ТРАНЗИСТОРНЫЙ РАЗНОПОЛЯРНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, РЕГУЛИРУЮЩИЙ СКОРОСТЬ СИНХРОННОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
TRANSISTOR HETEROPOLAR FREQUENCY CONVERTER THAT CONTROLS SPEED OF SYNCHRONOUS STEP MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к преобразователям частоты, работающим непосредственно от источника переменного напряжения, и может быть использовано в регулируемом электроприводе с синхронным шаговым двигателем, при питании от сети переменного однофазного напряжения.
Известен четырехтактный распределитель импульсов, содержащий четыре транзистора, каждый из которых питает соответствующую обмотку управления. Каждый из четырех транзисторов выполняет функцию коммутатора, подающего напряжение на управляющие обмотки синхронного шагового двигателя. Данные транзисторы соединены между собой параллельно и подключены к источнику постоянного напряжения. Эмиттеры этих транзисторов подключены непосредственно к минусу источника постоянного напряжения, а каждый из коллекторов этих транзисторов подключен к соответствующей обмотке управления и через соответствующие резисторы - к плюсу источника постоянного напряжения. К каждой базе соответствующего транзистора подается управляющий импульс на открытие и закрытие транзисторов (М.Г.Чиликин. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. / Чиликин В.В. - М.: Энергия, 1971. - С.223, рис.6-4).
Недостатками данного устройства являются невысокая надежность вследствие обязательного наличия источника постоянного напряжения и отсутствие возможности его использования для работы с двухфазным синхронным шаговым двигателем вследствие осуществления только однополярного управления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является однофазный инвертор напряжения, питающийся от стабилизированного источника питания, в качестве которого использован источник постоянного напряжения. Однофазный инвертор напряжения содержит два реверсивных транзисторных коммутатора, в каждом из которых транзисторы соединены параллельно. При этом каждый из коммутаторов имеет два транзистора и два диода. Коллекторы транзисторов первого коммутатора объединены и подключены к плюсу источника постоянного напряжения. Эмиттеры транзисторов второго коммутатора объединены и подключены к минусу источника постоянного напряжения. Эмиттер первого транзистора первого коммутатора и коллектор первого транзистора второго коммутатора объединены и подключены к входу активно-индуктивной нагрузки. Эмиттер второго транзистора первого коммутатора и коллектор второго транзистора второго коммутатора объединены и подключены к выходу активно-индуктивной нагрузки. Анод каждого из диодов, шунтирующих транзисторы, подключен к эмиттеру, а катод - к коллектору соответствующего транзистора (Ю.К. Розанов. Основы силовой электроники. / Розанов Ю.К. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.132, рис.3.15).
Недостатками данного устройства являются низкая надежность вследствие наличия стабилизированного источника постоянного напряжения, что является дополнительным понижающим надежность инвертора преобразовательным звеном, высокая стоимость вследствие большого числа - по четыре - транзисторов и диодов на каждую активно-индуктивную нагрузку, в качестве которой может быть использована одна обмотка двигателя.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и экономичности транзисторного разнополярного частотного преобразователя, регулирующего скорость синхронного шагового двигателя.
Для решения поставленной задачи в транзисторном разнополярном частотном преобразователе, регулирующем скорость синхронного шагового двигателя, содержащем подключенные к источнику питания реверсивные транзисторные коммутаторы, в каждом из которых транзисторы соединены параллельно, причем коллекторы транзисторов первого реверсивного транзисторного коммутатора объединены, согласно изобретению в качестве источника питания реверсивных транзисторных коммутаторов использован источник переменного однофазного напряжения. При этом эмиттеры первых транзисторов каждого реверсивного транзисторного коммутатора подключены к фазе питающей сети, эмиттеры вторых транзисторов каждого реверсивного транзисторного коммутатора подключены к нулю питающей сети, коллекторы транзисторов первого реверсивного транзисторного коммутатора подключены к первому выходу первой обмотки управления, коллекторы транзисторов второго реверсивного транзисторного коммутатора объединены и подключены к первому выходу второй обмотки управления. Вторые выходы первой и второй обмоток управления объединены, а коллекторы транзисторов третьего реверсивного транзисторного коммутатора также объединены и подключены к объединенным вторым выходам первой и второй обмоток управления.
Повышение надежности устройства обусловлено использованием в качестве источника питания источника переменного однофазного напряжения при отсутствии стабилизированного источника питания постоянного напряжения.
Использование транзисторного разнополярного частотного преобразователя, регулирующего скорость синхронного шагового двигателя от однофазной сети переменного тока, обуславливается частотно-векторной алгоритмической коммутацией транзисторов. Это возможно благодаря использованию свойства симметричной структуры транзисторов проводить ток в обоих направлениях в ключевом режиме, что позволяет получить создание различных типов пошаговых вращающихся магнитных полей статора синхронного шагового двигателя, обеспечивающих расширение функциональных возможностей при регулировке частоты вращающего магнитного поля статора синхронного шагового двигателя, а следовательно, и скорости электродвигателя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого транзисторного разнополярного частотного преобразователя, регулирующего скорость синхронного шагового двигателя от однофазной сети переменного тока; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из четырех фиксированных положений; на фиг.3 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из шести фиксированных положений; на фиг.4 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3; на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, для частоты 50 Гц, должно происходить в соответствие с тактами переключения обмоток, показанными на фиг.6.
Кроме того, на чертежах изображено следующее:
сети
U - напряжение, поступающее от источника питания переменного напряжения;
t - текущее время;
Ф - фаза;
0 - ноль;
С1-С4 - выводы статорных обмоток управления двухфазного синхронного шагового двигателя;
L1, L2 - обмотки управления;
VT1-VT6 - транзисторы;
I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора синхронного двигателя;
прямые линии со стрелками - направления прямого магнитного потока в обмотках статора;
пунктирные линии со стрелками - направления обратного магнитного потока в обмотках статора.
Транзисторный разнополярный частотный преобразователь, регулирующий скорость синхронного шагового двигателя, содержит подключенные к источнику питания три реверсивных транзисторных коммутатора, реализованных на транзисторах, которые соединены с питающей сетью и статорными обмотками управления синхронного шагового двигателя. Каждый реверсивный полупроводниковый коммутатор содержит два транзистора, которые соединены между собой параллельно. Использован в качестве источника питания источник переменного однофазного напряжения. В каждом реверсивном транзисторном коммутаторе эмиттеры первых транзисторов подключены к фазе питающей сети, эмиттеры вторых транзисторов подключены к нулю питающей сети. Коллекторы транзисторов первого реверсивного транзисторного коммутатора объединены и подключены к первому выходу первой обмотки управления. Коллекторы транзисторов второго реверсивного транзисторного коммутатора объединены и подключены к первому выходу второй обмотки управления. Вторые выходы первой и второй обмоток управления объединены, а коллекторы транзисторов третьего реверсивного транзисторного коммутатора также объединены и подключены к объединенным вторым выходам первой и второй обмоток управления.
Пример выполнения транзисторного разнополярного частотного преобразователя, регулирующего скорость синхронного шагового двигателя.
Транзисторный разнополярный частотный преобразователь, регулирующий скорость синхронного шагового двигателя, содержит подключенные к источнику питания три реверсивных транзисторных коммутатора. В качестве источника питания реверсивных транзисторных коммутаторов использован источник переменного однофазного напряжения.
В первом реверсивном транзисторном коммутаторе коллектор первого транзистора 1 (VT1) и коллектор первого транзистора 2 (VT2) объединены и подключены к первому выходу 3 первой обмотки управления 4 (L1); эмиттер первого транзистора 1 (VT1) соединен с фазой питающей сети переменного напряжения и эмиттер второго транзистора 2 (VT2) соединен с нулем питающей сети переменного напряжения.
Во втором реверсивном транзисторном коммутаторе коллектор первого транзистора 5 (VT3) и коллектор второго транзистора 6 (VT4) объединены и подключены к первому выходу 7 (С3) второй обмотки управления 8 (L2); эмиттер первого транзистора 5 (VT3) соединен с фазой питающей сети переменного напряжения и эмиттер второго транзистора 6 (VT4) соединен с нулем питающей сети переменного напряжения.
В третьем реверсивном транзисторном коммутаторе коллектор первого транзистора 9 (VT5) и коллектор второго транзистора 10 (VT6) объединены и подключены к объединенным второму выходу 11 (С2) первой обмотки управления 4 (L1) и второму выходу 12 (С4) второй обмотки управления 8 (L2); эмиттер первого транзистора 9 (VT5) соединен с фазой питающей сети переменного напряжения и эмиттер второго транзистора 10 (VT6) соединен с нулем питающей сети переменного напряжения.
Таким образом, первый реверсивный транзисторный коммутатор содержит параллельно соединенные транзисторы 1 (VT1) и 2 (VT2), второй реверсивный транзисторный коммутатор - параллельно соединенные транзисторы 5 (VT3) и 6 (VT4), третий реверсивный транзисторный коммутатор - параллельно соединенные транзисторы 9 (VT5) и 10 (VT6), а второй выход 11 (С2) первой обмотки управления 4 (L1) и второй выход 12 (С4) второй обмотки управления 8 (L2) управления объединены.
Транзисторным разнополярным частотным преобразователем, регулирующим скорость синхронного шагового двигателя, осуществляется векторное - алгоритмическое управление синхронным шаговым двигателем при создании нескольких типов вращающихся полей статора: прохождением четырех или шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора синхронного шагового двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1(VT1), 2 (VT2), 5 (VT3), 6 (VT4), 9 (VT5), 10 (VT6) в следующем порядке (фиг.4):
1
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 10 (VT6), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмотке 4 (L1) в показанном на фиг.4 направлении;
2
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 1 (VT1), 10 (VT6), включаются и работают транзисторы 6 (VT4), 9 (VT5), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.4 направлении;
3
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 6 (VT4), 9 (VT5), включаются и работают транзисторы 9 (VT5), 2 (VT2), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмотке 4 (L1) в показанном на фиг.4 направлении;
4
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 9 (VT5), 2 (VT2), включаются и работают транзисторы 10 (VT6), 5 (VT3), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.4 направлении.
5
Начиная со следующего положительного полупериода, в момент времени t, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора синхронного шагового двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 5, 6, 9, 10 (VT1-VT6) в следующем порядке (фиг.5):
1
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 10 (VT6), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмотке 4 (L1) в показанном на фиг.5 направлении;
2
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, остаются включенными транзисторы 1 (VT1), 10 (VT6) и включается транзистор 5 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмоткам 4 (L1), 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
3
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключается транзистор 1 (VT1), 10 (VT6), 5 (VT3), включаются и работают транзисторы 6 (VT4), 9 (VT5), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
4
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 6 (VT4), 9 (VT5), включаются и работают транзисторы 10 (VT6), 1 (VT1), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмотке 4 (L1) в показанном на фиг.5 направлении;
5
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, отключаются транзисторы 10 (VT6), 1 (VT1), а включаются и работают транзисторы 9 (VT5), 2 (VT2), 6 (VT4), обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмоткам 4 (L1), 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
6
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключается транзистор 2 (VT2), а остаются включенными транзисторы 9 (VT5), 6 (VT4), обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
7
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 9 (VT5), 6, (VT4), а включаются и работают транзисторы 2 (VT2), 9 (VT5), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмоткам 4 (L1), 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
8
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, остаются включенными транзисторы 2 (VT2), 9 (VT5) и включается транзистор 6 (VT4), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направление по обмоткам 4 (L1), 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
9
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключается транзистор 2 (VT2), 6 (VT4), 9 (VT5), включаются и работают транзисторы 5 (VT3), 10 (VT6), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в положительном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
10
- в положительный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключаются транзисторы 5 (VT3), 10 (VT6), включаются и работают транзисторы 9 (VT5), 2 (VT2), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направление по обмотке 4 (L1) в показанном на фиг.5 направлении;
11
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, отключаются транзисторы 9 (VT5), 2 (VT2), а включаются и работают транзистор 10 (VT6), 1(VT1), 5 (VT3), обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмоткам 4 (L1), 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении;
12
- в отрицательный полупериод питающего переменного напряжения, в момент времени t, выключается транзистор 1 (VT1), а остаются включенными транзисторы 10 (VT6), 5 (VT3), обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока в отрицательном направлении по обмотке 8 (L2) в показанном на фиг.5 направлении.
13
Начиная со следующего положительного полупериода, в момент времени t цикл включения транзисторов 1 (VT1), 2 (VT2), 5 (VT3), 6 (VT4), 9 (VT5), 10 (VT6) повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Обеспечение вращения вектора магнитного потока поля статора синхронного шагового двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III-IV на частоте 50 Гц, должно происходить в соответствии с тактами переключения обмоток, показанными на фиг.6.
рег
Следовательно, меняя последовательность включения транзисторов, можно изменять скорость двигателя в соответствии с изменением частоты (f) напряжения, поступающего на двигатель, определяемой формулой:
рег
с
f=f/n,
рег
где f - регулировочная частота;
с
f - частота сети;
n - число периодов питающего напряжения сети переменного тока, используемых за один оборот вращающегося поля статора.
Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано для регулирования скорости вращения синхронного шагового двигателя при питании от однофазной сети переменного напряжения, при высоких показателях надежности и экономичности.