Однофазный частотный преобразователь на EG8010 с PFC и чистым синусом.

Хочу представить вам следующий этап развития частотного преобразователя.

Краткая предыстория: потребовалось мне как-то регулировать скорость вращения однофазного асинхронного двигателя (канального (вытяжного) вентилятора), для чего единственным адекватным решением  является частотный преобразователь, и, не найдя подходящих вариантов, я начал заниматься разработкой его на платформе  Arduino, что оказалось крайне увлекательно, полезно и не так просто, как казалось изначально. Однако через некоторое время результат все-таки был получен, пусть не совсем тот, который хотелось бы, но все же он работал, и поставленные задачи выполнял. Об этом подробно написано в моей предыдущей статье. Основным же недостатком моего частотника была форма напряжения на выходе (далека от синуса, больше похожа на параболу). И как раз в это время мне попадается информация о китайской микросхеме EG8010 (и плате собранной на ее базе EGS002) на базе которой и было решено собрать следующую версию частотного преобразователя.

Итак, основная задача все та же: получить на выходе переменное напряжение синусоидальной формы с возможностью регулирования его частоты и амплитуды. Модуль EGS002 является мостовым контроллером однофазного частотного преобразователя со всеми необходимыми защитами и обратной связью. На выходе такой преобразователь, в зависимости от конфигурации, может выдавать синусоиду от 0 до 400Гц, с постоянной,  либо с изменяющейся пропорционально частоте амплитудой. Несущая частота нарезки синуса составляет 23кГц. Также он умеет работать в униполярном и биполярном режиме (второй не используем, поэтому не будем про него). Помимо этого есть возможность подключения дисплея, вентилятора, внешнего термодатчика (для управления вентилятором) и даже подключения через порт RS2323. Для питания модулю требуется +5в для процессора и логики драйверов ключей  (IR2113) и +12в (+15в) для управления затворами этих самых ключей. Ну и, само собой, напряжение, из которого формируется синусоида (от 12в до 400в), в моем случае +340в.

В документации на плату есть ошибки в самой первой схеме, как в английском, так и в русском варианте, будьте внимательны: 

Неправильно:

Правильно:

Изначально я пробовал подавать в качестве высокого напряжения выпрямленное сетевое. И первый тестовый вариант платы как раз был просто с входным фильтром и диодным выпрямителем. Однако, как выяснилось в ходе экспериментов, напряжения этого недостаточно (в зависимости от напряжения сети +300в, максимум +310в), на выходе инвертора удавалось получить максимум 180-190 вольт, что не позволяло запустить вентилятор на максимальных оборотах, да и к тому же при низком напряжении не работает понижение напряжения при снижении частоты, что недопустимо для асинхронного двигателя. 

Возникла необходимость повышать входное напряжение. Как оказалось, для получения на выходе 220в, с запасом на стабилизацию, необходимо подавать не менее +340в. Самым очевидным способом решения этой задачи является использование схемы корректора коэффициента мощности или PFC. Изучив те микросхемы, что были в местных магазинах, было принято решение собирать PFC на микросхеме ICE2PCS01G. Этот контроллер работает  в continuous conduction mode (CCM), если не ошибаюсь, по-русски это будет в режиме «неразрывного тока», что дает такие плюсы, как невысокий уровень помех в питающую сеть и небольшие потери в дросселе. Также данная микросхема позволяет регулировать основную частоту ШИМ и имеет минимальное количество элементов в обвязке. Общие моменты по работе с микросхемой описаны в даташите, а расчет значений элементов обвязки под конкретные параметры ведется в онлайн-калькуляторе на сайте производителя https://www.infineon.com/ (калькулятор становится доступен после регистрации). Номиналы элементов соответствуют схеме за исключением дросселя PFC, наилучшие результаты показал дроссель от компьютерного БП с индуктивностью 0,6-0,7 мГн, это несколько меньше расчетного значения (1,5 мГн). Питается контроллер от внешнего БП напряжение в +15в. После сборки единственное что остается, это подстроечным резистором R15 выставить на выходе напряжение в +340в. Снабберная цепочка (R29, C20) желательна, но не обязательна, при такой небольшой нагрузке все и без нее прекрасно работает.  Выпрямительный входной диодный мост желательно выбирать с обратным напряжение не менее 1000в, с учетом выбросов на дросселе.

Схема модуля PFC:

Далее про силовую часть, собственно инвертор. Схема так же взята из даташита на EG8010, тут рассказывать особо нечего, единственным отличием являются диоды (D1,D6,D7,D8), они шунтируют внутренний медленный диод транзисторов, защищая последний от высоковольтных выбросов обмоток подключаемого двигателя, для этого подойдут диоды SF38, HER38 и подобные им. Силовые транзисторы в даташите  указаны IRF840, но я использовал 9N90 в изолированном корпусе, считаю что менее чем на 900в брать нежелательно.  Выходной дроссель, как советуют многие, использовавшие данную плату,  лучше всего мотать на кольцах марки МП-140, я использовал пару колец размером 24х13х7мм полукруглой формы, получив тем самым сердечник с размерами 24х13х14мм соответственно,. Индуктивность для этого дросселя по даташиту - 3,3 мГн, однако в моем случае при такой индуктивности дроссель сильно нагревался, и наилучшие результаты получились при индуктивности порядка 6 - 7 мГн, мотался проводом 0,4 мм * 2 жилы, расчетная длина провода около 6,5 м.

Схема силовой части:

Питание.  Я не стал изобретать велосипед, а просто оставил место на плате под отдельный AC-DC преобразователь размерами до 60мм*28мм, благо у тех же китайцев на али их навалом, на любой вкус (в моем случае на преобразователе убраны диодный мост и высоковольтный электролит, т.к. на него итак приходит уже выпрямленное сетевое напряжение). Лучше всего использовать источник с выходным напряжением 15в (для уверенного открытия силовых ключей), это напряжение подается на драйверы IR2113 (расположены на модуле EGS002), а также им питается контроллер PFC (ICE2PCS01G), далее напряжение сначала понижается преобразователем  LM7812 до 12в для питания вентилятора, а после LM7805 до 5 вольт соответственно, которые уже идут на питание самой EG8010 и на питание логики драйверов.

Немного про доработку платы EGS002. Как я уже писал, у нее несколько вариантов работы, по умолчанию плата сконфигурирована для использования в инверторе и перемычки запаяны таким образом, что на выходе должно получиться ровно 50Гц, однако, нам это не подходит.

В данном случае нужен режим VVVF (Variable Voltage and Variable Frequency Mode), режим с переменной частотой и переменным напряжением в диапазоне частоты от 0 до 100 Гц.

Для этого нужно чтобы на ножке 18 был высокий уровень, 19 – низкий а так же высокий на 32 ножке, для разрешения изменения напряжения при изменении частоты. С 19 ногой делать ничего не нужно она и так сидит на земле, а вот 18 и 32 нужно аккуратно отпаять от платы, поднять, чтоб они не касались контактных площадок и подтянуть их к +5в, мне кажется, проще всего это сделать, подключив их к пину питания VCC (26 нога), должно получиться как то так:

Помимо этого необходимо 16 ногу также отпаять, поднять от платы и сделать от нее отвод, туда будет подключаться потенциометр для регулировки частоты. Остальные перемычки можно не трогать и оставить по умолчанию, они отвечают за настройки и плавного пуска и дедтайма. Перемычка JP9 включает  подсветку дисплея, запаивается по желанию, я подключил туда кнопку без фиксации.

Регулировка частоты осуществляется через изменение напряжения на 16 пине (FRQADJ) с помощью потенциометра на 10 кОм, крайние контакты которого подключаются к +5в и земле, а к бегунку как раз и подключается 16 нога и конденсатор на землю для компенсации помех. Однако у такой схемы подключения есть нюансы, частота регулируется в диапазоне от 0 до 100 Гц, что для поставленной цели избыточно.

Напомню, вместе с частотой изменяется и амплитуда (действующее значение напряжения), изначально при первом запуске устанавливается значение частоты равное 50 герцам и с помощью потенциометра PR1 настраивается напряжение в 220-230 вольт на выходе. Теперь и далее при регулировке частоты соотношение напряжение/частота останется постоянным, следовательно, при повышении частоты, будет повышаться и напряжение, но, при питании +340в максимально, что можно получить, это примерно 230в переменного напряжения на выходе, т.е. частота повышаться будет, но напряжение останется тем же. На практике это выглядит так: двигатель набирает обороты до 50 герц, а при дальнейшем повышении частоты скорость вращения начинает снижаться, двигателю не хватает напряжения, ротор начинает сильней отставать от скорости вращения магнитного потока, в таких случаях говорят: увеличивается скольжение двигателя, падает крутящий момент, возрастают потери на нагрев, в общем, для двигателя это не хорошо. Похожая ситуация наблюдается и при чрезмерном снижении частоты. Чтобы избежать этих проблем необходимо ограничить диапазон регулировки напряжения на 16 пине и, соответственно, частоты.  Сделать это можно добавив по резистору последовательно с потенциометром с обеих сторон:

При тестах оптимальным оказался такой вариант: со стороны +5в резистор 10 кОм, со стороны земли 4 кОм. В итоге эта манипуляция дает ограничение регулировки частоты от 17 Гц до 58 Гц, ну и бонусом более плавная регулировка. Элементы припаяны навесным монтажом прямо на выводы потенциометра. Потенциометр на 10 кОм многооборотный.

Далее технические моменты и испытания. При первоначальных тестах нагрева почти не было, ни на силовых ключах, ни на ключе и диоде PFC. Поэтому с радиатором особо мудрить не стал, взял алюминиевый уголок 20мм*10мм*2мм и из него сделал один общий радиатор. Изолировать от него ничего не пришлось, т.к. все транзисторы и диод в изолированных корпусах. Единственное что греется в этой схеме - это выходной дроссель, и то максимум до 48 градусов после часа работы при температуре окружающего воздуха +26. Поэтому для охлаждения достаточно отверстий в корпусе. Однако разъем для подключения вентилятора имеется, ровно как и место в корпусе сверху (небольшой вентилятор толщиной 10 мм влезет точно). Включается обдув примерно при 40 градусах (датчиком температуры является NTC термистор 10 кОм R17).

Немного о сборке и включении, если кто вдруг соберется повторить. Рекомендую сначала не запаивать модуль EGS002, включить в сеть и подстроечным резистором R15 выставить напряжение на выходе PFC в 340 вольт, далее, уже запаяв модуль и установив на нем частоту в 50Гц, подстроечным резистором PR1 установить напряжение на выходе в 220-230 вольт.

Вся конструкция изначально проектировалась под корпус Gainta G1037B размерами 189мм*113мм*66.6мм, плата размерами 168мм*103мм, двухслойная, заказывалась в Китае, (фоторезистом делал только тестовый вариант) все компоненты размещены на одной стороне, за исключением контроллера PFC, он был только в корпусе SOIC-8 поэтому остался на противоположной стороне. Плата на картинках немного отличается от готовой, т.к. после там были поправлены некоторые моменты.

Плата (картинка) и фото в сборе:

И чуть процесса отладки и первых тестов)

Проект открытый, создан на платформе EasyEDA находится тут: https://easyeda.com/Amatroskin/pfc-inv

На этом все, всем спасибо за внимание. Жду вопросы, замечания, конструктивную критику.

Теги:

• Преобразователь напряжения