НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ
LOW-FREQUENCY FREQUENCY CONVERTER DRIVEN BY NETWORK

Предлагаемое изобретение относится к устройствам низкочастотного преобразования частоты, ведомым сетью, и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью трехфазных асинхронных электродвигателей.
Известно устройство преобразования переменного напряжения в постоянное, содержащее трехфазный трансформатор, три вентиля, фильтр, в качестве которого использована индуктивность, а также нагрузку. Первичные обмотки трехфазного трансформатора соединены в треугольник или в звезду. Начала вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены и подключены к началу нагрузки, концы каждой из вторичных обмоток трансформатора подсоединены к анодам вентилей. Катоды вентилей соединены и через индуктивный фильтр соединены с концом нагрузки (Попков О.З. Основы преобразовательной техники / О.З.Попков. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. С.45, рис.4.1).
Основным недостатком описанного устройства преобразования переменного напряжения в постоянное является отсутствие возможности получения на нагрузке переменного напряжения различной частоты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты, содержащее три полупроводниковых модуля, подключенные к трехфазной сети переменного тока, каждый из которых состоит из шести тиристоров. Тремя тиристорами из шести тиристоров каждого полупроводникового модуля образован катодный блок, предназначенный для формирования положительной полуволны регулируемого напряжения, другими тремя тиристорами из шести тиристоров каждого полупроводникового модуля образован анодный блок, предназначенный для формирования отрицательной полуволны напряжения, поступающего на соответствующую обмотку трехфазного асинхронного электродвигателя. В одном полупроводниковом модуле все катоды катодного блока и все аноды анодного блока объединены через уравнительные реакторы и подключены общей точкой к началу соответствующей обмотки электродвигателя. Таким образом, общей точкой каждый из полупроводниковых модулей подключен к началу соответствующей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В одном полупроводниковом модуле каждый из анодов катодного блока и каждый из катодов анодного блока подключен к соответствующей фазе питающего напряжения. Три полупроводниковых модули выполнены одинаково. Концы трех обмоток электродвигателя объединены (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода / В.М.Терехов. М.: Энергоатомиздат, 1987, С.93, рис.3.9).
Основными недостатками этого полупроводникового устройства преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты являются низкая надежность, большие габариты, сложность системы управления устройством вследствие большого количества тиристоров, используемых в полупроводниковых модулях.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности, снижения габаритов, а также упрощение системы управления за счет уменьшения числа коммутирующей полупроводниковой аппаратуры.
Для решения поставленной задачи низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий три полупроводниковых модуля, каждый из которых подключен к трехфазной сети переменного тока, причем общей точкой каждый из модулей подключен к началу соответствующей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя, а концы трех обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя объединены, согласно изобретению в каждом из трех полупроводниковых модулей использованы полупроводниковые транзисторы, коллекторы трех транзисторов каждого полупроводникового модуля объединены и подключены напрямую к началу соответствующей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. Эмиттеры трех транзисторов каждого полупроводникового модуля подключены к соответствующим обмоткам трехфазного трансформатора. Концы обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя подключены к нулю трехфазного трансформатора.
Повышение надежности, снижение габаритов, а также упрощение системы управления обусловлены изменением схемы подключения полупроводниковых модулей путем введения полупроводниковых транзисторов и использования свойства транзисторов в ключевом режиме пропускать ток в прямом и обратном направлении вследствие симметричной структуры полупроводникового транзистора (p-n-p или n-p-n).
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого низкочастотного преобразователя частоты. ведомого сетью; на фиг.2 изображены открываемые транзисторы и осциллограммы напряжений на обмотках статора трехфазного асинхронного электродвигателя при частоте 50 Гц: на фиг. 3 показаны открываемые транзисторы и осциллограммы напряжений на обмотках статора трехфазного асинхронного электродвигателя при частоте Гц.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- U - напряжение сети;
- Uc1, Uc3, Uc5 - напряжение на первой, второй и третьей статорных обмотках соответственно;
- С1-С6 - выводы статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя;
- А, В, С - фазы трехфазного трансформатора;
- VT1-VT9 - полупроводниковые транзисторы;
- t1-t20 - промежутки времени;
- 0 - ноль трансформатора.
Низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью, снабжен тремя полупроводниковыми модулями, каждый из которых подключен к трехфазной сети переменного тока. В каждом из трех полупроводниковых модулей использованы полупроводниковые транзисторы.
В первом полупроводниковом модуле 1 коллекторы транзисторов 2 (VT1), 3(VT2), 4 (VT3) объединены и подключены общей точкой к началу 5 (С1) первой обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. Во втором полупроводниковом модуле 6 коллекторы транзисторов 7 (VT4), 8 (VT5), 9 (VT6) объединены и подключены общей точкой к началу 10 (С3) второй обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В третьем полупроводниковом модуле 11 коллекторы транзисторов 12 (VT7), 13 (VT8), 14 (VT9) объединены и подключены общей точкой к началу 15 (С5) третьей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. Концы 16 (С2) первой обмотки, 17 (С4) второй обмотки, 18 (С6) третьей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя объединены и подключены к нулю трехфазного трансформатора.
Эмиттеры транзисторов 2 (VT1), 3 (VT2), 4 (VT3) подключены к обмоткам 19 (А), 20 (В), 21 (С) соответственно трехфазного трансформатора. Эмиттеры транзисторов 7 (VT4), 8 (VT5), 9 (VT6) подключены к обмоткам 19 (A), 20 (B), 21 (C) соответственно трехфазного трансформатора. Эмиттеры транзисторов 12 (VT7), 13 (VT8), 14 (VT9) подключены к обмоткам 19 (A), 20 (B), 21 (C) соответственно трехфазного трансформатора.
Работа низкочастотного преобразователя частоты, ведомого сетью, осуществляется следующим образом.
Для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 50 Гц в начальный момент времени t0 (фиг.2) открывается транзистор 2 (VT1), ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t1 (фиг.2) транзистор 2 (VT1) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t2, период работы первого полупроводникового модуля 1 повторяется. В момент времени t3 (фиг.2) открывается транзистор 8 (VT5), ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (C4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени 14 (фиг.2), транзистор 8 (VT5) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (C4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t5, период работы второго полупроводникового модуля 6 повторяется. В момент времени 16 (фиг.2) открывается транзистор 14 (VT9), ток пойдет по цепи начало 15 (C5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t7 (фиг.2), транзистор 14 (VT9) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 15 (C5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t8, период работы третьего полупроводникового модуля 11 повторяется.
Для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 30 Гц, в начальный момент времени t0 (фиг.3) открывается транзистор 2 (VT1), ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (С2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t1 транзистор 2 (VT1) закрывается и открывается транзистор 3 (VT2), ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t2, транзистор 3 (VT2) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t3 транзистор 3 (VT2) закрывается и открывается транзистор 4 (VT3), ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t4, транзистор 4 (VT3) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t5 транзистор 4 (VT3) закрывается и открывается транзистор 2 (VT1), ток пойдет по цепи начало 5 (C1) первой обмотки электродвигателя - конец 16 (C2) первой обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t6 период работы первого полупроводникового модуля 1 повторяется. В момент времени t7 (фиг.3) открывается транзистор 9 (VT6), ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (C4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t8 транзистор 9 (VT6) закрывается и открывается транзистор 7 (VT4), ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (С4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t9, транзистор 7 (VT4) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (С4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t10 транзистор 7 (VT4) закрывается и открывается транзистор 8 (VT5), ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (С4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t11, транзистор 8 (VT5) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (С4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t12 транзистор 8 (VT5) закрывается и открывается транзистор 9 (VT6), ток пойдет по цепи начало 10 (C3) второй обмотки электродвигателя - конец 17 (С4) второй обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t13 период работы второго полупроводникового модуля 6 повторяется. В момент времени t14 (фиг.3), открывается транзистор 13 (VT8), ток пойдет по цепи начало 15 (C5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t15 транзистор 13 (VT8) закрывается и открывается транзистор 14 (VT9), ток пойдет по цепи начало 15 (С5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (С6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t16, транзистор 14 (VT9) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 15 (С5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t17 транзистор 14 (VT9) закрываемся и открывается транзистор 12 (VT7), ток пойдет по цепи начало 15 (С5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В положительную полуволну напряжения, момент времени t11, транзистор 12 (VT7) остается открытым, ток пойдет по цепи начало 15 (С5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (C6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t19 транзистор 12 (VT7) закрывается и открывается транзистор 13 (VT8), ток пойдет по цепи начало 15 (С5) третьей обмотки электродвигателя - конец 18 (С6) третьей обмотки электродвигателя, ноль трехфазного трансформатора. В момент времени t20 период работы третьего полупроводникового модуля 11 повторяется.
Регулируемая частота определяется по формуле
сети
где f - частота питающей сети;
n - число полуволн в периоде регулирования;
k=1, при четном числе полуволн в периоде регулирования;
k=2, при нечетном числе полуволн в периоде регулирования.
Таким образом, предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высоких показателей надежности, меньших габаритов, а также упрощенной системы управления за счет уменьшения числа коммутирующей полупроводниковой аппаратуры.