Esquemas de conversores de frequência amadores

Um dos primeiros circuitos conversores para alimentar um motor trifásico foi publicado na revista Radio no 11 de 1999. O desenvolvedor de esquemas M. Mukhin naquela época era um aluno do 10º ano e estava envolvido em um círculo de rádio.

O conversor foi projetado para alimentar o motor trifásico em miniatura DID-5TA, usado na máquina para perfurar placas de circuitos impressos. Note-se que a frequência de operação deste motor é de 400Hz e a tensão de alimentação é de 27V. Além disso, o ponto médio do motor (ao conectar os enrolamentos com uma “estrela”) foi destacado, o que tornou possível simplificar extremamente o circuito: foram necessários apenas três sinais de saída e cada fase exigiu apenas uma tecla de saída. O circuito do gerador é mostrado na Figura 1.

Como pode ser visto no diagrama, o conversor consiste em três partes: um gerador de gerador de pulso de seqüência trifásica em microcircuitos DD1 ... DD3, três chaves em transistores compostos (VT1 ... VT6) e o motor elétrico real M1.

A Figura 2 mostra os diagramas de tempo dos pulsos gerados pelo gerador gerador. O oscilador principal é feito no chip DD1. Usando o resistor R2, você pode definir a velocidade do motor desejada e alterá-la dentro de certos limites. Informações mais detalhadas sobre o circuito podem ser encontradas no log acima. Deve-se notar que, de acordo com a terminologia moderna, esses geradores são chamados de controladores.

Figura 1

Figura 2. Diagramas de tempo dos pulsos do gerador.

Baseado no controlador A. Dubrovsky da cidade de Novopolotsk, região de Vitebsk. O projeto de um inversor de frequência variável para um motor alimentado por 220V CA foi desenvolvido. O diagrama do circuito foi publicado na revista Radio 2001. Número 4.

Nesse esquema, praticamente inalterado, o controlador recém-revisado é usado de acordo com o esquema de M. Mukhin. Os sinais de saída dos elementos DD3.2, DD3.3 e DD3.4 são utilizados para controlar as teclas de saída A1, A2 e A3, às quais o motor elétrico está conectado. O diagrama mostra a chave A1, o restante é idêntico. Um diagrama completo do dispositivo é mostrado na Figura 3.

Figura 3

Conectando o motor à saída de um inversor trifásico

Para se familiarizar com a conexão do mecanismo às chaves de saída, vale a pena considerar um diagrama simplificado mostrado na Figura 4.

Figura 4

A figura mostra o motor M, controlado pelas teclas V1 ... V6. Elementos semicondutores para simplificar o circuito mostrado na forma de contatos mecânicos. O motor elétrico é alimentado por uma tensão constante Ud obtida do retificador (não mostrado na figura). Nesse caso, as teclas V1, V3, V5 são chamadas superior e as teclas V2, V4, V6, inferiores.

É óbvio que a abertura das teclas superior e inferior ao mesmo tempo, nomeadamente com os pares V1 e V6, V3 e V6, V5 e V2, é completamente inaceitável: ocorrerá um curto-circuito. Portanto, para a operação normal de um esquema de teclas, é imperativo que, quando a tecla inferior for aberta, a tecla superior já estiver fechada. Para esse fim, os controladores fazem uma pausa, geralmente chamada de "zona morta".

A magnitude dessa pausa é de modo a garantir o fechamento garantido dos transistores de potência. Se esta pausa for insuficiente, é possível abrir brevemente as teclas superior e inferior ao mesmo tempo. Isso faz com que os transistores de saída aqueçam, geralmente levando à falha. Esta situação é chamada através de correntes.

Vamos retornar ao circuito mostrado na Figura 3. Nesse caso, os comutadores superiores são os transistores 1VT3 e os inferiores, 1VT6. É fácil ver que as teclas inferiores estão galvanicamente conectadas ao dispositivo de controle e entre si.Portanto, o sinal de controle da saída 3 do elemento DD3.2 através dos resistores 1R1 e 1R3 é alimentado diretamente à base do transistor composto 1VT4 ... 1VT5. Esse transistor composto não passa de um driver de chave inferior. Exatamente também a partir dos elementos DD3, DD4, os transistores compostos do driver de chave inferior dos canais A2 e A3 são controlados. Todos os três canais são alimentados pelo mesmo retificador. na ponte de diodos VD2.

As teclas superiores da comunicação galvânica com um fio comum e um dispositivo de controle não precisam, portanto, controlá-las, além do driver, em um transistor composto 1VT1 ... 1VT2, um acoplador óptico adicional 1U1 precisava ser instalado em cada canal. O transistor de saída do acoplador óptico neste circuito também desempenha a função de um inversor adicional: quando a saída 3 do elemento DD3.2 estiver em um nível alto, o transistor do interruptor superior 1VT3 estará aberto.

Um retificador separado 1VD1, 1C1 é usado para alimentar cada driver de chave superior. Cada retificador é alimentado por um enrolamento de transformador individual, o que pode ser considerado uma desvantagem do circuito.

O capacitor 1C2 fornece um atraso de comutação chave de cerca de 100 microssegundos, a mesma quantidade de acoplador óptico 1U1 fornece, formando assim a "zona morta" acima mencionada.

A regulação de frequência é suficiente?

Com uma diminuição na frequência da tensão alternada de alimentação, a resistência indutiva dos enrolamentos do motor diminui (lembre-se da fórmula de resistência indutiva), o que leva a um aumento da corrente através dos enrolamentos e, como resultado, ao superaquecimento dos enrolamentos. Além disso, o circuito magnético do estator está saturado. Para evitar essas consequências negativas, quando a frequência diminui, o valor efetivo da tensão nos enrolamentos do motor também deve ser reduzido.

Uma maneira de resolver o problema em chastotniks amadores foi proposta para regular esse valor mais eficaz usando LATR, cujo contato móvel tinha uma conexão mecânica com um resistor variável do regulador de frequência. Este método foi recomendado no artigo de S. Kalugin, “Finalização do controlador de velocidade de motores assíncronos trifásicos”. Journal of Radio 2002, nº 3, página 31.

Em condições amadoras, a montagem mecânica acabou sendo complexa e, mais importante, não confiável. Uma maneira mais simples e confiável de usar um autotransformador foi proposta por E. Muradkhanian, de Yerevan, na revista Radio No. 12 2004. Um diagrama desse dispositivo é mostrado nas Figuras 5 e 6.

A tensão de rede de 220V é fornecida ao autotransformador T1, e do seu contato móvel à ponte retificadora VD1 com um filtro C1, L1, C2. Na saída do filtro, é obtida uma tensão constante variável Ureg, usada para alimentar o próprio motor.

Figura 5

A tensão Ureg através do resistor R1 também é fornecida ao oscilador mestre DA1, feito no chip KR1006VI1 (versão importada NE555) Como resultado dessa conexão, um gerador de onda quadrada convencional se transforma em um VCO (gerador controlado por tensão). Portanto, com um aumento na tensão Ureg, a frequência do gerador DA1 também aumenta, o que leva a um aumento na velocidade do motor. Com a diminuição da tensão Ureg, a frequência do oscilador principal também diminui proporcionalmente, o que evita o superaquecimento dos enrolamentos e a supersaturação do circuito magnético do estator.

Figura 6

No mesmo artigo de revista, o autor oferece uma variante do oscilador principal, que permite livrar-se do uso de um autotransformador. O circuito do gerador é mostrado na Figura 7.

Figura 7

O gerador é fabricado no segundo gatilho do chip DD3, no diagrama é designado como DD3.2. A frequência é definida pelo capacitor C1, a frequência é controlada por um resistor variável R2. Juntamente com o controle de frequência, a duração do pulso na saída do gerador também muda: quando a frequência é reduzida, a duração diminui e a tensão nos enrolamentos do motor diminui. Esse princípio de controle é chamado de modulação por largura de pulso (PWM).

No circuito amador em consideração, a potência do motor é pequena, o motor é alimentado por pulsos retangulares, portanto o PWM é bastante primitivo. Em real conversores de frequência industriais O PWM de alta potência é projetado para gerar tensão quase sinusoidal na saída, como mostra a Figura 8, e para implementar trabalhos com várias cargas: com torque constante, com potência constante e com carga do ventilador.

Figura 8. O formato da tensão de saída de uma fase de um inversor trifásico com PWM.

Parte de potência do circuito

Os chastotniks de marcas modernas têm uma saída Transistores de potência MOSFET ou IGBTespecialmente projetado para operação em conversores de frequência. Em alguns casos, esses transistores são combinados em módulos, o que geralmente melhora o desempenho de toda a estrutura. Esses transistores são controlados usando microcircuitos de driver especializados. Em alguns modelos, os drivers estão disponíveis integrados nos módulos de transistor.

Atualmente, os chips e transistores mais comuns são o retificador internacional. No esquema descrito, é bem possível usar os drivers IR2130 ou IR2132. Em um caso desse chip, existem seis drivers de uma só vez: três para a chave inferior e três para a superior, o que facilita a montagem de um estágio de saída da ponte trifásica. Além da função principal, esses drivers também contêm vários adicionais, por exemplo, proteção contra sobrecargas e curtos-circuitos. Informações mais detalhadas sobre esses drivers podem ser encontradas nas descrições técnicas da folha de dados dos respectivos chips.

Com todas as vantagens, a única desvantagem desses microcircuitos é o alto preço, de modo que o autor do projeto foi diferente, mais simples, mais barato e ao mesmo tempo viável: os microcircuitos de driver especializados foram substituídos por chips de timer integrados КР1006В1 (NE555).

Teclas de saída em temporizadores integrados

Se voltarmos à Figura 6, podemos ver que o circuito possui sinais de saída para cada uma das três fases, designadas como "H" e "B". A presença desses sinais permite o controle separado das teclas superior e inferior. Essa separação permite criar uma pausa entre a alternância das teclas superior e inferior usando a unidade de controle, em vez das próprias teclas, como foi mostrado no diagrama na Figura 3.

O circuito das chaves de saída usando os microcircuitos KR1006VI1 (NE555) é mostrado na Figura 9. Naturalmente, para um conversor trifásico, são necessárias três cópias dessas chaves.

Figura 9

Como drivers das teclas superior (VT1) e inferior (VT2), são utilizados os microcircuitos KR1006VI1, que são incluídos de acordo com o esquema de disparo de Schmidt. Com a ajuda deles, é possível obter uma corrente de porta de pulso de pelo menos 200 mA, o que torna possível obter um controle rápido e confiável o suficiente dos transistores de saída.

Os chips das teclas inferiores DA2 têm conexão galvânica com a fonte de alimentação de + 12V e, consequentemente, com a unidade de controle, para que sejam alimentados a partir dessa fonte. Os microchips das teclas superiores podem ser alimentados da mesma maneira que foi mostrado na Figura 3, usando retificadores adicionais e enrolamentos separados no transformador. Mas, nesse esquema, é usado um método de nutrição diferente, chamado “rápido”, cujo significado é o seguinte. O microcircuito DA1 recebe energia do capacitor eletrolítico C1, cuja carga ocorre através do circuito: + 12V, VD1, C1, um transistor aberto VT2 (através dos eletrodos o dreno é a fonte), "comum".

Em outras palavras, a carga no capacitor C1 ocorre enquanto o transistor de chave inferior está aberto. Neste momento, o terminal negativo do capacitor C1 está quase em curto-circuito no fio comum (a resistência da seção de dreno aberto - fonte de poderosos transistores de efeito de campo é milésimos de Ohm!), O que torna possível carregá-lo.

Com o transistor VT2 fechado, o diodo VD1 também será fechado, a carga do capacitor C1 será interrompida até a próxima abertura do transistor VT2.Mas a carga do capacitor C1 é suficiente para alimentar o chip DA1 enquanto o transistor VT2 está fechado. Naturalmente, neste momento, o transistor da chave superior está no estado fechado. Esse esquema de teclas de poder acabou sendo tão bom que é usado sem alterações em outros projetos amadores.

Este artigo discute apenas os esquemas mais simples de inversores trifásicos amadores em microcircuitos de pequeno e médio grau de integração, com os quais tudo começou, e onde você pode até considerar tudo de dentro usando o circuito. Projetos mais modernos são feitos usando microcontroladores, na maioria das vezes séries PIC, esquemas dos quais também foram publicados repetidamente em revistas de rádio.

As unidades de controle de microcontroladores de acordo com o esquema são mais simples do que em microcircuitos de médio grau de integração, possuem funções necessárias como arranque suave do motor, proteção contra sobrecargas e curtos-circuitos e alguns outros. Nesses blocos, tudo é implementado às custas dos programas de controle ou como são chamados de "firmware". A unidade de controle de um inversor trifásico dependerá precisamente desses programas.

Circuitos bastante simples para controladores de inversores trifásicos são publicados na revista Radio 2008 No. 12. O artigo é chamado "O oscilador principal de um inversor trifásico". O autor do artigo também é autor de uma série de artigos sobre microcontroladores e muitos outros modelos. O artigo apresenta dois circuitos simples nos microcontroladores PIC12F629 e PIC16F628.

A frequência de rotação nos dois esquemas é alterada gradualmente com a ajuda de comutadores unipolares, o que é suficiente em muitos casos práticos. Há também um link onde você pode baixar o "firmware" pronto e, além disso, um programa especial com o qual você pode alterar os parâmetros do "firmware" a seu critério. Também é possível a operação do modo de geradores "demo". Nesse modo, a frequência do gerador é reduzida em 32 vezes, o que permite visualmente usar os LEDs para observar a operação dos geradores. Ele também fornece recomendações para conectar a unidade de energia.

Porém, se você não deseja se envolver na programação de microcontroladores, a Motorola lançou um controlador inteligente especializado MC3PHAC, projetado para sistemas de controle de motor trifásico. Com base nisso, é possível criar sistemas baratos de um inversor trifásico ajustável, contendo todas as funções necessárias para controle e proteção. Tais microcontroladores são cada vez mais utilizados em vários aparelhos domésticos, por exemplo, em máquinas de lavar louça ou geladeiras.

Completo com o controlador MC3PHAC, é possível usar módulos de energia prontos para uso, por exemplo, IRAMS10UP60A, desenvolvido pela International Rectifier. Os módulos contêm seis interruptores e um circuito de controle. Para obter mais detalhes sobre esses elementos, consulte a documentação da Folha de dados, fácil de encontrar na Internet.

Boris Aladyshkin