Устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети

Полезная модель относится к пусковым устройствам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в электроприводах переменного тока для пуска от однофазной сети однофазных двухобмоточных асинхронных двигателей, не требующих регулирования скорости вращения.

Известно устройство запуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети асинхронного двигателя, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка двигателя подключена к однофазной сети через конденсаторы, а другая обмотка - напрямую к сети (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов / И.П. Копылов. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 343, рис. 3.96).

Недостатками описанного устройства запуска однофазного двухобмоточного 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, отсутствие возможности осуществления реверса двигателя, так как для этого необходимы конструктивные изменения.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является реверсивное бесконденсаторное устройство пуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя, содержащее две пары полупроводниковых ключей, в качестве которых использованы транзисторы, а также две обмотки статора. При этом в первой паре полупроводниковых ключей объединенные коллекторы первого и второго транзистора подключены к началу первой обмотки статора, эмиттер первого транзистора подключен к фазе питающей сети, эмиттер второго транзистора подключен к нулю питающей сети, во второй паре полупроводниковых ключей объединенные коллекторы третьего и четвертого транзистора подключены к концу первой обмотки статора, эмиттер третьего транзистора подключен к фазе питающей сети, эмиттер четвертого транзистора подключен к нулю питающей сети, начало второй обмотки статора подключено к фазе питающей сети, а конец второй обмотки статора подключен к нулю питающей сети (патент RU №157687, МПК Н02Р 1/42 (2006.01), Н02Р 27/04 (2006.01), дата публикации 10.12.2015 г.).

Недостатками данного реверсивного бесконденсаторного устройства пуска однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя являются низкая надежность вследствие повышенного нагрева по причине потребления управляющего тока в ключевом режиме из-за работы биполярных транзисторов на переменном токе, а также повышенное потребление энергии вследствие использования биполярных транзисторов, которым необходим ток управления для поддержания транзисторов во включенном состоянии.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в повышении надежности и энергоэффективности путем уменьшения энергопотребления устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что в устройстве бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети, содержащем две пары полупроводниковых ключей, первую и вторую обмотки статора, причем начало второй обмотки статора подключено к фазе питающей сети, конец второй обмотки статора подключен к нулю питающей сети, первые выходы первого полупроводникового ключа первой пары и третьего полупроводникового ключа второй пары подсоединены к фазе питающей сети, первые выходы второго полупроводникового ключа первой пары и четвертого полупроводникового ключа второй пары подсоединены к нулю питающей сети, объединенные вторые выходы первого и второго полупроводниковых ключей первой пары подключены к концу первой обмотки статора, а объединенные вторые выходы третьего и четвертого полупроводниковых ключей второй пары подключены к началу первой обмотки статора, согласно полезной модели, в качестве каждого из полупроводниковых ключей использованы два транзистора и два диода, при этом, в первом полупроводниковом ключе сток первого транзистора соединен с катодом первого диода и с фазой однофазной сети переменного тока, сток второго транзистора соединен с катодом второго диода и с концом первой обмотки статора, истоки первого и второго транзисторов объединены и соединены с анодами первого и второго диодов, во втором полупроводниковом ключе сток третьего транзистора соединен с катодом третьего диода и с нулем однофазной сети переменного тока, сток четвертого транзистора соединен с катодом четвертого диода и с концом первой обмотки статора, истоки третьего и четвертого транзисторов объединены и соединены с анодами третьего и четвертого диодов, в третьем полупроводниковом ключе сток пятого транзистора соединен с катодом пятого диода и с фазой однофазной сети переменного тока, сток шестого транзистора соединен с катодом шестого диода и с началом первой обмотки статора, истоки пятого и шестого транзисторов объединены и соединены с анодами пятого и шестого диодов, в четвертом полупроводниковом ключе сток седьмого транзистора соединен с катодом седьмого диода и с нулем однофазной сети переменного тока, сток восьмого транзистора соединен с катодом восьмого диода и с началом первой обмотки статора, истоки седьмого и восьмого транзисторов объединены и соединены с анодами седьмого и восьмого диодов.

В качестве транзисторов могут быть использованы IGBT или MOSFET транзисторы.

Повышение надежности и энергоэффективности устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети обусловлено использованием в каждом полупроводниковом ключе транзисторов, которые управляются потенциалом, а не током, при отсутствии необходимости учета полярности напряжения, проходящего через транзисторы.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети; на фиг.2 показана векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении по часовой стрелке; на фиг. 3 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг.4 показана векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, состоящего из четырех фиксированных положений вектора магнитной индукции поля статора, при вращении против часовой стрелки; на фиг. 5 показано протекание тока по статорным обмоткам в разные моменты времени, а также пофазное изменение магнитного потока в статорных обмотках в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 4.

Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:

Ф - фаза;

0 - ноль;

L1, L2 - обмотки статора электродвигателя;

VT1 - VT8 - транзисторы;

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

Uсети - напряжение питающей сети;

дугообразные линии со стрелкой - направления вращения магнитного поля статора;

t1, t2…t4 - моменты времени коммутации транзисторов;

и - исток;

с - сток;

а - анод;

к - катод;

прямые линии со стрелками - направления вектора магнитной индукции кругового вращающегося поля статора двигателя.

Устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети содержит две пары полупроводниковых ключей, питающиеся от сети однофазного переменного тока, предназначенные для подключения к нагрузке, представляющей собой статорные обмотки однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя. В качестве каждого из полупроводниковых ключей использованы два транзистора и два диода. В первом полупроводниковом ключе 1 (К1) первой пары сток первого 2 (VT1) транзистора соединен с катодом первого диода 3 (VD1) и с фазой однофазной сети переменного тока, сток второго 4 (VT2) транзистора соединен с катодом второго диода 5 (VD2) и с концом 6 (С2) первой обмотки статора 7 (L1), истоки первого 2 (VT1) и второго 4 (VT2) транзисторов объединены и соединены с анодами первого 3 (VD1) и второго 5 (VD2) диодов. Во втором полупроводниковом ключе 8 (K2) первой пары сток третьего 9 (VT3) транзистора соединен с катодом третьего 10 (VD3) диода и с нулем однофазной сети переменного тока, сток четвертого 11 (VT4) транзистора соединен с катодом четвертого 12 (VD4) диода и с концом 6 (С2) первой обмотки статора 7 (L1), истоки третьего 9 (VT3) и четвертого 11 (VT4) транзисторов объединены и соединены с анодами третьего 10 (VD3) и четвертого 12 (VD4) диодов. В третьем полупроводниковом ключе 13 (К3) второй пары сток пятого 14 (VT5) транзистора соединен с катодом пятого 15 (VD5) диода и с фазой однофазной сети переменного тока, сток шестого 16 (VT6) транзистора соединен с катодом шестого 17 (VD6) диода и с началом 18 (С1) первой обмотки статора 7 (L1), истоки пятого 14 (VT5) и шестого 16 (VT6) транзисторов объединены и соединены с анодами пятого 15 (VD5) и шестого 17 (VD6) диодов. В четвертом полупроводниковом ключе 19 (К4) второй пары сток седьмого 20 (VT7) транзистора соединен с катодом седьмого 21 (VD7) диода и с нулем однофазной сети переменного тока, сток восьмого 22 (VT8) транзистора соединен с катодом восьмого 23 (VD8) диода и с началом 18 (С1) первой обмотки статора 7 (L1), истоки седьмого 21 (VT7) и восьмого 22 (VT8) транзисторов объединены и соединены с анодами седьмого 20 (VD7) и восьмого 23 (VD8) диодов. Начало 24 (С3) второй обмотки статора 25 (L2) подключено к фазе питающей сети, конец 26 (С4) второй обмотки статора 25 (L2) подключен к нулю питающей сети.

Работа устройства бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети осуществляется следующим образом. Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося кругового поля статора двигателя по часовой стрелке, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 2, необходимо подавать управляющие сигналы на затворы транзисторов 2 (VT1), 4 (VT2), 9 (VT3), 11 (VT4), 14 (VT5), 16 (VT6), 21 (VT7), 22 (VT8) в следующем порядке (фиг. 3).

1. В положительную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открываются транзисторы 2 (VT1) и 22 (VT8), обеспечивая первое I фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) вправо и 25 (L2) вниз в показанном стрелками направлении.

2. В положительную полуволну питающего напряжения, в период от t1 до t2, открываются транзисторы 14 (VT5) и 11 (VT4), при этом транзисторы 2 (VT1) и 22 (VT8) закрываются, обеспечивая второе II фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) влево и 25 (L2) вниз в показанном стрелками направлении.

3. В отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t2 до t3, открываются транзисторы 21 (VT7) и 4 (VT2), при этом транзисторы 14 (VT5) и 11 (VT4) закрываются, обеспечивая третье III фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) влево и 25 (L2) вверх в показанном стрелками направлении.

4. В отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t3 до t4, открываются транзисторы 9 (VT3) и 16 (VT6), при этом транзисторы 21 (VT7) и 4 (VT2) закрываются, обеспечивая четвертое IV фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) вправо и 25 (L2) вверх в показанном стрелками направлении.

Поле статора получается вращающимся, круговым, пространственным, изменяющимся во времени. При прохождении следующей положительной полуволны цикл повторяется, обеспечивая вращение поля статора по часовой стрелке.

Для обеспечения вращения вектора магнитной индукции вращающегося кругового поля статора двигателя против часовой стрелки, в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг. 4, необходимо подавать управляющие сигналы на затворы транзисторов 2 (VT1), 4 (VT2), 9 (VT3), 11 (VT4), 14 (VT5), 16 (VT6), 21 (VT7), 22 (VT8) в следующем порядке (фиг. 5).

1. В положительную полуволну питающего напряжения, в период от 0 до t1, открываются транзисторы 14 (VT5) и 11 (VT4), обеспечивая первое I фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) влево и 25 (L2) вниз в показанном стрелками направлении.

2. В положительную полуволну питающего напряжения, в период от t1 до t2, открываются транзисторы 2 (VT1) и 22 (VT8), при этом транзисторы 14 (VT5) и 11 (VT4) закрываются, обеспечивая второе II фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) вправо и 25 (L2) вниз в показанном стрелками направлении.

3. В отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t2 до t3, открываются транзисторы 9 (VT3) и 16 (VT6), при этом транзисторы 2 (VT1) и 22 (VT8) закрываются, обеспечивая третье III фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) вправо и 25 (L2) вверх в показанном стрелками направлении.

4. В отрицательную полуволну питающего напряжения, в период от t3 до t4, открываются транзисторы 21 (VT7) и 4 (VT2), при этом транзисторы 9 (VT3) и 16 (VT6) закрываются, обеспечивая четвертое IV фиксированное положение вектора магнитной индукции поля статора при протекании тока по обмоткам 7 (L1) влево и 25 (L2) вверх в показанном стрелками направлении.

Поле статора получается вращающимся, круговым, пространственным, изменяющимся во времени. При прохождении следующей положительной полуволны цикл повторяется, обеспечивая вращение поля статора против часовой стрелки.

Таким образом, устройство бесконденсаторного запуска однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети позволяет осуществить как пуск, работу, так и реверс двигателя.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известными из-за более высоких показателей надежности и энергоэффективности.