ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SEMICONDUCTOR DEVICE TO CONTROL SPEED OF SINGLE-PHASE DOUBLE-WINDING INDUCTION MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к преобразователям частоты и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя.
Известен однофазный конденсаторный электродвигатель, содержащий бумажный конденсатор в качестве фазосмещающего элемента. Первый выход первой обмотки электродвигателя соединен с нулем питающей сети. Второй выход первой обмотки электродвигателя соединен с первым выходом второй обмотки и с фазой питающей сети. Второй выход второй обмотки соединен с первой обкладкой конденсатора. Вторая обкладка конденсатора соединена с нулем питающей сети. (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов. / И.П.Копылов. М.: Высшая школа, 2006. - С.343, рис.3.96).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности регулирования скорости вращения электродвигателя, повышенные габариты, низкая надежность вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости. Кроме того, величина емкости должна меняться при изменении нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является мостовой инвертор тока, с помощью которого осуществляется регулирование частоты напряжения, поступающего на каждую из обмоток электродвигателя, содержащий реверсивные полупроводниковые коммутаторы, которые предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, сглаживающий силовой реактор и запирающий конденсатор, подключенный параллельно к обмотке двигателя. Каждый реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на четырех тиристорах и питается от сети постоянного тока. Один выход сглаживающего силового реактора подключен к плюсу питающей сети постоянного тока, а второй выход подключен к анодам двух тиристоров. Катоды этих тиристоров подключены к первому и второму выходам обмотки двигателя соответственно, а также к анодам другой пары тиристоров. Катоды этой пары тиристоров подключены к минусу питающей сети постоянного тока. Первая и вторая обкладки бумажного конденсатора подключены к первому и второму выводам обмотки двигателя соответственно (В.А.Лабунцов, Г.А. Ривкин, Г.И. Шевченко. Автономные тиристорные инверторы. М.-Л.: Энергия, 1967, с.20, рис.7в).
Основными недостатками описанного мостового инвертора тока являются низкая надежность и высокая стоимость вследствие сложной системы управления для коммутации тиристоров инверторов, обеспечивающих регулировку скорости электродвигателя, а также увеличенные габариты вследствие использования бумажного конденсатора для обеспечения емкостного запирания тиристоров и возникновения опасности незакрытия тиристоров при перемене направления протекания тока по обмотке и, как следствие, прорыв инвертора, то есть короткое замыкание источника постоянного тока.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и экономичности устройства, а также снижения габаритов за счет упрощения его силовой части при отсутствии использования запирающего конденсатора, сглаживающего реактора и выпрямителя.
Поставленная задача решается тем, что в полупроводниковом устройстве регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащем реверсивные полупроводниковые коммутаторы, которые предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, согласно изобретению каждый из реверсивных полупроводниковых коммутаторов содержит по два транзистора, причем коллекторы нечетных транзисторов и эмиттеры четных транзисторов каждого полупроводникового коммутатора подключены к фазовому проводу питающей сети, эмиттеры нечетных транзисторов соединены с коллекторами четных транзисторов. Общая точка соединения нечетного и четного транзисторов первого полупроводникового коммутатора предназначена для подключения к первому выходу первой статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, а общая точка соединения нечетного и четного транзисторов второго полупроводникового коммутатора предназначена для подключения к первому выходу второй статорной обмотки двигателя. При этом объединенные вторые выходы статорных обмоток двигателя соединены с нулевым проводом питающей сети переменного тока.
Снижение габаритов, повышение надежности и экономичности устройства обеспечиваются за счет обеспечения возможности отсутствия использования сглаживающего реактора и запирающего конденсатора в силовой части устройства, а также уменьшения числа полупроводниковых коммутационных элементов.
Использование полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя обуславливает создание различных типов вращающихся магнитных полей статора путем алгоритмической коммутации транзисторов, что позволяет получить не только требуемое направление вращения магнитного потока поля статора, но и регулировку его частоты, а следовательно, и скорости электродвигателя. Таким образом, предлагаемое изобретение обладает сходными функциями с прототипом, но при этом не имеет его основных недостатков.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из шести фиксированных положений; на фиг.3 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из четырех фиксированных положений; на фиг.4 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из трех фиксированных положений; на фиг.5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2 при вращении по часовой стрелке; на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2 при вращении против часовой стрелки; на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3 при вращении по часовой стрелке; на фиг.8 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3 при вращении против часовой стрелки; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4 при вращении по часовой стрелке; на фиг.10 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4 при вращении против часовой стрелки; на фиг.11 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4, с уменьшенной в два раза частотой при вращении по часовой стрелке; на фиг.12 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4, с уменьшенной в два раза частотой при вращении против часовой стрелки; на фиг.13 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2, с уменьшенной в два раза частотой при вращении по часовой стрелке. Кроме того, на чертеже изображено следующее:
сети
- U - напряжение, поступающее от источника питания переменного напряжения;
- t - текущее время;
- t1-t7 - моменты переключения транзисторов, обеспечивающие вращение магнитного поля статора;
- Ф - фаза;
- 0 - ноль;
- C1-C4 - выводы статорных обмоток двухфазного асинхронного двигателя;
- L1, L2 - статорные обмотки.
- VT1-VT4 - транзисторы;
- I, II, III, IV, V, VI, - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора асинхронного двигателя;
- прямые линии со стрелкой - направление магнитного потока в соответствующей обмотке статора.
Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя содержит реверсивные полупроводниковые коммутаторы, которые предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Каждый из реверсивных полупроводниковых коммутаторов содержит по два транзистора. Коллекторы нечетных транзисторов и эмиттеры четных транзисторов каждого полупроводникового коммутатора подключены к фазовому проводу питающей сети. Эмиттеры нечетных транзисторов соединены с коллекторами четных транзисторов и предназначены для подключения к первым выходам статорных обмоток двигателя. При этом объединенные вторые выходы статорных обмоток двигателя соединены с нулевым проводом питающей сети переменного тока.
Так, первый реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на нечетном и четном транзисторах 1 (VT1) и 2 (VT2), второй реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на нечетном и четном транзисторах 3 (VT3) и 4 (VT4). Коллекторы нечетных транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT3) и эмиттеры четных транзисторов 2 (VT2) и 4 (VT4) каждого полупроводникового коммутатора подключены к фазовому проводу питающей сети. Эмиттеры нечетных транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT3) соединены с коллекторами четных транзисторов 2 (VT2) и 4 (VT4). Общая точка соединения нечетного 1 (VT1) и четного 2 (VT2) транзисторов первого полупроводникового коммутатора предназначена для подключения к первому выходу 5 (С1) первой статорной обмотки 6 (L1) однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, а общая точка соединения нечетного 3 (VT3) и четного 4 (VT4) транзисторов второго полупроводникового коммутатора предназначена для подключения к первому выходу 7 (C3) второй статорной обмотки 8 (L2) двигателя. Объединенные вторые выходы 9 (C2) и 10 (C4) статорных обмоток 6 (L1) и 8 (L2) двигателя соединены с нулевым проводом питающей сети переменного тока.
С помощью полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, возможно осуществить векторное - алгоритмическое управление однофазным двухобмоточным асинхронным двигателем, создавая один из трех типов вращающихся полей статора: прохождением шести, четырех или трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 2, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.5):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 включается и работает транзистор 3 (VT3), при этом транзистор 1 (VT1) продолжает работать, обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 выключается транзистор 1 (VT1), а 3 (VT3) продолжает работать, обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 включается и работает транзистор 2 (VT2), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t4 до t5 включается и работает транзистор 4 (VT4), при этом транзистор 2 (VT2) продолжает работать, обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t5 до t6 выключается транзистор 2 (VT2), а транзистор 4 (VT4) продолжает работать, обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении.
с
Начиная с t6, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора по часовой стрелке. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота f вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 2, в последовательности III-II-I-VI-V-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.6):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 включается и работает транзистор 1 (VT1), при этом транзистор 3 (VT3) продолжает работать, обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 выключается транзистор 3 (VT3), а 1 (VT1) продолжает работать, обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 включается и работает транзистор 4 (VT4), обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t4 до t5 включается и работает транзистор 2 (VT2), при этом транзистор 4 (VT4) продолжает работать, обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t5 до t6 выключается транзистор 4 (VT4), а транзистор 2 (VT2) продолжает работать, обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении.
с
Начиная с t6, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора против часовой стрелки. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота f вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 3, в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2. 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.7):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 выключается транзистор 1 (VT1), включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 выключается транзистор 3 (VT3), включается и работает транзистор 2 (VT2), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 выключается транзистор 2 (VT2), включается и работает транзистор 4 (VT4), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении.
с
Начиная с t4, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора по часовой стрелке. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота f вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора двухфазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 3, в последовательности II-I-IV-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.8):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 выключается транзистор 3 (VT3), включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 выключается транзистор 1 (VT1), включается и работает транзистор 4 (VT4), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 выключается транзистор 4 (VT4), включается и работает транзистор 2 (VT2), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении.
с
Начиная с t4, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора против часовой стрелки. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота f вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 4, в последовательности I-I-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.9):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 включаются и работают транзисторы 2 (VT2) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
Начиная с t3, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора по часовой стрелке. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 3, в последовательности II-I-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.10):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 включаются и работают транзисторы 2 (VT2) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
Начиная с t3, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора против часовой стрелки. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за один период питающей сети, то есть частота вращения поля статора составляет 50 Гц.
Для обеспечения вращения с уменьшенной частотой вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 4, в последовательности I-II-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.11):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 все транзисторы выключены;
- от t2 до t3 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 включаются и работают транзисторы 2 (VT2) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
Начиная с t4, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора по часовой стрелке. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за два периода питающей сети, то есть частота вращения поля статора составляет 25 Гц.
Для обеспечения вращения с уменьшенной частотой вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 4, в последовательности II-I-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.12):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 3 (VT3), обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 все транзисторы выключены;
- от t2 до t3 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t3 до t4 включаются и работают транзисторы 2 (VT2) и 4 (VT4), обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
Начиная с t4, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора против часовой стрелки. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за два периода питающей сети, то есть частота вращения поля статора составляет 25 Гц.
Аналогичным образом, пропуская соответствующие полупериоды питающего напряжения, можно понижать частоту питающего напряжения и для других вариантов вращения поля статора.
Например, для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фигуре 2, с уменьшенной в два раза частотой в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4 (VT1-VT4) в следующем порядке (фиг.13):
- от нуля до t1 включается и работает транзистор 1 (VT1), обеспечивая I фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t1 до t2 включается и работает транзистор 3 (VT3), при этом транзистор 1 (VT1) продолжает работать, обеспечивая II фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t2 до t3 все транзисторы выключены;
- от t3 до t4 выключается транзистор 1 (VT1), а транзистор 3 (VT3) продолжает работать, обеспечивая III фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t4 до t5 включается и работает транзистор 2 (VT2), обеспечивая IV фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 6 (L1) в показанном стрелками направлении;
- от t5 до t6 включается и работает транзистор 4 (VT4), при этом транзистор 2 (VT2) продолжает работать, обеспечивая V фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмоткам 6 (L1) и 8 (L2) в показанном стрелками направлении;
- от t6 до t7 выключается транзистор 2 (VT2), а транзистор 4 (VT4) продолжает работать, обеспечивая VI фиксированное положение магнитного потока статора при протекании тока по обмотке 8 (L2) в показанном стрелками направлении.
Начиная с t7, цикл включения транзисторов повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора по часовой стрелке. При этом один оборот вращающее поле статора сделает за два периода питающей сети, то есть частота вращения поля статора равна 25 Гц.
Таким образом, меняя алгоритм включения транзисторов, можно уменьшать скорость двигателя в соответствии с формулой:
рег
с
f=f/n,
рег
где f - регулировочная частота;
с
f - частота сети;
n - число периодов изменения питающего напряжения за один оборот вращающего поля статора.
Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано не только для бесконденсаторного запуска и реверса однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, но и для регулирования скорости его вращения при питании от однофазной сети, при высоких показателях надежности и экономичности и малых габаритах.