размеров преобразователя. Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь постоянного тока в переменный ток, содержащий источник постоянного напряжения с конденсатором на выходе, мостовой инвертор напряжения, состоящий из четырех ключей, каждый из которых состоит из транзистора и обратного диода, выводы постоянного тока которого соединены с выходом источника постоянного напряжения, а выводы переменного тока подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, систему управления, кроме этого в магнитопровод трансформатора встроен датчик Холла, выход которого подключен к входу системы управления, выходы которой подключены к входам первого и второго драйверов, каждый из которых управляет двумя последовательно включенными ключами мостового инвертора напряжения. 1ил.

Изобретение относится к трехфазному источнику бесперебойного питания. Технический результат заключается в осуществлении заявленного изобретения без использования ступенчатого изменения в работе двух преобразователей электроэнергии так, чтобы на нагрузку могла подаваться стандартная трехфазная электроэнергия. Для этого заявленная схема преобразователя электроэнергии, содержащая вход, включающая множество входных линий, каждая из которых предназначена для соединения с фазой многофазного источника электроэнергии переменного тока, имеющей синусоидальный сигнал; множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, имеющую первое номинальное напряжение постоянного тока, вторую положительную шину постоянного тока, имеющую второе номинальное напряжение постоянного тока, первую отрицательную шину постоянного тока, имеющую третье номинальное напряжение постоянного тока, и вторую отрицательную шину постоянного тока, имеющую четвертое номинальное напряжение постоянного тока; схему преобразователя электроэнергии, включающую первый преобразователь электроэнергии и второй преобразователь электроэнергии, каждый из которых соединен с входом переменного тока и по меньшей мере одной из множества шин постоянного тока. 3 н. п. ф - лы, 17 з. п. ф - лы, 16 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях мощности. Технический результат - повышение коэффициента мощности и коэффициента полезного действия. Звено (3) DC содержит конденсатор (3а), подключенный параллельно выходу схемы (2) преобразователя, и выдает пульсирующее напряжение (vdc) звена DC. Схема (4) инвертора преобразует выход звена (3) DC в АС путем коммутации и подает АС в подключенный к ней двигатель (7). Контроллер (5) управляет коммутацией схемы (4) инвертора таким образом, что токи (iu, iv и iw) двигателя пульсируют синхронно с пульсацией напряжения (vin) питания. Контроллер (5) управляет коммутацией схемы (4) инвертора в соответствии с нагрузкой двигателя (7) или рабочим состоянием двигателя (7) и снижает амплитуду пульсации токов (iu, iv и iw) двигателя. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано, например, в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного электропитания. Технический результат заключается в разработке автономного инвертора напряжения, позволяющего снизить потери мощности за счет обеспечения минимального сопротивления цепи, по которой протекает ток каждой фазы, при сохранении низкого уровня высших гармоник напряжения на фазах двигателя. Для этого заявленное устройство содержит первый электрический мост из трех параллельно соединенных полумостов, выполненных из нескольких последовательно соединенных транзисторов, зашунтированных обратными диодами, второй шестиплечевой электрический мост, представляющий собой три параллельно соединенных полумоста, выполненных из двух последовательно соединенных пар транзисторов, каждая из которых состоит из двух соединенных разноименными силовыми выводами транзисторов, и делитель напряжения из трех последовательно соединенных конденсаторов. Первый и четвертый выходы делителя напряжения подключены к входам первого электрического моста, а второй и третий его выходы - к входам второго электрического моста. Выходы одноименных полумостов первого и второго мостов соединены между собой и подключены к соответствующей фазе двигателя. 1 ил.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и является устройством, реализующим энергетически эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку. Технический результат - повышение энергетической эффективности и надежности. Устройство представляет собой двухтактный мостовой преобразователь напряжения, который содержит транзисторы (силовые управляемые ключи), образующие транзисторную мостовую схему, и двухполюсник нагрузки транзисторной мостовой схемы. Первый и второй транзисторы транзисторной мостовой схемы, соединенные последовательно, образуют первую транзисторную цепь, которая включена между шинами питания. Третий и четвертый транзисторы транзисторной мостовой схемы, соединенные последовательно, образуют вторую транзисторную цепь, которая включена между шинами питания. Средние точки первой и второй транзисторных цепей являются соответственно первым и вторым выводами выходной цепи транзисторной мостовой схемы, и с ними соединены первый и второй выводы двухполюсника нагрузки транзисторной мостовой схемы. Первый и второй транзисторы управляются парафазными импульсными сигналами первой их последовательности, а третий и четвертый транзисторы управляются парафазными импульсными сигналами второй их последовательности. Вторая последовательность парафазных импульсных сигналов сдвинута по времени относительно первой последовательности. Поставленные цели достигаются тем, что введены дополнительно дроссели и С-цепи, содержащие конденсаторы. Первый вывод обмотки первого дросселя непосредственно соединен с первым выводом выходной цепи транзисторной мостовой схемы, а второй вывод обмотки первого дросселя подключен к шинам питания или к шине питания через конденсаторы или конденсатор первой С-цепи. Первый вывод обмотки второго дросселя непосредственно соединен со вторым выводом выходной цепи транзисторной мостовой схемы, а второй вывод обмотки второго дросселя подключен к шинам питания или к шине питания через конденсаторы или конденсатор второй С-цепи. В первом варианте схемы предлагаемого устройства введены дополнительные конденсаторы, и в первой и второй транзисторных цепях каждый из содержащихся в них транзисторов или один из них шунтирован соответствующим дополнительным конденсатором. Во втором варианте схемы предлагаемого устройства введены дополнительные диоды. Второй вывод обмотки первого дросселя подключен к первой и второй шинам питания через соответственно первый и второй дополнительные диоды. Второй вывод обмотки второго дросселя подключен к первой и второй шинам питания через соответственно третий и четвертый дополнительные диоды. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники и может быть использовано для питания с частотой 400 Гц бортовых систем летательных аппаратов, а также для питания высокочастотного инструмента частотой 400 Гц или 200 Гц

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 1.

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.

Рисунок 3.

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

Рисунок 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 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.

Рисунок 5.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант ). 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.

Рисунок 6.

Рисунок 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 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 , 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.

Рисунок 9.

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 , 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 , 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.