Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока
SEMICONDUCTOR DEVICE OF REGULATING SPEED OF SINGLE-PHASE DOUBLE-WOUND ASYNCHRONOUS ELECTROMOTOR WITH MENTIONED DC LINK

Предлагаемое изобретение относится к регулируемым полупроводниковым преобразователям для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока и может быть использовано для плавного регулирования скорости электродвигателя.
Известен однофазный конденсаторный электродвигатель, у которого один вывод первой обмотки соединен с нулем питающей сети переменного тока, а другой вывод - с одним из выводов второй обмотки и с фазой питающей сети. Один вывод второй обмотки соединен с объединенными выводами параллельно соединенных пускового и рабочего конденсаторов, а другой вывод - с фазой питающей сети. Другие объединенные выводы пускового и рабочего конденсаторов соединены с нулем питающей сети (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. Ленинград: «Энергия», 1978. - С. 608, рис. 30-6г).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности регулирования скорости вращения электродвигателя, трудности обеспечения реверса электродвигателя и большие габариты вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом), обеспечивающим плавное регулирование скорости вращения однофазного асинхронного электродвигателя, является регулируемый транзисторный редуктор с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий диодный мост, два однофазных автономных инвертора-преобразователя частоты, подсоединенных к питающей сети постоянного тока, каждый из которых выполнен на двух парах полупроводниковых ключей. К средним точкам последовательно соединенных полупроводниковых ключей в каждом инверторе-преобразователе частоты подключены обмотки статора. Эмиттеры одной пары двух полупроводниковых ключей каждого однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы или p-n-р транзисторы, объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока, а коллекторы пары этих двух полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы или р-n-р транзисторы, подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к обмотке статора. Эмиттеры другой пары двух полупроводниковых ключей каждого однофазного автономного инвертора-преобразователя частоты, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы или р-n-р транзисторы, подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к обмотке статора, а коллекторы пары этих двух полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-p-n транзисторы или р-n-р транзисторы, объединены и подключены к плюсу питающей сети постоянного тока. Один выход переменного напряжения диодного моста соединен с фазой питающей сети, другой выход переменного напряжения диодного моста подсоединен к нулю питающей сети. Положительный выход постоянного напряжения диодного моста соединен с коллекторами n-p-n транзисторов или p-n-р транзисторов, а отрицательный выход постоянного напряжения соединен с эмиттерами этих транзисторов (патент RU 2403670, МПК Н02Р 21/12 (2006.01), Н02Р 27/06 (2006.01)).
Основными недостатками описанного регулируемого транзисторного редуктора с явно выраженным звеном постоянного тока являются пониженная надежность работы из-за возможного пробоя транзисторов вследствие отсутствия защищенности от ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации обмоток статора электродвигателя, необходимость использования высоковольтных транзисторов высокой стоимости и не менее шести дополнительных изолированных источников питания для управления транзисторами, подключаемых к плюсу источника постоянного тока, а также повышенный расход электрической энергии на управление открытием и удержанием в рабочем состоянии транзисторов.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности работы устройства и, соответственно, однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя, путем нейтрализации отрицательного действия ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации обмоток статора электродвигателя, обеспечения отсутствия необходимости использования большого количества источников питания для управления транзисторами при невысокой стоимости устройства и уменьшения расхода электрической энергии на поддержание открытого состояния транзисторов.
Для решения поставленной задачи в полупроводниковом устройстве регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащем два однофазных автономных инвертора-преобразователя частоты, подсоединенных к питающей сети постоянного тока, каждый из которых выполнен на двух парах полупроводниковых ключей, при этом 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, а коллекторы этих двух полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-р-n транзисторы, подключены к средней точке последовательно соединенных полупроводниковых ключей и к обмотке статора, согласно изобретению 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.
Нейтрализация отрицательного действия ЭДС самоиндукции, возникающая при закрытии полупроводниковых ключей, реализуется при использовании диодов, включенных параллельно тиристорам в обратном направлении, через которые замыкается ток ЭДС самоиндукции с уменьшением до нуля, что обеспечивает надежную работу однофазного двухобмоточного электродвигателя.
Отсутствие необходимости использования большого количества источников питания для управления транзисторами обусловлено применением всего двух изолированных источников питания для управления транзисторами.
Уменьшение расхода электрической энергии на поддержание открытого состояния транзисторов объясняется использованием меньшего числа транзисторов.
Кроме того, с помощью векторно-алгоритмической коммутации статорных обмоток электродвигателя можно создавать различные типы вращающихся магнитных полей, которые можно использовать для регулирования скорости электродвигателя, а также обеспечивать возможность реверса электродвигателя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока, на фиг. 2 - векторная диаграмма вращающегося магнитного потока поля статора, состоящая из восьми фиксированных положений; на фиг. 3 - векторная диаграмма вращающегося магнитного потока поля статора, состоящая из шести фиксированных положений; на фиг. 4 - векторная диаграмма вращающегося магнитного потока поля статора, состоящая из четырех фиксированных положений; на фиг. 5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 2; на фиг. 6 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 3; на фиг. 7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 4.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- + - плюс питающей сети постоянного тока;
- - минус питающей сети постоянного тока;
- А - первая обмотка статора;
- В - вторая обмотка статора;
- VD1-VD4 - полупроводниковые диоды;
- VS1-VS4 - тиристоры;
- VT1-VT4 - транзисторы;
- П1 и П2 - первый и второй однофазные автономные инверторы-преобразователи частоты соответственно;
- К1-К8 - полупроводниковые ключи;
- А - анод;
- Кт - катод;
- Э - эмиттер;
- Кл - коллектор;
- t1-t4 - моменты времени коммутации полупроводниковых ключей;
- прямые линии со стрелками вдоль обмотки статора электродвигателя - положительное направление постоянного тока в обмотке статора электродвигателя;
- пунктирные линии со стрелками вдоль обмотки статора электродвигателя - отрицательное направление постоянного тока в обмотке статора электродвигателя;
- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора электродвигателя.
Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока содержит однофазные автономные инверторы-преобразователи частоты 1 и 2, подсоединенные к питающей сети постоянного тока, каждый из которых 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 3 (VT1) и n-p-n транзистор 4 (VT2), и на паре полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы тиристор 5 (VS1) со встречно включенным диодом 6 (VD2) и тиристор 7 (VS2) со встречно включенным диодом 8 (VD1). Эмиттер транзистора 3 (VT1) и эмиттер транзистора 4 (VT2) объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока. Анод тиристора 7 (VS2) и катод диода 8 (VD1) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 3 (VT1) объединен с катодом тиристора 7 (VS2) и анодом диода 8 (VD1), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены с первым выводом 9 первой обмотки 10 (А) статора электродвигателя. Таким образом, первый вывод 9 первой обмотки 10 (А) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 3 (VT1), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 7 (VS2) со встречно включенным диодом 8 (VD1). Анод тиристора 5 (VS1) и катод диода 6 (VD2) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 4 (VT2) объединен с катодом тиристора 5 (VS1) и анодом диода 6 (VD2), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены со вторым выводом 11 первой обмотки 10 (А) статора электродвигателя. Таким образом, второй вывод 11 первой обмотки 10 (А) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 4 (VT2), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 5 (VS1) со встречно включенным диодом 6 (VD2).
Однофазный автономный инвертор-преобразователь частоты 2 выполнен на паре полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы n-p-n транзистор 12 (VT3) и n-p-n транзистор 13 (VT4), и на паре полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы тиристор 14 (VS4) со встречно включенным диодом 15 (VD4) и тиристор 16 (VS3) со встречно включенным диодом 17 (VD3). Эмиттер транзистора 12 (VT3) и эмиттер транзистора 13 (VT4) объединены и подсоединены к минусу питающей сети постоянного тока. Анод тиристора 14 (VS4) и катод диода 15 (VD4) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 12 (VT3) объединен с катодом тиристора 14 (VS4) и анодом диода 15 (VD4), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены с первым выводом 18 второй обмотки 19 (В) статора электродвигателя. Таким образом, первый вывод 18 первой обмотки 19 (В) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 12 (VT3), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 14 (VS4) со встречно включенным диодом 15 (VD4). Анод тиристора 16 (VS3) и катод диода 17 (VD3) объединены и подсоединены к плюсу питающей сети постоянного тока. Коллектор транзистора 13 (VT4) объединен с катодом тиристора 16 (VS3) и анодом диода 17 (VD3), которые, в свою очередь, объединены, и все они соединены со вторым выводом 20 второй обмотки 19 (В) статора электродвигателя. Таким образом, второй вывод 20 второй обмотки 19 (В) статора электродвигателя связан со средней точкой последовательно соединенных полупроводникового ключа, в качестве которого использован транзистор 13 (VT4), и полупроводникового ключа, в качестве которого использованы тиристор 16 (VS3) со встречно включенным диодом 17 (VD3).
Работа полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока происходит следующим образом. В статорные обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя путем изменения частоты коммутации полупроводниковых ключей подается постоянное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора с требуемыми характеристиками.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фигуре 2, в последовательности I-II-III-IV-V-VI-VII-VIII необходимо подавать управляющие импульсы на базы транзисторов 3 (VT1), 4 (VT2), 12 (VT3), 13 (VT4) и на управляющие электроды тиристоров 5 (VS1), 7 (VS2), 16 (VS3), 14 (VS4) в нижеследующем порядке (фигура 5).
1. В промежуток времени t1 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 13 (VT4) и управляющий электрод тиристора 14 (VS4), что образует I положение магнитного потока (фигура 2). Ток протекает по второй обмотке 19 (В) статора электродвигателя.
2. В промежуток времени t2 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 13 (VT4) и 4 (VT2), управляющие электроды тиристоров 14 (VS4) и 7 (VS2), что образует II положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
По окончании промежутка времени t2 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 13 (VT4) и протекание тока по второй обмотке 19 (В) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 17 (VD3) и тиристор 14 (VS4) на вторую обмотку 19 (В) до полного прекращения тока через тиристор 14 (VS4), в результате чего тиристор 14 (VS4) закрывается.
3. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 4 (VT2) и управляющий электрод тиристора 7 (VS2), что образует III положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) обмотке статора электродвигателя.
4. В промежуток времени t4 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 4 (VT2) и 12 (VT3), управляющие электроды тиристоров 7 (VS2) и 16 (VS3), что образует IV положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
По окончании промежутка времени t4 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 4 (VT2) и протекание тока по первой обмотке 10 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 6 (VD2) и тиристор 7 (VS2) на первую обмотку 10 (А) до полного прекращения тока через тиристор 7 (VS2), в результате чего тиристор 7 (VS2) закрывается.
5. В промежуток времени t5 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 12 (VT3) и управляющий электрод тиристора 16 (VS3), что образует V положение магнитного потока. Ток протекает по второй 19 (В) обмотке статора электродвигателя.
6. В промежуток времени t6 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 3 (VT1) и 12 (VT3), управляющие выводы тиристоров 5 (VS1) и 16 (VS3), что образует VI положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
По окончании промежутка времени t6 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 12 (VT3) и протекание тока по второй обмотке 19 (В) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 15 (VD4) и тиристор 16 (VS3) на вторую обмотку 19 (В) до полного прекращения тока через тиристор 16 (VS3), в результате чего тиристор 16 (VS3) закрывается.
7. В промежуток времени t7 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT1) и управляющий вывод тиристора 5 (VS1), что образует VII положение магнитного потока. Ток протекает по второй обмотке 19 (В) статора электродвигателя.
8. В промежуток времени t8 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 3 (VT1) и 13 (VT4), управляющие выводы тиристоров 5 (VS1) и 14 (VS4), что образует VIII положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
По окончании промежутка времени t8 снимается управляющее напряжение с базы транзистора 3 (VT1) и протекание тока по первой обмотке 10 (А) статора прекращается, а возникающая при этом ЭДС самоиндукции замыкается через диод 8 (VD1) и тиристор 5 (VS1) на первую обмотку 10 (А) до полного прекращения тока через тиристор 5 (VS1), в результате чего тиристор 5 (VS1) закрывается.
9. Далее процесс включения транзисторов и тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1.
Изменяя частоту коммутации полупроводниковых ключей, можно обеспечить плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Изменяя степень открытия транзисторных ключей, можно изменять напряжение, подводимое к статорным обмоткам электродвигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фигуре 3, в последовательности I-II-III-IV-V-VI необходимо подавать управляющие импульсы на базы транзисторов 3 (VT1), 4 (VT2), 12 (VT3), 13 (VT4) и управляющие электроды тиристоров 5 (VS1), 7 (VS2), 16 (VS3), 14 (VS4) в нижеследующем порядке (фигура 6). ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотках статора при выключении транзисторов, будет замыкаться через соответствующие диоды и тиристоры.
1. В промежуток времени t1 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT1) и управляющий электрод тиристора 5 (VS1), что образует VII положение магнитного потока. Ток протекает по первой обмотке 10 (А) статора электродвигателя.
2. В промежуток времени t2 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 3 (VT1) и 13 (VT4), управляющие электроды тиристоров 5 (VS1) и 14 (VS4), что образует VIII положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
3. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 13 (VT4) и 4 (VT2), управляющие электроды тиристоров 14 (VS4) и 7 (VS2), что образует II положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
4. В промежуток времени t4 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 4 (VT2) и управляющий электрод тиристора 7 (VS2), что образует III положение магнитного потока. Ток протекает по первой обмотке 10 (А) статора электродвигателя.
5. В промежуток времени t5 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 4 (VT2) и 12 (VT3), управляющие электроды тиристоров 7 (VS2) и 16 (VS3), что образует IV положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
6. В промежуток времени t6 обеспечивается подача управляющего импульса на базы транзисторов 3 (VT1) и 12 (VT3), управляющие электроды тиристоров 5 (VS1) и 16 (VS3), что образует VI положение магнитного потока. Ток протекает по первой 10 (А) и второй 19 (В) обмоткам статора электродвигателя.
7. Далее процесс включения транзисторов и тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1.
Изменяя частоту коммутации полупроводниковых ключей, можно обеспечить плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Изменяя степень открытия транзисторных ключей, можно изменять напряжение, подводимое к статорным обмоткам электродвигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фигуре 4, в последовательности I-II-III-IV-V-VI необходимо подавать управляющие импульсы на базы транзисторов 3 (VT1), 4 (VT2), 12 (VT3), 13 (VT4) и управляющие электроды тиристоров 5 (VS1), 7 (VS2), 16 (VS3), 14 (VS4) в нижеследующем порядке (фигура 7). ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотках статора при выключении транзисторов, будет замыкаться через соответствующие диоды и тиристоры.
1. В промежуток времени t1 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 13 (VT4) и управляющий электрод тиристора 14 (VS4), что образует I положение магнитного потока. Ток протекает по второй обмотке 19 (В) статора электродвигателя.
2. В промежуток времени t2 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 4 (VT2) и управляющий электрод тиристора 7 (VS2), что образует III положение магнитного потока. Ток протекает по первой обмотке 10 (А) статора электродвигателя.
3. В промежуток времени t3 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 12 (VT3) и управляющий электрод тиристора 16 (VS3), что образует V положение магнитного потока. Ток протекает по второй обмотке 19 (В) статора электродвигателя.
4. В промежуток времени t4 обеспечивается подача управляющего импульса на базу транзистора 3 (VT1) и управляющий электрод тиристора 5 (VS1), что образует VII положение магнитного потока. Ток протекает по первой обмотке 10 (А) статора электродвигателя.
5. Далее процесс включения транзисторов и тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1.
Изменяя частоту коммутации полупроводниковых ключей, можно обеспечить плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Изменяя степень открытия транзисторных ключей, можно изменять напряжение, подводимое к статорным обмоткам электродвигателя.
Таким образом, на основании изложенного, можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известными за счет обеспечения надежной работы устройства и, соответственно, однофазного двухобмоточного электродвигателя, путем нейтрализации отрицательного действия ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации обмоток статора электродвигателя, а также уменьшения стоимости устройства за счет использования всего двух изолированных источников питания для управления транзисторами и уменьшения расхода электрической энергии на поддержание открытого состояния транзисторов.