В настоящей статье рассмотрена схема несложного устройства, позволяющего реализовать управление силовой схемой частотного асинхронного привода. Статья ориентирована на радиолюбителей, интересующихся разработкой и изготовлением самодельных регуляторов частоты вращения асинхронных двигателей, в том числе при питании их от бытовой однофазной сети.

Важное замечание. В статье не рассматриваются вспомогательные системы, без которых построение законченной схемы привода невозможно, а именно: источники питания всех узлов привода, схема сопряжения низковольтной схемы управления и силовой схемы инвертора (драйверы силовых ключей), собственно силовая схема инвертора. Разработка этих узлов остается на усмотрение читателей.

Частотно-управляемый (или регулируемый) асинхронный привод (далее просто привод) обычно строится по схеме "питающая сеть - выпрямитель - фильтр - трехфазный инвертор напряжения - приводимый асинхронный двигатель (далее - АД)". Питающая сеть может быть как бытовой однофазной, так и промышленной трехфазной, соответственно и выпрямитель делается одно- или трех-фазным. В качестве фильтра, как правило, используются Г-образные LC-фильтры, в системах малой мощности допустимо применение обычного сглаживающего С-фильтра.

Наиболее сложным узлом является инвертор напряжения. Последние годы он строится на основе полноуправляемых силовых ключей - транзисторов (MOSFET или IGBT), а еще совсем недавно применялись схемы на полууправляемых ключах (тиристорах). Задача инвертора - получение из постоянного напряжения регулируемого по частоте и действующему значению трехфазного напряжения. Регулирование частоты особой сложности не вызывает, а вот для регулирования действующего значения напряжения приходится применять ШИМ модуляцию, что далеко не просто.

Управление силовыми ключами инвертора осуществляет по определенному алгоритму специальный управляющий контроллер (иначе говоря - схема управления). Алгоритм управления подразумевает не только реализацию функций регулирования частоты и действующего значения выходного напряжения, но так же и реализацию защиты силовых ключей от перегрузок и КЗ. В некоторых случаях дополнительно реализуются функции регулирования момента на валу АД и другие специфические задачи, неактуальные для любительского применения.

Разработка схемы управления инвертором с полным набором функций - задача слишком сложная, чтобы рекомендовать ее широкому кругу любителей электроники, однако в усеченном, но достаточном для бытового применения (и даже для некоторых особых промышленных случаев, например, приводов вентиляции) решить ее возможно - см. статьи в журналах Радио №4 за 2001 г. и №12 за 2003 г (можно скачать из файлового архива). К сожалению, в этих конструкциях есть несколько недостатков, в частности, невысокая стабильность параметров из-за смешанного полуаналогового-полуцифрового подхода, непроработанность систем защиты и др. Попытка избавиться от этих недостатков и одновременно расширить функциональные возможности системы управления вылилась в создание схемы управления инвертором напряжения на недорого микроконтроллере (см. Рисунок 1), которая и предлагается к повторению.

Рисунок 1. Принципиальная схема

Краткие характеристики и особенности:

• формирование последовательности импульсов управления силовыми ключами по алгоритму, реализующему линейную зависимость действующего значения напряжения от частоты;
• регулирование частоты выходного напряжения инвертора от 5 до 50 Гц;
• быстродействующая защита силовых ключей инвертора от токов КЗ;
• возможность использования в качестве датчика тока схемы защиты как специализированного датчика (например, фирмы LEM), так и обычного шунта;
• возможность подключения дополнительного дисплея с последовательным интерфейсом для индикации текущей и заданной частоты;
• чрезвычайная простота схемы - всего 4 микросхемы, включая микроконтроллер.

В схеме используется недорогой микроконтроллер AT89C2051-24PI. Он реализует все требуемые функции по специально разработанной программе.

Разъем XP3 служит для подключения напряжения питания схемы управления 5 В (контакты 1 и 4), а так же для подключения к схеме драйверов силовых ключей инвертора (контакты 12 - 17).

Разъем XP1 служит для подключения сигнала с датчика тока инвертора. Если используется датчик тока фирмы LEM или аналогичный, то обязательно наличие нагрузочного резистора R0, его сопротивление определяется типом датчика. Если в качестве датчика используется шунт, то этот резистор не нужен. Шунт должен быть рассчитан так, чтобы при наличии тока КЗ в цепи постоянного тока инвертора на нем падало напряжение от 3 до 5 В. Если напряжение существенно ниже, может потребоваться дополнительный каскад усиления.

Схема защиты построена на компараторе DA1A и триггере DD1.1 и работает так. Напряжение с датчика тока через защитную цепь R1-VD1 поступает на неинвертирующий вход компаратора DA1.A, а на инвертирующий его вход поступает пороговое напряжение с подстроечного резистора R2. Когда напряжение с датчика тока превысит пороговое, компаратор сработает, и высокий логический уровень с его выхода поступит на тактовый вход триггера DD1.1, который переключится и сигналом со своего вывода 5 переведет микроконтроллер в состояние сброса. При включении питания триггер DD1.1 устанавливается в состояние сброса при помощи цепи R5-C1. Чтобы сбросить схему защиты в рабочее положение и запустить тем самым инвертор, следует кратковременно нажать на кнопку SB1.

Когда поступление сигнала сброса на микроконтроллер DD2 прекратится, он начнет выполнение своей программы. Сначала происходит внутренняя инициализация микроконтроллера, а затем подается сигнал разрешения работы шинного буфера DD3 "GATE". Этот буфер используется для быстрого отключения выходных управляющих сигналов при срабатывании защиты, т.к. при поступлении сигнала сброса на микроконтроллер на всех его выходных портах устанавливается высокий логический уровень, в том числе и на линии "GATE", что переводит выходы DD3 в Z-состояние. Благодаря резисторам R9-R14 на выходах схемы управления, помеченных "VT1" - "VT6", устанавливается низкий логический уровень, что соответствует запертому состоянию всех силовых ключей инвертора. Светодиод HL1 индицирует режим работы схемы управления: зеленое свечение "работа", красное - "защита".

Такое построение схемы защиты обусловлено тем, что быстродействия современных недорогих микроконтроллеров явно недостаточно для реализации защиты программными средствами. Это относится не только к используемому микроконтроллеру, но так же и к более быстродействующим AVR и PIC.

При помощи резистора R8 устанавливается желаемое значение частоты выходного напряжения инвертора. Вне зависимости от положения движка R8, сразу после начала работы инвертор формирует выходные сигналы для частоты напряжения в 5 Гц. Затем, проанализировав положение движка этого резистора, микроконтроллер начинает постепенное повышение частоты до заданного уровня. Изменение частоты происходит дискретно с шагом в 1 Гц, причем скорость изменения установлена в 2 Гц/сек. Это сделано для исключения скачкообразного изменения выходной частоты, что может привести к возникновению ударных токов в АД и механическим перегрузкам в приводном механизме.

К разъему XP2 можно подключить дисплей с последовательным интерфейсом, при помощи которого отображаются заданное и текущее значения частоты, для работы схемы наличие дисплея необязательно. В авторском варианте применен простейший дисплей на шести семисегментных светодиодных индикаторах и шести регистрах с последовательным вводом и параллельным выводом данных.

Рисунок 2 Чертеж сторон печатной платы

Рисунок 3 Расположение элементов на плате.

Для схемы управления разработана печатная плата (см. Рисунок 2). Размещение элементов схемы показывает Рисунок 3. В качестве разъемов использованы штыревые вилки типа PLS. Микроконтроллер DD2 устанавливается в панель, чтобы обеспечить возможность перепрограммирования. Двухцветный светодиод - любой, кристалл красного свечения подключается к резистору R16. Кнопка SB1 - любая тактовая, подстроечный резистор R3 типа СП5-16, переменный R8 - любой. Тип резисторов и конденсаторов принципиального значения не имеет, важно только, чтобы напряжение электролитических конденсаторов было не менее 10 В. Неэлектролитические конденсаторы - дисковые керамические.

Алгоритм работы схемы управления поясняют диаграммы выходных сигналов и соответствующие им диаграммы выходных напряжений инвертора (при активной нагрузке) - см. Рисунок 4 и Рисунок 5. Длительность импульсов 1,11 миллисекунды, а длительность паузы между ними (внутри пачки) зависит от частоты, и при частоте выходного напряжения инвертора 50 Гц составляет около 20 микросекунд (защитный интервал, полностью исключающий возможность возникновения сквозных токов в инверторе).

Рисунок 4 Диаграмма выходных сигналов схемы управления

Рисунок 5 Форма выходных напряжений инвертора при активной нагрузке

Схема управления была испытана с использованием мощного инвертора на IGBT транзисторах MBN1200C33 (HITACHI), к которому подключался АД мощностью 55 кВт с номинальной частотой вращения 1500 мин-1, нагруженный на центробежный вентилятор. Сбоев в работе схемы управления не было. Фактическую форму напряжений на выходе инвертора с вышеуказанным АД демонстрируют осциллограммы - см. Рисунок 6 и Рисунок 7.

Рисунок 6 Фазные напряжения на двигателе

Рисунок 7 Фазные напряжения на двигателе

Качественные изображения схемы, рисунка проводников печатной платы, бинарный файл прошивки, можно скачать в файловом архиве, а некоторые дополнительные сведения об особенностях построения остальных, не рассмотренных в настоящей статье, узлов привода и инвертора можно получить из дополнительной статьи-приложения, находящейся там же.

Коментарии (15)

1  Написал(а) Kostya, в 22:32 30.01.2008 аа класная штука давно искал нечто подобное уже подумывал сделать на uaa180 поставить полосовых фильтров на вход... ну не важно    [QUOTE] схемой (прототип) [/QUOTE] а вот это наводит на мысль, это что коммерческий проэкт или доработки будут обновляться?? Уведомить админа

2  Написал(а) v, в 23:24 11.02.2008 Схема очень полезня и нужная. Хотелось-бы дождаться законченного варианта, с силовой частью. (Что-то типа на IR2130 с полевиками для небольшой мощности и IGBT для большой). И еще неплохо было бы расширить диапазон регулирования где-то до 100 гц.   В принципе, как мне видится, и к этой схеме не проблема приделать драйвер, вот только диапазон регулировки .  Уважаемый Автор! Ждем с нетерпением окончательный вариант. Или хотя-бы просветите, как расширить регулировку. Уведомить админа

4  Написал(а) Gooddi, в 18:23 21.10.2008 проэкт мне нравится, принимаюсь за сборку. да частоту бы поднять до 100Гц не помешает. Почему сразу не заложено не понятно. Уведомить админа

8  Написал(а) tutvagis, в 15:51 26.11.2009 Уведомить админа

10  Написал(а) Илья, в 10:05 29.01.2011 Было бы хорошо посмотреть программы! Уведомить админа

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять коментарии.
Пожалуйста зарегистрируйтесь или войдите в ваш аккаунт.