РЕВЕРСИВНЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
REVERSIBLE ONE-PHASE BRIDGE TRANSISTOR CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к реверсивным полупроводниковым транзисторным выпрямительным устройствам и может быть использовано в регулируемом электроприводе постоянного тока для питания от реверсивного мостового преобразователя, подключенного к питающей сети однофазного переменного напряжения.
Известен однофазный мостовой диодный преобразователь для питания двигателя постоянного тока, содержащий два полупроводниковых блока, связанных общими точками, подключенными к началу и концу якорной обмотки двигателя постоянного тока, и снабженных двумя электронными ключами в каждом блоке. В качестве электронных ключей использованы диоды. Общая точка соединения катода и анода диодов первого блока подключена к фазе питающей сети однофазного переменного напряжения. Общая точка соединения катода и анода диодов второго блока подключена к нулю питающей сети однофазного переменного напряжения. Одна общая точка объединения выводов катодов диодов первого и второго блоков подключена к одному выводу нагрузки или началу якорной обмотки двигателя постоянного тока. Другая общая точка объединения выводов анодов диодов первого и второго блоков подключена к другому выводу нагрузки или концу якорной обмотки двигателя постоянного тока (Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника / М.В.Немцов, М.Л.Немцова. - Академия, 2007. - С.338, рис 14.6).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока, невозможность реверса, для осуществления которого необходима еще одна мостовая схема, а также низкие экономичность и надежность из-за большого количества элементов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является тиристорный мостовой преобразователь, то есть однофазная мостовая схема, содержащая два реверсивных ключевых полупроводниковых блока, связанных между собой общими точками, подключенными к началу и концу якорной обмотки двигателя постоянного тока, и снабженных двумя электронными ключами в каждом блоке. Каждый блок соединен с питающей сетью однофазного переменного напряжения. В качестве электронных ключей использованы тиристоры. Общая точка соединения выводов катода и анода двух тиристоров в первом блоке подсоединена к фазе питающей сети переменного напряжения. Общая точка соединения выводов катода и анода двух тиристоров во втором блоке подсоединена к нулю питающей сети переменного напряжения. Общая точка соединения выводов катодов тиристоров первого и второго блоков соединена с одним выводом нагрузки или началом якорной обмотки двигателя постоянного тока, а общая точка соединения выводов анодов тиристоров первого и второго блоков соединена с другим выводом нагрузки или концом якорной обмотки двигателя постоянного тока. При этом для осуществления реверса необходима вторая однофазная мостовая схема (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. / Г.С.Зиновьев. - НГТУ, 2001. - С.66, рис.2.2.3а).
Основными недостатками описанного тиристорного мостового преобразователя являются невозможность реверсивного запуска и работы двигателя постоянного тока в обратном направлении, что приводит к сужению функциональных возможностей, к необходимости использования для осуществления реверса еще одной однофазной мостовой схемы, что обусловливает увеличение числа тиристоров и при нечетком управлении мостами разной полярности, а именно при несвоевременном отключении одного моста и включении другого технологическое короткое замыкание между мостами, к сложности системы управления, а также к увеличению габаритов устройства, низкой экономичности и надежности из-за большого количества элементов.
Предлагаемым изобретением решается проблема реверсивного запуска и работы двигателя постоянного тока в обратном направлении, расширения функциональных возможностей двигателя постоянного тока, осуществления реверсивного запуска и работы двигателя постоянного тока от одной схемы мостового преобразователя, что упрощает как силовую схему, так и систему управления, исключает возможность технологического короткого замыкания, а также снижает габариты и стоимость, повышает надежность.
Для решения поставленной задачи в реверсивном однофазном мостовом транзисторном преобразователе, содержащем два реверсивных ключевых полупроводниковых блока, связанных между собой общими точками, подключенными к началу и концу якорной обмотки двигателя постоянного тока, и снабженных двумя электронными ключами в каждом блоке, причем общая точка соединения двух ключей в первом блоке подсоединена к фазе питающей сети однофазного переменного напряжения, а общая точка соединения двух ключей во втором блоке подсоединена к нулю питающей сети однофазного переменного напряжения, согласно изобретению в качестве электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы симметричной структуры, эмиттеры полупроводниковых транзисторов первого блока соединены и подключены к фазе питающей сети однофазного переменного напряжения, а эмиттеры полупроводниковых транзисторов второго блока соединены и подключены к нулю однофазной питающей сети переменного напряжения. Одна общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов первого и второго блоков подключена к началу якорной обмотки двигателя постоянного тока, а другая общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов первого и второго блоков подключена к концу якорной обмотки двигателя постоянного тока.
Осуществление реверсивного запуска и работы двигателя постоянного тока в обратном направлении достигается путем использования возможности транзистора вследствие его симметричной структуры (p-n-p, n-p-n) пропускать ток в прямом и обратном направлении в ключевом режиме.
Расширение функциональных возможностей двигателя постоянного тока объясняется тем, что использование реверсивного однофазного мостового транзисторного преобразователя обусловливает осуществление не только регулирование скорости вращения вала двигателя постоянного тока, но и реверс.
Упрощение силовой схемы и системы управления, исключение возможности технологического короткого замыкания достигаются за счет использования одного мостового реверсивного транзисторного преобразователя для осуществления реверса.
Снижение габаритов, повышение экономичности и надежности устройства обеспечивается за счет исключения применения второго тиристорного мостового преобразователя при уменьшении числа элементов устройства.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема реверсивного однофазного мостового транзисторного преобразователя при протекании токов, обеспечивающих движение вала двигателя постоянного тока в направлении «вперед»; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема реверсивного однофазного мостового транзисторного преобразователя при направлении токов, обеспечивающих движение вала двигателя постоянного тока в направлении «назад»; на фиг.3 - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «вперед» и открытии пар транзисторов в течение всего полупериода выпрямленного напряжения; на фиг.4 - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «вперед» и частичном открытии пар транзисторов в течение каждого полупериода выпрямленного напряжения; на фиг.5 - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «назад» и открытии пар транзисторов в течение всего полупериода выпрямленного напряжения; на фиг.6 - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «назад» и частичном открытии пар транзисторов в течение каждого полупериода выпрямленного напряжения.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- Uc - источник переменного напряжения;
дв
- U - напряжение на двигателе;
- Ф - фаза;
- O - нуль;
-t - текущее время;
дв
- I - ток, протекающий через двигатель;
- VT1-VT4 - транзисторы;
- C1 и C2 - концы якорной обмотки двигателя постоянного тока;
- сплошные стрелки - направления протекания тока в положительные полупериоды питающего переменного напряжения;
- пунктирные стрелки - направления протекания тока в отрицательные полупериоды питающего переменного напряжения;
- штрихпунктирные стрелки - схематичные границы реверсивных ключевых полупроводниковых блоков.
Реверсивный однофазный мостовой транзисторный преобразователь содержит реверсивные ключевые полупроводниковые блоки 1 и 2, снабженные двумя электронными ключами в каждом блоке. В качестве электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы симметричной структуры (p-n-р или n-p-n). Так, полупроводниковый блок 1 содержит транзисторы 3 (VT1) и 4 (VT2), а полупроводниковый блок 2 содержит 5 (VT3) и 6 (VT4).
Коллектор транзистора 3 (VT1) полупроводникового блока 1 соединен с коллектором транзистора 5 (VT3) полупроводникового блока 2, и их общая точка объединения подключена к началу 7 (С1) якорной обмотки двигателя постоянного тока. Коллектор транзистора 4 (VT2) полупроводникового блока 1 соединен с коллектором транзистора 6 (VT4) полупроводникового блока 2, и их общая точка объединения подключена к концу 8 (С2) якорной обмотки двигателя постоянного тока. Таким образом, блоки 1 и 2 связаны между собой общими точками, подключенными к началу 7 (С1) и концу 8 (С2) якорной обмотки двигателя постоянного тока.
В полупроводниковом блоке 1 эмиттер транзистора 3 (VT1) соединен с эмиттером транзистора 4 (VT2), и их общая точка соединения подключена к фазе питающей сети однофазного переменного напряжения. В полупроводниковом блоке 2 эмиттер транзистора 6 (VT4) соединен с эмиттером транзистора 5 (VT3), и их общая точка соединения подключена к нулю питающей сети однофазного переменного напряжения (фиг.1, фиг.2).
С помощью реверсивного однофазного мостового транзисторного преобразователя возможно регулирование скорости вращения вала двигателя постоянного тока за счет частичного открывания транзисторов, а также осуществление реверсивного вращения двигателя постоянного тока путем использования возможности транзистора вследствие его симметричной структуры (р-n-р, n-p-n) пропускать ток как в прямом, так и в обратном направлении в ключевом режиме.
Для осуществления вращения вала двигателя постоянного тока в направлении «вперед» необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы в соответствии с диаграммой, показанной на фиг.3.
В положительный полупериод, в момент времени t1 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 3 (VT1) и 6 (VT4).
В отрицательный полупериод, в момент времени t2 переменного напряжения, отключаются транзисторы 3 (VT1) и 6 (VT4), включаются и работают транзисторы 5 (VT3) и 4 (VT2).
В следующий положительный полупериод, в момент времени t3 переменного напряжения отключаются транзисторы 5 (VT3) и 4 (VT2), включаются и работают транзисторы 3 (VT1) и 6 (VT4).
Начиная с момента времени t3, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая вращение вала двигателя постоянного тока в направление «вперед».
Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока при направлении вращении вала «вперед» достигается неполным открытием пар транзисторов в течение всего полупериода согласно фиг.4.
В положительный полупериод, в момент времени t1 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 3 (VT1) и 6 (VT4), в момент времени t2 производится отключение транзисторов 3 (VT1) и 6 (VT4).
В отрицательный полупериод, в момент времени t3 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 5 (VT3) и 4 (VT2), в момент времени t4 производится отключение транзисторов 5 (VT3) и 4 (VT2).
Начиная со следующего положительного полупериода, в момент времени t5 цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая вращение вала двигателя постоянного тока.
Данная схема включения и последовательность управления транзисторами (фиг.3, фиг.4) позволяет регулировать скорость вращения вала двигателя постоянного тока при вращении «вперед».
Для осуществления вращения вала двигателя постоянного тока в направлении «назад» необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы в соответствии с диаграммой, показанной на фиг.5.
В положительный полупериод, в момент времени t1 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 4 (VT2) и 5 (VT3).
В отрицательный полупериод, в момент времени t2 переменного напряжения отключаются транзисторы 4 (VT2) и 5 (VT3), включаются и работают транзисторы 6 (VT4) и 3 (VT1).
В следующий положительный полупериод, в момент времени t3 переменного напряжения отключаются транзисторы 6 (VT4) и 3 (VT1) и включаются и работают транзисторы 4 (VT2) и 5 (VT3).
Начиная с момента времени t3, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая вращение вала двигателя постоянного тока.
Регулирование скорости вращения вала двигателя постоянного тока при направлении вращении вала «назад» достигается неполным открытием пар транзисторов в течение всего полупериода, согласно фиг.6.
В положительный полупериод, в момент времени t1 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 4 (VT2) и 5 (VT3), в момент времени t2 производится отключение транзисторов 4 (VT2) и 5 (VT3).
В отрицательный полупериод, в момент времени t3 переменного напряжения включаются и работают транзисторы 6 (VT4) и 3 (VT1), в момент времени t4 производится отключение транзисторов 6 (VT4) и 3 (VT1).
Начиная со следующего положительного полупериода, в момент времени t5 цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая вращение вала двигателя постоянного тока.
Данная схема включения и последовательность управления транзисторами (фиг.5, фиг.6) позволяет регулировать скорость вращения вала двигателя постоянного тока при направлении «назад».
Таким образом, на основании вышеизложенного видно, что предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известным тиристорным мостовым преобразователем из-за возможности осуществления стабильного реверса с равнозначным значением КПД в обоих направлениях и работы устройства как в прямом, так и обратном направлениях, повышенной надежности, экономичности и уменьшенных габаритов за счет снижения числа силовых элементов.