本發(fā)明涉及機械電子混合逆變器的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及機電混合無弧換向的多相逆變器。

背景技術(shù)：

目前，常用逆變器是通過電力電子開關(guān)器件組成逆變拓撲，再對開關(guān)器件的開通、關(guān)斷進行控制來實現(xiàn)的。逆變拓撲中的器件包括開通、關(guān)斷可控的主管和與主管反并聯(lián)的續(xù)流二極管，其中可控電力電子器件成本高昂且容量受限，同時由于需要復(fù)雜的控制，進一步提高了系統(tǒng)成本，降低了系統(tǒng)可靠性。傳統(tǒng)直流電機的機械換向裝置本質(zhì)上也是一個逆變器，但其幾乎不可避免的存在火花，且有可能產(chǎn)生電弧，同時還存在換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂等缺點。

中國發(fā)明專利CN1455511A“交流永磁電機的機械逆變裝置”提出了一種驅(qū)動交流永磁電機的機械逆變器，該逆變器將機械換向裝置中電刷、換向器和電子逆變器中二極管續(xù)流橋臂結(jié)合起來，不需要控制器和可控電力電子開關(guān)器件，并試圖解決傳統(tǒng)機械換向中存在的電弧和火花問題，但實際效果表明其難以抑制換向電弧和火花，而且這種逆變器中每相負載分別配備一個換向器，需要較多的換向片和二極管續(xù)流橋臂。

因此希望有一種機電混合無弧換向的多相逆變器可以克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機電混合無弧換向的多相逆變器來克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種機電混合無弧換向的多相逆變器，所述機電混合無弧換向的多相逆變器包括：換向電刷、換向器、輸出滑環(huán)和輸出電刷；換向電刷包括一個或多個換向片組，換向電刷之間以互差360°/m的機械角度相鄰，換向電刷全部負載共用一個換向器，每個換向片組由電源正極換向片、續(xù)流換向片Ⅰ、電源負極換向片和續(xù)流換向片Ⅱ構(gòu)成，電源正極換向片、續(xù)流換向片Ⅰ、電源負極換向片和續(xù)流換向片Ⅱ彼此之間通過云母片絕緣，按圓周排布成完整的360°電角度周期，占機械角度為360°/P，每個電源正極換向片、電源負極換向片的電角度為120°，機械角度為120°/P，每個續(xù)流換向片Ⅰ、續(xù)流換向片Ⅱ分別與其前后絕緣云母片電角度為60°，機械角度為60°/P。

優(yōu)選地，所述多相逆變器還包括一套或多套續(xù)流緩沖電路，其中每套續(xù)流緩沖電路包括一個緩沖電容和兩個續(xù)流橋臂，每個續(xù)流橋臂由三個二極管組成；電源正極換向片連接直流電源正極，電源負極換向片連接直流電源負極，續(xù)流換向片Ⅰ和續(xù)流換向片Ⅱ分別連接一個二極管續(xù)流橋臂的中點；電動機帶動所述換向電刷和輸出滑環(huán)同軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了所述換向電刷和換向器之間的相對滑動，從而將直流逆變?yōu)樗鰮Q向電刷上旋轉(zhuǎn)的m相交流，再通過所述輸出滑環(huán)和輸出電刷之間的相對滑動轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的m相交流；逆變器正常工作需滿足續(xù)流緩沖電路狀態(tài)唯一性、繞組不懸空和電容選擇原則。

優(yōu)選地，所述換向器、續(xù)流緩沖電路和所述輸出電刷固定連接，所述換向電刷和輸出滑環(huán)由同一個電動機帶動同軸旋轉(zhuǎn)，電動機帶動所述換向電刷和輸出滑環(huán)同軸旋轉(zhuǎn)，所述換向電刷和換向器之間的相對滑動將直流逆變?yōu)樗鰮Q向電刷上旋轉(zhuǎn)的多相交流，再通過所述輸出滑環(huán)和輸出電刷之間的相對滑動轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的多相交流。

優(yōu)選地，調(diào)節(jié)直流電源電壓即可調(diào)節(jié)輸出交流電壓，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)輸出交流頻率。

優(yōu)選地，所述逆變器正常工作需滿足續(xù)流緩沖電路狀態(tài)唯一性原則，為了保證續(xù)流緩沖電路工作狀態(tài)的唯一性，每套續(xù)流緩沖電路任意時刻最多只能與一相負載連接，包括：多相負載不會直接連接到同一續(xù)流換向片；多相負載不會通過同一續(xù)流橋臂連接的不同組續(xù)流換向片連接到該續(xù)流橋臂；多相負載不會通過同一套續(xù)流緩沖電路的不同續(xù)流橋臂連接到該套續(xù)流緩沖電路。

優(yōu)選地，所述逆變器正常工作需滿足負載不懸空原則，為了保證負載在完全脫離當(dāng)前換向片前能連接到下一換向片，即任意時刻無負載出現(xiàn)懸空狀態(tài)，換向電刷寬度需大于換向片間云母絕緣片寬度。

優(yōu)選地，所述續(xù)流緩沖電路續(xù)流過程中為了抑制起弧，所述換向電刷和電源換向片間電場強度應(yīng)低于門檻電場強度，給定一個最低的不起弧輸出交流頻率，對應(yīng)一個最低的電動機轉(zhuǎn)速，門檻電場強度乘以所述換向電刷在該轉(zhuǎn)速時的線速度即為不起弧電壓變化率，根據(jù)該電壓變化率來計算電容最小值，確保無電弧產(chǎn)生。最高轉(zhuǎn)速時，為確保續(xù)流過程在60°電角度的續(xù)流階段內(nèi)結(jié)束，電容需在此時間段內(nèi)放電完畢，根據(jù)該時間計算電容最大值。

優(yōu)選地，所述續(xù)流緩沖電路不需要可控開關(guān)器件，在不用調(diào)頻、調(diào)壓的工況下不需要控制器，所述續(xù)流緩沖電路保證了所述換向電刷、換向器、輸出滑環(huán)和輸出電刷不會產(chǎn)生換向電弧，并抑制換向火花。

本發(fā)明公開了一種機電混合無弧換向的多相逆變器，所述機電混合逆變器不需要可控開關(guān)器件，在不用調(diào)頻、調(diào)壓的工況下不需要控制器，節(jié)省了系統(tǒng)成本而且所述機電混合逆變器的續(xù)流緩沖電路保證了逆變器的機械部分不會產(chǎn)生換向電弧，并明顯抑制換向火花，所需換向片數(shù)量較少，換向器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，輸出交流的電壓、頻率調(diào)節(jié)方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是機械電子混合三相逆變器的電氣連接圖。

圖2是機械電子混合三相逆變器實施例的縱剖面構(gòu)造圖。

圖3是圖2的A--A剖視圖。

圖4是圖2中換向器2沿圓周方向的展開圖。

圖5是機械電子混合三相逆變器三相交流電流和續(xù)流緩沖電容電壓示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

在本發(fā)明一寬泛實施例中：機電混合無弧換向的多相逆變器，所述機電混合無弧換向的多相逆變器包括：換向電刷、換向器、輸出滑環(huán)和輸出電刷；換向電刷包括一個或多個換向片組，換向電刷之間以互差360°/m的機械角度相鄰，換向電刷全部負載共用一個換向器，每個換向片組由電源正極換向片、續(xù)流換向片Ⅰ、電源負極換向片和續(xù)流換向片Ⅱ構(gòu)成，電源正極換向片、續(xù)流換向片Ⅰ、電源負極換向片和續(xù)流換向片Ⅱ彼此之間通過云母片絕緣，按圓周排布成完整的360°電角度周期，占機械角度為360°/P，每個電源正極換向片、電源負極換向片的電角度為120°，機械角度為120°/P，每個續(xù)流換向片Ⅰ、續(xù)流換向片Ⅱ分別與其前后絕緣云母片電角度為60°，機械角度為60°/P。

對于m相逆變器，機械部分包含換向電刷、換向器、輸出滑環(huán)和輸出電刷，電子部分包含一套或多套續(xù)流緩沖電路。逆變器中，換向器、續(xù)流緩沖電路和輸出電刷固定，換向電刷和輸出滑環(huán)由一個電動機帶動同軸旋轉(zhuǎn)。

相鄰兩換向電刷互差360°/m機械角度。全部負載共用一個換向器，其包含P個換向片組，每個換向片組由電源正極換向片、續(xù)流換向片Ⅰ、電源負極換向片和續(xù)流換向片Ⅱ構(gòu)成，它們彼此之間通過云母片絕緣，按圓周排布成完整的360°電角度周期，所占機械角度為360°/P。每個電源正極換向片、電源負極換向片的電角度為120°，機械角度為120°/P，每個續(xù)流換向片Ⅰ、續(xù)流換向片Ⅱ加上其前后絕緣云母片電角度為60°，機械角度為60°/P。換向裝置的電子部分包含一套或多套續(xù)流緩沖電路，其中每套續(xù)流緩沖電路包括一個緩沖電容和兩個續(xù)流橋臂，每個續(xù)流橋臂由三個二極管組成。電源正極換向片連接直流電源正極，電源負極換向片連接直流電源負極，續(xù)流換向片Ⅰ和續(xù)流換向片Ⅱ分別連接一個二極管續(xù)流橋臂的中點。電動機帶動換向電刷和輸出滑環(huán)同軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了換向電刷和換向器之間的相對滑動，從而將直流逆變?yōu)閾Q向電刷上旋轉(zhuǎn)的m相交流，再通過輸出滑環(huán)和輸出電刷之間的相對滑動轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的m相交流。調(diào)節(jié)直流電源電壓即可調(diào)節(jié)輸出交流電壓，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)輸出交流頻率。

機械電子混合逆變器正常工作需滿足三大原則：

第一，續(xù)流緩沖電路狀態(tài)唯一性原則：為了保證續(xù)流緩沖電路工作狀態(tài)的唯一性，每套續(xù)流緩沖電路任意時刻最多只能與一相負載連接，可能出現(xiàn)連接多相負載的情況包括：多相負載直接連接到同一續(xù)流換向片；多相負載通過同一續(xù)流橋臂連接的不同組續(xù)流換向片連接到該續(xù)流橋臂；多相負載通過同一套續(xù)流緩沖電路的不同續(xù)流橋臂連接到該套續(xù)流緩沖電路。

為避免多相負載直接連接到同一續(xù)流換向片，需相鄰兩換向電刷間機械角度大于續(xù)流換向片機械角度，可通過增加換向片組數(shù)，從而壓縮續(xù)流換向片機械角度來實現(xiàn)。對于m相逆變器，有m個換向電刷，相鄰兩換向電刷互差 360°/m機械角度，換向器包含P個換向片組，忽略絕緣云母片寬度，每個續(xù)流換向片機械角度為60°/P，應(yīng)有360°/m>60°/P，即P>m/6。對于P＝m/6的臨界情況，適當(dāng)減小續(xù)流換向片寬度，使其與電源換向片間的距離，即云母絕緣片寬度大于換向電刷寬度的一半即可來避免與多相負載連接。輸出交流頻率f 和電動機轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系為f＝nP/60，在所需最少換向片組數(shù)基礎(chǔ)上進一步增加換向片組數(shù)，可以用低轉(zhuǎn)速的電動機得到高頻的交流輸出。

為了避免多相負載通過同一續(xù)流橋臂連接的不同組續(xù)流換向片連接到該續(xù)流橋臂，需綜合考慮負載相數(shù)m和換向片組數(shù)P來確定各換向片組中對應(yīng)的續(xù)流換向片是否連接到同一續(xù)流橋臂，從而得到所需的續(xù)流緩沖電路套數(shù)。在負載相數(shù)一定，只增加換向片組數(shù)的情況下，各換向片組中對應(yīng)的續(xù)流換向片可連接到同一續(xù)流橋臂，此時不需要新增續(xù)流緩沖電路。各換向片組中對應(yīng)的續(xù)流換向片需要連接不同續(xù)流橋臂時，所需續(xù)流緩沖電路最多，為P套。

為了避免多相負載通過同一套續(xù)流緩沖電路的不同續(xù)流橋臂連接到該套續(xù)流緩沖電路，相鄰兩換向電刷間機械角度不能在120°/P～240°/P范圍內(nèi)。對于兩換向電刷間機械角度等于120°/P和240°/P的臨界情況，同樣可通過適當(dāng)減小續(xù)流換向片寬度，使其與電源換向片的距離，即云母絕緣片寬度大于換向電刷寬度的一半來避免與多相負載連接。

第二，負載不懸空原則：為了保證負載在完全脫離當(dāng)前換向片前能連接到下一換向片，即任意時刻無負載出現(xiàn)懸空狀態(tài)，換向電刷寬度需大于換向片間云母絕緣片寬度。

第三，電容選擇原則：電弧的產(chǎn)生需同時滿足介質(zhì)擊穿場強條件(起弧電場強度條件)和起弧電壓條件。由于緩沖電容的作用，和續(xù)流換向片接觸的換向電刷在與電源換向片分離后，兩者間電壓開始緩慢上升，在極小的間距時，電場強度仍然較大，起弧電場強度條件滿足，但起弧電壓條件不滿足，因此不會產(chǎn)生電弧；隨著間距的增大，起弧電壓條件已經(jīng)達到，但電場強度條件不再滿足，也不會產(chǎn)生電弧。可取門檻電場強度E_T＝5×10⁵V/m，此電場強度遠低于高電壓理論中標準大氣壓下空氣擊穿場強3×10⁶V/m，可確保低于E_T的電場強度不會擊穿換向電刷和電源換向片間隙。

續(xù)流過程中為了抑制起弧，換向電刷和電源換向片間電場強度應(yīng)低于門檻電場強度，給定一個最低的不起弧輸出交流頻率，對應(yīng)一個最低的電動機轉(zhuǎn)速，門檻電場強度乘以換向電刷在該轉(zhuǎn)速時的線速度即為不起弧電壓變化率，根據(jù)該電壓變化率來計算電容最小值，確保無電弧產(chǎn)生。最高轉(zhuǎn)速時，為確保續(xù)流過程在60°電角度的續(xù)流階段內(nèi)結(jié)束，電容需在此時間段內(nèi)放電完畢，根據(jù)該時間計算電容最大值。

根據(jù)以上三大原則可以確定任意相數(shù)的機械電子混合逆變器結(jié)構(gòu)。

如圖1機械電子混合三相逆變器的電氣連接圖所示，逆變器通過換向電刷 1、換向器2、續(xù)流緩沖電路12、輸出滑環(huán)8和輸出電刷9組成的機電混合無弧換向裝置實現(xiàn)逆變。換向器2僅包含一個換向器片組，由電源正極換向片3、續(xù)流換向片Ⅰ4、電源負極換向片5和續(xù)流換向片Ⅱ6構(gòu)成一個完整圓周，彼此之間通過云母片7絕緣，固定在逆變器外殼14上。電源正極換向片3、電源負極換向片5的電角度和機械角度均為120°，續(xù)流換向片Ⅰ4、續(xù)流換向片Ⅱ6加上其前后絕緣云母片7的電角度和機械角度均為60°。換向裝置的電子部分由一套續(xù)流緩沖電路組成，包括一個緩沖電容C和兩個續(xù)流橋臂，續(xù)流橋臂Ⅰ由二極管D₁、D₂和D₅組成，續(xù)流橋臂Ⅱ由二極管D₃、D₄和D₆組成。電源正極換向片3連接直流電源正極U₊，電源負極換向片連接直流電源負極 U_-，續(xù)流換向片Ⅰ、續(xù)流換向片Ⅱ分別連接續(xù)流橋臂Ⅰ、Ⅱ的中點。相鄰兩換向電刷1互差120°機械角度，并連接到輸出滑環(huán)8，輸出電刷9連接到星形聯(lián)接的A、B、C三相對稱負載。

如圖2所示，機械電子混合三相逆變器主要由換向電刷1、換向器2、輸出滑環(huán)8、輸出電刷9、電動機10、續(xù)流緩沖電路12、固定換向電刷圓盤13 和逆變器外殼14組成。其中，換向器2、輸出電刷9和續(xù)流緩沖電路12固定在逆變器外殼14上，換向電刷1固定在圓盤13上，圓盤13和輸出滑環(huán)8固定在電機轉(zhuǎn)子11上隨著一同旋轉(zhuǎn)，從而帶動換向電刷1旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)換向電刷 1和換向器2的滑動接觸，以及輸出滑環(huán)8和輸出電刷9的滑動接觸。

如圖3所示，換向電刷1在圓盤13上等間距分布，相鄰兩換向電刷1互差120°機械角度。換向器2固定在逆變器外殼14內(nèi)圓周表面，四個換向片組成一個完整圓周。

圖4為換向器2按圓周方向展開的示意圖。

電動機10帶動換向電刷1和輸出滑環(huán)8同軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了換向電刷1和換向器2之間的相對滑動，從而將直流逆變?yōu)閾Q向電刷1上旋轉(zhuǎn)的m相交流，再通過輸出滑環(huán)8和輸出電刷9之間的相對滑動轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅撵o止m相交流。調(diào)節(jié)直流電源電壓即可調(diào)節(jié)輸出交流電壓，調(diào)節(jié)電動機10轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)輸出交流頻率。換向電刷1依次與電源正極換向片3、續(xù)流換向片Ⅰ4、電源負極換向片5和續(xù)流換向片Ⅱ6滑動接觸，并再次到達電源正極換向片3開始下一個循環(huán)。換向電刷1和換向器2的滑動接觸實現(xiàn)了負載電流的換向，一個周期內(nèi)負載有正向?qū)ā⒄蚶m(xù)流、反向?qū)?、反向續(xù)流以及續(xù)流完成后不導(dǎo)通五個狀態(tài)。如圖1中換向電刷1位置，當(dāng)前時刻電容C電壓為直流電源電壓，C 相負載正向?qū)?，B相負載開始反向?qū)ǎ珹相負載剛脫離電源負極換向片5 開始反向續(xù)流，二極管D₆導(dǎo)通，電容C開始正向放電，其正向放電完畢后，二極管D₆關(guān)斷，A相電流通過二極管D₃直接流入電源正極，直到續(xù)流完畢，電容C電壓一直保持為零；直到C相開始正向續(xù)流，二極管D₅導(dǎo)通，電容C 開始正向充電，達到電源電壓后，二極管D₅關(guān)斷，C相電流直接由電源負極通過二極管D₂提供，直到續(xù)流完畢，電容C電壓一直保持為直流電源電壓。各相負載交替正、反向續(xù)流，電容C循環(huán)充放電。

電弧的產(chǎn)生需同時滿足介質(zhì)擊穿場強條件(起弧電場強度條件)和起弧電壓條件。由于緩沖電容C的作用，和續(xù)流換向片接觸的換向電刷1在與電源換向片分離后，兩者間電壓開始緩慢上升，在極小的間距時，電場強度仍然較大，起弧電場強度條件滿足，但起弧電壓條件不滿足，因此不會產(chǎn)生電?。浑S著間距的增大，起弧電壓條件已經(jīng)達到，但電場強度條件不再滿足，也不會產(chǎn)生電弧?？扇￠T檻電場強度E_T＝5×10⁵V/m，此電場強度遠低于高電壓理論中標準大氣壓下空氣擊穿場強3×10⁶V/m，可確保低于E_T的電場強度不會擊穿換向電刷1和電源換向片間隙。

續(xù)流過程中為了抑制起弧，換向電刷1和電源換向片間電場強度應(yīng)低于門檻電場強度E_T，給定一個最低的不起弧輸出交流頻率f_min，對應(yīng)一個最低的電動機10轉(zhuǎn)速n_min，門檻電場強度E_T乘以電刷在該轉(zhuǎn)速時的線速度即為不起弧電壓變化率，根據(jù)該電壓變化率來計算電容最小值C_min，確保無電弧產(chǎn)生，計算公式如下：

其中：i_min為對應(yīng)最低轉(zhuǎn)速時的負載電流，r為換向器內(nèi)圓周半徑，P為換向片組數(shù)。

電動機10最高轉(zhuǎn)速n_max時，為確保續(xù)流過程在60°電角度的續(xù)流階段內(nèi)結(jié)束，電容C需在此時間段內(nèi)放電完畢。

三相逆變器工作時的三相交流負載電流和電容電壓示意圖，每相負載依次循環(huán)正向?qū)?20°電角度，正向續(xù)流和不導(dǎo)通60°電角度，反向?qū)?20°電角度，反向續(xù)流和不導(dǎo)通60°電角度，A、B、C三相負載互差120°電角度。有負載正向續(xù)流時電容C從零電壓開始充電，達到直流電源電壓后保持，直到有負載反向續(xù)流時開始放電，放電完畢后保持零電壓，直到下一次正向續(xù)流充電。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。