Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от двухполупериодной сети постоянного тока однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя. Техническим результатом является упрощение системы управления коммутацией транзисторов, повышение надежности и экономичности. Реверсивные полупроводниковые коммутаторы выполнены на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока, соединены со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Диодный мост подключен к фазе и нулю питающей сети переменного тока. Каждый из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов представляет собой пару транзисторов. Коллекторы четных транзисторов подключены к плюсу выпрямленного двухполупериодного напряжения диодного моста. Эмиттеры четных транзисторов подсоединены к коллекторам нечетных транзисторов. Эмиттеры нечетных транзисторов подключены к минусу выпрямленного двухполупериодного напряжения диодного моста. Средняя точка соединения коллектора нечетного транзистора и эмиттера четного транзистора каждой пары подключена к соответствующему выводу статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. В устройстве обеспечивается питание однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от двухполупериодной сети постоянного тока с возможностью векторно-алгоритмического регулирования скорости вращения электродвигателя как выше, так и ниже номинальной. 9 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к преобразователям частоты и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.

Известен однофазный конденсаторный электродвигатель, у которого первый выход первой обмотки соединен с нулем питающей сети, а второй выход первой обмотки соединен с первым выходом второй обмотки и с фазой питающей сети. Второй выход второй обмотки соединен с первой обкладкой бумажного 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, непредсказуемость направления вращения электродвигателя и повышенные габариты, а также низкая надежность вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является одномостовая схема инвертора тока, с помощью которого осуществляется регулирование частоты напряжения, поступающего на каждую из обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащая реверсивные полупроводниковые коммутаторы, выполненные на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, а также сглаживающий силовой реактор и запирающий бумажный конденсатор, параллельно подключенный к обмотке двигателя. Каждый реверсивный полупроводниковый коммутатор выполнен на четырех тиристорах. Один выход сглаживающего силового реактора подключен к плюсу сети постоянного тока, а второй выход - к анодам двух тиристоров. Катоды этих тиристоров подключены к обмотке двигателя и обкладкам конденсатора соответственно, а также к анодам другой пары тиристоров. Катоды последней пары тиристоров предназначены для подключения к минусу сети постоянного тока (Лабунцов В.А. Автономные тиристорные инверторы / В.А.Лабунцов, Г.А.Ривкин, Г.И.Шевченко. - М. - Л.: Энергия, 1967. - С.20, рис.78).

Основными недостатками описанного устройства являются низкая надежность, высокая стоимость и повышенные габариты вследствие использования бумажного конденсатора для обеспечения емкостного запирания тиристоров и сглаживающего силового реактора, уменьшающего пульсацию выпрямленного постоянного напряжения.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и экономичности, а также снижения габаритов устройства путем обеспечения питания однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от двухполупериодной сети постоянного тока с возможностью низкочастотного регулирования скорости вращения электродвигателя при упрощении силовой части устройства.

Для решения поставленной задачи в полупроводниковом устройстве регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащем реверсивные полупроводниковые коммутаторы, выполненные на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, согласно изобретению использован диодный мост, подключенный к фазе и нулю питающей сети переменного тока. Каждый из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов выполнен на паре транзисторов. При этом коллекторы четных транзисторов подключены к плюсу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, эмиттеры четных транзисторов подсоединены к коллекторам нечетных транзисторов, эмиттеры нечетных транзисторов подключены к минусу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, а средняя точка соединения коллектора нечетного транзистора и эмиттера четного транзистора каждой пары предназначена для подключения к соответствующему выводу статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.

Повышение надежности, экономичности и снижение габаритов устройства обеспечиваются за счет упрощения его силовой части при отсутствии использования сглаживающего силового реактора и запирающего бумажного конденсатора.

Использование предлагаемого 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 тока в обмотках статора, но и регулировку частоты вращающегося магнитного поля статора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из трех 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 шести фиксированных положений; на фиг.5 - векторная диаграмма вращения магнитного потока поля статора, состоящего из восьми фиксированных положений; на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.7 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3; на фиг.8 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.4; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5.

Кроме того, на чертеже изображено следующее:

- Ф - фаза источника питания;

- 0 - ноль источника питания;

- U_пит(t) - питание сети;

- C1-C4 - выводы статорных обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя;

- L1, L2 - статорные обмотки;

- VT1-VT8 - транзисторы;

- I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя;

- дугообразные линии со стрелками - направления вращения магнитного потока поля статора;

- прямые линии со стрелками - направления тока в статорных обмотках однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.

Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя содержит диодный мост, подключенный к фазе и нулю питающей сети переменного тока, а также четыре реверсивных полупроводниковых коммутатора, выполненных на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Каждый из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов представляет собой пару транзисторов, которые используются для векторно-алгоритмической коммутации обмоток однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя. Введенный в устройство диодный мост подключен к фазе и нулю питающей сети переменного тока. Коллекторы четных транзисторов подключены к плюсу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, эмиттеры четных транзисторов подсоединены к коллекторам нечетных транзисторов, эмиттеры нечетных транзисторов подключены к минусу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста. Средняя точка соединения коллектора нечетного транзистора и эмиттера четного транзистора каждой пары предназначена для подключения к соответствующему выводу статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.

Таким образом, полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя содержит транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (VT1-VT8), подключенные встречно-параллельно по два транзистора в каждом из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов, и диодный мост 9, подключенный к фазе и нулю питающей сети переменного тока.

В первом реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 1 (VT1) соединен с минусом диодного моста 9, а коллектор транзистора 1 (VT1) соединен с эмиттером транзистора 2 (VT2), и их общий выход предназначен для соединения с первым выходом 10 (С1) обмотки L1. Коллектор транзистора 2 (VT2) соединен с плюсом диодного моста 9. Во втором реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 3 (VT3) соединен с минусом диодного моста 9, а коллектор транзистора 3 (VT3) соединен с эмиттером транзистора 4 (VT4), и их общий выход предназначен для соединения со вторым выходом 11 (С2) обмотки L1. Коллектор транзистора 4 (VT4) соединен с плюсом диодного моста 9.

В третьем реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 5 (VT5) соединен с минусом диодного моста 9, а коллектор транзистора 5 (VT5) соединен с эмиттером транзистора 6 (VT6), и их общий выход предназначен для соединения с первым выходом 12 (С3) обмотки L2. Коллектор транзистора 6 (VT6) соединен с плюсом диодного моста 9. В четвертом реверсивном полупроводниковом коммутаторе эмиттер транзистора 7 (VT7) соединен с минусом диодного моста 9, а коллектор транзистора 7 (VT7) соединен с эмиттером транзистора 8 (VT8), и их общий выход предназначен для соединения со вторым выходом 13 (С2) обмотки L2. Коллектор транзистора 8 (VT8) соединен с плюсом диодного моста 9.

С помощью предлагаемого полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя возможно осуществление векторно-алгоритмического управления однофазным двухобмоточным асинхронным двигателем путем создания нескольких типов вращающихся полей статора прохождением трех, или четырех, или шести, или восьми последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.

Работа полупроводникового устройства регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя происходит следующим образом.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (VT1-VT8) в следующем порядке:

- в первую полуволну питающего напряжения (I фиг.6) включаются и работают транзисторы VT1, VT3, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.2);

- во вторую полуволну питающего напряжения (II фиг.6) выключаются транзисторы VT1, VT3, включаются и работают транзисторы VT2, VT4, VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмоткам LI, L2, формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.2);

- в третью полуволну питающего напряжения (III фиг.6) выключаются транзисторы VT5, VT8, включаются и работают транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.2).

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (VT1-VT8) в следующем порядке:

- в первую полуволну питающего напряжения (I фиг.7) включаются и работают транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмотке L2, формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.3);

- во вторую полуволну питающего напряжения (II фиг.7) выключаются транзисторы VT7, VT6, включаются и работают транзисторы VT1, VT3, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.3);

- в третью полуволну питающего напряжения (III фиг.7) выключаются транзисторы VT1, VT3, включаются и работают транзисторы VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмотке L2, формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.3);

- в четвертую полуволну питающего напряжения (IV фиг.7) выключаются транзисторы VT5, VT8, включаются и работают транзисторы VT2, VT4, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.3).

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора двухфазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.4, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (VT1-VT8) в следующем порядке:

- в первую полуволну питающего напряжения (I фиг.8) включаются и работают транзисторы VT1, VT3, VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4);

- во вторую полуволну питающего напряжения (II фиг.8) выключаются транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4);

- в третью полуволну питающего напряжения (III фиг.8) включаются и работают транзисторы VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4);

- в четвертую полуволну питающего напряжения (IV фиг.8) выключаются транзисторы VT1, VT3, включаются и работают транзисторы VT2, VT4, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4);

- в пятую полуволну питающего напряжения (V фиг.8) выключаются транзисторы VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4);

- в шестую полуволну питающего напряжения (VI фиг.8) включаются и работают транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.4).

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока поля статора асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.5, в последовательности I-II-III-IV-V-VI-VII-VIII, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (VT1-VT8) в следующем порядке:

- в первую полуволну питающего напряжения (I фиг.9) включаются и работают транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмотке L2, формируя I фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- во вторую полуволну питающего напряжения (II фиг.9) включаются и работают транзисторы VT1, VT3, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя II фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в третью полуволну питающего напряжения (III фиг.9) выключаются транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя III фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в четвертую полуволну питающего напряжения (IV фиг.9) включаются и работают транзисторы VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя IV фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в пятую полуволну питающего напряжения (V фиг.9) выключаются транзисторы VT1, VT3, обеспечивая протекание тока по обмотке L2, формируя V фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в шестую полуволну питающего напряжения (VI фиг.9) включаются и работают транзисторы VT2, VT4, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя VI фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в седьмую полуволну питающего напряжения (VII фиг.9) выключаются транзисторы VT5, VT8, обеспечивая протекание тока по обмотке L1, формируя VII фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5);

- в восьмую полуволну питающего напряжения (VIII фиг.9) включаются и работают транзисторы VT7, VT6, обеспечивая протекание тока по обмоткам L1, L2, формируя VIII фиксированное положение магнитного поля статора (фиг.5).

Кроме того, для каждого из типов вращающихся полей можно производить как высокочастотное переключение транзисторов для повышения скорости вращения электродвигателя, переключая транзисторы в том же порядке, но с более высокой частотой, так и низкочастотное переключение транзисторов.

Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано для регулирования скорости вращения однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя при питании от двухполупериодной сети постоянного тока, при высоких показателях надежности и экономичности и малых габаритах.

Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащее реверсивные полупроводниковые коммутаторы, выполненные на полупроводниковых ключах, которые соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, отличающееся тем, что использован диодный мост, подключенный к фазе и нулю питающей сети переменного тока, каждый из четырех реверсивных полупроводниковых коммутаторов выполнен на паре транзисторов, причем коллекторы четных транзисторов подключены к плюсу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, эмиттеры четных транзисторов подсоединены к коллекторам нечетных транзисторов, эмиттеры нечетных транзисторов подключены к минусу выпрямленного двухполупериодного напряжения, поступающего с диодного моста, а средняя точка соединения коллектора нечетного транзистора и эмиттера четного транзистора каждой пары предназначена для подключения к соответствующему выводу статорной обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя.