Как изменить частоту переменного тока схема

Способы увеличения частоты тока

Наиболее популярным на сегодняшний день методом увеличения (или уменьшения) частоты тока является применение частотного преобразователя. Частотные преобразователи позволяют получить из однофазного или трехфазного переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) ток требуемой частоты, например от 1 до 800 Гц, для питания однофазных или трехфазных двигателей.

Наряду с электронными частотными преобразователями, с целью увеличения частоты тока, применяют и электроиндукционные частотные преобразователи, в которых например асинхронный двигатель с фазным ротором работает частично в режиме генератора. Еще есть умформеры — двигатели-генераторы, о которых также будет рассказано в данной статье.

Электронные преобразователи частоты

Электронные преобразователи частоты позволяют плавно регулировать скорость синхронных и асинхронных двигателей благодаря плавному повышению частоты на выходе преобразователя до заданного значения. Наиболее простой подход обеспечивается заданием постоянной характеристики V/f, а более прогрессивные решения используют векторное управление.

Частотные преобразователи, обычно, включают в себя выпрямитель, который преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный; после выпрямителя стоит инвертор, в простейшем виде — на базе ШИМ, который преобразует постоянное напряжение в переменный ток нагрузки, причем частота и амплитуда задаются уже пользователем, и эти параметры могут отличаться от сетевых параметров на входе в большую или в меньшую сторону.

Выходной блок электронного преобразователя частоты чаще всего представляет собой тиристорный или транзисторный мост, состоящий из четырех или из шести ключей, которые и формируют требуемый ток для питания нагрузки, в частности — электродвигателя. Для сглаживания помех в выходном напряжении, на выходе добавляют EMC-фильтр.

Как говорилось выше, электронный преобразователь частоты использует для своей работы в качестве ключей тиристоры или транзисторы. Для управления ключами применяется микропроцессорный модуль, служащий контроллером, и одновременно выполняющий ряд диагностических и защитных функций.

Между тем, частотные преобразователи бывают все таки двух классов: с непосредственной связью, и с промежуточным звеном постоянного тока. При выборе между этими двумя классами взвешивают достоинства и недостатки того и другого, и определяют целесообразность того или иного для решения насущной задачи.

С непосредственной связью

Преобразователи с непосредственной связью отличаются тем, что в них используется управляемый выпрямитель, в котором группы тиристоров поочередно отпираясь коммутируют нагрузку, например обмотки двигателя, прямо к питающей сети.

В результате на выходе получаются кусочки синусоид сетевого напряжения, а эквивалентная частота на выходе (для двигателя) становится меньше сетевой, в пределах 60% от нее, то есть от 0 до 36 Гц для 60 Гц входа.

Такие характеристики не позволяют в широких пределах варьировать параметры оборудования в промышленности, от того и спрос на данные решения низок. Кроме этого незапираемые тиристоры сложно управляются, стоимость схем становится выше, да и помех на выходе много, требуются компенсаторы, и как следствие габариты высокие, а КПД низкий.

С звеном постоянного тока

Гораздо лучше в этом отношении частотные преобразователи с ярко выраженным звеном постоянного тока, где сначала переменный сетевой ток выпрямляется, фильтруется, а затем снова схемой на электронных ключах преобразуется в переменный ток нужной частоты и амплитуды. Здесь частота может быть значительно выше. Безусловно, двойное преобразование несколько снижает КПД, зато выходные параметры по частоте как раз соответствуют требованиям потребителя.

Чтобы на обмотках двигателя получить чистый синус, используют схему инвертора, в котором напряжение нужной формы получается благодаря широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Электронными ключами здесь служат запираемые тиристоры или IGBT-транзисторы.

Тиристоры выдерживают большие импульсные токи, по сравнению с транзисторами, поэтому все чаще прибегают именно к тиристорным схемам, как в преобразователях с непосредственной связью, так и в преобразователях с промежуточным звеном постоянного тока, КПД получается до 98%.

Справедливости ради отметим, что электронные преобразователи частоты для питающей сети являются нелинейной нагрузкой, и порождают в ней высшие гармоники, это ухудшает качество электроэнергии.

С целью преобразования электроэнергии из одной ее формы в другую, в частности — для повышения частоты тока без необходимости прибегать к электронным решениям, применяют так называемые умформеры — двигатели-генераторы. Такие машины функционируют подобно проводнику электроэнергии, однако на самом деле прямого преобразования электроэнергии, как например в трансформаторе или в электронном частотном преобразователе, как такового не происходит.

Здесь доступны следующие возможности:

постоянный ток может быть преобразован в переменный более высокого напряжения и требуемой частоты;

постоянный ток может быть получен из переменного;

прямое механическое преобразование частоты с повышением или понижением оной;

получение трехфазного тока требуемой частоты из однофазного тока сетевой частоты.

В каноническом виде мотор-генератор представляет собой электродвигатель, вал которого напрямую соединен с генератором. На выходе генератора устанавливают стабилизирующее устройство для улучшения частотных и амплитудных параметров получаемой электроэнергии.

В некоторых моделях умформеров якорь содержит обмотки и моторные и генераторные, которые гальванически развязаны, и выводы которых соединены соответственно с коллектором и с выходными контактными кольцами.

В других вариантах встречаются общие обмотки для обоих токов, например для преобразования числа фаз коллектора с контактными кольцами нет, а просто от обмотки статора делаются отводы для каждой из выходных фаз. Так асинхронная машина преобразует однофазный ток в трехфазный (тождественно в принципе увеличению частоты).

Итак, мотор-генератор позволяет преобразовать род тока, напряжение, частоту, количество фаз. До 70-х годов в военной технике СССР использовались преобразователи данного типа, где они питали, в частности, устройства на лампах. Однофазные и трехфазные преобразователи питались постоянным напряжением 27 вольт, а на выходе получалось переменное напряжение 127 вольт 50 герц однофазное или 36 вольт 400 герц трехфазное.

Мощность таких умформеров достигала 4,5 кВА. Подобные машины использовались и в электровозах, где постоянное напряжение 50 вольт преобразовывалось в переменное 220 вольт частотой до 425 герц для питания люминесцентных ламп, и 127 вольт 50 герц для питания бритв пассажиров. Первые ЭВМ часто использовали для своего питания умформеры.

По сей день кое-где еще можно встретить умформеры: на троллейбусах, в трамваях, в электропоездах, где их устанавливали с целью получения низкого напряжения для питания цепей управления. Но нынче они уже вытеснены почти полностью полупроводниковыми решениями (на тиристорах и транзисторах).

Преобразователи типа мотор-генератор ценны рядом достоинств. Во-первых это надежная гальваническая развязка выходной и входной силовых цепей. Во-вторых, на выходе получается чистейший синус без помех, без шумов. Устройство очень просто по своей конструкции, от того и обслуживание довольно бесхитростно.

Это легкий способ получения трехфазного напряжения. Инерция ротора сглаживает броски тока при резком изменении параметров нагрузки. И конечно, здесь очень просто осуществлять рекуперацию электроэнергии.

Не обошлось и без недостатков. Умформеры имеют движущиеся части, от того и ресурс их ограничен. Масса, вес, обилие материалов, и как следствие — высокая стоимость. Шумная работа, вибрации. Необходимость в частой смазке подшипников, чистке коллекторов, замене щеток. КПД в пределах 70%.

Несмотря на недостатки, механические моторы-генераторы по сей день применяются в электроэнергетической отрасли для преобразования больших мощностей. В перспективе моторы-генераторы вполне могут помочь согласованию сетей с частотами 60 и 50 Гц, либо для обеспечения сетей с повышенными требованиями по качеству электроэнергии. Питание обмоток ротора машины в данном случае возможно от твердотельного преобразователя частоты небольшой мощности.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Как трансформатором изменить частоту

Рейтинг 1.8/5 (59 голосов)

Трансформаторы для преобразования частоты

С использованием трансформаторов выполняют схемы для удвоения и утроения частоты питающего напряжения.

Удвоение частоты осуществляют с помощью трансформатора, магнитная система которого состоит из двух независимых магнитопроводов α и β (рис. 1). Первичная обмотка, имеющая число витков w₁ и включаемая в сеть с частотой f₁ охватывает оба магнитопровода. Магнитопроводы α и β обмоткой О, состоящей из двух частей, подмагничиваются таким образом, что усиливается поток магнитопровода α и ослабляется поток магнитопровода β (рис. 1). В каждом магнитопроводе МДС, создаваемая этой обмоткой, равна F. В правом квадранте на рис. 2 построены магнитные характеристики Ф_α=f(i₁) и Ф_β=f(i₁) магнитопроводов с учетом действия МДС F. Там же показана зависимость суммарного магнитного потока Ф_α+ Ф_β от тока первичной обмотки i₁. Магнитный поток Ф_α+Ф_β=Ф сцеплен с первичной обмоткой и наводит в ней ЭДС e₁ (эта ЭДС практически равна и направлена противоположно приложенному напряжению u₁).

Вторичная обмотка с числом витков w₂ состоит из двух частей, расположенных на разных магнитопроводах. Эти части обмотки включены встречно, поэтому результирующее потокосцепление вторичной обмотки пропорционально разности магнитных потоков (Ф_α — Ф_β). Зависимость (Ф_α — Ф_β) = f(i₁) также показана на рис. 2.

Если к первичной обмотке приложить синусоидальное напряжение u₁, то магнитный поток Ф = Ф_α+Ф_β будет практически синусоидальным и изменяться во времени с частотой f₁ (левый квадрант на рис. 2). Изменение во времени магнитного потока, сцепленного со вторичной обмоткой (Ф_α — Ф_β), можно получить построением по точкам 1-2-3-4. Эта зависимость имеет пульсирующий характер с частотой пульсаций, равной 2f₁. Индуктируемая во вторичной обмотке ЭДС e₂ будет пропорциональна d(Ф_α — Ф_β)/dt и иметь частоту 2f₁.

Для снижения падения напряжения в цепи вторичной обмотки при нагрузке последовательно с этой обмоткой включают конденсатор С, компенсирующий индуктивность обмотки. Регулирование напряжения производится изменением тока в подмагничивающей обмотке.

Утроение частоты с помощью трансформаторов можно осуществить, используя схему, показанную на рис. 3.

Первичные обмотки трех однофазных трансформаторов соединяются звездой и подключаются к трехфазной сети с частотой f₁. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединяются между собой последовательно. В магнитопроводе каждой фазы трехфазной группы однофазных трансформаторов, первичные обмотки которых соединены звездой, при насыщении магнитной цепи возникают значительные третьи гармонические составляющие магнитного потока. Эти составляющие потока наводят во вторичных обмотках ЭДС тройной частоты е₃. При последовательном соединении вторичных обмоток ЭДС тройной частоты арифметически складываются, а сумма первых гармоник ЭДС равна нулю. Таким образом, на выводах вторичной обмотки будет действовать напряжение U₃≈3E₃ с частотой 3f₁. Емкость С, включенная в цепь вторичной обмотки, служит для уменьшения падения напряжения при нагрузке.

Источник

Устройство и принцип работы трансформаторов

Как работает трансформатор

Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.

Что такое индукция

Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле.

Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.

У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.

И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.

Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения.

А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.

Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.

Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.

Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться.

Это и есть катушка индуктивности.

Провод в катушке индуктивности должен быть изолирован. Потому, что если хотя бы один виток будет в коротком замыкании с другим, то магнитное поле будет неравномерным. Будет межвитковое замыкание, из-за которого магнитное поле потеряет свою равномерность.

Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.

Изменение магнитного поля создает электрическое поле.

Увеличение индуктивности сердечником

А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.

Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.

Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.

Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.

Взаимоиндукция и принцип передачи тока

Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.

Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.

При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой.

Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.

А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.

Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго.

Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.

И поэтому, если на первую катушку будет подано переменное напряжение, то возникнет и переменное магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует во второй катушке электромагнитное поле, и ток будет во второй катушке.

Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.

Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.

Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.

Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.

Устройство трансформатора

А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.

Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.

Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.

Классический трансформатор

Разберем устройство классического трансформатора.

Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.

Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода).

На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.

Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.

Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.

Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.

На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.

Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.

Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.

Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.

Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.

Коэффициент трансформации

У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).

Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К 1. У разделительного коэффициент равен 1.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

• Размеры магнитопровода (сердечника);
• Количество витков;
• Сечение провода;
• Количество обмоток;
• Частота работы.

И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Типы классических трансформаторов

Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:

Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.

А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.

Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.

Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров.

Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.

После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.

Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.

Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится.

Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.

Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.

Режимы работы трансформаторов

Есть три основных режима:
1. Режим холостого хода. Первичная обмотка подключена к сети, но вторичная обмотка не подключена к нагрузке.

2. Режим нагрузки. Это рабочий режим. Первичная обмотка преобразует сетевое напряжение, а вторичная принимает его и подает в нагрузку.

3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка находится в коротком замыкании. Это аварийный режим для большинства трансформаторов. В этой ситуации он может быстро нагреться и выйти из строя.

Все режимы и их критические параметры также зависят и от типа трансформатора. Например, для трансформатора тока, холостой режим является аварийным.

Импульсные трансформаторы

У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.

Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.

Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.

Отличия импульсных трансформаторов от классических

Тезисно можно выделить несколько различий:

• Частота работы;
• Состав сердечника;
• Размеры;
• Схема работы;
• Стоимость.

А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) делают из железных пластин потому, что во время работы появляются токи Фуко. Их называют еще вихревыми токами. Эти токи появляются от наводок обмоток в сердечнике. В итоге сердечник может перегреться, и даже расплавить катушки.

Поэтому, для трансформаторов низкой частоты делают сердечники из изолированных друг от друга пластин.

Пластины могут быть покрыты лаком, или изолированы бумагой между собой. Это уменьшает короткие замыкания в пластинах.

А можно ли сделать сердечник сплошным? Да, так можно сделать. И у импульсных трансформаторов сердечники сделаны из ферромагнитного порошка, у которого частицы друг от друга изолированы. Он называется ферродиэлектрическим сердечником. Но это возможно только на высоких частотах, на которых работает импульсный трансформатор.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

• Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

• Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

• Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

• Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

• Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.

Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.

• Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

• Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Вопросы об устройстве трансформатора

-Почему зазор между катушками делается минимальным?
Это делается для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор будет большим — то и эффективность трансформатора будет низкая.

-А можно ли сделать трансформатор без сердечника аналогичный мощности с сердечником?
Да, но тогда придется увеличивать количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, с сердечником у обмоток витки могут быть по несколько тысяч. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. И количество витков будет по несколько десяток тысяч. Это не только увеличивает размеры катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает шансы перегрева.

-Можно ли подключить понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, который понижает сетевое напряжение с 220 В в 12 В, то его можно подключить как повышающий. То есть, вы можете подать на него переменное напряжение 12 В на вторичную обмотку и получить повышенное на первичной 220 В.

-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.

-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия?
Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.

Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети.

Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.

Нужно плотно и равномерно наматывать витки, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

-Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор рассчитывался изначально с сердечником, то и преобразовать полностью напряжение он не сможет. То есть, на вторичке что-то будет, но явно не те параметры. Да и если подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформаторов можно отнести:

• Коррозия и наличие ржавчины на сердечнике;
• Перегрев и нарушение изоляции;
• Межвитковое короткое замыкание;
• Деформация корпуса, обмоток и сердечника
• Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите прибор в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.

Они не должны быть в обрыве, никогда. Если нигде обрывов нет, то можно найти первичную и вторичную обмотки при помощи измерения сопротивления. У первичной обмотки понижающего трансформатора сопротивление будет выше, чем у вторичной. Это все из-за количества витков. Чем больше витков и чем меньше диаметр провода — тем больше сопротивление обмотки.

Так же вы можете найти паспорт на свой трансформатор. В нем указываются сопротивления обмоток, и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, то обязательно подключайте лампочку в разрыв цепи (последовательно!). Если что-то не так произойдет то, лампочка загорится и заберет ток на себя и сможет спасти неисправный трансформатор.

Трансформаторы много где используются. Их конструкция разная и для каждой задачи она по-своему уникальна.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — это самый эффективный преобразователь. Его КПД (коэффициент полезного действия) может доходить до 99% (силовые трансформаторы). А вот у ДВС (двигатель внутреннего сгорания), КПД обычно не выше 30%.

Самый эффективный, но в тоже время и самый сложный в изготовлении — это тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопроводу. Это усложняет процесс изготовления, особенно в промышленных масштабах.

Источник

В данной статье речь пойдет о частотном преобразователе, в простонародье, частотнике. Данный частотник, а в дальнейшем частотный привод, способен управлять 3-х фазным асинхронным двигателем. В данном частотном приводе (ЧП) я использую интеллектуальный силовой модуль компании International Rectifier, а конкретно IRAMS10UP60B (на AliExpress), единственное, что с ним сделал, это перегнул ножки, так что, по сути, модуль получился IRAMS10UP60B-2. Выбор на данный модуль пал преимущественно из-за встроенного драйвера. Главной особенностью встроенного драйвера является возможность использования 3 ШИМ вместо 6 ШИМ каналов. Кроме того цена на данный модуль на eBay около 270 рублей. В качестве управляющего контроллера использую ATmega48.

Разрабатывая данный привод я делал упор на эффективность конструкции, минимальную себестоимость, наличие необходимых защит, гибкость конструкции. В результате получился частотный привод со следующими характеристиками (функциями):

1. Выходная частота 5-200Гц
2. Скорость набора частоты 5-50Гц в секунду
3. Скорость снижения частоты 5-50Гц в секунду
4. 4-х фиксированная скорость (каждая из которых от 5-200Гц)
5. Вольт добавка 0-20%
6. Две «заводских» настройки, которые всегда можно активировать 
7. Функция намагничивания двигателя 
8. Функция полной остановки двигателя 
9. Вход для реверса (как без него)
10. Возможность менять характеристику U/F
11. Возможность задания частоты с помощью переменного резистора
12. Контроль температуры IGBT модуля (сигнализация в случае перегрева и остановки привода)
13. Контроль напряжения DC звена (повышенное-пониженное напряжение DC звена, сигнализация и остановка привода)
14. Пред заряд  DC звена  
15. Максимальная мощность с данным модулем 750вт, но крутит и 1.1кв на моем ЧПУ
16. Все это на одной плате размером 8 х 13 см .  

На данный момент защита от сверх тока или кз не реализованы (считаю нет смысла, хотя, свободную ногу в МК с прерыванием по изменению оставил) 

Собственно, схема данного девайса .

Проект в layout

Ниже фото того, что у меня получилось   

Печатная плата данного девайса (доступна в lay под утюг)

На данном фото полностью рабочий экземпляр, проверенный и обкатанный (не имеет панельки расположен слева). Второй для теста atmega 48 перед отправкой (расположен справа) . 

На данном фото тот самый irams (делал с запасом,  должен поместится iramx16up60b )

Алгоритм работы устройства

Изначально МК  (микроконтроллер) является настроенным на работу с электродвигателем номинальным напряжением 220В при частоте вращающего поля 50Гц (т.е. обычный асинхронник, на котором написано 220в 50Гц). Скорость набора частоты установлена на уровне 15Гц/сек.(т.е. разгон до 50 гц займет чуть более 3 сек., до 150 Гц-10 сек ). Вольт добавка установлена на уровне 10 %, длительность намагничивания 1 сек. (постоянная величина неизменна ), длительность торможения постоянным током 1 сек. (постоянная величина неизменна). Следует отметить ,что напряжение при намагничивании, как и при торможении, является напряжением вольт добавки и меняется одновременно. К слову, преобразователь частоты является скалярным, т.е. с ростом выходной частоты увеличивается выходное напряжение.

 После подачи питания происходит заряд емкости dc звена. Как только напряжение достигает 220В (постоянное ) с определенной задержкой включается реле предзаряда и загорается единственный у меня светодиод L1. С этого момента привод готов к запуску. Для управления частотником имеется 6 входов:

1. Вкл (если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц)
2. Вкл+реверс(если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц, но в другую сторону) 
3. 1 фиксированная частота (задается R1)
4. 2 фиксированная частота (задается R2)
5. 3 фиксированная частота (задается R3)
6. 4 фиксированная частота (задается R4)

В этом управлении есть одно Но. Если в процессе вращения двигателя менять задание на резисторе, то оно изменится лишь после повторной подачи команды (вкл.) или (вкл+реверс.). Иначе говоря, данные с резисторов читаются пока отсутствуют эти два сигнала. Если планируется регулировать скорость с помощью резистора в процессе работы, то необходимо установить джампер J1.В этом режиме активен лишь первый резистор, причем резистор R4 ограничивает максимальную частоту, то есть если его выставить на 50% (2.5 вольта 4 «штырь». на фото ниже 5 земля), то частота R1 будет регулироваться резистором от 5 до 100Гц. 

Для задании частоты вращение нужно учитывать, что 5v на входе в МК соответствует 200Гц., 1v-40Гц, 1.25v-50Гц и т.д. Для измерения напряжение предусмотрены контакты 1-5, где 1-4 соответствуют номерам резисторов, 5- общий минус(на фото ниже). Резистор R5 служит для подстройки маштабирования напряжения DC звена 1в -100в (на схеме R30).

Расположение элементов

Внимание! Плата находится под напряжением опасным для жизни. Входа  управления развязаны оптопарами.

Особенности настройки

Настройка привода  перед первым включением сводится к проверке монтажа электронных компонентов и настройки делителя напряжения для DC звена (R2).

100 Вольтам DC звена должно соответствовать 1 вольт на 23 (ножке МК)- это ВАЖНО!!!!….На этом настройка завершена…

Перед подачей сетевого напряжения необходимо промыть плату (удалить остатки канифоли) со стороны пайки растворителем или  спиртом, желательно покрыть лаком.

Привод имеет «заводские » настройки, которые подходят как для двигателя с напряжением 220В и частотой 50Гц), так и  для двигателя с напряжением 380в и частотой 50гц. Данные настройки всегда можно установить если вы не решаетесь сами настраивать привод. Для того чтобы установить «заводские » настройки для двигателя (220в 50Гц) : 

1. Включить привод 
2. Дождаться готовности (если подано питание только на МК , просто подождать 2-3 секунды)
3. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод L1 не начнет мигать, отпустить кнопку В1
4. Подать команду выбора 1 скорости. Как только светодиод перестанет мигать, убрать команду
5. Привод настроен . В зависимости от того …………………….светодиод горел (если не горел, то привод ожидает напряжения на DC звене).

  При такой настройке автоматически в  записываются следующие параметры:

1. Номинальная частота двигателя при 220В — 50Гц
2. Вольт добавка (напряжение намагничивания, торможения ) — 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек 
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек 

Если подать сигнал выбора второй скорости, то в EEPROM запишутся следующие параметры  (разница лишь в частоте):

1. Номинальная частота двигателя при 220В- 30Гц
2. Вольт добавка (Напряжение намагничивания, торможения ) 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек 
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек 

Наконец, третий вариант Настройки:

1. Нажать на кнопку В1 и держать
2. Дождаться, когда светодиод начнет мигать
3. Отпустить кнопку В1
4. Не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости 
5. Задать параметры подстроечными резисторами
6. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод не начнет моргать 

Таким образом, до тех пор, пока светодиод мигает, привод находится в режиме настройки. В этом режиме при подаче входа 1-ой или 2-ой скорости  в EEPROM записываются  параметры. Если не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости, то фиксированные параметры в  EEPROM не запишутся, а будут задаваться подстроечными резисторами.

1. Резистор задает номинальную частоту двигателя при 220 В ( Так, например, если на двигателе написано 200Гц /220 то резистор нужно выкрутить  на  максимум; если написано 100Гц/ 220в нужно добиться 2.5 Вольта на 1-ом контакте. (1Вольт на первом контакте соответствует 40Гц); если на двигателе написано 50Гц/400В то нужно  выставить 27Гц/0,68 В (например:(50/400)*220=27Гц )так, как нам необходимо знать частоту двигателя при 220В питания двигателя. Диапазон изменения параметра 25Гц — 200Гц.(1 Вольту на контакте 1-ом соответствует 40 Гц) 
2. Резистор отвечает за вольт добавку. 1 Вольт на 2-ом контакте соответствует 4% напряжения вольт добавки (мое мнение выбрать на уровне 10% то есть 2.5 вольта повышать с осторожностью) Диапазон настройки 0-20% от напряжения сети (1 Вольту на контакте 2-ом соответствует 4%) 
3. Интенсивность разгона 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 15 -25 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 3-ом соответствует 10 Гц/сек) 
4. Интенсивность торможения 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 10 -15 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 4-ом соответствует 10 Гц/сек) 

После того, как все резисторы выставлены нажимаем и держим кнопку В1 до тех пор пока светодиод не перестанет мигать!!!! Если светодиод моргал и загорелся, то привод готов к запуску.Если светодиод моргал и НЕ загорелся, то ждем 5 секунд, и только потом отключаем питание от контроллера.

Ниже представлена вольт-частотная характеристика устройства для двигателя 220в 50Гц с вольт добавкой в 10 % . 

• Uмах- максимальное напряжение, которое способен выдать преобразователь
• Uв.д.- напряжение вольт добавки в процентах от напряжении сети
• Fн.д.- номинальная частота вращения двигателя при 220В . ВАЖНО
• Fmax- максимальная выходная частота преобразователя.

Еще один пример настройки

Предположим, у вас имеется двигатель, на котором указана номинальная частота 50Гц , номинальное напряжение 80В, Чтобы узнать  какая будет  номинальная частота при 220В  необходимо: 220 В разделить на номинальное напряжение и умножить на номинальную частоту (220/80*50=137Гц). Таким образом, мы получим,что напряжение на 1 контакте (резисторе) нужно выставить 137/40=3,45 В. 

Симуляция в протеусе разгон 0-50Гц одной фазы (на 3-х фазах зависает комп )

Как видно из скриншота с ростом частоты увеличивается амплитуда синуса. Разгон занимает примерно 3.1 сек.

По поводу питания

Рекомендую использовать трансформатор, так как это самый надежный вариант. На моих тестовых платах нет диодных мостов и стабилизатора для igbt  модуля 7812. Для скачивания доступны две печатные платы. Первая та которая представлена в обзоре. Вторая имеет незначительные изменения, добавлен диодный мостик и стабилизатор. Защитный диод ставить обязательно P6KE18A или 1.5KE18A ставить обязательно.

Пример размещения трансформатора, как оказалось найти совсем нетрудно.

Какой двигатель можно подключить к данному преобразователю частоты?

 Все зависит от модуля. В принципе можно подключить любой, главное, чтобы его сопротивление для модуля irams10up60 было более 9 Ом. Нужно учесть, что модуль irams10up60 рассчитан на маленький импульсный ток и имеет встроенную защиту на уровне 15 А  Этого очень мало. Но для двигателей 50Гц 220В 750 Вт, этого за глаза. Если у вас высокооборотистый шпиндель, то скорее всего он имеет маленькое сопротивление обмоток. Данный модуль может пробьет импульсным током. При использовании модуля IRAMX16UP60B (ножки придется загнуть самостоятельно) мощность двигателя по даташиту возрастает с 0.75 до 2.2 КВт.

Главное у данного модуля: ток короткого замыкания 140А против 47А, защита настроена на уровне 25А. Какой модуль использовать решать вам. Нужно помнить что на 1 кВт необходимо 1000мкФ емкости dc звена.

По поводу защиты от КЗ. Если у привода сразу после выхода не ставить сглаживающий дроссель (ограничивает скорость нарастания тока) и коротнуть выход модуля, то модулю придет «хана». Если у вас модуль iramX, шансы есть.  А вот с IRAMS шансов ноль, проверено.

Программа занимает 4096 кБ памяти из 4098. Все сжато и оптимизировано под размер программы по максимум. Время цикла есть фиксированная величина равная 10мс.

На данный момент всё вышеописанное работает и испытано. 

Если использовать кварц на 20МГц, то привод получится 10-400Гц; темп разгона 10-100Гц/сек; частота ШИМа возрастет до 10кГц; время цикла упадет до 5мс.

Забегая вперед следующий частотный преобразователь будет реализован на ATmegа64, иметь разрядность ШИМ не 8, а 10 Бит, иметь дисплей и множество параметров. 

Ниже смотрите видео настройки привода, проверки защиты перегрева, демонстрации работы (использую двигатель 380В 50Гц, а настройки для 220В 50Гц). Так сделал специально, чтобы проверить как работает ШИМ с минимальным заданием.)

В свободном доступе прошивке не будет, НО запрограммированный контролер ATmega48-10pu или ATmega48-20pu будет дешевле mc3phac. Готов ответить на все ваши вопросы.

Заказ прошитого контроллера

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

Открытый проект частотного преобразователя для управления электродвигателями

Цель проекта

Сделать компактный, встраиваемый  и недорогой частотный преобразователь с питанием от однофазной сети 230-240 В 50Гц, способный управлять асинхронными 220 В 3-х фазными двигателями 1..2 кВт, для плавного разгона и остановки и поддержания частоты вращения от 0 до 1500 об. в мин. Связь с устройством через полевую шину CAN или RS485.

Решиться делать свой ЧП непросто, потому что есть масса готовых на любой вкус.  Своя мелкосерийная разработка по цене будет неконкурентной. Однако если в ЧП перенести часть функциональности конечного агрегата помимо управления мотором, то можно удешевить аппаратную обвязку вокруг ЧП и экономически оправдать его создание. 

Поиск интегрированных решений

В сети есть открытые проекты и отладочные платы частотных преобразователей с полной документацией и неплохо документированным софтом. Остаются неясными только вопросы оптимальности архитектуры, альтернативной компонентной базы, безопасности, электромагнитной эмиссии, надежности и прочая мелочь вроде диагностики, зазоров, клем, ремонтопригодности… Словом вопросов остается много.

Мы начали с покупки, казалось бы, солидного решения от фирмы Microchip. Коллеги по соседству тоже делали ЧП на Microchip, и я подумал что это то что нужно. Да, там еще был и корректор мощности.

Эта плата сгорела после первого же подключения реального 1 кВт AC мотора. Изучив трассировку плат, стало понятно, что не сгореть это не могло. Вспыхнула пара дорожек под процессорным модулем. Что-то не рассчитали с их шириной. От решений Microchip сразу отказались и больше не возвращались. Все-таки нишевые микроконтроллерные архитектуры — это не наше. А тут еще такой фейл.

Были еще рассмотрены решения от ST, TI, NXP(Freescale), Infineon. Все хотят привязать разработчика к своим семействам микроконтроллеров. Используют для этого все средства — от лицензионных соглашений, до закрытых библиотек и программных инструментов. Этот мир вдруг показался неуютным.

Изучение других ЧП

Так как наборы разработчика от производителей чипов перестали вызывать доверие, то вторым шагом было посмотреть, как сделаны промышленные ЧП. Интересно узнать какие там микроконтроллеры, сколько их, какие силовые элементы, драйверы и прочее. 

HANNING ELEKTRO-WERKE GmbH & Co. KG.

Это изделия, относящиеся к классу встраиваемых. Имеют пассивное охлаждение, т. е. в них отсутствуют вентиляторы. Лишены всяких элементов ручного управления и индикации, поскольку ставятся в труднодоступных местах. Предполагается подключение к неким внешним панелям управления через интерфейс RS485. Теоретически должны быть идеально согласованы с управляемыми ими моторами.

Правда опыт эксплуатации несколько испортил впечатление. Несмотря на наличие усиленных EMI фильтров и специализированных микроконтроллеров несколько таких преобразователей у нас сгорело просто потому, что заклинивало редукторы у моторов. Ниже показаны снимки внутренности одного из ЧП данной серии.

OMRON 3G3MX2-A4040-E.

Это ЧП общего применения c 3-фазным входом. Очень многофункциональный. Настолько, что одних только регулируемых параметров в нем около 700. Мануал 350 страниц. Состоят из четырёх многослойных плат с двухсторонним монтажом. Решение довольно дорогое для мелкосерийной разработки, но все равно интересное с точки зрения применяемых вычислительных ресурсов.  

Преобразователь OMRON не имеет корректора мощности, но в случае необходимости дополнительного подавления пульсация тока в разрыв DC шины можно подключить внешний мощный дроссель. Также нет стартового реле с ограничителем тока при подаче напряжения, эту роль скорее всего выполняет твердотельный ключ с резистором 13 Ом. Обмен с сервисной программой несмотря на USB очень медленный. ЭМИ-фильтра на борту нет. Отличаются повышенной перегрузочной способностью, видимо обусловленной оригинальным исполнением IGBT модуля.

Invertek OPTIDRIVE P2

Частотный преобразователь OPTIDRIVE P2 очень технологично скомпонован и послужил образцом для нашего проекта. Выполнен также на двух микроконтроллерах, но до второго добраться не удалось. В качестве силового элемента использована сборка SPM 45 Series от фирмы FAIRCHILD.

Еще изучались преобразователи Lenze SMVector (выполнен на MC9S12E128, 16 bit, 128 KB Flash, 8 KB RAM, 50 MHz и  MC68H0908, 8 bit, 32 KB Flash, 512 B RAM, 8 MHz) 

Shenzhen INVT Electric Goodrive20-EU

И наконец на самом пике дефицита пришлось изучить преобразователь, разработанный в Китае — Goodrive20-EU. Надо признать, что Goodrive20 явился примером экономии на всем: меньший чем у остальных размер радиатора, меньшая емкость конденсаторов, всего один микроконтроллер, отсутствие ЭМИ-фильтра, лаконичная документация, сравнительно бедный набор регулируемых параметров.   

И тем не менее он работал не хуже чем Omron MX2 в некоторых применениях, хотя и с нюансами в способе управления. В частности, долго инициализируется после подачи питания.

Обобщенная структурная схема ЧП

В результате сформировалось представление об обобщенной архитектуре ЧП.
Во-первых, во всех исследованных ЧП применяются интегрированные IGBT модули. На дискретных транзисторах изделий не попадалось. Всегда есть узел ограничителя тока включения. Даже до мощностей в 3 кВт с питанием от однофазной сети не встречаются корректоры мощности (ККМ). Наличие EMI фильтра тоже не является обязательным. Не бывает в ЧП и предохранителей. ЧП всегда включают через защитные автоматы.
Интерфейсная часть ЧП гальванически развязана от силовой части. Силовая часть находится под управлением микроконтроллера с архитектурой DSP или RISC. Микроконтроллеры при этом не самые быстрые по современным меркам, не более 80 МГц. Интерфейсная часть может содержать, а может и не содержать отдельного микроконтроллера. Измерители токов фаз на двигателе делаются на основе шунтов, присоединённых к минусу DC шины. Важным компонентом промышленных ЧП является сдублированный узел экстренного гарантированного отключения мотора (safe torque off, STO). Это узел позволяет отказаться от пары внешних контакторов для отключения питания ЧП в экстренных случаях.

В результате анализа было решено для своего ЧП использовать один микроконтроллер, но более производительный. Им стал MK60FN1M0VLQ12 (ARM® Cortex®-M4, 120 МГц, 1 MB Flash, 128 KB RAM). В пользу такого выбора было несколько аргументов. На тот момент фирма Freescale выложила хороший программный инструментарий для разработки ПО управления двигателями и его отладки. И был расчёт на применение вычислений с плавающей точкой вместо вычислений с фиксированной. Это облегчило бы отладку, моделирование и тестирование. Про остальные аргументы было в этой статье.

Конструкция ЧП

Поскольку ЧП встраиваемый, то он не нуждается в специальном корпусе. Поэтому был изготовлен простой кожух из листовой стали с креплением двух вентиляторов. Была цель максимально упростить сборку и разборку ЧП. Пилотная версия нашего ЧП в свое время размещалась на одной плате. В этой версии стало три платы. Таким образом ЧП получился более компактным. А его модульность позволяет удешевить модификации функциональности и проще выполнять изменения в компонентной базе.

ЧП состоит из трех основных плат:

• Управляющая плата с микроконтроллером и внешними интерфейсами.

• Плата DC шины, на которой расположен блок питания и блок конденсаторов

• Силовая плата, на которой расположен IGBT модуль, силовые входы и выходы, измерители тока, EMI фильтр.

Компоненты ЧП

Управляющая плата

На управляющей плате находится микроконтроллер и гальвано изолированные внешние интерфейсы:

• интерфейс для подключения внешнего квадратурного энкодера

• интерфейс RS232

• интерфейс CAN

• интерфейс USB

• три дискретных выхода и один дискретный вход

  Управляющая плата соединяется с силовой платой двумя плоскими шлейфами через разъемы X7 и X8. Через X7 проходят сигналы управления затворами IGBT модуля. Через X8 проходят сигналы измерения тока и напряжения, линии I2C и несколько других сигналов. Похожая схема применяется в Goodrive20-EU.

Кроме того, на управляющей плате находится литиевый аккумулятор для поддержания энергонезависимой работы часов реального времени, держатель для uSD карты и зуммер. Это не обязательные компоненты, но полезные на этапе разработки, отладки и диагностики ПО.

Плата DC шины

DC шина находится под напряжением 310…340 В и через нее проходит средний ток до 10А на максимальной мощности. На плате размещен блок питания в виде отдельного модуля. Так решено было сделать питание просто ради упрощения дизайна платы. На плате находится транзисторный ключ Q3 управляющий вентиляторами. Вентиляторы включаются только при достижении IGBT модулем определенной заданной температуры.

Силовая плата

Главным элементом всего устройства является IGBT модуль.

В нашем случае использован модуль FSBB30CH60C. Модуль порадовал своей исключительной надежностью. В течении разработки не сгорел ни один модуль. Некоторое время назад это был самый доступный и недорогой модуль. Модуль управляется напрямую логическими сигналами и имеет встроенные защиты от недонапряжения и короткого замыкания.

Немного усложняет дело отсутствие температурного сенсора, встроенного в модуль. Термосенсор пришлось сделать отдельно на микросхеме MAX31725MTA+ на своей маленькой плате и разместить под корпусом IGBT модуля. Проект термосенсора находится в директории TempSensor. Термосенсор соединен с микроконтроллером интерфейсом I2C.

Измерение токов на трех выходах IGBT модуля сделано иначе чем в обычных ЧП. Вместо шунтов поставлены гальвано изолированные датчики Холла ACS759LCB-050B-PFF-T. Это более дорогое решение, но позволяющее более креативно подойти к выбору способов модуляции и упростить трассировку. Традиционные шунты в нижних плечах силовых транзисторов ограничивают возможные типы модуляций. Это не проблема в промышленных ЧП, но наш сделан еще и в экспериментальных целях и мог бы быть применен не только с асинхронными двигателями, но и с синхронными, и с более экзотическими.

Программное обеспечение

Фирмаваре ЧП состоит из двух частей: начального загрузчика и основного приложения.

Начальный загрузчик находится в директории Firmware/Inverter_bootloader и позволяет загружать основное приложение через CAN и через интерфейс RS232. Бинарный образ приложения создается утилитой BIB. Утилита находится в директории Firmware/Loader.
Помимо прочего образ может быть утилитой зашифрован. Загрузчик умеет расшифровывать образы.

Сам проект рабочего приложения находится в директории Firmware/Inverter_firmware. Компилируются проекты в среде EWARM, версии не выше 670.3

Представленное программное обеспечение расчитано на очень простое подключение ЧП.

ЧП управляется по шине CAN в режиме скалярного управления.

Почему скалярного? Скалярное управление несмотря на все недостатки при этом характеризуется более низким уровнем шума издаваемым мотором, по крайней мере, когда имеем дело с ЧП, описанными выше и безсенсорным управлением. При стабильной нагрузке и номинальной скорости двигателя в основном рабочем цикле скалярное управление хорошо себя показывает.

Принято считать («Practical Variable Speed Drives and Power Electronics», Malcolm Barnes 2003 ) что безсенсорное скалярное управление обеспечивает точность скорости в 1% и время отклика момента 100 мс, а векторное безсенсорное соответственно 0.5% и 10 мс.

Результаты качества потребления энергии частотным преобразователем на разных мощностях при частоте модуляции 16 КГц:

Используемы в таблице обозначения:

• V(V) – текущее действующее входное напряжение однофазной сети в вольтах

• THD V(%) – total harmonic distortion, Коэффициент нелинейных искажений по напряжению

• I(A) – действующее значение тока в амперах

• THD I(%) – total harmonic distortion, Коэффициент нелинейных искажений по току

• I peak (A) – пиковое значение тока в амперах

• CF I (A) – Коэффициент амплитуды сигнала (крест-фактор) в амперах

• |P| (W) – Активная потребляемая мощность в ваттах

• Q (Var) – Реактивная потребляемая мощность. Единица измерения – вар

• S (VA) – Полная потребляемая мощность. Единица измерения ВА

• PF — Коэффициент мощности

• COS PHI – косинус фи

Несколько слов о безопасности

Сначала о сохранности самого преобразователя. Всегда надо помнить о такой вещи как реформинг. Может случиться так что высоковольтные электролитические конденсаторы, установленные в ЧП где-то долго хранились, или сам ЧП не был подключен в сеть более года. В таком случае у конденсаторов истончается диэлектрический слой, и они могут не выдержать быстрой подачи на них полного номинального напряжения и рабочего тока. Тогда требуется реформинг или, иными словами, осторожное постепенное включение.

Защита от возгорания. Она организуется несколькими способами. Сами печатные платы должны быть изготовлены по соответствующей технологии и иметь UL маркировку. Далее необходимо обеспечить ширину силовых проводников на плате, исключающую их возгорание раньше, чем произойдёт выключение внешних силовых расцепителей.

Электробезопасность. Корпус ЧП обязательно должен заземляться. Варисторы на входе ЧП обеспечивают защиту от кратковременных перенапряжений, но при длительных перенапряжениях они сгорают, оставляя толстый слой проводящей сажи.
Тут в действие вступает заземление. Однако ставить чувствительные реле утечки на частотные преобразователи не рекомендуется, поскольку емкость мотора относительно земли настолько существенна, что может вызвать утечку большую чем уровень срабатывания реле. Поэтому заземление должно быть максимально надежным. Стоит также помнить, что заземление само по себе не обеспечивает защиту от электромагнитных помех, излучаемых самой цепью заземления. Поэтому все информационные кабели если они лежат рядом с цепью заземления или заземляющими конструкциями должны иметь свои экраны подключённые к собственным локальным землям. И такие экраны не должны образовывать замкнутых контуров.

Эксплуатационная безопасность. На роботизированных объекта, станках, агрегатах, подъемниках, кранах, эскалаторах — везде есть средства экстренной остановки в виде концевиков, датчиков, микровыключателей и проч. Чтобы люди сами могли активизировать экстренную остановку устанавливаются большие заметные красные кнопки. Все эти средства объединяются в электрическую цепь безопасности. Конечной точкой этой цепи являются контакторы, реле или иные ресцепители, обрывающие подачу тока на электродвигатели. На частотных преобразователях в роли расцепителя выступает узел STO (safe torque off) упомянутый выше. Обычно есть два дублирующихся входа STO, но в нашем ЧП есть только один. Это означает что для реализации дублирования средства безопасности дополнительно необходим внешний контактор, разрывающий цепь питания к ЧП при разрыве цепи безопасности. Так требуют стандарты.

В результате у нас получился вот такой ЧП

Для тех же кто заинтересовался проектом в директории JTAG_isolator лежит проект платы изолятора JTAG интерфейса. Очень трудно отлаживать электронику подключенную в сеть без хороших изоляторов.

К сожалению, формат короткой статьи для хабра не позволяет описать все перипетии разработки, алгоритмы, архитектуру софта и прочие подробности. Поэтому заранее прошу понимания читателей если тема не раскрыта в желаемом объёме.
Ещё есть время.

Все материалы по проекту частотного преобразователя лежат и накапливаются тут — https://github.com/Indemsys/Frequency_Inverter

Преобразователи частоты

С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.

Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

Рис. 1. Блок-схема преобразователя частоты

1.Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов — управляемые и неуправляемые.

2.Промежуточная цепь одного из трех типов:

a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.

b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.

c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.

3.Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.

4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты (см. рис. 2.02).

Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.

На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:

1- управляемый выпрямитель,

2- неуправляемый выпрямитель,

3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока

5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)

7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

Инвертор тока (ИТ) (1+3+6)

Преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) (1+4+7) (2+5+7)

Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ/VVCplus) (2+4+7)

Рис. 2. Различные принципы построения/управления преобразователей частоты

Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет около 30 Гц. 

Выпрямитель

Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3×400 В/50 Гц или 1 х240 В/50 Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются приведенным ниже рисунком.

Рис. 3. Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50 х Т), т.е. один период длится 20 миллисекунд.

Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах — управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полууправляемым.

Неуправляемые выпрямители 

Рис. 4. Режим работы диода.

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.

Рис. 5. Неуправляемый выпрямитель

На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).

Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной U_L1-2 и U_L1-3

То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной U_L3-1 и U_L3-2

Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.

Рис. 6. Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя

Управляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении — от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.

Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.

Рис. 7. Режим работы тиристора

Если угол а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° — то в качестве инвертора.

Рис. 8. Управляемый трехфазный выпрямитель

Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.

Регулирование значения а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos α

Рис. 9. Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя

По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.

Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.

Промежуточная цепь

Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.

Инверторы — источники тока (1-преобразователи)

Рис. 10. Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

В случае инверторов — источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.

Инверторы — источники напряжения (U-преобразователи)

Рис. 11. Промежуточная цепь постоянного напряжения

В случае инверторов — источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U21) выпрямителя.

В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U22)c изменяющейся амплитудой. 

В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.

Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения

Рис. 12. Промежуточная цепь изменяющегося напряжения

В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис. 12.

Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (U_v) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой

U_v = U х t_on / (t_on + t_off)

Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис. 13, напряжение будет наибольшим в режиме 2. 

Рис. 13. Транзистор-прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи

Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.

В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:

• развязка выпрямителя от инвертора

• уменьшение уровня гармоник

• накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.

Инвертор

Инвертор — последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит окончательная адаптация выходного напряжения.

Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путем адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.

Из промежуточной цепи инвертор получает

• изменяющийся постоянный ток,

• изменяющееся напряжение постоянного тока или

• неизменное напряжение постоянного тока.

Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создает только нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создает для электродвигателя как нужную частоту, так и нужное напряжение.

Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.

В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов. 

Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.

Рис. 14. Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.

Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.

Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V…, возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока всегда возникают броски напряжения.

Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами. 

Рис. 15. Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора

Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов работают почти одинаково. Схема управления открывает и закрывает полупроводниковые приборы с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.

Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.

Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты.

Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени. 

Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов

Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени — положительно в течение одного полупериода и отрицательно — в течение другого.

Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-модуляция (и связанные с ней способы, например синусоидально-управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.

При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально-управляемая ШИМ). Другими перспективными способами ШИМ-модуляции являются модифицированные методы широтно-импульсной модуляции, такие как WC и WC^plus, разработанные корпорацией Danfoss.

Транзисторы

Поскольку транзисторы могут коммутироваться с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при «импульсном» (намагничивании электродвигателя, уменьшаются. 

Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.

Частота коммутации инвертора — это «палка о двух концах», поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.

С другой стороны, низкая частота коммутации может привести с сильному акустическому шуму.

Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:

• Биполярные транзисторы (LTR)

• Униполярные полевые МОП-транзисторы (MOS-FET)

• Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS-FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.

В случае транзисторов IGBT как элементы инвертора, так и средства управления инвертором помещаются в опрессованный модуль, называемый «интеллектуальным силовым модулем» (IPM).

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи.

В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно.

Рис. 20. Формирование напряжения в преобразователях частоты с прерывателем в промежуточной цепи

 Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.

Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.

Регулирование частоты

Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.

Длительность периода можно регулировать двумя способами:

1.непосредственно входным сигналом или

2.с помощью изменяющегося постоянного напряжения , которое пропорционально входному сигналу.

Рис. 21а. Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи 

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трехфазного напряжения с соответствующей частотой.

При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи (≈ √2 х U_{mains) определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ-импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.}

Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.

1.Синусоидально-управляемая ШИМ

2.Синхронная ШИМ

3.Асинхронная ШИМ

Каждая ветвь трехфазного ШИМ-инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).

Три переключателя образуют восемь возможных коммутационных комбинаций (2³), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21b, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.

Рис. 21b

Рис. 21с

  В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создается один и тот же потенциал на всех трех выходных клеммах инвертора — либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21с). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение О В.

Синусоидально-управляемая ШИМ

При синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (Us) Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение (U_D) см. рис. 22.

Рис. 22. Принцип действия синусоидально-управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)

При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.

Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжения больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи. 

Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причем для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.

Рис. 23. Выходное напряжение синусоидально-управляемой ШИМ

При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.

Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения. 

Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на √ 2, т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на выходных клеммах в √ 3 раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.

Инверторе ШИМ-управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6 % номинального напряжения (см. рис. 23).

При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13 %.

Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путем уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.

Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трех синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).

Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путем увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.

Синхронная ШИМ

Основная трудность использования метода синусоидально-управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.

Применение синусоидально-управляемой ШИМ необходимо для оптимизации использования напряжения и минимизации спектра гармоник. Если частота повторения (т.е. частота пилообразного напряжения) становится очень высокой по сравнению с частотой опорного сигнала, эти два сигнала могут действовать асинхронно по отношению друг к другу. При отношениях частот около 10 и ниже будут появляться паразитные гармоники, в связи с чем потребуется синхронизация этих двух сигналов. Такую синхронизацию можно наблюдать в результате так называемого «переключения передачи», которое пригодно для трехфазных приводов переменного тока с низкими динамическими свойствами, где напряжение и частоту можно изменять медленно (обычное V/f-управление).

Асинхронная ШИМ

Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации «обычной» или синхронной» ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.

Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к синхронной связи с выходной частотой.

Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:

• SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (синхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора)

• 60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = асинхронная векторная модуляция).

SFAVM

SFAVM — пространственно-векторный способ модуляции, который позволяет случайным образом, но скачкообразно изменять напряжение, амплитуду и угол инвертора в течение времени коммутации. Этим достигаются повышенные динамические свойства.

Главной целью применения такой модуляции является оптимизация магнитного потока статора с помощью напряжения статора с одновременным уменьшением пульсаций крутящего момента, поскольку отклонение угла зависит от последовательности коммутации и может вызвать увеличение пульсаций момента. Поэтому последовательность коммутации должна вычисляться таким образом, чтобы с вести к минимуму отклонение угла вектора. Переключение между векторами напряжения основано на вычислении желательной траектории магнитного потока в статоре электродвигателя, которая, в свою очередь, определяет крутящий момент.

Недостатком прежних, обычных ШИМ-систем питания были отклонения амплитуды вектора магнитного потока статора и угла магнитного потока. Эти отклонения неблагоприятно влияли на вращающееся поле (крутящий момент) в воздушном зазоре электродвигателя и вызывали пульсацию крутящего момента. Влияние отклонения U амплитуды пренебрежимо мало и может быть дополнительно уменьшено путем увеличения частоты коммутации. 

Формирование напряжения электродвигателя

Стабильная работа соответствует регулированию вектора напряжения машины U_wt таким образом, чтобы он описывал окружность (см. рис. 24).

Вектор напряжения характеризуется величиной напряжения электродвигателя и скорости вращения, что соответствует рабочей частоте в рассматриваемый момент времени. Напряжение электродвигателя формируется путем создания средних значений с помощью коротких импульсов из соседних векторов.

Способ SFAVM, разработанный корпорацией Danfoss, наряду с прочими обладает следующими свойствами:

• Вектор напряжения можно регулировать по амплитуде и фазе без отклонения от установленного задания.

• Последовательность коммутации всегда начинается с 000 или 111. Это позволяет вектору напряжения иметь три режима коммутации.

• Среднее значение вектора напряжения получается с помощью коротких импульсов соседних векторов, а также нулевых векторов 000 и 111.

Схема управления

Схема управления, или плата управления — четвертый главный элемент преобразователя частоты, который предназначен для решения четырех важных задач:

• Управление полупроводниковыми элементами преобразователя частоты.

• Обмен данными между преобразователями частоты и периферийными устройствами.

• Сбор данных и формирование сообщений о неисправностях.

• Выполнение функций защиты преобразователя частоты и электродвигателя.

Микропроцессоры увеличили быстродействие схемы управления, существенно расширили область применения приводов и уменьшили количество необходимых вычислений.

Микропроцессор встраивается в преобразователь частоты и всегда способен определять оптимальную импульсную комбинацию для каждого рабочего состояния.

Схема управления для АИМ-преобразователя частоты

Рис. 25 Принцип действия схемы управления для промежуточной цепи, управляемой прерывателем.

На рис. 25 показан преобразователь частоты с АИМ-управлением и прерывателем промежуточной цепи. Схема управления управляет преобразователем (2) и инвертором (3). 

Управление производится по мгновенному значению напряжения промежуточной цепи.

Напряжение промежуточной цепи управляет схемой, которая действует как счетчик адреса в памяти для хранения данных. Память хранит выходные последовательности для импульсной комбинации инвертора. Когда напряжение промежуточной цепи увеличивается, счет происходит быстрее, последовательность заканчивается скорее, а выходная частота возрастает.

Что касается управления прерывателем, то напряжение промежуточной цепи сначала сравнивается с номинальным значением опорного сигнала-сигнала напряжения. Ожидается, что этот сигнал напряжения дает правильные значения выходного напряжения и частоты. Если изменяют опорный сигнал и сигнал промежуточной цепи, ПИ-регулятор информирует схему о том, что необходимо изменить время цикла. Это вызывает подстройку напряжения промежуточной цепи по опорному сигналу.

Обычным методом модуляции для управления преобразователем 1астоты является амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является более современным методом.

Управление по полю (векторное управление)

Векторное управление может быть организовано несколькими способами. Основным различием способов являются критерии, которые используются при вычислении значений активного тока, тока намагничивания (магнитного потока) и крутящего момента.

При сравнении между собой двигателей постоянного тока и трехфазных асинхронных двигателей (рис. 26) выявляются определенные проблемы. На постоянном токе параметры, которые важны для создания крутящего момента, — магнитный поток (Ф) и ток якоря — фиксированы по отношению к размеру и расположению фазы и определяются ориентацией обмоток возбуждения и положением угольных щеток (рис. 26а).

В двигателе постоянного тока ток якоря и ток, создающий магнитный поток, расположены под прямым углом друг к другу и их значения не очень велики. В асинхронном электродвигателе положение магнитного потока (Ф) и тока ротора (I,) зависит от нагрузки. Кроме того, в противоположность двигателю постоянного тока, фазовые углы и ток не могут быть непосредственно определены по размеру статора.

Рис. 26. Сравнение машины постоянного тока и асинхронной машины переменного тока

Однако с помощью математической модели можно вычислить крутящий момент по зависимости между магнитным потоком и током статора.

Из измеренного тока статора (l_s) выделяется составляющая (l_w), которая создает крутящий момент с магнитным потоком (Ф) при прямых углах между двумя этими переменными (l_в). Тем самым создается магнитный поток электродвигателя (рис. 27).

Рис. 27. Расчет составляющих тока для регулирования по полю

Поскольку по такому методу регулирование возбуждения, которое не зависит от нагрузки, отделено от регулирования крутящего момента, то можно динамически управлять асинхронным двигателем так же, как и двигателем постоянного тока — при условии, что имеется сигнал обратной связи. Этот способ управления трехфазным двигателем переменного тока обладает следующими преимуществами:

• хорошая реакция на изменения нагрузки

• точное регулирование мощности

• полный крутящий момент при нулевой скорости

• рабочие характеристики сравнимы с характеристиками приводов постоянного тока. 

Регулирование V/f-характеристик и вектора магнитного потока

В последние годы разработаны системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:

нормального V/f-регулирования, или СКАЛЯРНОГО управления, и регулирования вектора магнитного потока.

Оба метода имеют свои преимущества, зависящие от конкретных требований к рабочим характеристикам привода (динамике) и точности.

Регулирование V/f-характеристик имеет ограниченный диапазон регулирования скорости (приблизительно 1:20), и на малой скорости требуется другой принцип регулирования (компенсация). При использовании этого метода относительно просто адаптировать преобразователь частоты к электродвигателю, причем регулирование невосприимчиво к мгновенным изменениям нагрузки во всем диапазоне скоростей.

В приводах с регулированием магнитного потока преобразователь частоты должен точно конфигурироваться под электродвигатель, что требует детального знания его параметров. Также необходимы дополнительные компоненты для получения сигнала обратной связи.

Некоторые преимущества этого типа управления:

• быстрая реакция на изменения скорости и широкий диапазон скоростей

• лучшая динамическая реакция на изменения направления

• обеспечивается единый принцип управления во всем диапазоне скоростей.

Для пользователя оптимальным решением было бы сочетание наилучших свойств обоих принципов. Очевидно, что одновременно необходимы и такое свойство, как устойчивость к ступенчатой нагрузке/разгрузке во всем диапазоне скоростей, что обычно является сильной стороной V/f-регулирования, и быстрая реакция на изменения задания скорости (как при управлении по полю).

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.

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

Немного про управление.

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    

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.

Файлы:
плата микроконтроллера -layout5.0
силовой модуль -layout5.0
Программа для МК
Схема
схема S_plan7 -архив rar

Все вопросы в
Форум.