ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ КОММУТАТОР, ВЕДОМЫЙ ОДНОФАЗНОЙ СЕТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SINGLE-PHASE-THREE-PHASE SEMICONDUCTOR REVERSIBLE SWITCHBOARD DRIVEN BY SINGLE-PHASE AC CIRCUIT

Предлагаемое изобретение относится к реверсивным полупроводниковым коммутаторам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использовано в нерегулируемом электроприводе переменного тока для запуска и работы от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей.
Известно устройство питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя с обмотками, соединенными в звезду, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка трехфазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а две другие обмотки - напрямую к однофазной сети (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - С.612, рис.30-7).
Основными недостатками описанного устройства питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи является необходимость использования бумажных конденсаторов большой емкости, в результате чего момент двигателя обычно уменьшается в три раза, мощность двигателя падает до 50% от номинальной.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) - осуществление питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети переменного тока с обеспечением реверса - является однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью, содержащий два полупроводниковых ключа, каждый из которых соединен с фазой однофазной сети переменного тока. Начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока. Начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока. Первый полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя и второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя. В качестве полупроводниковых ключей использованы два биполярных транзистора, у которых эмиттеры соединены с фазой однофазной сети переменного тока. Так коллектор первого транзистора соединен с концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя, и коллектор второго транзистора соединен с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя (патент RU 109356, МПК H02P 27/16 (2006.01)).
Основными недостатками описанного однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью, являются уменьшенное значение развиваемого двигателем момента и мощности вследствие эллиптичности вращающегося магнитного потока поля статора, а также сложность системы управления транзисторами ввиду необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзистор в каждый момент времени.
Предлагаемым изобретением решаются задачи повышения развиваемого двигателем момента и мощности, получения более равномерного кругового вращающегося магнитного потока поля статора, а также упрощения системы управления транзисторами.
Для решения поставленной задачи в однофазно-трехфазном полупроводниковом реверсивном коммутаторе, ведомом однофазной сетью переменного тока, снабженном двумя полупроводниковьми ключами, каждый из которых соединен с фазой однофазной сети переменного тока, а одна из трех статорных обмоток подключена к нулю и к фазе однофазной сети переменного тока, согласно изобретению устройство дополнительно снабжено двумя полупроводниковыми ключами, причем в качестве каждого из полупроводниковых ключей использован полевой транзистор. Первые выводы первого и второго полупроводникового ключей соединены с фазой однофазной сети переменного тока, первые выводы третьего и четвертого полупроводниковых ключей соединены с нулем однофазной сети переменного тока, вторые выводы первого и третьего полупроводниковых ключей объединены и соединены с началом первой и концом третьей статорных обмоток, вторые выводы второго и четвертого полупроводниковых ключей объединены и соединены с концом первой и началом третьей статорных обмоток. При этом начало второй статорной обмотки подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец второй статорной обмотки подключен к фазе однофазной сети переменного тока.
Обеспечение возможности повышения развиваемого двигателем момента и мощности, получения более равномерного кругового вращающегося магнитного потока поля статора, а также упрощения системы управления транзисторами в однофазно-трехфазном полупроводниковом реверсивном коммутаторе, ведомом однофазной сетью переменного тока, достигается путем использования в качестве полупроводниковых ключей четырех полевых транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях, без необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзисторы, и без подачи на транзисторы тока управления, так как управление полевым транзистором осуществляется электростатическим полем, создаваемым зарядами, что значительно упрощает систему управления транзисторами.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема однофазно-трехфазного полупроводникового реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью переменного тока; на фиг.2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений вектора магнитного потока; на фиг.3 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.4 - пофазное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.5 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока, при обратном направлении вращения двигателя; на фиг.6 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.7 - пофазное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5.
Кроме того, на чертежах изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- A, B и C - статорные обмотки A, B и C трехфазного асинхронного электродвигателя соответственно;
- VT1 - VT4 - полевые транзисторы.
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;
- прямые линии со стрелками - направления вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;
- Uceти=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;
- прямые линии, сплошные и дискретные, со стрелками вдоль обмоток статора двигателя - направления магнитного потока и тока в обмотках статора;
t1-t7 - моменты времени коммутации транзисторов.
Однофазно-трехфазный полупроводниковый реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью переменного тока, содержит четыре полупроводниковых ключа, в качестве каждого из которых использован полевой транзистор, причем два их четырех полупроводниковых ключей соединены с фазой однофазной сети переменного тока. Первые выводы первого и второго полупроводниковых ключей соединены с фазой однофазной сети переменного тока. Первые выводы третьего и четвертого полупроводниковых ключей соединены с нулем однофазной сети переменного тока. Вторые выводы первого и третьего полупроводниковых ключей объединены и соединены с началом первой и концом третьей статорных обмоток. Вторые выводы второго и четвертого полупроводниковых ключей объединены и соединены с концом первой и началом третьей статорных обмоток. При этом начало второй статорной обмотки подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец второй статорной обмотки подключен к фазе однофазной сети переменного тока.
Пример выполнения однофазно-трехфазного полупроводниковой реверсивной коммутатора, ведомой однофазной сетью переменного тока. Устройство снабжено полупроводниковыми ключами, в качестве которых используются четыре полевых транзистора. Первый вывод 1 первого транзистора 2 (VT1) соединен с фазой однофазной сети переменного тока, первый вывод 3 третьего транзистора 4 (VT3) соединен с нулем однофазной сети переменного тока, второй вывод 5 первого транзистора 2 (VT1) и второй вывод 6 третьего транзистора 4 (VT3) объединены и соединены с началом 7 первой статорной обмотки А и концом 8 третьей статорной обмотки С электродвигателя. Первый вывод 9 второго транзистора 10 (VT2) соединен с фазой однофазной сети переменного тока, первый вывод 11 четвертого транзистора 12 (VT4) соединен с нулем однофазной сети переменного тока, второй вывод 13 второго транзистора 10 (VT2) и второй вывод 14 четвертого транзистора 12 (VT4) объединены и соединены с концом 15 первой статорной обмотки А и началом 16 третьей статорной обмотки С электродвигателя. Начало 17 второй статорной обмотки В электродвигателя подключено к нулю, а ее конец 18 к фазе однофазной сети переменного тока.
Работа однофазно-трехфазного полупроводникового реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью переменного тока, происходит следующим образом. В статорные обмотки трехфазного асинхронного двигателя подается однофазное переменное напряжение посредством коммутации соответствующих полупроводниковых ключей, обеспечивающих получение вращающегося магнитного поля статора. Первоначально на затворы транзисторов подано напряжения, создающее электрическое поле для закрытия транзисторов. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов в определенной последовательности. Для обеспечения вращения поля статора в соответствие с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) в следующей последовательности:
- в начальный момент времени t0, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения сети, снимается напряжение с затворов транзисторов 10 (VT2) и 4 (VT3), ток протекает по обмоткам A и B в обратном направлении, по обмотке C в прямом направлении - обеспечивается получение I фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t1 транзисторы 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) закрыты, ток протекает по обмотке B в обратном направлении - обеспечивается получение II фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 снимается напряжение с затворов транзисторов 2 (VT1) и 12 (VT4), ток протекает по обмоткам B и C в обратном направлении, по обмотке A в прямом направлении - обеспечивается получение III фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3, при прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения сети, снимается напряжение с затворов транзисторов 10 (VT2) и 4 (VT3), ток протекает по обмоткам A и B в прямом направлении, по обмотке С в обратном направлении - обеспечивается получение IV фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 транзисторы 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) закрыты, ток протекает по обмотке B в прямом направлении, - обеспечивается получение V фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 снимается напряжение с затворов транзисторов 2 (VT1) и 12 (VT4), ток протекает по обмоткам B и C в прямом направлении, по обмотке A в обратном направлении - обеспечивается получение VI фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.5, необходимо осуществлять снятие напряжения с затворов транзисторов 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) в следующей последовательности:
- в начальный момент времени t0, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения сети, снимается напряжение с затворов транзисторов 2 (VT1) и 12 (VT4), ток протекает по обмоткам B и C в обратном направлении, по обмотке A в прямом направлении - обеспечивается получение I фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t1 транзисторы 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) закрыты, ток протекает по обмотке B в обратном направлении - обеспечивается получение II фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 снимается напряжение с затворов транзисторов 10 (VT2) и 4 (VT3), ток протекает по обмоткам A и B в обратном направлении, по обмотке C в прямом направлении - обеспечивается получение III фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3, при прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения сети, снимается напряжение с затворов транзисторов 2 (VT1) и 12 (VT4), ток протекает по обмоткам B и C в прямом направлении, по обмотке A в обратном направлении - обеспечивается получение IV фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 транзисторы 2 (VT1), 4 (VT3), 10 (VT2), 12 (VT4) закрыты, ток протекает по обмотке B в прямом направлении - обеспечивается получение V фиксированного положения вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 снимается напряжение с затворов транзисторов 10 (VT2) и 4 (VT3), ток протекает по обмоткам A и B в прямом направлении, по обмотке C в обратном направлении - обеспечивается получение VI фиксированного положения вектор магнитного потока поля статора.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известными из-за более равномерного кругового вращающегося магнитного потока поля статора, а следовательно и повышенного развиваемого двигателем момента и мощности, а также упрощенной системы управления транзисторами.