Главная » Промышленная электроника
Призовой фонд
на май 2018 г.
1. Осциллограф DSO138
Паяльник
2. Регулируемый паяльник 60 Вт
Паяльник
3. 100 руб.
От пользователей

Циклоконвертор на микроконтроллере AVR

A cycloconverter (CCV) or a cycloinverter converts a constant voltage, constant frequency AC waveform to another AC waveform of a lower frequency by synthesizing the output waveform from segments of the AC supply without an intermediate DC link (Dorf 1993, pp. 2241–2243 and Lander 1993, p. 181). There are two main types of CCVs, circulating current type or blocking mode type, most commercial high power products being of the blocking mode type.[1]

Невозможно представать себе современную жизнь без асинхронных двигателей. Когда задумываешься о конструкции асинхронного трехфазного двигателя, которая практически не претерпела изменений уже более ста лет, то приходишь к выводу, что его изобретение базировалось на двух законах, известных уже к тому времени. Это- движение рамки с током в магнитном поле, известное как сила Лоренца, а также,- закон электромагнитной индукции Фарадея.  Для понимания принципа работы рассматриваемой в статье схемы необходимо достаточно ясно представлять себе принцип работы традиционного асинхронного трехфазного двигателя при питании обмоток статора «круговым» трехфазным током. 


РИС 1

На рис 1 изображена конструкция ротора асинхронного электродвигателя, который, исходя из внешней схожести, называют иногда «беличья клетка». Для увеличения индуктивной связи зазор между стержнями ротора и магнитопроводом статора делают как можно меньше. При появлении на обмотках статора вращающегося электромагнитного поля, в стержнях ротора наводятся эдс индукции, токи которой создают взаимодействие с вращающимся полем статора, в результате которого возникает вращающий момент силы. За более подробным разъяснением принципа работы асинхронных трехфазных электродвигателей можно обратиться к изданиям теоретических основ электротехники (ТОЭ) или же специальным руководствам по электроприводам

Если конструкции этих электрических машин со временем достаточно устоялись, техническое развитие асинхронных приводов происходит за счет совершенствования режимов работы и схем управления двигателями.  В подавляющем большинстве случаев выбор двигателя осуществляется исходя из максимальной предполагаемой нагрузки на вал, что далеко не всегда оказывается оптимальным с точки зрения технологических требований или экономии электрической энергии. Общепринятым способом привести электромеханическую систему «в соответствие» - применение частотных преобразователей (VFD). Однако стоимость таких аппаратов часто оказывается соизмеримой или выше стоимости самого двигателя. Автору не раз приходилось иметь дело с установкой и настройкой современных VFD, и по опыту можно смело сказать , что VFD могут, в счет оптимизации процесса, навязать настоящую «головную боль» для персонала. В прилагаемых к VFD руководствах описываются параметры настройки, которых набирается иногда белее 1000, да и саму эту настройку приходится проводить часто не в самых благоприятных условиях.

В технической литературе можно встретить традиционное представление о способах регулирования скорости вращения таких двигателей. Например рассматривается два способа регулирования скорости:

  • Регулирование путем изменения уровня питающего напряжения
  • Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения

Применение первого способа ограничивают вентиляторами, указывая , что для прочих применений этот метод малоэффективен. Второй метод привел к созданию целого класса электронных изделий , известных , как частотные преобразователи или VFD. Предлагаемый в данной статье циклоконвертер трудно отнести к какой-либо из этих двух категорий. Для регулирования скорости мы, благодаря симисторному коммутатору, удаляем из трехфазного напряжения желаемое число периодов Рис 2.

 


РИС 2

На схеме рис 2 представлено в виде графиков и векторной диаграммы круговое электромагнитное поле. Для реализации циклоконвертора будем поступать следующим образом. Убирать из непрерывной последовательности по одному периоду кругового магнитного поля. На рис 2 «вырезаем» напряжение между точками A и B имея в виду соблюдение 2х условий

  • Убирается полный цикл трехфазного электромагнитного поля
  • Обеспечиваем перемагничивание поля статора (т.е. обеспечиваем двуполярный переменный ток статора)   

Для обеспечения этих условий реализуем работу симисторного коммутатора  (схема 1) по следующему алгоритму. 


СХЕМА 1

Установка скорости осуществляется переменным резистором R4 . При максимуме напряжения на движке этого резистора (1,1В) на время 1 цикла пропуска вращающегося электромагнитного поля (30 мс)  приходится 256 циклов включенного вращающегося электромагнитного поля. При уменьшении  напряжения на движке 4, уменьшается, соответственно, время включения вращающегося электромагнитного поля с 250х30 мс до 1х30 мс и неизменном времени паузы (30мс). При напряжении на движке переменного резистора 4 равном 0,56В , т.е. половинном от максимального, время включенного и отключенного напряжения оказываются равными и продолжается 30мс . При дальнейшем снижении напряжение на резисторе R4 происходит увеличение времени паузы между подачами питания в виде 1 цикла (30мс) вращающегося электромагнитного поля.   С целью более точной синхронизации работы схемы с напряжением трехфазной электросети моменты перехода через ноль одной из фаз фиксируются микроконтроллером на выводе 5.

Схема циклоконвертора, реализующего описанные особенности была реализована без изготовления печатной платы, в виде монолитного блока (фото 1).


ФОТО 1

Для испытания был выбран вентилятор промышленного изготовления с трехфазным асинхронным двигателем мощностью 120 Вт и скоростью вращения 900 об/мин. Для того , чтобы исследовать зависимость скорости вращения данного вентилятора от модификации циклоконвертором питающего напряжения была измерена частота вращения крыльчатки с помощью оптического датчика на основе фотодиода. Это достаточно несложно сделать, если направить фотодиод напросвет , через крыльчатку на источник света  (например окна, выходящего на улицу в дневное время). В качестве измерителя частоты был использован обычный мультиметр имеющий возможность измерения частоты. Эксперименты показали, что при питании двигателя вентилятора модифицированным напряжением соотношением 50 на 50, частота вращения ( у такого вентилятора рис 3) уменьшается примерно в 4 раза.  


РИС 3 

С одной стороны, удаляя из питающего напряжения часть периодов, мы явно уменьшаем напряжение питания (в среднем за некоторый период времени), но с другой – уменьшается также и частота. Для ясности изобразим одну фазу напряжения, при удалении каждого второго периода

Анализ такого напряжения путем разложение в ряд Фурье, показывает, что получаемое напряжение представляет собой совокупность двух гармонических составляющих 25Гц и 75 Гц, причем основной гармоникой оказывается 25Гц, а 75 Гц является третьей гармоникой, которая, как известно из теории,  имеет меньший «вес» и не оказывает существенного влияния не процессы вращения. То есть мы опять же уменьшаем не только напряжение, но и частоту. Ввиду периодичности получаемого с помощью циклоконвертора напряжения можно также сделать вывод, что число высших гармоник здесь оказывается конечным и, следовательно, электроэнергия не уходит безвозвратно на потери (т.е. в «тепло»).

Отметим предполагаемые преимущества рассматриваемого циклоконвертора перед традиционным VFD:

  • Низкая стоимость
  • Высокая эффективность , по крайней мере в части кпд преобразования частоты/напряжения. Включаемые при переходе через ноль симисторы нагреваются незначительно
  • Малые габариты и масса циклоконвертера
  • Отсутствие необходимости обдува, с целью охлаждения силовых элементов и ,следовательно:
  • Возможность реализации в монолитном герметизированном исполнении, что при правильном выборе элементов приводит к высокой надежности работы устройства  в неблагоприятной для электронных устройств среде (влагоустойчивость , виброустойчивость)  и .т.д..

Недостатки

  • Частота кругового поля «обогащается» конечным числом высших гармоник
  • Невозможность получить поле вращения  выше 50 Гц
  • Наличие «провалов» питающего кругового поля

Несмотря на указанные недостатки, по нашему мнению, описываемый циклоконвертор может найти достойное применение, для управления двигателями, особенно, в части применения приводов насосов и вентиляторов для систем с обратной связью. Примером такой системы из сферы ЖКХ может служить система поддержания давления в трубопроводе подачи насосом воды в многоквартирном доме. В такой системе управляющий сигнал обратной связи формируется датчиком измерения давления в магистрали подачи воды. В зависимости от водоразбора (наличие открытых кранов) необходимо увеличивать или уменьшать производительность насоса подачи воды от максимальной производительности, до, - практически нулевой, добиваясь при этом существенной экономии электроэнергии.

Ссылка: https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloconverter

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
диодный мост Выпрямительный диод
W04G
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
VD5 Стабилитрон
КС510А
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
VD6 Диод
КД521В
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
VD7 Стабилитрон
КС156А
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
LD1, LD2 Светодиод
АЛ307Б
2 Поиск в win-sourceВ блокнот
VT1 Биполярный транзистор
BC547B
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
DD1 МК AVR 8-бит
ATtiny13A
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
V1, V2, V3 Симистор
BT139-800E
3 Поиск в win-sourceВ блокнот
VD8 Оптопара
MOC3023
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
VD9, VD10 Оптопара
MOC3083M
2 Поиск в win-sourceВ блокнот
R1 Резистор
22 кОм
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
R2 Резистор
80 Ом
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
R3 Резистор
100 кОм
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
R4 Подстроечный резистор20 кОм1 Поиск в win-sourceВ блокнот
R5, R6 Резистор
15 кОм
2 Поиск в win-sourceВ блокнот
R7 Резистор
510 Ом
1 Поиск в win-sourceВ блокнот
R8, R9, R10 Резистор
160 Ом
3 МЛТ-125Поиск в win-sourceВ блокнот
C2 Конденсатор0.1 мкФ1 Км10Поиск в win-sourceВ блокнот
С3 Конденсатор15 мкФ1 К50-35Поиск в win-sourceВ блокнот
С1 Конденсатор33 мкФ1 К50-35Поиск в win-sourceВ блокнот
sw МТ-11 тумблерПоиск в win-sourceВ блокнот
CN7 CN71 разъем 7 контПоиск в win-sourceВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (7) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
Виталий #
Даешь графики в студию! Измерение кпд при различных частотах вращения, стабильность поддержания частоты. мне кажется на низких частотах двигатель будет дергаться, частота будет изменяться дискретно, и диапазон как я понял от 25 до 100 процентов от номинальной частоты вращения. Плюсы несомненно есть! Можно дисер писать
Ответить
0

[Автор]
dkg10 #
кпд при различных частотах вращения
По кпд это Вы слишком. На ощупь избыточный нагрев статора не ощущается. Дерганье начинается при половинном напряжении и ниже, при котором, кстати, частота вращения оказывается уменьшенной в 4 раза. Почему так не знаю. Наверное поэтому область регулирования частоты вращения может быть при изменении напряжения именно от половинного до максимального (если требования к "плавности" имеют значение), хотя вентилятор прекрасно работает и при изменении напряжения питания от 0 до 100%. Главное - не допускать выпадания двигателя из синхронизма
Можно дисер писать
Это вы опять перебарщиваете. Почти в каждом сколь-нибудь значительном городе имеются отраслевые институты электротехнического профиля , и это не считая учебных академических. Могли бы они как то изучить данный вопрос? Не знаю
Ответить
0
Shida #
Идея хорошая. Подойдёт для управления асинхронными двигателями, на валу которых будет насажена нагрузка, обладающая хорошей инерционностью - тяжелая крыльчатка вентилятора, либо абразивный круг заточного станка, чтобы не так были ощутимы подёргивания ротора. Можно так же использовать в приводах транспортёров с применением редуктора, на выходе которого благодаря коэффициенту передачи не будут особо видны провалы. В серьёзных механизмах, где нужна стабильность - токарные станки, промышленные установки с контроллерным управлением - не подойдёт.
Отредактирован 20.04.2018 05:35
Ответить
0

[Автор]
dkg10 #
Там, на самом, деле возможностей много. Например , - плавный пуск можно добавить, если в начальный момент открывать не при переходе напряжения через ноль , а где-то ближе к углу 90 Град. Однако для симисторов такой режим уже более аварийный.
Ответить
0
Валерий #
Здравствуйте, вопрос по схеме, симистор V1 понятно, подключен к А на входе моста, а V2, V3 висят в воздухе, это нормально? Или схема предназначена на 3-х фазную сеть и концы не дорисованы? Благодарю.
Ответить
0

[Автор]
dkg10 #
Другие фазы , соответственна B и С обозначены этими буквами непосредственно на схеме. Для полноты картины, конечно, их следовало бы нарисовать где-то рядом в одном месте. Также в такого рада схемах автомат защиты по входу тоже был бы обязательным компонентом схемы . Просто я не рассматриваю этот циклоконвертор, как законченное устройство, важнее было, для меня, объяснить, как это работает
Отредактирован 23.04.2018 16:08
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическое сопротивление?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Программатор Pickit3
Программатор Pickit3
Конструктор - Гитарная педаль Remote Delay 2.5 Радиореле 220В
вверх