專利名稱：一種動態(tài)的變頻變流的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及一種動態(tài)的變頻變流的方法及其裝置，特別是涉及一種用換向器將直流變成交流或將交流變成直流的方法和實現(xiàn)該方法的裝置。
目前大量使用的變流裝置是采用晶閘管或可控硅等半導體器件構成的。雖然這種變流裝置已可滿足大部分復雜的變頻變流的要求，但一般說來，當技術指標越復雜，容量要求越高以及穩(wěn)定性要求越苛刻的變流裝置，其對于主要元件，即昌閘管的技術要求相應地就越高。除此以外，采用大容量晶閘管器件構成的變流裝置也變得越來越復雜，造價相繼上漲。
在美國專利US2493354中公開了一種動態(tài)的變流裝置，它是用轉動的觸點來進行換流的。很明顯這變流裝置是很復雜的，由于觸點在轉動所以工作起來也是不可靠的。
本發(fā)明的目的在于力圖從根本上克服現(xiàn)有技術中的不足，而提供一種利用轉動的換向器來變頻變流的方法，同時也提供了一種根據(jù)該方法產(chǎn)生的變頻變流裝置。
上述的發(fā)明目的是通過下述的方法來解決的，該方法是通過換向器電刷，換向器，集電環(huán)，集電環(huán)電刷，變壓器和原動機等主要構件來進行換流的，其具體步驟是第一步通過換向器的電刷把直流電源一端輸入給轉動的換向器，由轉動的換向片把平穩(wěn)的直流電轉換成矩形波直流電;
第二步把換向片輸出的矩形波直流電輸入給與換向片分別連接且與換向器同軸轉動的集電環(huán)，轉動的集電環(huán)將矩形波直流電輸入給與集電環(huán)對應的集電環(huán)電刷;
第三步由兩組集電環(huán)電刷來分別改變輸入變壓器的兩組初級繞組的電流方向和電位;
第四步由變壓器的兩組初級繞組兩端分別產(chǎn)生大小相等、方向相反脈動直流電壓;
第五步通過變壓器磁耦合在次級繞組的兩端產(chǎn)生交流電壓。
變壓器次級繞組輸出的交流電的頻率是通過調整換向器的轉速來改變。通過增加或減少換向器的換向片，以及與其對應的每組集電環(huán)及電刷的數(shù)目，增加或減少變壓器的兩組初級繞組的抽頭數(shù)目，同時增加或減少其他附件，可以在變壓器兩組初級繞組上分別產(chǎn)生一階、二階、三階……的矩形波的迭加波。在變壓器的兩組初級繞組的兩端分別并聯(lián)一定容量的電容器，即可在變壓器的兩組初級繞組的兩端分別產(chǎn)生平滑的脈動直流電壓，在變壓器的次級繞組兩端產(chǎn)生平滑的交流電。
在換向器轉速一定的條件下，增加換向器換向片的組數(shù)，在變壓器的次組繞組的兩端輸出的交流電的頻率隨著提高。
在整流時則是換向器的換向點與同步電機的極靴的中點重合，用與交流電源同步的電機來拖動換向器軸轉動后，在變壓器的次組繞組的兩端輸入其交流電源，在變壓器的初級繞組的公共端和換向器的電刷上產(chǎn)生脈動的直流電壓，通過調整集電環(huán)電刷與變壓器初級繞組的接法，在變壓器的兩組初級繞組的公共端和換向器的電刷上產(chǎn)生斬波的直流電壓。
將多組換向器和與其相對應的集電環(huán)放置在同一根軸上，換向器電刷分別通入同一直流電源，通過改變各換向器的換向點，在它們組合的變壓器的輸出端可產(chǎn)生任意相位差的多相交流電。
本發(fā)明的目的也通過下述的一種動態(tài)的變頻變流裝置得以實現(xiàn)。該動態(tài)的變頻變流裝置包括直流電源，原動機，換向器電刷，換向器，甲組和乙組集電環(huán)，甲組和乙組集電環(huán)電刷，變壓器初級繞組L1和L2，變壓器次組繞組L3，和交流負載。其中直流電源的一個極與換向器電刷的輸入端相連，換向器電刷的輸出端與換向器的輸入端相連，換向器的2n組輸出端分別與甲組集電環(huán)和乙組集電環(huán)的輸入端相連，一個原動機同時帶動換向器，甲組集電環(huán)和乙組集電環(huán)轉動，甲組集電環(huán)的輸出端與對應的甲組集電環(huán)電刷的輸入端相連，甲組集電環(huán)電刷的輸出端分別與變壓器初級繞組L1的輸入端相連，乙組集電環(huán)的輸出端與對應的乙組集電環(huán)電刷的輸入端相連，乙組集電環(huán)電刷的輸出端分別與變壓器初級繞組L2的輸入端相連，初級繞組L1和L2的輸出端各串聯(lián)一只二級管后聯(lián)接在一起與直流電源的另一極相連，變壓器初級繞組L1和L2分別通過磁耦合與變壓器次級繞組L3相聯(lián)，變壓器次級繞組L3的兩端輸出供給負載的交流電壓。上述換向器是由偶數(shù)組換向片組成的。
本發(fā)明的變頻變流裝置具有自換相逆變器和外部換相逆變器的許多優(yōu)點，它可以獲得任意相位差的多相交流電，任意階次波迭加的脈動直流電，任意頻率的交流電和任意波形的交流電。
下面將結合


通過實施例的形式更詳細地描述本發(fā)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)的變頻變流裝置的A相變流器的電路方框圖(B相和C相、D相等多相結構與A相相同);
圖2是根據(jù)本發(fā)明的變頻變流裝置中的一個具體的電路圖;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的變頻變流裝置中的一種換向器的立體圖;
圖4是圖3所示換向器的頂視圖;
圖5是根據(jù)本發(fā)明變頻變流裝置中的另一種換向器的立體圖;
圖6是圖5所示換向器的徑向截面圖;
圖7是與換向器配合使用的一種集電環(huán)的截面圖;
圖8是與換向器配合使用的另一種集電環(huán)的截面圖;
圖9是本發(fā)明的變頻變流裝置可輸出五種電壓波形的波形圖;
在圖1所示的動態(tài)變頻變流裝置的電路方框圖僅僅是對多相變流裝置的A相進行了描述，而其他各相的電路結構與A相完全相同，只是換向時刻較A相分別晚 (2π)/(x) (x＞1)。為了簡單清楚起見，在此只對A相進行描述。
在圖1所示的動態(tài)變頻變流裝置中包括了直流電源1，換向器電刷2，換向器3，甲組和乙組集電環(huán)4和5，甲組和乙組集電環(huán)電刷6和7，變壓器初級繞組L18和L29(帶有二極管編號)，變壓器次級繞組L310，矩形波負載11，脈動直流負載12，交流負載13和原動機14。其中甲組集電環(huán)電刷6和乙組集電環(huán)電刷7在需要時可分別直接輸出矩形波電源以供給矩形波負載11，而變壓器初級繞組L18和L29在需要時可分別直接輸出脈動直流電源以供給脈動直流負載11。
上述換向器(3)的換向片是在一個水平圓盤上布置，換向片之間是相互絕緣的，另外，換向器(3)的換向片也可以是在一個圓柱體的圓周表面上布置的。變壓器初級繞組是通過把繞組的中心抽頭斷開，將其分成兩個對稱的初級繞組L18和L29，繞組L18和L29的電抗是相等的，而且在繞組L18和L29上對稱的抽頭對于公共端的電抗也是相等的。將多組換向器和與其相對應的集電環(huán)設置在同一根軸上，改變換向器相互之間的換向點，在各換向器電刷上通入同一直流電源，即在組合的變壓器的輸出端可產(chǎn)生任意相位差的多相交流電。
圖2也是本發(fā)明的一種變頻變流裝置，是其中A相的具體電路圖，在圖中U是直流電源，2是換向器的電刷，15是換向器上換向片的展開圖，在展開圖上A1至A24是主換向片，K1至K4是過渡換向片，其A1至A12是正半周主換向片，A13至A24是負半周主換向片。K1和K3是負半周過渡換向片，而K2和K4是正半周過渡換向片，換向片之間是絕緣的。換向片A1至A24和K1至K4分別與對應的集電環(huán)B1至B12和K1′至K4′連接，其中換向片A1和A12與集電環(huán)B1連接，換向片A2和A11與集電環(huán)B2連接，換向片A3和A10與集電環(huán)B3連接，換向片A4和A9與集電環(huán)B4連接，換向片A5和A8與集電環(huán)B5連接，換向片A6和A7與集電環(huán)B6連接。負半周主換向片A13至A24與集電環(huán)B7至B12的連接同上述規(guī)則相同，因此不再描述。集電環(huán)B1至B12，K1′至K4′分別與各自的集電環(huán)電刷F1至F12和FK1至FK4連接。其B1和B7是特殊集電環(huán)。甲組正半周集電環(huán)電刷F1至F6分別與對應的變壓器初級繞組L1的抽頭E1至E6連接，而乙組負半周集電環(huán)電刷F7至F12分別與對應的變壓器初級繞組L2的抽頭E7至E12連接。集電環(huán)電刷FK1通過串接一個由電阻R1和電容C5并聯(lián)組成的支路與集電環(huán)電刷F7連接，集電環(huán)電刷FK2通過串接一個由電阻R2和電容C6并聯(lián)組成的支路與集電環(huán)電刷F1相連，集電環(huán)電刷FK3通過串接一個由電阻R3和電容C7并聯(lián)組成的支路也與集電環(huán)電刷F7連接，而集電環(huán)電刷FK4通過串接一個由電阻R4和電容C8并聯(lián)的支路也與集電環(huán)電刷F1連接。在變壓器初級繞組L1和L2的兩個端部分接頭上E1和B之間及E7和A之間分別有電容器C1和C2。在變壓器初級繞組L1的B端接有一個二極管D1的陰極，在L2的A端接有一個二極管D2的陰極，二極管D1和D2的陽極相連并與直流電源U的正端相連。在變壓器次級繞組L3的輸出端上并聯(lián)有一個電容C3。
對上述的變壓器L是特殊的變壓器，繞制中布置L1和L2之間的絕緣，其強度必須達到2U(U是指L1輸入直流電壓)不擊穿，為了減輕絕緣強度，往往是繞組L2以細線順時針向粗線繞，而繞組L1則以粗線逆時針向細線繞。而繞組L3的繞線方向不受限制，線匝和線經(jīng)按需要選定。
在圖3和圖4所示了一種換向器，該換向器上包括了一個換向器軸16，金屬座17，絕緣環(huán)18，換向器的換向片(A1-24)19，換向器間絕緣體20，過渡換向片(K1-K4)21，特殊絕緣體22，換向點絕緣體23。從圖3中可以清楚看出這種換向器的換向片A1-24和K1-4是在一個水平圓盤的平面上布置。
在圖5和圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種換向器，這種換向器的換向片是在一個圓柱體的圓周表面上布置，它與常規(guī)的換向器相似。這種換向器的組成結構與圖3和圖4所示換向器的組成結構是完全一樣的，因此在這里不再詳細說明。
圖7所示的是與換向器配合使用的一種特殊的集電環(huán)，該集電環(huán)包括換向器軸16，集電環(huán)金屬24，絕緣體25，集電環(huán)導體26，特殊絕緣體27。
圖8是與換向器配合作用的另一種特殊集電環(huán)，該集電環(huán)的組成部分與圖7所示的集電環(huán)是完全一樣的，唯一不同的是圖8所示的集電環(huán)在安裝時與圖7所示的集電環(huán)的安裝位置相差180°。
使用圖7和圖8所示特殊集電環(huán)，使集電環(huán)電刷對集電環(huán)延時通電，減小換向器電刷對換向片的放電間隙，降低火花等級，保護了換向片。
圖9是本發(fā)明的變頻變流裝置輸出的五種電壓波形的波形圖。圖9A是換向器的換向片輸出的矩形波電壓圖。當換向器的電刷在換向器上的弧長小于換向片之間絕緣體的弧長時，該矩形波是間斷的。圖9B是變壓器的兩組初級繞組L1和L2的兩端輸出的脈動直流電壓波形圖。圖9C是變壓器的次級繞組L3兩端輸出的交流電壓波形圖。圖9D是變壓器的初級繞組的公共端與換向器電刷之間輸出的整流電壓波形圖。圖9E通過調整集電環(huán)電刷的輸出后在變壓器的初級繞組L1和L2的公共端和換向器電刷之間輸出的直流斬波圖。
這些電壓波形圖是換向器電刷在換向器上的弧長大于主換向片之間絕緣體的弧長，而小于過渡換向片K1和K2之間的絕緣體的弧長時得到的波形圖。
上面僅僅是描述了本發(fā)明的一個實施組，根據(jù)本發(fā)明的方法，可以對動態(tài)的變頻變流裝置進行變型，各種變型均屬于本發(fā)明的保護范圍之內，本發(fā)明的保護范圍將通過所附的權利要求加以限定。
權利要求
1.一種動態(tài)的變頻變流的方法，該方法是通過換向器電刷，換向器，集電環(huán)，集電環(huán)電刷，變壓器和原動機來進行換流的，該方法的特征是第一步通過換向器的電刷把直流電源一端輸入給轉動的換向器，由轉動的換向片把直流電轉換成矩形波直流電；第二步把換向片輸出的矩形波直流電輸入給與換向片分別連接且與換向器同軸轉動的集電環(huán)，轉動的集電環(huán)將矩形波直流電輸入給與集電環(huán)對應的集電環(huán)電刷；第三步由兩組集電環(huán)電刷來分別改變輸入變壓器的兩組初級繞組的電流方向和電位；第四步由變壓器的兩組初級繞組兩端分別產(chǎn)生脈動直流電壓；第五步通過變壓器磁耦合在次級繞組的兩端產(chǎn)生交流電壓。
2.權利要求1所述的變頻變流的方法，其特征在于變壓器次級繞組輸出的交流電的頻率是通過調整換向器的轉速來改變。
3.根據(jù)權利要求1所述的變頻變流的方法，其特征是通過增加或減少換向器上的每組換向片數(shù)目，以及與其對應的每組集電環(huán)及電刷的數(shù)目，增加或減少變壓器的兩組初級繞組的抽頭數(shù)目，可以在變壓器兩組初級繞組上分別產(chǎn)生一階、二階、三階等多階矩形波的迭加波，在變壓器的兩組初級繞組的兩端分別并聯(lián)一定容量的電容器，即可在變壓器的兩組初級繞組的兩端分別產(chǎn)生脈動直流電壓，在變壓器的次級繞組兩端產(chǎn)生的交流電壓。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的變頻變流的方法，其特征是在換向轉速一定的條件下，增加換向器換向片的組數(shù)，在變壓器的次組繞組的兩端輸出的交流電的頻率隨著提高。
5.根據(jù)權利要求1或3所述的變頻變流的方法，其特征是整流時則是用與交流電源同步的電機來拖帶換向器軸轉動，換向器的換向點與同步電機的極靴的中點重合，在變壓器的次級繞組兩端輸入交流電源，在變壓器兩組初級繞組的公共端和換向器的電刷上產(chǎn)生脈動的直流電壓。
6.根據(jù)權利要求5所述的變頻變流的方法，其特征在于通過調整集電環(huán)電刷的個數(shù)，在變壓器的兩組初級繞組的公共端和換向器的電刷上產(chǎn)生斬波的直流電壓。
7.根據(jù)權利要求1或3所述的變頻變流的方法，其特征是將多組換向器和與其相對應的集電環(huán)放置在同一根軸上，改變各換向器的換向點，在其組合變壓器的輸出端可產(chǎn)生任意相位差的多相交流電。
8.一種動態(tài)的變頻變流裝置，它包括直流電源(1)，原動機(14)，換向器電刷(2)，換向器(3)，甲組集電環(huán)(4)，乙組集電環(huán)(5)，甲組集電環(huán)電刷(6)，乙組集電環(huán)電刷(7)，變壓器初級繞組L1(8)、變壓器初級繞組L2(9)，變壓器次組繞組L3(10)，和交流負載(13)，其特征是直流電源(1)的一個極與換向器電刷(2)的輸入端相連，換向器電刷(2)的輸出端與換向器(3)的輸入端相連，換向器(3)的2n組(n＞1)輸出端分別與甲組集電環(huán)(4)和乙組集電環(huán)(5)的輸入端相連，一個原動機(14)同時帶動換向器(3)，甲組集電環(huán)(4)和乙組集電環(huán)(5)轉動，甲組集電環(huán)4的輸出端與甲組集電環(huán)電刷(6)的輸入端相連，甲組集電環(huán)電刷(6)的輸出端分別與變壓器初級繞組L1(8)的輸入端相連，乙組集電環(huán)(5)的輸出端與乙組集電環(huán)電刷(7)的輸入端相連，乙組集電環(huán)電刷(7)的輸出端分別與變壓器初級繞組L2(9)的輸入端相連，變壓器初級繞組L1(8)和L2(9)的輸出端分別串聯(lián)二極管后，聯(lián)接起來的公共端與直流電源的另一極聯(lián)接。繞組L1和L2分別通過磁耦合與變壓器次級繞組L3(10)相聯(lián)，變壓器次級繞組L3(10)的輸出端供給負載(13)交流電壓。
9.根據(jù)權利要求8所述的變頻變流的裝置，其特征在于所述換向器(3)的換向片是在一個圓盤的平面上布置的，換向片之間相互絕緣。
10.根據(jù)權利要求8所述的變頻變流的裝置，其特征在于所述換向器(3)的換向片是在一個圓柱體的圓周表面上布置的，換向片之間相互絕緣。
11.根據(jù)權利要求8所述的變頻變流的裝置，其特征在于變壓器初級繞組是通過一個斷開的中心抽頭，把初級繞組分成兩個對稱的初級繞組L1(8)和L2(9)斷開的兩端各串聯(lián)一個二極管后，聯(lián)接在一起的公共端接直流電源的另一極繞組L1(8)和L2(9)的電抗是相等的，而且在繞組L1(8)和L2(9)上對稱的抽頭對于公共端的電抗也是相等的。
12.根據(jù)權利要求8所述的變頻變流裝置，其特征在于將多組換向器和與其相對應的集電環(huán)設置在同一根軸上，改變換向器相互之間的換向點，即在組合的變壓器的輸出端可產(chǎn)生任意相位差的多相交流電。
13.根據(jù)權利要求8所述的變頻變流的裝置，其特征在于甲組集電環(huán)中和乙組集電環(huán)中各有一個特殊集電環(huán)，特殊集電環(huán)延時對過渡換向片通電，延時 (2π)/(Y) (360＞Y＞180)對過渡換向片通電。
全文摘要
本發(fā)明是涉及一種動態(tài)的變頻變流的方法和裝置，該方法是通過換向器電刷，轉動的換向器，轉動的集電環(huán)，集電環(huán)和特殊的變壓器將直流電源可分別變換成矩形波，脈動直流，交流電源，斬波的直流電源，通過調節(jié)換向器的轉速可以改變交流輸出電源的頻率。該動態(tài)的變頻變流的裝置具有自換相和外部換相的逆變器的許多優(yōu)點，通過增加換向器及換向器電刷、集電環(huán)及電刷、變壓器等設備的數(shù)目，該裝置可以分別輸出二相、三相、四相等多相相位不同的交流電。
文檔編號H02M3/16GK1070520SQ92112728
公開日1993年3月31日 申請日期1992年11月9日 優(yōu)先權日1992年11月9日
發(fā)明者王東奎, 王登峰 申請人:王東奎