Chciałbym przedstawić prosty projekt małego falownika do silnika 3 fazowego o mocy około 400W.
Widok falownika na poniższych zdjęciach
Falownik zasilany jest z jednej fazy, napięciem przemiennym 230 V. Na wyjściu uzyskujemy napięcie 3 fazowe 3x 230V. Schemat falownika , oprogramowanie , wzór płytki drukowanej znajdują się w załącznikach.
Myślę że większość czytelników których zainteresuje ten post wie jak działa i do czego służy falownik. Powodem dla którego zbudowałem falownik była cena głównego elementu sterującego FNA41560 która na aliexpress wynosi około 8 zł. Jednak jak się później okazało koszt pozostałych elementów wyniósł około 200 zł. Najdroższe elementy to kondensatory i dławik . Warto się więc zastanowić przed rozpoczęciem budowy falownika ,bo prawdopodobnie w tej cenie można kupić gotowy. Na wejściu falownika znajduje się układ PFC, który sprawia że prąd pobierany z sieci nie jest odkształcony i jest w fazie z napięciem. Jednak stopień odkształcenia zależy od obciążenia co widać na poniższych zdjęciach
Napięcie na kondensatorach filtrujących wynosi około 430 V bez obciążenia i spada do 400 V gdy układ PFC jest obciążony. W falowniku tranzystory komutują z częstotliwością 5kHz, ponieważ dla takiej częstotliwości został zoptymalizowany FNA41560 czasy martwe dla tranzystorów wynoszą około 1,2 us jak na zdjęciach
Falownik posiada zabezpieczenie przed wysoką temperaturą ustawione na 105 ⁰C, zwarciem 5 A , wysokim napięciem na kondensatorach filtrujących 460 V. Zabezpieczenie zwarciowe pracuje w tzw. trybie „cycle by cycle” to znaczy ze automatycznie się kasuje na koniec każdego cyklu PWM (działa jak ograniczenie prądowe). Można to zmienić w rejestrze P1FLTACON mikrokontroler na tryb „latch”. W trybie” latch” wyłączają się i zatrzymują generatory PWM do momentu skasowania znacznika. Częstotliwość regulujemy wieloobrotowym potencjometrem z rozdzielczością 0,1 Hz. Zakres regulowanej częstotliwości od 1 Hz do 80 Hz. Przy czym użetyczny zakres zaczyna się od 5Hz .Do generowania przebiegu wyjściowego wykorzystano algorytm VSM –space vektor modulation co pozawala na maksymalne wykorzystanie napięcia stałego doprowadzonego do modułu FNA41560. Więcej szczegółów na temat tego sposobu sterowania można znaleźć np. na stonie microchip
https://microchipdeveloper.com/mct5001:space-vector-modulation
Różnice w kształtach przebiegów generowanych za pomocą SPWM i SVM przedstawiono na poniższych rysunkach. W przypadku SPWM maksymalne napięcie między fazowe na wyjściu falownika może wynieść co najwyżej √3/2 x Udc w przypadku SVM wynosi Udc – jeśli pominąć straty w tranzystorach. W elekcie metoda SVM daje około 15% wyższe napięcie na wyjściu w porównaniu z metodą Sine PWM.
Należy pamiętać że zasilanie układu nie jest izolowane od sieci energetycznej i należy zachować szczególną ostrożność podczas uruchamiania oraz użytkowania. Masa układu względem ziemi znajduję się potencjale niebezpiecznym dla życia.
Gdyby jednak ktoś chciał zbudować i uruchomić falownik poniżej podaję kilka pomocnych wskazówek oraz załączam filmiki z uruchomienia. Dźwięki które słychać nie są generowane przez tarcie łożysk lub przewietrznika , nie wiem w jaki sposób powstają mogę tylko potwierdzić że silnik podłączony do 3- fazowego sinusoidalnego źródła ich nie generuje.
Na drugim filmiku pomiędzy falownik a silnik włączyłem filtr LC 3x L= 1,5mH i 3 x C = 0,68uF co moim zdaniem trochę wyciszyło dźwięki.
Montaż proponuje zacząć od wlutowania a następnie uruchomienia części PFC, wlutować układ scalony MC33262 mostek prostowniczy, diodę D11 , tranzystor Q1 i dławik, kondensatory filtrujące C17 i C22 do których trzeba przylutować rezystory rozładowujące 470 kΩ do każdego jak na zdjęciu . Na dławiku należy nawinąć uzwojenie (3 zwoje )które będzie zasilało układ scalony MC33262. Do nawinięcia użyłem przewodu z komputerowego kabla sieciowego(tzw. path corda) . Ważny jest koniec i początek uzwojeń należy je połączyć jak w nocie aplikacyjnej . Do określenia końca i początków uzwojeń użyłem miernika indukcyjności . Połączyłem nawinięte uzwojenie z uzwojeniem dławika w szereg i porównałem zmierzone wartości indukcyjności . W przypadku uzyskania większej wartości indukcyjności uzyskałem połącznie końca z początkiem uzwojeń. Zasilanie sieci do falownika należy doprowadzić przez termistory rozruchowe aby ograniczyć prąd płynący przez diodę D11 , a dla których zabrakło miejsca na płytce lub zastosować inne rozwiązanie które ograniczy prąd rozruchowy. Ja użyłem 2 szt. termistorów NTC6D-15 o maksymalnym prądzie 5A. Bezpośrednie podłączenie do sieci może spowodować uszkodzenie diody D11. Po wlutowaniu elementów obwodu PFC dolutowałem do kondensatorów dwie żarówki żarowe 100W/230V połączone w szereg , w ten sposób sprawdziłem czy działa PFC. Napięcie na żarówkach powinno wynosić 400V
Kolejnym krokiem który wykonałem było wlutowanie i sprawdzenie działania beztransformatorowego zasilacza zbudowanego na LNK306. Na wyjściu którego należy zmierzyć napięcie które powinno wynosić 15 V. Na samym końcu wlutowałem FNA41560 i mikrokontroler, który należy zaprogramować w układzie. Do zaprogramowania służy złącze J3 kompatybilne Pickit3.
W celu uruchomienia układu poza włączeniem zasilania należy podać z wyjścia RA2 na wejście RA3 logiczną jedynkę , wówczas falownik startuje do prędkości ustawionej potencjometrem z rampą około 5 sekund. Podłączenie RA3 masy powoduje zatrzymanie falownika – wyłączenie tranzystorów.
Ważne jest żeby sterować uruchamianiem lub zatrzymywaniem falownika z wyjścia RA2 (pin 1 na J4 jak na schemacie) ponieważ w przypadku zbyt wysokiej temperatury lub innych zakłóceń stan na R2 nim zmienia się na niski i falownik się wyłącza.
Na uwagę zasługuje wyjście FVO (pin 11) układu FNA41560 które jest zwarte do masy w przypadku gdy napięcie zasilania jest mniejsze równe 12 V a także w przypadku braku zasilania układu. Sygnalizuje to dioda fault , podczas uruchamiana i wstępnych testów gdy do płytki podłączone jest zasilanie z programatora pickit3 nie należy się tym martwić – trzeba jedynie pamiętać że gdy ta dioda się świeci na wyjściu mikrokontrolera nie są generowane przebiegi PWM.
Żeby się pozbyć tego błędu i uzyskać przebiegi PWM na wyjściu mikrokontrolera należy tymczasowo odłączyć zasilanie z programatora i podłączyć 15 V do FNA41560. Oczywiście te czynności wykonujemy tylko wtedy gdy falownik jest odłączony od sieci energetycznej.
Maksymalne napięcie na wyjściu falownika uzyskuje się przy częstotliwości 60 Hz .
Dla niskich częstotliwości napięcie pomiędzy 1 Hz – 5 Hz ma stałą wartość. Powyżej 5Hz wzrasta U/f = constans.
Układ został zmontowany na płytce o wymiarach 100 x100 mm aby koszt płytek zmieścił się cenie 2$.
Program został napisany w języku C w środowisku MPLABX .
Na zakończenie chciałbym dodać że poza termistorami rozruchowymi falownik powinien być zasilony przez filtr przeciwzakłóceniowy.
Widok falownika na poniższych zdjęciach
Falownik zasilany jest z jednej fazy, napięciem przemiennym 230 V. Na wyjściu uzyskujemy napięcie 3 fazowe 3x 230V. Schemat falownika , oprogramowanie , wzór płytki drukowanej znajdują się w załącznikach.
Myślę że większość czytelników których zainteresuje ten post wie jak działa i do czego służy falownik. Powodem dla którego zbudowałem falownik była cena głównego elementu sterującego FNA41560 która na aliexpress wynosi około 8 zł. Jednak jak się później okazało koszt pozostałych elementów wyniósł około 200 zł. Najdroższe elementy to kondensatory i dławik . Warto się więc zastanowić przed rozpoczęciem budowy falownika ,bo prawdopodobnie w tej cenie można kupić gotowy. Na wejściu falownika znajduje się układ PFC, który sprawia że prąd pobierany z sieci nie jest odkształcony i jest w fazie z napięciem. Jednak stopień odkształcenia zależy od obciążenia co widać na poniższych zdjęciach
Napięcie na kondensatorach filtrujących wynosi około 430 V bez obciążenia i spada do 400 V gdy układ PFC jest obciążony. W falowniku tranzystory komutują z częstotliwością 5kHz, ponieważ dla takiej częstotliwości został zoptymalizowany FNA41560 czasy martwe dla tranzystorów wynoszą około 1,2 us jak na zdjęciach
Falownik posiada zabezpieczenie przed wysoką temperaturą ustawione na 105 ⁰C, zwarciem 5 A , wysokim napięciem na kondensatorach filtrujących 460 V. Zabezpieczenie zwarciowe pracuje w tzw. trybie „cycle by cycle” to znaczy ze automatycznie się kasuje na koniec każdego cyklu PWM (działa jak ograniczenie prądowe). Można to zmienić w rejestrze P1FLTACON mikrokontroler na tryb „latch”. W trybie” latch” wyłączają się i zatrzymują generatory PWM do momentu skasowania znacznika. Częstotliwość regulujemy wieloobrotowym potencjometrem z rozdzielczością 0,1 Hz. Zakres regulowanej częstotliwości od 1 Hz do 80 Hz. Przy czym użetyczny zakres zaczyna się od 5Hz .Do generowania przebiegu wyjściowego wykorzystano algorytm VSM –space vektor modulation co pozawala na maksymalne wykorzystanie napięcia stałego doprowadzonego do modułu FNA41560. Więcej szczegółów na temat tego sposobu sterowania można znaleźć np. na stonie microchip
https://microchipdeveloper.com/mct5001:space-vector-modulation
Różnice w kształtach przebiegów generowanych za pomocą SPWM i SVM przedstawiono na poniższych rysunkach. W przypadku SPWM maksymalne napięcie między fazowe na wyjściu falownika może wynieść co najwyżej √3/2 x Udc w przypadku SVM wynosi Udc – jeśli pominąć straty w tranzystorach. W elekcie metoda SVM daje około 15% wyższe napięcie na wyjściu w porównaniu z metodą Sine PWM.
Należy pamiętać że zasilanie układu nie jest izolowane od sieci energetycznej i należy zachować szczególną ostrożność podczas uruchamiania oraz użytkowania. Masa układu względem ziemi znajduję się potencjale niebezpiecznym dla życia.
Gdyby jednak ktoś chciał zbudować i uruchomić falownik poniżej podaję kilka pomocnych wskazówek oraz załączam filmiki z uruchomienia. Dźwięki które słychać nie są generowane przez tarcie łożysk lub przewietrznika , nie wiem w jaki sposób powstają mogę tylko potwierdzić że silnik podłączony do 3- fazowego sinusoidalnego źródła ich nie generuje.
Na drugim filmiku pomiędzy falownik a silnik włączyłem filtr LC 3x L= 1,5mH i 3 x C = 0,68uF co moim zdaniem trochę wyciszyło dźwięki.
Montaż proponuje zacząć od wlutowania a następnie uruchomienia części PFC, wlutować układ scalony MC33262 mostek prostowniczy, diodę D11 , tranzystor Q1 i dławik, kondensatory filtrujące C17 i C22 do których trzeba przylutować rezystory rozładowujące 470 kΩ do każdego jak na zdjęciu . Na dławiku należy nawinąć uzwojenie (3 zwoje )które będzie zasilało układ scalony MC33262. Do nawinięcia użyłem przewodu z komputerowego kabla sieciowego(tzw. path corda) . Ważny jest koniec i początek uzwojeń należy je połączyć jak w nocie aplikacyjnej . Do określenia końca i początków uzwojeń użyłem miernika indukcyjności . Połączyłem nawinięte uzwojenie z uzwojeniem dławika w szereg i porównałem zmierzone wartości indukcyjności . W przypadku uzyskania większej wartości indukcyjności uzyskałem połącznie końca z początkiem uzwojeń. Zasilanie sieci do falownika należy doprowadzić przez termistory rozruchowe aby ograniczyć prąd płynący przez diodę D11 , a dla których zabrakło miejsca na płytce lub zastosować inne rozwiązanie które ograniczy prąd rozruchowy. Ja użyłem 2 szt. termistorów NTC6D-15 o maksymalnym prądzie 5A. Bezpośrednie podłączenie do sieci może spowodować uszkodzenie diody D11. Po wlutowaniu elementów obwodu PFC dolutowałem do kondensatorów dwie żarówki żarowe 100W/230V połączone w szereg , w ten sposób sprawdziłem czy działa PFC. Napięcie na żarówkach powinno wynosić 400V
Kolejnym krokiem który wykonałem było wlutowanie i sprawdzenie działania beztransformatorowego zasilacza zbudowanego na LNK306. Na wyjściu którego należy zmierzyć napięcie które powinno wynosić 15 V. Na samym końcu wlutowałem FNA41560 i mikrokontroler, który należy zaprogramować w układzie. Do zaprogramowania służy złącze J3 kompatybilne Pickit3.
W celu uruchomienia układu poza włączeniem zasilania należy podać z wyjścia RA2 na wejście RA3 logiczną jedynkę , wówczas falownik startuje do prędkości ustawionej potencjometrem z rampą około 5 sekund. Podłączenie RA3 masy powoduje zatrzymanie falownika – wyłączenie tranzystorów.
Ważne jest żeby sterować uruchamianiem lub zatrzymywaniem falownika z wyjścia RA2 (pin 1 na J4 jak na schemacie) ponieważ w przypadku zbyt wysokiej temperatury lub innych zakłóceń stan na R2 nim zmienia się na niski i falownik się wyłącza.
Na uwagę zasługuje wyjście FVO (pin 11) układu FNA41560 które jest zwarte do masy w przypadku gdy napięcie zasilania jest mniejsze równe 12 V a także w przypadku braku zasilania układu. Sygnalizuje to dioda fault , podczas uruchamiana i wstępnych testów gdy do płytki podłączone jest zasilanie z programatora pickit3 nie należy się tym martwić – trzeba jedynie pamiętać że gdy ta dioda się świeci na wyjściu mikrokontrolera nie są generowane przebiegi PWM.
Żeby się pozbyć tego błędu i uzyskać przebiegi PWM na wyjściu mikrokontrolera należy tymczasowo odłączyć zasilanie z programatora i podłączyć 15 V do FNA41560. Oczywiście te czynności wykonujemy tylko wtedy gdy falownik jest odłączony od sieci energetycznej.
Maksymalne napięcie na wyjściu falownika uzyskuje się przy częstotliwości 60 Hz .
Dla niskich częstotliwości napięcie pomiędzy 1 Hz – 5 Hz ma stałą wartość. Powyżej 5Hz wzrasta U/f = constans.
Układ został zmontowany na płytce o wymiarach 100 x100 mm aby koszt płytek zmieścił się cenie 2$.
Program został napisany w języku C w środowisku MPLABX .
Na zakończenie chciałbym dodać że poza termistorami rozruchowymi falownik powinien być zasilony przez filtr przeciwzakłóceniowy.
Fajne? Ranking DIY
