НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ, ДЛЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам низкочастотного преобразования частоты, ведомым сетью, и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью трехфазных асинхронных электродвигателей.
Известно полупроводниковое устройство преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты, содержащее три одинаковых полупроводниковых модуля, каждый из которых в свою очередь содержит двенадцать полупроводниковых ключей. В качестве каждого из двенадцати полупроводниковых ключей полупроводникового модуля использован тиристор. При этом полупроводниковый модуль состоит из двух тиристорных групп. Тремя тиристорами из шести тиристоров каждой тиристорной группы образован катодный блок, другими тремя тиристорами из шести тиристоров каждой тиристорной группы образован анодный блок. В одном полупроводниковом модуле все катоды катодного блока одной тиристорной группы и все аноды анодного блока другой тиристорной группы объединены через уравнительные реакторы и подключены общей точкой к соответствующей обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя. Таким образом, через общие точки полупроводниковые ключи каждого полупроводникового модуля подключены к соответствующим обмоткам трехфазного асинхронного электродвигателя. В одной тиристорной группе каждый из анодов катодного блока и каждый из катодов анодного блока, то есть каждый полупроводниковый ключ, подключен к одной из трех фаз трехфазного источника напряжения (Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я. Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С. 15, рис. 1-86.).
Основными недостатками описанного полупроводникового устройства преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты являются низкая надежность, большие габариты и стоимость, а также сложность системы управления вследствие большого количества тиристоров, используемых в полупроводниковых модулях.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты, снабженное тремя одинаковыми полупроводниковыми модулями, содержащими шесть полупроводниковых ключей, в качестве каждого из которых использован тиристор. Тремя тиристорами из шести тиристоров каждого полупроводникового модуля образован катодный блок, предназначенный для формирования положительной полуволны регулируемого напряжения, поступающего на соответствующую обмотку трехфазного асинхронного электродвигателя, и тремя тиристорами из шести тиристоров каждого полупроводникового модуля образован анодный блок, предназначенный для формирования отрицательной полуволны напряжения, поступающего на соответствующую обмотку трехфазного асинхронного электродвигателя. В одном полупроводниковом модуле все катоды катодного блока и все аноды анодного блока объединены через уравнительные реакторы и подключены общей точкой к началу соответствующей обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. Таким образом, общие точки соединения полупроводниковых ключей полупроводниковых модулей подключены к соответствующим обмоткам трехфазного асинхронного электродвигателя. В одном полупроводниковом модуле каждый из анодов катодного блока и каждый из катодов анодного блока, то есть каждый полупроводниковый ключ, подключен к одной из трех фаз трехфазного источника напряжения. Концы трех обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя объединены (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода / В.М. Терехов. - М: Энергоатомиздат, 1987. - С. 93, рис. 3.9).
Основными недостатками этого полупроводникового устройства преобразования переменного напряжения- одной частоты в переменное напряжение другой частоты являются низкая надежность, большие габариты, а также сложность системы управления вследствие большого количества тиристоров, используемых в полупроводниковых модулях.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности, снижения габаритов, а также упрощение системы управления за счет уменьшения числа коммутирующих полупроводниковых элементов.
Для решения поставленной задачи в низкочастотном преобразователе частоты, ведомом сетью, для трехфазного асинхронного электродвигателя, снабженном тремя одинаковыми полупроводниковыми модулями, содержащими полупроводниковые ключи, причем общие точки соединения полупроводниковых ключей полупроводниковых модулей подключены к соответствующим обмоткам трехфазного асинхронного электродвигателя, а полупроводниковый ключ каждого из полупроводниковых модулей подключен к одной из трех фаз трехфазного источника напряжения, согласно полезной модели в качестве каждого из трех полупроводниковых ключей полупроводникового модуля использован биполярный транзистор, коллекторы трех биполярных транзисторов каждого полупроводникового модуля объединены, и их общая точка соединения подключена к началу одной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя и концу другой обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя, а каждый эмиттер биполярного транзистора в каждом полупроводниковом модуле подключен к соответствующей фазе трехфазного источника напряжения.
Повышение надежности, снижение габаритов, а также упрощение системы управления обусловлены уменьшением числа полупроводниковых элементов в каждом полупроводниковом модуле путем введения биполярных транзисторов и использования свойства транзисторов в ключевом режиме пропускать ток в прямом и обратном направлениях вследствие симметричной структуры биполярного транзистора (p-n-p или n-p-n).
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого низкочастотного преобразователя частоты, ведомого сетью, для трехфазного асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 изображены открываемые транзисторы для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 50 Гц; на фиг. 3 показаны открываемые транзисторы для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 30 Гц.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- U - напряжение сети;
- Uc1, Uc3, Uc5 - напряжение на первой, второй и третьей статорных обмотках трехфазного асинхронного электродвигателя соответственно;
- C1-C2, C3-C4, C5-C6 - начало и конец первой, второй и третьей статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя соответственно;
- A, B, C - фазы трехфазного источника напряжения;
- VT1-VT9 - биполярные транзисторы;
- t1-t20 - промежутки времени.
Низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью, для трехфазного асинхронного электродвигателя снабжен тремя одинаковыми полупроводниковыми модулями, содержащими по три полупроводниковых ключа. В качестве каждого из полупроводниковых ключей использован биполярный транзистор. Общие точки соединения полупроводниковых ключей полупроводниковых модулей подключены к соответствующим обмоткам трехфазного асинхронного электродвигателя, а именно, общие точки соединения объединенных коллекторов трех биполярных транзисторов каждого полупроводникового модуля подключены к началам одной из обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя и концам другой из обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя. Полупроводниковый ключ каждого из полупроводниковых модулей подключен к одной из трех фаз трехфазного источника напряжения, а именно, каждый эмиттер биполярного транзистора в каждом полупроводниковом модуле подключен к соответствующей фазе трехфазного источника напряжения.
В первом полупроводниковом модуле 1 коллекторы трех биполярных транзисторов 2 (VT1), 3 (VT2), 4 (VT3) объединены, и их общая точка соединения подключена к началу 5 (C1) первой статорной обмотки и к концу 6 (C6) третьей статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. Во втором полупроводниковом модуле 7 коллекторы трех биполярных транзисторов 8 (VT4), 9 (VT5), 10 (VT6) объединены, и их общая точка соединения подключена к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и к концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В третьем полупроводниковом модуле 13 коллекторы транзисторов 14 (VT7), 15 (VT8), 16 (VT9) объединены, и их общая точка соединения подключена к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (C4) второй статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя.
В первом полупроводниковом модуле 1 эмиттер биполярного транзистора 2 (VT1) подключен к фазе 19 (A) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 3 (VT2) подключен к фазе 20 (B) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 4 (VT3) подключен к фазе 21 (C) трехфазного источника напряжения. Во втором полупроводниковом модуле 7 эмиттер биполярного транзистора 8 (VT4) подключен к фазе 19 (A) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 9 (VT5) подключен к фазе 20 (B) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 10 (VT6) подключен к фазе 21 (C) трехфазного источника напряжения. В третьем полупроводниковом модуле 13 эмиттер биполярного транзистора 14 (VT7) подключен к фазе 19 (A) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 15 (VT8) подключен к фазе 20 (B) трехфазного источника напряжения, эмиттер биполярного транзистора 16 (VT9) подключен к фазе 21 (C) трехфазного источника напряжения.
Работа низкочастотного преобразователя частоты, ведомого сетью, для трехфазного асинхронного электродвигателя осуществляется следующим образом.
Для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 50 Гц, в начальный момент времени t0 (фиг. 2) открывается транзистор 2 (VT1), ток идет от фазы 19 (A) через коллектор-эмиттер транзистора 2 (VT1) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и к концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t1 (фиг. 2), транзистор 2 (VT1) остается открытым. В положительную полуволну напряжения, момент времени t2, период работы первого полупроводникового модуля 1 повторяется. В момент времени t3 (фиг. 2), открывается транзистор 9 (VT5), ток идет от фазы 20 (B) через коллектор-эмиттер транзистора 9 (VT5) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t4 (фиг. 2), транзистор 9 (VT5) остается открытым. В положительную полуволну напряжения, момент времени t5, период работы второго полупроводникового модуля 7 повторяется. В момент времени t6 (фиг. 2) открывается транзистор 16 (VT9), ток идет от фазы 21 (C) через коллектор-эмиттер транзистора 16 (VT9) к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (C4) второй статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t7 (фиг. 2), транзистор 16 (VT9) остается открытым. В положительную полуволну напряжения, момент времени t8, период работы третьего полупроводникового модуля 13 повторяется.
Для получения расчетной частоты регулируемого напряжения 30 Гц, в начальный момент времени t0 (фиг. 3) открывается транзистор 2 (VT1), ток идет от фазы 19 (A) через коллектор-эмиттер транзистора 2 (VT1) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t1 транзистор 2 (VT1) закрывается, и открывается транзистор 3 (VT2), ток пойдет от фазы 20 (B) через коллектор-эмиттер транзистора 3 (VT2) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t2, транзистор 3 (VT2) остается открытым. В момент времени t3 транзистор 3 (VT2) закрывается, и открывается транзистор 4 (VT3). В положительную полуволну напряжения, момент времени t4, транзистор 4 (VT3) остается открытым, ток идет от фазы 21 (C) через коллектор-эмиттер транзистора 4 (VT3) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t5 транзистор 4 (VT3) закрывается, и открывается транзистор 2 (VT1), ток идет от фазы 19 (A) через коллектор-эмиттер транзистора 2 (VT1) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t6 период работы первого полупроводникового модуля 1 повторяется. В момент времени t7 (фиг. 3) открывается транзистор 10 (VT6), ток идет от фазы 21 (C) через коллектор-эмиттер транзистора 10 (VT6) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t8 транзистор 10 (VT6) закрывается, и открывается транзистор 8 (VT4), ток идет от фазы 19 (A) через коллектор-эмиттер транзистора 8 (VT4) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t9, транзистор 8 (VT4) остается открытым. В момент времени t10 транзистор 8 (VT4) закрывается, и открывается транзистор 9 (VT5). В положительную полуволну напряжения, момент времени t11, транзистор 9 (VT5) остается открытым, ток идет от фазы 20 (B) через коллектор-эмиттер транзистора 9 (VT5) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (С2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t12 транзистор 9 (VT5) закрывается, и открывается транзистор 10 (VT6), ток идет от фазы 21 (C) через коллектор-эмиттер транзистора 10 (VT6) к началу 11 (C3) второй статорной обмотки и концу 12 (C2) первой статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t13 период работы второго полупроводникового модуля 13 повторяется. В момент времени t14 (фиг. 3), открывается транзистор 15 (VT8), ток идет от фазы 20 (B) через коллектор-эмиттер транзистора 15 (VT8) к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (C4) второй статорной обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t15 транзистор 15 (VT8) закрывается, и открывается транзистор 16 (VT9), ток идет от фазы 21 (C) через коллектор-эмиттер транзистора 16 (VT9) к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (С4) второй статорной обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя. В отрицательную полуволну напряжения, момент времени t16, транзистор 16 (VT9) остается открытым. В момент времени t17 транзистор 16 (VT9) закрывается, и открывается транзистор 14 (VT7). В положительную полуволну напряжения, момент времени t18, транзистор 14 (VT7) остается открытым, ток идет от фазы 19 (A) через коллектор-эмиттер транзистора 16 (VT9) к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (C4) второй статорной обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t19 транзистор 14 (VT7) закрывается, и открывается транзистор 15 (VT8), ток идет от фазы 20 (B) через коллектор-эмиттер транзистора 16 (VT9) к началу 17 (C5) третьей статорной обмотки и к концу 18 (C4) второй статорной обмотке трехфазного асинхронного электродвигателя. В момент времени t20 период работы третьего полупроводникового модуля 13 повторяется.
Таким образом, предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высоких показателей надежности, меньших габаритов, а также упрощенной системы управления за счет уменьшения числа полупроводниковых элементов в каждом полупроводниковом модуле.