ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ РЕВЕРСИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА И РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ТРЕХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПИТАЮЩЕГОСЯ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемое изобретение относится к нерегулируемым преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использовано для пуска и работы электропривода переменного тока при питании асинхронных трехфазных двигателей от однофазной сети.
Известен низкочастотный преобразователь частоты вращения асинхронного трехфазного двигателя от однофазной сети переменного тока, содержащий полупроводниковые ключи, в качестве которых использованы такие силовые элементы, как три симистора, для коммутации обмоток электродвигателя. Один из выходов каждого симистора подключен к фазе питающей сети, а другой выход каждого симистора подключен к соответствующей обмотке статора. При этом статорные обмотки асинхронного трехфазного двигателя соединены в звезду, а нулевой провод статорных обмоток электродвигателя подключен к нулю питающей сети (Глазенко Т.А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т.А. Глазенко. - Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. - С. 61, рис. 2-12, схема №12).
Основным недостатком низкочастотного преобразователя частоты вращения асинхронного трехфазного электродвигателя, от однофазной сети переменного тока является снижение мощности, развиваемой двигателем, в два раза по сравнению с потребляемой мощностью, вследствие того, что обмотки статора двигателя включены по схеме звезда, и одновременно работают только две обмотки статора двигателя, сдвинутые в пространстве на 120°.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является регулируемый транзисторный редуктор широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока, содержащий три полупроводниковых ключа, каждый из которых выполнен на двух полупроводниковых коммутаторах, обеспечивающих векторно-алгоритмическую коммутацию статорных обмоток двигателя и предназначенных для присоединения к источнику постоянного тока. В качестве каждого полупроводникового коммутатора использован биполярный транзистор структуры p-n-р с двумя выводами. В первом полупроводниковом ключе два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов, а именно эмиттер первого биполярного транзистора и коллектор второго биполярного транзистора, предназначены для соединения соответственно с плюсом и минусом источника постоянного тока, и два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов, а именно коллектор первого биполярного транзистора и эмиттер второго биполярного транзистора, объединены и соединены с началом первой статорной обмотки двигателя и концом третьей статорной обмотки двигателя. Во втором полупроводниковом ключе два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов, а именно эмиттер третьего биполярного транзистора и коллектор четвертого биполярного транзистора, предназначены для соединения соответственно с плюсом и минусом источника постоянного тока, и два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов, а именно, коллектор третьего биполярного транзистора и эмиттер четвертого биполярного транзистора, объединены и соединены с началом второй статорной обмотки двигателя и концом первой статорной обмотки двигателя. В третьем полупроводниковом ключе два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов, а именно эмиттер пятого биполярного транзистора и коллектор шестого биполярного транзистора, предназначены для соединения с плюсом и минусом источника постоянного тока, и два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов, а именно коллектор пятого биполярного транзистора и эмиттер шестого биполярного транзистора, объединены и соединены с началом третьей статорной обмотки двигателя и концом второй статорной обмотки двигателя (патент RU 138415, МПК H02P 25/02 (2006.01), H02P 24/04 (2006.01), H02M 7/53 (2006.01), H02M 7/53862 (2007.01))
Основными недостатками описанного регулируемого транзисторного редуктора широкого диапазона для трехфазного асинхронного электродвигателя, питающегося от сети постоянного тока, являются повышенная трудоемкость изготовления вследствие обязательного наличия источника постоянного тока, что требует использования силового выпрямительного устройства для питания двигателя; большой расход электроэнергии и мощности на управление открытием и удержанием в рабочем состоянии каждого из транзисторов, работающих в ключевом режиме, и на дополнительные изолированные источники питания для управления каждым из транзисторов; повышенные затраты на изготовление вследствие использования шести биполярных транзисторов, для управления которыми требуются дополнительные изолированные источники питания, а так же силового выпрямительного устройства для питания двигателя.
Предлагаемым изобретением решается задача снижения трудоемкости изготовления устройства, расхода электроэнергии и мощности при эксплуатации, а также повышения экономичности устройства.
Для решения поставленной задачи в полупроводниковом реверсивном устройстве для запуска и работы асинхронного трехфазного двигателя, питающегося от однофазной сети переменного тока, содержащем три полупроводниковых ключа, любой из которых выполнен на двух полупроводниковых коммутаторах с двумя выводами каждый, обеспечивающих векторно-алгоритмическую коммутацию статорных обмоток двигателя и предназначенных для присоединения к источнику тока, причем в первом полупроводниковом ключе два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом первой статорной обмотки двигателя и концом третьей статорной обмотки двигателя, во втором полупроводниковом ключе два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом второй статорной обмотки двигателя и концом первой статорной обмотки двигателя, в третьем полупроводниковом ключе два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом третьей статорной обмотки двигателя и концом второй статорной обмотки двигателя, согласно изобретению в качестве полупроводниковых коммутаторов, пропускающих ток в обоих направлениях, использованы симисторы, а в качестве источника тока использована однофазная сеть переменного тока. В первом полупроводниковом ключе первый вывод первого полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока, и первый вывод второго полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока, вторые выводы первого и второго полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом первой статорной обмотки двигателя и концом третьей статорной обмотки двигателя. Во втором полупроводниковом ключе первый вывод третьего полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока и первый вывод четвертого полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока, вторые выводы третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом второй статорной обмотки двигателя и концом первой статорной обмотки двигателя. В третьем полупроводниковом ключе первый вывод пятого полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока, и первый вывод шестого полупроводникового коммутатора предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока, вторые выводы пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом третьей статорной обмотки двигателя и концом второй статорной обмотки двигателя.
Снижение трудоемкости изготовления устройства обусловлено использованием в качестве источника тока однофазной сети переменного тока при отсутствии необходимости в выпрямительном устройстве для питания двигателя.
Уменьшение расхода электроэнергии и мощности при эксплуатации устройства обусловлены использованием в качестве полупроводниковых коммутаторов, пропускающих ток в обоих направлениях, симистров без необходимости учета полярности напряжения, проходящего через симисторы и без подачи постоянного отпирающего сигнала, так как управление симистором осуществляется подачей отпирающего импульса, и симистор останется открытым пока ток, протекающий через него, превышает ток удержания, и закрывается при изменении полярности напряжения.
Повышение экономичности устройства обусловлено, во-первых, введением в качестве полупроводниковых коммутаторов, пропускающих ток в обоих направлениях, симисторов, для управления которыми требуются дополнительные изолированные источники питания, вместо биполярных транзисторов, введенных в устройство, выбранное в качестве прототипа, во-вторых, отсутствием необходимости в силовом выпрямительном устройстве для питания двигателя вследствие использования в качестве источника тока однофазной сети переменного тока.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового реверсивного устройства для запуска и работы асинхронного трехфазного двигателя, питающегося от однофазной сети переменного тока; на фиг. 2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока; на фиг. 3 - пофазное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4 - пофазное реверсивное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2.
Кроме того, на чертеже использованы следующие обозначения:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- A, B, C - первая, вторая и третья статорные обмотки асинхронного трехфазного двигателя соответственно;
- t1-t6 - моменты времени;
- C1-C2, C3-C4, C5-C6 - начало и конец первой, второй и третьей статорных обмоток асинхронного трехфазного двигателя соответственно;
- VS1-VS6 - симисторы;
- Uc - напряжение сети
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора асинхронного трехфазного двигателя;
- прямые линии со стрелками - направления вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Полупроводниковое реверсивное устройство для запуска и работы асинхронного трехфазного двигателя, питающегося от однофазной сети переменного тока, содержит три полупроводниковых ключа, каждый из которых выполнен на двух полупроводниковых коммутаторах, пропускающих ток в обоих направлениях. В качестве первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов использованы соответственно симисторы 1 (VS1), 2 (VS2), 3 (VS3), 4 (VS4), 5 (VS5), 6 (VS6) с двумя выводами каждый, обеспечивающие векторно-алгоритмическую коммутацию статорных обмоток двигателя и предназначенные для присоединения к источнику тока. В качестве источника тока использована однофазная сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя.
В первом полупроводниковом ключе первый вывод 7 первого симистора 1 (VS1) предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока, и первый вывод 8 второго симистора 2 (VS2) предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока; второй вывод 9 первого симистора 1 (VS1) и второй вывод 10 второго симистора 2 (VS2) объединены и соединены с началом 11 (С1) первой статорной обмотки А двигателя и концом 12 (С6) третьей статорной обмотки С двигателя. Таким образом, в первом полупроводниковом ключе два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода первого и второго полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом 11 (C1) первой статорной обмотки А двигателя и концом 12 (С6) третьей статорной обмотки С двигателя. Во втором полупроводниковом ключе первый вывод 13 третьего симистора 3 (VS3) предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока, и первый вывод 14 четвертого симистора 4 (VS4) предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока; второй вывод 15 третьего симистора 3 (VS3) и второй вывод 16 четвертого симистора 4 (VS4) объединены и соединены с началом 17 (С3) второй статорной обмотки В двигатель и концом 18 (С2) первой статорной обмотки А двигателя. Таким образом, во втором полупроводниковом ключе два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода третьего и четвертого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом 17 (С3) второй статорной обмотки В двигателя и концом 18 (С2) первой статорной обмотки А двигателя. В третьем полупроводниковом ключе первый вывод 19 пятого симистора 5 (VS5) предназначен для соединения с фазой однофазной сети переменного тока, и первый вывод 20 шестого симистора 6 (VS6) предназначен для соединения с нулем однофазной сети переменного тока; второй вывод 21 пятого симистора 5 (VS5) и второй вывод 22 шестого симистора 6 (VS6) объединены и соединены с началом 23 (С5) третьей статорной обмотки С двигателя и концом 24 (С4) второй статорной обмотки В двигателя. Таким образом, в третьем полупроводниковом ключе два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов предназначены для соединения с источником тока, и два вывода пятого и шестого полупроводниковых коммутаторов объединены и соединены с началом 23 (С5) третьей статорной обмотки С двигателя и концом 24 (С4) второй статорной обмотки В двигателя.
Работа полупроводникового реверсивного устройства для запуска и работы асинхронного трехфазного двигателя, питающегося от однофазной сети переменного тока, происходит следующим образом. Первоначально, на управляющих электродах симисторов отсутствует напряжение, и они соответственно закрыты. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется подачей напряжения на управляющие электроды симисторов в определенной 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 напряжения на управляющие электроды симисторов 1 (VS1), 2 (VS2), 3 (VS3), 4 (VS4), 5 (VS5), 6 (VS6) в следующем порядке:
- в начальный период времени t1 фиг. 3, подается напряжение на управляющий электрод симистора 1 (VS1) и симистора 4 (VS4), ток течет через обмотку А и обмотки В, С причем на обмотку А прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки В, С по половине питающего напряжения - образуется I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора фиг. 2;
- в период времени t2 подается напряжение на управляющий электрод симистора 2 (VS2) и симистора 5 (VS5), ток течет через обмотку C, в обратном направлении и по обмоткам A, B так же в обратном направлении, причем на обмотку C прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, B по половине питающего напряжения - образуется II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t3 подается напряжение на управляющий электрод симистора 3 (VS3) и симистора 6 (VS6), ток течет через обмотку В и обмотки А, С причем на обмотку В прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки А, С по половине питающего напряжения - образуется III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t4 подается напряжение на управляющий электрод симистора 1 (VS1) и симистора 4 (VS4), ток течет через обмотку А, в обратном направлении и по обмоткам B, C так же в обратном направлении, причем на обмотку А прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки В, С по половине питающего напряжения - образуется IV фиксированное положение вектор магнитного потока поля статора;
- в период времени t5 подается напряжение на управляющий электрод симистора 5 (VS5) и симистора 2 (VS2), ток течет через обмотку C и обмотки A, B причем на обмотку С прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, C по половине питающего напряжения - образуется V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t6 подается напряжение на управляющий электрод симистора 3 (VS3) и симистора 6 (VS6), ток течет через обмотку B, в обратном направлении и по обмоткам A, C так же в обратном направлении, причем на обмотку B прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, C по половине питающего напряжения - образуется VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в обратную сторону в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, в последовательности I-VI-V-IV-III-II, необходимо осуществлять подачу напряжения на управляющие электроды симисторов 1 (VS1), 2 (VS2), 3 (VS3), 4 (VS4), 5 (VS5), 6 (VS6) в следующей последовательности:
- в начальный период времени t1 фиг. 4, подается напряжение на управляющий электрод симистора 1 (VS1) и симистора 4 (VS4), ток течет через обмотку А и обмотки В, С причем на обмотку А прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки В, С по половине питающего напряжения - образуется I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора фиг. 2;
- в период времени t2 подается напряжение на управляющий электрод симистора 3 (VS3) и симистора 6 (VS6), ток течет через обмотку В, в обратном направлении и по обмоткам A, C так же в обратном направлении, причем на обмотку В прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, C по половине питающего напряжения - образуется VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t3 подается напряжение на управляющий электрод симистора 5 (VS5) и симистора 2 (VS2), ток течет через обмотку C и обмотки A, B причем на обмотку С прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, C по половине питающего напряжения - образуется V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t4 подается напряжение на управляющий электрод симистора 1 (VS1) и симистора 4 (VS4), ток течет через обмотку A, в обратном направлении и по обмоткам B, C так же в обратном направлении, причем на обмотку A прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки B, C по половине питающего напряжения - образуется IV фиксированное положение вектор магнитного потока поля статора;
- в период времени t5 подается напряжение на управляющий электрод симистора 3 (VS3) и симистора 6 (VS6), ток течет через обмотку B и обмотки A, C причем на обмотку В прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, C по половине питающего напряжения - образуется III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;
- в период времени t6 подается напряжение на управляющий электрод симистора 2 (VS2) и симистора 5 (VS5), ток течет через обмотку C, в обратном направлении и по обмоткам A, B так же в обратном направлении, причем на обмотку С прикладывается полное питающее напряжение, а на обмотки A, B по половине питающего напряжения - образуется II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение имеет преимущества по сравнению с известными, заключающиеся в снижении трудоемкости изготовления, показателей расхода электроэнергии и мощности, а также затрат на изготовление и эксплуатацию вследствие упрощения как силовой части, так и системы управления полупроводниковыми ключами, а также вследствие экономии электроэнергии.