Полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым и может быть применена для пуска и реверса трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от однофазной сети, статорные обмотки которого соединены по схеме "треугольник".
Известно устройство бесконденсаторного запуска трехфазного короткозамкнутого асинхронного электродвигателя от однофазной сети, у которого статорные обмотки соединены по схеме «треугольник». Устройство содержит пару встречно-параллельно соединенных динисторов. Один общий выход динисторов предназначен для подключения к выводам статорных обмоток, одна из которых одним выводом соединена с нулем однофазной сети, а другим выводом - с фазой однофазной сети. Другой общий выход динисторов предназначен для соединения с выходами обмоток, одна из которывх соединена с нулем однофазной сети, а другая - с фазой однофазной сети (патент RU 2370876, МПК Н02Р 1/42 (2006.01), Н02Р 1/26 (2006.01)).
Недостатком данного устройства является непредсказуемость направления вращения ротора электродвигателя.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержащее два реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками трехфазного асинхронного электродвигателя, связанными по схеме "треугольник". Два реверсивных полупроводниковых коммутатора выполнены на двух парах полупроводниковых ключей, являющихся n-p-n транзисторами. В первой паре полупроводниковых ключей коллектор первого транзистора объединен с эмиттером второго транзистора в первую общую точку и их общий вход предназначен для соединения с фазой питающей сети, эмиттер первого транзистора объединен с коллектором второго транзистора во вторую общую точку и их общий вывод предназначен для соединения с выводами первой и второй статорных обмоток. Во второй паре полупроводниковых ключей эмиттер третьего транзистора объединен с коллектором четвертого транзистора в первую общую точку и их общий вывод предназначен для соединения с выводами второй и третьей статорных обмоток, коллектор третьего транзистора объединен с эмиттером четвертого транзистора во вторую общую точку и их общий вывод предназначен для соединения с фазой питающей сети. Общий вывод первой и третьей статорных обмоток подключен к нулю питающей сети. Так как благодаря полупроводниковым коммутаторам можно получить только шесть векторов, то скорость двигателя при таком подключении остается неизменной, (патент RU 2385527, МПК Н02Р 1/26 (2006.01), Н02М 5/257 (2006.01)).
Основным недостатком данного устройства является сниженная мощность, снимаемая с вала электродвигателя, вследствие пониженного вращающего момента, развиваемого электродвигателем, обусловленного узким эллиптическим вращающимся полем статора.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в создании полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети, которое позволяет повысить мощность, снимаемую с вала электродвигателя.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в полупроводниковом устройстве бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети, содержащем два реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками трехфазного асинхронного электродвигателя, связанными по схеме "треугольник", и выполненные на парах полупроводниковых ключей, являющихся n-p-n транзисторами, при этом в первой паре полупроводниковых ключей коллектор первого транзистора объединен с эмиттером второго транзистора в первую общую точку и их общий вход предназначен для соединения с фазой питающей сети, эмиттер первого транзистора объединен с коллектором второго транзистора во вторую общую точку, во второй паре полупроводниковых ключей эмиттер третьего транзистора объединен с коллектором четвертого транзистора в первую общую точку и их общий вывод предназначен для соединения с выводами второй и третьей статорных обмоток, и коллектор третьего транзистора объединен с эмиттером четвертого транзистора во вторую общую точку, общий вывод первой и третьей статорных обмоток подключен к нулю питающей сети, согласно полезной модели в первой паре полупроводниковых ключей общий вход коллектора первого транзистора и эмиттера второго транзистора предназначен для соединения с выводами первой и второй статорных обмоток, а общий вход эмиттера первого транзистора и коллектора второго транзистора предназначен для соединения с выводами второй и третьей статорных обмоток и соединен с общим входом эмиттера третьего транзистора и коллектора четвертого транзистора второй пары полупроводниковых ключей, в которой общий вход коллектора третьего транзистора и эмиттера четвертого транзистора предназначен для соединения с выводами первой и третьей статорных обмоток.
Повышение мощности, снимаемой с вала электродвигателя, объясняется увеличением момента, развиваемого электродвигателем, вследствие создания равномерного вращающегося поля статора путем включения двух полупроводниковых ключей параллельно двум обмоткам статора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети; на фиг. 2 - векторная диаграмма магнитного поля статора с шестью векторами; на фиг. 3 - векторная диаграмма магнитного поля статора с восемью векторами; на фиг. 4 - тактовая диаграмма для построения шести векторов магнитного поля статора; на фиг. 5 - тактовая диаграмма для построения восьми векторов магнитного поля статора.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- VT1, VT2, VT3, VT4 - транзисторы;
- Э - эмиттер;
- К - коллектор;
- Б - база;
- U~ - переменное напряжение питающей сети;
- Ф - фаза питающего напряжения;
- 0 - ноль питающего напряжения;
- А, В, С - статорные обмотки;
- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя;
- VII(I) - начало нового цикла тактирования полупроводниковых ключей при создании шести векторов;
- IX(I) - начало нового цикла тактирования полупроводниковых ключей при создании восьми векторов;
- дугообразные линии со стрелками - направления вращения магнитного потока поля статора;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока в статорных обмотках трехфазного асинхронного электродвигателя.
Полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети содержит два реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками трехфазного асинхронного электродвигателя, связанными по схеме "треугольник" и выполненные на парах полупроводниковых ключей, все четыре из которых являются n-p-n транзисторами. В первой паре полупроводниковых ключей коллектор первого транзистора объединен с эмиттером второго транзистора в первую общую точку и их общий вход предназначен для соединения с фазой питающей сети и для соединения с выводами первой и второй статорных обмоток, эмиттер первого транзистора объединен с коллектором второго транзистора во вторую общую точку, и их общий вход предназначен для соединения с выводами второй и третьей статорных обмоток и соединен с общим входом эмиттера третьего транзистора и коллектора четвертого транзистора второй пары полупроводниковых ключей. Во второй паре полупроводниковых ключей эмиттер третьего транзистора объединен с коллектором четвертого транзистора в первую общую точку и их общий вывод предназначен для соединения с выводами второй и третьей статорных обмоток, и коллектор третьего транзистора объединен с эмиттером четвертого транзистора во вторую общую точку, и их общий вход предназначен для соединения с выводами первой и третьей статорных обмоток. Общий вывод первой и третьей статорных обмоток подключен к нулю питающей сети.
Таким образом, полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети содержит пару полупроводниковых ключей, выполненных на n-p-n первом транзисторе 1 (VT1) и n-р-n втором транзисторе 2 (VT2), и пару полупроводниковых ключей, выполненную на n-р-n третьем транзисторе 3 (VT3) и n-p-n четвертом транзисторе 4 (VT4), включенных встречно - параллельно по два транзистора, в каждом из двух реверсивных полупроводниковых коммутаторов, предназначенных для соединения с первой статорной обмоткой 5 (А), второй статорной обмоткой 6 (В) и третьей статорной обмоткой 7 (С) трехфазного асинхронного электродвигателя, связанными по схеме "треугольник". Общий вывод первой статорной обмотки 5 (А) и третьей статорной обмотки 7 (С) подключен к нулю 8 (0) питающей сети. Так начало статорной обмотки 5 (А) соединено с нулем 8 (0) питающего напряжения, конец статорной обмотки 5 (А) соединен с фазой 9 (Ф) питающей сети.
В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор первого транзистора 1 (VT1) соединен с эмиттером второго транзистора 2 (VT2), образуя первую общую точку 10, и их общий вход предназначен для соединения с фазой 9 (Ф) питающей сети и с выводами первой статорной обмотки 5 (А) и второй статорной обмотки 6 (В); эмиттер первого транзистора 1 (VT1) соединен с коллектором второго транзистора 2 (VT2), образуя вторую общую точку 11, и их общий вход предназначен для соединения с выводами второй статорной обмотки 6 (В) и третьей статорной обмотки 7 (С) и соединен с общим выводом эмиттера третьего транзистора 3 (VT3) и коллектора четвертого транзистора 4 (VT4) второй пары полупроводниковых ключей. При этом во второй паре полупроводниковых ключей второго реверсивного полупроводникового коммутатора эмиттер транзистора 3 (VT3) соединен с коллектором транзистора 4 (VT4) с образованием первой общей точки 12, и их общий вывод предназначен для соединения с выводами второй статорной обмотки 6 (В) и третьей статорной обмотки 7 (С); коллектор третьего транзистора 3 (VT3) соединен с эмиттером четвертого транзистора 4 (VT4), образуя вторую общую точку 13, и их общий вход предназначен для соединения с выводами первой статорной обмотки 5 (А) и третьей статорной обмотки 7 (С).
С помощью векторно - алгоритмического управления трехфазным асинхронным электродвигателем возможна реализация предлагаемого устройства при питании от однофазной сети переменного напряжения путем создания двух типов вращающихся полей статора - путем прохождения шести или восьми последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Работа полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной питающей сети происходит следующим образом.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 4) коммутации работает транзистор 4 VT4 (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- во второй момент t2 (фиг. 4) коммутации открывается транзистор 1 (VT1), а транзистор 4 (VT4) (фиг. 1) продолжает работать, таким образом шунтируются обмотки 6 (В) и 7 (С), формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- в третий момент t3 (фиг. 4) коммутации транзистор 1 (VT1) продолжает работать, а транзистор 4 (VT4) (фиг. 1) закрывается, таким образом шунтируется обмотка 6 (В), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.2);
- в четвертый момент t4 (фиг. 4) коммутации закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 3 (VT3) (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- в пятый момент t5 (фиг. 4) коммутации открывается транзистор 2 (VT2), а транзистор 3 (VT3) (фиг. 1) продолжает работать, таким образом шунтируются обмотки 6 (В) и 7 (С), формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- в шестой момент t6 (фиг. 4) коммутации транзистор 2 (VT2)продолжает работать, а транзистор 3 (VT3) (фиг. 1) закрывается, таким образом шунтируется обмотка 6 (В), формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- в седьмой момент t7 (фиг. 4) коммутации работает транзистор 4 (VT4) (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2). таким образом начинается новый цикл тактирования.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 5, в последовательности I-II-III-IV-V-VI-VII-VIII, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 5) коммутации работает транзистор 4 (VT4) (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- во второй момент t2 (фиг. 5) коммутации закрывается транзистор 4 (VT4) (фиг. 1), таким образом ток протекает по обмоткам 5 (А), 6 (В) и 7 (С), формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в третий момент t3 (фиг. 5) коммутации открываются транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4) (фиг. 1), таким образом шунтируются обмотки 6 (В) и 7 (С), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в четвертый момент t4 (фиг. 5) транзистор 1 (VT1) продолжает работать, а транзистор 4 (VT4) (фиг. 1) закрывается, таким образом шунтируется обмотка 6 (В), формируя IV фиксированное положение поля статора (фиг. 3);
- в пятый момент t5 (фиг. 5) закрывается транзистор 1 (VT1) и открывается транзистор 3 (VT3) (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в шестой момент t6 (фиг. 5) закрывается транзистор 3 (VT3) (фиг. 1), таким образом ток протекает по обмоткам 5 (А), 6 (В) и 7 (С), формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в седьмой момент t7 (фиг. 5) времени открывается транзистор 2 (VT2) и транзистор 3 (VT3) (фиг. 1), таким образом шунтируются обмотки 6 (В) и 7 (С), формируя VII фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в восьмой момент t8 (фиг. 5) транзистор 2 (VT2) продолжает работать, а транзистор 3 (VT3) (фиг. 1) закрывается, таким образом шунтируется обмотка 6 (В), формируя VIII фиксированное положение поля статора (фиг. 3);
- в девятый момент t9 (фиг. 5) коммутации работает транзистор 4 (VT4) (фиг. 1), таким образом шунтируется обмотка 7 (С), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3). Таким образом начинается новый цикл тактирования.
Таким образом, увеличивая количество фиксированных векторов, можно создавать более равномерное вращающееся магнитное поле статора, что позволяет увеличить момент, развиваемый электродвигателем, а следовательно, увеличить мощность, снимаемую с вала электродвигателя.