ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для частотного регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя.
Известно устройство питания однофазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка однофазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а другая обмотка подключена напрямую (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2006. - С.343, рис.3.96).
Недостатками известного устройства являются низкая надежность, повышенные габариты вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости, а также - отсутствие возможности низкочастотного регулирования скорости вращения электродвигателя.
Известен трехфазный мостовой низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий полупроводниковые ключи, подсоединенные к питающей сети, образующие мостовые схемы выпрямления, по две мостовые схемы выпрямления, включенные между собой встречно-параллельно (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.94, рис.3.10). К выводам каждой пары мостовых схем, включенных между собой встречно-параллельно, подключена соответствующая обмотка статора трехфазного асинхронного двигателя. В качестве полупроводниковых ключей известный преобразователь частоты содержит тридцать шесть тиристоров.
Недостатками известного устройства являются невозможность использования в однофазной сети переменного тока, пониженная надежность вследствие возможности возникновения межфазных коротких замыканий через тиристорные мосты, а также увеличенные габариты и стоимость из-за необходимости использования большого количества тиристоров.
Также известно устройство для управления скоростью вращения электродвигателя по патенту US 6208113 B1 (H02Р 5/28, 1999), включающее блок управления, который электрически связан с управляемым электронным устройством, выход которого подключен к электродвигателю, а вход - к одному из вводов питающей однофазной сети переменного тока. Другой ввод питающей однофазной сети переменного тока подключен напрямую к электродвигателю. Управления скоростью вращения электродвигателя осуществляется путем изменения амплитуды и частоты напряжения на обмотках электродвигателя с помощью управляемого электронного устройства по сигналам блока управления.
Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон регулирования частоты. Это ограничение обусловлено конструктивным решением управляемого электронного устройства, которое способно выполнять манипуляции преобразования только последовательно во времени поочередно в пределах положительного и отрицательного полупериодов питающего однофазного переменного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности с заявляемым изобретением является однофазный мостовой низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, по патенту RU 2331153 C1 (H02Р 27/18, 2008). Известное устройство содержит полупроводниковые (электронные) ключи, подсоединенные к питающей сети, образующие однофазные мостовые схемы выпрямления, по две мостовые схемы выпрямления, включенные между собой встречно-параллельно. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока. Полупроводниковые (электронные) ключи выполнены в виде шестнадцати тиристоров, или восьми симисторов, или шестнадцати транзисторов. Выходы одной пары мостовых схем выпрямления, включенных между собой встречно-параллельно, предназначены для подключения первой обмотки статора однофазного асинхронного электродвигателя, а выходы другой пары мостовых схем выпрямления предназначены для подключения второй обмотки статора однофазного асинхронного электродвигателя. Известное устройство обеспечивает питание однофазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети с возможностью низкочастотного регулирования скорости вращения электродвигателя. Это достигается тем, что в статорные обмотки однофазного асинхронного электродвигателя подается однофазное переменное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора с требуемыми характеристиками.
Недостатком известного устройства является использование большого количества электронных (полупроводниковых) ключей, что усложняет преобразователь частоты и снижает его надежность и экономичность. Кроме того, известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности.
Задачей настоящего изобретения является создание однофазного мостового преобразователя частоты, обеспечивающего упрощение устройства и расширение функциональных возможностей.
Указанная задача решается тем, что в однофазном мостовом преобразователе частоты, содержащем оконечное устройство, включающее первую и вторую обмотки, причем оконечное устройство выполнено с возможностью подключения к электрической питающей сети через первую и вторую мостовые схемы выпрямления, содержащие электронные ключи, согласно изобретению мостовые схемы выпрямления выполнены каждая в виде однофазного неуправляемого моста, в диагональ которого в проводящем направлении включен электронный (полупроводниковый) ключ. Первый ввод каждого однофазного неуправляемого моста предназначен для подключения к первому вводу электрической питающей сети. Второй ввод одного однофазного неуправляемого моста подключен к концу первой обмотки, а второй ввод другого однофазного неуправляемого моста подключен к началу второй обмотки. Начало первой и конец второй обмоток предназначены для подключения ко второму вводу электрической питающей сети.
В варианте выполнения однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве оконечного устройства содержит однофазный асинхронный двигатель, при этом упомянутые первая и вторая обмотки выполняют роль статорных обмоток.
В другом варианте выполнения однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве оконечного устройства содержит трансформатор, включающий по меньшей мере одну вторичную (выходную) обмотку, при этом упомянутые первая и вторая обмотки выполняют роль первичных (входных) обмоток трансформатора.
Вместе с этим однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве электронных ключей содержит транзисторы.
Возможен вариант выполнения, когда однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве электронных ключей содержит тиристоры, к которым подключен дополнительно введенный блок искусственной коммутации тиристоров.
В последнем указанном варианте выполнения блок искусственной коммутации тиристоров может содержать два последовательно включенных первых конденсатора, каждый из которых одним из выводов подключен к катоду соответствующего тиристора, а также - две катушки индуктивности, каждая из которых подключена к аноду соответствующего тиристора, и включена последовательно с соответствующим вторым конденсатором, один из выводов которого соединен с выводом второго конденсатора, который включен последовательно с другой катушкой индуктивности.
Вместе с этим оконечное устройство выполнено с возможностью подключения к электрической питающей сети переменного или постоянного тока.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что обеспечивается расширение функциональных возможностей преобразователя частоты. Кроме того, изобретение позволяет упростить преобразователь частоты и обеспечивает возможность повысить его надежность и экономичность. Расширение функциональных возможностей преобразователя частоты достигается обеспечением возможности расширения диапазона регулирования частоты, возможностью подключения как к однофазной сети переменного тока, так и к источнику постоянного тока, а также возможностью использования как для частотного регулирования скорости вращения электродвигателя, так и для питания потребителей, для функционирования которых требуется однофазный ток с частотой отличной от частоты питающей сети.
y
2
3
На фиг 1 представлена схема однофазного мостового преобразователя частоты, вариант выполнения с оконечным устройством в виде однофазного асинхронного электродвигателя, когда в качестве электронных ключей содержит транзисторы; на фиг.2 - то же, вариант выполнения с оконечным устройством в виде трансформатора, когда в качестве электронных ключей содержит транзисторы; на фиг.3 - то же, вариант выполнения с оконечным устройством в виде однофазного асинхронного электродвигателя, когда в качестве электронных ключей содержит тиристоры; на фиг.4 - диаграмма работы однофазного мостового преобразователя частоты при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения с частотой 50 Гц при частоте управления электронными ключами 100 Гц. На диаграмме: U - напряжение, формируемое на статорных обмотках электродвигателя или на вторичной (выходной) обмотке трансформатора, U - напряжение сигнала управления электронным ключом, t - время, а - интервал времени, в течение которого включен электронный ключ 17 (19), b - интервал времени, в течение которого включен электронный ключ 18 (20); на фиг.5 - то же при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения с частотой 25 Гц при частоте управления электронными ключами 75 Гц; на фиг.6 - то же при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения с частотой 10 Гц при частоте управления электронными ключами 60 Гц; на фиг.7 - то же при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения с частотой 10 Гц при частоте управления электронными ключами 40 Гц; на фиг.8 - то же при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения с частотой 10 Гц при частоте управления электронными ключами 40 Гц с интервалом между включенными состояниями электронных ключей и уменьшенной продолжительностью интервала времени включения ключей (вариант осуществления регулирования формируемого напряжения); на фиг.9 - диаграмма работы однофазного мостового преобразователя частоты при формировании на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения при подключении к питающей сети постоянного тока. На диаграмме: U и U - напряжение, формируемое на первичных (входных) обмотках трансформатора.
Однофазный мостовой преобразователь частоты содержит оконечное устройство 1, включающее обмотки 2 и 3, которое подключено к электрической питающей сети через мостовые схемы выпрямления 4 и 5. Мостовые схемы выпрямления 4 и 5 выполнены каждая в виде однофазного неуправляемого моста, в диагональ которого в проводящем направлении включен электронный (полупроводниковый) ключ. Однофазные неуправляемые мосты 4 и 5 содержат диоды соответственно 6-9 и 10-13. Один из двух вводов каждого однофазного неуправляемого моста подключен к вводу 14 электрической питающей сети. Второй ввод однофазного неуправляемого моста 4 подключен к концу обмотки 2. Второй ввод однофазного неуправляемого моста 5 подключен к началу обмотки 3. Начало обмотки 2 и конец обмотки 3 подключены к вводу 15 электрической питающей сети. В качестве питающей сети может использоваться электрическая питающая сеть переменного или постоянного тока.
В вариантах выполнения, представленных на фиг.1 и фиг.3, однофазный мостовой преобразователь в качестве оконечного устройства 1 содержит, например, однофазный асинхронный электродвигатель. При этом обмотки 2 и 3 выполняют роль статорных обмоток.
В другом варианте выполнения (см. фиг.2) однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве оконечного устройства 1 содержит трансформатор, включающий, например, одну вторичную (выходную) обмотку 16. При этом обмотки 2 и 3 выполняют роль первичных (входных) обмоток трансформатора.
В вариантах выполнения, представленных на фиг.1 и фиг.2, однофазный мостовой преобразователь в качестве электронных ключей содержит, например, транзисторы 17 и 18.
В другом варианте выполнения, представленном на фиг.3, однофазный мостовой преобразователь частоты в качестве электронных ключей содержит тиристоры 19 и 20, к которым подключен блок 21 искусственной коммутации тиристоров. В варианте осуществления изобретения блок 21 содержит два последовательно включенных конденсатора 22 и 23, каждый из которых одним из выводов подключен к катоду соответствующего тиристора. Блок 21 также содержит две катушки индуктивности 24 и 25. Катушка индуктивности 24 подключена к тиристору 19 и включена последовательно с конденсатором 26. Катушка индуктивности 25 подключена к тиристору 20 и включена последовательно с конденсатором 27, вывод которого соединен с соответствующим выводом конденсатора 26.
В варианте осуществления изобретения однофазный мостовой преобразователь частоты электрически связан с блоком 28 управления, который подключен к однофазным неуправляемым мостам 4 и 5 и электронным ключам.
В сравнении с ближайшим аналогом по патенту RU 2331153 С1 заявленное устройство содержит значительно меньшее количество электронных ключей, что упрощает преобразователь частоты и повышает его надежность и экономичность.
Строго говоря, в возможных вариантах осуществления изобретения однофазный мостовой преобразователь частоты может включать любое разумное четное количество обмоток и, соответственно, мостовых схем выпрямления и электронных ключей. Благодаря увеличению количества обмоток обеспечивается возможность существенного улучшения гармонического состава формируемого на оконечном устройстве напряжения.
Однофазный мостовой преобразователь частоты в варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.1, при подключении к питающей однофазной сети переменного тока работает следующим образом.
y
Сигналы управления желательной (требуемой) частоты f управления электронными ключами, сформированные блоком 28 управления, распределяются с помощью соответствующего пересчетного устройства (на чертеже не показано) блока 28 и последовательно поступают на управление электронными ключами.
Электронные ключи (транзисторы) 17 и 18 последовательно поочередно (17, 18, 17, 18 и т.д.) включаясь замыкают однофазные неуправляемые мосты 4 и 5 и подключают статорные обмотки 2 и 3 электродвигателя (оконечного устройства) 1 к питающей однофазной сети. При этом при включении электронного ключа (транзистора) 17 конец статорной обмотки 2 электродвигателя 1 через однофазный неуправляемый мост 4 подключается, например, к нулю питающей однофазной сети (т.е. - к вводу 14), а начало этой статорной обмотки - к фазе питающей однофазовой сети (т.е. - к вводу 15). При включении электронного ключа 17 к статорной обмотке 2 электродвигателя 1 прикладывается напряжение одной (например, положительной) полуволны питающего однофазного напряжения (т.е. положительного полупериода питающего напряжения). Далее электронный ключ (транзистор) 17 выключается и включается электронный ключ (транзистор) 18. При включении электронного ключа (транзистора) 18 начало статорной обмотки 3 через однофазный неуправляемый мост 5 подключается к нулю питающей однофазной сети, а конец этой статорной обмотки - к фазе питающей однофазной сети. В результате к статорной обмотке 3 электродвигателя 1 прикладывается напряжение обратной полуволны питающего однофазного напряжения (т.е. отрицательного полупериода питающего напряжения), т.к. статорная обмотка 3 имеет подключение к питающей сети обратное по отношению к подключению статорной обмотки 2. Далее электронный ключ (транзистор) 18 выключается и снова включается электронный ключ (транзистор) 17 и цикл повторяется. Таким образом, на электродвигателе 1 формируется переменное однофазное напряжение.
Управление частотой формируемого на электродвигателе однофазного напряжения осуществляется посредством изменения частоты следования сигналов управления.
Частота f формируемого на электродвигателе 1 напряжения (т.е. частота питающего электродвигатель напряжения) описывается выражением
y
c
f=f-f,
y
c
где f - частота управления электронными ключами (транзисторами) 17 и 18, f -частота питающего однофазного напряжения.
y
Количество включений электронных ключей (транзисторов) 17 и 18 за один период формируемого на электродвигателе 1 напряжения зависит от частоты питающей однофазной сети переменного тока и описывается выражением n=2f/f,
где 2 - количество статорных обмоток в варианте осуществления изобретения.
y
c
При частоте управления f равной частоте питающей сети f на статорных обмотках 2 и 3 электродвигателя 1 формируется постоянное напряжение.
Однофазный мостовой преобразователь частоты в варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.1, при подключении к питающей постоянного тока работает аналогичным образом. При этом частота f формируемого на электродвигателе 1 напряжения описывается выражением
y
f=f.
Процесс формирования на оконечном устройстве (электродвигателе или трансформаторе) однофазного переменного напряжения для конкретных значений частоты управления электронными ключами представлен на диаграммах фиг.4-7.
Таким образом, изобретение при обеспечении возможности подключения системы, как к питающей сети переменного тока, так и к питающей сети постоянного тока обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты напряжения, формируемого на статорных обмотках однофазного асинхронного электродвигателя, и, следовательно, - широкий диапазон регулирования скорости вращения ротора электродвигателя.
Однофазный мостовой преобразователь частоты в варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.2, при подключении к питающей однофазной сети переменного тока работает следующим образом.
Электронные ключи (транзисторы) 17 и 18 последовательно поочередно (17, 18, 17, 18 и т.д.) включаясь замыкают однофазные неуправляемые мосты 4 и 5 и подключают первичные (входные) обмотки 2 и 3 трансформатора (оконечного устройства) 1 к питающей однофазной сети переменного тока. При этом при включении электронного ключа (транзистора) 17 конец первичной обмотки 2 трансформатора 1 через однофазный неуправляемый мост 4 подключается, например, к нулю питающей однофазной сети (т.е. - к вводу 14), а начало этой первичной обмотки трансформатора - к фазе питающей однофазовой сети (т.е. - к вводу 15). При включении электронного ключа 17 к первичной обмотке 2 трансформатора 1 прикладывается напряжение одной (например, положительной) полуволны питающего однофазного напряжения (т.е. положительного полупериода питающего напряжения). Далее электронный ключ (транзистор) 17 выключается и включается электронный ключ (транзистор) 18. При включении электронного ключа (транзистора) 18 начало первичной обмотки 3 трансформатора 1 через однофазный неуправляемый мост 5 подключается к нулю питающей однофазной сети, а конец этой первичной обмотки трансформатора - к фазе питающей однофазной сети.
В результате к первичной обмотке 3 трансформатора 1 прикладывается напряжение обратной полуволны питающего однофазного напряжения (т.е. отрицательного полупериода питающего напряжения), т.к. первичная обмотка 3 трансформатора имеет подключение к питающей сети обратное по отношению к подключению первичной обмотки 2. Далее электронный ключ (транзистор) 18 выключается и снова включается электронный ключ (транзистор) 17 и цикл повторяется. Таким образом, при последовательных поочередных подключениях первичных обмоток 2 и 3 трансформатора 1 к питающей сети однофазного переменного тока на вторичной обмотке 16 трансформатора 1 формируется переменное однофазное напряжение.
Однофазный мостовой преобразователь частоты в варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.2, при подключении к питающей сети постоянного тока работает аналогичным образом.
Таким образом, изобретение обеспечивает возможность электропитания нагрузки, подключаемой к трансформатору, однофазным переменным током с требуемой частотой, отличной от частоты питающей однофазной сети, а также - обеспечивает возможность электропитания нагрузки однофазным переменным током с требуемой частотой при подключении к питающей сети постоянного тока.
Устройство, представленное на фиг.3, отличается от устройства, представленного на фиг.1, тем, что в качестве электронных ключей содержит тиристоры 19 и 20, к которым подключен блок 21 искусственной коммутации тиристоров. Блок 21 искусственной коммутации тиристоров работает следующим образом. При включении тиристора (электронного ключа) 19 по цепи анод тиристора 20, катушка индуктивности 25, конденсаторы 27 и 26, катушка индуктивности 24, тиристор 19, конденсаторы 22 и 23, катод тиристора 20 конденсаторы 27, 26, 22 и 23 заряжаются с полярностью, как показано на чертеже (фиг.3). Далее при включении тиристора (электронного ключа) 20 конденсаторы 27, 26, 22 и 23 перезаряжаются через тиристор 20 выключая тиристор 19. Далее цикл повторяется. В остальном работа однофазного мостового преобразователя частоты при использовании в качестве электронных ключей тиристоров не отличается от работы системы в вышерассмотренных вариантах осуществления изобретения.
Таким образом, благодаря особенности исполнения однофазного мостового преобразователя частоты изобретение обеспечивает возможность повышение надежности, экономичности и расширение функциональных возможностей заявленного устройства.