Тема питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети не нова, но по-прежнему остается актуальной. Сегодня мы предлагаем вниманию читателей еще одно техническое решение проблемы. Для упрощения задающего генератора — основы трехфазного инвертора, обеспечивающего питание такого двигателя, — автор статьи предлагает использовать микроконтроллер.
     За последние годы в журнале "Радио" описано немало трехфазных инверторов — преобразователей постоянного или переменного однофазного напряжения в трехфазное. Эти устройства предназначены, как правило, для питания асинхронных трехфазных электродвигателей в отсутствие трехфазной сети. Многие из них позволяют регулировать частоту вращения вала двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.
     Кроме мощных выходных узлов, непосредственно связанных с двигателем, все инверторы содержат задающий генератор, формирующий необходимые для работы названных узлов многофазные импульсные последовательности. Собранный на стандартных логических микросхемах, такой генератор представляет собой довольно сложное устройство. Особенно усложняет его необходимость при регулировке частоты импульсов изменять по определенному закону их скважность (для сохранения тока в обмотках питаемого от инвертора электродвигателя в допустимых пределах). Часто применяемая одновременная регулировка этих параметров обычным сдвоенным переменным резистором не позволяет соблюдать нужную взаимосвязь с достаточной степенью точности.
     Все эти проблемы легко решаются с помощью микроконтроллера (МК). Схема задающего генератора (рис. 1) упрощается до предела, а все его свойства реализуются программно. Здесь элементы U1.1—U6.1 — излучающие диоды транзисторных оптронов, связывающих генератор с мощными узлами инвертора. Через диоды U1.1, U3.1 и U5.1 ток протекает в интервалы времени, когда должны быть открыты "верхние" (по схеме) ключи фаз А, В и С соответственно, а через диоды U2.1, U4.1, U6.1, когда должны быть открыты "нижние" ключи этих фаз. Значения тока, протекающего через излучающие диоды, можно изменить подбором резисторов R3—R5, но они не должны превышать допустимых для МК 25 мА.
     В оптоизолированной от задающего генератора мощной части инвертора импульсы нужной полярности для управления ключами формируют с помощью узлов, выполненных по схемам, показанным на рис. 2 (а — положительной, б — отрицательной). Здесь Uп.2 — фототранзисторы оптронов U1—U6 (см. рис. 1). Напряжение питания Uпит и номинал резистора R1 выбирают в зависимости от типа применяемых в инверторе мощных ключей и их драйверов.
     Переключателем SA1 (см. рис. 1) выбирают одно из четырех значений частоты трехфазного напряжения. В прилагаемом к статье варианте программы (файл G3F629.HEX) два из них ниже номинального (50 Гц), а одно выше. Длительность формируемых импульсов при номинальной и повышенной частотах немного меньше полупериода их повторения, что исключает одновременное открывание "верхнего" и "нижнего" ключей одной фазы. Понижение частоты относительно номинальной достигается увеличением пауз между импульсами, длительность которых остается той же, что и при номинальной частоте. Этим обеспечивается неизменность амплитуды импульсов тока в обмотках двигателя и предотвращается насыщение его магнитопровода. Если необходимости в изменении частоты нет, переключатель SA1 и диоды VD1, VD2 исключают (устройство будет генерировать импульсы с частотой повторения 50 Гц). Вместо МК PIC12F629 можно применить PIC12F675.
     Схема аналогичного генератора на МК PIC16F628 показана на рис. 3. Его основное преимущество перед рассмотренным ранее — возможность подключения к МК внешнего кварцевого резонатора ZQ1 и увеличения частоты формируемых сигналов пропорционально отношению частот резонатора и внутреннего генератора МК (4 МГц). Например, при частоте резонатора 20 МГц максимальная частота трехфазного напряжения достигнет 88,5x20/4 = 442,5 Гц (здесь 88,5 Гц — максимальная частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК — встроенного или с внешним кварцевым резонатором — 4 МГц). Если повышать частоту не нужно, кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С1, С2 (на рис. 3 показаны штриховыми линиями) не устанавливают, а МК конфигурируют на работу от встроенного RC-генератора. Именно на такую конфигурацию устройства рассчитан прилагаемый к статье вариант программы G3F628.HEX. Без изменений в схеме и программе допустима замена PIC16F628 на PIC16F628A или PIC16F648A.
     Оптическая развязка задающего генератора и мощных узлов трехфазного инвертора в данном случае не предусмотрена, однако ее несложно организовать, подключив к паре выходов каждой фазы излучающие диоды оптронов по схеме, изображенной на рис. 4. Кроме развязки, такое схемное решение дополнительно гарантирует, что "верхний" и "нижний" ключи каждой фазы не будут открыты одновременно (при одинаковых уровнях напряжения на выходах МК ток через излучающие диоды отсутствует, а при разных течет только через один из них).
     Если записанные в программе МК по умолчанию значения частоты и скважности импульсов по каким-либо причинам не подходят, их можно изменить (а в варианте для МК PIC16F628 еще и поменять полярность выходных импульсов). Для этого предназначена компьютерная программа "Настройка трехфазного генератора" (G3F.exe), после запуска которой на экран монитора выводится окно, показанное на рис. 5.
     Настройку начинают с выбора МК, для которого предназначена откорректированная программа. Затем при необходимости изменяют указанные в таблице значения частоты формируемых импульсов и их коэффициента заполнения (обратная скважности величина, называемая в англоязычной литературе "duty cycle"). Делают это с помощью имеющихся в соответствующих графах таблицы кнопок со стрелками. Значения "некруглые", они изменяются с предусмотренной в программе МК дискретностью. Пределы изменения частоты в каждом положении переключателя SA1 ограничены значениями, установленными для его положений с меньшим и большим номерами. Наибольшая частота, которая может быть установлена при частоте тактового генератора МК 4 МГц, равна, как уже говорилось, 88,5 Гц, наименьшая — 8,02 Гц.
     Значение коэффициента заполнения можно изменять вручную в пределах от нуля (импульсы отсутствуют) до 98,33 % (пауза между импульсами, открывающими "верхние" и "нижние" ключи, минимальна). Если же нажать на экранную кнопку "Автоматически", за основу будет принят коэффициент заполнения для положения переключателя SA1, соответствующего номинальной частоте (оно обозначено "ном."). Для частоты выше номинальной коэффициент будет установлен таким же, а ниже ее снижен пропорционально частоте. Заметим, что за номинальное может быть принято любое положение переключателя — достаточно "щелкнуть" мышью рядом с его номером.
     Поля "Тактовый генератор" и "Полярность импульсов", расположенные ниже таблицы режимов работы генератора, активны только при выборе МК PIC16F628. В первом из них выбирают тип тактового генератора и при необходимости уточняют его частоту. Во втором устанавливают полярность выходных импульсов отдельно для каналов управления "верхними” и "нижними" ключами. Учтите, что при использовании оптической развязки по схеме, изображенной на рис. 4, полярность импульсов может быть любой, но обязательно одинаковой. В других случаях ее выбирают в зависимости от особенностей мощных узлов инвертора.
     Закончив установку всех нужных значений, нажмите на экранную клавишу "Создать НЕХ-файл". Откроется окно, в котором следует указать имя этого файла (программа предлагает G3F.HEX), место на жестком диске компьютера, куда он будет записан, и затем нажать на экранную кнопку "Сохранить". Остается загрузить созданный файл в программную память МК.
     В заключение — об имеющемся в окне программы настройки генератора пункте "Демо”. Если его отметить, будет сформирован вариант программы с уменьшенными в 32 раза относительно указанных в таблице значениями частоты формируемых импульсов. Если в генераторе, собранном по схеме рис. 1, загрузить его в МК, к которому вместо излучающих диодов оптронов подключена светодиодная сборка DLA/6GD (рис. 6), можно увидеть поочередные вспышки шести расположенных в ней по окружности светодиодов, что имитирует вращение ротора трехфазного двигателя. Такую конструкцию вполне можно использовать как игрушку или сувенир. Светодиодную сборку можно заменить шестью единичными светодиодами, в том числе разного цвета свечения, смонтировав их на плате подходящих размеров.
     ЛИТЕРАТУРА
     1.    Дубровский А. Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. — Радио, 2001, № 4, С. 42, 43.
     2.    Калугин С. Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. — Радио, 2002, N9 3, с. 31.
     3.    Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. — Радио, 2003, № 12, с. 35—37.
     4.    Мурадханян Э. Управляемый инвертор для питания трехфазного двигателя. — Радио, 2004, № 12, с. 37, 38.
Материал взят из: Журнала Радио 2008 №12

В архиве Программа, Прошивка и Исходный код

zadgen.rar [194,67 Kb] (cкачиваний: 2752)