ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SEMICONDUCTOR SINGLE-PHASE TWO-WINDING INDUCTION MOTOR SPEED SETTER

Предлагаемое изобретение относится к преобразователям частоты и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя.
Известен однофазный конденсаторный электродвигатель, у которого первый выход первой обмотки соединен с нулем питающей сети, а второй выход первой обмотки соединен с первым выходом второй обмотки и с фазой питающей сети. Второй выход второй обмотки соединен с первой обкладкой бумажного конденсатора. Вторая обкладка конденсатора соединена с нулем питающей сети (Копылов И.П. Электрические машины: учебник для вузов / И.П.Копылов. М.: Высшая школа, 2006. - С.343, рис.3.96).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности регулирования скорости вращения электродвигателя и повышенные габариты, а также низкая надежность вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости и непредсказуемость направления вращения электропривода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является одномостовая схема инвертора тока, с помощью которого осуществляется регулирование частоты напряжения, поступающего на каждую из обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащая реверсивные полупроводниковые коммутаторы, выполненные на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, а также сглаживающий силовой реактор и запирающий бумажный конденсатор, параллельно подключенный к обмотке двигателя. Каждый реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на четырех тиристорах. Один выход сглаживающего силового реактора подключен к плюсу сети постоянного тока, а второй выход - к анодам двух тиристоров. Катоды этих тиристоров подключены к обмотке двигателя и обкладкам конденсатора соответственно, а также к анодам другой пары тиристоров. Катоды последней пары тиристоров предназначены для подключения к минусу сети постоянного тока (Лабунцов В.А. Автономные тиристорные инверторы / В.А.Лабунцов, Г.А.Ривкин, Г.И.Шевченко. - М.-Л.: Энергия, 1967. - С.20, рис.7в).
Основными недостатками описанного устройства являются увеличенные габариты, высокая стоимость, а также низкая надежность вследствие использования запирающих бумажных конденсаторов для обеспечения емкостного запирания тиристоров и возникновения опасности не закрытия тиристоров при перемене направления протекания тока по статорной обмотке и, как следствие, прорыв инвертора, то есть короткое замыкание источника постоянного тока.
Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения габаритов, повышения экономичности и надежности устройства за счет уменьшения числа полупроводниковых ключей при отсутствии необходимости использования запирающих бумажных конденсаторов и сглаживающего реактора в силовой части устройства.
Для решения поставленной задачи в полупроводниковом устройстве регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащем реверсивные полупроводниковые коммутаторы, выполненные на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, согласно изобретению использован диодный мост, подключенный к фазе и нулю питающей сети переменного тока, каждый из трех реверсивных полупроводниковых коммутаторов выполнен на двух транзисторах, причем коллекторы нечетных транзисторов каждого полупроводникового коммутатора подключены к плюсу питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения, эмиттеры нечетных транзисторов соединены с коллекторами четных транзисторов, а эмиттеры четных транзисторов подключены к минусу питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения. Общая средняя точка соединения нечетного и четного транзисторов первого реверсивного полупроводникового коммутатора предназначена для подключения к объединенным входам статорных обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Общая средняя точка соединения нечетного и четного транзисторов второго реверсивного полупроводникового коммутатора предназначена для соединения с выходом первой статорной обмотки двигателя. Общая средняя точка соединения нечетного и четного транзисторов третьего реверсивного полупроводникового коммутатора предназначена для соединения с выходом второй статорной обмотки асинхронного однофазного двухобмоточного двигателя.
Использование полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя обуславливает создание различных типов вращающихся магнитных полей статора путем алгоритмической коммутации транзисторов, что позволяет получить не только требуемое направление тока в обмотках статора, но и регулировку частоты вращающего магнитного поля статора, а следовательно, и скорости электродвигателя.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из трех фиксированных положений; на фиг.3 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из четырех фиксированных положений; на фиг.4 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из шести фиксированных положений; на фиг.5 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из восьми фиксированных положений; на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3; на фиг.8 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5.
Кроме того, на чертежах изображено следующее:
сети
- U - напряжение, поступающее от источника питания переменного напряжения;
выпр
- U - выпрямленное напряжение;
- t - текущее время;
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- C1-C4 - выводы статорных обмоток двухфазного асинхронного двигателя;
- L1, L2 - статорные обмотки.
- VT1-VT6 - транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора асинхронного двигателя;
- дугообразные линии со стрелками - направления вращения магнитного поля статора;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока в соответствующей обмотке статора.
Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя содержит три реверсивных полупроводниковых коммутатора, выполненных на полупроводниковых ключах, каждый из которых состоит из двух транзисторов, подсоединенных к диодному однофазному двухполупериодному мосту, обеспечивающему выпрямленное двухполупериодное напряжение, который используется для векторно-алгоритмической коммутации обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Полупроводниковые ключи соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.
Так, первый реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на нечетном и четном транзисторах 1 (VT1) и 2 (VT2), второй реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на нечетном и четном транзисторах 3 (VT3) и 4 (VT4), и третий полупроводниковый коммутатор выполнен на нечетном и четном транзисторах 5 (VT5) и 6 (VT6). Транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 (VT1-VT6) подключены по два транзистора встречно-параллельно.
В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор нечетного транзистора 1 (VT1) соединен с плюсом диодного моста 7, то есть с плюсом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения, а эмиттер нечетного транзистора 1 (VT1) соединен с коллектором четного транзистора 2 (VT2). Средняя общая точка соединения нечетного транзистора 1 (VT1) и четного транзистора 2 (VT2) предназначена для соединения с объединенными входами 8 (С2), 9 (С4) первой 10 (L1) и второй 11 (L2) статорных обмоток асинхронного однофазного двухобмоточного двигателя. Эмиттер четного транзистора 2 (VT2) соединен с минусом диодного моста 7, то есть с минусом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения.
Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор нечетного транзистора 3 (VT3) соединен с плюсом диодного моста 7, то есть с плюсом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения, а эмиттер нечетного транзистора 3 (VT3) соединен с коллектором четного транзистора 4 (VT4). Средняя общая точка соединения нечетного транзистора 3 (VT3) и четного транзистора 4 (VT4) предназначена для соединения с выходом 12 (C1) первой 10 (L1) статорной обмотки асинхронного однофазного двухобмоточного двигателя. Эмиттер транзистора 4 (VT4) соединен с минусом диодного моста 7, то есть с минусом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения.
В третьем реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор нечетного транзистора 5 (VT5) соединен с плюсом диодного моста 7, то есть с плюсом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения, а эмиттер нечетного транзистора 5 (VT5) соединен с коллектором четного транзистора 6 (VT6). Средняя общая точка соединения нечетного транзистора 5 (VT5) и четного транзистора 6 (VT6) предназначена для соединения с выходом 13 (C3) второй 11 (L2) статорной обмотки асинхронного однофазного двухобмоточного двигателя. Эмиттер транзистора 6 (VT6) соединен с минусом диодного моста 7, то есть с минусом питающей сети выпрямленного двухполупериодного напряжения.
С помощью полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя возможно осуществить векторно-алгоритмическое управление однофазным двухобмоточным асинхронным электродвигателем, создавая несколько типов вращающихся полей статора: прохождением трех, или четырех, или шести, или восьми последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора двухфазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 (VT1-VT6) в следующем порядке:
- в первый полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- во второй полупериод выпрямленного напряжения выключаются транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4) и 6 (VT6), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении;
- в третий полупериод выпрямленного напряжения выключаются транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4), включаются и работают транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT6), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении.
Начиная с четвертого полупериода, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 (VT1-VT6) в следующем порядке:
- в первый полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 3 (VT3) и 2 (VT2), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- во второй полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 3 (VT3), включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- в третий полупериод выпрямленного напряжения выключаются транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- в четвертый полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 4 (VT4), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 6 (VT6), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 11 (L2) в показанном направлении.
Начиная с пятого полупериода, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.4, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 (VT1-VT6) в следующем порядке:
- в первый полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 3 (VT3) и 2 (VT2), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- во второй полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 3 (VT3), включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- в третий полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 2 (VT2), включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении;
- в четвертый полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 5 (VT5), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- в пятый полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 4 (VT4), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 6 (VT6), обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- в шестой полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT6), обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении.
Начиная с седьмого полупериода, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя 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, 2, 3, 4, 5, 6 (VT1-VT6) в следующем порядке:
- в первый полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 3 (VT3), 2 (VT2), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- во второй полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3) и 5 (VT5), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам (10) LI и (11) L2 в показанном направлении;
- в третий полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 3 (VT3), включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 2 (VT2), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- в четвертый полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 2 (VT2), включаются и работают транзисторы 5 (VT5) и 4 (VT4), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении;
- в пятый полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 5 (VT5), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4), обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 10 (L1) в показанном направлении;
- в шестой полупериод выпрямленного напряжения включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4) и 6 (VT6), обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении;
- в седьмой полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 4 (VT4), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 6 (VT6), обеспечивая VII фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорной обмотке 11 (L2) в показанном направлении;
- в восьмой полупериод выпрямленного напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT3) и 6 (VT6), обеспечивая VIII фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по статорным обмоткам 10 (L1) и 11 (L2) в показанном направлении.
Начиная с девятого полупериода, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора.
Таким образом меняя алгоритм включения транзисторов можно изменять (уменьшать) скорость вращения двигателя в соответствии с формулой:
где
ω - скорость вращения двигателя;
c
f - частота сети;
рег
f - регулировочная частота;
n - количество полупериодов, участвующих в организации полного поворота на 360° вращающегося магнитного поля статора;
p - число пар полюсов.
Кроме того, для каждого из типов вращающихся полей можно производить и высокочастотное переключение транзисторов для повышения скорости вращения электродвигателя, переключая транзисторы в том же порядке, но с более высокой частотой, как и при низкочастотном переключении транзисторов.
Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано для регулирования скорости вращения однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя при питании от сети двухполупериодного выпрямленного напряжения, при высоких показателях надежности и экономичности и малых габаритах.