Проект «Трехфазный инвертор двигателя»

Краткое описание и назначение устройства

Текущая версия устройства трехфазного инвертора (далее инвертор) представляет собой усовершенствованный и модифицированный вариант системы управления двигателями, основанный на предыдущих подобных разработках кафедры Машин и аппаратов Хмельницкого национального университета. Внешний вид платы инвертора изображен на рисунке 1 и 2.

-> Украинская версия <-

 

 

Рисунок 1. Внешний вид платы трехфазного инвертора (верхний слой)

 

 

Рисунок 2. Внешний вид платы трехфазного инвертора (нижний слой)

 

Данный инвертор предназначен для осуществления управления работой электрическими двигателями, такими как:

• Трехфазные асинхронные двигатели;
• Однофазные асинхронные двигатели;
• Коллекторные двигатели;
• Трехфазные двигатели постоянного тока с датчиками и без датчиков Холла.

В зависимости от типа двигателя используется различные режимы управления, для чего предназначено соответствующие программное обеспечение. Для двигателей, содержащие одну или две фазы используется два плеча драйвера из трех – режим инверсного Н-моста. Всего возможно подключение двигателей, электрическая обмотка которых содержит от одного до трех фаз. Исключение составляют двухфазные (биполярные) шаговые двигатели, электрическая схема управления которых содержит две независимые обмотки. Управление таким двигателем предполагает наличие драйвера, который давал бы возможность осуществлять переполюсовку тока в каждой из этих обмоток.

Устройство данного инвертора представляет собой комплектующую часть для нужной конечной системы управления, которая, кроме текущей платы, должна включать в себя источник питания и систему управления с интерфейсом ввода-вывода данных. В качестве системы управления и интерфейса ввода-вывода может служить компьютер, для подключения которого на плате инвертора предусмотрен разъем интерфейса RS-232.

Возможен также работа платы инвертора в режиме демонстрации, с выполнением некоторых основных функций, например, запуск двигателя, остановка, реверс, изменение скорости. Для осуществления управления этим режимом на плате инвертора предусмотрены четыре кнопки управления.

Также к дополнительным функциям платы инвертора относятся следующие, – это возможность подключения датчиков обратной связи, например, для управления трехфазными двигателями постоянного тока с датчиками Холла, возможность подключения тахометра для контроля скорости вращения двигателя и возможность подключения охлаждающего вентилятора.

 

 

Описание конструкции и электрической части печатной платы управления

 

 

Печатная плата инвертора изготовлена в двухслойном исполнении с защитным покрытием (маской). На верхнем слое находится большинство электрических сигнальных проводников (рисунок 3) и запаяны почти все электрические компоненты (рисунок 4). На нижнем слое размещены в основном полигоны питания (рисунок 5) и запаянные силовые транзисторы для возможности удобного монтажа теплоотводящего радиатора (рисунок 6).

Рисунок 3. Верхний слой платы инвертора (электрические проводники)

 

Рисунок 4. Верхний слой платы инвертора (электрические компоненты)

 

 

Рисунок 5. Нижний слой платы инвертора (электрические проводники)

 

Рисунок 6. Нижний слой платы инвертора (электрические компоненты)

 

Всю систему данного инвертора можно разделить на следующие основные части (узлы):

• Узел питания;
• Узел контроля;
• Узел ввода-вывода;
• Узел мониторинга:
• Узел драйвера.

Рассмотрим кратко каждый из них. Узел питания состоит из четырех линейных стабилизаторов напряжения на 3.3В, 5.0В, 12.0В и 15.0В соответственно (Рисунок 7).

 

 

Рисунок 7. Узел питания инвертора

 

Стабилизатор напряжения на 3.3В используется для питания управляющего контроллера и всей логики схемы инвертора, на 5.0В – для питания датчика тока, на 12.0В – питание охлаждающего вентилятора и на 15.0В – питание для драйвера силовых ключей.

Узел контроля – это собственно программируемый контроллер (рисунок 8), выполняющий все функции ввода-вывода и управления самым драйвером двигателя. Для программирования последнего на плате предусмотрен специальный ISP разъем.

 

 

Рисунок 8. Узел контроля инвертора

 

Узел ввода-вывода включает в себя следующие элементы, такие как кнопки управления (рисунок 9), интерфейс RS232 (рисунок 10), светодиоды, логику управления вентилятором и тахометром, клеммы для подключения входных сигналов.

 

 

Рисунок 9. Узел ввода-вывода инвертора (кнопки управления)

 

 

Рисунок 10. Узел ввода-вывода (интерфейс RS232)

 

Узел мониторинга включает в себя датчик тока (рисунок 11) и температуры (рисунок 12). Первый и второй аналогового принципа действия, считывания и преобразования в значения тока и температуры выполняет контроллер с помощью интерфейсов АЦП.

 

 

Рисунок 11. Узел мониторинга инвертора (датчик тока)

 

 

Рисунок 12. Узел мониторинга инвертора (датчик температуры)

 

Узел драйвера включает в себя всю логику управления собственно двигателем. К ней относится гальваническая развязка (рисунок 13), драйвер силовых транзисторов (рисунок 14) и сами силовые транзисторы (рисунок 15).

 

Рисунок 13. Узел драйвера инвертора (гальваническая развязка)

 

 

Рисунок 14. Узел драйвера инвертора (драйвер силовых транзисторов)

 

 

Рисунок 15. Узел драйвера инвертора (силовые транзисторы)

 

Для питания всей схемы инвертора нужно три независимых (гальванически развязаны ) источника питания.

Первое – питание всей логики схемы управления, не включая драйвер силовых транзисторов. Последний источник должен быть с выходным напряжением в рекомендованном диапазоне 17-20В, ток потребления схемы инвертора по текущему питанию не более 40 мА.

Второе – питание драйвера силовых транзисторов, должно быть с выходным напряжением в рекомендованном диапазоне 17-20В, ток потребления схемы инвертора по текущему питанию не более 10 мА.

Третье – питание для собственно двигателя, которым нужно управлять. Напряжение и ток, которые должны быть обеспечены текущим источником зависят от мощности двигателя. В электрической схеме инвертора заложены силовые IGBT транзисторы, обеспечивающие максимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером – 600В, и длительный ток коллектора при комнатной температуре – 60А .

 

 

Описание работы программы управления

 

 

Программа разработана для текущего контроллера инвертора предусматривает возможность выбора типа двигателя, которым нужно управлять с помощью директив следующих компиляции.

 

 

 

В зависимости от выбранной директивы компилятор настраивает программу под определенный тип двигателя, удаляя ненужные или вставляя нужные функции и отдельные части программы. Согласно контроллер платы инвертора сразу прошивается для управления соответствующим типом двигателя. Чтобы изменить программу управления для работы в другой системе с другим типом двигателя требуется следующее перепрограммирования инвертора.

На рисунке 16 показан внешний вид компьютерной программы, которая была разработана для управления работой асинхронными двигателями.

 

Рисунок 16. Внешний вид компьютерной программы управления асинхронными двигателями

 

Данная программа позволяет осуществлять демонстрацию управления асинхронным двигателем с задачей частоты синусоиды, которую генерирует драйвер, частоту самого ШИМ сигнала, включать / выключать защиту по превышению допустимого тока и температуры с задачей критических значений и периода считывания, время разгона / торможения и направление вращения. Также можно передавать отдельные независимые команды с задачей количества байт для возможности тестирования программы контроллера, считывать ток и температуру с датчиков.

 

Применение разработанной системы

 

На момент написания текущей статьи разработана система инвертора ни была применена в составе конечной системы управления или стенда.

Текущая электрическая плата инвертора предназначена для управления трехфазными асинхронными двигателями в системе открытого исполнения с целью исследования частотных и потребляемых характеристик двигателя в лабораториях Хмельницкого национального университета. Для таких исследований используется отдельная система с АЦП устройством под контролем среды программирования Lab View от компании National Instruments.

Автор: Сергей Корсун, ХНУ (2010 г. вып.), г.  Хмельницк.