Полупроводниковое устройство питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети

Полезная модель относится к преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети переменного тока маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник».
Известно устройство пуска трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник» от однофазной сети переменного тока, в котором в качестве фазосмещающего элемента для создания вращающегося магнитного поля статора при пуске использован бумажный конденсатор, который шунтирует одну из статорных обмоток электродвигателя и включен последовательно со второй статорной обмоткой, при этом третья статорная обмотка остается подключенной напрямую к сети (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. - М.: Энергия, 1974. - С.612, рис. 30-7).
Однако описанное устройство пуска трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме треугольник от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига имеет следующие недостатки: необходимость использования бумажных конденсаторов большой емкости для пуска, отсутствие возможности реверса электродвигателя.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является реверсивное устройство коммутации запуска трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя от однофазной сети, относящееся к устройствам запуска трехфазных асинхронных электродвигателей от однофазной сети, статорные обмотки которых соединены по схеме «треугольник». Данное устройство содержит реверсивные полупроводниковые коммутаторы, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных транзистора, предназначенных для питания статорных обмоток электродвигателя при соединении статорных обмоток по схеме «треугольник». В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, и их общий вывод соединен с фазой питающей сети, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, и их общий вывод соединен общим выводом первой и второй статорных обмоток. Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер третьего транзистора соединен с коллектором четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом второй и третьей статорных обмоток, коллектор третьего транзистора соединен с эмиттером четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с нулем питающей сети. В третьем реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор пятого транзистора соединен с эмиттером шестого транзистора, и их общий вывод соединен с фазой питающей сети, эмиттер пятого транзистора соединен с коллектором шестого транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом первой и третьей статорных обмоток. В четвертом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор седьмого транзистора соединен с эмиттером восьмого транзистора, и их общий вывод соединен с нулем питающей сети. Эмиттер седьмого транзистора соединен с коллектором восьмого транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом первой и второй статорных обмоток (патент RU 193358, МПК Н02Р 1/42 (2006.01), Н02Р 25/062 (2016.01)).
Основным недостатком описанного устройства является пониженная надежность вследствие повышенного количества полупроводниковых коммутаторов и повышенной опасности замыкания между первым и четвертым реверсивными полупроводниковыми коммутаторами.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в создании полупроводникового устройства питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети с повышенной надежностью.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в полупроводниковом устройстве питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержащем реверсивные полупроводниковые коммутаторы, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных транзистора, предназначенные для питания статорных обмоток электродвигателя при соединении статорных обмоток по схеме «треугольник», причем в первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, и их общий вывод соединен с фазой питающей сети, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом первой и второй статорных обмоток, во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер третьего транзистора соединен с коллектором четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом второй и третьей статорных обмоток, коллектор третьего транзистора соединен с эмиттером четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с нулем питающей сети, согласно полезной модели общий вывод первой и третьей статорных обмоток соединен с нулем питающей сети, а также с общим выводом коллектора третьего транзистора и эмиттера четвертого транзистора.
Повышение надежности полупроводникового устройства питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети обусловлено уменьшением количества реверсивных полупроводниковых коммутаторов и отсутствием возможности короткого замыкания между этими коммутаторами.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого полупроводникового устройства питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети; на фиг. 2 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из четырех фиксированных положений; на фиг. 3 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из трех фиксированных положений; на фиг. 4 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 5 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2, при вращении против часовой стрелки; на фиг. 6 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 3, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 7 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 3, при вращении против часовой стрелки.
Кроме того, на чертеже изображены следующие элементы:
сети
- U~ - напряжение, поступающее от источника питания переменного напряжения;
- t - текущее время;
- t1-t4 - промежутки времени работы транзисторов;
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- С1-С3-точки соединения статорных обмоток трехфазного асинхронного электродвигателя;
- А, В, С - статорные обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя;
- VT1-VT4 -биполярные транзисторы;
- K1, K2 - реверсивные полупроводниковые коммутаторы;
- I, II, III, IV - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока вращающегося поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока в соответствующих статорных обмотках;
- дуговые пунктирные линии со стрелками - направление вращения магнитного потока в статорных обмотках против часовой стрелки;
- дуговые сплошные линии со стрелками - направление вращения магнитного потока в статорных обмотках по часовой стрелке.
Полупроводниковое устройство питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержит два реверсивных полупроводниковых коммутатора, каждый из которых выполнен на четном и нечетном биполярных транзисторах одинаковой проводимости, соединенных встречно-параллельно и позволяющих питать от однофазной сети переменного тока статорные обмотки асинхронного двигателя с соединением по схеме «треугольник». В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, и их общий вывод соединен с фазой питающей сети, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом первой и второй статорных обмоток. Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер третьего транзистора соединен с коллектором четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с общим выводом второй и третьей статорных обмоток, коллектор третьего транзистора соединен с эмиттером четвертого транзистора, и их общий вывод соединен с нулем питающей сети. Общий вывод первой и третьей статорных обмоток соединен с нулем питающей сети, а также с общим выводом коллектора третьего транзистора и эмиттера четвертого транзистора.
Пример выполнения полупроводникового устройства питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети.
Первый реверсивный полупроводниковый коммутатор 1 (K1) содержит n-р-n нечетный биполярный первый транзистор 2 (VT1) и n-p-n четный биполярный второй транзистор 3 (VT2). Коллектор транзистора 2 (VT1) и эмиттер транзистора 3 (VT2) соединены в точке 4, и эта общая точка соединения 4 подключена к фазе питающей сети однофазного переменного тока. Эмиттер транзистора 2 (VT1) и коллектор транзистора 3 (VT2) соединены в точке 5, и эта общая точка 5 предназначена для подключения к точке соединения 6 (С1) первой статорной обмотки 7 (А) и второй статорной обмотки 8 (В) трехфазного асинхронного электродвигателя.
Второй реверсивный полупроводниковый коммутатор 9 (K2) содержит n-p-n нечетный биполярный транзистор 10 (VT3) и n-p-n четный биполярный транзистор 11 (VT4). Коллектор транзистора 10 (VT3) и эмиттер транзистора 11 (VT4) соединены в точке 12, и эта общая точка соединения 12 подключена к нулю питающей сети однофазного переменного тока в точке соединения 13, одновременно являющейся точкой подсоединения к нулю питающей сети общей точки соединения 14 (С2) первой статорной обмотки 7 (А) и третьей статорной обмотки 15(C). Эмиттер транзистора 10 (VT3) и коллектор транзистора 11 (VT4) соединены в точке 16, и эта общая точка 16 предназначена для подключения к точке соединения 17 (С3) второй статорной обмотки 8 (В) и третьей статорной обмотки 15 (С) трехфазного асинхронного электродвигателя.
Точка соединения 14 (С2) первой статорной обмотки 7 (А) и третьей статорной обмотки 15 (С) трехфазного асинхронного электродвигателя подключена к нулю питающей сети и точке 12 соединения коллектора транзистора 10 (VT3) и эмиттера транзистора 11 (VT4) в точке соединения 13.
Полупроводниковое устройство питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети работает следующим образом.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник» в соответствии с векторной диаграммой (фиг. 2), в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие сигналы на базы транзисторов 2 (VT1), 3(VT2), 10 (VT3), 11(VT4) в следующем порядке (фиг. 4):
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вверх в показанном стрелками направлении;
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t1 до t2, транзистор 3 (VT2) остается отрытым, а транзистор 10 (VT3) закрывается, обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А), 8 (В) вверх и 15 (С) вправо в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от t2 до t3, закрывается транзистор 3 (VT2), а открываются транзисторы 2 (VT1) и 11 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вниз в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от t3 до х4, транзистор 2 (VT1) остается отрытым, а транзистор 11 (VT4) закрывается, обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А), 8 (В) вниз и 15 (С) влево в показанном стрелками направлении.
Далее начиная с t4, цикл работы транзисторов повторяется, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник» в соответствии с векторной диаграммой (фиг. 2), в последовательности II-I-IV-III, необходимо подавать управляющие сигналы на базы транзисторов 2 (VT1), 3(VT2), 10 (VT3), 11(VT4) в следующем порядке (фиг. 5):
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открывается транзистор 3 (VT2), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А), 8 (В) вверх и 15 (С) вправо в показанном стрелками направлении;
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t1 до х2, транзистор 3 (VT2) остается отрытым, а транзистор 10 (VT3) так же открывается, обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вверх в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от х2 до t3, закрываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), а открывается транзистор 2 (VT1), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А), 8 (В) вниз и 15 (С) влево в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от t3 до t4, транзистор 2 (VT1) остается отрытым, а транзистор 11 (VT4) также открывается, обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вниз.
Далее начиная с х4, цикл работы транзисторов повторяется, обеспечивая вращение поля статора против часовой стрелки.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник» в соответствии с векторной диаграммой (фиг. 3), в последовательности I-II-III, необходимо подавать управляющие сигналы на базы транзисторов 2 (VT1), 3(VT2), 10 (VT3), 11(VT4) в следующем порядке (фиг. 6):
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вверх в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от х2 до х3, закрываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), а открываются транзисторы 2 (VT1) и 11 (VT4), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вниз в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от t2 до t3, транзистор 2 (VT1) остается отрытым, а транзистор 11 (VT4) закрывается, обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А), 8 (В) вниз и 15 (С) влево в показанном стрелками направлении.
Далее, начиная с х3, цикл работы транзисторов повторяется, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя при соединении обмоток по схеме «треугольник» в соответствии с векторной диаграммой (фиг. 3), в последовательности I-III-II, необходимо подавать управляющие сигналы на базы транзисторов 2 (VT1), 3(VT2), 10 (VT3), 11(VT4) в следующем порядке (фиг. 7):
- в отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вверх в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от t1 до х2, закрываются транзисторы 3 (VT2) и 10 (VT3), а открывается транзистор 2 (VT1), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вниз в показанном стрелками направлении и 15 (С) влево в показанном стрелками направлении;
- в положительную полуволну питающего напряжения, в период от х2 до t3, транзистор 2 (VT1) остается отрытым, а транзистор 11 (VT4) открывается, обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 7 (А) и 8 (В) вниз.
Использование полупроводникового устройства питания маломощного трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети обусловлено возможностью создания различных типов вращающихся магнитных полей статора путем алгоритмического перебора вариантов коммутации транзисторов, что позволяет получить требуемое направление тока в обмотках статора, а следовательно и направление вращения электродвигателя.
Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечивать высокие показатели надежности при вращении вектора магнитного потока поля статора трехфазного асинхронного электродвигателя по часовой стрелке и против часовой стрелки.