Этот преобразователь разработан автором для питания маломощного трёхфазного электродвигателя в приводе диска рекордера механической звукозаписи. Он обеспечивает три фиксированные частоты вращения диска - 33 1/3, 45 и 78 об/мин. С небольшими переделками преобразователь можно использовать для питания трёхфазных и двухфазных асинхронных электродвигателей мощностью до 1000 Вт как с постоянной, так и с регулируемой частотой вращения.
Регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей возможно только изменением частоты питающего напряжения. Но при снижении частоты необходимо пропорционально уменьшать питающее напряжение во избежание перегрева обмоток и, наоборот, с ростом частоты повышать напряжение для поддержания мощности на валу.
В устройстве [1] применён регулируемый автотрансформатор (ЛАТР), с его помощью изменяется напряжение, от которого зависит амплитуда прямоугольных импульсов заданной частоты, подаваемых на обмотки двигателя. В устройстве [2] амплитуда этих импульсов остаётся постоянной, но изменяется их скважность, что тоже приводит к нужному результату. Недостаток первого устройства - громоздкий автотрансформатор, а второго - слишком сложная схема.
В предлагаемом вниманию читателей преобразователе однофазного сетевого напряжения в трёхфазное, подаваемое на двигатель, указанные недостатки устранены. Он содержит регулируемый симистором выпрямитель и простую цифровую часть, вырабатывающую три последовательности симметричных прямоугольных импульсов, взаимно сдвинутых по фазе на 120о. Схема устройства изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема устройства
Регулируемый выпрямитель представляет собой, по существу, обычный симисторный регулятор, работающий на диодный выпрямительный мост со сглаживающим выпрямленное напряжение конденсатором. Он состоит из силового симистора VS2, симметричного динистора VS1 с пороговым напряжением 32 В, конденсаторов C2, C4, C6, C8. Переключателем SA1.2 выбирают один из трёх резисторов R7-R9, образующих с конденсатором C2 фазосдвигающую цепь, задерживающую момент открывания симистора относительно начала каждого полупериода. Точный расчёт сопротивления этих резисторов затруднён, поэтому они подобраны экспериментально в процессе налаживания преобразователя. От задержки открывания симистора зависит напряжение, до которого заряжаются конденсаторы C4 и C6. Этим напряжением питают мощные ключи на полевых транзисторах VT1-VT6, формирующие выходное трёхфазное напряжение.
Демпфирующая цепь C8R11 снижает коммутационные помехи. А для того чтобы помехи не проникали в питающую сеть, преобразователь подключён к ней через фильтр Z1 DL-6DX1. Он состоит из двухобмоточного дросселя, нескольких конденсаторов и резистора, через который конденсаторы разряжаются после отключения устройства от сети. Для правильной работы фильтра его корпус должен быть заземлён - соединён с третьим контактом сетевой розетки.
Резистор R6 предотвращает повреждение элементов выпрямителя в момент его включения в сеть. Дело в том, что в этот момент конденсаторы C4 и C6 ещё не заряжены. Импульс их зарядного тока, если его амплитуду ничем не ограничить, может вывести из строя либо диоды выпрямительного моста VD1, либо симистор VS2. Резистор R6 ограничивает амплитуду этого импульса приблизительно до 40 А, допустимых для диодного моста и симистора.
Конечно, для ограничения тока можно было применить терморезистор с большим отрицательным ТКС, но подходящих терморезисторов в продаже не нашлось, хотя в каталогах производителей они имеются. Поэтому в качестве R6 применён проволочный резистор С5-35В-7,5 Вт (ПЭВ-7,5). Не стоит заменять его импортным проволочным резистором. Например, резистор фирмы Uni-Ohm сопротивлением 5 Ом и мощностью 5 Вт при включении устройства в сеть мгновенно сгорает.
Разборка этого резистора показала, что в нём на керамический каркас размером с резистор МЛТ-0,5 намотан короткий отрезок чрезвычайно тонкого высокоомного провода, выдерживающего ток не более 2...3 А. Рассеивание постоянной мощности, равной номинальной, обеспечено хорошим отводом выделяемого проводом тепла через внешнюю керамическую оболочку резистора и её заполнитель. Но кратковременную перегрузку во много раз такой резистор выдержать не может.
Резистор R2 нужен для правильной работы симистора VS2. Как известно, чтобы симистор закрылся, разность потенциалов между его электродами 1 и 2 должна стать нулевой. Однако этого не происходит при работе симистора на выпрямительный мост со сглаживающим конденсатором большой ёмкости. Этот эффект и устраняет резистор R2. Его сопротивление может находиться в широких пределах, но при слишком большом его значении симистор перестаёт закрываться в конце каждого полупериода.
Цифровая часть устройства состоит из задающего генератора на микросхеме DA1, распределителя импульсов на счётчике Джонсона DD1, формирователя трёхфазной импульсной последовательности на элементах 3ИЛИ микросхемы DD2, трёх драйверов полумоста DA3-DA5 и шести ключей на полевых транзисторах VT1-VT6, образующих трёхфазный мост.
Частота генерируемых микросхемой XR2206CP (DA1) импульсов определяется простой зависимостью
F = 1/(R·C1) ,
где R - сумма сопротивления постоянного резистора (одного из R3-R5, выбранного переключателем SA1.1, спаренным с SA1.2) и введённого сопротивления переменного резистора R1. Следует иметь в виду, что эта частота должна в шесть раз превышать частоту выходного трёхфазного напряжения.
В рекордере для механической звукозаписи диск должен иметь три фиксированные скорости вращения - 78, 45 и 33 1/3 об/мин, а для этого с учётом передаточного числа механизма его двигатель нужно питать трёхфазным напряжением частотой соответственно 18,52, 10,68 и 7,917 Гц. Частота задающего генератора преобразователя должна быть в шесть раз выше этих значений - 111,2, 64,1 и 47,5 Гц. Именно для этих частот на схеме указаны номиналы резисторов R3-R5 (из стандартного ряда E96). При этом учтено, что последовательно с ними включается переменный резистор R1, сопротивление которого в среднем положении - 3,4 кОм. С его помощью точно устанавливают частоту вращения диска по стробоскопическим меткам на ободе.
Диоды VD3-VD5 совместно с конденсаторами C10-C12 образуют бутстрепные цепи для питания драйверов "верхних" ключевых полевых транзисторов трёхфазного моста, а резисторы R12-R17 ограничивают импульсный ток затворов транзисторов VT1-VT6. Дело в том, что мощные полевые транзисторы имеют входную ёмкость, исчисляемую тысячами пикофарад. Для предотвращения очень большого тока перезарядки этой ёмкости и служат упомянутые резисторы. Для эффективного ограничения тока сопротивление этих резисторов должно быть как можно больше, но чрезмерное увеличение затягивает процессы переключения транзисторов, что приводит к бесполезному расходу мощности на их нагрев.
Мощность, которую преобразователь может отдать в нагрузку, определяется мощностью выпрямителя и качеством отвода тепла от транзисторов VT1-VT6. В описываемой конструкции был применён теплоотвод от процессора "Пентиум", способный рассеять при обдуве мощность около 30 Вт. Это значит, что в нагрузку может быть передана мощность до 1000 Вт.
Подбирая номиналы элементов, от которых зависит частота задающего генератора, частоту генерируемого напряжения можно изменять в широких пределах, ограниченных только возможностями питаемого двигателя. Кроме того, для каждого значения частоты необходимо установить оптимальное напряжение питания двигателя, подбирая резистор фазосдвигающей цепи симисторного регулятора такого сопротивления, при котором двигатель работает не перегреваясь.
Внешний вид собранного преобразователя показан на рис. 2. Так как элементы преобразователя гальванически связаны с сетью 230 В, при работе с ним следует соблюдать меры электробезопасности, прочитать о которых можно в [3].
Рис. 2. Внешний вид собранного преобразователя
При отсутствии микросхемы функционального генератора XR2206CP задающий генератор можно построить по типовой схеме на интегральном таймере NE555 или его отечественном аналоге КР1006ВИ1. Вместо микросхемы CD4075BE можно установить К561ЛЕ10 (три элемента 3ИЛИ-НЕ). К сожалению, отечественного аналога драйвера IR2111 не существует.
По описанному принципу несложно построить не только трёхфазный, но и двухфазный преобразователь. Достаточно изменить схему формирователя импульсных последовательностей согласно рис. 3. Элемент микросхемы DD2.3, микросхема DA5, транзисторы VT5 и VT6 и связанные с ними компоненты в этом случае не используются.
Рис. 3. Изменённая схема формирователя импульсных последовательностей
Примечание. Подборку резисторов R7-R9 в симисторном регуляторе удобно производить, включив амперметр постоянного тока в цепь нагрузки регулируемого выпрямителя. Ток, потребляемый от выпрямителя, при любой частоте вращения вала двигателя не должен отличаться более чем на 10 % от его значения при номинальном по частоте и напряжению режиме работы двигателя.
Литература
1. Мурадханян Э. Управляемый инвертор для питания трёхфазного двигателя. - Радио, 2004, № 12, с. 37, 38.
2. Калашник В., Черемисинова Н. Преобразователь однофазного напряжения в трёхфазное. - Радио, 2009, № 3, с. 31-34.
3. Осторожно! Электрический ток! - Радио, 2015, № 5, с. 54.
Автор: В. Хиценко, г. Санкт-Петербург