ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОММУТАТОР, ВЕДОМЫЙ ОДНОФАЗНОЙ СЕТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к реверсивным полупроводниковым коммутаторам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей.
Известно устройство питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя с обмотками, соединенными в звезду, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка трехфазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а две другие обмотки - напрямую к однофазной сети (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И.Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - С.612, рис.30-7).
Основным недостатком описанного устройства питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи является необходимость применения бумажных конденсаторов большой емкости, в результате чего момент двигателя обычно уменьшается в три раза, а мощность двигателя падает до 40% от номинальной.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, ведомый однофазной сетью, содержащий два полупроводниковых ключа, подключающие обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока. Начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока. Начала второй обмотки и третьей обмотки подключены к нулю однофазной сети переменного тока. Первый полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя и второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя. В качестве полупроводниковых ключей использованы биполярные транзисторы. В первом полупроводниковом ключе эмиттер первого биполярного транзистора соединен с фазой однофазной сети переменного тока, коллектор первого биполярного транзистора соединен с концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Во втором полупроводниковом ключе эмиттер второго биполярного транзистора соединен с фазой однофазной сети переменного тока, коллектор второго биполярного транзистора соединен с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя (патент RU 109356, Н02Р 27/16 (2006.01)).
Основными недостатками описанного однофазно-трехфазного полупроводникового коммутатора, ведомого однофазной сетью, являются низкая надежность вследствие повышенного нагрева по причине потребления управляющего тока в ключевом режиме из-за работы биполярных транзисторов на переменном токе, а также сложность системы управления ввиду необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзистор в каждый момент времени.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности и упрощения системы управления однофазно-трехфазным полупроводниковым коммутатором, ведомым однофазной сетью переменного тока.
Для решения поставленной задачи в однофазно-трехфазном полупроводниковом коммутаторе, ведомом однофазной сетью переменного тока, снабженном полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока, причем начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока, начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока, первый полупроводниковый ключ на основе биполярного транзистора соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя и второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя, согласно полезной модели в качестве первого полупроводникового ключа использованы два биполярных транзистора и два диода, при этом коллектор первого биполярного транзистора соединен с катодом первого диода и с фазой однофазной сети переменного тока, коллектор второго биполярного транзистора соединен с катодом второго диода и с концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя, эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов объединены и соединены с анодами первого и второго диодов, в качестве второго полупроводникового ключа использованы два тиристора и два диода, при этом анод первого тиристора соединен с катодом третьего диода и с фазой однофазной сети переменного тока, анод второго тиристора соединен с катодом четвертого диода и с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя, катоды первого и второго тиристоров объединены и соединены с анодами третьего и четвертого диодов.
Повышение надежности и упрощение системы управления однофазно-трехфазным полупроводниковым коммутатором, ведомым однофазной сетью переменного тока, обусловлено использованием в качестве первого полупроводникового ключа, пропускающего ток в обоих направлениях, двух биполярных транзисторов и двух диодов, в качестве второго полупроводникового ключа - двух тиристоров и двух диодов без необходимости учета полярности приложенного к ним питающего напряжения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема однофазно-трехфазного полупроводникового коммутатора, ведомого однофазной сетью переменного тока; на фиг.2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока; на фиг.3 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.4 - пофазное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2.
Кроме того, на чертежах изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- C1-C6 - выводы статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя;
- VT1-VT2 - биполярные транзисторы;
- V1-V2 - тиристоры;
- VD1-VD4 - диоды;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;
- прямые линии со стрелками - направления вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;
- прямые линии со стрелками вдоль обмоток статора двигателя - направления магнитного потока и тока в обмотках статора;
- Uсети=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;
- t0-t5 - моменты времени коммутации транзисторов.
Однофазно-трехфазный полупроводниковый коммутатор, ведомый однофазной сетью переменного тока, снабжен двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока. Начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока. Начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока. Первый полупроводниковый ключ, в качестве которого использованы два биполярных транзистора и два диода, соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя. В первом полупроводниковом ключе коллектор первого биполярного транзистора соединен с катодом первого диода и с фазой однофазной сети переменного тока, коллектор второго биполярного транзистора соединен с катодом второго диода и с концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя, эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов объединены и соединены с анодами первого и второго диодов. Второй полупроводниковый ключ, в качестве которого использованы два тиристора и два диода, соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Во втором полупроводниковом ключе анод первого тиристора соединен с катодом третьего диода и с фазой однофазной сети переменного тока, анод второго тиристора соединен с катодом четвертого диода и с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя, катоды первого и второго тиристоров объединены и соединены с анодами третьего и четвертого диодов.
Пример выполнения однофазно-трехфазного полупроводникового коммутатора, ведомого однофазной сетью переменного тока.
В первом полупроводниковом ключе коллектор первого биполярного транзистора 1 (VT1) соединен с катодом первого диода 2 (VD1) и с фазой однофазной сети переменного тока, коллектор второго биполярного транзистора 3 (VT2) соединен с катодом второго диода 4 (VD2) и с концом второй обмотки 5 (C4) трехфазного асинхронного двигателя, эмиттеры первого биполярного транзистора 1 (VT1) и второго биполярного транзистора 3 (VT2) объединены и соединены с анодами первого диода 2 (VD1) и второго диода 4 (VD2).
Во втором полупроводниковом ключе анод первого тиристора 6 (V1) соединен с катодом третьего диода 7 (VD3) и с фазой однофазной сети переменного тока, анод второго тиристора 8 (V2) соединен с катодом четвертого диода 9 (VD4) и с концом третьей обмотки 10 (C6) трехфазного асинхронного двигателя, катоды первого тиристора 6 (V1) и второго тиристора 8 (V2) объединены и соединены с анодами третьего диода 7 (VD3) и четвертого диода 9 (VD4).
Начало первой обмотки 11 (C1) трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец 12 (C2) - к нулю однофазной сети переменного тока. Начала второй обмотки 13 (C3) и третьей обмотки 14 (C5) подключены к нулю однофазной сети переменного тока.
Таким образом, первый полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом второй обмотки 5 (C4) трехфазного асинхронного двигателя и второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки 10 (C6) трехфазного асинхронного двигателя,
Работа однофазно-трехфазного полупроводникового коммутатора, ведомого однофазной сетью переменного тока, происходит следующим образом. Первоначально на базы транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и управляющие электроды тиристоров 6 (V1) и 8 (V2) ток на открытие не подается. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется подачей тока на базы транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и управляющие электроды тиристоров 6 (V1) и 8 (V2) в заданной последовательности. Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо осуществлять подачу тока на базы транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и управляющие электроды тиристоров 6 (V1) и 8 (V2) в следующей последовательности:
- в начальный момент времени t0, при прохождении положительной полуволны питающего напряжения, подается ток на базу транзистора 1 (VT1) - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t1 подается ток на управляющий электрод тиристора 6 (V1), транзистор 1 (VT1) остается открытым - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t2 снимается ток с базы транзистора 1 (VT1), тиристор 6 (V1) остается открытым - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t3, при прохождении отрицательной полуволны напряжения, тиристор 6 (V1) закрывается, подается ток на базу транзистора 3 (VT2) - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t4 подается ток на управляющий электрод тиристора 8 (V2), транзистор 3 (VT2) остается открытым - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в момент времени t5 снимается ток с базы транзистора 3 (VT2), тиристор 8 (V2) остается открытым - VI фиксированное положение вектор магнитного потока поля статора.
Начиная с момента времени t6 последовательность подачи тока на базы транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2) и управляющие электроды тиристоров 6 (V1) и 8 (V2) повторяется.
Таким образом, предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за повышенной надежности и упрощенной системы управления.