Получить одну фазу из трех. Какой лучший частотный преобразователь для одной фазы в три

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 применён регулируемый автотрансформатор (ЛАТР), с его помощью изменяется напряжение, от которого зависит амплитуда прямоугольных импульсов заданной частоты, подаваемых на обмотки двигателя. В устройстве 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 недостатки устранены. Он содержит регулируемый симистором выпрямитель и простую цифровую часть, вырабатывающую три последовательности симметричных прямоугольных импульсов, взаимно сдвинутых по фазе на 120 о. Схема устройства изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства

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 C2, C4, C6, C8. Переключателем SA1.2 выбирают один из трёх резисторов R7-R9, образующих с конденсатором C2 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 C4 и C6. 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 C6 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 3ИЛИ 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

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 E96). 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 C10-C12 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 .

Рис. 2. Внешний вид собранного преобразователя

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. Изменённая схема формирователя импульсных последовательностей

Примечание. Подборку резисторов R7-R9 в симисторном регуляторе удобно производить, включив амперметр постоянного тока в цепь нагрузки регулируемого выпрямителя. Ток, потребляемый от выпрямителя, при любой частоте вращения вала двигателя не должен отличаться более чем на 10 % от его значения при номинальном по частоте и напряжению режиме работы двигателя.

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.

Дата публикации: 28.11.2015

Мнения читателей

Александр / 05.05.2016 - 19:59
Добавте пожалуйста структурную схему.очень нужно

Понижают трех фазное напряжение 380В до потребляемого однофазного 220 В. С помощью преобразователя разработанным автором можно из трех фазного получить одно фазное напряжения. 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.

В предлагаемом вниманию читателей преобразователе однофазного сетевого напряжения в трёхфазное, подаваемое на двигатель, указанные недостатки 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.

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 Сб. 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 двух обмоточного 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 С4 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.

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.

Частота генерируемых микросхемой XR2206CP (DA1) импульсов определяется простой зависимостью
где R - сумма сопротивления постоянного резистора (одного из R3-R5, выбранного переключателем SА 1.1, 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.

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 СЮ-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.

Человечество на полную катушку пользуется современными техническими изобретениями,обладающими принципиальной новизной. Жизнь порой заставляет изучать навороченные раскладки, поражаться уловкам доморощенных технарей. И даже не будучи фанатами, нам просто иногда хочется быть в теме. На самом деле для понимания вопроса, всего лишь надо идти от элементарного к сложному, от завязки к развязке. И начинать лучше с прояснения непонятных вещей.

Что такое трехфазная сеть?

Фаза означает изменение направления между величинами электросети в один и тот же момент времени. В случае 3-х ф. тока, используют три напряжения, ориентированных в 3-х различных направлениях. Таким образом, напряжение сети вычисляется сложением векторных величин, и не равняется алгебраической сумме всех напряжений.

Рассмотрим на примере того же двигателя. При подаче напряжения 380 В на катушку используются разные пары фаз в определенной последовательности для каждой обмотки. Собственно поэтому характеризуют цепь 380 Вольтами, а не скалярным сложением (220 + 220 + 220 = 660)В. Это объяснение очень упрощено и не совсем полно, но, надеемся, хорошо представлено. Да и написано так, чтобы было ясно, нам, электрическим«чайникам».

Излагая техническим слогом, в трехфазовой электросети, цепи проводников несут три переменных значений физических величин, которые достигают мгновенные пики в разное время. Принимая один проводник в качестве эталона, остальные два течения запаздывают во времени на одну треть и две трети от одного цикла тока. Эта задержка между фазами, имеет эффект передачи мощности в течение каждого цикла, а также позволяет производить вращающееся магнитное поле.

Способы подключения обмоток

Двигатели в быту и любительской практике приводят в действие самые различные механизмы - циркулярно работающую пилу, электрический рубанок, вентилятор, сверлильный станок, насосное оборудование. Не зная, как работают электродвигатели, лучше не лезть в дебри с частотниками. Двигатели бывают:

постоянного
и переменного тока (асинхронные и синхронные).

Механизм включает в себя ротор и статор. Изученный еще в школе принцип электромагнитной индукции лежит в основе принципа их работы. Большая часть производимых электродвигателей являются«асинхронными». Откуда взялось это слово? Частота вращения подвижной детали(ротора) всегда отстаёт от частоты вращения магнитного поля неподвижной (статора). Шкала частот на выходе варьируется – 1000, 1500, 3000… об./мин. И все потому, что ротор способен вращаться на валу с различной скоростью внутри сердечника.

По числу полюсов агрегаты бывают одно-, двух, трехполюсные. В сердечнике статора последних расположено по обмотке на каждую фазу, концы которых выведены к клеммной коробке. За счёт чего можно увеличить скорость асинхронного двигателя (АД) без потери мощности? За счет смены числа пар полюсов.

Для перехода к другим способам, а их существует еще два, нам не обойтись без условных обозначений «звезда» и«треугольник». Три обмотки катушки могут соединяться двумя способами: в точке или по кругу, отсюда произошли названия соединений «звезда», «треугольник».

Что будет, если трёхфазный движок, соединенный треугольником, включить в электросеть 380 В? Пусковые токовые значения в этом случае могут увеличиться в семь раз, что приведёт к сетевой перегрузке. Имея дело с двигателями, нужно, быть предельно внимательными. Покупая товар, непременно задумайтесь, если на шильдиках изображён значок треугольник/звезда (а не наоборот звезда/треугольник) при том же напряжении 220/380 В.

Как подключить трехфазный двигатель в сеть 220 В

Использование трёхполюсного АД в однофазной электросети интересует многих владельцев частных домов. Агрегаты пользуются всё большей востребованностью в домашнем хозяйстве. По своей конструкции они довольно просты и отличаются неприхотливостью в эксплуатации. Однако, в плане подключения двигателя к однофазной сети не все так просто.

Пульсирующее поле однофазного тока, не способно привести ротор электродвигателя во вращение – такой ток необходимо преобразовать в многофазный и после этого лишь подавать на агрегат.

На рационализаторские предложения с применением ЛАТр-ов и прочих самодельных конструкций не стоит обращать внимание. Областью запредельной НАНО технологии и научной фантастики не занимаемся, на гонорар за поддержку «нобелевских лауреатов» рассчитывать не приходится. На сегодня известно два толковых способа преобразования однофазного тока в многофазовый – это подключение агрегата через:

фазосдвигающий конденсатор;
частотный преобразователь.

Рассмотрим их по очередности.

Сдвиг фаз при помощи конденсаторов

В трёхфазных цепях создать вращающееся магнитное поле не проблема, при энергетической генерации в обмотках статора наводится ЭДС благодаря вращению намагниченного ротора. Некоторые умудряются прибегать к незамысловатым «хитростям». Применяют различные схемы, для составителей которых, главный вопрос в том, чтобы обеспечить работу электрооборудования без потери мощности. Например, существует метод сдвига фаз в обмотках по отношению друг к другу.

Достаточно подключить конденсатор параллельно одной из обмоток, сначала подобрав номинал устройства таким образом, чтобы обеспечить необходимый сдвиг фаз. Этот вариант неплохой, если следовать старому правилу: чем меньше деталей и они проще, тем надежнее система в целом. Конденсатор, конечно, штука сравнительно копеечная, ставится за минуту, но требует особых навыков. А вот второй метод с преобразователем, хоть и дороговатый, но окупается удобством. Согласитесь, совсем немаловажный фактор.

Частотники, работающие от однофазной сети

Частота в нашей сети постоянная и равна 50 Гц. Частотник служит для преобразования однофазного переменного тока 50 Гц в трёхфазный, частотой от 1 до 800 Гц. Вся технология процесса сводится к управлению скоростью вращения асинхронного электродвигателя. Подключить ПЧ – это значит, подобрать правильное сечение кабеля, типы проводов, и дополнительное оборудование. Не думайте, что открыв страницу в инструкции, вам сразу станет суть ясной. Вы можете даже не достигнуть результата, подсоединив провода по схеме, если не обратите внимание на некоторые нюансы. На что именно?

Своими руками преобразователь из одной в три фазы.

Так как трёхполюсный движок нужно запитать через ЧП от однофазной сети, то и кабелей нужно два: до частотника двужильный (до 50 м можно использовать лишь неэкранированный кабель, экранированный — до 15 м), от – только трехжильный. Одна из жил проводов заземляющая, остальные фазные. Сечение выбирается по техническому паспорту на частотник. Требуемое напряжение в проводах, как раз,получается по току и сопротивлению (согласно сечению) кабеля по знакомой формуле: U = R*I. Расчётные данные следует принимать по ПУЭ.

Частотник советуют покупать с удвоенным запасом, не менее чем на 2 кВ. Его номинальное значение рассчитано лишь на мощность машины, а значит, в лучшем случае он отключится по теплу, в худшем – задымится. Все они собраны по одинаковой схеме, на двух тиристорах управляемых мультивибратором. Схема несложная. Лучше выбрать простой и по мощней. Покупать там, где есть выбор и обязательно с гарантией.

Частотный преобразователь 220-380, чьей фирмы лучше?

Ответим на вопрос по существу. Азиатских производителей на рынке продаж подобной техники – бесчисленное множество. Устанем перечислять. Отечественный сборщик ЧП – это своего рода лотерея (иногда зависит от того, в какой день недели устройство собрано).

Частотники фирмы Siemens обычно полностью соответствуют предъявляемым требованиям. Достаточно проста в наладке ЧП продукция производства АВВ или Danfoss. Она по цене и качеству, лучше других. Покупайте, не задумываясь. Судя по отзывам, имеют весьма достойный девайс. Динамические характеристики повышенные благодаря векторному управлению, которое также обеспечивает высокий момент на низких частотах во время пуска и работы.

Универсальные компактные модели ЧП отлично справляются с задачей преобразования сетевых параметров,их очевидные преимущества выражаются в следующем:

способность выработки «полноценного» трёхфазного тока;
отсутствие потерь в мощности движка;
пригодность для любой конструкции электродвигателя;
конструктивность очень простая.
собственнаяэнергопотребляемостьминимальная.

Где применяются преобразователи частоты однофазный вход-выход 1 ф. 220 В

Асинхронные двигатели (АД) чаще применяются в быту, нежели в промышленности, в частности в системе однополюсных канальных вентиляторов и водяных насосов. Не секрет, что возникают затруднения, связанные с регулировкой скорости вращения АД. В чем и состоит задача однополюсных преобразователей частоты вход-выход 220-220.

Неравномерность крутящего момента может привести к аномальному шуму и вибрации в агрегате. Для регулировки скорости трехфазных электродвигателей применяются однополюсные частотники 220/380 В(вход/выход), иногда со специальным контроллером, служащим для управления устройством.

Такие виды преобразователей предназначаются для работы в технологическом (насосы и вентиляторы, транспортирующие механизмы, экструдеры, миксеры и т.п.) и энергосберегающем оборудовании (станции управления насосами, системы климата и кондиционирования и т.п.). Модели выпускаются с возможностью крепления на ДИН-рейку. Имеют широкий на выходе. Умный пульт управления обеспечивает комфортные условия рабочей обстановки.

Дабы избежать осложнений, с которыми часто встречаются в процессе эксплуатации 3-х полюсных электродвигателей в однофазных сетях, следует придерживаться правил:

мощность двигателя, применяемого в качестве ЧП, выбирается большей, чем мощность подсоединяемого к нему электропривода;
на практике преобразователи мощностью 4 кВт способны решать все существующие хозяйственные проблемы в частном доме. Можно ориентироваться на нагрузку 2-3 кВт, что приемлемо для энергосети;
рабочий ток преобразователя в обычном режиме должен быть больше, чем указанно его значение в паспорте данного типа электродвигателей (иначе ЧП просто сгорит);
осуществляется в строгой последовательности: первым запускается ЧП, затем 3-х полюсные потребители. Выключается оборудование в обратной последовательности.

Вывод

Сегодня не «вчерашний день», но если случится, что вам потребуется подключить трёхполюсный двигатель на 230 В, мы думаем, вы справитесь. Ведь на самом деле – все должно быть понятно. Вам понадобится обычный 1-полюсный частотный преобразователь 220-380 В.