ШИРОКОРЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым автономным преобразователям частоты, выполненным на транзисторах с широтно-импульсной модуляцией, и может быть использована для пуска и питания электродвигателей переменного тока в качестве автономного инвертора тока и автономного инвертора напряжения.
Известно устройство автономного инвертора тока, содержащее в качестве вентилей шесть однооперационных тиристоров, соединенных попарно последовательно и работающих попарно параллельно. Коммутация тиристоров в инверторе осуществляется с помощью конденсаторов, подключенных к парам тиристоров (Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин; под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатом-издат, 1988. - С. 308, рис. 9.12).
Основными недостатками описанного устройства автономного преобразователя являются невозможность работы в качестве автономного инвертора напряжения и необходимость емкостного запирания тиристоров за счет использования конденсаторов, причем емкость конденсаторов зависит от нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является автономный преобразователь частоты, работающий как автономный инвертор напряжения, содержащий первый транзистор NPN-типа, второй транзистор NPN-типа, третий транзистор NPN-типа, четвертый транзистор NPN-типа, пятый транзистор NPN-типа, шестой транзистор NPN-типа, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод. Коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов, составляющих верхнюю эмиттерную группу, а также катоды первого, второго и третьего диодов подключены к плюсу источника питания. Эмиттеры первого, третьего и пятого транзисторов подключены к фазе А, фазе В, фазе С статора электродвигателя и к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов соответственно. Аноды первого, второго и третьего диодов подключены к эмиттерам соответственно первого, третьего и пятого транзисторов. Эмиттеры четвертого, шестого и второго транзисторов, составляющих нижнюю эмиттерную группу, а также аноды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к минусу источника питания соответственно. Катоды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов соответственно. Таким образом, первый, третий и пятый транзисторы NPN-типа, составляющие верхнюю эмиттерную группу, связаны с четвертым, шестым и вторым транзисторами NPN-типа, а также с плюсом источника питания; четвертый, шестой и второй транзисторы связаны с минусом источника питания; первый транзистор также подключен к фазе А статора электродвигателя, третий транзистор также подключен к фазе В статора электродвигателя, пятый транзистор также подключен к фазе С статора электродвигателя. Для управления первым, третьим и пятым транзисторами необходимы три изолированных источника питания для подачи управляющего сигнала на базу-эмиттер. Для управления четвертым, шестым и вторым транзисторами с объединенными эмиттерами необходим один изолированный источник питания (Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000 г. - С. 273-288).
Основными недостатками автономного преобразователя частоты, работающего в качестве автономного инвертора напряжения, является необходимость наличия трех изолированных источников питания для управления первым, третьим и пятым транзисторами и одного изолированного источника питания для управления четвертым, шестым и вторым транзисторами с объединенными эмиттерами, что существенно усложняет управление транзисторами.
Предлагаемой полезной моделью решается задача расширения арсенала устройств преобразования частоты для электродвигателей переменного тока, позволяющего уменьшить число изолированных источников питания до двух при использовании транзисторов PNP-типа.
Для решения поставленной задачи в широкорегулируемом транзисторном преобразователе частоты для электродвигателя переменного тока, содержащем первый транзистор, второй транзистор NPN-типа, третий транзистор, четвертый транзистор NPN-типа, пятый транзистор, шестой транзистор NPN-типа, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод, при этом эмиттеры четвертого, шестого и второго транзисторов NPN-типа, составляющих нижнюю эмиттерную группу, а также аноды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к минусу источника питания, катоды первого, второго и третьего диодов подключены к плюсу источника питания, катоды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов NPN-типа соответственно, первый, третий и пятый транзисторы, составляющие верхнюю эмиттерную группу, связаны с четвертым, шестым и вторым транзисторами NPN-типа соответственно, а также с плюсом источника питания, первый транзистор также подключен к фазе А статора электродвигателя, третий транзистор также подключен к фазе В статора электродвигателя, пятый транзистор также подключен к фазе С статора электродвигателя, согласно полезной модели эмиттеры первого, третьего и пятого транзисторов, являющихся транзисторами PNP-типа, подключены к плюсу источника питания, аноды первого, второго и третьего диодов подключены к коллекторам соответственно первого, третьего и пятого транзисторов PNP-типа, коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов PNP-типа подключены к фазе А, фазе В и фазе С статора электродвигателя и к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов NPN-типа соответственно.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока; на фиг. 2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока при работе преобразователя в качестве автономного инвертора тока в прямом направлении; на фиг. 3 - тактовая диаграмма, поясняющая работу преобразователя в качестве автономного инвертора тока в прямом направлении; на фиг. 4 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора электродвигателя, состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока, при работе преобразователя в качестве автономного инвертора тока, осуществляющего реверс двигателя; на фиг. 5 - тактовая диаграмма, поясняющая работу преобразователя в качестве автономного инвертора тока при реверсе; на фиг. 6 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора электродвигателя, состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока при работе преобразователя в качестве автономного инвертора напряжения в прямом направлении; на фиг. 7 - тактовая диаграмма, поясняющая работу преобразователя в качестве автономного инвертора напряжения в прямом направлении; на фиг. 8 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока, при работе преобразователя в качестве автономного инвертора напряжения, осуществляющего реверс двигателя; на фиг. 9 - тактовая диаграмма, поясняющая работу преобразователя в качестве автономного инвертора напряжения при реверсе.
Кроме того, на чертеже изображено следующее:
- + - плюс источника питания;
- - минус источника питания;
- Э - эмиттер;
- Кл - коллектор;
- А - анод;
- Кт - катод;
- А, В. С - фазы напряжений, поступающих на статор электродвигателя переменного тока;
- Д - электродвигатель;
- VT1, VT3, Т5 - транзисторы PNP-типа;
- VT2, VT4, VT6 - транзисторы NPN-типа;
- VD1-VD6-диоды;
- t1-t6 - моменты времени, в которые открываются необходимые транзисторы;
- I - VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора электродвигателя переменного тока.
Широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока содержит первый транзистор 1 (VT1) PNP-типа, второй транзистор 2 (VT2) NPN-типа, третий транзистор 3 (VT3) PNP-типа, четвертый транзистор 4 (VT4) NPN-типа, пятый транзистор 5 (VT5) PNP-типа, шестой транзистор 6 (VT6) NPN-типа, первый диод 7 (VD1), второй диод 8 (VD2), третий диод 9 (VD3), четвертый диод 10 (VD4), пятый диод 11 (VD5), шестой диод 12 (VD6).
Эмиттеры первого транзистора 1 (VT1), третьего транзистора 3 (VT3) и пятого транзистора 5 (VT5), входящих в состав верхней эмиттерной группы, а также катоды первого диода 7 (VD1), второго диода 8 (VD2) и третьего диода 9 (VD3) подключены к плюсу источника питания. Аноды первого диода 7 (VD1), второго диода 8 (VD2) и третьего диода 9 (VD3) подключены к коллекторам первого транзистора 1 (VT1), третьего транзистора 3 (VT3) и пятого транзистора 5 (VT5) соответственно. Коллекторы первого транзистора 1 (VT1), третьего транзистора 3 (VT3) и пятого транзистора 5 (VT5) подключены соответственно к фазе А, фазе В и фазе С статора электродвигателя 13 и соответственно к коллекторам четвертого транзистора 4 (VT4), шестого транзистора 8 (VT6) и второго транзистора 2 (VT2).
Эмиттеры четвертого транзистора 4 (VT4), шестого транзистора 6 (VT6) и второго транзистора 2 (VT2), входящих в состав нижней эмиттерной группы, а также аноды четвертого 2 (VD4), пятого 6 (VD5) и шестого 10 (VD6) диодов подключены к минусу источника питания. Катоды четвертого 2 (VD4), пятого 6 (VD5) и шестого 10 (VD6) диода подключены к коллекторам четвертого 4 (VT4), шестого 8 (VT6) и второго 12 (VT2) транзисторов.
Таким образом, первый транзистор 1 (VT1), третий транзистор 3 (VT3) и пятый транзистор 5 (VT5), связаны с четвертым транзистором 4 (VT4), шестым транзистором 6 (VT6) и вторым транзистором 2 (VT2) соответственно, а также с плюсом источника питания. Первый транзистор 1 (VT1) также подключен к фазе А статора электродвигателя, третий транзистор 3 (VT3) также подключен к фазе В статора электродвигателя, пятый транзистор 5 (VT5) также подключен к фазе С статора электродвигателя.
Широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока снабжен источником питания, предназначенным для осуществления пуска и питания электродвигателя переменного тока (на чертеже не показан).
Работа широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока в качестве автономного инвертора тока в прямом направлении при одновременной работе двух транзисторов (Фиг. 3) и прохождение шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля (Фиг. 2) осуществляется следующим образом:
- в момент времени t1 открываются транзистор 1 (VT1) и транзистор 2 (VT2), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-С, - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 3 (VT3), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-С, - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3 закрывается транзистор 2 (VT2) и открывается транзистор 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-В, - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 закрывается транзистор 3 (VT3) и открывается транзистор 5 (VT5), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-А, - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 закрывается транзистор 4 (VT4) и открывается транзистор 6 (VT6), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-В, - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t6 закрывается транзистор 5 (VT5) и открывается транзистор 1 (VT1), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В, - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
При данных последовательностях включения транзисторов широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока работает в качестве автономного инвертора тока в прямом направлении.
Работа широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока в качестве автономного инвертора тока при реверсе при одновременной работе двух транзисторов (Фиг. 5) и прохождение шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля (Фиг. 4) осуществляется следующим образом:
- в момент времени t1 открываются транзистор 1 (VT1) и транзистор 6 (VT6), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В, - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 5 (VT5), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-В, - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3 закрывается транзистор 6 (VT6) и открывается транзистор 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-А, - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 закрывается транзистор 5 (VT5) и открывается транзистор 3 (VT3), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-А, - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 закрывается транзистор 4 (VT4) и открывается транзистор 2 (VT2), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-С, - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t6 закрывается транзистор 3 (VT3) и открывается транзистор 1 (VT1), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В, - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
При данных последовательностях включения транзисторов широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока работает в качестве автономного инвертора тока при реверсе.
Работа широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока в качестве автономного инвертора напряжения в прямом направлении при одновременной работе трех транзисторов (Фиг. 7) и прохождение шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля (Фиг. 6) осуществляется следующим образом:
- в момент времени t1 открываются транзистор 1 (VT1), транзистор 2 (VT2) и транзистор 3 (VT3), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В и В-С, - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-С и В-А, - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3 закрывается транзистор 2 (VT2) и открывается транзистор 5 (VT5), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-А и С-А, - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 закрывается транзистор 3 (VT3) и открывается транзистор 6 (VT6), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-А и С-В, - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 закрывается транзистор 4 (VT4) и открывается транзистор 1 (VT1), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В и С-В, - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t6 закрывается транзистор 5 (VT5) и открывается транзистор 2 (VT2), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В и А-В, - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
При данных последовательностях включения транзисторов широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока работает в качестве автономного инвертора напряжения в прямом направлении.
Работа широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока в качестве автономного инвертора напряжения при реверсе при одновременной работе трех транзисторов (Фиг. 9) и прохождение шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля (Фиг. 8) осуществляется следующим образом:
- в момент времени t1 открываются транзистор 1 (VT1), транзистор 6 (VT6) и транзистор 5 (VT5), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В и С-В, - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора С-А и С-В, - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3 закрывается транзистор 6 (VT6) и открывается транзистор 3 (VT3), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-А и С-А, - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 закрывается транзистор 5 (VT5) и открывается транзистор 2 (VT2), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора В-С и В-А, - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 закрывается транзистор 4 (VT4) и открывается транзистор 1 (VT1), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-С и В-С, - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t6 закрывается транзистор 3 (VT3) и открывается транзистор 6 (VT6), обеспечивая протекание тока по обмоткам статора А-В и А-С, - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
При данных последовательностях включения транзисторов широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока работает в качестве автономного инвертора напряжения при реверсе.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за возможности работы как в качестве автономного инвертора напряжения, так автономного инвертора тока и АИТ, а также за счет уменьшения количества изолированных источников питания.