Транзисторный реверсивный частотный преобразователь для двухфазного двигателя

Предлагаемая полезная модель относится к преобразователям частоты и может быть использована как частотный преобразователь для двухфазного двигателя.
Известен автономный трехфазный мостовой инвертор тока, содержащий в качестве вентилей шесть однооперационных тиристоров, соединенных попарно последовательно и работающих попарно параллельно, конденсаторы, осуществляющие коммутацию тиристоров в инверторе, подключенные к парам тиристоров, нагрузку, связанную с тиристорами. Тиристоры подключены к плюсу и минусу источника питания (Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: учебник для вузов / Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин; под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатом-издат, 1988. - с. 310-311, рис. 9.12).
Основным недостатком описанного устройства является необходимость емкостного запирания тиристоров со сложной системой управления за счет использования конденсаторов, причем величина емкости конденсаторов зависит от нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является широкорегулируемый транзиторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока, содержащий первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-p-n, пятый транзистор p-n-р и шестой транзистор n-p-n, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод. Коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р, составляющих верхнюю эмиттерную группу, объединены в пары с коллекторами соответственно четвертого, шестого и второго транзисторов n-р-n, составляющих нижнюю эмиттерную группу, и подключены к выходам устройствам также к фазе А, фазе В и фазе С статора электродвигателя. Эмиттеры первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р подключены к плюсу источника питания. Эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов n-p-n, а также аноды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к минусу источника питания. Аноды первого, второго и третьего диодов подключены к коллекторам соответственно первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р. Катоды первого, второго и третьего диодов подключены к плюсу источника питания. Катоды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к коллекторам четвертого, шестого и второго транзисторов n-p-n соответственно (патент RU 164966, МПК Н02Р 27/06, 2006.01).
Основным недостатком описанного широкорегулируемого транзиторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока является потребление большого количества электроэнергии, так как для осуществления работы сложной системы управления транзисторами требуются четыре изолированных дополнительных источника постоянного тока: один источник для нижней эмиттерной группы и три источника для верхней эмиттерной группы.
Представленная полезная модель решает техническую проблему снижения потребления электроэнергии путем исключения изолированных дополнительных источников питания в системе управления транзисторами.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в транзисторном реверсивном частотном преобразователе для двухфазного двигателя, содержащем первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-p-n, пятый транзистор p-n-р и шестой транзистор n-p-n, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод, причем коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р объединены в пары с коллекторами соответственно второго, четвертого и шестого транзисторов n-p-n и подключены к выходам устройства, эмиттеры первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р подключены к плюсу источника питания, эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов подключены к минусу источника питания, согласно изобретению в качестве диодов использованы фотодиоды. Анод первого фотодиода соединен с коллектором первого транзистора p-n-р, а катод первого фотодиода соединен с базой первого транзистора p-n-р. Катод второго фотодиода соединен с коллектором второго транзистора n-p-n, а анод второго фотодиода соединен с базой второго транзистора n-p-п. Анод третьего фотодиода соединен с коллектором третьего транзистора p-n-р, а катод третьего фотодиода соединен с базой третьего транзистора p-n-р. Катод четвертого фотодиода соединен с коллектором четвертого транзистора n-p-n, а анод четвертого фотодиода соединен с базой четвертого транзистора n-p-n. Анод пятого фотодиода соединен с коллектором пятого транзистора p-n-р, а катод пятого фотодиода соединен с базой пятого транзистора p-n-р. Катод шестого фотодиода соединен с коллектором шестого транзистора n-p-n, а анод шестого фотодиода соединен с базой шестого транзистора n-р-n.
Обеспечение возможности исключения (или уменьшения) изолированных источников питания для управления работой транзисторов достигается за счет использования предложенного соединения коллектора и базы транзисторов фотодиодами.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема транзисторного двухфазного частотного преобразователя для двухфазного двигателя; на фиг. 2- тактовая и векторная диаграмма.
Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:
VT1 - VT6 - транзисторы;
VD1 - VD6 - фотодиоды;
Э - эмиттер транзистора;
Б - база коллектора;
К - коллектор транзистора;
+ - плюс источника питания;
- - минус источника питания;
La - обмотка статора первой фазы;
Lб - обмотка статора второй фазы;
• - начало обмотки статора;
- направления вектора магнитного поля статора;
- направления тока в обмотках статора;
1-8 - положение вектора магнитного поля по тактам.
Транзисторный реверсивный частотный преобразователь для двухфазного двигателя содержит первый транзистор p-n-р, второй транзистор n-p-n, третий транзистор p-n-р, четвертый транзистор n-р-n, пятый транзистор p-n-р и шестой транзистор n-р-n, первый диод, второй диод, третий диод, четвертый диод, пятый диод, шестой диод. Коллекторы первого, третьего и пятого транзисторов p-n-р объединены в пары с коллекторами соответственно второго, четвертого и шестого транзисторов n-p-n и подключены к выходам устройства. Эмиттеры первого, третьего и пятого транзисторов р-n-р подключены к плюсу источника питания. Эмиттеры второго, четвертого и шестого транзисторов подключены к минусу источника питания. В качестве диодов использованы фотодиоды. Анод первого фотодиода соединен с коллектором первого транзистора р-n-р, а катод первого фотодиода соединен с базой первого транзистора p-n-р. Катод второго фотодиода соединен с коллектором второго транзистора n-р-n, а анод второго фотодиода соединен с базой второго транзистора n-р-n. Анод третьего фотодиода соединен с коллектором третьего транзистора p-n-р, а катод третьего фотодиода соединен с базой третьего транзистора p-n-р. Катод четвертого фотодиода соединен с коллектором четвертого транзистора n-р-n, а анод четвертого фотодиода соединен с базой четвертого транзистора n-р-n. Анод пятого фотодиода соединен с коллектором пятого транзистора р-n-р, а катод пятого фотодиода соединен с базой пятого транзистора p-n-р. Катод шестого фотодиода соединен с коллектором шестого транзистора n-p-n, а анод шестого фотодиода соединен с базой шестого транзистора n-р-n.
Пример выполнения транзисторного реверсивного частотного преобразователя для двухфазного двигателя представлен на фиг. 1.
К плюсу 1 (+Ud) источника питания подключены эмиттеры первого транзистора 2 (VT1) p-n-р, третьего транзистора 3 (VT3) p-n-р, пятого транзистора 4 (VT5) p-n-р, а к минусу 5 (-Ud) источника питания подключены эмиттеры четвертого транзистора 6 (VT4) n-p-n, шестого транзистора 7 (VT6) n-р-n, второго транзистора 8 (VT2) n-р-n.
Транзисторы объединены между собой в пары путем объединения коллекторов и подключены к выходам преобразователя. Так объединены коллекторы первого транзистора 2 (VT1) p-n-р и четвертого транзистора 6 (VT4) n-p-n и подключены к выходу 9, объединены коллекторы третьего транзистора 3 (VT3) p-n-р и шестого транзистора 7 (VT6) n-p-n и подключены к выходу 10, объединены коллекторы пятого транзистора 4 (VT5) p-n-р и второго транзистора 8 (VT2) n-p-n и подключены к выходу 11.
В качестве диодов использованы первый фотодиод 12 (VD1), третий фотодиод 13 (VD3), пятый фотодиод 14 (VD5), четвертый фотодиод 15 (VD4), шестой фотодиод 16 (VD6), второй фотодиод 17 (VD2).
Коллектор первого транзистора 2 (VT1) соединен с анодом первого фотодиода 12 (VD1), а база первого транзистора 2 (VT1) соединена с катодом первого фотодиода 12 (VD1). Коллектор третьего транзистора 3 (VT3) p-n-р соединен с анодом третьего фотодиода 13 (VD3), а база третьего транзистора 3 (VT3) p-n-р соединена с катодом третьего фотодиода 13 (VD3). Коллектор пятого транзистора 4 (VT5) p-n-р, соединен с анодом пятого фотодиода 14 (VD5) p-n-р, а база пятого транзистора 4 (VT5) р-n-р соединена с катодом пятого фотодиода 14 (VD5).
Коллектор четвертого транзистора 6 (VT4) n-p-n соединен с катодом четвертого фотодиода 15 (VD4), а база четвертого транзистора 6 (VT4) n-р-n соединена с анодом четвертого фотодиода 15 (VD4). Коллектор шестого транзистора 7 (VT6) n-р-n соединен с катодом шестого фотодиода 16 (VD6), а база шестого транзистора 7 (VT6) n-р-n соединена с анодом шестого фотодиода 16 (VD6). Коллектор второго транзистора 8 (VT2) n-р-n соединен с катодом второго фотодиода 17 (VD2), а база второго транзистора 8 (VT2) n-р-n соединена с анодом второго фотодиода 17 (VD2).
Выходы 9, 11 подключены к входам обмоток статора 18 (La) и 19 (Lб) соответственно, а выход 10 подключен к объединенному выходу обмоток статора 18 (La) и 19 (Lб). Работа транзисторного реверсивного частотного преобразователя для двухфазного двигателя происходит следующим образом.
При подаче светового сигнала на фотодиоды 12 (VD1) и 7 (VD6), будет открываться соответствующий фотодиоду транзистор p-n-р или транзистор n-p-n, а именно: для первого положения вектора магнитного поля статора двигателя открываются транзисторы 2 (VT1) и 7 (VT6), ток протекает через обмотку статора 18 (La) в прямом направлении; для второго положения вектора открываются транзисторы 2 (VT1) и 8 (VT2), а транзистор 7 (VT6) закрывается, ток протекает через обмотку статора 18 (La) в прямом направлении и через обмотку статора 19 (Lб) в обратном направлении; для третьего положения вектора открываются транзисторы 3 (VT3) и 8 (VT2), а транзистор 2 (VT1) закрывается, ток протекает через обмотку статора 19 (Lб); для четвертого положения вектора открываются транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT4) и 8 (VT2), ток протекает через обмотки статора 18 (La) и 19 (Lб) в обратном направлении; для пятого положения вектора открываются транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT4), а транзистор 8 (VT2) закрывается, ток протекает через обмотку статора 18 (La) в обратном направлении; для шестого положения вектора открываются транзисторы 4 (VT5) и 6 (VT4), а транзистор 3 (VT3) закрывается, ток протекает через обмотку статора 18 (La) в обратном направлении и через обмотку статора 19 (Lб) в прямом направлении; для седьмого положения вектора открываются транзисторы 4 (VT5) и 7 (VT6), а транзистор 6 (VT4) закрывается, ток протекает через обмотки статора 19 (Lб) в прямом направлении; для восьмого положения вектора открываются транзисторы 2 (VT1), 8 (VT2) и 7 (VT6), ток протекает через обмотку статора 18 (La) в прямом направлении и через обмотку статора 19 (Lб) в прямом направлении; для девятого положения вектора, также как и в первое положение, открываются транзисторы 2 (VT1) и 7 (VT6), а транзистор 4 (VT5) закрывается, в дальнейшем идет повторение для последующих положений векторов.
Для изменения частоты переменного напряжения в широком диапазоне следует изменить частоту тактирования транзисторов по тактам 1-2-3-4-5-6-7-8-1.
Для осуществления реверса требуется открывать транзисторы в обратном порядке, обеспечивая положение векторов по тактам 1-8-7-6-5-4-3-2-1.
Таким образом, использование представленного транзисторного реверсивного частотного преобразователя для двухфазного двигателя позволяет уменьшить потребление электроэнергии без использования дополнительных изолированных источников питания, так как транзисторы питаются от общего источника постоянного напряжения через фотодиоды, не требующие наличия дополнительных изолированных источников питания для работы системы управления транзисторами.