ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 2009 года по МПК H02P1/42 H02P25/04 H02P27/16 

Предлагаемое изобретение относится к реверсивным полупроводниковым коммутаторам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использовано в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей.

Известно устройство питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя с обмотками, соединенными в звезду, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка трехфазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а две другие обмотки - напрямую к однофазной сети (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И.Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - С.612, рис.30-7).

Недостатком данного устройства является необходимость использования бумажных конденсаторов большой емкости, в результате чего момент двигателя обычно уменьшается в три раза, мощность двигателя падает до 50% от номинальной.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) - осуществление питания трехфазного асинхронного двигателя от сети с обеспечением реверса - является трехфазный реверсивный коммутатор, содержащий полупроводниковые ключи, подключающие обмотки трехфазного асинхронного двигателя к питающей сети. В качестве питающей сети использована трехфазная сеть переменного тока, а полупроводниковые ключи выполнены в виде восьми тиристоров, образующих четыре встречно-параллельно соединенные пары. При этом две встречно-параллельно соединенные пары тиристоров подключены одними выводами к одной фазе питающей сети, а другими соответственно к концам второй и третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя и две встречно-параллельно соединенные пары тиристоров подключены одними выводами к другой фазе питающей сети, а другими соответственно к концам второй и третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Третья обмотка трехфазного асинхронного двигателя подключена к сети напрямую (Петров Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / Л.П.Петров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С.155, рис.6.1.а.).

Основными недостатками описанного трехфазного реверсивного коммутатора являются невозможность питания от однофазной сети, что ограничивает применение трехфазных асинхронных двигателей в системе однофазного электроснабжения, а также необходимость использования большого числа полупроводниковых ключей (восемь тиристоров), что снижает надежность трехфазного реверсивного коммутатора и увеличивает его габариты и стоимость.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения возможности питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети без регулирования скорости вращения электродвигателя при повышении надежности и экономичности, а также снижении габаритов.

Для решения поставленной задачи в однофазно-трехфазном реверсивном коммутаторе, содержащем ведомые сетью полупроводниковые ключи, образующие встречно-параллельные пары, одни выводы которых подключены к фазе сети, выполненной в виде однофазной сети переменного тока, полупроводниковые ключи выполнены на запираемых тиристорах, другие выводы полупроводниковых ключей соединены с концами второй и третьей обмоток трехфазного асинхронного двигателя соответственно, начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока, а начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока.

Повышение надежности, снижение габаритов и повышение экономичности однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора обусловлено уменьшением числа полупроводниковых ключей (четыре запираемых тиристора или транзистора вместо восьми тиристоров).

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора при выполнении полупроводниковых ключей на запираемых тиристорах; на фиг.2 - то же при выполнении полупроводниковых ключей на транзисторах с диодной защитой; на фиг.3 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока; на фиг.4 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3; на фиг.5 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.3; на фиг.6 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока при обратном направлении вращения двигателя; на фиг.7 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6; на фиг.8 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.6.

Кроме того, на чертежах изображено следующее:

- Ф - фаза;

- 0 - ноль;

- С1-С6 - выводы статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя;

- V1-V4 - запираемые тиристоры;

- VT1-VT4 - транзисторы;

- VD1-VD4 - защитные диоды;

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

- прямые линии со стрелками - направления вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;

- Uсети=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;

- прямые линии со стрелками вдоль обмоток статора двигателя - направления магнитного потока и тока в обмотках статора.

Однофазно-трехфазный реверсивный коммутатор содержит ведомые сетью полупроводниковые ключи, образующие встречно-параллельные пары. Полупроводниковые ключи выполнены на запираемых тиристорах, одни выводы которых подключены к фазе сети, выполненной в виде однофазной сети переменного тока, а другие выводы соединены с концами второй и третьей обмоток трехфазного асинхронного двигателя соответственно. Начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока, а начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока.

Пример выполнения однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора, содержащего полупроводниковые ключи, выполненные в виде запираемых тиристоров. Коммутатор содержит запираемые полупроводниковые ключи, в качестве которых использованы четыре запираемые тиристора 1, 2, 3, 4 (V1-V4), по два запираемых тиристора, включенные между собой встречно-параллельно соответственно на вторую и третью обмотки трехфазного асинхронного двигателя. При этом первая обмотка двигателя подключена к однофазной сети переменного тока началом обмотки 5 (С1) к фазе и концом обмотки 6 (С2) к нулю напрямую, вторая обмотка подключена началом обмотки 7 (С3) к нулю и концом обмотки 8 (С4) через запираемые тиристоры к фазе, третья обмотка подключена началом обмотки 9 (С5) к нулю и концом обмотки 10 (С6) через запираемые тиристоры к фазе.

Катод запираемого тиристора 1 (V1) и анод запираемого тиристора 2 (V2) подключены к фазе питающей сети, катод запираемого тиристора 2 (V2) и анод запираемого тиристора 1 (V1) подключены к выводу 8 (С4) статорной обмотки двигателя. Катод запираемого тиристора 3 (V3) и анод запираемого тиристора 4 (V4) подключены к фазе питающей сети, катод запираемого тиристора 4 (V4) и анод запираемого тиристора 3 (V3) подключены к выводу 10 (С6) статорной обмотки двигателя.

Пример выполнения однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора на запираемых полупроводниковых ключах, ведомого сетью, содержащего полупроводниковые ключи, выполненные в виде транзисторов. Коммутатор содержит запираемые полупроводниковые ключи, в качестве которых использованы четыре транзистора 11, 12, 13, 14 (VT1-VT4), по два транзистора, включенные между собой встречно-параллельно соответственно на вторую и третью обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Также в коллекторные цепи транзисторов 11, 12, 13, 14 (VT1-VT4) включены защитные диоды 15, 16, 17, 18 (VD1-VD4). При этом первая обмотка двигателя подключена к однофазной сети переменного тока началом обмотки 19 (С1) к фазе и концом обмотки 20 (С2) к нулю напрямую, вторая обмотка подключена началом обмотки 21 (С3) к нулю и концом обмотки 22 (С4) через транзисторы к фазе, третья обмотка подключена началом обмотки 23 (С5) к нулю и концом обмотки 24 (С6) через транзисторы к фазе.

Эмиттеры транзисторов 11 и 12 (VT1 и VT2) подключены к фазе питающей сети, коллекторы транзисторов 11 и 12 (VT1 и VT2) подключены к выводу 22 (С4) статорной обмотки двигателя через защитные диоды 15 и 16 (VD1 и VD2) следующим образом: анод диода 15 (VD1) и катод диода 16 (VD2) подключены к выводу 22 (С4) статорной обмотки, катод диода 15 (VD1) подключен к коллектору транзистора 11 (VT1), а анод диода 16 (VD2) подключен к коллектору транзистора 12 (VT2). Эмиттеры транзисторов 13 и 14 (VT3 и VT4) подключены к фазе питающей сети, коллекторы транзисторов 13 и 14 (VT3 и VT4) подключены к выводу 24 (С6) статорной обмотки двигателя через защитные диоды 17 и 18 (VD3 и VD4) следующим образом: анод диода 17 (VD3) и катод диода 18 (VD4) подключены к выводу 24 (С6) статорной обмотки, катод диода 17 (VD3) подключен к коллектору транзистора 13 (VT3), а анод диода 18 (VD4) подключен к коллектору транзистора 14 (VT4).

Транзисторы 11, 13 (VT1, VT3) имеют структуру n-p-n. Транзисторы 12, 14 (VT2, VT4) имеют структуру p-n-р.

Работа однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора на запираемых полупроводниковых ключах, ведомого сетью, происходит следующим образом. В статорные обмотки трехфазного асинхронного двигателя подается однофазное переменное напряжение коммутацией соответствующих запираемых полупроводниковых ключей, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора.

С помощью однофазно-трехфазного реверсивного коммутатора на запираемых полупроводниковых ключах, ведомого сетью, возможно осуществить векторное управление трехфазным асинхронным электродвигателем, создавая вращающееся поле статора прохождением шести (см. фиг.3 и фиг.6) последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя прямого и обратного направления.

Векторное управление электродвигателем прохождением шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя в прямом направлении

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на запираемые тиристоры 1, 2, 3, 4 (V1, V2, V3, V4) в следующей последовательности:

отпирающий управляющий импульс на V2 - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V4 - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на V2 - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V1 - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V3 - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на V1 - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 11, 12, 13, 14 (VT1, VT2, VT3, VT4) в следующей последовательности:

отпирающий управляющий импульс на VT2 - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT4 - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на VT2 - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT1 - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT3 - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на VT1 - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

Векторное управление электродвигателем прохождением шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя в обратном направлении

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.6, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на запираемые тиристоры 1, 2, 3, 4 (V1, V2, V3, V4) в следующей последовательности:

отпирающий управляющий импульс на V4 - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V2 - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на V4 - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V3 - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на V1 - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на V3 - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.3, в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы 11, 12, 13, 14 (VT1, VT2, VT3, VT4) в следующей последовательности:

отпирающий управляющий импульс на VT4 - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT2 - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на VT4 - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT3 - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

отпирающий управляющий импульс на VT1 - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

запирающий управляющий импульс на VT3 - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

Данный однофазно-трехфазный реверсивный коммутатор на запираемых полупроводниковых ключах, ведомый сетью, позволяет работать трехфазному асинхронному двигателю на частоте f_СЕТИ от однофазной сети.

Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано в однофазной сети при высоких показателях надежности и экономичности, а также малых габаритах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей. Техническим результатом является обеспечение возможности питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети без регулирования скорости вращения при повышении надежности и экономичности и снижение габаритов. В однофазно-трехфазном реверсивном коммутаторе ведомыми сетью полупроводниковыми ключами образованы встречно-параллельные пары, одни выводы которых подключены к фазе сети, выполненной в виде однофазной сети переменного тока. Полупроводниковые ключи выполнены на запираемых тиристорах. Другие выводы полупроводниковых ключей соединены с концами второй и третьей обмоток трехфазного асинхронного двигателя соответственно. Начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока, а начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока. Коммутатор осуществляет векторное управление трехфазным асинхронным двигателем путем создания вращающегося поля статора прохождением шести последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора прямого и обратного направления. 8 ил.

Однофазно-трехфазный реверсивный коммутатор, содержащий ведомые сетью полупроводниковые ключи, образующие встречно-параллельные пары, одни выводы которых подключены к фазе сети, выполненной в виде однофазной сети переменного тока, отличающийся тем, что полупроводниковые ключи выполнены на запираемых тиристорах, другие выводы полупроводниковых ключей соединены с концами второй и третьей обмоток трехфазного асинхронного двигателя соответственно, начала второй и третьей обмоток подключены к нулю однофазной сети переменного тока, а начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец - к нулю однофазной сети переменного тока.