Функциональная схема простейшего варианта электропривода с перестраиваемой частотой показана на рис.1.

В нем для питания 3-фазного электромотора используются импульсы прямоугольной формы, сдвинутые между собой по фазе, как это показано на рис.2.

Основным элементом схемы рис.1 является генератор с широким диапазоном перестройки частоты тактовых импульсов. Эти импульсы поступают на формирователь 6-фазного сигнала (три прямых сигнала фазы и три инверсных), который управляет работой силового модуля, подключенного к электромотору. Напряжение питания вырабатывает выпрямитель. Для мощных моторов выпрямитель питается от 3-фазной сети, для маломощных достаточно питания и от однофазной сети.

Первый вариант схемы перестраиваемого генератора показан на рис.3.

Генератор построен на таймере КР1006ВИ1. Такие генераторы описаны в [2]. Частота генерируемых импульсов в схеме рис.3 описывается выражением:

F=1,46/(R1+R2+2R3)C.

Перестройка частоты (от 3 Гц до 3000 Гц) осуществляется вручную подстройкой потенциометра R1 (в два раза) и переключением позиций переключателя SA1 (в 500 раз). Поскольку 6-фазный преобразователь делит частоту в 6 раз, то на мотор можно подать частоты от 0,5 Гц до 500 Гц.

В случаях, когда нужно разгонять мотор с малых скоростей на высокие, можно в схеме рис.3 переключателем SA1 постепенно повышать частоту. Недостаток этой схемы в том, что повышение частоты происходит скачкообразно.

Для плавного повышения частоты в автоматическом режиме хорошо подходят преобразователи напряжение-частота [3].

Отечественная промышленность выпускала только один тип такого преобразователя - микросхему К1108ПП1. Микросхема имеет ряд недостатков: диапазон частот только до 10 кГц, биполярное питание ±15 В. Но для задач питания электромоторов она вполне подходит. Частота выходных импульсов микросхемы DA1в схеме рис.4 определяется выражением: .

=Uвх/(kIoR5C2),

где постоянные параметры имеют значения: Io=1 мА, k=75 кОм.

При номиналах, указанных на схеме, частота равна F=34Uвх, т.е. при максимальном входном напряжении +15 В она составит примерно 500 Гц. Для получения более широкого диапазона частот нужно пропорционально уменьшить емкость С2.

Схема работает следующим образом. При включении питания конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R2. Постоянная времени цепи заряда при этих номиналах равна 20 с, т.е. весь процесс разгона длится примерно одну минуту.

Для согласования высокоомной цепи со входом преобразователя установлен истоковый повторитель на полевом транзисторе VT1. Поскольку входные характеристики полевых транзисторов имеют разброс по напряжению отсечки, введена регулировка на потенциометре R3. Нужно закоротить пинцетом конденсатор С1 и добиться нулевого напряжения на истоке VT1. Потенциометр R1 служит для установки максимальной частоты генерации. Отключают конденсатор С1 и по частотомеру устанавливают максимальную необходимую частоту.

На рис.5 показана схема формирователя сигналов рис.2.

Схема состоит из счетчика-дешифратора DD1, у которого 6 позиций дешифратора используются для формирования сигналов, а с седьмой позиции сигнал заведен на сброс счетчика. Его коэффициент пересчета равен 6. Как видно из рис.2, для формирования сигнала фазы А нужно объединить три первых позиции дешифратора, для фазы В - позиции с третьей по пятую, для фазы С - пятую, шестую и первую.

На рис.6 показан силовой модуль для питания трехфазного мотора, состоящий из 6 драйверов VT1-VT6.

Для каждой фазы используется два драйвера, например: для фазы А драйвер верхнего плеча - VT1, а драйвер нижнего плеча - VT2. На входы драйверов подаются противофазные сигналы: на верхний - A прямое, на нижний А - инвертированное. Вот почему нужен 6-фазный сигнал. В качестве драйверов можно использовать как биполярные, так и полевые мощные транзисторы. Ряд фирм выпускают модули из 6 драйверов в одном корпусе. Например, фирма International Rectifier выпускает модуль CPV363M4. с параметрами: максимальное напряжение коллектор-эмиттер 600 В, максимальный импульсный ток 50 А. Резисторы R1-R3 являются датчиками тока, напряжения с них должны поступать на узлы контроля режима.

Питание моторов импульсным трехфазным напряжением, как видим, достаточно просто реализуется на практике. Но это пригодно только для маломощных моторов. Например, в видеокамерах и видеомагнитофонах используются трехфазные малогабаритные электромоторы для протяжки ленты и для вращения блока вращающихся головок БВГ [4]. Они и питаются импульсным трехфазным напряжением, причем для этого разработаны специальные микросхемы, например драйвер мотора БВГ XRA6459P1.

Для более мощных моторов необходимо все же формировать напряжения, которые по форме приближаются к синусоидальным, т.к. напряжения прямоугольной формы могут вызвать паразитные выбросы напряжения большой величины, которые могут привести к пробою изоляции.

На рис.7 показано двухуровневое приближение к синусоидальному сигналу.

При этом сигнал образуется суммированием двух прямоугольных последовательностей А1 и А2. Как видно из рис.7, для формирования этих сигналов интервал 360° необходимо разбивать уже на 12 частей. Поэтому одной микросхемы счетчика, как на рис.5, уже будет недостаточно. В два раза возрастет число логических элементов. Если формирователь рис.5 можно собрать на 3 интегральных микросхемах, то для двухуровневого формирователя их потребуется уже 6.

Отдельно вопрос о драйверах. В предыдущем варианте драйверы работали в ключевом режиме: транзистор был или заперт, или открыт до насыщения. В этом случае нагрев транзистора очень мал и ему не нужен радиатор.

Рассмотрим пример. Напряжение питания 60 В, рабочий ток в режиме насыщения 10 А.

Когда транзистор заперт, он не греется, в открытом до насыщения состоянии падение напряжения на нем примерно 0,1 В, следовательно, выделяется мощность 10х0,1=1 Вт, но только на полупериоде, значит, средняя мощность 0,5 Вт. Если перейдем на линейный режим работы транзистора, мощность рассеяния возрастет резко. Например, там, где на рис.7 имеются половинки сигнала, падение напряжения на транзисторе составит 30 В при токе 5 А, т.е. мощность 150 Вт. Учитывая, что эта мощность выделяется на 1/6 периода, получим среднюю мощность 25 Вт, т.е. в 50 раз больше! Теперь придется ставить радиаторы.

Есть возможность обойтись без радиаторов, если каждый драйвер составить из двух параллельно включенных транзисторов, на один из них подавать сигнал А1 (рис.7), а на другой - А2. Транзисторы по-прежнему будут работать в ключевом режиме, но их количество возрастет вдвое.

Для трех-четырех и более уровней аппроксимации синусоидального сигнала сложность аппаратуры будет возрастать пропорционально квадрату числа уровней. Поэтому такой путь бесперспективен.

В профессиональной аппаратуре синусоидальный сигнал получают способом, показанным на рис.8.

Тактовый сигнал поступает на счетчик, выходной код которого является адресом постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в котором записана таблица синусов. Цифровые коды, пропорциональные значениям текущего синуса, поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где превращаются в аналоговые синусоидальные сигналы. Для распределения их по верхнему и нижнему драйверам используется триггер и два ключа. На первом полупериоде синусоидальный сигнал идет на верхний драйвер, на втором - на нижний.

Лет 20 назад у нас серийно выпускалась микросхема К568РЕ1, в которой была записана таблица синусов. Сейчас ее уже не найти. Поэтому разработчику придется составлять самому таблицу прошивки ПЗУ и программировать микросхему ПЗУ, что, согласитесь, не всем доступно.

Есть более простой способ формировать напряжение, близкое к синусоидальному. Этот способ показан на рис.9. Если перемножить между собой линейно нарастающий и линейно падающий сигналы, то получится сигнал параболической формы, очень близкий к синусоидальному.

Функциональная схема устройства, реализующего такой принцип, показана на рис.10.

Генератор подает тактовые импульсы параллельно на два счетчика. Один считает на суммирование, другой - на вычитание. Коды счетчиков согласованы между собой благодаря тому, что сигнал нулевого состояния вычитающего счетчика является сбросом положительного счетчика. Коды счетчиков поступают на цифровой умножитель, а с него - на ЦАП. Система переключения драйверов та же, что и на рис.8. Но эту схему реализовать проще, чем схему рис.8, потому что имеются готовые микросхемы умножителей. Например, в КМОП сериях микросхема К561ИП5. Можно поступить по-другому: на выходах счетчиков поставить ЦАП и их выходы подключить к аналоговому умножителю, например, К525ПС2.

Построить качественный электропривод с переменной частотой, как видите, не так просто, как может показаться.

Автор: О.Н. Партала