Компактный частотный преобразователь для однофазного асинхронного двигателя

Предлагаемая полезная модель относится к преобразователям частоты и может быть применена в регулируемом электроприводе переменного напряжения для питания от сети постоянного напряжения однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.
Известен однофазный асинхронный 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 которого соединена с нулем питающей сети (Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений / А.И. Вольдек. - Изд. 3-е, перераб. - Л.: Энергия, 1978. - С. 610, рис. 30-8).
Основным недостатком данного устройства является низкая надежность вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости при отсутствии возможности регулирования скорости вращения электродвигателя и непредсказуемости направления его вращения.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащее четыре реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, подключенные к плюсу и минусу питающей сети постоянного напряжения и выполненые на парах полупроводниковых ключей, являющихся n-p-n транзисторами, четными и нечетными. Коллекторы четных транзисторов подключены к плюсу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, эмиттеры четных транзисторов подсоединены к коллекторам нечетных транзисторов, эмиттеры нечетных транзисторов подключены к минусу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста. Общая точка соединения коллектора нечетного транзистора и эмиттера четного транзистора каждой пары предназначена для подключения к соответствующему выводу статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Транзисторы используются для векторно-алгоритмической коммутации обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Управление каждым транзистором через цепь база-эммитер происходит от восьми дополнительных независимых источников питания (патент RU 2403671, МПК Н02Р 21/12 (2006.01), Н02Р 27/06 (2006.01)).
Основным недостатком данного устройства является пониженная надежность вследствие необходимости использования восьми дополнительных независимых источников питания для управления транзисторами полупроводниковых коммутаторов, а так же вследствие вероятности короткого замыкания между силовой частью и управляющим питанием.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при Осуществлении полезной модели, заключается в создании компактного частотного преобразователя для однофазного асинхронного двигателя с повышенной надежностью.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в компактном частотном преобразователе для однофазного асинхронного двигателя, содержащем четыре реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, подключенные к плюсу и минусу питающей сети постоянного напряжения и выполненные на парах полупроводниковых ключей, четыре из которых являются n-p-n транзисторами, согласно полезной модели каждая пара полупроводниковых ключей выполнена на p-n-р транзисторе и n-p-n транзисторе, в каждой паре полупроводниковых ключей коллекторы объединены в общие точки и подключены к началам и концам статорных обмоток, соответственно. Общая точка коллекторов каждого полупроводникового коммутатора через сопротивление и фотодиод подключена к базе р-n-р транзистора, и эта же общая точка коллекторов каждого полупроводникового коммутатора через фотодиод и резистор подключена к базе n-p-n транзистора. Эмиттеры всех р-n-р транзисторов подключены к плюсу питающей сети постоянного напряжения, а эмиттеры всех n-p-n транзисторов подключены к минусу питающей сети постоянного напряжения.
Повышение надежности компактного частотного преобразователя для однофазного асинхронного двигателя обусловлено введением оптопар, что исключает возможность короткого Замыкания между силовой частью и управляющим питанием благодаря отсутствию прямого контакта между силовой частью и цепью управления.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема компактного частотного преобразователя для однофазного асинхронного двигателя; на фиг. 2 - векторная диаграмма магнитного поля статора с тремя векторами; на фиг. 3 - векторная диаграмма магнитного поля статора с четырьмя векторами; на фиг. 4 - векторная диаграмма магнитного поля статора с шестью векторами; на фиг. 5 - векторная диаграмма магнитного поля статора с восемью векторами; на фиг. 6 - тактовая диаграмма для построения трех векторов магнитного поля статора; на фиг. 7 - тактовая диаграмма для построения четырех векторов магнитного поля статора; на фиг. 8 - тактовая диаграмма для построения шести векторов магнитного поля статора; на фиг. 9 - тактовая диаграмма для построения восьми векторов магнитного поля статора.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, VT7, VT8 - транзисторы;
- VD1, VD2, VD3, VD4, VD5, VD6, VD7, VD8 - фотодиоды;
- R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 - сопротивления;
- Э - эмиттер;
- К - коллектор;
- Б - база;
- „+" - плюс питающей сети постоянного напряжения;
- „-" -минус питающей сети постоянного напряжения;
- U - постоянное напряжение;
- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя;
- IV(I) - начало нового цикла тактирования ключей полупроводниковых ключей при создании трех векторов;
- V(I) - начало нового цикла тактирования ключей полупроводниковых ключей при создании четырех векторов;
- VII(I) - начало нового цикла тактирования ключей полупроводниковых ключей при создании шести векторов;
- IХ(I) - начало нового цикла тактирования ключей полупроводниковых ключей при создании восьми векторов;
- дугообразные линии со стрелками - направления вращения магнитного потока поля статора;
- прямые линии со стрелками - направления напряжения в статорных обмотках однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.
Компактный частотный преобразователь для однофазного асинхронного двигателя содержит четыре реверсивных полупроводниковых коммутатора, предназначенные для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, подключенные к плюсу и минусу питающей сети постоянного напряжения и выполненные на парах полупроводниковых ключей. Каждая пара полупроводниковых ключей выполнена на p-n-р транзисторе и n-p-n транзисторе. В каждой паре полупроводниковых ключей коллекторы объединены в общие точки и подключены к началам и концам статорных обмоток, соответственно. Общая точка коллекторов каждого полупроводникового коммутатора через сопротивление и фотодиод подключена к базе р-n-р транзистора, и эта же общая точка коллекторов каждого полупроводникового коммутатора через фотодиод и резистор подключена к базе n-p-n транзистора. Эмиттеры всех p-n-р транзисторов подключены к плюсу питающей сети постоянного напряжения, а эмиттеры всех n-p-n транзисторов подключены к минусу питающей сети постоянного напряжения.
Таким образом, компактный частотный преобразователь для однофазного асинхронного двигателя содержит пару полупроводниковых ключей, выполненную на р-n-р транзисторе 1 (VT1) и n-p-n транзисторе 2 (VT2), пару полупроводниковых ключей, выполненную на p-n-р транзисторе 3 (VT3) и n-p-n транзисторе 4 (VT4), пару полупроводниковых ключей, выполненную на p-n-р транзисторе 5 (VT5) и n-р-n транзисторе 6 (VT6), пару полупроводниковых ключей, выполненную на р-n-р транзисторе 7 (VT7) и n-p-n транзисторе 8 (VT8), подключенные встречно-параллельно, но два транзистора в каждом из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов.
В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 1 (VT1) соединен с плюсом 9 питающей сети постоянного напряжения, а коллектор транзистора 1 (VT1) объединен с коллектором транзистора 2 (VT2), и их общая точка 10 соединена с началом статорной обмотки 11 (L1) двигателя. Эмиттер транзистора 2 (VT2) соединен с минусом 12 питающей сети постоянного напряжения. База транзистора 1 (VT1) соединена с катодом фотодиода 13 (VD1), анод которого через сопротивление 14 (R1) подключен к общей точке 10 коллекторов транзистора 1 (VT1) и транзистора 2 (VT2). База транзистора 2 (VT2) через сопротивление 15 (R2) подключена к аноду фотодиода 16 (VD2), катод которого подключен к общей точке 10 коллекторов транзистора 1 (VT1) и транзистора 2 (VT2).
Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 3 (VT3) соединен с плюсом 9 питающей сети постоянного напряжения, а коллектор транзистора 3 (VT3) объединен с коллектором транзистора 4 (VT4), и их общая точка 17 я соединена с концом статорной обмотки 11 (L1) двигателя. Эмиттер транзистора 4 (VT4) соединен с минусом 12 питающей сети постоянного напряжения. База транзистора 3 (VT3) соединена с катодом фотодиода 18 (VD3), анод которого через сопротивление 19 (R3) подключен к общей точке 17 коллекторов транзистора 3 (VT3) и транзистора 4 (VT4), База транзистора 4 (VT4) через сопротивление 20 (R4) подключена к аноду фотодиода 21 (VD4), катод которого подключен к общей точке 17 коллекторов транзистора 3 (VT3) и транзистора 4 (VT4).
В третьем реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 5 (VT5) соединен с плюсом 9 питающей сети постоянного напряжения, а коллектор транзистора 5 (VT5) объединен с коллектором транзистора 6 (VT6), и их общая точка 22 соединена с началом статорной обмотки 23 (L2) двигателя. Эмиттер транзистора 6 (VT6) соединен с минусом 12 питающей сети постоянного напряжения. База транзистора 5 (VT5) соединена с катодом фотодиода 24 (VD5), анод которого через сопротивление 25 (R5) подключен к общей точке 22 коллекторов транзистора 5 (VT5) и транзистора 6 (VT6). База транзистора 6 (VT6) через сопротивление 26 (R6) подключена к аноду фотодиода 27 (VD6), катод которого подключен к общей точке 22 коллекторов транзистора 5 (VT5) и транзистора 6 (VT6).
В четвертом реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 7 (VT7) соединен с плюсом 9 питающей сети постоянного напряжения, а коллектор транзистора 7 (VT7) объединен с коллектором транзистора 8 (VT8), и их общая точка 28 соединена с концом статорной обмотки 23 (L2) двигателя. Эмиттер транзистора 8 (VT8) соединен с минусом 12 питающей сети постоянного напряжения. База транзистора 7 (VT7) соединена с катодом фотодиода 29 (VD7), анод которого через сопротивление 30 (R7) подключен к общей точке 28 коллекторов транзистора 7 (VT7) и транзистора 8 (VT8). База транзистора 8 (VT8) через сопротивление 31 (R8) подключена к аноду фотодиода 32 (VD8), катод которого подключен к общей точке 28 коллекторов транзистора 7 (VT7) и транзистора 8 (VT8).
С помощью предлагаемого компактного частотного преобразователя для однофазного асинхронного двигателя возможно осуществление векторно-алгоритмического управления однофазным двухобмоточным асинхронным двигателем путем создания нескользких типов вращающихся полей статора - прохождением трех, четырех, шести, или восьми последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Работа компактного частотного преобразователя для однофазного асинхронного двигателя происходит следующим образом.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, в последовательности I-II-III, необходимо подавать управляющие импульсы на фотодиоды 13 (VD1), 16 (VD2), 18 (VD3), 21 (VD4), 24 (VD5), 27 (VD6), 29 (VD7), 32 (VD8) соответствующих транзисторов 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4), 5(VT5), 6 (VT6), 7 (VT7), 8 (VT8) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 6) коммутации подаются световые сигналы на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4) (фиг. 1), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4); таким образом включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), обеспечивая протекание эмиттер - коллекторного тока через транзисторы VT1 и VT4, обеспечивая протекание тока по обмотке 11 (L1) двигателя, формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- во второй момент t2 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4), таким образом выключаются транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), подаются сигналы на фотодиоды 27 (VD6) и 29 (VD7), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы VT6, VT7, таким образом включаются и работают транзисторы 6 (VT6), 7 (VT), обеспечивая протекание тока по обмотке 23 (L2) двигателя, формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2);
- в третий момент t3 отключается подача светового сигнала на фотодиоды 27 (VD6) и 29 (VD7), таким образом выключаются транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), подаются сигналы на фотодиоды 16 (VD2), 18 (VD3), 24 (VD5) и 32 (VD8), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), 5 (VT5), 8 (VT8); таким образом включаются и работают транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), 5 (VT5), 8 (VT8), обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 2).
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 3, в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на оптопары транзисторов 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4), 5(VT5), 6 (VT6), 7 (VT7), 8 (VT8) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 7) коммутации подаются световые сигналы на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4); таким образом включаются и работают транзисторы I (VT1), 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 11 (L1), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- во второй момент t2 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4); таким образом выключаются транзисторы 1 (VT1). 4 (VT4), подаются сигналы на фотодиоды 27 (VD6) и 28 (VD7), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), таким образом включаются и работают транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в третий момент t3 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 6 (VD6) и 7 (VD7), таким образом выключаются транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), подаются сигналы на фотодиоды 16 (VD2) и 18 (VD3), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3); таким образом включаются и работают транзисторы 2 (VT2), 3(VT3), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3);
- в четвертый момент t4 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 2 (VD2) и 3 (VD3); таким образом выключаются транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), подаются сигналы на фотодиоды 24 (VD5) и 32 (VD8), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7); таким образом включаются и работают транзисторы 5 (VT5), 8 (VT8), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 3).
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.4, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на оптопары транзисторов 1 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4), 5(VT5), 6 (VT6), 7 (VT7), 8 (VT8) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 8) коммутации подаются световые сигналы на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 1 (VT)1, 4 (VT4); таким образом включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 11 (L1), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4);
- во второй момент t2 коммутации транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4 продолжают работать, и подаются световые сигналы на фотодиоды 27 (VD6) и 29 (VD7), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7); таким образом включаются транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4);
- в третий момент t3 в коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4); таким образом выключаются транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), транзисторы 6 (VT6), 7 (V7) продолжают работать, обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4);
- в четвертый момент t4 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 6 (VD6) и 7 (VD7); таким образом выключаются транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), подаются сигналы на фотодиоды 16 (VD2) и 18 (VD3), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3); таким образом включаются и работают транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 11 (L1), формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4);
- в пятый момент t5 коммутации транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3) продолжают работать, и подаются световые сигналы на фотодиоды 24 (VD5) и 32 (VD8), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 5 (VT5), 8 (VT8), таким образом обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4);
- в шестой момент t6 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 2 (VD2) и 3 (VD3); таким образом выключаются транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), транзисторы 5 (VT), 8 (VT8) продолжают работать, обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 4).
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного 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 (VT1), 2 (VT2), 3 (VT3), 4 (VT4), 5(VT5), 6 (VT6), 7 (VT7), 8 (VT8) в следующем порядке:
- в первый момент t1 (фиг. 9) коммутации подаются световые сигналы на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4); таким образом включаются и работают транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 11 (L1), формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- во второй момент t2 коммутации транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4) продолжают работать, и подаются световые сигналы на фотодиоды 27 (VD6) и 29 (VD7), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7); таким образом включаются и работают транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в третий момент t3 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 13 (VD1) и 21 (VD4); транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7) продолжают работать, таким образом обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в четвертый момент t4 коммутации транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7) продолжают работать, и подаются сигналы на фотодиоды 16 (VD2) и 18 (VD3), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), таким образом обеспечивая протекание тока но обмоткам двигателя 11 (LI), 23 (L2) формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в пятый момент t5 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 27 (VD6) и 29 (VD7); таким образом выключаются транзисторы 6 (VT6), 7 (VT7), транзисторы 2 (V2), 3 (VT3) продолжают работать, обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 11 (L1), формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в шестой момент t6 коммутации транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3) продолжают работать, и подаются световые сигналы на фотодиоды 24 (VD5) и 32 (VD8), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 5 (VT5), 8 (VT8), таким образом обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в седьмой момент t7 коммутации отключается подача светового сигнала на фотодиоды 16 (VD2) и 18 (VD3); таким образом выключаются транзисторы 2 (VT2), 3 (VT3), транзисторы 5 (VT5), 8 (VT8) продолжают работать, обеспечивая протекание тока по обмотке двигателя 23 (L2), формируя VII фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5);
- в восьмой момент t8 коммутации транзисторы 5 (VT5), 8 (VT8) продолжают работать подаются световые сигналы на фотодиоды 13 (VD) и 21 (VD4), обеспечивая протекание базового тока через транзисторы 1 (VT1), 4 (VT4), обеспечивая протекание тока по обмоткам двигателя 11 (L1), 23 (L2), формируя VIII фиксированное положение магнитного поля статора (фиг. 5).
Кроме того, для каждого из этих типов вращающихся полей можно производить высокочастотное (низкочастотное) переключение транзисторов для повышения (понижения) скорости вращения электродвигателя.
Таким образом уменьшая (увеличивая) количество фиксированных векторов во вращении поля статора можно дискретно уменьшать (увеличивать) скорость вращения двигателя, а при изменении частоты коммутации это можно делать еще и плавно.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для регулирования скорости вращения однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя при питании от сети постоянного напряжения, при высоких показателях надежности, экономичности и малых габаритах.