專利名稱：一種機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及教學(xué)用具，尤其是能用于教學(xué)演示又能實(shí)際驅(qū)動(dòng)小功率三相電機(jī)工作 的機(jī)械式三相逆變器模型。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速都是采用靜止式PWM變頻調(diào)速器，這種調(diào)速器的內(nèi) 部全部由靜止的電子器件構(gòu)成，因此，在功率變流技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程中不能用它來(lái)作教 學(xué)演示模型。由于功率變流技術(shù)所涉及的概念和過(guò)程分析相當(dāng)多，因此，教學(xué)方式即使采 用多媒體方式，學(xué)生仍感到難于掌握而希望有逆變?cè)砼c電子式相同但工作過(guò)程又能觀察 的機(jī)械式教學(xué)演示模型，由于現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品中沒(méi)有這種教學(xué)演示模型，所以學(xué)生們的這個(gè) 愿望一直難以實(shí)現(xiàn)。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為高校及職業(yè)學(xué)校的功率變流技術(shù)課程教學(xué)提供一種機(jī)械式教 學(xué)演示模型，該模型不僅能用三個(gè)220伏150 200瓦的燈泡為負(fù)載輸出緩慢變化的三 相對(duì)稱正弦波供教學(xué)觀察，還能直接用于400瓦以下小功率三相異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。
本實(shí)用新型技術(shù)方案為由直流恒壓源、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、濾波電路、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式 逆變器、機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和換向火花消除裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、 傘輪三者同軸剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與靠輪、電刷Q2剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，直流'恒 壓源的正極與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷Q1電連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷Q2與濾波電 路的輸入端電連接，濾波電路的正負(fù)輸出端分別與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器直流母線的正負(fù)端電 連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的a、 b、 c三個(gè)輸出端分別與換向火花消除裝置的a、 b、 c三個(gè) 輸入端以及負(fù)載的三個(gè)輸入端并聯(lián)連接。機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能保證斬波器的調(diào)壓電刷和逆 變器的靠輪同步軸向移動(dòng)，從而保證系統(tǒng)的U/f值不變。逆變過(guò)程產(chǎn)生的電火花由并聯(lián)在 逆變電路上的電火花消除電路消除。
本實(shí)用新型與教學(xué)掛圖配合進(jìn)行演示，用三個(gè)150 200瓦燈泡作為負(fù)載，利用這三 個(gè)燈泡的亮暗變化規(guī)律即可清楚地看出逆變過(guò)程三相輸出電壓之間的對(duì)稱變化關(guān)系。同時(shí) 對(duì)理解U/f恒定的原理一目了然。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明
圖l為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式四齒結(jié)構(gòu)斬波器結(jié)構(gòu)圖，其中圖la為整體結(jié)構(gòu)圖，圖lb 為展開(kāi)圖。
圖2為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式斬波器的電路原理圖。 圖3為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式斬波器的輸出電壓波形圖。
圖4為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式二極結(jié)構(gòu)逆變器結(jié)構(gòu)圖，其中圖4a為整體結(jié)構(gòu)圖，圖4b 為展開(kāi)圖。
圖5為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式逆變器的電路原理圖。 圖6為本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)式逆變器的分時(shí)間展開(kāi)圖和輸出電壓波形圖。 圖7為本實(shí)用新型的全系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。 圖8為本實(shí)用新型的全系統(tǒng)的電路原理圖。 圖9為本實(shí)用新型的換向火花消除電路原理圖。


圖10為本實(shí)用新型的逆變主回路的橋式等效電路。
具體實(shí)施方式
1. 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的實(shí)施
圖la為四齒結(jié)構(gòu)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的整體結(jié)構(gòu)圖，圖lb為其展開(kāi)圖。圖中A為用 絕緣材料制成的園柱形轉(zhuǎn)軸，在其表面固定有和滑環(huán)/^聯(lián)成一體的金屬齒狀斬波片B，在 滑環(huán)的表面有固定電刷0與其相接，在齒狀斬波片的表面，有一個(gè)可在區(qū)間丄。~丄2上前 后軸向移動(dòng)的電刷込與其相接，Y為斬波器的轉(zhuǎn)軸。
圖2為斬波器電路原理圖。圖中E為直流電源，ZB為畫成結(jié)構(gòu)示意圖形式的斬波器， D為單相(或三相)異步電動(dòng)機(jī)，^為負(fù)載。工作時(shí)，D以固定的轉(zhuǎn)速"帶動(dòng)ZB旋轉(zhuǎn)，這時(shí)， E通過(guò)込、/^向斬波片供電，由于0位置固定，而込可在斬波片的長(zhǎng)度區(qū)間丄。~丄2上
前后軸向移動(dòng)，不難理解，這是一個(gè)輸出頻率不變而脈沖占空比可調(diào)的可變脈寬斬波電路。 圖3畫出了込在斬波片的齒根部位丄2、齒中部位A、和齒尖部位Z。時(shí)的輸出電壓波形圖，
如圖3中的五'、￡"、五"'所示。通過(guò)輸出波形容易看出，斬波器的輸出電壓平均值在電源 電壓五和接近于零之間連續(xù)可調(diào)。
2. 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的實(shí)施
圖4a為二極結(jié)構(gòu)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的整體結(jié)構(gòu)圖，圖4b為其展開(kāi)圖。圖中F為用
絕緣材料制成的園柱形轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸的表面相向位置上固定有兩個(gè)與端滑環(huán)z/p、 // 連成
一體的換向片"p、 A，在&、 /^的表面各有一個(gè)固定位置的電刷gp、么與其相接，
這兩個(gè)電刷就是逆變器的直流母線端，在逆變器的中間位置，有三個(gè)電刷g。、 a、 a以
互差120G角的形式固定在逆變器的表面，這三個(gè)電刷就是逆變器的三相輸出端。逆變器工 作時(shí)，由可變速度的機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，z為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的軸和軸承。
圖5為逆變器的電路原理圖。圖中，可調(diào)電壓的直流電源A通過(guò)0p、 a和H" A
向zv D"共電，Y形接法的三個(gè)負(fù)載電阻及，、/ s、 / c分別接在a、 a、 a上，另外，
設(shè)外部的驅(qū)動(dòng)裝置己在工作(圖中未畫出)，轉(zhuǎn)速為s 。
為方便對(duì)逆變器進(jìn)行定量說(shuō)明，將逆變器的D" Z)"和0。、込、込再改畫成圖6的
分時(shí)間展開(kāi)圖。從圖中可以看出，在/。 、期間，換向器處于^行的位置，此時(shí)，a處于 換向位置，込與負(fù)極換向片相聯(lián)，込則與正極換向片相聯(lián)；至化 /2期間，換向器旋轉(zhuǎn)到
^行的位置，此時(shí)，g。和込與正極換向片相接觸，込仍和負(fù)極換向片相聯(lián)；/2 ^期間，
換向器的位置如圖中&行所示，此時(shí)&和a不變，込換向……，利用電路分壓原理可直
接畫出如圖6所示的三相輸出電壓波形。從圖中可看出三相電壓波形均為與正弦波近似的 12階梯波，且在相位上相差1200。用同樣的方法很容易證明，負(fù)載電阻i ,、 i^、 i e接 成厶聯(lián)接時(shí)，三個(gè)負(fù)載上的電壓波仍與正弦波近似，且相位差仍為120°。 3.機(jī)械部分的整體實(shí)施
圖7為全系統(tǒng)的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖。圖中D為單相(或三相)異步電動(dòng)機(jī)；ZB為斬波器， 與ZB相聯(lián)的兩個(gè)電刷中，^為系統(tǒng)電源的輸入端，而込則為斬波后的脈動(dòng)直流電壓輸出 端因而稱其為調(diào)壓電刷。與D、 ZB同軸剛性聯(lián)接的SL是一個(gè)用金屬加工而成的傘形主動(dòng) 輪，其在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè) 一是與從動(dòng)輪KL 一起組成動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，向逆變器提供 工作時(shí)所需的動(dòng)力；二是配合本調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速操作機(jī)構(gòu)LD以線性比例的方式同時(shí)調(diào)節(jié)
電刷込和KL的軸向位置，使系統(tǒng)的交流輸出電壓保持比值^為恒定值。KL為半徑固定
的橡膠靠輪，其轉(zhuǎn)軸HJ是一根可軸向靈活移動(dòng)的花鍵，當(dāng)KL緊靠傘輪SL旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò) 花鍵帶動(dòng)逆變器YB旋轉(zhuǎn)。當(dāng)KL在操作機(jī)構(gòu)LD的作用下沿其軸向移時(shí)，將因SL與KL之 間的作用半徑發(fā)生變化而使逆變器的轉(zhuǎn)速發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。圖中，0p、 a分別為逆變器 直流母線電源的正負(fù)極輸入電刷；Q為輸出電刷的環(huán)形絕緣支架，變頻輸出電刷g。、込、 "以互差120°電角度的形式固定在該支架上。
4.機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)施
整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)要最終完成變頻的功能，機(jī)械部分還必須有相應(yīng)的電路配合才能完成， 兩者配合以后的電路原理圖如圖8所示(圖中將斬波器和逆變器均以簡(jiǎn)化符號(hào)的形式畫 出)。下面，結(jié)合圖7、圖8來(lái)說(shuō)明其整機(jī)工作原理首先，在系統(tǒng)主電源開(kāi)關(guān)K合上之前， 操作機(jī)構(gòu)LD通過(guò)鎖定裝置將KL和込分別鎖定在變頻輸出頻率的最低位置￡'。和￡。上，這 時(shí)，D啟動(dòng)并帶動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，延時(shí)幾秒后開(kāi)關(guān)K合上，系統(tǒng)得電并且各單元電路開(kāi)始工作； 首先ZB向電路輸出幅度等于電源電壓而脈寬很窄的矩形波電壓，這種波形的電壓經(jīng)濾波 電路濾去脈動(dòng)成份后在電容器C兩端得到了平滑的直流電壓，該電壓加到逆變器的母線電 壓輸入電刷g,、 g"上，此時(shí)，由于KL處于SL的下部小直徑的位置，因此，由其所帶動(dòng) 的逆變器只能以很低的速度旋轉(zhuǎn)，從而&、込、込只能向外電路輸出幅值和頻率均很低 的交流電壓，使負(fù)載電機(jī)A/以最低速度啟動(dòng)；然后，通過(guò)系統(tǒng)的速度操作機(jī)構(gòu)LD將込和 KL向上朝丄2和丄2的方向移動(dòng)，根據(jù)圖7的工作原理可知，斬波器輸出的電壓波形中脈沖 占空比將上升，從而導(dǎo)致C兩端的電壓上升，以此同時(shí)，KL的轉(zhuǎn)速也因其位置的上升而上 升，最終的結(jié)果是變頻輸出電壓的幅值和頻率均上升；如果通過(guò)速度操作機(jī)構(gòu)LD將電刷込 和靠輪KL向上移到最高的丄'2和丄2位置，這時(shí)變頻輸出電壓的幅值和頻率也將上升到最大 的數(shù)值。通過(guò)對(duì)該裝置工作過(guò)程的分析和理論推導(dǎo)均表明，在KL的直徑不變條件下，如
傘輪的縱向?qū)ΨQ切面為等腰三角形的話，則系統(tǒng)變頻輸出電壓的幅值和頻率之比恒定。
5.火花消除電路的實(shí)施
本實(shí)用新型中，由于在結(jié)構(gòu)上采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器和機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器來(lái)作為主回 路的功率開(kāi)關(guān)元件，由于有機(jī)械接觸，所以，在向感應(yīng)電機(jī)等感性負(fù)載供電時(shí)，存在開(kāi)關(guān) 火花的問(wèn)題。因此，系統(tǒng)采用專門的開(kāi)關(guān)火花消除裝置來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
在斬波電路中，開(kāi)關(guān)火花的問(wèn)題比逆變電路要小得多，所以不加專門的火花消除電路。 這樣，本系統(tǒng)的火花消除裝置就主要集中在解決逆變電路部分。
圖9所示為逆變電路的換向火花消除電路，圖中D1 D6、 C1 C6分別為續(xù)流二極管 和換向電容。為便于說(shuō)明，將圖6所示的逆變主回路根據(jù)等效原理畫成如圖IO所示的橋 式等效電路。此外，將負(fù)載也畫成感性負(fù)載形式。圖中K1 K6即為逆變器中由換向器和^。、 込、込組成的模擬開(kāi)關(guān)。參照?qǐng)D6的逆變過(guò)程圖，取圖中/23行即/2 ^3期間，込從電源正極換向到電源負(fù)極的過(guò)程來(lái)說(shuō)明火花消除電路的工作原理先看圖中的/ 2行，即時(shí)
間A /2期間，a、込同時(shí)與正極換向片相接，込則與負(fù)極換向片相接，這一過(guò)程用橋 式等效電路來(lái)表示為模擬開(kāi)關(guān)K1、K5和K4閉合，因此有電流/一 /。經(jīng)K1、K5同時(shí)流入 點(diǎn)，然后再經(jīng)K4流回電源。到^ ^期間，Q。、込與換向器的聯(lián)接方式不變，而込脫離 正極換向片進(jìn)入了中間的換向區(qū)，這一過(guò)程表現(xiàn)在橋式等效電路中為模擬開(kāi)關(guān)Kl、 K4仍 閉合，而K5則從閉合轉(zhuǎn)換為斷開(kāi)，在K5從閉合轉(zhuǎn)換為斷開(kāi)的瞬間由于負(fù)載為感性，所以 電流4必須連續(xù)，在這里由電容C5、 C6來(lái)提供K5斷開(kāi)后的電流。這是因?yàn)镵5斷開(kāi)前 的狀態(tài)是K5閉合、K6斷開(kāi)，所以C5的端電壓因K5閉合短路而為0，而C6的端電壓因 K6斷開(kāi)而充電到了電源電壓，這樣，在K5從閉合轉(zhuǎn)換為斷開(kāi)的瞬間，Q點(diǎn)的電位由于C5、 C6的存在而不會(huì)出現(xiàn)突跳而發(fā)生火花，然后C6開(kāi)始對(duì)負(fù)載放電的同時(shí)C5亦經(jīng)負(fù)載由電源 對(duì)其充電。(這兩個(gè)電流^ 、 /^的路線見(jiàn)附圖中的虛線)，充放電的結(jié)果導(dǎo)致Q點(diǎn)電位 緩慢下降，最后，在C5的端電壓充電到電源電壓的同時(shí)，C6的端電壓因放電完畢而達(dá)到 了0，這樣，充放電過(guò)程結(jié)束，這時(shí)，負(fù)載中的感性電流將通過(guò)D6和K4形成閉合回路繼 續(xù)流動(dòng)(該電流/。6的流動(dòng)路線見(jiàn)
圖10中的點(diǎn)劃線)。這種狀態(tài)一直維持到^時(shí)刻込與負(fù) 極換向片接觸，此時(shí)，由于C6已放電完畢，故K6兩端的電壓值為0，所以，K6閉合時(shí)不 會(huì)出現(xiàn)火花，到此，電刷込的換向過(guò)程結(jié)束。實(shí)踐證明，該電路對(duì)換向火花的消除效果是 比較好的。根據(jù)同樣的工作原理還可以證明，用三個(gè)無(wú)極性電容器接成Y形或A形，然后 并聯(lián)在系統(tǒng)的輸出端，同樣可達(dá)到消除換向火花的作用。
權(quán)利要求1、一種機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型，其特征在于由直流恒壓源、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、濾波電路、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器、機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和換向火花消除裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、傘輪三者同軸剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與靠輪、電刷Q2剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，直流恒壓源的正極與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷(Q1)電連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷Q2與濾波電路的輸入端電連接，濾波電路的正負(fù)輸出端分別與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器直流母線的正負(fù)端電連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的a、b、c三個(gè)輸出端分別與換向火花消除裝置的a、b、c三個(gè)輸入端以及負(fù)載的三個(gè)輸入端并聯(lián)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型，其特征在于其中的機(jī)械旋 轉(zhuǎn)式斬波器由絕緣的園柱形轉(zhuǎn)軸、紫銅滑環(huán)、紫銅齒狀斬波片、電刷Ql、 Q2以及軸和軸 承組成，紫銅滑環(huán)和齒狀斬波片連成一體并固定在絕緣的園柱形轉(zhuǎn)軸上，園柱形轉(zhuǎn)軸連接 不調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，電刷Q1固定與滑環(huán)電連接，電刷Q2與紫銅齒狀斬波片電連接， 電刷Ql為系統(tǒng)電源的輸入端，Q2為斬波電壓輸出端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型，其特征在于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆 變器由傘輪、靠輪、花鍵軸、絕緣的園柱形轉(zhuǎn)軸、端部滑環(huán)、弧形換向片、以及電刷和刷 架、軸和軸承組成，其中靠輪與花鍵剛性聯(lián)結(jié)，花鍵與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器滑動(dòng)式同軸安裝， 靠輪外圓與傘輪表面緊密相靠，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的端部滑環(huán)和正負(fù)極弧形換向片分別聯(lián) 為一體，它們被相向地固定在可繞軸旋轉(zhuǎn)的絕緣轉(zhuǎn)軸上，電刷Qp、 Qn在固定位置與端部 滑環(huán)Hp、 Hn分別相連，其中電刷Qp為電源正極輸入端，電刷Qn為電源負(fù)極輸入端，電 刷Qa、 Qb、 Qc以互差12(^角固定在紫銅弧形換向片Dp、 Dn的表面上方，三個(gè)電刷為逆變 電壓的輸出端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型，其特征在于電火花消除電 路以三相橋式電路的聯(lián)接方式并聯(lián)在逆變電路的直流母線電源和三個(gè)交流輸出端上，其中 每個(gè)橋臂由續(xù)流二極管和電容器并聯(lián)組成或在橋臂中只用二極管而將三個(gè)無(wú)極性電容聯(lián) 接為Y型或A后并聯(lián)在輸出端。
專利摘要本實(shí)用新型是一種機(jī)械式三相逆變器教學(xué)模型。由直流恒壓源、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、濾波電路、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器、機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和換向火花消除裝置組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器、傘輪三者同軸剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，機(jī)械聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與靠輪、電刷Q2剛性機(jī)械聯(lián)結(jié)，直流恒壓源的正極與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷(Q1)電連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式斬波器的電刷Q2與濾波電路的輸入端電連接，濾波電路的正負(fù)輸出端分別與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器直流母線的正負(fù)端電連接，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的a、b、c三個(gè)輸出端分別與換向火花消除裝置的a、b、c三個(gè)輸入端以及負(fù)載的三個(gè)輸入端并聯(lián)連接。本實(shí)用新型與教學(xué)掛圖配合進(jìn)行演示，用三個(gè)150～200瓦燈泡作為負(fù)載，利用這三個(gè)燈泡的亮暗變化規(guī)律即可清楚地看出逆變過(guò)程三相輸出電壓之間的對(duì)稱變化關(guān)系。同時(shí)對(duì)理解U/f恒定的原理一目了然。
文檔編號(hào)G09B23/18GK201185053SQ20082008108
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者春 何, 誠(chéng) 盧, 李彬華, 邵建龍, 金建輝 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)