Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

30-01-2019

Цифровые формирователи трехфазного напряжения с ШИМ-управлением

Texas Instruments » CD4017B, CD4070B, CD4093B

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2018

Михаил Шустов, г. Томск

Рассмотрены схемы цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью плавного управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов в пределах от 1 до 99%.

Формирователи трехфазных сигналов с возможностью регулирования частоты выходных сигналов и их интеграла мощности с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) известны из монографий и журнальных статей последних лет [13]. Несмотря на очевидный прогресс в совершенствовании схем устройств подобного назначения, они остаются избыточно сложными для повторения. Ниже приводятся две схемы относительно простых цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.

Формирователи трехфазных сигналов (Рисунки 1 и 2) построены по аналогичной структурной схеме и включают генератор импульсов повышенной частоты с независимой регулировкой частоты и скважности [4], делитель частоты, формирователь трехфазных сигналов и выходные каскады.

Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.
Рисунок 1. Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением
частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих
выходной импульс высокочастотных сигналов.

Формирователь, Рисунок 1, содержит собственно генератор прямоугольных импульсов на элементе DD1.1 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1) с коэффициентом заполнения, близким к 99%, работающий на частоте порядка 20 кГц. На элементе DD1.2 выполнен узел плавной регулировки ширины сигналов задающего генератора. Регулировка ширины импульсов (коэффициента заполнения D) в пределах от 1 до 99% производится потенциометром R2.

Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.
Рисунок 2. Формирователь трехфазного напряжения с плавной перестройкой частоты
выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих
выходной импульс высокочастотных сигналов.

На элементах DD2.1 и DD2.2 микросхемы CD4070 (К561ЛП2) выполнен целочисленный делитель частоты входного сигнала, имеющий коэффициент деления примерно от 13 до 267. Этот коэффициент деления ступенчато задается плавной регулировкой потенциометра R4 и зависит от RC-постоянной времени (R3+R4)C2. Несмотря на то, что коэффициент деления меняется ступенчато, при больших значениях этого коэффициента ступенчатая перестройка частоты выходного сигнала несущественно отличается от плавной перестройки.

На микросхеме DD3 CD4017 (К561ИЕ8) выполнен делитель частоты входного сигнала на 3 и, одновременно, формирователь трехфазного напряжения.

Выходные каскады на каждую из фаз выполнены по идентичным схемам (блоки A, B и С). На вход каждого из этих каскадов поступает сигнал соответствующей фазы (A, B и С) частотой 25…500 Гц и, одновременно, сигнал частотой порядка 20 кГц, плавно регулируемый по коэффициенту заполнения от 1 до 99%. В итоге на выходах (A, B и С) устройства формируются серии высокочастотных (~20 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (25…500 Гц) трехфазных сигналов.

Второй формирователь трехфазного напряжения, Рисунок 2, имеет генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности [4], выполненный на элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1). Генератор работает на частоте 1.5…12 кГц (перестройка потенциометром R2). Регулировка коэффициента заполнения D производится потенциометром R4 в пределах от 1 до 99% и совершенно не зависит от частоты генерации.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на вход двухступенчатого делителя частоты, выполненного на микросхемах DD2 и DD3 CD4017 (К561ИЕ8). Второй каскад делителя (микросхема DD3) одновременно выполняет функции формирователя трехфазного напряжения. Итоговый коэффициент деления частоты равен 30 (10×3).

Выходные каскады устройства, Рисунок 2, выполнены по схеме, идентичной приведенной ранее на Рисунке 1.

В итоге на выходе формирователя трехфазного напряжения, Рисунок 2, формируются серии из 30 высокочастотных (1.5…12 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (50…400 Гц) трехфазных сигналов.

Литература

  1. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения // Радио. – 2003. – № 12. – С. 35–37.
  2. Герасимов Е. Задающий генератор регулятора частоты для трехфазного асинхронного двигателя // Радио. – 2017. – № 5. – С. 32–33.
  3. Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. – 336 с.
  4. Шустов М.А. Генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности.

Материалы по теме

Цена CD4017BCD4017B на РадиоЛоцман.Цены — от 13,00 до 45,80 руб.
ИС, счетчики CMOS Decade Counter
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ТриемаSTMicroelectronicsCD4017B, (HCF4017M013TR) SO1613,00 руб.
AliExpress10 шт. CD4017BE CD4017 DIP16 DIP CD4017B новый оригинальный45,80 руб.
ЭлектроПласт- ЕкатеринбургTexas InstrumentsCD4017Bпо запросу
ЭлектроПластTexas InstrumentsCD4017B3Aпо запросу
Подробнее об условиях поставки »
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Мне кажется, что эти схемы не дают полноценного трехфазного сигнала, так как фазы не накладываются друг на друга. Для трехфазных двигателей такие управляющие сигналы не подойдут. Это похоже на схему управления "бегущим огнём" с регулировкой яркости с помощью ШИМ. Каково назначение этих схем?
  • убожество выдернули не функциональные схемы дабы "пометить место" (как это делают собаки) А для чего? Да что бы иметь публикации..... и бахвалиться во всяческих анкетах и резюме.
  • Парни, Вы слишком категоричны в оценке данной схемы. А от Вас, lllll, неожиданно слышать отсылку к животному миру. Меня тоже насторожило, что на простом счётчике CD4017 (К561ИЕ8) автор сумел получить правильную последовательность трёхфазных импульсов со сдвигом фаз на 120 градусов. И ответ вроде очевидный – схема не верна. Но давайте устроим детективный квест «по следам изобретателя», ответив на вопрос: почему так получилось и в какой степени схема ошибочна. Михаил Шустов – это, скорее всего, тот самый Шустов М.А., окончивший Томский политех, к.т.н., д.т.н, профессор, автор следующих книг: - Шустов М.А. Цифровая схемотехника. Практика применения. - М.: Наука и техника, 2018; - Шустов М.А. Практическая схемотехника. - М.: Altex. - 2001 - 2007. - Кн. 1-5; - Шустов М.А. Основы силовой электроники. - СПб.: Наука и Техника, 2017; - Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника. - 2013; - Шустов М.А. Методические основы инженерно-технического творчества. - М.: НИЦИНФРА-М. - 2015; и наверняка многих других. И тут закрадываются сомнения в его некомпетентности. Поэтому обратимся к первоисточникам – списку литературы, приведённому в статье. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения // Радио. – 2003. Здесь мы также видим счётчик, а именно 561ИЕ8, но он используется по-другому, к тому же после него стоит серия инверторов (трёхвходовые ИЛИ-НЕ). А значит, эта схема не могла стать прототипом. Она, кстати, тоже порождает несколько вопросов, но сейчас это не важно. Дальше Герасимов Е. Задающий генератор регулятора частоты для трехфазного асинхронного двигателя // Радио. – 2017. Тут мы видим нечто похожее. Задающий генератор немного сложнее, чем у Нарыжного, но также присутствует счетчик 561ИЕ8, выходы которого аналогично обвешаны трёхвходовыми ИЛИ-НЕ, разбавленными 74HCT14 (элементы НЕ с триггерами на входе). Эта схема тоже не вполне тянет на прототип. Поэтому смотрим Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. При этом стараемся не нарушать авторские права. На странице 172 есть схема из Воронежа Калашник В., Черемысинова Я. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное // Радио. - 2009. Тут узел формирователя управляющих импульсов более замудрён, но по-прежнему есть счетчик 561ИЕ8, 561ЛЕ10, добавились 561ТМ3 (счетверённый D-триггер) и множество 2И-НЕ неуказанных типов. Задающий генератор на 555-том таймере. Схема сложнее, но тоже не прототип. На странице 179 есть схема Михаила Мухина из города Клин (завоевал этот город Иван III – дедушка Ивана Грозного Мухин М. Трехфазный ток - это очень просто // Радио. - 1999.. Вот тут уже что-то похожее на схему Шустова. Видим счётчик К155ИЕ4, три выхода которого обвешаны исключающими ИЛИ микросхемы 155ЛП5. Счётчик 155ИЕ4 – это хитрый делитель на 2 и 3, и 6. Наверное, именно эта микросхема была использована потому, что была. Таблица состояний её выходов соответствует импортному аналогу 7492, вот PDFка NTE7492. По этому поводу внизу под статьёй Мухина разгорелся жаркий спор. От чего мнения разделились и уверенно сказать, рабочая ли схема Мухина нельзя. Настораживает больше всего силовая часть. Во всяком случае, её всё же можно считать прототипом с некоторым натягом. Дальше, на странице 180 есть схема Костицын В. Преобразователь однофазного сетевого напряжения в трехфазное частотой 50-400 Гц // Радио. - 2009 в которой повторяется узел формирования трёхфазной импульсной последовательности из статьи Мухина. И если статья Мухина выглядит неубедительно, но её доработка Костициным для управления полноценным мостом (с формирователем треугольного напряжения, верхним и нижним IGBT) смотрится профессионально. Теперь вроде всё ясно и можно предположить, что в обсуждаемой статье Михаила Шустова не хватает после счетчика-делителя цепочки исключающих ИЛИ микросхем 155ЛП5. Но скорее всего Шустов, не разобравшись до конца, заменил К155ИЕ4 (7492) на К561ИЕ8 (CD4017), ошибочно посчитав, что схема Мухина заработает с другим счётчиком, причем без ЛП5. Но это категорически не так, поскольку К155ИЕ4 счетчик особенный, содержащий несколько делителей, что позволяет снимать с его выходов тактовую частоту, деленную на 2 (выход Q0), и деленную на 3 (выходы Q1, Q2). Попробуем промоделировать в Proteus. Сначала симуляцию выполним для набора микросхем Мухина (счетчик 7492 + 74HC86), модель (1) в пристёжке. Генератор виртуальный, чтобы не тратить времени. Результат – формирователь работает, три последовательности сдвинутых на 120. Единственное – в симуляторе появляются иголки во время отрисовки, но думаю в железе такого быть не должно (в реальности есть паразитные ёмкости по входам, ограниченное быстродействие микросхем). Теперь заменим 7492 на CD4017. По идее заработать не должно. Так и есть, не работает. Чтобы со счётчика 561ИЕ8 получить в итоге три последовательности, сдвинутые на 120 градусов, нужно поменять обвеску, ведь это принципиально другая микросхема. И исключающие ИЛИ 74HC86 уже не прокатят (иначе нужно добавить ещё одну 561ИЕ8 в качестве делителя на 2). Используем вместо них любые триггеры. Например, JK-триггеры 4027 (561ТВ1) или D-триггеры 4013 (561ТМ2). Модель (2) в пристёжке. На картинках виртуальные осциллографы. Как видно, с такими изменениями схема Шустова рабочая. Но все зависит от того, кто, где и с какой фантазией будет использовать данный узел. Если Шустов не предполагал какой-то «довесок» на выходе счётчика 561ИЕ8 или после выходных каскадов на транзисторах, тогда его схема в таком виде действительно ошибочна. И скорее всего он необдуманно произвёл подмену счетчиков. Так он всего лишь получает три последовательности импульсов одинаковой частоты с коэффициентом заполнения 1/3, сдвинутых друг относительно друга на треть периода (не считая высокочастотного ШИМ заполнения). Но если на выходе довесок и не предполагался (исходя из проанализированных выше схем), попробуем исправить схему. На схеме Шустова бросаются в глаза диоды. Попробуем использовать диодную логику для завершения схемы, модель (3). Как видно, со счетчика 561ИЕ8 без триггеров и сохранив выходные каскады на транзисторах схемы Шустова (для ШИМ) так или иначе можно синтезировать три фазы. Смущает ещё то, что автор не привел в статье временные диаграммы, как это принято. А значит статью можно считать фрагментом чего-то большего, недоработанного или неудачно на мой взгляд урезанного для журнала РЛ. И куда только смотрит редакция :-) В общем, статью в таком виде стоило бы назвать «Генератор предварительной последовательности узла формирователя трехфазного напряжения с ШИМ-управлением». Как-то так. Поскольку неизвестно, что же стоит у Шустова после «выходных каскадов». Поэтому фундаментальных ошибок в таком виде в ней может и нет, ведь автор получил три последовательности импульсов, хоть и неправильно сфазированных :-) На самом же деле сформировать полноценный трёхфазный ШИМ такими схемами на жёсткой логике затруднительно. Простота, к которой стремятся авторы, всегда грозит ведром сгоревших транзисторов в лучшем случае, в худшем – сгоревшим двигателем. По моему мнению использовать такие схемы не стоит для двигателей мощностью больше 500Вт. Также хочу сказать, что аналогичные задачи я, к примеру, давно решаю с помощью STM32, их богатейшей периферией продвинутых таймеров. Словом, формирование трёхфазных ШИМ сигналов сегодня – это не проблема. Всё равно ни один современный частотник без микроконтроллера не обходится. Проблемы чаще возникают в неправильно сконструированной силовой части. Только не выгодно это сегодня. Стоимость комплектующих и время на разработку не окупаются при единичных поделках. Дешевле и надёжнее пойти и купить частотник на рынке.
Рекомендуемые публикации по теме:
Форум  »
Измерение трехфазного напряжения 380В в схеме без нуля
Форум  »
ШИМ стабилизатор напряжения для БП
Новости  »
Новые цифровые температурные датчики с точностью в 1°С и ШИМ выходом от ANALOG DEVICES
Форум  »
Обсуждение: Автомобильный преобразователь напряжения на ШИМ микроконтроллере
Форум  »
Обсуждение: Преобразователь напряжения на основе ШИМ микроконтроллера

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Источник питания Актаком APS-1303
Источник питания Актаком APS-1303
2 LED дисплея, 0…30 В, 0…3 А
Цена: от 9 700 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Тепловизор Fluke TiX580
Тепловизор Fluke TiX580
Диапазон измеряемых температур: от 20 до +800 °C
Цена: от 1 458 000 руб.
Доставка: Россия
Рейтинг@Mail.ru