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

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• AVR
• Микроконтроллер