Преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя

Преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя предназначен для использования в электроприводе для питания однофазных асинхронных двигателей. Устройство содержит две пары из полупроводниковых ключей, включенных между собой параллельно. В качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме. Общие выходы одной пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Общие выходы другой пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. С помощью данного преобразователя обеспечивается возможность питания однофазного асинхронного двигателя от однофазной сети с возможностью регулирования скорости вращения электродвигателя выше и ниже номинальной скорости, уменьшение габаритов за счет уменьшения числа коммутирующей аппаратуры при повышении надежности и экономичности.

Предлагаемая полезная модель относится к преобразователям частоты, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети однофазных асинхронных двигателей.

Известно устройство питания однофазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети однофазного асинхронного двигателя, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка однофазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а другая обмотка - напрямую к однофазной сети (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов/ И.П.Копылов. - М.:

Высшая школа, 2006. - С.343, рис. 3.96).

Основными недостатками описанного устройства питания однофазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи являются низкая надежность и повышенные габариты вследствие необходимости использования бумажных конденсаторов большой емкости, а также отсутствие возможности регулирования скорости вращения однофазного асинхронного двигателя.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) с регулированием скорости вращения электродвигателя путем изменения частоты питающей сети является однофазный мостовой низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью, содержащий подсоединенные к питающей сети две пары из полупроводниковых ключей, образующих мостовые схемы выпрямления, по две мостовые схемы выпрямления в каждой паре, включенные между собой встречно-параллельно. Общие выходы одной пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Общие выходы другой пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. В качестве полупроводниковых ключей использованы шестнадцать тиристоров (патент RU 2331153, МПК Н02Р 27/18 (2006.01)).

Основными недостатками этого однофазного мостового низкочастотного преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью, являются пониженная надежность, повышенная стоимость и габариты вследствие использования большого числа тиристоров, а также обеспечение регулирования скорости вращения электродвигателя только вниз от номинальной.

Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности и экономичности, уменьшения габаритов, обеспечения регулирования скорости вращения электродвигателя выше и ниже номинальной для расширения функциональных возможностей устройства.

Для решения поставленной задачи в преобразователе частоты, ведомом однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя, содержащем две пары из полупроводниковых ключей, включенных между собой параллельно, причем общие выходы одной пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, общие выходы другой пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, согласно полезной модели в качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме.

Обеспечение регулирования скорости вращения электродвигателя выше и ниже номинальной, повышение надежности и экономичности, уменьшение габаритов устройства обусловлены использованием в качестве коммутирующей аппаратуры восьми транзисторов, пропускающих ток в обоих направлениях и предназначенных для функционирования в ключевом режиме, вместо использования в качестве полупроводниковых ключей шестнадцати тиристоров в устройстве, выбранном в качестве прототипа. Предлагаемый преобразователь частоты позволяет производить регулировку скорости вращения электродвигателя при изменении подаваемой частоты питающего напряжения на двигатель как выше 50 Гц, так и ниже, что дает возможность регулировать скорость двигателя как ниже номинальной, так и выше номинальной скорости, что расширяет его функциональные возможности.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя; на фиг.2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений магнитного потока; на фиг.3 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора при частоте в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.4 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.5 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений магнитного потока, при одновременном включении двух обмоток статора двигателя; на фиг.6 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора при частоте в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.7 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.5; на фиг.8 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из восьми фиксированных положений магнитного потока; на фиг.9 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора f при частоте в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.8; на фиг.10 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.8; на фиг.11 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора при частоте fрег=f_СЕТИ в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.12 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.13 - пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора при частоте fрег=2f_СЕТИ в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2; на фиг.14 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг.2.

Кроме того, на чертеже изображено следующее:

- Ф - фаза;

- 0 - ноль;

- С1-С4 - выводы обмоток статора однофазного асинхронного двигателя;

- VT1-VT8 -транзисторы, функционирующие в ключевом режиме;

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

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

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

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

- VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, VT7, VT8 - открываемые транзисторы для обеих обмоток однофазного асинхронного двигателя в каждый момент времени для обеспечения вращения поля статора.

Преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя, содержит две пары из полупроводниковых коммутационных ключей, включенных между собой параллельно. В качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме. Общие выходы одной пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Общие выходы другой пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя.

Пример выполнения преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя. В первой паре из полупроводниковых ключей эмиттер первого транзистора 1 (VT1) подключен к фазе питающей сети, а эмиттер второго транзистора 2 (VT2) подключен к нулю питающей сети. Коллектор первого транзистора 1 (VT1) и коллектор второго транзистора 2 (VT2) объединены в общий выход и предназначены для подключения к первому выводу 3 (С1) первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Эмиттер третьего транзистора 4 (VT3) подключен к фазе питающей сети, а эмиттер четвертого транзистора 5 (VT4) подключен к нулю питающей сети. Коллектор третьего транзистора 4 (VT3) и коллектор четвертого транзистора 5 (VT4) объединены общим выводом и предназначены для подключения ко второму выводу 6 (С2) первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Транзисторы 1 (VT1) и 2 (VT2) включены между собой параллельно; транзисторы 4 (VT3) и 5 (VT4) также включены между собой параллельно.

Во второй паре из полупроводниковых ключей эмиттер пятого транзистора 7 (VT5) подключен к фазе питающей сети, а эмиттер шестого транзистора 8 (VT6) подключен к нулю питающей сети. Коллектор пятого транзистора 7 (VT5) и коллектор шестого транзистора 8 (VT6) объединены в общий выход и предназначены для подключения к первому выводу 9 (С3) второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Эмиттер седьмого транзистора 10 (VT7) подключен к фазе питающей сети, а эмиттер восьмого транзистора 11 (VT8) подключен к нулю питающей сети. Коллектор седьмого транзистора 10 (VT7) и коллектор восьмого транзистора 11 (VT8) объединены и предназначены для подключения ко второму выводу 12 (С4) второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя. Транзисторы 7 (VT5) и 8 (VT6) включены между собой параллельно; транзисторы 10 (VT7) и 11 (VT8) также включены между собой параллельно.

Таким образом, в первой паре в качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы 1 (VT1), 2 (VT2), 4 (VT3), 5 (VT4), пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме, а во второй паре в качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы 7 (VT5), 8 (VT6), 10 (VT7), 11 (VT8), пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме.

С помощью преобразователя частоты, ведомого однофазной сетью переменного тока для питания однофазного асинхронного двигателя, возможно осуществить векторное управление однофазным асинхронным электродвигателем, создавая несколько типов вращающихся полей статора: прохождением четырех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля при одновременном включении одной обмотки статора двигателя (см. фиг.2), четырех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля при одновременном включении двух обмоток статора двигателя (см. фиг.5), и восьми (см. фиг.8) последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя.

Векторное управление однофазным асинхронным двигателем прохождением четырех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя при одновременном включении одной обмотки статора производится следующим образом.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, при этом направления токов, протекающих в обмотках статора, в последовательности I-II-III-IV, показаны на фиг.4. Управляющие импульсы на базы транзисторов, работающих в ключевом режиме, необходимо подавать в следующем порядке:

- в положительный полупериод питающего напряжения и сети 1 (VT1), 5 (VT4); - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 8 (VT6), 10 (VT7) - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в следующий положительный полупериод питающего напряжения 4 (VT3), 2 (VT2) - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в следующий отрицательный полупериод питающего напряжения 11 (VT8), 7 (VT5) - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

При вышеописанных последовательностях включения транзисторов, данный преобразователь частоты, ведомого однофазной сетью переменного тока для питания однофазного асинхронного двигателя, позволяет работать двигателю на частоте .

Векторное управление однофазным асинхронным двигателем прохождением четырех последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока поля статора за один оборот двигателя при одновременном включении двух обмоток статора двигателя производится следующим образом.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.5, при этом направления токов, протекающих в обмотках статора, в последовательности I-II-III-IV, показаны на фиг.7. Управляющие импульсы на транзисторы необходимо подавать в следующем порядке:

- в положительный полупериод питающего напряжения 1 (VT1), 5 (VT4), 7 (VT5), 11 (VT8) - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 2 (VT2), 4 (VT3), 11 (VT8), 7 (VT5) - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в положительный полупериод питающего напряжения 4 (VT3), 2 (VT2), 10 (VT7), 8 (VT6) - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 5 (VT4), 1 (VT1), 8 (VT6), 10 (VT7) - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

При вышеописанных последовательностях включения транзисторов, данный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя, позволяет работать двигателю на частоте .

Векторное управление однофазным асинхронным двигателем прохождением восьми последовательных фиксированных положений вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора за один оборот двигателя производится следующим образом.

Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.8, а направления токов, протекающих в обмотках статора в последовательности I-II-III-IV-V-VI-VII-VIII показаны на фиг.10. Управляющие импульсы на транзисторы необходимо подавать в следующем порядке:

- в положительный полупериод питающего напряжения 1 (VT1), 5 (VT4), 7 (VT5), 11 (VT8); - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 2 (VT2), 4 (VT3) - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в положительный полупериод питающего напряжения 1 (VT1), 5 (VT4), 8 (VT6), 10 (VT7) - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 7 (VT5), 11 (VT8) - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в положительный полупериод питающего напряжения 4 (VT3), 2 (VT2), 10 (VT7), 8 (VT6) - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 1 (VT1), 5 (VT4) - VI фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в положительный полупериод питающего напряжения 4 (VT3), 2 (VT2), 7 (VT5), 11 (VT8) - VII фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в отрицательный полупериод питающего напряжения 8 (VT6), 10 (VT7) - VIII фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора.

При вышеописанных последовательностях включения транзисторов, данный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания f однофазного асинхронного двигателя, позволяет работать двигателю на частоте .

Регулируя момент подачи управляющего сигнала на базу транзисторов можно осуществлять работу электродвигателя на номинальной или при повышенной частоте питающего напряжения на двигатель, а, следовательно, и регулирование скорости двигателя. Так, регулируя момент включения транзисторов, возможно обеспечить вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора однофазного асинхронного двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2, в последовательности I-II-III-IV при регулируемой частоте, обеспечивающей вращение двигателя на номинальной скорости, что показано на фиг.11, направления токов, протекающих в обмотках статора показаны на фиг.12. На фиг.13 показано пофазное изменение магнитного потока в обмотках статора при повышенной частоте питающего напряжения на двигатель, направления токов, протекающих в обмотках статора в этом режиме показаны на фиг.14.

Таким образом, при вышеописанных последовательностях включения транзисторов, данный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя, позволяет работать двигателю на частоте выше и ниже частоты питающей сети.

Предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными аналогичными техническими решениями из-за возможности использования регулирования скорости вращения двигателя выше и ниже номинальной, более высоких показателей надежности и экономичности, а также малых габаритов.

Преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью переменного тока, для питания однофазного асинхронного двигателя, содержащий две пары из полупроводниковых ключей, включенных между собой параллельно, причем общие выходы одной пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети первой обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, общие выходы другой пары из полупроводниковых ключей предназначены для подключения к питающей сети второй обмотки статора однофазного асинхронного двигателя, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы, пропускающие ток в обоих направлениях и предназначенные для функционирования в ключевом режиме.