ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
WIDE-BAND THREE-PHASE FREQUENCY CONVERTER WITH CLEARLY EXPRESSED DIRECT CURRENT LINK FOR FEEDING THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам широкополосного преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей.
Известно устройство формирования трехфазного напряжения в обмотках электродвигателя, содержащее ключевые усилительные каскады, собранные на транзисторах, систему управления транзисторами, выполненную на полупроводниковых микросхемах, диоды, защищающие транзисторы от коммутационных «всплесков» напряжения, а также стабилизированный и нестабилизированный источники питания устройства. Обмотки электродвигателя включены в коллекторные цепи транзисторов и зашунтированы диодами (Мухин М. Трехфазный ток - это очень просто. / М.Мухин // Радио. - М. 1999. - №11. - С.54, рис.1).
Основным недостатком описанного устройства формирования трехфазного напряжения в обмотках электродвигателя является повышенный нагрев электродвигателя вследствие отсутствия отрицательной полуволны напряжения на обмотках электродвигателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство питания трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержащее две полупроводниковые вентильные группы на основе диодов и на основе транзисторов, по два соединенных транзистора структуры p-n-p и n-p-n соответственно, подключенные к статорным обмоткам двигателя, соединенным в звезду. Первая вентильная группа выполнена в виде диодного выпрямительного моста, первый вход переменного напряжения которого соединен с фазой питающей сети, второй вход переменного напряжения соединен с нулем питающей сети. Вторая вентильная группа выполнена на шести транзисторах, предназначенных для обеспечения векторно-алгоритмической коммутации обмоток, по два транзистора структур p-n-p и n-p-n на каждую обмотку двигателя. Коллекторы трех транзисторов структуры p-n-p подсоединены к коллекторам трех транзисторов структуры n-p-n и к началам статорных обмоток. Эмиттеры этих трех транзисторов структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, а эмиттеры этих трех транзисторов структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста (патент RU 2402864, МПК Н02Р 1/26 (2006.01), Н02Р 1/42 (2006.01), Н02М 5/27 (2006.01)).
Основным недостатком этого полупроводникового устройства питания трехфазного асинхронного электродвигателя является пониженное значение момента электродвигателя вследствие уменьшенного в два раза напряжения, поступающего на каждую из двух попарно работающих статорных обмоток электродвигателя, а также по причине того, что в каждый рабочий промежуток времени одновременно работают только две обмотки, обеспечивающие вращательный момент электродвигателя.
Предлагаемым изобретением решается задача увеличения значения электромагнитного момента, развиваемого трехфазным асинхронным электродвигателем.
Для решения поставленной задачи в широкополосном трехфазном преобразователе частоты с явно выраженным звеном постоянного тока для питания трехфазного асинхронного электродвигателя, содержащем две полупроводниковые вентильные группы на основе диодов и на основе транзисторов, по два соединенных транзистора структуры p-n-p и n-p-n соответственно, при этом первая вентильная группа выполнена в виде диодного выпрямительного моста, первый вход переменного напряжения которого соединен с фазой питающей сети, второй вход переменного напряжения соединен с нулем питающей сети, во второй вентильной группе коллекторы трех транзисторов структуры p-n-p подсоединены к коллекторам трех транзисторов структуры n-p-n и к началам статорных обмоток, эмиттеры этих трех транзисторов структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, а эмиттеры этих трех транзисторов структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста, согласно изобретению во второй вентильной группе использованы дополнительные шесть транзисторов p-n-p и n-p-n структур, подключенных к концам статорных обмоток. Коллекторы трех дополнительных транзисторов структуры p-n-p подсоединены к коллекторам трех дополнительных транзисторов структуры n-p-n и к концам статорных обмоток, эмиттеры этих трех дополнительных транзисторов структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, эмиттеры этих трех дополнительных транзисторов структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста.
Увеличение значения момента трехфазного асинхронного электродвигателя обусловлено изменением схемы подключения второй вентильной группы путем введения шести дополнительных транзисторов p-n-p и n-p-n структур, подсоединенных к концам статорных обмоток, при функционировании в каждый рабочий промежуток времени одновременно трех обмоток электродвигателя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого широкополосного трехфазного преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока для питания трехфазного асинхронного электродвигателя; на фиг.2 изображена векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из трех фиксированных положений магнитного потока статора; на фиг.3 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, а также открываемые транзисторы.
Кроме того, на чертежах использованы следующие обозначения:
- Ф - фаза питающей сети;
- 0 - ноль питающей сети;
- А, В, С - статорные обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя;
- I, II, III - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора трехфазного асинхронного двигателя;
- t1, t2, t3, t4 - моменты времени;
А
- U, Uв, Uc - напряжение на статорных обмотках А, В и С соответственно;
- длинные сплошные стрелки - направление вектора магнитного поля в статорных обмотках электродвигателя.
Широкополосный трехфазный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока для питания трехфазного асинхронного электродвигателя содержит две полупроводниковые вентильные группы на основе диодов и на основе транзисторов соответственно.
Первая вентильная группа выполнена в виде диодного выпрямительного моста. Первый вход 1 переменного напряжения первой вентильной группы 2 соединен с фазой питающей сети, второй вход 3 переменного напряжения первой вентильной группы 2 соединен с нулем питающей сети.
Во второй вентильной группе 4 коллектор транзистора 5 (VT1) структуры p-n-p соединен с коллектором транзистора 6 (VT2) структуры n-p-n, и их общий вывод подключен к началу 7 (С1) первой статорной обмотки А электродвигателя, коллектор дополнительного транзистора 8 (VT3) структуры p-n-p соединен с коллектором дополнительного транзистора 9 (VT4) структуры n-p-n и их общий вывод подключен к концу 10 (С2) первой статорной обмотки А электродвигателя. Коллектор транзистора 11 (VT5) структуры p-n-p соединен с коллектором транзистора 12 (VT6) структуры n-p-n, и их общий вывод подключен к началу 13 (С3) второй статорной обмотки В электродвигателя, коллектор дополнительного транзистора 14 (VT7) структуры p-n-p соединен с коллектором дополнительного транзистора 15 (VT8) структуры n-p-n, и их общий вывод подключен к концу 16 (С4) второй статорной обмотки В электродвигателя. Коллектор транзистора 17 (VT9) структуры p-n-p соединен с коллектором транзистора 18 (VT10) структуры n-p-n, и их общий вывод подключен к началу 19 (С5) третьей статорной обмотки С электродвигателя, коллектор дополнительного транзистора 20 (VT11) структуры p-n-p соединен с коллектором дополнительного транзистора 21 (VT12) структуры n-p-n, и их общий вывод подключен к концу 22 (С6) третьей статорной обмотки С электродвигателя.
Эмиттеры транзистора 5 (VT1) структуры p-n-p, транзистора 11 (VT5) структуры p-n-p, транзистора 17 (VT9) структуры p-n-p, дополнительного транзистора 8 (VT3) структуры p-n-p, дополнительного транзистора 14 (VT7) структуры p-n-p, дополнительного транзистора 20 (VT11) структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста.
Эмиттеры транзистора 6 (VT2) структуры n-p-n, транзистора 12 (VT6) структуры n-p-n, транзистора 18 (VT10) структуры n-p-n, дополнительного транзистора 9 (VT4) структуры n-p-n, дополнительного транзистора 15 (VT8) структуры n-p-n, дополнительного транзистора 21 (VT12) структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста.
Таким образом, во второй вентильной группе 4 коллекторы трех транзисторов 5 (VT1) структуры p-n-p, 11 (VT5) структуры p-n-p, 17 (VT9) структуры p-n-p подсоединены к коллекторам трех транзисторов 6 (VT2) структуры n-p-n, 12 (VT6) структуры n-p-n, 18 (VT10) структуры n-p-n и к началам 7 (С1), 13 (С3), 19 (С5) статорных обмоток соответственно А, В, С, эмиттеры этих трех транзисторов 5 (VT1) структуры p-n-p, 11 (VT5) структуры p-n-p, 17 (VT9) структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, а эмиттеры этих трех транзисторов 6 (VT2) структуры n-p-n, 12 (VT6) структуры n-p-n, 18 (VT10) структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; коллекторы трех дополнительных транзисторов 8 (VT3) структуры p-n-p, 14 (VT7) структуры p-n-p, 20 (VT11) структуры p-n-p подсоединены к коллекторам трех дополнительных транзисторов 9 (VT4) структуры n-p-n, 15 (VT8) структуры n-p-n, 21 (VT12) структуры n-p-n и к концам 10 (С2), 16 (С4), 22 (С6) статорных обмоток соответственно А, В, С, эмиттеры этих трех дополнительных транзисторов 8 (VT3) структуры p-n-p, 14 (VT7) структуры p-n-p, 20 (VT11) структуры p-n-p подключены к плюсу выпрямленного напряжения диодного моста, эмиттеры этих трех дополнительных транзисторов 9 (VT4) структуры n-p-n, 15 (VT8) структуры n-p-n, 21 (VT12) структуры n-p-n подключены к минусу выпрямленного напряжения диодного моста.
Работа широкополосного трехфазного преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока для питания трехфазного асинхронного электродвигателя осуществляется следующим образом. В начальный момент времени t0 открываются транзисторы 8 (VT3) и 6 (VT2) (фиг 3.), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через конец 10 (С2) к началу 7 (С1) первой статорной обмотки А электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 14 (VT7) и 12 (VT6), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через конец 16 (С4) к началу 13 (С3) второй статорной обмотки В электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 20 (VT11) и 18 (VT10), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через конец 22 (С6) к началу 19 (С5) третьей статорной обмотки С электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста. Образуется первое положение вектора магнитного поля статора вследствие одновременного действия магнитного потока трех обмоток.
В момент времени t1 открываются транзисторы 5 (VT1) и 9 (VT4), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста от начала 7 (С1) через конец 10 (С2) первой статорной обмотки А электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 14 (VT7) и 12 (VT6), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через конец 16 (С4) к началу 13 (С3) второй статорной обмотки В электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 17 (VT9) и 21 (VT12), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через начало 19 (С5) к концу 22 (С6) третьей статорной обмотки С электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора вследствие одновременного действия магнитного потока трех обмоток.
В момент времени t2 открываются транзисторы 8 (VT3) и 6 (VT2) (фиг 3.), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через конец 10 (С2) к началу 7 (С1) первой статорной обмотки А электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 11 (VT5) и 15 (VT8), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через начало 12 (С3) к концу 16 (С4) второй статорной обмотки В электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста; открываются транзисторы 17 (VT9) и 21 (VT12), ток пойдет от плюса выпрямленного напряжения диодного моста через начало 19 (С5) к концу 22 (С6) третьей статорной обмотки С электродвигателя и к минусу выпрямленного напряжения диодного моста. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора вследствие одновременного действия магнитного потока трех обмоток. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени.
В следующий момент времени t3 порядок работы широкополосного трехфазного преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока для питания трехфазного асинхронного электродвигателя повторяется.
Таким образом, предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высокого электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем.