Тиристорный преобразователь частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока

Полезная модель относится к регулируемым полупроводниковым преобразователям для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя и может быть использован для плавного регулирования скорости электродвигателя.
Известен автономный трехфазный мостовой инвертор тока, содержащий в качестве вентилей шесть однооперационных тиристоров, соединенных попарно последовательно и работающих попарно параллельно, конденсаторы, осуществляющие коммутацию тиристоров в инверторе, подключенные к парам тиристоров, нагрузку, связанную с тиристорами. Тиристоры подключены к плюсу и минусу источника питания (Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: учебник для вузов / Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин; под ред. В.А. Лабунцова. - М: Энергоатомиздат, 1988, с. 310, 311, рис. 9.12).
Основным недостатком описанного устройства является необходимость емкостного запирания тиристоров со сложной системой управления за счет использования конденсаторов, причем величина емкости конденсаторов зависит от нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является широкорегулируемый транзиторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока, содержащий шесть полупроводниковых коммутационных элементов, соединенных в мостовую трехфазную схему, а также шесть диодов. Первые выходы первого, третьего и пятого полупроводниковых коммутационных элементов объединены и подключены к одному из входов питающей сети. Первые выходы четвертого, шестого и второго полупроводниковых коммутационных элементов объединены и подключены к другому входу питающей сети. Вторые выходы полупроводниковых коммутационных элементов объединены: первый с четвертым, третий с шестым, пятый со вторым и подключены соответственно к фазам статора электродвигателя. Катоды первого, второго и третьего диодов подключены к плюсу питающей сети. Аноды четвертого, пятого и шестого диодов подключены к минусу питающей сети. В качестве полупроводниковых коммутационных элементов использованы транзисторы (патент RU 164966, МПК Н02Р 27/06 (2006.01).
Недостатками данного широкорегулируемого транзиторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока являются повышенные габариты вследствие использования шести диодов, а также высокое энергопотребление, так как для отпирания транзисторов необходим постоянный входной сигнал.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая проблема уменьшения габаритов устройства при увеличении его экономичности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что тиристорный преобразователь частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока, содержащий шесть полупроводниковых коммутационных элементов, соединенных в мостовую трехфазную схему, причем первые выходы первого, третьего и пятого полупроводниковых коммутационных элементов объединены и подключены к плюсу источника питания, первые выходы четвертого, шестого и второго полупроводниковых коммутационных элементов объединены и подключены к минусу источника питания, вторые выходы полупроводниковых коммутационных элементов объединены: первый с четвертым, третий с шестым, пятый со вторым и подключены соответственно к обмоткам статора электродвигателя, согласно полезной модели в качестве полупроводниковых коммутационных элементов использованы запираемые тиристоры, вторые объединенные выходы первого и четвертого полупроводниковых коммутационных элементов подключены к началу второй обмотки статора, вторые объединенные выходы пятого и второго полупроводниковых коммутационных элементов подключены к началу первой обмотки статора, вторые объединенные выходы третьего и шестого полупроводниковых коммутационных элементов подключены к объединенным концам первой и второй обмоток статора.
Уменьшение габаритов, а также увеличение экономичности тиристорного преобразователя частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока обусловлено тем, что в качестве полупроводниковых коммутационных элементов использованы запираемые тиристоры, подключенные к двум обмоткам статора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема тиристорного преобразователя частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока, на фиг. 2 показана векторная диаграмма вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 3 - пофазное изменение магнитного потока, а также направление протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 2; на фиг. 4 показана векторная диаграмма вращающегося поля статора двигателя, состоящего из восьми фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 5 - пофазное изменение магнитного потока, а также направление протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 4.; на фиг. 6 показана векторная диаграмма вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении против часовой стрелки; на фиг. 7 - пофазное изменение магнитного потока, а также направление протекающего тока по обмоткам статора электродвигателя в соответствии с векторной диаграммой, представленной на фиг. 6.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- + - плюс питающей сети постоянного тока;
- - - минус питающей сети постоянного тока;
- L1 - первая обмотка статора;
- L2 - вторая обмотка статора;
- VS1-VS6 - тиристоры;
- t1-t9 - моменты времени коммутации полупроводниковых ключей;
- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока вращающегося поля статора электродвигателя;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- прямые линии со стрелками - направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Тиристорный преобразователь частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока содержит шесть полупроводниковых коммутационных элементов, в качестве которых использованы запираемые тиристоры.
Первый тиристор 1 (VS1), третий тиристор 2 (VS3), пятый тиристор 3 (VS5) подключены к плюсу источника питания. Четвертый тиристор 4 (VD4), шестой тиристор 5 (VS6), второй тиристор 6 (VS2) подключены к минусу источника питания. Таким образом, первые выходы первого тиристора 1 (VS1), третьего тиристора 2 (VS3), пятого тиристора 3 (VS5) объединены и подключены к плюсу источника питания, а первые выходы четвертого тиристора 4 (VS4), шестого тиристора 5 (VS6) и второго тиристора 6 (VS2) объединены и подключены к минусу источника питания.
Первый тиристор 1 (VS1), второй тиристор 6 (VS2), третий тиристор 2 (VS3), четвертый тиристор 4 (VS4), пятый тиристор 3 (VS5), шестой тиристор 5 (VS6), образующие полупроводниковый редуктор, соединены в мостовую трехфазную схему.
Тиристоры попарно объединены между собой и подключены к выходам редуктора. Так вторые выходы первого тиристора 1 (VS1) и четвертого тиристора 4 (VS4) объединены и подключены к выходу 7 и к началу второй обмотки статора 8 (L2); вторые выходы третьего тиристора 2 (VS3) и шестого тиристора 5 (VS6) объединены и подключены к выходу 9 и к объединенным концам первой обмотки статора 10 (L1) и второй обмотки статора 8 (L2); вторые выходы пятого тиристора 3 (VS5) и второго тиристора 6 (VS2) объединены и подключены к выходу 11 и к началу первой обмотки статора 10 (L1).
Выход 11 подключен к началу первой обмотки статора 10 (L1), выход 7 подключен к началу второй обмотки статора 8 (L2), выход 9 подключен к объединенным концам первой обмотки статора 10 (L1) и второй обмотки статора 8 (L2).
Работа тиристорного преобразователя частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока осуществляется следующим образом. Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося поля статора двигателя по часовой стрелке, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры 1 (VS1), 6 (VS2), 2 (VS3), 4 (VS4), 3 (VS5), 5 (VS6), в следующем порядке (фиг. 3).
1. В момент времени t1 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 6 (VS2) и 2 (VS3), ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в обратном направлении.
2. В момент времени t2 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 1 (VS1) и 5 (VS6), а тиристоры 6 (VS2) и 2 (VS3) закрываются, ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в прямом направлении.
3. В момент времени t3 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 3 (VS5) и 5 (VS6), а тиристор 1 (VS1) закрывается, ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в прямом направлении.
4. В момент времени t4 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 2 (VS3) и 4 (VS4), а тиристоры 3 (VS5) и 5 (VS6) закрываются, ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в обратном направлении.
Далее процесс включения тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Поле статора получается вращающимся, круговым, пространственным, изменяющимся во времени.
Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося поля статора двигателя по часовой стрелке, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 4, необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры 1 (VS1), 6 (VS2), 2 (VS3), 4 (VS4), 3 (VS5), 5 (VS6), в следующем порядке (фиг. 5).
1. В момент времени t1 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 6 (VS2) и 2 (VS3), ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в обратном направлении.
2. В момент времени t2 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 1 (VS1) и 6 (VS2), ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в обратном направлении и через обмотку статора 8 (L2) в прямом направлении.
3. В момент времени t3 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 1 (VS1) и 5 (VS6), а тиристоры 6 (VS2) и 2 (VS3) закрываются, ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в прямом направлении.
4. В момент времени t4 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 1 (VS1), 3 (VS5) и 5 (VS6), ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в прямом направлении и через обмотку статора 8 (L2) в прямом направлении.
5. В момент времени t5 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 3 (VS5) и 5 (VS6), а тиристор 1 (VS1) закрывается, ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в прямом направлении.
6. В момент времени t6 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 4 (VS4) и 3 (VS5), а тиристор 5 (VS6) закрывается, ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в прямом направлении и через обмотку статора 8 (L2) в обратном направлении.
7. В момент времени t7 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 2 (VS3) и 4 (VS4), а тиристор 3 (VS5) закрывается, ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в обратном направлении.
8. В момент времени t8 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 6 (VS2), 2 (VS3) и 4 (VS4), ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в обратном направлении и через обмотку статора 8 (L2) в обратном направлении.
Далее процесс включения тиристоров повторяется, начиная с момента времени tl, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Поле статора получается вращающимся, круговым, пространственным, изменяющимся во времени.
Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося поля статора двигателя против часовой стрелки, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 6, необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры 1 (VS1), 6 (VS2), 2 (VS3), 4 (VS4), 3 (VS5), 5 (VS6), в следующем порядке (фиг. 7).
1. В момент времени t1 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 2 (VS3) и 4 (VS4), ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в обратном направлении.
2. В момент времени t2 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 3 (VS5) и 5 (VS6), а тиристоры 2 (VS3) и 4 (VS4) закрываются, ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в прямом направлении.
3. В момент времени t3 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 1 (VS1) и 5 (VS6), а тиристор 3 (VS5) закрывается, ток протекает через обмотку статора 8 (L2) в прямом направлении.
4. В момент времени t4 обеспечивается подача управляющих импульсов на тиристоры 6 (VS2) и 2 (VS3), а тиристоры 1 (VS1) и 5 (VS6) закрываются, ток протекает через обмотку статора 10 (L1) в обратном направлении.
Далее процесс включения тиристоров повторяется, начиная с момента времени t1, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.
Поле статора получается вращающимся, круговым, пространственным, изменяющимся во времени.
Таким образом, тиристорный преобразователь частоты для однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя с явно выраженным звеном постоянного тока позволяет осуществить как пуск, работу, так и реверс двигателя.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высоких показателей экономичности, а также малых габаритов.