Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное
Известны различные преобразователи однофазного напряжения в трехфазное. В [1] описан аппарат, выполненный на основе асинхронного трехфазного двигателя, как и любая электрическая машина обратимого: генератор может служить двигателем, и наоборот. Недостатки такого преобразователя — значительный "перекос" фаз, а также то, что мощность двигателя-преобразователя должна быть больше, чем питаемого от него электрооборудования.
Управляемый полупроводниковый инвертор для питания трехфазного двигателя предложен в [2]. Его недостаток заключен в применении регулируемого автотрансформатора для изменения выходного трехфазного напряжения. Но некоторые его узлы (устройства управления выходными ключами, питаемые бутстрепным способом) очень хорошо работают и поэтому использованы и в разработанном нами устройстве.
Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения рассмотрен в [3]. Но для питания "верхних" и "нижних" транзисторов его выходных ключей требуются отдельные источники напряжения. Сами ключи выполнены на биполярных транзисторах, имеющих большое внутреннее сопротивление в режиме насыщения.
Предлагаемый преобразователь однофазного напряжения в трехфазное лишен недостатков устройств, описанных в [2] и [3]. Его общая схема представлена на рис. 1. Выходы формирователя трехфазных импульсных последовательностей А1 соединены с входами трех одинаковых мощных коммутаторов А2.1, А2.2 и А2.3, к выходам которых и подключают трехфазную нагрузку.
Коммутаторы питаются выпрямленным с помощью диодного моста VD1 напряжением однофазной сети 220 В. Конденсаторы С2 и СЗ — сглаживающие. К сети подключен и "электронный трансформатор" для питания галогенных ламп U1 — преобразователь сетевого напряжения в импульсное амплитудой 15В и частотой 45 кГц. Его выходное напряжение выпрямляет мост из высокочастотных выпрямительных диодов VD2—VD5. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, которым питаются электродвигатели М1—МЗ вентиляторов, обдувающих теплоотвод, на котором размещены мощные транзисторы коммутаторов А2.1—А2.3. Вентиляторы — типоразмера 80x80 мм от компьютера.
Напряжением 12 В с выхода интегрального стабилизатора DA1 питают формирователь А1 и маломощные узлы коммутаторов А2.1—А2.3. Примененная в качестве DA1 микросхема KIA7812AP1505 отличается тем, что имеет изолированный корпус. Это позволяет крепить ее непосредственно на шасси устройства, используя его в качестве теплоотвода.
Схема формирователя А1 изображена на рис. 2. Генератор тактовых импульсов собран на таймере DA1 КР1006ВИ1 по схеме мультивибратора. Их частоту регулируют переменным резистором R1.1, а одновременно установленный с ним на одной оси переменный резистор R1.2 изменяет скважность импульсов. С повышением частоты длительность импульсов на выходе задающего генератора должна уменьшаться.
Тактовые импульсы поступают на вход счетчика DD2, на выходах которого поочередно на один период повторения импульсов устанавливается высокий уровень напряжения. Поскольку уровень на входе СР счетчика низкий, изменение его состояния происходит по нарастающим перепадам импульсов на входе CN. С появлением высокого уровня на выходе 6 (выводе 5) и соединенном с ним входе R счетчик немедленно возвращается в состояние с высоким уровнем на выходе 0 (вывод 3), после чего цикл повторяется.
Импульсы с выходов счетчика DD2 с помощью микросхемы DD3 преобразуются в три последовательности импульсов длительностью три такта, повторяющихся с периодом шесть тактов. Последовательности взаимно сдвинуты во времени на треть периода (два такта). Элементами микросхемы DD4 эти последовательности инвертируют, а с помощью D-триггеров микросхемы DD6 задерживают относительно исходных. Для этого на вход С микросхемы DD6 поданы тактовые импульсы, причем изменение состояния триггеров происходит по их спадам. В результате импульсы на выходах микросхемы DD6 задержаны относительно входных на длительность тактового импульса.
Из полученных описанным образом двенадцати импульсных последовательностей элементы микросхем DD1.1—DD1.4, DD5.1, DD5.2 формируют импульсы управления коммутаторами А2.1—А2.3.
Коммутаторы выполнены по схеме, заимствованной из [2] и показанной на рис. 3. Выходные полевые транзисторы прототипа заменены на более мощные IGBT IRG4BC40U (остаточное напряжение — 1, 7 В при токе 40 А) с демпфирующими диодами FR607. Все IGBT установлены через изолирующие прокладки на общем теплоотводе, обдуваемом вентиляторами (см. рис. 1). Размеры теплоотвода — 260x90 мм.
На двусторонней печатной плате, изображенной на рис. 4, размещены, как показано на рис. 5, все элементы узлов А1, А2.1—А2.3, за исключением сдвоенного переменного резистора, IGBT и демпфирующих диодов. Обозначения элементов узлов А2.1—А2.3 на плате снабжены цифровыми префиксами, соответствующими номеру узла.
При указанных на схеме номиналах элементов тактового генератора частота формируемого трехфазного напряжения регулируется сдвоенным переменным резистором R1 от 31 до 52 Гц, а коэффициент заполнения соответственно от 66 до 92 %. Последнее позволяет избежать чрезмерного увеличения тока в обмотках электродвигателя при пониженной частоте питающего напряжения. Интервал регулирования частоты может быть сдвинут вверх уменьшением емкости конденсатора С1 в тактовом генераторе.
Для двигателя на номинальную частоту 50 Гц повышать частоту питающего напряжения выше 100 Гц не стоит. При этом частота вращения ротора приблизится к 6000 мин ', что опасно для подшипников. Если использовать преобразователь для питания строительных и сельскохозяйственных механизмов, двигатели которых рассчитаны на напряжение 36 В при частоте 200...400 Гц, то на диодный мост VD1 (см. рис. 1) нужно подать напряжение 36 В 50 Гц, а частоту тактового генератора в узле А1 соответственно увеличить.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клейменов В. Электродвигатель— преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. — Радио, 2002, № 1, с. 28, 29.
2. Мурадханян Э. Управляемый инвертор для питания трехфазного двигателя. — Радио, 2004, № 12, с. 28, 29.
3. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. — Радио, 2003, № 12, с. 35—37.
В. КАЛАШНИК, Н. ЧЕРЕМИСИНОВА, г. Воронеж
Радио №3, 2009