Частотник своими руками: Самодельный частотник. Разрабатываем преобразователь вместе

частотный преобразователь своими руками, как сделать

Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.

Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.

• Назначение частотного преобразователя
• Принцип работы устройства
• Самостоятельное изготовление прибора
  • Делаем трехфазный преобразователь
  • Частотник для однофазного двигателя
  • Возможные проблемы при проверке

Назначение частотного преобразователя

Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.

Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.

Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

Самостоятельное изготовление прибора

Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.

Делаем трехфазный преобразователь

Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.

Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.

Схема частотника выглядит так:

Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.

Вот так выглядит разводка платы управления:

Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.

Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:

Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.

Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:

1. В наличии у вас всех необходимых компонентов;
2. В правильности разводки платы;
3. В наличии всех нужных отверстий для установки радиодеталей на плате;
4. В том, что не забыли залить в микроконтроллер прошивку из этого архива:

Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.

После сборки у вас получится что-то похожее:

Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании — поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.

Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.

Частотник для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая — через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль — в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя, используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.

В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:

К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему — мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.

Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:

Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:

Стабилизатор на 12 вольт.

Стабилизатор на 5 вольт.

Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете — великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.

Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода — опять выйдут из строя ключи.

Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы, а затем — к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также — в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.

После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» — пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» — то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» — стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.

Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.

Возможные проблемы при проверке

Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.

Простой частотный преобразователь своими руками

Впервые мир познакомился с таким устройством, как трехфазный асинхронный электродвигатель , еще в конце 19 столетия. И начиная с того времени, его стали применять на каждом промышленном предприятии, где он стал обязательным элементом. Во время эксплуатации электродвигателя важно обеспечить его плавный пуск и остановку. Это можно сделать только при наличии специального устройства — преобразователя частоты. В первую очередь, целесообразно оснащать преобразователем крупные электродвигатели, обладающие высокими показателями мощности.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Трехфазный инвертор своими руками
• Частотный преобразователь для электродвигателя и принцип работы
• Веспер ремонт своими руками
• Частотник своими руками — любительская схема преобразователя
• Простой частотный преобразователь своими руками
• Please turn JavaScript on and reload the page.
• Частотный преобразователь своими руками
• Частотный привод 5-200Гц (10-400Гц) своими руками
• Регулятор оборотов асинхронного двигателя 220в своими руками

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Самодельный частотник для асинхронного двигателя на STM8S часть2

Трехфазный инвертор своими руками

Зачем нужно делать самому преобразователь для 3-фазного электромотора, и как смастерить его своими руками? Чтобы защитить окружающую природу повсюду создаются правила, которые рекомендуют изготовителям электрических устройств делать продукцию, которая будет экономить электрическую энергию.

Часто это бывает достигнуто правильным управлением частотой вращения электромотора. Преобразователь частоты легко решает эту задачу. Частотник электромотора с тремя фазами по-разному называют: инвертор, частотный изменитель тока, приводной механизм, регулируемый частотой.

Сегодня такие устройства делают разные заводы, но многие умельцы своими руками изготавливают не хуже. Я изготовил преобразователь частоты и асинхронный привод для моего товарища. Ему нужен был привод для пилорамы, мощный и хороший. Так как я любил заниматься электроникой, то сразу предложил ему такую схему:.

Трехфазный мост на транзисторах с диодами обратной связи я использовал, которые имелись. У входа припаял гасящую емкость, чтобы электролиты заряжались плавно. Затем припаял шунтовое реле. Еще установил триггер защиты тока от замыкания и перегрузки.

Для управления установил две кнопки и выключатель для обратного вращения. Резисторы, соединил параллельно по кОм с помощью затворных проходных конденсаторов, позади платы их напаял. Моя плата показана на внешнем виде:. Для подключения питающего напряжения я собрал блок питания, работающий на импульсах, обратноходовой. Вот привожу схему этого блока питания:.

Как я запрограммировал микроконтроллер? Простые моргалки для меня не представляли какой-то проблемы. Получились константы в виде матрицы, над которой работал мой контроллер. Частота и напряжение были заданы этими величинами. Всю схему работы проверил на моторчике вентилятора небольшой мощности, Вт. Эта моя конструкция выглядела так:. Начальные эксперименты дали хороший результат. Затем доработал программу. Раскрутил двигатель на 4 кВт, и пошел собирать управление пилорамой. При монтаже у нас с товарищем случайно произошло замыкание и сработала защита, проверили ее работу.

Мотор на 2 кВт оборотов с легкостью пилил доски. Сейчас программа еще дорабатывается для раскрутки двигателя выше номинала. Удерживаем кнопку RUN и разгоняем двигатель.

Отпускаем, частота держится на уровне. Когда загорается светодиод, то привод готов к запуску. Вместе с производством заводских инверторов любители делают их сами, своими руками. Здесь нет ничего сложного.

Такой преобразователь частоты преобразовывает одну фазу, делает из нее три фазы. Электродвигатель с похожим частотником используют в домашних условиях, мощность его не будет теряться.

Блок выпрямления в схеме расположен в начале. Далее идут фильтры , которые отсекают токовые переменные. Чтобы изготовить данные инверторы применяют транзисторы IGBT.

За тиристорами стоит будущее, хотя и в настоящем они уже применяются давно.

Купленный частотник на биполярных транзисторах стоит дорого и мало где применяется сервоприводы, металлорежущие станки с векторным управлением. Приведем простые примеры частотных преобразователей, которые тянули мощные электродвигатели тепловозов и электричек, имеющих в своем составе много вагонов товарных платформ, большие станции с насосами напряжением вольт, обеспечивающие городские районы питьевой водой.

Очевидно, что данные сильные электродвигатели не подойдут на биполярных транзисторах. Они преобразуют из постоянного тока токовую сеть с тремя фазами с хорошей мощностью. Однако, имеются простые схемы на тиристорах простого типа, закрывающиеся током катода обратного.

Такие тиристоры не будут действовать в режиме ШИМ, их хорошо применяют в прямой регулировке электромоторов, без тока постоянного размера. Преобразователи частоты на тиристорах в застойные времена были задействованы для моторов на постоянном токе. Фирма Сименс изобрела векторные частотники , преобразившие промышленность до неузнаваемости.

Инвертор действует на частоту вращения асинхронных моторов.

Моторы переделывают электроэнергию в механическое движение. Вращательное движение преобразуется в движения механические. Это создает большое удобство. Асинхронные моторы очень популярны во многих сторонах жизни людей. Обороты электродвигателя можно изменять и другими устройствами. Но, у них много недостатков. Они сложны в пользовании, дорого стоят, работают с плохим качеством, разбег регулировки маленький.

Частотный преобразователь для мотора с тремя фазами легко решает эту проблему. Все знают, что пользование частотниками для изменения частоты вращения есть самый хороший и правильный метод. Такой аппарат дает мягкий пуск и торможение, а также контролирует многие процессы, происходящие в моторе.

Аварийные ситуации при этом сводятся на нет. Чтобы плавно и быстро регулировать работу двигателя, специалисты разработали специальную электрическую схему. Использование в работе частотника дает возможность работать двигателю без перерыва, экономично.

Это происходит за счет повышения частоты коммутации. Механические устройства не могут выполнить такие функции. Как частотник может изменять частоту вращения трехфазного электромотора?

Сначала он меняет напряжение сетевое. Далее, из него получается нужная амплитуда и частота напряжения, поступает на электромотор. Разбег интервала регулирования скорости преобразователем большой.

Можно изменять вращение мотора в другую сторону. Чтобы двигатель не вышел из строя, нужно брать во внимание данные из его характеристики, допускаемые обороты, мощность. В первом случае управляется статор с его магнитным полем. Управление вектором учитывает действие полей магнита ротора и статора, улучшается крутящий момент при разных скоростях вращения.

Это и есть основное различие их режимов управления. Способ векторов точнее и эффективнее. Обслуживать его дороже. Он больше подходит для специалистов с хорошими профессиональными умениями и знаниями. Метод управления скалярного типа наиболее прост в работе. Применяется он с выходными параметрами, не требующими регулировки особой точности. Когда мы купили инвертор по недорогой цене, то возникает необходимость: подключение его к электромотору самому без специалистов. Сначала надо установить для безопасности автоматический выключатель для обесточивания.

Если возникнет короткое замыкание на фазах, то отключится вся система. Подключить частотник к мотору можно звездой или треугольником. Когда привод регулирования с одной фазой, то контакты электромотора присоединяют треугольником. Тогда мощность не потеряется. Мощность этого преобразователя частоты будет не более 3 кВт.

Инверторы с тремя фазами технически наиболее современны. Они питаются от заводских трехфазных сетей, подключаются звездой. Для ограничения тока пуска и уменьшения момента пуска при пуске электромотора свыше 5 кВт можно использовать способ включения треугольник и звезда. При включении статора применяется схема звезды, а если обороты двигателя нормальные, то переходят на вариант треугольника.

Но это используется при существовании возможности соединения по двум схемам. Отмечаем, что в варианте звезда-треугольник большие перепады тока будут всегда.

При переключении на вторую схему обороты двигателя сильно снизятся. Для восстановления скорости вращения надо повысить силу тока. Современные частотные преобразователи делаются с применением таких устройств как микроконтроллеры.

Это значительно повышает функции инверторов в алгоритмах управления и контролирования с точки зрения безопасности работ. Чтобы управлять и контролировать частотники изготовитель прибора предлагает созданную программу, которая будет всегда иметь связь с контроллером посредством порта, будет показывать на мониторе состояние и позволит производить управление. Данные документируются протоколом обмена и используются пользователями, создающими программы управления для электронной техники и контроллеров.

Стоимость блоков питания бесперебойного напряжения имеет зависимость от того, есть ли в нем частотный преобразователь.

Частотный преобразователь для электродвигателя и принцип работы

Опишу подробнее. Достался мне по наследству на работе сгоревший Разлетелся один IGBT, поменял все три. Нашел сразу еще и сгоревший быстродействующий предохранитель 80А , поменял.. Один канал все равно не работал, нашел пробитый транзистор в одном из управления IGBT, нашел еще неисправные оптосборки в этом канале, после этого частотник стал запускаться.

Регулятор оборотов асинхронного двигателя в своими руками Использование частотных преобразователей; Применение .. ступенчатый разгон двигателя, отличается простой конструкции и может быть выполнен.

Веспер ремонт своими руками

Для стабилизации электрического тока используются различные устройства. Предлагаем рассмотреть, что такое электромашинный преобразователь частоты, как работает высоковольтный, тиристорный и однофазный прибор, его назначение, где можно купить, а также схема, как его сделать своими руками. Простейший преобразователь напряжения тока или частоты ПЧ — это электромагнитный, электронный или электромеханический прибор, который преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток другой. Преобразователь напряжение-частота широко используется для того, чтобы сохранить энергию механических систем, к примеру, двигателя, насоса, вентилятора и т. Выбираются приборы в соответствии с кривыми двигателя для обеспечения оптимальной скорости и нагрузки, транзисторный преобразователь может помочь сэкономить энергию двигателя, снижая потери энергии и увеличивая КПД. Это достигается путем преобразования фиксированной частоты входящего переменного тока напряжения в постоянный ток, а затем, варьируя частоту переконвертировать его обратно в переменное напряжение, используя биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. В основном используется первый тип электропривода, так как он обеспечивает двойное преобразование частоты вращения двигателя, при этом контролируется как вход сигнала, так и выход. Рассмотрим подробнее их принцип действия. Преобразователь частоты для асинхронных двигателей работает путем преобразования входного синусоидального напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, а затем его изменения обратно в переменное напряжение.

Частотник своими руками — любительская схема преобразователя

С целью охраны окружающей среды везде вводятся правила, рекомендующие производителям электрооборудования выпускать продукцию, экономно расходующую электроэнергию. Зачастую это достигается эффективным управлением скорости электродвигателя. Частотник для трехфазного электродвигателя или частотный преобразователь имеет множество наименований: инвертор, преобразователь частоты переменного тока, частотно регулируемый привод. На сегодняшний день частотники производят многие фирмы, но есть немало энтузиастов, создающих преобразователи своими руками.

Зачем нужно делать самому преобразователь для 3-фазного электромотора, и как смастерить его своими руками? Чтобы защитить окружающую природу повсюду создаются правила, которые рекомендуют изготовителям электрических устройств делать продукцию, которая будет экономить электрическую энергию.

Простой частотный преобразователь своими руками

Забыли пароль? Изменен п. Расшифровка и пояснения – тут. Автор: Naildjan , 7 июня в Электропривод. Здравствуйте, форумчане! Хочу поднять тему о тиристорном преобразователе частоты для асинхронного двигателя, имеющий короткозамкнутый ротор, точнее мне нужна схема.

Please turn JavaScript on and reload the page.

А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты —это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Инвертор своими руками. Наряду с выпуском промышленных инверторов многие изготавливают их своими руками. Особой сложности в этом нет. Частотный преобразователь. С целью охраны окружающей среды везде вводятся правила, рекомендующие производителям электрооборудования выпускать продукцию, экономно расходующую электроэнергию.

Простой частотный преобразователь своими руками. Инвертор своими руками. Наряду с выпуском промышленных инверторов многие изготавливают.

Частотный преобразователь своими руками

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками расчет и сборку , используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее. Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании.

Частотный привод 5-200Гц (10-400Гц) своими руками

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: ⚙️Частотник 8bit на Arduino Micro и Infineon IGBT

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой. Схемы любительских частотных преобразователей.

Перейти к содержимому.

Регулятор оборотов асинхронного двигателя 220в своими руками

Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов. Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками. Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока. Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое.

Огромное значение для современной промышленности имеют мощные асинхронные электродвигатели. Для осуществления их плавного старта используются частотные преобразователи — небольшие устройства, контролирующие значение пусковых токов и иногда позволяющие изменять скорость вращения. Асинхронный двигатель существенно превосходит электрические машины других типов в производительности и мощности, однако не лишен характерных недостатков. Так, например, для контроля над скоростью вращения ротора прибор необходимо оснащать дополнительными элементами.

Типы частотно-регулируемых приводов — управление энергопотреблением

Последнее обновление пн, 05 сентября 2022 г. | Управление энергией

Для поддержания надлежащего коэффициента мощности и снижения чрезмерного нагрева двигателя необходимо соблюдать соотношение вольт/герц, указанное на паспортной табличке. Это основная функция частотно-регулируемого привода (ЧРП). Четыре основных компонента, из которых состоят приводы переменного тока (ЧРП), — это преобразователь, инвертор, цепь постоянного тока, которая их связывает, и блок управления, показанный на рис. частота

Рис. 1. Типичное энергопотребление различных систем управления вентиляторами. (Источник: Moses et. al., 1989)

Переменный ток в постоянный. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток с регулируемой частотой и регулируемым напряжением (оба должны быть регулируемыми, чтобы поддерживать постоянное отношение напряжения к герцу). Цепь постоянного тока фильтрует постоянный ток и проводит постоянный ток к инвертору. Блок управления регулирует выходное напряжение и частоту на основе обратной связи от процесса (например, датчика давления). Существует три основных типа конструкций инверторов: инверторы с источником напряжения, инверторы с источником тока и инверторы с широтно-импульсной модуляцией. Каждый из них будет кратко рассмотрен в следующем разделе.

Типы инверторов

Инверторы источника напряжения (VSI) используют кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) для восстановления псевдосинусоидальной формы волны для подачи на двигатель. Это достигается с помощью шестиступенчатого инвертора напряжения с преобразователем источника напряжения и шиной постоянного тока переменного напряжения. Как и в любой системе SCR, мешающие гармоники отражаются в источнике питания. Кроме того, шестиступенчатая форма волны посылает ток в виде импульсов, что может привести к заклиниванию двигателя на низких частотах, что может привести к повреждению шпоночных канавок, муфт, крыльчаток насосов и т. д. [Phipps, 1994].

Инверторы источника тока (CSI) также используют вход SCR от источника питания, но управляют током двигателя, а не напряжением. Это достигается с помощью шестиступенчатого инвертора тока с преобразователем источника напряжения и шиной постоянного тока переменного напряжения. Системы CSI имеют те же проблемы с зубцами и гармониками, что и системы VSI. Многие производители предлагают только VSI или CSI VFD для большей мощности (более 300 л.с.).

ЧРП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) стали современной концепцией за последние несколько лет, начиная с меньших размеров л.с. и доступных до 1500 л.с. по крайней мере от одного производителя [Phipps, 1994]. ШИМ использует простой диодный мостовой выпрямитель для подачи питания на шину постоянного тока постоянного напряжения. Инвертор PWM развивает выходное напряжение, создавая импульсы различной ширины, которые объединяются для синтеза желаемой формы волны. Диодный мост значительно снижает гармоники от источника питания. Система ШИМ создает форму волны тока, которая более точно соответствует форме волны линии электропередачи, что снижает неблагоприятный нагрев. Приводы с ШИМ также имеют то преимущество, что коэффициент мощности практически не меняется на всех скоростях. В зависимости от размера возможно иметь коэффициент мощности более 95% [Фиппс, 1994]. Еще одним преимуществом ЧРП с ШИМ является то, что имеется достаточная частота тока (~ 200+ Гц) для работы нескольких двигателей на одном приводе, что было бы выгодно для рассмотренного ранее примера печатной машины. Следующий

Рис. 2. Типичная система ЧРП. (Источник: Лободовский, 1996 г.) В разделе

будут обсуждаться типы нагрузок, для которых требуются регулируемые скорости, которыми можно управлять с помощью частотно-регулируемых приводов.

Продолжить чтение здесь: 1211 Прямое цифровое управление

Была ли эта статья полезной?

Сделай сам! Сборка синтезатора, управляемого гитарой — частота в вольтах и ​​обратно

Это вторая статья в увлекательном путешествии по проекту полностью аналогового синтезатора, управляемого гитарой, который будет включать в себя несколько этапов и модулей. В соответствии со схемой Sample & Hold, предназначенной для извлечения предыдущих напряжений, которых больше не существует, в этой статье подробно описывается управление напряжением и то, как воспроизведение преобразуется в напряжения и обратно в частоту.

В предыдущей статье я описал свое увлечение аналоговыми синтезаторами и показал схему сэмпла и удержания «Машина времени», которую я разработал для своего текущего синтезаторного проекта, в котором для воспроизведения музыкальных нот используется электрогитара вместо клавиатуры.

Итан использовал этот Fender Telecaster 1969 года для разработки своего гитарного синтезатора. На этом фото 2015 года он играет «Вариации рококо для виолончели с оркестром» Чайковского с Симфоническим оркестром Дэнбери.

В статье я объяснил, что основной концепцией всех аналоговых синтезаторов является управление напряжением, при котором различные качества звука (например, частота среза фильтра или частота и глубина вибрато) могут управляться как автоматически, так и вручную с помощью напряжения. с потенциометрами. Это позволяет вам программировать изменения громкости и других звуковых качеств, которые происходят каждый раз, когда проигрывается нота, без необходимости поворачивать ручки.

Наиболее важным элементом аналогового синтезатора, управляемым напряжением, является его осциллятор — схема, которая фактически создает музыкальные ноты. Но гитарный синтезатор также должен оценивать входящую частоту. Когда нота играется на гитаре, необходимо оценить частоту ноты и преобразовать ее в соответствующее напряжение. Затем это напряжение направляет управляемый напряжением генератор (VCO) для воспроизведения той же ноты, но с качеством синтезатора, а не гитары. (Обычные формы сигналов осциллятора включают прямоугольные, импульсные и пилообразные.) Также можно транспонировать ноты, чтобы музыка, исполняемая в тональности ми, звучала в другой тональности. Но это основная концепция. Общим термином для этих схем преобразования является частота в напряжение (F2V) и напряжение в частоту (V2F).

Доступны специальные чипы F2V IC, хотя это довольно просто сделать вручную. Как и в моей предыдущей статье Sample & Hold, схемы, показанные здесь, были разработаны с использованием симулятора виртуальных схем LTspice. Эта бесплатная программа от производителя интегральных схем Analog Devices предлагает полный набор деталей с виртуальным осциллографом и другим тестовым оборудованием. Вы просто рисуете схему, затем нажимаете «Выполнить», чтобы посмотреть, как она работает. Как только схема заработает так, как ожидалось, вы можете спроектировать печатную плату, купить детали и построить ее по-настоящему.

От частоты к напряжению
На рис. 1 показана микросхема таймера 555, которая выдает импульс длительностью 2 мс каждый раз, когда входной сигнал идет в отрицательном направлении. Я использовал квадратную синусоидальную волну в качестве источника, потому что проще указать частоту, чем для прямоугольных волн с помощью генератора импульсов LTspice. Выходные импульсы таймера заряжают конденсатор С4 через резистор R5. На высоких частотах импульсы фиксированной ширины 555 приходят чаще, чем на более низких частотах, поэтому среднее выходное напряжение выше.

Рис. 1. Базовый преобразователь частоты в напряжение (F2V) использует микросхему таймера для генерации импульсов фиксированной длительности, которые затем усредняются резистором и конденсатором.

На рис. 2 показано изображение осциллографа при частоте источника 100 Гц, а на рис. 3 — для 200 Гц. Коричневые кривые — это поток выходных импульсов таймера 555, а желтые кривые — усредненное выходное напряжение. На обеих частотах требуется время, чтобы конденсатор достиг своего окончательного среднего напряжения, и на выходе также присутствуют пульсации, а не постоянный постоянный ток. Пульсации можно уменьшить, увеличив конденсатор, но это увеличит время усреднения! Баланс между временем усреднения и пульсациями на выходе является основной проблемой всех преобразователей частоты в напряжение.

Рисунок 2. При частоте 100 Гц импульсы таймера составляют примерно одну пятую длительности каждого цикла, поэтому выходное напряжение составляет одну пятую от источника питания 15 В или 3 В. Рисунок 3. При частоте 200 Гц импульсы таймера поступают в два раза чаще , так что теперь выход при 6 В вдвое больше, чем при 100 Гц.

Период до напряжения
Лучшим способом преобразования частоты в соответствующее напряжение является измерение промежутка времени между импульсами или периода входящей частоты. Измеряя период вместо частоты, результат может быть известен в самом первом цикле. Именно этот подход я использовал для схем, показанных на рисунке 4. Поэтому вместо того, чтобы называть их F2V и V2F, мы будем использовать P2V и V2P. В дни славы DOS, в 19В 80-х и начале 1990-х я владел компанией по разработке программного обеспечения и был главным программистом. Так что я знаю ценность комментариев, которые объясняют, как работает компьютерный код, и я также добавил много комментариев к схемам, показанным здесь, чтобы расширить последующие описания. Чтобы соответствовать им, некоторые комментарии набраны слишком мелким шрифтом, чтобы их было легко прочитать. В разделе «Файлы проекта» есть ссылка на полную схему в формате PDF, которую можно увеличить, чтобы вы могли все четко прочитать. Файл LTspice, также доступный в разделе «Дополнительные материалы» на веб-сайте audioXpress, также содержит все комментарии.

Рисунок 4: Вся схема преобразования периода в напряжение и обратно довольно сложна, хотя некоторые части предназначены для поддержки, а не основных операций, как объясняется в основном тексте.

Как и в случае с F2V на рис. 1, источник синусоидального сигнала проходит через операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления для создания прямоугольных сигналов, подходящих для запуска таймера 555. Но в отличие от схем F2V, которые выдают нарастающее напряжение на более высоких частотах, выходное напряжение P2V становится меньше, потому что период между циклами короче. Этому легко противодействовать в конструкции V2P, но фильтр синтезатора, управляемый напряжением (не показан), требует напряжения, которое возрастает на более высоких частотах. Таким образом, логарифмический преобразователь используется для получения обратного значения 1/V, необходимого фильтру. Другой логарифмический преобразователь служит делителем для противодействия падающему напряжению пилообразной волны на выходе V2P. Две другие вспомогательные цепи умножают и делят частоту прямоугольной волны V2P для одновременного создания более высоких и более низких октав.

Сведения о цепи
Основная концепция считывания периода частоты сигнала заключается в том, чтобы начать зарядку конденсатора, когда начинается входной цикл, а затем «выборки» напряжения на этом конденсаторе, когда начинается следующий цикл. На низких частотах напряжение конденсатора возрастает больше, чем на высоких частотах, просто потому, что ему давали заряжаться в течение более длительного периода времени. Замеренное напряжение также необходимо запомнить или «удерживать» на постоянном уровне до окончания следующего цикла. Отсюда и название Sample & Hold.

Для ясности, эта схема использует простой Sample & Hold, а не более сложную версию, показанную в моей предыдущей статье (audioXpress, апрель 2022 г.) из полного гитарного синтезатора. Продвигаясь слева направо, а затем сверху вниз, я объясню каждый участок схемы на рис. 4 по очереди.

Пять отдельных микросхем таймера 555 используются в моностабильном режиме для генерации импульсов положительного напряжения различной длительности. Эта популярная микросхема таймера запускается, чтобы начать цикл каждый раз, когда ее входное напряжение падает ниже одной трети напряжения источника питания. По мере того, как каждый входящий волновой цикл переходит от положительного к отрицательному, выход первого таймера становится высоким на 80 микросекунд (мкс), чтобы установить период выборки для аналогового переключателя CD4066B непосредственно ниже. Этот таймер также запускает серию событий: сначала короткая задержка, позволяющая «пилотирующему» конденсатору C10 стабилизироваться на своем конечном значении, затем еще 2,5 мкс, чтобы разрядить конденсатор обратно до нуля вольт, чтобы начать следующий цикл. Этот конденсатор заряжается от источника постоянного тока (CCS), а не от резистора, потому что время зарядки от резистора не является идеально линейным. В CCS напряжение на конденсаторе достигает ровно половины напряжения, когда входящая частота повышается на одну октаву, как показано на рис. 5.9.0039

Рис. 5: «Линейный» конденсатор заряжается от источника постоянного тока (CCS) в течение одного цикла входящей частоты. Когда входящий цикл заканчивается, крышка сбрасывается до нуля вольт. Следовательно, при более низких частотах конденсатор достигает более высокого напряжения, потому что он заряжался в течение более длительного периода времени.

Обратите внимание на логический элемент ИЛИ A1, который позволяет удерживать конденсатор рампы при нулевом напряжении в режиме Sustain. Большинство синтезаторов позволяют использовать ножной переключатель для эмуляции педали Sustain на фортепиано. В режиме Sustain текущая нота продолжает воспроизводиться даже после того, как выход гитары прекращается, а функция Sample & Hold продолжает воспроизводить напряжение текущей ноты. Эта схема была изменена, чтобы функционировать самостоятельно, отдельно от остальной части всего синтезатора, поэтому второй вход ИЛИ заземлен, чтобы отключить ее.

Также обратите внимание, что NPN-транзистор Q1 перевернут по сравнению с его обычной ориентацией, где эмиттер должен быть заземлен, а коллектор подключен для разряда конденсатора линейного изменения. Когда транзистор используется в обратном направлении, его коэффициент усиления равен всего 1, но он значительно приближает эмиттер к земле, чем в обычной конфигурации, что, в свою очередь, увеличивает линейность преобразования P2V. Однако эти операции никогда не бывают идеально линейными, поэтому на операционный усилитель U7 подается небольшое напряжение смещения.

Схема Sample & Hold основана на аналоговом переключателе, который открывается и закрывается под управлением напряжения, за которым следует конденсатор, который удерживает напряжение, приложенное, когда переключатель был кратковременно замкнут. Здесь важно использовать высококачественный пленочный конденсатор, потому что керамические конденсаторы обладают эффектом памяти, который делает их нелинейными. Керамические колпачки также могут «вытечь» часть своего заряда. По той же причине операционный усилитель на полевых транзисторах используется для буферизации напряжения конденсатора, потому что более высокий ток смещения типичного биполярного операционного усилителя со временем разряжает конденсатор, делая ноту резкой или плоской по высоте.

Выход Sample & Hold также питает логарифмический преобразователь, упомянутый ранее, который необходим для фильтра, управляемого напряжением, в другом месте синтезатора. Эта схема адаптирована из инструкции по применению AN-30 компании Texas Instruments (TI), которую вы можете скачать по ссылке в разделе Ресурсы. Для этой эмуляции LTspice используются обычные транзисторы 2N3904 для генерации логарифмического результата. Но в реальной схеме будут использоваться двойные транзисторы NPN, где оба находятся на общей подложке. Это обеспечивает лучшую линейность преобразования, поскольку изменения температуры окружающей среды одинаково влияют на оба транзистора. Очевидно, что температура не является фактором эмуляции схемы!

Основная часть преобразователя V2P находится в середине третьего ряда схемы и более или менее обратна схеме P2V. Как и P2V, он также заряжает линейно изменяющийся конденсатор (C14) с помощью CCS, который сбрасывается, когда на конденсаторе достигается входное управляющее напряжение P2V через компаратор U14. Затем компаратор запускает пару микросхем таймера 555, которые сбрасывают конденсатор до нуля вольт с помощью другого инвертированного транзистора Q4. Второй компаратор, U15, генерирует прямоугольную волну на выходе, и его опорное напряжение может быть изменено либо вручную, либо с помощью регулятора напряжения, чтобы изменить рабочий цикл, чтобы он стал импульсной волной.

Ранее я упоминал, что синтезаторы позволяют транспонировать ноты для исполнения в другой тональности, а большинство из них также позволяют изменять высоту тона для эффектов вибрато и FM. Таким образом, применяется только 6 микроампер (мкА) тока, чтобы позволить сместить высоту тона вверх или вниз на полную октаву с помощью внешнего управления напряжением. Если бы использовались те же 12 мкА, то конденсатор пытался бы превысить ограничение питания 15 В на очень низких частотах.

Поскольку напряжение на линейном конденсаторе имеет пилообразную форму, мы можем использовать его для одного из выходов генератора V2P. Но напряжение напрямую зависит от частоты, делая более высокие ноты все мягче и мягче. Как и линейный конденсатор C5 в преобразователе P2V, C14 в цепи V2P также заряжается от CCS. И, как и в случае C5, максимальное напряжение, достигнутое до его сброса, уменьшается вдвое при каждом удвоении частоты. Таким образом, чтобы нормализовать выходной уровень пилообразной волны, чтобы он оставался постоянным по отношению к частоте, другой логарифмический преобразователь делит падающее напряжение пилообразной формы на выходное напряжение P2V, которое также падает. Например, 10 разделить на 5 равно 6 разделить на 3.

LTspice не имеет компонента потенциометра, поэтому в конвертере V2P есть примечания по замене резисторов потенциометрами или подстроечными потенциометрами, например, для ручной установки ширины импульса или точной настройки высоты тона. Ширина импульса изменяет рабочий цикл выходного сигнала прямоугольной формы, что делает тон тонким и пронзительным по мере того, как импульсы становятся более узкими. Эта схема показывает способы управления шириной как вручную, так и с помощью управления напряжением. Ручной потенциометр не подключен, но может быть через другой резистор 180k. Если это не очевидно, этот синтезатор все еще находится в разработке, хотя большинство модулей завершены и полностью функциональны.

Последние два раздела — это удвоение и уменьшение частоты вдвое с использованием базовых логических схем, а не отдельных преобразователей V2P. Разделить частоту на 2 просто с помощью D-триггера («Данные»). Каждый нарастающий фронт на входе Clock на A2 переключает выходы Q и Q-bar один раз. Таким образом, требуется два цикла на входе Clock, чтобы завершить один цикл на выходе.

Чтобы удвоить частоту, мы используем вентиль Исключающее ИЛИ. В этом случае каждый нарастающий и каждый спадающий фронт приходящей прямоугольной волны генерирует на выходе новый импульс. Обратите внимание, что этот выход имеет фиксированную ширину импульса, поэтому рабочий цикл изменяется с частотой, становясь тоньше звучания для нот с более низким тоном. Это не обязательно плохо для синтезатора, поскольку он сохраняет больше тела на высоких нотах, не давая им стать слишком тонкими и жужжащими.

Микшер аудиовыхода достаточно прост и не требует пояснений. Я подключил только один из выходных сигналов, а пока использовал фиксированные резисторы для установки уровней громкости. В окончательном варианте каждый источник сигнала будет иметь свой собственный регулятор громкости 10 кОм, как указано в комментариях к схеме. Конденсаторы 0,1 мкФ необходимы, потому что выходы генератора V2P поднимаются от 0 вольт, но аудиосигналы должны быть сосредоточены вокруг 0 ​​вольт, как положительные, так и отрицательные.

Примечание автора: В своих предыдущих статьях я упоминал моего друга Лео Тейлора, который в 1970-е научили меня многому из того, что я знаю об аудиосхемах. Я также должен поблагодарить моих нынешних наставников, Билла Эпплера и Джулию Труксес. Оба гении электроники с черным поясом и чрезвычайно приятные люди. Основные преобразователи периода в напряжение и напряжения в период разработаны Биллом, а Джулия помогала мне во многих моих недавних проектах, опубликованных в audioXpress. Я не смог бы разработать Null Tester (июнь 2019 г.) без ее опытного руководства. Веб-сайт компании Джулии Pragmatic Designs содержит огромное количество забавного и интересного контента, в том числе все музыкальные инструменты и аксессуары, которые она разработала за эти годы.

Прочитайте первую статью из этой серии – Машина времени выборки и удержания.

Ресурсы
LTspice,
www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator. html
Форум онлайн-поддержки LTspice, https://groups.io/g/LTspice
Руководство по применению Texas Instruments AN-30, Преобразователи логарифмических значений,
www.ti.com/lit/pdf/snoa641
Юлия Трухсесс, Pragmatic Designs, https://pragmaticdesigns.com
Э. Винер, «Создание синтезатора, управляемого гитарой: машина времени семплирования и удержания», audioXpress, апрель 2022 г.
Э. Винер, «Создание нулевого тестера», audioXpress, июнь 2019 г.,
https://audioxpress.com/article/you-can-diy-building-a-null-tester-device

Об авторе
Этан Винер работает звукоинженером и профессиональным музыкантом более 45 лет. Его музыкальное видео Cello Rondo набрало почти 2 миллиона просмотров на YouTube и других веб-сайтах, а его книга The Audio Expert, опубликованная Focal Press, уже во втором издании, доступна на amazon.com и на собственном веб-сайте Итана ethanwiner.com. Этан также является руководителем RealTraps, американского производителя высококачественной акустической обработки.