Регулируемый однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью

Устройство относится к высокочастотным преобразователям частоты, ведомым сетью переменного тока, и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания асинхронных трехфазных двигателей, обмотки которых соединены в звезду. Регулируемый высокочастотный однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержит полупроводниковые ключи на основе транзисторов, подключенные к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть фаза-ноль переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя. Транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте, выполнены на основе симметричной внутренней структуры. Существенно уменьшаются габариты и повышается экономичность устройства.

Предлагаемое изобретение относится к регулируемым преобразователям частоты, ведомым сетью от однофазного переменного тока, и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания асинхронных трехфазных двигателей, статорные обмотки которых соединены в звезду.

Известно устройство регулирования частоты вращения асинхронного трехфазного электродвигателя от однофазной сети, содержащее полупроводниковые ключи, в качестве которых использованы такие силовые элементы, как три симистора или шесть тиристоров для коммутации обмоток электродвигателя. Один из выходов симистора или тиристора подключен к фазе питающей сети, а другой выход тиристора или симистора подключен к соответствующей обмотке статора. При этом статорные обмотки асинхронного трехфазного электродвигателя соединены в звезду, а нулевой вывод электродвигателя подключен к нулю питающей сети (Глазенко Т.А. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности / Т.А.Глазенко. - Ленинград: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. - С.61, рис.2-12, схема 12).

Основными недостатками устройства регулирования частоты вращения асинхронного трехфазного электродвигателя от однофазной сети являются низкая надежность и большие габариты вследствие использования большого числа полупроводниковых ключей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является низкочастотный однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий три пары встречно-параллельно включенных полупроводниковых ключей на основе транзисторов. Одной общей точкой каждая из трех пар полупроводниковых ключей подсоединена к фазе питающего напряжения, а другой общей точкой - к входам соответствующих статорных обмоток асинхронного трехфазного двигателя, обмотки которого соединены в звезду. Статорные обмотки на каждой полуволне питающего напряжения подключены попарно или по одиночке к питающему напряжению в последовательности, обеспечивающей регулируемую частоту вращения вектора поля статора в пространстве. Нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающего напряжения (патент RU на полезную модель. 71193, МПК Н02М 5/27 (2006.01)).

Однако описанный низкочастотный однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, недостаточно экономичен и имеет большие габариты вследствие использования большого числа транзисторов.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения габаритов и повышения экономичности устройства.

Для решения поставленной задачи в регулируемом однофазно-трехфазном полупроводниковом преобразователе частоты, ведомом сетью, содержащем полупроводниковые ключи на основе транзисторов, подключенные к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду, причем в качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети, согласно изобретению транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте, выполнены на основе симметричной внутренней структуры.

Повышение экономичности, а также снижение габаритов регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью, достигается путем обеспечения функционирования транзисторов в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме, основанного на симметричности структуры транзисторов, при уменьшении их количества,

Использование регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью в высокочастотном режиме обусловлено тем, что прохождение тока по транзисторам в импульсном ключевом режиме осуществляется как по цепи эмиттер - коллектор, так и по цепи коллектор - эмиттер.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью, при выполнении полупроводниковых ключей на основе транзисторов; на фиг.2 - векторная диаграмма вращения, для положительной полуволны питающего напряжения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.3 - векторная диаграмма вращения, для отрицательной полуволны питающего напряжения, состоящего из трех фиксированных положений магнитного потока поля статора; на фиг.4 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и на фиг.3, в зависимости от полуволны напряжения, направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора; на фиг.5 - изменение напряжения в обмотках статора во времени, в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны питающего напряжения; на фиг.6 - для более высокой частоты пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора в соответствии с векторными диаграммами, изображенными на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны напряжения, направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора; на фиг.7 - для более высокой частоты изменение напряжения в обмотках статора во времени, в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2 и фиг.3, в зависимости от полуволны питающего напряжения;

Кроме того, на чертеже изображено следующее:

- Ф - фаза;

- 0 - ноль;

- С1-С3 - статорные обмотки;

- VT1-VT3 - 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.

Регулируемый однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержит полупроводниковые ключи на основе транзисторов, имеющих симметричную внутреннюю структуру и пропускающих ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте. Полупроводниковые ключи подсоединены к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду. В качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети.

Эмиттер транзистора 1 (VT1) подключен к фазе питающей сети, а коллектор транзистора 1 (VT1) соединен с входом 2 статорной обмотки (С1) двигателя. Эмиттер транзистора 3 (VT2) подключен к фазе питающей сети, а коллектор транзистора 3 (VT2) соединен с входом 4 статорной обмотки (С2) двигателя. Эмиттер транзистора 5 (VT3) подключен к фазе питающей сети, а коллектор транзистора 5 соединен с входом 6 статорной обмотки 6 двигателя. Выходы трех обмоток статора двигателя соединены между собой как нулевая точка 7 звезды, которая подсоединена к нулю питающей сети.

Транзисторы 1 (VT1), 3 (VT2) и 5 (VT3), пропускающие ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте, выполнены на основе симметричной внутренней структуры.

Работа регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью, происходит следующим образом. В статорные обмотки асинхронного трехфазного двигателя подается однофазное переменное напряжение в последовательности, обеспечивающей получение вращающегося магнитного поля статора с требуемыми характеристиками. Прохождение тока транзисторами 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3) происходит как по цепи эмиттер - коллектор, так и по цепи коллектор - эмиттер. Это основано на свойстве симметричности транзисторов, то есть коллектор и эмиттер в ключевом режиме практически равнозначны. Но, как правило, конструкция транзистора несимметрична, и инверсное включение дает худшие усилительные характеристики. В ключевом режиме работы транзистора этим можно пренебречь.

С помощью регулируемого однофазно-трехфазного полупроводникового преобразователя частоты, ведомого сетью, возможно осуществить векторно-алгоритмическое управление трехфазным асинхронным электродвигателем, создавая последовательно несколько типов вращающихся полей статора, например: прохождением трех (см. фиг.2 и фиг.3) положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.

Векторно-алгоритмическое управление осуществляется подачей импульсов на базу транзисторов 1, 3, 5 (VT1, VT2, VT3), обеспечивающих векторное управление асинхронным трехфазным электродвигателем прохождением трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за положительную полуволну и трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за отрицательную полуволну:

- в первый (I) промежуток времени положительный полупериод питающего напряжения включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2);

- во второй (II) промежуток времени положительный полупериод питающего напряжения выключается транзистор VT1, включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3);

- в третий (III) промежуток времени положительный полупериод питающего напряжения выключается транзистор 3 (VT2), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3);

- в четвертый (IV) промежуток времени отрицательный полупериод питающего напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3);

- в пятый (V) промежуток времени отрицательный полупериод питающего напряжения выключается транзистор VT2, включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3);

- в шестой (VI) промежуток времени отрицательный полупериод питающего напряжения выключается транзистор 5 (VT3), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2).

Здесь предлагаемый преобразователь позволяет при данном алгоритме питать двигатель напряжением с частотой If сети и является высокочастотным преобразователем частоты.

Векторно-алгоритмическое управление осуществляется подачей импульсов на базу транзисторов, которое обеспечивает векторное управление асинхронным трехфазным электродвигателем при двукратном прохождении трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за положительную полуволну и двукратном прохождении трех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя за отрицательную полуволну:

- в первый (I) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2);

- во второй (II) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3);

- в третий (III) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 3 (VT2), включается и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3);

- в четвертый (IV) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;

- в пятый (V) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;

- в шестой (VI) промежуток времени положительного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 3 (VT2), включается и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени;

- в седьмой (VII) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;

- в восьмой (VIII) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 3 (VT2), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;

- в девятый (IX) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 5 (VT3), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени;

- в десятый (X) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 1 (VT1), включаются и работают транзисторы 3 (VT2) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за первый (I) промежуток времени;

- в одиннадцатый (XI) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор VT2, включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 5 (VT3), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за второй (II) промежуток времени;

- в двенадцатый (XII) промежуток времени отрицательного полупериода питающего напряжения выключается транзистор 5 (VT3), включаются и работают транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2), повторяя положение вектора вращающегося поля статора за третий (III) промежуток времени.

То есть регулируемый однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, позволяет питать двигатель напряжением с частотой 4f_СЕТИ.

Таким образом, предлагаемое изобретение может быть использовано в однофазной сети для включения и регулировки скорости выше номинальной для бытовых приборов, имеющих асинхронный трехфазный двигатель, при высоких показателях надежности и экономичности и малых габаритах.

Регулируемый однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты, ведомый сетью, содержащий полупроводниковые ключи на основе транзисторов, подключенные к фазе питающей сети и к статорным обмоткам асинхронного трехфазного двигателя, соединенным в звезду, причем в качестве питающей сети использована однофазная питающая сеть переменного тока для питания асинхронного трехфазного двигателя, а нулевая точка звезды подсоединена к нулю питающей сети, отличающийся тем, что транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях в импульсном ключевом режиме на регулируемой частоте, выполнены на основе симметричной внутренней структуры.