ЧАСТОТНЫЙ РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ, ДЛЯ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО КОРОТКОЗАМКНУТОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам запуска и регулирования скорости трехфазных асинхронных электродвигателей при питании от однофазной сети и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью асинхронных трехфазных электродвигателей, статорные обмотки которых соединены по схеме «треугольник».
Известно устройство конденсаторного запуска трехфазного электродвигателя от однофазной сети, содержащее бумажный конденсатор и индуктивность. Конденсатор и индуктивность имеют общий выход, который предназначен для соединения с выходами обмоток, одна из которых соединена с нулем однофазной сети, а другая соединена с фазой однофазной сети. Другой выход конденсатора соединен с фазой однофазной сети и предназначен для соединения с выходами обмоток, одна из которых соединена с нулем однофазной сети. Другой выход индуктивности соединен с нулем однофазной сети и выходами обмоток, одна из которых соединена с фазой однофазной сети. Обмотки двигателя соединены по типу «треугольник» (Бирюков С. Три фазы - без потери мощности / С.Бирюков // Радио. - М. 2000. - №7. - С.37, рис.1).
Основными недостатками описанного устройства конденсаторного запуска трехфазного электродвигателя от однофазной сети являются отсутствие возможности регулировки скорости, повышенные габариты, вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости и индуктивностей, а также низкая надежность в виду наличия в схеме конденсаторов и индуктивностей.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство бесконденсаторного запуска трехфазного электродвигателя от однофазной сети, содержащее два реверсивных полупроводниковых коммутатора, каждый из которых снабжен двумя встречно-параллельно соединенными транзисторми, предназначенные для питания статорных обмоток двигателя при соединении статорных обмоток по схеме «треугольник». Каждый транзистор на основе коллектора и эмиттера имеет первый и второй выводы. В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод первого транзистора соединен с первым выводом второго транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с фазой питающей сети; второй вывод первого транзистора соединен со вторым выводом второго транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом первой и второй статорных обмоток. Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод третьего транзистора соединен с первым выводом четвертого транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с фазой питающей сети; второй вывод третьего транзистора соединен со вторым выводом четвертого транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом второй и третьей статорных обмоток. Общий вывод первой и второй статорных обмоток подключен к нулю однофазной сети (патент RU 2385527, МПК H02P 1/26 (2006.01), H02M 5/257 (2006.01)).
Основными недостатками этого полупроводникового устройства бесконденсаторного запуска трехфазного электродвигателя от однофазной сети являются отсутствие возможности регулирования частоты вращения электродвигателя, низкое среднее значение момента и пониженные энергетические показатели ввиду эллиптической формы электромагнитного поля статора.
Предлагаемой полезной моделью решается задача осуществления регулировки частоты вращения электродвигателя, увеличения среднего значения момента и повышения энергетических показателей.
Для решения поставленной задачи частотный регулятор скорости, ведомый сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, снабженный реверсивными полупроводниковыми коммутаторами, содержащими по два соединенных транзистора, каждый из которых имеет первый и второй выводы, предназначенными для питания статорных обмоток двигателя при соединении статорных обмоток по схеме «треугольник», причем в первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе второй вывод первого транзистора соединен со вторым выводом второго транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом первой и второй статорных обмоток, во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе второй вывод третьего транзистора соединен со вторым выводом четвертого транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом второй и третьей статорных обмоток, согласно полезной модели снабжен третьим реверсивным полупроводниковым коммутатором, у которого первый вывод пятого транзистора предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод шестого транзистора подключен к нулю однофазной сети, второй вывод пятого транзистора соединен со вторым выводом шестого транзистора, и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом первой и третьей статорных обмоток. При этом в первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод первого транзистора предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод второго транзистора подключен к нулю однофазной сети, во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод третьего транзистора предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод четвертого транзистора подключен к нулю однофазной сети. Во всех реверсивных полупроводниковых коммутаторах использованы транзисторы полевые. Транзисторы каждого реверсивного полупроводникового коммутатора соединены встречно.
Обеспечение возможности регулирования частоты вращения электродвигателя, повышение энергетических показателей, а также увеличение среднего момента обусловлены изменением схемы подключения реверсивных полупроводниковых коммутаторов, которые выполнены на полевых транзисторах, путем введения третьего реверсивного полупроводникового коммутатора, с использованием способности полевых транзисторов пропускать ток как в прямом, так и обратном направления без учета полярности приложенного к ним питающего напряжения, а также включением транзисторов в реверсивном полупроводниковом коммутаторе встречно.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого частотного регулятора скорости, ведомого сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя; на фиг.2 изображена векторная диаграмма вращения магнитного поля статора, состоящая из шести 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, для получения расчетной частоты 50 Гц; на фиг.4 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, для получения расчетной частоты 33,33 Гц; на фиг.5 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, для получения расчетной частоты 100 Гц.
Кроме того на чертеже используются следующие обозначения:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- A, B, C - статорные обмотки электродвигателя;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора асинхронного электродвигателя;
- t1, t2…t13 - моменты времени коммутации транзисторов;
- Uсети - напряжение питающей сети;
- Ua, Ub, Uc - напряжение на статорных обмотках A, B и C соответственно;
- Ia, Ib, Ic - ток в статорных обмотках A, B и C соответственно;
- VT1-VT6 - полевые транзисторы;
- короткие стрелки-векторы - поэтапное изменение направления результирующего магнитного поля статора;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- длинные сплошные стрелки - прямое направление тока в статорных обмотках электродвигателя;
- длинные дискретные стрелки - обратное направление тока в статорных обмотках электродвигателя.
Частотный регулятор скорости, ведомый сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя снабжен тремя реверсивными полупроводниковыми коммутаторами, каждый из которых содержит два встречно соединенных транзистора, предназначенными для питания статорных обмоток двигателя при соединении статорных обмоток по схеме «треугольник». Во всех полупроводниковых коммутаторах использованы полевые транзисторы.
В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод 1 первого транзистора 2 (VT1) предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод 3 второго транзистора 4 (VT2) подключен к нулю однофазной сети, второй вывод 5 первого транзистора 2 (VT1) соединен со вторым выводом 6 второго транзистора 4 (VT2), и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом первой и второй статорных обмоток 7 (обмотка A) и 8 (обмотка B) соответственно. Транзисторы 2 (VT1) и 4 (VT2) первого реверсивного полупроводникового коммутатора соединены встречно.
Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод 9 третьего транзистора 10 (VT3) предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод 11 четвертого транзистора 12 (VT4) подключен к нулю однофазной сети, второй вывод 13 третьего транзистора 10 (VT3) соединен со вторым выводом 14 четвертого транзистора 12 (VT4), и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом второй и третьей статорных обмоток 8 (обмотка B) и 15 (обмотка C). Транзисторы 10 (VT3) и 11 (VT4) второго реверсивного полупроводникового коммутатора соединены встречно.
В третьем реверсивном полупроводниковом коммутаторе первый вывод 16 пятого транзистора 17 (VT5) предназначен для соединения с фазой питающей сети, первый вывод 18 шестого транзистора 19 (VT6) подключен к нулю однофазной сети, второй вывод 20 пятого транзистора 17 (VT5) соединен со вторым выводом 21 шестого транзистора 19 (VT6), и их общий вывод предназначен для соединения с общим выводом первой и третьей статорных обмоток 8 (обмотка A) и 15 (обмотка C) соответственно. Транзисторы 17 (VT5) и 19 (VT6) третьего реверсивного полупроводникового коммутатора соединены встречно.
Работа частотного регулятора скорости, ведомого сетью, для трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя осуществляется следующим образом. Первоначально на затворы всех транзисторов подано напряжения, создающее электрическое поле для закрытия транзисторов. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется снятием напряжения с затворов транзисторов в определенной последовательности.
Для получения расчетной частоты 50 Гц, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения Uсети (фиг.3), в начальный момент времени открываются транзисторы 10 (VT3) и транзистор 19 (VT6) (фиг.1), ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 8 (обмотка B), 7 (обмотка A) электродвигателя. Примем это направление тока в обмотках за положительное. Напряжение на обмотке С (фиг.3) равно фазному Uсети, на обмотках A и B напряжение равно Uсети/2 соответственно. Образуется первое положение вектор магнитного поля статора (фиг.2). В момент времени t1 закрывается транзистора 19 (VT6), открывается транзистор 4 (VT2), остается открытым транзистор 10 (VT3) и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 15 (обмотка C), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t2 закрывается транзистор 10 (VT3), открывается транзистор 17 (VT5), транзистор 4 (VT2) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 15 (обмотка C), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. При прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения (момент времени t3) закрываются транзисторы 17 (VT5) и 4 (VT2) и открываются транзисторы 19 (VT6) и 10 (VT3) и ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 7 (обмотка A), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется четвертое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t4 транзистор 19 (VT6) закрывается и открывается транзистор 4 (VT2), транзистор 10 (VT3) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 7 (обмотка A), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется пятое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t5 закрывается транзистор 10 (VT3) и открывается транзистор 17 (VT5), транзистор 4 (VT2) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 8 (обмотка B), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется шестое положение вектора магнитного поля статора. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени. При прохождении следующей положительной волны (момент времени t6-t7) цикл повторяется.
Для получения расчетной частоты 33,33 Гц, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения (фиг.4) в начальный момент времени t0 открываются транзисторы 10 (VT3) и транзистор 19 (VT6), ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 8 (обмотка B), 7 (обмотка A) электродвигателя. Напряжение на обмотке 15 (обмотка C) равно фазному Uсети, на обмотках 7 (обмотка A) и 8 (обмотка B) напряжение равно Uсети/2 соответственно. Образуется первое положение вектор магнитного поля статора (фиг.2). В момент времени t1 закрывается транзистор 19 (VT6), открывается транзистор 4 (VT2), транзистор 10 (VT3) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 15 (обмотка C), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. При прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения (момент времени t2) закрываются транзисторы 10 (VT3) и транзистор 4 (VT2), открываются транзисторы 19 (VT6) и транзистор 2 (VT1), ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 15 (обмотка C), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t3 закрывается транзистор 2 (VT1) и открывается транзистор 10 (VT3), транзистор 19 (VT6) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 7 (обмотка A), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется четвертое положение вектора магнитного поля статора. При прохождении следующей положительной полуволны питающего напряжения (момент времени t4) транзисторы 19 (VT6) и транзистор 10 (VT3) закрываются и открываются транзисторы 2 (VT1) и 12 (VT4) и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 7 (обмотка A), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется пятое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t5 закроется транзистор 12 (VT4) и откроется транзистор 19 (VT6), транзистор 2 (VT1) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 8 (обмотка B), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется шестое положение вектора магнитного поля статора. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени. При прохождении следующей отрицательной полуволны питающего напряжения (момент времени t6) закрываются транзисторы 19 (VT6) и транзистор 2 (VT1), открываются транзисторы 17 (VT5) и транзистор 12 (VT4), ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 8 (обмотка B), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется первое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t7 закрывается транзистор 17 (VT5) и открывается транзистор 2 (VT1), транзистор 12 (VT4) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 15 (обмотка C), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. При прохождении положительной полуволны питающего напряжения (момент времени t8) транзисторы 2 (VT1) и транзистор 12 (VT4) закрываются и открываются транзисторы 17 (VT5) и 2 (VT2) и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 15 (обмотка C), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t9 закроется транзистор 2 (VT2) и откроется транзистор 12 (VT4), транзистор 17 (VT5) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 7 (обмотка A), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется четвертое положение вектора магнитного поля статора. При прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения (момент времени t10) закрываются транзисторы 17 (VT5) и транзистор 12 (VT4), открываются транзисторы 2 (VT2) и транзистор 10 (VT3), ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 7 (обмотка A), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется пятое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t11 закрывается транзистор 10 (VT3) и открывается транзистор 17 (VT5), транзистор 4 (VT2) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 8 (обмотка B), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется шестое положение вектора магнитного поля статора. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени. При прохождении следующей волны питающего напряжения (промежуток времени t12-t13) алгоритм работы повторяется.
Для получения расчетной частоты 100 Гц (фиг.5), при прохождении положительной полуволны питающего напряжения, в начальный момент времени t0 открываются транзисторы 10 (VT3) и транзистор 19 (VT6), ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 8 (обмотка B), 7 (обмотка A) электродвигателя. Напряжение на обмотке C равно фазному Uсети, на обмотках A и B напряжение равно Uсети/2 соответственно. Образуется первое положение вектор магнитного поля статора (фиг.2). В момент t1 после закрытия транзистора 19 (VT6), откроется транзистор 4 (VT2), транзистор 10 (VT3) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 15 (обмотка C), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t2 закроется транзистор 10 (VT3), откроется транзистор 17 (VT5), транзистор 4 (VT2) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 15 (обмотка C), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t3 закроется транзистор 4 (VT2) и откроется транзистор 12 (VT4), транзистор 17 (VT5) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 7 (обмотка A), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется четвертое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t4 транзистор 17 (VT5) закрывается и открывается транзистор 2 (VT1), транзистор 12 (VT4) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 7 (обмотка A), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется пятое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t5 закрывается транзистор 12 (VT4) и открывается транзистор 19 (VT6), транзистор 2 (VT1) остается открытым и ток пойдет по трем обмотке 7 (обмотка A), 8 (обмотка B), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется шестое положение вектора магнитного поля статора. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени. При прохождении отрицательной полуволны питающего напряжения в момент времени t6 открываются транзисторы 17 (VT5) и транзистор 12 (VT4), ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 8 (обмотка B), 7 (обмотка A) электродвигателя. Напряжение на обмотке C равно фазному Uceти, на обмотках A и B напряжение равно Uсети/2 соответственно. Образуется первое положение вектор магнитного поля статора (фиг.2). В момент t7 после закрытия транзистора 17 (VT5), откроется транзистор 2 (VT1), транзистор 12 (VT4) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 15 (обмотка C), 7 (обмотка A) электродвигателя. Образуется второе положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t8 закроется транзистор 12 (VT4), откроется транзистор 19 (VT6), транзистор 2 (VT1) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 7 (обмотка A), 15 (обмотка C), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется третье положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t9 закроется транзистор 2 (VT1) и откроется транзистор 10 (VT3), транзистор 19 (VT6) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 15 (обмотка C), 7 (обмотка A), 8 (обмотка B) электродвигателя. Образуется четвертое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t10 транзистор 19 (VT6) закрывается и открывается транзистор 4 (VT2), транзистор 10 (VT3) остается открытым и ток пойдет по трем обмоткам 8 (обмотка B), 7 (обмотка A), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется пятое положение вектора магнитного поля статора. В момент времени t11 закрывается транзистор 10 (VT3) и открывается транзистор 17 (VT5), транзистор 4 (VT2) остается открытым и ток пойдет по трем обмотке 7 (обмотка A), 8 (обмотка B), 15 (обмотка C) электродвигателя. Образуется шестое положение вектора магнитного поля статора. Поле статора получается круговым, изменяющимся во времени. При прохождении следующей волны (промежуток времени t12-t13) цикл работы повторяется.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за возможности осуществления регулировки частоты вращения электродвигателя как выше, так и ниже номинальной, увеличенного среднего значения момента, а также повышенных энергетических показателей.