В своем доме, гараже, на даче... в различных устройствах очень часто приходится применять сравнительно дорогой электродвигатель. Но так как в сети фаза и ноль, то и элект­родвигатель должен быть однофазным. С другой стороны, у людей осталось немалое количество трехфазных электродви­гателей со старых времен...

                               Преобразователи однофазного напряжения в трехфазное

Радиолюбители, электрики дав­но научились включать трехфаз­ные электродвигатели в однофаз­ную сеть, но вот беда - при этом электродвигатель теряет 50% но­минальной мощности на валу, да и такое включение трехфазных электродвигателей большой мощ­ности и высокооборотистых иног­да проблематично. А что, если трехфазный электродвигатель рас­считан на частоту питающей сети 400 Гц? 

Выход один - конструирование преобразователей однофазного на­пряжения в трехфазное. Этому воп­росу я посвятил немало времени. Сначала в [1] я спроектировал трех­фазный инвертор тока, в системе управления силовой частью которо­го применил кольцевой счетчик с коэффициентом деления частоты 6. Но вся беда в том, что в обычном кольцевом счетчике сбои, вызван­ные лишними или недостающими кодовыми единицами в кольце вследствие воздействия импульса помехи не самоустранимы.

В [2] я решил эту проблему, раз­работав кольцевой счетчик с авто­матической коррекцией исходного состояния, при этом, естественно, усложнив и так не очень-то простую систему управления силовой час­тью трехфазного инвертора тока.

Затем в [3] я спроектировал обыч­ные цифровые счетчики с произволь­ным коэффициентом пересчета и на базе этих счетчиков разработал очень простую систему управления силовой частью трехфазного преобразовате­ля напряжения. Принципиальная схема этой системы управления изображена на рис. 1, а временные диаграммы напряжений в ее харак­терных точках показаны на рис. 2.

               

Генератор прямоугольных им­пульсов с частотой следования им­пульсов 300 Гц, которая подстраи­вается подбором сопротивления резистора R1, построен на логичес­ких элементах DD1.1 и DD1.2.

На микросхемах DD2 и DD3 со­бран цифровой счетчик с коэффи­циентом деления частоты 6. Прин­цип работы счетчика с коэффици­ентом пересчета 6 поясняют вре­менные диаграммы напряжений в характерных точках, показанные на рис. 2. Предположим, счетчик DD3 находится в нулевом состоя­нии. В этом случае на выходе Q1 счетчика присутствует уровень лог.1, на всех остальных выходах - уровень лог.0. На логических эле­ментах ИЛИ-НЕ DD2.3, DD2.4 пост­роен RS-триггер.

Итак, в исходном состоянии на выводе 1 DD2.3 уровень лог.0, на выводе 13 DD2.4 - уровень лог.1, на выходе RS-триггера (вывод 11 DD2.4) и, соответственно, на вхо­де R счетчика DD3 - уровень лог.0, разрешающий работу данного счетчика.

Положительным фронтом перво­го тактового импульса уровень лог.1 исчезает с выхода счетчика Q0 и по­является на выходе Q1. На выводе 1 DD2.3 по-прежнему уровень лог.0, на выводе 13 DD2.4 - также уро­вень лог.О, следовательно, на вы­воде 11 DD2.4 и, соответственно, на входе R счетчика DD3 по-прежнему остается уровень лог.О.

По истечении действия первого тактового импульса состояние RS- триггера не меняется (на выходе Q0 по-прежнему уровень лог.О и, соответственно, уровень лог.О ос­тается и на выводе 1 DD2.3, и на выводе 13 DD2.4 данного тригге­ра). Такое правильное "безобра­зие" будет продолжаться до прихо­да положительного фронта седьмо­го тактового импульса. Приход дан­ного импульса обеспечит появле­ние уровня лог.1 на выходе Q6 счетчика DD1 и, соответственно,на выводе 1 DD2.3. Это приведет к тому, что на входе R счетчика DD3 появится уровень лог.1, счетчик обнулится, на выходе Q0 появится уровень лог.1, что практически мгновенно обеспечит снятие уров­ня лог.1 со входа R счетчика DD3, счетчик начнет считать тактовые импульсы по вышеописанному ал­горитму.

Таким образом, на микросхемах DD2, DD3 организован счетчик им­пульсов с коэффициентом пере­счета 6.

На диодах VD6, VD7 и резисто­ре R3 реализована логическая схе­ма "ИЛИ". Счетчик DD3 устанавли­вается в исходное ("нулевое") со­стояние по приходу каждого шес­того положительного импульса мультивибратора,построенного на логических элементах DD1.1, DD1.2 (с выхода Q6 счетчика DD3) или при включении в сеть источни­ка питания системы управления за счет появления на минусовой об­кладке конденсатора С5 уровня лог.1 при его зарядке через резис­тор R3.

Формирование необходимых им­пульсов Uy1...Uy6 для управления тринисторами силовой части трех­фазного инвертора тока производится логическими элементами DD1.3, DD1.4, DD4.1.. .DD4.4 и транзисторны­ми каскадами на VT2.. .VT7.

Схема стабилизированного ис­точника питания +12 В в коммен­тариях не нуждается.

Печатная плата системы управ­ления тринисторами силовой час­ти трехфазного инвертора тока вы­полнена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита и изображена на рис. 3.

   

Ну а теперь о самом сложном - силовой части трех­фазного инвертора тока.

Схема силовой части преобразователя показана на рис. 4 (трехфазный инвертор тока).

Из-за большой индуктивности сглаживающего дросселя Ld ток инвертора Id можно считать идеаль­но сглаженным. Положительным импульсом Uy1 ...Uy6 открываются тиристоры VS1 ...VS6. Конденсаторы Ск- коммутирующие. Они служат для создания запираю­щего напряжения на тиристорах.

Формулы для расчета трехфазного мостового ин­вертора тока:

Выходное фазное напряжение: иф = Е nTp/2,34cos(3, где: (3 = (1,4...2)dKp; бкр = 360°Квыкл; бкр - угол вос­становления запирающих свойств тиристора; f - вы­ходная частота инвертора; 1выкл - паспортное время выключения тиристоров; птр - коэффициент транс­формации трансформатора.

Максимальное напряжение на конденсаторе Ск: Uc макс. = 1,4Е.

Емкость фазового конденсатора: Ск = 1н п²тр (tgd coscpH + sin(pH)/uh 27tf. Значение угла (3 выбирается из условия получения необходимого выходного напряжения Uh, где фн -угол сдвига фаз между Uh и Ih: срн = arctg (2jd Lh/Rh). Индуктивность на входе Ld: Ld > E[1-cos(|3+7i/6)]coscp/72fPH cos(3, если [ктг/б; Ld > Е² sin2(3/144f Рн cos²(3, если (3>я/6. Среднее значение тока, потребляемого от источ­ника питания: ld=ph/Ud.

Максимальное прямое и обратное напряжения на тиристоре: ипр.макс = 1,41ил;

иобр.макс. = 1,41 ил sin(3.

Среднее, максимальное и действу­ющее значения токов, проходящих че­рез тиристоры: Ivcp = Id/3 = Рн/ЗЕ; |умакс = Id; lv = Id/1,41.

Активные Рн и реактивные Qh мощности, потребляемые инвертором (суммарные и фазные):

Ри = Рн = ЗРи.ф = ЗРн.ф = Pd = Е Ld;

(Эй = ЗОи.ф = ЗРи.ф tg(3;

Qh = ЗОн.ф = ЗРн.ф tgcpH;

Qc = Qh+Qh = ЗОс.ф, где Рн, Ри.ф, (Эй, Ои.ф - сум­марные и фазные активные и реактивные мощности нагруз­ки; Qc и Ос.ф - суммарная и фазная реактивная мощность конденсаторов Ск.

Чтобы получить положительную полуволну линей­ного напряжения Ua6, необходимо, чтобы были откры­ты тиристоры VS1 и VS4 (рис. 4), чтобы получить от­рицательную полуволну - VS2 и VS3.

Чтобы получить положительную полуволну линей­ного напряжения U6c, необходимо, чтобы были откры­ты тиристоры VS3 и VS6, чтобы получить отрицатель­ную полуволну - VS4 и VS5.

Чтобы получить полуволну линейного напряжения Uac, необходимо, чтобы были открыты тиристоры VS2 и VS5, чтобы получить отрицательную полуволну - VS1 и VS6.

Получение необходимых импульсов управления ти­ристорами обеспечивается системой управления, схе­ма которой показана на рис. 1.

Силовая часть преобразователя постоянного на­пряжения в трехфазное переменное, изображенная на рис. 5а, выгодно отличается от силовой части, изоб­раженной на рис. 4, отсутствием трехфазного транс­форматора. Данная силовая часть представляет со­бой трехфазный мостовой параллельный инвертор тока. Во входной цепи инвертора включен дроссель Ld, индуктивность которого велика (в пределе Ld = благодаря чему входной ток id идеально сглажен, а ток через тиристоры имеет прямоугольную форму (рис. 56). Порядок работы тиристоров в схеме: VS1, VS4; VS1, VS6; VS3, VS6; VS3.VS2; VS5, VS2; VS5, VS4; VS1, VS4... Каждый тиристор (например, VS1) рабо­тает 60° в паре с одним (VS4), а 60° - в паре с другим (VS6), то есть одновременно работают два тиристора: один в анодной и один в катодной группах. Коммута­ция в схеме осуществляется с помощью коммутирую­щих конденсаторов С1 ...СЗ, соединенных в треуголь­ник (как показано на рис. 5а) или в звезду.

На рис. 6 показана схема автотрансформатора для сило­вой части трехфазного преоб­разователя напряжения, со­бранного из трех силовых трансформаторов ТС-270 (те­левизоров УЛПЦТ).

 Для изго­товления автотрансформатора Т1 из трех трансформаторов ТС-270 необходимо удалить все вторичные обмотки и экранирующую фольгу этих трансформаторов, оста­вив первичную обмотку. Первичная обмотка трансфор­матора ТС-270 содержит 318 витков (2x270) эмалиро­ванного провода диаметром 0,91 мм. Необходимо на­мотать на каждый из трех трансформаторов 2 обмот­ки по 82 витка проводом ПЭЛ или ПЭВ диаметром 1,5 мм. После изготовления трансформаторов необходи­мо подключить параллельно их первичные обмотки и подать на них напряжение сети. Если фазировка об­моток (начало - конец) не совпадает, необходимо по­менять местами концы первичной обмотки одного из трансформаторов.

Вторичные обмотки изготовленных трансформато­ров необходимо соединить последовательно, также со­блюдая фазировку обмоток.

Необходимое напряжение Uвых автотрансформато­ра выбирается переключателем SA1. В качестве пере­ключателя SA1 можно использовать обычный четырех- секционный галетныи переключатель, все соответству­ющие контакты секций которого запараллелены.

Литература

1.   Маньковский А.Н. Преобразо­ватель напряжения аккумулятора в трехфазное напряжение 380 В. - Электрик, №7, 2001 г.

2.   Маньковский А.Н. О включе­нии электродвигателей в однофаз­ную сеть. - Электрик, №1, 2004 г.

3.   Маньковский А.Н. Счетчики с произвольным коэффициентом де­ления. - Радиосхема, №2, 2007 г.

Александр Маньковский

пос. Шевченко Донецкой обл.