ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ ОДНОФАЗНОЙ СЕТЬЮ

Предлагаемое изобретение относится к однофазно - трехфазным низкочастотным преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью, и может быть использовано в электроприводе для питания асинхронных трехфазных и синхронных электродвигателей.
Известен трехфазный низкочастотный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый трехфазной сетью, образованный из трех трехфазных нулевых тиристорных выпрямителей, выходами подключенных к входам трех обмоток статора, включенных в звезду. При этом нулевая точка источника питания подсоединяется к нулевой точке трехфазного асинхронного двигателя (Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я.Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С.42, рис.2-10а.).
Основными недостатками этого низкочастотного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого трехфазной сетью, являются отсутствие возможности использования в однофазной сети и нарушения режима работы асинхронного двигателя и его характеристик вследствие подачи на обмотки статора однонаправленного выпрямленного напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержащее полупроводниковые вентили, в качестве которых использованы такие силовые элементы, как три симистора или шесть тиристоров для коммутации обмоток электродвигателя. Полупроводниковые вентили включены по трем нулевым встречно-nараллельным схемам выпрямления. В каждой нулевой встречно-nараллельной схеме выпрямления один из выходов симистора или тиристора подключен к нулю питающей сети, а другой выход тиристора или симистора - к соответствующей обмотке статора. Средняя точка каждой из трех схем подключена к соответствующему входу одной из статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя. При этом статорные обмотки электродвигателя соединены по типу звезда, а нулевой вывод электродвигателя подключен к фазе питающей сети. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания трехфазного асинхронного двигателя. При этом вектор поля статора может вращаться только с частотой в 3 раза меньше, чем частота питающей сети (Глазенко Т.А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т.А.Глазенко. - Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. - С.61, рис.12-12, №12).
Основными недостатками описанного устройства регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети являются узкий диапазон регулирования скорости электродвигателя ввиду получения одного вида вращающегося магнитного поля, неравномерность получаемого вращающегося магнитного поля, вследствие использования нулевого провода. Кроме того регулирование частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя осуществляется частотным методом, когда формированием выходного напряжения осуществляется за счет модуляции сети напряжением более низкой частоты, что требует не только сложной системы управления, но и значительно ухудшает качество получаемой низкой частоты.
В предлагаемом изобретении решается задача расширения диапазона регулирования скорости электродвигателя, путем получения нескольких вариантов вращающихся с разной частотой магнитных полей при изменении векторно-алгоритмической последовательности коммутации обмоток, а также получения более равномерного вращающегося магнитного поля, что улучшает качество получаемой низкой частоты.
Для решения поставленной задачи в однофазно - трехфазном низкочастотном преобразователе частоты, ведомом однофазной сетью, содержащем полупроводниковые вентили, подсоединенные к питающей сети, включенные по трем нулевым встречно-nараллельным схемам выпрямления, при подключении средней точки каждой из трех схем к соответствующему входу одной из статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, обмотки которого соединены в звезду, причем в качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания трехфазного асинхронного двигателя, согласно изобретению нулевые встречно-nараллельные схемы выпрямления предназначены для обеспечения возможности изменения направления вращения вектора магнитного потока поля статора.
Использование однофазно - трехфазного преобразователя частоты в однофазной сети предназначено для создания вращающегося магнитного поля статора при коммутации полупроводниковых вентилей, как в положительный, так и в отрицательный полупериоды питающего напряжения в заданной последовательности для обеспечения фиксированного положения магнитного потока, что позволяет получить требуемое направление тока в обмотках статора для создания вращающегося магнитного поля при векторно-алгоритмической последовательности коммутации обмоток.
Расширение диапазона регулирования скорости электродвигателя достигается за счет получения вращающихся с разной частотой магнитных полей путем изменения векторно-алгоритмической последовательности коммутации обмоток.
Получение более равномерного вращающегося магнитного поля достигается путем исключения нулевого провода.
Предлагаемое регулирование частоты вращения асинхронного двигателя осуществляется за счет векторно-алгоритмической последовательности открытия полупроводниковых вентилей, что существенно отличается от частотного метода регулирования.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого однофазно - трехфазного низкочастотного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью, при выполнении полупроводниковых вентилей на тиристорах; на фиг.2 - то же при выполнении полупроводниковых вентилей на симисторах; на фиг.3 - то же при выполнении полупроводниковых вентилей на транзисторах; на фиг.4 - векторная диаграмма вращения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.5 - векторная диаграмма вращения, состоящего из четырех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.6 - векторная диаграмма вращения, состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4; на фиг.8 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.10 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.11 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6; на фиг.12 - направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6.
Кроме того, на чертеже изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- С1-С3 - входы статорных обмоток;
- V1-V12 - тиристоры;
- VS1-VS6 - симисторы;
- VT1-VT12 - транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- Uсети =f(t) - изменение питающего напряжения во времени;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Однофазно - трехфазный низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, содержит полупроводниковые вентили, подсоединенные к питающей сети. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть фаза-ноль переменного тока для питания трехфазного асинхронного двигателя. Полупроводниковые вентили включены по трем нулевым однофазным встречно - параллельным схемам выпрямления, предназначенным для обеспечения возможности изменения направления вращения вектора магнитного потока поля статора. Средняя точка каждой из трех схем подключена к соответствующему входу одной из статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, обмотки которого соединены в звезду.
Пример выполнения однофазно - трехфазного низкочастотного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью, у которого полупроводниковые вентили собраны на тиристорах. Первая нулевая однофазная нулевая встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 1, 2, 3, 4, при этом анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 1 (VI), и катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 2 (V2,) подключены к фазе питающей сети, а катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 3 (V3,) и анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 4 (V4), подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 5 этой схемы подключена к входу 6 (С1) статорной обмотки двигателя. Вторая нулевая однофазная нулевая встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 7, 8, 9, 10, при этом анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 7 (V5), и катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 8 (V6), подключены к фазе питающей сети, а катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 9 (V7), и анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 10 (V8), подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 11 этой схемы подключена к входу 12 (С2) статорной обмотки двигателя. Третья нулевая однофазная встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 13, 14, 15, 16, при этом анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 13 (V9), и катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 14 (V10), подключены к фазе питающей сети, а катод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 15 (VII) и анод полупроводникового вентиля, выполненного на тиристоре 16 (VI 2) подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 17 этой схемы подключена к входу 18 (С3) статорной обмотки двигателя. Обмотки с входами 6, 12, 18 (С1, С2, С3) двигателя соединены в звезду (фиг.1).
Пример выполнения однофазно - трехфазного низкочастотного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью, у которого полупроводниковые вентили собраны на симисторах. При этом каждый симистор представляет собой пару встречно - параллельно соединенных между собой тиристоров. Первая нулевая однофазная встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковый вентиль 19 (VS1), вход которого подключен к фазе питающей сети, а выход - к средней точке 20 схемы, и полупроводниковый вентиль 21 (VS2), вход которого подключен к нулю питающей сети, а выход - к средней точке 20 схемы выпрямления, которая в свою очередь подсоединена к входу 22 (С1) статорной обмотки двигателя. Вторая нулевая однофазная встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковый вентиль 23 (VS3), вход которого подключен к фазе питающей сети, а выход - к средней точке 24 схемы, и полупроводниковый вентиль 25 (VS4), вход которого подключен к нулю питающей сети, а выход - к средней точке 24 схемы выпрямления, которая в свою очередь подсоединена к входу 26 (С2) статорной обмотки двигателя. Третья нулевая однофазная встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковый вентиль 27 (VS5), вход которого подключен к фазе питающей сети, а выход - к средней точке 28 схемы, и полупроводниковый вентиль 29 (VS6), вход которого подключен к нулю питающей сети, а выход - к средней точке 28 схемы выпрямления, которая в свою очередь подсоединена к входу 30 (С3) статорной обмотки двигателя. Обмотки с входами 22, 26, 30 (С1, С2, С3) двигателя соединены в звезду (фиг.2).
Пример выполнения однофазно - трехфазного низкочастотного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью, у которого полупроводниковые вентили собраны на транзисторах. Первая нулевая однофазная встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 31, 32, 33, 34, при этом эмиттеры полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 31, 32 (VT1, VT2) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 33, 34 (VT3, VT4), подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 35 этой схемы подключена к входу 36 (С1) статорной обмотки двигателя. Вторая однофазная нулевая встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 37, 38, 39, 40, при этом эмиттеры полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 37, 38 (VT5, VT6) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 39, 40 (VT7, VT8), подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 41 этой схемы подключена к входу 42 (С2) статорной обмотки двигателя. Третья однофазная нулевая встречно - параллельная схема выпрямления содержит полупроводниковые вентили 43, 44, 45, 46, при этом эмиттеры полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 43, 44 (VT9, VT10) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы полупроводниковых вентилей, выполненных на транзисторах 45, 46 (VT11, VT12), подключены к нулю питающей сети. Средняя точка 47 этой схемы подключена к входу 48 (СЗ) статорной обмотки двигателя. Транзисторы 31, 33, 37, 39, 43, 45 имеют структуру р-n-р. Транзисторы 32, 34, 38, 40, 44, 46 имеют структуру n-р-n. Обмотки с входами 36,42,48 (С1, С2, С3) двигателя соединены в звезду (фиг.3).
Однофазно - трехфазный низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, работает следующим образом,
Для получения вращающегося магнитного поля в статорной обмотке необходимо включать вентили в определенной последовательности.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.4 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать тиристоры 1-4, 7-10, 13-16 (V1÷V12) в следующей последовательности:
одновременно
V3, V5, V9
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
V4, V6, V12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
V1, V5, V11
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
V2, V8, V12
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
V1, V7, V9
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
V4, V8, V10
- III положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.4 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать симисторы 19, 21, 23, 25, 27, 29 (VS1÷VS6) в следующей последовательности:
одновременно
VS2, VS3, VS5
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS2, VS3, VS6
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS3, VS6
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS4, VS6
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS4, VS5
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно VS2, VS4, VS5 - III положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.4 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 31-34, 37-40, 43-46 (VT1÷VT12) в следующей последовательности:
одновременно
VT3, VT5, VT9
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT4, VT6, VT12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT1, VT5, VT11
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT2, VT8, VT12
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT1, VT7, VT9
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT4, VT8, VT10
- III положение вектора поля статора.
При вышеописанных последовательностях включения тиристоров, симисторов, транзисторов, данный однофазно - трехфазный низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, позволяет работать двигателю на частоте .
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.5 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать тиристоры 1-4, 7-10, 13-16 (VI-V12) в следующей последовательности:
одновременно
V3, V9
- 1 положение вектора поля статора, затем
одновременно
V4, V6, V12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
V1, V11
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
V2, V8, V10
- IV положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.5 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать симисторы 19, 21, 23, 25, 27, 29 (VS1-VS6) в следующей последовательности:
одновременно
VS2, VS5
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS2, VS3, VS6
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS6
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS4, VS5
- IV положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.5 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 31-34, 37-40, 43-46 (VT1-VT12) в следующей последовательности:
одновременно
VT3, VT9
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT4, VT6, VT12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT1, VT11
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT2, VT8, VT10
- IV положение вектора поля статора.
При вышеописанных последовательностях включения тиристоров, симисторов, транзисторов, данный однофазно - трехфазный низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, позволяет работать двигателю на частоте .
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.6 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать тиристоры 1-4, 7-10, 13-16 (V1÷V12) в следующей последовательности:
одновременно
V3, V5, V9
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
V2, V6, V12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
V1, V7, V9
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
V4, V6, V10
- IV положение вектора поля статора, затем
одновременно
V1, V5, V11
- V положение вектора поля статора, затем
одновременно
V2, V8, V10
- VI положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.6 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать симисторы 19, 21, 23, 25, 27, 29 (VS1÷VS6) в следующей последовательности:
одновременно
VS2, VS3, VS5
- I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS3, VS6
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS4, VS5
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS2, VS3, VS5
- IV положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS3, VS6
- V положение вектора поля статора, затем
одновременно
VS1, VS4, VS5
- VI положение вектора поля статора.
Для обеспечения вращения поля статора в последовательности, показанной на фиг.6 векторной диаграммой вращения поля статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI (фиксированное положение магнитного потока), необходимо включать транзисторы 31-34, 37-40,43-46 (VT1÷VT12) в следующей последовательности:
одновременно VT3, VT5, VT9 - I положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT2, VT6, VT12
- II положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT1, VT7, VT9
- III положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT4, VT6, VT10
- IV положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT1, VT5, VT11
- V положение вектора поля статора, затем
одновременно
VT2, VT8, VT10
- VI положение вектора поля статора.
Кроме того, для изменения частоты можно пропускать на одном такте переключения векторов не одну полуволну питающего напряжения, а две, три и т.д. Последовательности включения тиристоров, симисторов, транзисторов при пропускании на одном такте переключения векторов двух и трех полуволн питающего напряжения аналогичны вышеописанным (см. фиг.4-12).
На основе анализа диаграмм зависимость между частотой питающего двигатель напряжения и параметрами низкочастотного преобразователя выглядит следующим образом:
c
где f - частота питающей сети;
n - количество полупериодов на один оборот двигателя;
а - количество полупериодов в одном положении двигателя.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить диапазон регулирования скорости электродвигателя, получить более равномерное вращающееся магнитное поле при использовании векторно-алгоритмической последовательности открытия полупроводниковых вентилей.