Три фазы — из одной

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 недо статки устранены. Он содержит регули­руемый симистором выпрямитель и простую цифровую часть, вырабатыва­ющую три последовательности симмет­ричных прямоугольных импульсов, вза­имно сдвинутых по фазе на 120°. Схема устройства изображена на рис. 1.

Рис. 1

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 С2, С4, С6, С8. Переключателем SA1.2 выбирают один из трёх резисторов R7—R9, обра­зующих с конденсатором С2 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 С4 и С6. 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 С6 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 ЗИЛИ 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/RC1

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 Е96). 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 С10—С12 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

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

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