РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ РЕДУКТОР ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПИТАЮЩЕГОСЯ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ
ADJUSTABLE TRANSISTOR REDUCER OF THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR SUPPLIED POWER TO FROM SINGLE-PHASE MAINS

Предлагаемое изобретение относится к однофазно-трехфазным дискретным низкочастотным преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью, и может быть использовано в электроприводе для питания асинхронных трехфазных и синхронных электродвигателей.
Известен трехфазный низкочастотный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый трехфазной сетью, образованный из трех трехфазных нулевых тиристорных выпрямителей. Выходы тиристорных выпрямителей предназначены для подключения к входам трех обмоток статора, включенных в звезду. При этом аноды тиристоров подключены к соответствующим фазам трехфазной сети, а катоды связаны между собой, образуя нулевую точку, которая соединена с входом соответствующей обмотки. Выходы обмоток статора предназначены для соединения с нулем питающей сети (Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я.Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С.42, рис.2-10а.).
Основными недостатками этого низкочастотного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого трехфазной сетью, являются низкая надежность и повышенные габариты вследствие использования большого числа тиристоров.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является низкочастотный преобразователь частоты асинхронного двигателя, статорные обмотки которого соединены в звезду, содержащий три полупроводниковые вентильные группы. Первая вентильная группа выполнена на основе трех диодов, катоды которых предназначены для подключения к плюсу питающей сети постоянного тока напряжением 300 В и нулевому проводу, который подключен к выходам трех статорных обмоток. Вторая вентильная группа содержит три биполярных транзистора, эмиттеры которых предназначены для соединения с минусом питающей сети постоянного тока. Третья вентильная группа содержит три полевых транзистора, истоки которых подключены к соответствующим анодам трех диодов, образующих первую вентильную группу, а стоки подключены к общему минусу питающей сети постоянного тока. Коллекторы трех биполярных транзисторов второй вентильной группы подключены к соответствующим затворам полевых транзисторов, а также через резисторы к напряжению 9 B, а эмиттеры трех биполярных транзисторов предназначены для подключения через истоки полевых транзисторов к соответствующим статорным обмоткам двигателя. Таким образом, преобразователь выполнен на трех полевых транзисторах, трех биполярных транзисторах и трех диодах (Дубровский А. Усовершенствование регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей / Дубровский А. // Радио. - 2002. - №11 - С.41).
Основными недостатками описанного низкочастотного полупроводникового преобразователя частоты являются пониженные энергетические показатели асинхронного двигателя ввиду наличия нулевого провода, подключенного к статорной обмотке, использования стабилизированного источника питания постоянного тока, наличия постоянной составляющей в сети, питающей обмотки двигателя, так как ток протекает по обмоткам только в одном направлении, что вызывает подмагничивание обмоток статора, пониженная надежность, повышенные габариты и стоимость вследствие необходимости применения большого количества транзисторов на разные напряжения, диодов и дополнительного источника постоянного напряжения и отсутствия потенциальной развязки между напряжениями 300 B и 9 B.
В предлагаемом изобретении решается задача повышения энергетических показателей, надежности, экономичности, а также снижения габаритов устройства.
Для решения поставленной задачи в регулируемом транзисторном редукторе трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, содержащем полупроводниковые первую вентильную группу на основе диодов и вторую вентильную группу на основе транзисторов, предназначенных для присоединения к статорным обмоткам двигателя, соединенным в звезду, согласно изобретению первая вентильная группа на основе диодов выполнена в виде диодного однофазного выпрямительного моста, имеющего первый вход переменного напряжения, предназначенный для соединения с фазой питающей сети, второй вход переменного напряжения, предназначенный для соединения с нулем питающей сети, первый выход, являющийся плюсом выпрямленного напряжения, и второй выход, являющийся минусом выпрямленного напряжения. Вторая вентильная группа выполнена на шести транзисторах, предназначенных для обеспечения векторно-алгоритмической коммутации обмоток, по два транзистора структур p-n-p и n-p-n, соединяющихся с одной статорной обмоткой двигателя. Коллекторы транзисторов структуры p-n-p подсоединены к коллекторам транзисторов структуры n-p-n и к началам статорных обмоток, тогда как эмиттеры транзисторов структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, а эмиттеры транзисторов структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста.
Повышение энергетических показателей обусловлено исключением постоянной составляющей в цепи питания обмоток статора за счет протекания тока в двух направлениях по обмоткам статора.
Повышение надежности, экономичности и уменьшение габаритов регулируемого транзисторного редуктора трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, обусловлено как упрощением силовой системы управления в связи с уменьшением количества силовых коммутирующих элементов, так и отсутствием нулевого провода в статорной цепи, а также отсутствием дополнительного низковольтного источника напряжения, потенциально связанного с источником напряжения значительно большей величины.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого регулируемого транзисторного редуктора трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, на фиг.2 - векторная диаграмма вращения, состоящая из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора, на фиг.3 - векторная диаграмма вращения, состоящая из четырех фиксированных положений магнитного потока поля статора, фиг.4 - векторная диаграмма вращения, состоящая из шести фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3, на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4.
Кроме того, на чертежах изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- + - плюс источника постоянного тока;
- - - минус источника постоянного тока;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора;
- Uсети=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;
- Uвыпр=f(t) - выпрямленное напряжение сети;
- A, B, C - статорные обмотки двигателя;
- VT1-VT6 - транзисторы;
- дугообразные линии со стрелками - направление изменяющегося магнитного потока поля статора двигателя;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Регулируемый транзисторный редуктор трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, содержит полупроводниковые первую вентильную группу на основе диодов и вторую вентильную группу на основе транзисторов, предназначенных для присоединения к статорным обмоткам двигателя, соединенным в звезду. Первая вентильная группа на основе диодов выполнена в виде диодного однофазного выпрямительного моста, у которого первый вход переменного напряжения предназначен для соединения с фазой питающей сети, второй вход переменного напряжения предназначен для соединения с нулем питающей сети, первый выход является плюсом выпрямленного напряжения, второй выход - минусом выпрямленного напряжения. Вторая вентильная группа выполнена на шести транзисторах, предназначенных для обеспечения векторно-алгоритмической коммутации обмоток, по два транзистора структур p-n-p и n-p-n на каждую обмотку двигателя. Коллекторы транзисторов структуры p-n-p подсоединены к коллекторам транзисторов структуры n-p-n и к статорной обмотке. Эмиттеры транзисторов структуры p-n-p подключены к положительному выходу постоянного напряжения диодного моста, то есть к плюсу выпрямленного напряжения, а эмиттеры транзисторов структуры n-p-n подключены к отрицательному выходу постоянного напряжения диодного моста, то есть к минусу выпрямленного напряжения.
При этом можно использовать только транзисторы типа p-n-p или n-p-n, включая их соответствующим образом.
Пример выполнения регулируемого транзисторного редуктора трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, собранного на транзисторах.
Устройство содержит полупроводниковую первую вентильную группу, выполненную в виде диодного однофазного выпрямительного моста 1, у которого первый вход переменного напряжения предназначен для соединения с фазой питающей сети, второй вход переменного напряжения предназначен для соединения с нулем питающей сети, первый выход является плюсом выпрямленного напряжения, второй выход - минусом выпрямленного напряжения, и полупроводниковую вторую вентильную группу, выполненную на транзисторах 2, 3, 4, 5, 6, 7 (VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6). Транзисторы 2, 4, 6 (VT1, VT3, VT5) имеют структуру p-n-p, а транзисторы 3, 5, 7 (VT2, VT4, VT6) имеют структуру n-p-n.
Положительный выход постоянного напряжения диодного моста 1 подключен к эмиттерам транзисторов 2, 4, 6 (VT1, VT3, VT5). Отрицательный выход постоянного напряжения диодного моста 1 подключен к эмиттерам транзисторов 3, 5, 7 (VT2, VT4, VT6). Коллектор транзистора 2 (VT1) соединен с коллектором транзистора 3 (VT2) и соединен с началом статорной обмотки 8 двигателя (обмотка A). Коллектор транзистора 4 (VT3) соединен с коллектором транзистора 5 (VT4) и связан с началом статорной обмотки 9 двигателя (обмотка В). Коллектор транзистора 6 (VT5) соединен с коллектором транзистора 7 (VT6) и связан с началом статорной обмотки 10 двигателя (обмотка С). Концы обмоток 8, 9, 10 (обмотки A, B, C) двигателя соединены в звезду (фиг.1).
Регулируемый транзисторный редуктор трехфазного асинхронного двигателя, питающегося от однофазной сети, работает следующим образом.
Для получения вращающегося магнитного поля методом векторно-алгоритмического понижения частоты статорной обмотки необходимо включать транзисторы в определенной последовательности.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III, показанной на фиг.2 векторной диаграммой вращения поля статора (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 2, 3, 4, 5, 6, 7 (VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6) следующим образом:
в I полупериод выпрямленного напряжения (фиг.5) - одновременно VT1, VT4 - I положение вектора поля статора;
во II полупериод выпрямленного напряжения (фиг.5) - одновременно VT3, VT6 - II положение вектора поля статора;
в III полупериод выпрямленного напряжения (фиг.5) - одновременно VT5, VT2 - III положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV, показанной на фиг.3 векторной диаграммой вращения поля статора (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 2, 3, 4, 5, 6, 7 (VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6) следующим образом:
в I полупериод выпрямленного напряжения (фиг.6) - одновременно VT1, VT4 - I положение вектора поля статора;
во II полупериод выпрямленного напряжения (фиг.6) - одновременно VT3, VT6 - II положение вектора поля статора;
в III полупериод выпрямленного напряжения (фиг.6) - одновременно VT3, VT2 - III положение вектора поля статора;
в IV полупериод выпрямленного напряжения (фиг.6) - одновременно VT5, VT4 - IV положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI, показанной на фиг.4 векторной диаграммой вращения поля статора (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 5, 6, 7 (VT2, VT1, VT3) следующим образом:
В I полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT1, VT4 - I положение вектора поля статора,
во II полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT1, VT6 - II положение вектора поля статора,
в III полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT3, VT6 - III положение вектора поля статора,
в IV полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT3, VT2 - IV положение вектора поля статора,
в V полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT5, VT2 - V положение вектора поля статора,
в VI полупериод выпрямленного напряжения (фиг.7) - одновременно VT5, VT4 - VI положение вектора поля статора.
Кроме того, для изменения частоты можно пропускать на одном такте переключения векторов не одну полуволну питающего напряжения, а две, три и так далее. Последовательности включения транзисторов при пропускании на одном такте переключения векторов двух и трех полуволн питающего напряжения аналогичны вышеописанным (см. фиг.2-7). При необходимости реверса меняется соответственно алгоритм работы транзисторов.
Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано в однофазной сети для регулировки скорости бытовых приборов, имеющих трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель, при высоких показателях надежности и экономичности и малых габаритах.