Транзисторный частотный преобразователь с компактной системой управления

Предлагаемая полезная модель относится к преобразователям частоты питающего напряжения и может быть использована как частотный преобразователь для питания аксинхронных двигателей.
Известен автономный инвертор тока, содержащий 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. B.А. Лабунцова. - М.: Энергоатом-издат, 1988. - С. 308, рис. 9.12).
Основными недостатками описанного 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 широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока, содержащий первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-p-n, пятый транзистор p-n-р, шестой транзистор n-p-n, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод. Аноды первого, второго и третьего диодов подключены к коллекторам соответственно первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р. Катоды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов n-p-n соответственно. Коллекторы первого транзистора p-n-р и четвертого транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы А, коллекторы третьего транзистора p-n-р и шестого транзистор n-p-n объединены и подключены к выходу фазы В, коллекторы пятого транзистора p-n-р и второго транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы C. Эмиттеры второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-p-n, составляющих нижнюю эмиттерную группу, а также аноды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к минусу источника питания постоянного напряжения. Эмиттеры первого транзистора p-n-р, третьего транзистора р-n-р и пятого транзистора p-n-р, составляющих верхнюю эмиттерную группу, а также катоды первого, второго и третьего диодов подключены к плюсу источника питания постоянного напряжения (патент RU 164966, МПК Н02Р 27/06 (2006.01)).
Однако использование описанного устройства приводит к потреблению большого количества электроэнергии вследствие необходимости применения четырех изолированных дополнительных источников постоянного напряжения для осуществления работы системы управления транзисторами, в свою очередь усложняющей конструкцию.
Представленная полезная модель решает техническую проблему снижения потребления электроэнергии путем уменьшения количества дополнительных источников постоянного напряжения в системе управления транзисторами, упрощающих конструкцию устройства.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в транзисторном частотном преобразователе с компактной системой управления, содержащем первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-p-n, пятый транзистор p-n-р и шестой транзистор n-p-n, при этом коллекторы первого транзистора p-n-р и четвертого транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы А, коллекторы третьего транзистора p-n-р и шестого транзистор n-p-n объединены и подключены к выходу фазы В, коллекторы пятого транзистора p-n-р и второго транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы С, эмиттеры второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-p-n подключены к минусу источника питания постоянного напряжения, эмиттеры первого транзистора p-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора р-n-р подключены к плюсу источника питания постоянного напряжения, согласно полезной модели аноды введенных первого, третьего и пятого фотодиодов соединены с коллекторами первого транзистора p-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора p-n-р соответственно. Катоды введенных первого, третьего и пятого фотодиодов соединены с базами первого транзистора p-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора p-n-р соответственно. Аноды введенных второго, четвертого и шестого фотодиодов соединены с базами второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-р-n и шестого транзистора n-p-n соответственно. Катоды введенных второго, четвертого и шестого фотодиодов соединены с коллекторами второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-p-n соответственно.
Уменьшение количества дополнительных источников постоянного тока в системе управления транзисторами, упрощающих конструкцию устройства, обусловлено использованием соединения коллектора и базы каждого транзистора введенным фотодиодом.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема транзисторного частотного преобразователя с компактной системой управления, на фиг. 2 представлен порядок включения полупроводниковых ключей - тактовая диаграмма.
Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:
VT1 - VT6 - транзисторы;
VD1 - VD6 - фотодиоды;
«+» - плюс постоянного напряжения;
«-» - минус постоянного напряжения;
А, В, С - фазы переменного трехфазного напряжения;
Ra - нагрузка фазы А;
Rb - нагрузка фазы В;
Rc - нагрузка фазы С;
- направление вращения векторов переменного тока;
Ia - ток фазы А;
Ib - ток фазы В;
Ic - ток фазы С;
Ud - постоянное напряжение;
t1 - t8 - моменты времени.
Транзисторный частотный преобразователь с компактной системой управления содержит шесть транзисторов, из которых три транзистора p-n-р и три транзистора n-р-n: первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-p-n, пятый транзистор p-n-р и шестой транзистор n-p-n. Коллекторы транзисторов противоположной проводимости объединенных между собой в пары и подключенных к выходам, соответствующих фаз. Так, коллекторы первого транзистора p-n-р и четвертого транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы А, коллекторы третьего транзистора p-n-р и шестого транзистор n-p-n объединены и подключены к выходу фазы В, коллекторы пятого транзистора p-n-р и второго транзистора n-p-n объединены и подключены к выходу фазы С. Эмиттеры второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-p-n подключены к минусу источника питания постоянного напряжения. Эмиттеры первого транзистора р-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора p-n-р подключены к плюсу источника питания постоянного напряжения. В устройство введены шесть фотодиодов. Аноды первого, третьего и пятого фотодиодов соединены с коллекторами первого транзистора p-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора p-n-р соответственно. Катоды первого, третьего и пятого фотодиодов соединены с базами первого транзистора p-n-р, третьего транзистора p-n-р и пятого транзистора p-n-р соответственно. Аноды второго, четвертого и шестого фотодиодов соединены с базами второго транзистора n-р-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-p-n соответственно. Катоды второго, четвертого и шестого фотодиодов соединены с коллекторами второго транзистора n-p-n, четвертого транзистора n-p-n и шестого транзистора n-р-n соответственно.
К плюсу 1 (+Ud) источника питания постоянного напряжения подключены эмиттеры первого транзистора р-n-р 2 (VT1), третьего транзистора p-n-р 3 (VT3), пятого транзистора р-n-р 4 (VT5). К минусу 5 (-Ud) источника питания постоянного напряжения подключены эмиттеры второго транзистора n-р-n 8 (VT2), четвертого транзистора n-р-n 6 (VT4), шестого транзистора 7 (VT6).
Транзисторы объединены между собой в пары путем объединения коллекторов и подключены к выходу соответствующей фазы. Так, объединены коллекторы первого транзистора р-n-р 2 (VT1) и четвертого транзистора n-р-n 6 (VT4) и подключены к выходу 9 (А) фазы А переменного напряжения, объединены коллекторы третьего транзистора р-n-р 3 (VT3) и шестого транзистора n-р-n 7 (VT6) и подключены к выходу 10 (В) фазы В переменного напряжения, объединены коллекторы транзисторов пятого транзистора р-n-р 4 (VT5) и второго транзистора n-р-n 8 (VT2) и подключены к выходу 11 (С) фазы С переменного напряжения.
Коллектор первого транзистора р-n-р 2 (VT1) соединен с анодом первого фотодиода 12 (VD1), а база первого транзистора р-n-р 2 (VT1) соединена с катодом первого фотодиода 12 (VD1). Коллектор третьего транзистора р-n-р 3 (VT3) соединен с анодом третьего фотодиода 13 (VD3), а база третьего транзистора р-n-р 3 (VT3) соединена с катодом третьего фотодиода 13 (VD3). Коллектор пятого транзистора р-n-р 4 (VT5) соединен с анодом пятого фотодиода 14 (VD5), а база пятого транзистора р-n-р 4 (VT5) соединена с катодом пятого фотодиода 14 (VD5).
Коллектор четвертого транзистора n-р-n 6 (VT4) соединен с катодом четвертого фотодиода 15 (VD4), а база четвертого транзистора n-р-n 6 (VT4) соединена с анодом четвертого фотодиода 15 (VD4). Коллектор шестого транзистора n-р-n 7 (VT6) соединен с катодом шестого фотодиода 16 (VD6), а база шестого транзистора n-р-n 7 (VT6) соединена с анодом шестого фотодиода 16 (VD6). Коллектор второго транзистора n-р-n 8 (VT2) соединен с катодом второго фотодиода 17 (VD2), а база второго транзистора n-р-n 8 (VT2) соединена с анодом второго фотодиода 17 (VD2).
Выходы 9 (А) фазы А переменного напряжения, 10 (В) фазы В переменного напряжения, фазы С переменного напряжения подключены соответственно к нагрузке 18 (Ra), 19 (Rb), 20 (Rc), соединенной звездой.
Работа транзисторного частотного преобразователя с компактной системой управления происходит следующим образом.
При подаче светового сигнала на фотодиоды 12 (VD1), 17 (VD2), 13 (VD3), 15 (VD4), 14 (VD5), 16 (VD6) открывается соответствующий фотодиоду транзистор p-n-р или транзистор n-р-n, а именно, в момент времени t1 открываются транзисторы 2 (VT1) и 8 (VT2); в момент времени t2 открываются транзисторы 8 (VT2) и 3 (VT3), транзистор 2 (VT1) закрывается; в момент времени t3 открываются транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT4), транзистор 8 (VT2) закрывается; в момент времени t4 открываются транзисторы 6 (VT4) и 4 (VT5), транзистор 3 (VT3) закрывается; в момент времени t5 открываются транзисторы 4 (VT5) и 7 (VT6), транзистор 6 (VT4) закрывается; в момент времени t6 открываются транзисторы 7 (VT6) и 2 (VT1), транзистор 4 (VT5) закрывается; в момент времени t7, так же как и в момент времени t1, открываются транзисторы 2 (VT1) и 8 (VT2), транзистор 7 (VT6) закрывается, в последующие моменты времени идет повторение последовательности открывания транзисторов.
Следуя такому порядку включения транзисторов через нагрузки - 18 (Ra), 19 (Rb), 20 (Rc) - протекает соответственно ток - Ia, Ib, Ic. В различные временные промежутки протекают различные токи, а именно: в момент времени t1 токи Ia и Ic протекают через нагрузки 18 (Ra) и 20 (Rc), направление токов показано сплошной стрелкой на фигуре 2; в момент времени t2 токи Ic и Ib протекают через нагрузки 19 (Rb) и 20 (Rc); в момент времени t3 токи Ia и Ib протекают через нагрузки 18 (Ra) и 19 (Rb), причем ток Iа меняет свое направление; в момент времени t4 токи Ia и Ic протекают через нагрузки 18 (Ra) и 20 (Rb), причем ток Ic меняет свое направление; в момент времени t5 токи Ib и Ic протекают через нагрузки 19 (Rb) и 20 (Rc), причем ток Ib меняет свое направление; в момент времени t6 токи Ia и Ib протекают через нагрузки 18 (Ra) и 19 (Rb), причем ток Ia меняет свое направление; в момент времени t7, так же как и в момент времени 1, токи Ia и Ib протекают через нагрузки 18 (Ra) и 20 (Rc), причем ток Ic меняет свое направление. Таким образом, через нагрузки 18 (Ra), 19 (Rb), 20 (Rc) протекает переменный трехфазный ток (стрелкой показано направление вращения векторов переменного тока). Изменяя время промежутков открытия транзисторов, можно изменять частоту переменного тока в широком диапазоне.
Таким образом, представленное устройство позволяет преобразовывать постоянное напряжение в переменное напряжение различной частоты, без использования дополнительных источников постоянного напряжения, так как транзисторы питаются от общего источника постоянного тока через фотодиоды, не требуется наличие изолированных источников постоянного напряжения для работы системы управления транзисторами.