Полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя

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 реверсивное бесконденсаторное устройство пуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащее две пары полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы транзисторы, а также две обмотки статора. При этом в первой паре полупроводниковых ключей объединенные коллекторы первого и второго транзистора подключены к началу первой обмотки статора, эмиттер первого транзистора подключен к фазе питающей сети, эмиттер второго транзистора подключен к нулю питающей сети, во второй паре полупроводниковых ключей объединенные коллекторы третьего и четвертого транзистора подключены к концу первой обмотки статора, эмиттер третьего транзистора подключен к фазе питающей сети, эмиттер четвертого транзистора подключен к нулю питающей сети, начало второй обмотки статора подключено к фазе питающей сети, а конец второй обмотки статора подключен к нулю питающей сети (патент RU №157687, МПК Н02Р 1/42 (2006.01), Н02Р 27/04 (2006.01), дата публикации 10.12.2015 г.).
Недостатками данного реверсивного бесконденсаторного устройства пуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя являются пониженная надежность и экономичность, повышенные габариты и стоимость вследствие введения большого количества полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы четыре транзистора, связанные с началом и концом первой обмотки статора и питающей сетью.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в обеспечении осуществления запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от однофазной сети с уменьшением габаритов и повышением надежности устройства за счет использования двух полупроводниковых ключей, связанных только с началом первой обмотки статора и питающей сетью, а также с повышением экономичности за счет уменьшения потребления энергии полупроводниковыми ключами.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащее одну пару полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы транзисторы, а также две обмотки статора, причем начало второй обмотки статора подключено к фазе питающей сети, а конец второй обмотки статора подключен к нулю питающей сети, согласно изобретению коллектор первого транзистора объединен с эмиттером второго транзистора и подключен к фазе питающей сети, эмиттер первого транзистора объединен с коллектором второго транзистора и подключен к началу первой обмотки статора, а конец первой обмотки статора подключен к нулю питающей сети.
В качестве полупроводниковых ключей могут быть использованы биполярные, IGBT или MOSFET транзисторы.
Повышение надежности и экономичности, а также уменьшение габаритов полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя обусловлено изменением схемы подключения полупроводниковых коммутаторов, уменьшением числа полупроводниковых коммутаторов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя; на фиг. 2 показана векторная диаграмма эллиптического вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 3 показано протекание тока по обмоткам статора в разные моменты времени в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг. 5 показана векторная диаграмма эллиптического вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении против часовой стрелки; на фиг. 6 показано протекание тока по обмоткам статора в разные моменты времени в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 5; на фиг. 7 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 5.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- L1, L2 - обмотки статора электродвигателя;
- VT1-VT2 - транзисторы;
- I, II, III, IV последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора асинхронного двигателя;
- U-сети - напряжение питающей сети;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- точки возле статорных обмоток - начала статорных обмоток;
- прямые линии со стрелками - направления вектора магнитной индукции кругового вращающегося поля статора двигателя.
Полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя содержит одну пару полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы транзисторы. Коллектор первого транзистора 1 (VT1) объединен с эмиттером второго транзистора 2 (VT2) и их общий вывод подключен к фазе питающей сети, эмиттер первого транзистора 1 (VT1) объединен с коллектором второго транзистора 2 (VT2) и их общий вывод подключен к началу первой обмотки статора 3 (L1). Начало второй обмотки статора 4 (L2) подключено к фазе питающей сети. Концы первой 3 (L1) и второй 4 (L2) обмоток статора подключены к нулю питающей сети.
Работа полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя осуществляется следующим образом. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется путем открытия транзисторов в определенной последовательности. Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции эллиптического вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, с учетом постоянного протекания тока по второй обмотке статора, необходимо открывать транзисторы 1 (VT1) и 2 (VT2) в следующем порядке (фиг. 3):
- в первую положительную четверть периода питающего напряжения открывается транзистор 1 (VT1), ток проходит по обмоткам 3 (L1) и 4 (L2) электродвигателя - образуется первое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 2);
- во вторую положительную четверть периода питающего напряжения транзистор 1 (VT1) закрывается, ток проходит по обмотке 4 (L2) - образуется второе положение вектора магнитной индукции поля статора;
- в первую отрицательную четверть периода питающего напряжения открывается транзистор 2 (VT2), ток проходит по обмоткам 3 (L1) и 4 (L2) - образуется третье положение вектора магнитной индукции поля статора;
- во вторую отрицательную четверть периода питающего напряжения транзистор 2 (VT2) закрывается, ток проходит по обмотке 4 (L2) - образуется четвертое положение вектора магнитной индукции поля статора.
Поле статора получается вращающимся, эллиптическим, пространственным, изменяющимся во времени. При прохождении следующей положительной полуволны цикл повторяется, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции эллиптического вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 5, с учетом постоянного протекания тока по второй обмотке статора, необходимо открывать транзисторы 1 (VT1) и 2 (VT2) в следующем порядке (фиг. 6):
- в первую положительную четверть периода питающего напряжения транзисторы закрываются, ток проходит по обмотке 4 (L2) электродвигателя - образуется первое положение вектора магнитной индукции поля статора (фиг. 5);
- во вторую положительную четверть периода питающего напряжения открывается транзистор 1 (VT1), ток проходит по обмоткам 3 (L1) и 4 (L2) - образуется второе положение вектора магнитной индукции поля статора;
- в первую отрицательную четверть периода питающего напряжения транзистор 1 (VT1) закрывается, ток проходит по обмотке 4 (L2) - образуется третье положение вектора магнитной индукции поля статора;
- во вторую отрицательную четверть периода питающего напряжения открывается транзистор 2 (VT2), ток проходит по обмоткам 3 (L1) и 4 (L2) - образуется четвертое положение вектора магнитной индукции поля статора.
Поле статора получается вращающимся, эллиптическим, пространственным, изменяющимся во времени. При прохождении следующей положительной полуволны цикл повторяется, обеспечивая вращение поля статора против часовой стрелки.
Таким образом, полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя 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.