НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Предлагаемое изобретение относится к низкочастотным преобразователям частоты, ведомым сетью переменного тока и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания трехфазных асинхронных двигателей. обмотки которых соединены по типу звезда.
Известен низкочастотный преобразователь частоты, содержащий девять тиристоров, по три параллельно включенных тиристора, входы которых подключены к трехфазной питающей сети, а выходы соединены в среднюю точку и включены на соответствующую статорную обмотку трехфазного асинхронного двигателя. Эти обмотки соединены в звезду, средняя точка звезды подключена к нулю питающей сети (Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я.Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С.41-42, рис.2-10, а).
Одним из недостатков данного устройства является то, что в обмотках двигателя ток всегда является однонаправленным, постоянным, что в свою очередь обуславливает появление постоянных составляющих в питающем напряжении обмоток и приводит к переходу работы обмоток двигателя на частную петлю гистерезиса, что дает значительное снижение мощности двигателя. Так же данное устройство невозможно использовать в однофазной сети для питания трехфазного асинхронного электродвигателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является низкочастотный трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью с непосредственной связью от трехфазной сети переменного тока, содержащий полупроводниковые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполнены на вентилях, подсоединенные к питающей сети. Объединенные средними точками выходы схем выпрямления подсоединены к реакторам, и средние точки реакторов подключены к входам одной из соответствующих статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, причем эти обмотки соединены по типу звезда. В этом устройстве использованы трехфазный трансформатор и трехфазная питающая сеть. Преобразователь выполнен на восемнадцати тиристорах - по шесть встречно-параллельно включенных тиристоров на каждую статорную обмотку
(Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока / И.Я.Бернштейн. - М.: Энергия, 1968. - С.15, рис.1-8, а.).
Основными недостатками описанного низкочастотного полупроводникового преобразователя частоты являются невозможность использования в однофазной сети вследствие создания при питании трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети в статоре пульсирующего одноосного, а не вращающегося магнитного поля; пониженная надежность из-за большого количества тиристоров (18 штук), а также из-за большой опасности возникновения межфазных коротких замыканий через тиристоры, причем эти короткие замыкания могут возникнуть на каждом из плеч устройства;
увеличенные габариты и стоимость вследствие необходимости применения большого количества тиристоров и реакторов, а так же использование трехфазного трансформатора.
Предлагаемым изобретением решается задача питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с возможностью векторного низкочастотного регулирования скорости вращения трехфазного асинхронного двигателя, при повышении надежности и экономичности, а также снижение габаритов устройства.
Для решения поставленной задачи в низкочастотном однофазно-трехфазном полупроводниковом преобразователе частоты, ведомом сетью переменного тока, содержащем полупроводниковые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполненные на вентилях, подсоединенные к питающей сети, а объединенные средней точкой выходы схем выпрямления подсоединены ко входам одной из соответствующих статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, причем эти обмотки соединены по типу звезда, согласно изображению нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети, а входы каждой схемы выпрямления подключены на фазу питающей сети.
Вентили выполнены в виде тиристоров, или симисторов, или транзисторов.
Повышение надежности экономичности и снижение габаритов низкочастотного однофазно-трехфазного преобразователя частоты ведомого сетью переменного тока, обусловлено отсутствием возможности возникновения межфазный коротких замыканий, так как питающая сеть - однофазная, уменьшением числа тиристоров (используется шесть тиристоров вместо восемнадцати), а так же исключением из схемы трехфазного трансформатора и реакторов.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого низкочастотного однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью переменного тока, при выполнении полупроводниковых вентилей на тиристорах; на фиг.2 - то же при выполнении полупроводниковых вентилей на симисторах; на фиг.3 - то же при
выполнении полупроводниковых вентилей на транзисторах; на фиг.4 - векторная диаграмма вращения состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.5 - векторная диаграмма вращения состоящего из четырех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.6 - векторная диаграмма вращения состоящего из шести фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4, и направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4; на фиг.8 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5, и направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6, и направление магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6. Предлагаемое изобретение поясняется также таблицей 1, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.7; таблицей 2, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.4; таблицей 3, на которой представлена последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.4; таблицей 4, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.8; таблицей 5, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.5; таблицей 6, на которой представлена последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.5; таблицей 7, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.9; таблицей 8, на которой представлена последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.6; таблицей 9, на которой представлена последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.6;
Кроме того, на чертеже изображено следующее:
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- С1-С3 - статорные обмотки;
- V1-V6 - тиристоры;
- SV1-SV3 - симисторы;
- VT1-VT6 - транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения магнитного потока статора;
- дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;
- Uсети=f(t) - изменение однофазного питающего напряжения во времени;
- прямые линии со стрелками - векторное направления магнитного потока и тока в обмотках статора.
Низкочастотный однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержит встречно-параллельные схемы выпрямления выполненные на вентилях, подсоединенные к питающей сети. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть фаза-ноль переменного тока для питания трехфазного асинхронного двигателя. Выходы схем выпрямления, объединенные средней точкой, подсоединенные ко входам одной из соответствующих статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя, соединенных по типу звезда. Нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети. Входы каждой схемы выпрямления подключены на фазу питающей сети. Полупроводниковые схемы выпрямления, выполнены на вентилях, представляющих собой тиристоры, или симисторы, или транзисторы, использованы для векторного управления полем статора трехфазного асинхронного двигателя.
Пример выполнения низкочастотного однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью переменного тока, содержащего полупроводниковые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполненные на вентилях, представляющие собой тиристоры. Преобразователь частоты содержит шесть тиристоров 1, 2, 4, 5, 7, 8 (V1-V6), по два тиристора, включенные между собой встречно - параллельно, на каждую обмотку статора трехфазного асинхронного двигателя.
Тиристоры 1 и 2 (V1 и V2) подключены к выводу 3 обмотки (С1), тиристоры 4 и 5 (V3 и V4) подключены к выводу 6 обмотки (С2), тиристоры 7 и 8 (V5 и V6) подключены к выводу 9 обмотки (С3). Вывод 10 подключен к нулю питающей сети.
Пример выполнения низкочастотного однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью переменного тока, содержащего полупроводниковые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполненные на вентилях, представляющих собой симисторы. Преобразователь частоты
содержит три симистора 11, 12, 13 (SV1-SV3), по одному симистору на каждую обмотку статора трехфазного асинхронного двигателя.
Один силовой электрод симистора 11 (SV1) подключен к фазе питающей сети, другой силовой электрод симистора 11 (SV1) подключены к выводу 14 (С1) статорной обмотки двигателя. Вывод 15 (С1) подключен в общую точку к нулю питающей сети. Один силовой электрод симистора 12 (SV2) подключен к фазе питающей сети, другой силовой электрод симистора 12(SW2) подключен к выводу 16 (С2) статорной обмотки двигателя. Вывод 15 (С2) подключен в общую точку к нулю питающей сети. Один силовой электрод симистора 13 (SV3) подключен к фазе питающей сети, другой силовой электрод симистора 13 (SV3) подключен к выводу 17 (С3). Вывод 15 (СЗ) подключен к нулю питающей сети.
Пример выполнения низкочастотного однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью переменного тока, содержащий полупроводниковые встречно-параллельные схемы выпрямления, выполненные на вентилях, представляющие собой транзисторы. Преобразователь частоты содержит шесть транзисторов 18, 19, 20, 21, 22, 23 (VT1-VT6), по два транзистора, включенные между собой встречно-параллельно, на каждую обмотку статора трехфазного асинхронного двигателя.
Эмиттеры транзисторов 18 и 19 (VT1 и VT2) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы транзисторов 18 и 19 (VT1 и VT2) подключен к выводу 24 (С1). Вывод 25 (С1) подключен в общую точку к нулю питающей сети. Эмиттеры транзисторов 20 и 21 (VT3 и VT4) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы транзисторов 20 и 21 (VT3 и VT4) подключен к выводу 26 (С2). Вывод 25 (С2) подключен в общую точку к нулю питающей сети. Эмиттеры транзисторов 22 и 23 (VT5 и VT6) подключены к фазе питающей сети, а коллекторы транзисторов 22 и 23 (VT5 и VT6) подключен к выводу 27 (С3). Вывод 28 (С3) подключен в общую точку к нулю питающей сети.
Транзисторы 18, 20, 22 имеют структуру p-n-р. Транзисторы 19, 21, 23 имеют структуру n-p-n.
Работа низкочастотного однофазно-трехфазного преобразователя частоты, ведомого сетью, происходит следующим образом. В статорные обмотки трехфазного асинхронного двигателя подается однофазное переменное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора с требуемыми характеристиками.
С помощью низкочастотного однофазно-трехфазного преобразователя частоты, ведомого сетью, возможно осуществить векторное управление трехфазным асинхронным
электродвигателем, создавая несколько типов вращающихся полей статора, например, прохождением трех (см. фиг.4), четырех (см. фиг.5), и шести (см. фиг.6) последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя, таким образом возможно осуществление регулирования скорости трехфазного асинхронного электродвигателя.
Векторное управление электродвигателем для трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя: при подаче питающего синусоидального напряжения на обмотки двигателя для осуществления векторного регулирования скорости необходимо выполнить определенную последовательность подачи импульсов на управляющие входы вентилей. Для того, чтобы получить поле, изображенное на фиг.4, необходимо выполнить следующую последовательность действий: при прохождении положительного полупериода подается управляющий сигнал на входы вентилей например, на управляющий электрод тиристоров 2 (V2), 8 (V6) (фиг.1), при этом по обмоткам 3 (С1) и 9 (С3) протекает ток (фиг.7, такт I). Во время прохождении синусоиды через ноль данные тиристоры закрываются. Таким образом проходит положение первого положения вектора магнитного потока (фиг.4). При прохождении отрицательного полупериода импульс подается на управляющий электрод тиристора 1 (VI) (фиг.1), при этом по обмотке С1 протекает ток (фиг.7, такт II), обеспечивая поворот вектора поля статора в положение II (фиг.4). Во время прохождения синусоиды через ноль данные тиристоры закрываются. Аналогичным образом происходит переключение последующих тиристоров, в соответствии с последовательностью, приведенной в таблице 1 и фиг.7, осуществляющих поворот вектора статорного поля (фиг.4).
Последовательность подачи управляющих сигналов на симисторы обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.4, приведена в таблице 2, а схемное решение показано на фиг.2.
Последовательность подачи управляющих сигналов на транзисторы, обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.4, приведена в таблице 3, а схемное решение изображено на фиг.3.
Низко частотный тиристорный преобразователь позволяет при данной последовательности питать двигатель напряжением с частотой
Если обеспечить положение вектора поля I (фиг.4) в течении положительной и отрицательной полуволны питающего напряжения посредствам включения 1 (V1) и 8 (V6) (фиг.1 в течении положительной полуволны фаза-ноль), а затем включить 4 (V3) (фиг.1 в
течении отрицательной полуволны ноль-фаза) и аналогичным образом обеспечить положение вектора II (фиг.4) в течении положительной и отрицательной полуволны последовательным включением тиристоров 5 (V4), 8 (V6) и 1 (VI) (соответственно, фиг.1) Положение вектора III (фиг.4) обеспечивается последовательным включением тиристоров при положительной 2 (V2), 5 (V4), а при отрицательной полуволне открытием тиристора 7 (V5) (фиг.1). При данной модернизации последовательности включения тиристоров можно питать двигатель напряжением с частотой:  Изменяя последовательность включения тиристоров таким образом, чтобы обеспечить положение каждого из векторов (фиг.4) в течении трех полупериодов а не двух как в выше приведенной модернизации, можно двигатель питать с частотой:  Таким образом увеличивая число использованных полупериодов для обеспечения каждого положения вектора поля в соответствии с формулой
где n - число использованных полупериодов можно регулировать частоту питающего напряжения статора в соответствии с векторным полем изображенном на (фиг.4)
Векторное управление электродвигателем для четырех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя: при подаче питающего синусоидального напряжения на обмотки двигателя для осуществления векторного регулирования скорости необходимо выполнить определенную последовательность подачи импульсов на управляющие входы вентилей. Для того, чтобы получить поле, изображенное на фиг.5, необходимо выполнить следующую последовательность действий: при прохождении положительного полупериода подается управляющий сигнал на входы вентилей, например, на управляющий электрод тиристора 2 (V2) (фиг.1), при этом по обмотке С1 протекает ток (фиг.8, такт I). Во время прохождении синусоиды через ноль данный тиристор закрывается. Таким образом происходит получение первого положения вектора магнитного потока (фиг.5). При прохождении отрицательного полупериода управляющий сигнал подается на управляющий электрод тиристоров 1 (V1) и 7 (V5) (фиг.1), при этом по обмотке С1 и С3 протекает ток (фиг.8, такт II), обеспечивая поворот вектора поля статора в положение II (фиг.5). Во время прохождении синусоиды через ноль данные тиристоры закрываются. Аналогичным образом происходит переключение последующих тиристоров, в
соответствии с последовательностью приведенной в таблице 4 и на фиг.8, осуществляющих поворот вектора статорного поля (фиг.5).
Последовательность подачи управляющих сигналов на симисторы обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.5, приведена в таблице 5, а схемное решение показано на фиг.2.
Последовательность подачи управляющих сигналов на транзисторы, обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.5, приведена в таблице 6, а схемное решение изображено на фиг.3.
Низко частотный тиристорный преобразователь позволяет при данной последовательности питать двигатель напряжением с частотой
При некоторой увеличении используемого числа полупериода для каждого положения вектора (фиг.5) в соответствии с формулой , по методу, аналогично описанному выше, можно питать двигатель пониженной частотой с векторным полем изображенном на фиг.5.
Векторное управление электродвигателем при прохождении шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя: при подаче питающего синусоидального напряжения на обмотки двигателя для осуществления векторного регулирования скорости необходимо выполнить определенную последовательность подачи импульсов на управляющие входы вентилей. Для того чтобы получить поле, изображенное на фиг.6, необходимо выполнить следующую последовательность действий: при прохождении положительного полупериода подается управляющий сигнал на входы вентилей, например: на управляющий электрод тиристора 2 (V2) (фиг.1), при этом по обмотке С1 протекает ток (фиг.9, такт I). Во время прохождении синусоиды через ноль данный тиристор закрывается. Таким образом мы получили первое положение вектора магнитного потока (фиг.6). При прохождении отрицательного полупериода управляющий сигнал подается на управляющий электрод тиристора 4 (V3) (фиг.1), при этом по обмотке С2 протекает ток (фиг.9, такт II), обеспечивая поворот вектора поля статора в положение II (фиг.6). Во время прохождении синусоиды через ноль данные тиристоры закрываются. Аналогичным образом происходит переключение последующих тиристоров, в соответствии с последовательностью приведенной в таблице 7 и фиг.9, осуществляющих поворот вектора статорного поля (фиг.6).
Последовательность подачи управляющих сигналов на симисторы, обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.6, приведена в таблице 8, а схемное решение показано на фиг.2.
Последовательность подачи управляющих сигналов на транзисторы обеспечивающих вращение магнитного поля статора в соответствии с фиг.6 приведена в таблице 9, а схемное решение изображено на фиг.З.
Данный низко частотный тиристорный преобразователь позволяет при данной последовательности работать двигателю на частотах
При некоторой увеличении используемого числа полупериода для каждого положения вектора (фиг.6) в соответствии с формулой , по методу аналогично описанному выше, можно питать двигатель пониженной частотой с векторным полем изображенном на фиг.6.
На основе анализа диаграмм теоретическая зависимость между частотой питающего двигатель напряжения и параметрами низко частотного тиристорного преобразователя выглядит следующим образом:
где 2 - число полупериодов подаваемого на двигатель напряжения;
i - число полупериодов напряжения сети, использующегося для организации одного оборота магнитного потока поля статора;
Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано в однофазной сети, при высоких показателях надежности и экономичности, а также малых габаритах.
Таблица 1Последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.7
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые тиристоры, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
V2
V6
II
отрицательный
VI
III
положительный
V2
V4
I
отрицательный
V3
II
положительный
V4
V6
III
отрицательный
V5
Таблица 2Последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.4
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые симисторы, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
SV1
SV3
II
отрицательный
SV1
III
положительный
SV1
SV2
I
отрицательный
SV2
II
положительный
SV2
SV3
III
отрицательный
SV3
Таблица 3Последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.4
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые транзисторы, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
VT2
VT6
II
отрицательный
VT1
III
положительный
VT2
VT4
I
отрицательный
VT3
II
положительный
VT4
VT6
III
отрицательный
VT5
Таблица 4Последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.8
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые тиристоры, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
V2
II
отрицательный
VI
V3
III
положительный
V4
V6
IV
отрицательный
V5
Таблица 5Последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.5
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые симисторы, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
C3
I
положительный
SV1
II
отрицательный
SV1
SV2
III
положительный
SV2
SV3
IV
отрицательный
SV3
Таблица 6Последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.5
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые транзисторы. подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С7
С2
С3
I
положительный
VT2
II
отрицательный
VT1
VT3
III
положительный
VT4
VT6
IV
отрицательный
VT5
Таблица 7Последовательность подачи импульсов на управляющие электроды тиристоров в соответствии с фиг.9
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые тиристоры, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
V2
II
отрицательный
V3
III
положительный
V6
IV
отрицательный
VI
V
положительный
V4
VI
отрицательный
V5
Таблица 8Последовательность подачи импульсов на управляющий электрод симисторов в соответствии с фиг.6
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые симисторы, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
SV1
II
отрицательный
SV2
III
положительный
SV3
IV
отрицательный
SV1
V
положительный
SV2
VI
отрицательный
SV3
Таблица 9Последовательность открытия транзисторов в соответствии с фиг.6
Фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора
Полупериод питающего напряжения
Одновременно открываемые транзисторы, подключающие обмотки статора двигателя к однофазной сети
С1
С2
С3
I
положительный
VT2
II
отрицательный
VT3
III
положительный
VT6
IV
отрицательный
VT1
V
положительный
VT4
VI
отрицательный
VT5