РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ РЕДУКТОР ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, ПИТАЮЩЕГОСЯ ОТ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к однофазно-трехфазным дискретным преобразователям частоты, ведомым сетью, и может быть использована в электроприводе для запуска и работы трехфазных асинхронных электродвигателей от сети постоянного тока с возможностью осуществления регулирования угловой скорости как выше, так и ниже номинальной.
Известен трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый трехфазной сетью, образованный из трех трехфазных нулевых выпрямителей, каждый из которых выполнен на основе трех тиристоров. Выходы трехфазных нулевых выпрямителей предназначены для подключения к входам трех статорных обмоток электродвигателя. При этом аноды тиристоров в каждом из трехфазных нулевых выпрямителей подключены к соответствующим фазам трехфазной сети, а катоды тиристоров в каждом из трехфазных нулевых выпрямителей связаны между собой с образованием нулевой точки, которая соединена со входом соответствующей статорной обмотки. Выходы статорных обмоток соединены в общую точку и предназначены для соединения с нулем питающей сети. (Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я. Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С. 42, рис. 2-10а.).
Основными недостатками этого трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого трехфазной сетью, являются регулирование угловой скорости только ниже номинальной, низкая надежность и повышенные габариты вследствие использования большого числа тиристоров.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является преобразователь частоты асинхронного двигателя, содержащий три полупроводниковые вентильные группы. Первая вентильная группа содержит полупроводниковые ключи, выполненные на основе трех диодов, катоды которых соединены и предназначены для подключения к плюсу источника постоянного напряжения 300 вольт и к объединенным концам трех статорных обмоток электродвигателя. Вторая вентильная группа содержит полупроводниковые ключи, выполненные на основе трех биполярных транзистора структуры n-p-n. Третья вентильная группа содержит полупроводниковые ключи, выполненные на основе трех полевых транзисторов. Эмиттеры трех биполярных транзисторов второй вентильной группы объединены и предназначены для соединения с объединенными стоками трех полевых транзисторов третьей вентильной группы и с минусом питающей сети постоянного напряжения. Коллекторы трех биполярных транзисторов второй вентильной группы подключены к соответствующим затворам полевых транзисторов третьей вентильной группы, а также через соответствующие резисторы подключены к плюсу дополнительного источника постоянного напряжения 9 вольт. Истоки трех полевых транзисторов третьей вентильной группы подключены к соответствующим анодам трех диодов первой вентильной группы и к соответствующим началам трех статорных обмоток электродвигателя. Таким образом, преобразователь частоты асинхронного двигателя выполнен на основе трех полевых транзисторов, трех биполярных транзисторов и трех диодов (Дубровский А. Усовершенствование регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей / Дубровский А. // Радио. - 2002. - №11 - С. 41).
Основными недостатками описанного полупроводникового преобразователя частоты являются пониженные энергетические показатели асинхронного двигателя ввиду наличия постоянной составляющей в сети, так как ток протекает по обмоткам статора только в одном направлении, а также пониженная надежность, повышенные габариты и повышенная стоимость устройства вследствие необходимости применения большого количества транзисторов различного типа и на разные напряжения, диодов и дополнительного источника постоянного напряжения.
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи повышения энергетических показателей, надежности, экономичности, а также снижения габаритов устройства.
Для решения поставленной задачи в регулируемом транзисторном редукторе широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающемся от сети постоянного тока, снабженном полупроводниковой вентильной группой, содержащей полупроводниковые ключи, выполненные на основе биполярных транзисторов, предназначенных для присоединения к источнику постоянного напряжения, согласно полезной модели каждый из трех полупроводниковых ключей полупроводниковой вентильной группы выполнен на двух биполярных транзисторах структуры p-n-p. обеспечивающих векторно-алгоритмическую коммутацию статорных обмоток электродвигателя. При этом в первом полупроводниковом ключе эмиттер первого биполярного транзистора предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, и коллектор второго биполярного транзистора предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения, а коллектор первого биполярного транзистора и эмиттер второго биполярного транзистора объединены и соединены с началом первой статорной обмотки электродвигателя и концом третьей статорной обмотки электродвигателя. Во втором полупроводниковом ключе эмиттер третьего биполярного транзистора предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, и коллектор четвертого биполярного транзистора предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения, а коллектор третьего биполярного транзистора и эмиттер четвертого биполярного транзистора объединены и соединены с началом второй статорной обмотки электродвигателя и концом первой статорной обмотки электродвигателя. В третьем полупроводниковом ключе эмиттер пятого биполярного транзистора предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, и коллектор шестого биполярного транзистора предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения, а коллектор пятого биполярного транзистора и эмиттер шестого биполярного транзистора объединены и соединены с началом третьей статорной обмотки электродвигателя и концом второй статорной обмотки электродвигателя.
Повышением энергетических показателей, надежности, экономичности и уменьшение габаритов регулируемого транзисторного редуктора широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока, обусловлены упрощением силовой системы управления вследствие уменьшения количества полупроводниковых вентильных групп и изменения схемы их подключения, а также отсутствием дополнительного источника постоянного напряжения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого регулируемого транзисторного редуктора широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока; на фиг. 2 - векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из шести фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг. 3 - векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из четырех фиксированных положений магнитного потока поля статора фиг. 4 - векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из трех 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 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 3; на фиг. 7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 4.
Кроме того на чертеже используются следующие обозначения:
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя;
- A, B, C - первая, вторая и третья статорные обмотки электродвигателя соответственно;
- t0-t6 - моменты времени;
- VT1-VT6 - транзисторы;
-C1-C2, C3-C4, C5-C6 - начало и конец первой, второй и третьей статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя соответственно;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в статорных обмотках.
Пример выполнения регулируемого транзисторного редуктора широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока, содержит полупроводниковую вентильную группу, содержащую три полупроводниковых ключа, выполненных на основе шести биполярных транзисторов 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4, (VT4), 5 (VT5), 6 (VT6) структуры p-n-p, обеспечивающих векторно-алгоритмическую коммутацию статорных обмоток электродвигателя.
В первом полупроводниковом ключе, выполненном на первом и втором биполярных транзисторах 1 (VT1) и 2 (VT2) соответственно, эмиттер первого транзистора 1 (VT1) предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, и коллектор второго транзистора 2 (VT2) предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения. Коллектор первого транзистора 1 (VT1) и эмиттер второго транзистора 2 (VT2) объединены и соединены с началом 7 (C1) первой статорной обмотки электродвигателя и концом 8 (C6) третьей статорной обмотки электродвигателя.
Во втором полупроводниковом ключе, выполненном на третьем и четвертом биполярных транзисторах 3 (VT3) и 4 (VT4) соответственно, эмиттер третьего транзистора 3 (VT3) предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, и коллектор четвертого транзистора 4 (VT4) предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения. Коллектор третьего транзистора 3 (VT3) и эмиттер четвертого транзистора 4 (VT4) объединены и соединены с началом 9 (C3) второй статорной обмотки электродвигателя и концом 10 (C2) первой статорной обмотки электродвигателя.
В третьем полупроводниковом ключе, выполненном на пятом и шестом биполярных транзисторах 5 (VT5) и 6 (VT6) соответственно, эмиттер пятого транзистора 5 (VT5) предназначен для соединения с плюсом источника постоянного напряжения, коллектор шестого транзистора 6 (VT6) предназначен для соединения с минусом источника постоянного напряжения. Коллектор пятого транзистора 5 (VT5) и эмиттер шестого транзистора 6 (VT6) объединены и соединены с началом 11 (C5) третьей статорной обмотки электродвигателя и концом 12 (C4) второй статорной обмотки электродвигателя.
Регулируемый транзисторный редуктор широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока, работает следующим образом.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI, показанной на фиг. 2 векторной диаграммой вращения поля статора, транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4, (VT4), 5 (VT5), 6 (VT6) включаются следующим образом:
- в момент времени 10 (фиг. 5) одновременно открываются и работают транзисторы 1 (VT1), 6 (VT6) и 4 (VT4) - обеспечивается получение I положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 11 (фиг. 5) транзистор 4 (VT4) закрывается, транзисторы 1 (VT1), 6 (VT6) остаются открытыми - обеспечивается получение II положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 12 (фиг. 5) открывается транзистор 3 (VT3), транзисторы 1 (VT1) и 6 (VT6) остаются открытыми - обеспечивается получение III положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 13 (фиг. 5) транзисторы 1 (VT1) и 6 (VT6) закрываются, транзистор 3 (VT3) остается открытым, и открываются транзисторы 2 (VT2) и 5 (VT5) - обеспечивается получение IV положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 14 (фиг. 5) транзистор 3 (VT3) закрывается, транзисторы 2 (VT2) и 5 (VT5) остаются открытыми - обеспечивается получение V положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 15 (фиг. 5) одновременно 5 (VT5), 4 (VT4) и 2 (VT2) - обеспечивается получение VI положения вектора магнитного поля статора. С момента времени 16 порядок работы повторяется. Такое векторно-алгоритмическое переключение транзисторов можно производить с различной частотой, обеспечивая, тем самым, работу электродвигателя на повышенных и пониженных скоростях.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV, показанной на фиг. 3 векторной диаграммой вращения поля статора, транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4, (VT4), 5 (VT5), 6 (VT6) включаются следующим образом:
- в момент времени t0 (фиг. 6) одновременно открываются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4) и 6 (VT6) - обеспечивается получение I положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени t1 (фиг. 6) транзистор 4 (VT4) закрывается, транзисторы 6 (VT6) и 1 (VT1) остаются открытыми, открывается транзистор 3 (VT3) - обеспечивается получение II положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 12 (фиг. 6) транзисторы 6 (VT6) и 1 (VT1) закрываются, транзистор 3 (VT3) остается открытым, открываются транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2) - обеспечивается получение III положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 13 (фиг. 6) транзистор 3 (VT3) закрывается, транзисторы 2 (VT2) и 5 (VT5) остаются открытыми, открывается транзистор 4 (VT4) - обеспечивается получение IV положения вектора магнитного поля статора. С момента времени 14 порядок работы повторяется. Данное векторно-алгоритмическое переключение транзисторов также можно производить с различной частотой, обеспечивая, тем самым, работу электродвигателя на повышенных и пониженных скоростях.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности I-II-III, показанной на фиг. 4 векторной диаграммой вращения поля статора, транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4, (VT4), 5 (VT5), 6 (VT6) включаются следующим образом:
- в момент времени t0 (фиг. 7) одновременно открываются транзисторы 1 (VT1). 4 (VT4) и 5 (VT5) - обеспечивается получение I положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени 11 (фиг. 7) транзисторы 4 (VT4) и 5 (VT5) закрываются, открываются транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT6), транзистор 1 (VT1) остается открытым - обеспечивается получение II положения вектора магнитного поля статора;
- в момент времени t2 (фиг. 7) транзисторы 6 (VT6) и 1 (VT1) закрываются, открываются транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), транзистор 3 (УТЗ) остается открытым - обеспечивается получение III положения вектора магнитного поля статора. С момента времени t3 порядок работы повторяется.
Описанное векторно-алгоритмическое переключение транзисторов также можно производить с различной частотой, обеспечивая, тем самым, работу электродвигателя на повышенных и пониженных скоростях.
Таким образом, предлагаемая полезная модель может быть использована в электроприводе для запуска и работы трехфазных асинхронных электродвигателей от сети постоянного тока с возможностью осуществления регулирования угловой скорости как выше, так и ниже номинальной, при повышенных энергетических показателях, показателях надежности, экономичности и малых габаритах.