ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ

Предлагаемая полезная модель относится к преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в регулируемом электроприводе переменного тока для питания асинхронных трехфазных двигателей, статорные обмотки которых соединены в звезду.
Известно устройство регулирования частоты вращения асинхронного трехфазного электродвигателя от однофазной сети, содержащее полупроводниковые ключи, в качестве которых использованы такие силовые элементы, как три симистора или шесть тиристоров для коммутации обмоток электродвигателя. Один из выходов симистора или тиристора подключен к фазе питающей сети, а другой выход тиристора или симистора подключен к соответствующей обмотке статора. При этом статорные обмотки асинхронного трехфазного электродвигателя соединены в звезду, а нулевой вывод электродвигателя подключен к нулю питающей сети (Глазенко Т.А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т.А.Глазенко. - Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. - С.61, рис.2-12, схема №12).
Основными недостатками устройства регулирования частоты вращения асинхронного трехфазного электродвигателя от однофазной сети являются низкая надежность и большие габариты вследствие использования большого числа полупроводниковых ключей.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является регулируемый однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий полупроводниковые ключи на основе транзисторов, подключенные к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети. В качестве транзисторов использованы биполярные транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте, выполненные на основе симметричной внутренней структуры. (Патент RU 95198 МПК H02M 5/297 (2006.01)).
Основными недостатками этого регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью, являются низкая надежность вследствие повышенного нагрева по причине потребления управляющего тока в ключевом режиме из-за работы биполярных транзисторов на переменном токе, а также сложность системы управления ввиду необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзистор в каждый момент времени.
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи повышения надежности устройства и упрощения системы управления.
Для решения поставленной задачи в однофазно-трехфазном транзисторном преобразователе частоты, ведомом сетью, содержащем полупроводниковые ключи на основе транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях, подключенные к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду, причем в качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети, согласно полезной модели в качестве транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях, использованы полевые транзисторы.
Повышение надежности и упрощение системы управления однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью, достигается путем использования полевых транзисторов при отсутствии необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзисторы, и подачи на транзисторы тока, так как управление полевым транзистором осуществляется электростатическим полем, создаваемым зарядами.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения, для положительной полуволны питающего напряжения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.3-векторная диаграмма вращения, для отрицательной полуволны питающего напряжения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.4 - векторная диаграмма вращения состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и на фиг.3, в зависимости от полуволны напряжения, направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора; на фиг.6 - изменение напряжения в обмотках статора во времени, в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны питающего напряжения; на фиг.7 - для более высокой частоты пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны напряжения, направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора; на фиг.8 - для более высокой частоты изменение напряжения в обмотках статора во времени, в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны питающего напряжения; на фиг.9 - для частоты 16,67 Гц пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4, в зависимости от полуволны напряжения, направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора; на фиг.10 - для частоты регулирования 16,67 Гц изменение напряжения в обмотках статора во времени, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4.
Кроме того, на чертеже изображено следующее:
Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- С1-С3 - статорные обмотки;
- VT1 -VT3 - полевые транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора;
- t0-t12 - моменты времени;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- Uсети=f(t) - изменение однофазного питающего напряжения во времени;
- прямые линии со стрелками - векторное направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Однофазно-трехфазный транзисторный преобразователь частоты, ведомый сетью, содержит полупроводниковые ключи на основе полевых транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях. В качестве полевых транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях, использованы полевые транзисторы. Полупроводниковые ключи подсоединены к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети.
Сток транзистора 1 (VT1) подключен к фазе питающей сети, а исток транзистора 1 (VT1) соединен с началом 2 статорной обмотки (С1) двигателя. Сток транзистора 3 (VT2) подключен к фазе питающей сети, а исток транзистора 3 (VT2) соединен с началом 4 статорной обмотки (С2) двигателя. Сток транзистора 5 (VT3) подключен к фазе питающей сети, а исток транзистора 5 (VT3) соединен с началом 6 статорной обмотки (С3) двигателя. Концы трех обмоток статора двигателя соединены между собой как нулевая точка 7 звезды, которая подсоединена к нулю питающей сети.
Транзисторы 1 (VT1), 3 (VT2) и 5 (VT3), пропускающие ток в обоих направлениях, являются полевыми.
Работа однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью, происходит следующим образом. В статорные обмотки асинхронного трехфазного двигателя подается однофазное переменное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора с требуемыми характеристиками.
С помощью однофазно-трехфазного транзисторного преобразователя частоты, ведомого сетью, возможно осуществить векторно-алгоритмическое управление трехфазным асинхронным электродвигателем, создавая последовательно несколько типов вращающихся полей статора, например, прохождением трех (см. фиг.2 и фиг.3) положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Первоначально на затворы транзисторов 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3) подано напряжения, создающее электрическое поле для закрытия транзисторов. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3), обеспечивающих векторное управление асинхронным трехфазным электродвигателем прохождением трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за положительную полуволну и трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за отрицательную полуволну:
- в момент времени t0 положительного полупериода питающего напряжения снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t1 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t2 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t3 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t4 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t5 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 5 (VT3) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток.
СЕТИ
Здесь предлагаемый преобразователь позволяет при данном алгоритме питать двигатель напряжением с частотой 2f/ и является высокочастотным преобразователем частоты.
Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3), которое обеспечивает векторное управление асинхронным трехфазным электродвигателем при двукратном прохождении трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за положительную полуволну и двукратном прохождении трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за отрицательную полуволну:
- в момент времени t0 положительного полупериода питающего напряжения снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t1 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t2 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t3 положительного полупериода питающего напряжения снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;
- в момент времени t4 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;
- в момент времени t5 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени;
- в момент времени t6 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;
- в момент времени t7 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;
- в момент времени t8 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 5 (VT3) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени;
- в момент времени t9 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;
- в момент времени t10 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;
- в момент времени t11 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 5 (VT3) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток; повторяется положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени.
СЕТИ
При данном алгоритме однофазно-трехфазный транзисторный преобразователь частоты, ведомый сетью, позволяет питать двигатель напряжением с частотой 4f.
Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3), обеспечивающих векторное управление асинхронным трехфазным электродвигателем прохождением шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора за один оборот двигателя:
- в момент времени t0 положительного полупериода питающего напряжения снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t1 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 5 (VT3) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t2 положительного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 3 (VT2) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t3 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t4 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 5 (VT3) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и они начинают пропускать ток;
- в момент времени t5 отрицательного полупериода питающего напряжения подается напряжение на затвор транзистора 1 (VT1) и он перестает пропускать ток, снимается напряжение с затвора транзисторов 3 (VT2) и 5 (VT3) и они начинают пропускать ток.
То есть предлагаемый преобразователь позволяет, при данном алгоритме, питать двигатель напряжением с частотой  и является низкочастотным преобразователем частоты.
Таким образом, предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными преобразователями частоты из-за более высокой надежности и упрощенной системы управления.