Реверсивное полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым устройствам, а именно к устройствам запуска, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в электроприводе переменного тока для запуска от однофазной сети однофазных двухобмоточных асинхронных двигателей, не требующих регулирования скорости вращения.
Известно устройство запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети асинхронного двигателя, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка двигателя подключена к однофазной сети через конденсаторы, а другая обмотка - напрямую к сети (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов / И.П. Копылов. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 343, рис. 3.96).
Недостатками описанного устройства запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи являются низкая надежность и повышенные габариты вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащее два однофазных автономных инвертора-преобразователя частоты, подсоединенных к питающей сети постоянного тока, а также две обмотки статора. Каждый из однофазных автономных инверторов-преобразователей частоты выполнен на двух парах полупроводниковых ключей. К средним точкам последовательно соединенных полупроводниковых ключей в каждом инверторе-преобразователе частоты подключены обмотки статора. Эмиттеры пары двух полупроводниковых ключей каждого однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы, объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока. Коллекторы этих двух полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы, подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к обмотке статора. В качестве двух полупроводниковых ключей другой пары каждого однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты использованы тиристоры со встречно включенными диодами, причем в каждом из данных полупроводниковых ключей анод тиристора и катод диода объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока, а катод тиристора и анод диода объединены и подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к обмотке статора (патент RU №2613345, МПК Н02Р 21/12 (2006.01), дата публикации 16.03.2017 г.).
Недостатками данного полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока являются пониженная надежность и экономичность, повышенные габариты и стоимость вследствие использования двух однофазных автономных инверторов-преобразователей частоты.
Предлагаемой полезной моделью решается задача уменьшения габаритов и повышения надежности устройства за счет использования только одного однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты, а также повышения экономичности за счет уменьшения потребления энергии полупроводниковыми ключами.
Решение поставленной задачи достигается тем, что реверсивное полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя, содержащее однофазный автономный инвертор-преобразователь частоты, подсоединенный к питающей сети постоянного тока, выполненный на двух парах полупроводниковых ключей, при этом к средним точкам последовательно соединенных полупроводниковых ключей в инверторе-преобразователе частоты подключена первая обмотка статора, эмиттеры двух полупроводниковых ключей однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы, объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока, а коллекторы этих двух полупроводниковых ключей подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к первой обмотке статора, в качестве двух полупроводниковых ключей другой пары однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты использованы тиристоры со встречно включенными диодами, причем в каждом из данных полупроводниковых ключей анод тиристора и катод диода объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока, а катод тиристора и анод диода объединены и подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводникового ключа и обмотки статора, согласно полезной модели устройство выполнено на одном однофазном автономном инверторе-преобразователе частоты, причем вторая обмотка статора подключена напрямую к питающей сети переменного тока, первый вывод второй обмотки статора подключен к фазе питающей сети, а второй вывод подключен к нулю питающей сети.
Повышение надежности и экономичности, а также уменьшение габаритов реверсивного полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя обусловлено уменьшением числа однофазных автономных инверторов-преобразователей частоты.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема реверсивного полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 показана векторная диаграмма вращающегося поля статора двигателя, состоящего из шести фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 3 - пофазное изменение магнитного потока, а также направление протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 2; на фиг. 4 показана векторная диаграмма вращающегося поля статора двигателя, состоящего из шести фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении против часовой стрелки; на фиг. 5 - пофазное изменение магнитного потока, а также направление протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 4.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- + - плюс питающей сети постоянного тока;
- - - минус питающей сети постоянного тока;
- А - первая обмотка статора;
- М - вторая обмотка статора;
- VD1-VD4 - полупроводниковые диоды;
- VS1-VS4 - тиристоры;
- VT1-VT4 - транзисторы;
- t1-t6 - моменты времени коммутации полупроводниковых ключей;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока вращающегося поля статора электродвигателя;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Реверсивное полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя содержит однофазный автономный инвертор-преобразователь частоты, подсоединенный к питающей сети постоянного тока, который выполнен на двух парах полупроводниковых ключей.
Однофазный автономный инвертор-преобразователь частоты 1 выполнен на паре полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-p-n транзистор 2 (VT1) и n-p-n транзистор 3 (VT2), и на паре полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы тиристор 4 (VS1) со встречно включенным диодом 5 (VD2) и тиристор 6 (VS2) со встречно включенным диодом 7 (VD1). Эмиттер транзистора 2 (VT1) и эмиттер транзистора 3 (VT2) объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока. Анод тиристора 6 (VS2) и катод диода 7 (VD1) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 2 (VT1) объединен с катодом тиристора 6 (VS2) и анодом диода 7 (VD1), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены с первым выводом 8 первой обмотки 9 (А) статора электродвигателя. Таким образом, первый вывод 8 первой обмотки 9 (А) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 2 (VT1), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 6 (VS2) со встречно включенным диодом 7 (VD1). Анод тиристора 4 (VS1) и катод диода 5 (VD2) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 3 (VT2) объединен с катодом тиристора 4 (VS1) и анодом диода 5 (VD2), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены со вторым выводом 10 первой обмотки 9 (А) статора электродвигателя. Таким образом, второй вывод 10 первой обмотки 9 (А) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 3 (VT2), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 4 (VS1) со встречно включенным диодом 5 (VD2).
Вторая обмотка статора 11 (М) подключена напрямую в сеть, причем первый вывод 12 подключен к фазе питающей сети, а второй вывод 13 подключен к нулю питающей сети.
Работа реверсивного полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя осуществляется следующим образом. Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося поля статора двигателя по часовой стрелке, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, с учетом постоянного протекания переменного тока по второй обмотке статора, необходимо подавать управляющие импульсы на базы транзисторов 2 (VT1), 3 (VT2) и на управляющие электроды тиристоров 4 (VS1), 6 (VS2) в следующем порядке (фиг. 3).
1. В промежуток времени t1 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT2) и управляющий электрод тиристора 6 (VS2), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется первое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
По окончании промежутка времени t1 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 3 (VT2) и протекание тока по первой обмотке 9 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 5 (VD2) и тиристор 6 (VS2) на первую обмотку 9 (А) до полного прекращения тока через тиристор 6 (VS2), в результате чего тиристор 6 (VS2) закрывается.
2. В промежуток времени t2 ток проходит только по обмотке 11 (М) электродвигателя - образуется второе положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
3. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 2 (VT1) и управляющий электрод тиристора 4 (VS1), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется третье положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
4. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 2 (VT1) и управляющий электрод тиристора 4 (VS1), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется четвертое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
По окончании промежутка времени t4 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 2 (VT1) и протекание тока по первой обмотке 9 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 7 (VD1) и тиристор 4 (VS1) на первую обмотку 9 (А) до полного прекращения тока через тиристор 4 (VS1), в результате чего тиристор 4 (VS1) закрывается.
5. В промежуток времени t5 ток проходит только по обмотке 11 (М) электродвигателя - образуется пятое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
6. В промежуток времени t6 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT2) и управляющий электрод тиристора 6 (VS2), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется шестое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
Далее процесс включения транзисторов и тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Поле статора получается вращающимся, эллиптическим, пространственным, изменяющимся во времени. Изменяя степень открытия транзисторных ключей, можно изменять напряжение, подводимое к статорным обмоткам электродвигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося поля статора двигателя против часовой стрелки, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 4, с учетом постоянного протекания переменного тока по второй обмотке статора, необходимо подавать управляющие импульсы на базы транзисторов 2 (VT1), 3 (VT2) и на управляющие электроды тиристоров 4 (VS1), 6 (VS2) в следующем порядке (фиг. 5):
1. В промежуток времени t1 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 2 (VT1) и управляющий электрод тиристора 4 (VS1), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется первое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
По окончании промежутка времени t1 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 2 (VT1) и протекание тока по первой обмотке 9 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 7 (VD1) и тиристор 4 (VS1) на первую обмотку 9 (А) до полного прекращения тока через тиристор 4 (VS1), в результате чего тиристор 4 (VS1) закрывается.
2. В промежуток времени t2 ток проходит только по обмотке 11 (М) электродвигателя - образуется второе положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
3. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT2) и управляющий электрод тиристора 6 (VS2), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется третье положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
4. В промежуток времени t4 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT2) и управляющий электрод тиристора 6 (VS2), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется четвертое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
По окончании промежутка времени t4 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 3 (VT2) и протекание тока по первой обмотке 9 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 5 (VD2) и тиристор 6 (VS2) на первую обмотку 9 (А) до полного прекращения тока через тиристор 6 (VS2), в результате чего тиристор 6 (VS2) закрывается.
5. В промежуток времени t5 ток проходит только по обмотке 11 (М) электродвигателя - образуется пятое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
6. В промежуток времени t6 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 2 (VT1) и управляющий электрод тиристора 4 (VS1), ток проходит по обмоткам 9 (А) и 11 (М) электродвигателя - образуется шестое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2).
Далее процесс включения транзисторов и тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1, обеспечивая вращение поля статора против часовой стрелки.
Поле статора получается вращающимся, эллиптическим, пространственным, изменяющимся во времени. Изменяя степень открытия транзисторных ключей, можно изменять напряжение, подводимое к статорным обмоткам электродвигателя.
Таким образом, реверсивное полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя позволяет осуществить как пуск, работу, так и реверс двигателя.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высоких показателей надежности и экономичности, а также малых габаритов.