ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ ОДНОФАЗНОЙ СЕТЬЮ

Предлагаемая полезная модель относится к широкополосным преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью, и может быть использована в электроприводе для управления скоростью асинхронных трехфазных и синхронных электродвигателей.
Известен трехфазный низкочастотный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый трехфазной сетью, образованный из трех трехфазных нулевых тиристорных выпрямителей, выходами подключенных к входам трех обмоток статора, включенных в звезду. При этом нулевая точка источника питания подсоединена к нулевой точке трехфазного асинхронного двигателя (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 отсутствие возможности непосредственного использования в однофазной сети и нарушения режима работы асинхронного двигателя и его характеристик вследствие подачи на обмотки статора однонаправленного выпрямленного напряжения.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является однофазно-трехфазный низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий полупроводниковые вентили, подсоединенные к питающей сети, включенные по трем нулевым встречно-параллельным схемам выпрямления. Средняя точка каждой из трех схем подключена к соответствующему началу одной из статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя. Концы обмоток статора электродвигателя соединены в звезду. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока. Нулевые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполненные на полупроводниковых вентилях, предназначены для обеспечения возможности изменения направления вращения вектора магнитного потока поля статора. Полупроводниковые вентили собраны на тиристорах (патент RU 88227, МПК H02P 21/10 (2006.01)).
Основными недостатками описанного устройства низкочастотного преобразования частоты, ведомого сетью, являются отсутствие возможности регулирования частоты напряжения, поступающего на статорные обмотки электродвигателя, в широком диапазоне, сложная схема управления вентилями из-за необходимости учета полярности питающего напряжения, а также повышенная стоимость и низкая надежность вследствие использования большого числа полупроводниковых вентилей в нулевых встречно-параллельных схемах выпрямления.
В предлагаемой полезной модели решается задача обеспечения возможности регулирования напряжения, поступающего на статорные обмотки электродвигателя, в широком диапазоне, упрощения системы управления вентилями, а также снижения стоимости и увеличения надежности.
Для решения поставленной задачи в однофазно-трехфазном широкополосном транзисторном преобразователе частоты, ведомом однофазной сетью, содержащем три схемы выпрямления, средняя точка каждой из трех схем подключена к соответствующему началу одной из статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, концы обмоток которого соединены в звезду, причем в качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока, согласно полезной модели в каждой из схем выпрямления использованы по два полевых транзистора.
Обеспечение возможности регулирования напряжения, поступающего на статорные обмотки электродвигателя, в широком диапазоне, упрощение системы управления вентилями, снижение стоимости и увеличение надежности обусловлены использованием в каждой из трех схем выпрямления двух полевых транзисторов, каждый из которых может пропускать ток в прямом и обратном направлениях без учета полярности приложенного к ним питающего напряжения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого однофазно-трехфазного широкополосного транзисторного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью; на фиг. 2 - векторная диаграмма вращения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг. 3 - векторная диаграмма вращения состоящего из четырех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг. 4 - векторная диаграмма вращения состоящего 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 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг. 7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 3; на фиг. 8 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 3; на фиг. 9 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 4; на фиг. 10 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 4; на фиг. 11 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2, при работе двигателя на повышенной частоте; на фиг. 12 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 4, при работе двигателя на повышенной частоте. Кроме того, на чертеже изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- C1-C3 - начала статорных обмоток;
- VT1-VT6 - полевые транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- Uсети=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в обмотках статора двигателя.
Однофазно - трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, содержит три схемы выпрямления. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока. В каждой из нулевых схем выпрямления используется по два полевых транзистора.
В первой схеме 1 выпрямления средняя точка 2 полевых транзисторов 3 (VT1) и 4 (VT2) подключена началу 5 (C1) статорной обмотки электродвигателя. Во второй схеме 6 выпрямления средняя точка 7 полевых транзисторов 8 (VT3) и 9 (VT4) подключена к началу 10 (C2) статорной обмотки электродвигателя. В третьей схеме 11 выпрямления средняя точка 12 полевых транзисторов 13 (VT5) и 14 (VT6) подключена началу 15 (C3) статорной обмотки электродвигателя. Концы статорных обмоток с началами 5, 10, 15 (C1, C2 и C3) электродвигателя соединены в звезду.
Однофазно - трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, работает следующим образом.
Первоначально, на затворы транзисторов 3, 4, 8, 9, 13, 14 (VT1-VT6) подано напряжение, создающее электрическое поле для закрытия транзисторов. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов в определенной последовательности.
Для обеспечения вращения поля статора в соответствие с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 3, 4, 8, 9, 13, 14 (VT1-VT6) в следующей последовательности:
одновременно VT2, VT3, VT5 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT3, VT6 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT3, VT6 - III положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT4, VT6 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT4, VT5 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT4, VT5 - III положение вектора поля статора.
При прохождении следующей положительной полуволны питающего напряжения последовательность открытия транзисторов повторяется.
сети
При вышеописанных последовательностях включения транзисторов, то есть снятие напряжения с соответствующих затворов, данный однофазно - трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, позволяет работать двигателю на частоте f/1,5.
Для обеспечения вращения поля статора в соответствие с векторной диаграммой, показанной на фиг. 3, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 3, 4, 8, 9, 13, 14 (VT1-VT6) в следующей последовательности:
одновременно VT2, VT5 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT3, VT6 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT6 - III положение вектора поля статора, затем
одновременно V1, V4, VT5 - IV положение вектора поля статора.
При прохождении следующей положительной полуволны питающего напряжения последовательность открытия транзисторов повторяется.
При вышеописанных последовательностях включения транзисторов данный однофазно - трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, позволяет работать двигателю на частоте .
Для обеспечения вращения поля статора в соответствие с векторной диаграммой, показанной на фиг. 4, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 3, 4, 8, 9, 13, 14 (VT1-VT6) в следующей последовательности:
одновременно VT2, VT3, VT5 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT3, VT6 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT4, VT5 - III положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT3, VT5 - IV положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT3, VT6 - V положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT4, VT5 - VI положение вектора поля статора.
При прохождении следующей положительной полуволны питающего напряжения последовательность открытия транзисторов повторяется.
сети
При вышеописанных последовательностях включения транзисторов, данный однофазно - трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, позволяет работать двигателю на частоте f.
сети
Для обеспечения работы двигателя на частоте 2f в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 3, 4, 8, 9, 13, 14 (VT1-VT6) в следующей последовательности:
одновременно VT2, VT3, УТ5 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT5, VT4 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT3, VT6 - III положение вектора поля статора, затем
одновременно VT1, VT4, VT6 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT3, VT6 - II положение вектора поля статора, затем
одновременно VT2, VT4, VT5 - III положение вектора поля статора.
При прохождении следующей положительной полуволны питающего напряжения последовательность открытия транзисторов повторяется.
На основе анализа диаграмм зависимость между частотой питающего двигатель напряжения и параметрами преобразователя выглядит следующим образом:
с
где f - частота питающей сети;
n - количество полупериодов на один оборот магнитного поля статора двигателя;
a - количество полупериодов в одном положении двигателя. Таким образом, предлагаемый однофазно-трехфазный широкополосный транзисторный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, имеет преимущества по сравнению с известными из-за возможности регулирования напряжения, поступающего на статорные обмотки электродвигателя, в широком диапазоне, упрощения системы управления вентилями, а также снижения стоимости и увеличения надежности.