專利名稱：一種變流變頻的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及一種變流變頻的方法和裝置，特別是涉及一種用若干個可控開關元件(如可控硅元件等)和感性負載的若干組初級繞組，將直流變換為交流或將直流變換為直流的方法和實現(xiàn)該方法的裝置，同時也涉及一種用若干個可控開關元件和感性負載的若干組初級繞組，將直流電轉換為旋轉電磁場或移動電磁場的方法和實現(xiàn)該方法的裝置，為規(guī)范說明，把這種方法和裝置稱為變流變頻的方法和裝置。
目前大量使用著由可控硅等半導體器件構成的變流變頻裝置，這種裝置已滿足大部分復雜的變流變頻要求，但在復雜的變流變頻裝置中，其基本電路存在換流困難或波形畸變的問題，為解決這些問題，附加電路和強迫換流電路相當復雜和龐大，而變流技術領域中的無換向器電動機，一種是必須使用啟動或位置檢測元件及其附加電路，結構和控制比較復雜，而且低速時轉矩波動很大，轉子一般都是永磁或永磁原理結構，單機容量也不是很大。另一種是由逆變器供電，整套設備的造價昂貴。因此，可以說現(xiàn)在還沒有真正能夠達到直流電動機的調速性能價格比，而起動電流小，起動轉矩大，低速轉矩波動小的異步起動而同步運行的無換向器電動機。在步進電動機技術領域中，由于需外加驅動電源的復雜結構，使多相微步矩角大功率步進電動機的設計受到了限制，而由原動元件進行控制的大容量微步矩角曲線或折線移動的步進電動機，許多發(fā)達國家尚在探討。
在中國專利CN1070520中公開了一種利用換向器來換流的方法和裝置，這種方法和裝置使機械換流方法和裝置向實用化推進了一大步，但大范圍多相或復雜變流變頻時，其結構過于龐雜。在CN85109334A中，公開了一種使用一個位置檢測元件的無刷直流電動機，這種電動機有一個啟動電路和一個位置檢測運算電路，轉子是永磁式結構，因此，主電路結構和附加電路結構很復雜。
本發(fā)明的目的在于從一定程度上彌補現(xiàn)有技術中的不足，提供一種利用若干個可控開關元件和感性負載的若干組初級繞組以及對應的次級繞組或對應的轉子電磁部分將直流電變流變頻或將直流電轉換為旋轉電磁場或移動電磁場的方法，同時也提供一種根據(jù)該方法產(chǎn)生的將直流電變流變頻或將直流電轉換為旋轉電磁場或移動電磁場的裝置。
上述發(fā)明的目的是通過下述方法來解決的，該方法是通過n個可控開關元件及其導通觸發(fā)或控制裝置和關斷電路系統(tǒng)，感性負載的m組初級繞組以及與其對應的次級繞組或對應的轉子電磁部分等主要構件來進行變換的，上述n、m的數(shù)量關系是若感性負載是變壓器或類似變壓器原理結構，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6，n、m是偶數(shù)；若感性負載是反電勢負載，轉子是籠形轉子或類似籠形轉子原理結構，或者轉子是異步起動的同步電動機轉子原理結構，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6，n、m是偶數(shù)。若感性負載是反電勢負載，轉子是永磁或是類似永磁原理結構，而且可控開關元件的控制信號是由機械式脈沖觸發(fā)控制器提供，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6；若感性負載是步進電動機，轉子是步進電動機轉子原理結構，而且可控開關元件的控制信號是由機械式脈沖觸發(fā)控制器提供，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥3，其具體步驟是第一步把直流電源的一端輸入給n個可控開關元件的陽極公共端或陰極公共端。
第二步由n個可控開關元件的導通觸發(fā)或控制裝置和分別對應的關斷電路，控制對應的各個可控開關元件的導通和關斷，使n個可控開關元件分別獨立輸出不同時刻或時間的矩形波直流電。
第三步把n個可控開關元件分別輸出的不同時刻或時間的矩形波直流電，分別或分組直接或經(jīng)過關斷電路輸入給感性負載的m組初級繞組，由此而改變輸入給感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的各個初級繞組的電流方向及電位和通電時刻或時間。
第四步由n個可控開關元件的n個輸出端分別獨立的輸出矩形波直流電，由感性負載的m組初級繞組的m個輸出端分別獨立地輸出脈動直流電；或由感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的各個初級繞組所對應的磁路分別或分組輸出電磁場或合成電磁場。
第五步通過感性負載的磁耦合使與初級繞組對應的次級繞組上感生交流電；或通過感性負載的磁路，使初級繞組電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間產(chǎn)生相互作用力。
通過改變n個可控開關元件的導通或關斷控制方案，或同時改變上述兩個控制方案或者可以改變n個可控開關元件所各自輸出的矩形波直流電的時刻和波長或頻率，可以改變感性負載的m組初級繞組所各自輸出脈動直流電的時刻和波長或頻率，隨著也改變變壓器類感性負載的次級繞組輸出的交流電的波形或頻率；或者可以改變反電勢類感性負載初級繞組電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間的相互作用力的關系；或可以改變反電勢類感性負載初級繞組電磁場或合成電磁場的變化速度；或者改變步進電動機類感性負載的轉動或移動部分的轉速或線速度。
通過改變感性負載的設計和感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的初級繞組數(shù)目與數(shù)據(jù)和相位分布與結構設計，改變每組初級繞組中各繞組之間的接法，改變感性負載次級繞組或轉子電磁部分的原理結構設計，相應的改變n個可控開關元件各個輸出端與感性負載的m組初級繞組各個輸入端的接法；或者可以改變變壓器類感性負載次級繞組輸出交流電的相數(shù)或相位差，或改變變壓器類感性負載次級繞組輸出的交流電的頻率或波形；或者可以改變反電勢類感性負載初級繞組的電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間相互作用力的關系或合成磁場；或者降低反電勢類感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組兩端的電勢差或每組初級繞組里的各初級繞組兩端的電勢差；或降低可控開關元件承受的反向電壓；或者改變步進電動機類感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組的電磁場或合成電磁場的磁路中的磁導或磁阻或步進電動機的步矩角。
通過改變各個可控開關元件導通的時間單位，或者可以改變反電勢類感性負載的初級繞組的電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間相互作用力的關系；或者可以改變變壓器類感性負載次級繞組輸出的交流電波形或電壓。
可控開關元件的各個控制極所需要的觸發(fā)脈沖或控制信號，是有序或有序多列觸發(fā)脈沖或控制信號；或者可以由靜態(tài)的電子式脈沖觸發(fā)控制器提供(如晶閘管用的數(shù)字式移相觸發(fā)器)；或者可以由動態(tài)的機械式脈沖觸發(fā)控制器提供；或者把上述兩種脈沖觸發(fā)控制器組合提供。機械式脈沖觸發(fā)控制器是由直流電源，通過移刷機構圍換向器圓周移動的換向器電刷、換向器、集電環(huán)及其電刷和脈沖變壓器及帶動換向器與集電環(huán)或換向器電刷與集電環(huán)轉動的原動機等主要構件組成。機械式脈沖觸發(fā)控制器可以與變壓器類感性負載、反電勢類感性負載、步進電動機類感性負載或它們的負載進行直接或間接地刷性或柔性的被動或主動連接。具體選用哪一種觸發(fā)控制器，可以按可控開關元件的特性與關斷電路元件和感性負載的設計與需要選擇設計。
可控開關元件的關斷電路系統(tǒng)有若干設計方案，具體的選用哪一種關斷電路設計方案，應該按所選用的可控開關元件的特性及其觸發(fā)或控制裝置和感性負載的設計與需要選擇設計，其電路結構特點是各個可控開關元件的關斷互不影響。為簡便描述起見，在根據(jù)該方法產(chǎn)生的裝置里就常用的可控開關元件——普通晶閘管的特性介紹了一種。
n個可控開關元件的各個輸出端可分別輸出或分組輸出斬波直流電壓，斬波直流電壓的平均值由各個可控開關元件的導通時刻和關斷時刻決定。
本發(fā)明的目的也可以通過下述的變流變頻裝置得以實現(xiàn)，該變流變頻裝置主要包括直流電源，n個可控開關元件及其導通觸發(fā)或控制裝置和關斷電路系統(tǒng)，感性負載的m組初級繞組和與其對應的次級繞組或對應的轉子電磁部分及其負載。其中，直流電源的正極或負極與n個可控開關元件的陽極公共端或陰極公共端相連；n個可控開關元件的各個控制極與其觸發(fā)或控制裝置中相應的各個觸發(fā)控制信號輸出端相連，n個可控開關元件的各個關斷電路的元件，按所選用可控開關元件的關斷特征和可控開關元件及其關斷電路與感性負載中所對應的初級繞組的關系以及感性負載的設計與要求接入各個可控開關元件的關斷電路中；n個可控開關元件的各個輸出端分別或分組直接或經(jīng)過關斷電路與對應的感性負載的m組初級繞組的各個輸入端相連，m組初級繞組的各個輸出端分別或分組連接在一起后與對應的直流電源的另一極相連，感性負載的m組初級繞組通過磁耦合或磁路與其對應的次級繞組或轉子電磁部分相連，次級繞組或轉子電磁部分輸出供給負載的電源或作用力。
本發(fā)明的變流變頻裝置具有逆變器、直流斬波器、無換向器電動機和步進電動機及其驅動電源的許多優(yōu)點。它改變了多相逆變器分相順序通電的傳統(tǒng)設計；改善了逆變器輸出的交流電波形，減小了無換向器電動機的低速轉矩脈動，其轉子結構也由傳統(tǒng)的永磁式原理結構改為籠形或類似籠形轉子原理結構，進而改為異步起動的同步電動機轉子原理結構，取消了無換向器電動機結構的關鍵部件—位量檢測元件，或取消無位置檢測元件的無換向器電動機中所采用的檢測轉子啟動位置的附加電路。因為其控制電路可以與無換向器電動機的本體不相連接，因而使無換向器電動機的正反轉控制和穩(wěn)速控制變的容易。由于在控制上可以使用由原動元件控制的機械式脈沖觸發(fā)控制器，使由電動機控制的復雜連動設備的連鎖控制變的簡單可靠。其中獨有的優(yōu)點是本裝置的n個可控開關元件在同時觸發(fā)導通、不同時關斷或不同時觸發(fā)導通、同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別獨立的輸出一路一種波長的矩形波直流電，也可以分組或共同輸出迭加的矩形波直流電；n個可控開關元件在不同時觸發(fā)導通、不同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別或分組輸出不同時刻而相同波長的矩形波直流電；可以分別或分組輸出不同時刻、不同波長的矩形波直流電；也可以共同輸出n種矩形波直流電迭加的矩形波直流電。n個可控開關元件在同時觸發(fā)導通、同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別輸出相同時刻、相同波長的矩形波直流電，當然，其感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的各個初級繞組所對應的磁路也就可以分別或分組輸出相應的電磁場或合成電磁場。其中，n個可控開關元件的各個輸出端所分別或分組輸出或共同輸出的矩形波直流電，是供給矩形波直流負載。利用上述特性，本裝置可以設計大功率電磁脈沖輸出裝置、短距離直線電動機、電控機械手的單動或連動控制裝置、步進電動機驅動電源、多步矩角結構的步進電動機，其中，多步矩角結構的步進電動機轉子上和定子上分布著大步齒和小步齒。
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)明的變流變頻裝置的電路方框圖。
圖2是為簡便說明，僅對變壓器，根據(jù)本發(fā)明的變流變頻裝置所描述的一種三相交流變流變頻裝置的具體電路圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的變流變頻裝置實施例2輸出的電壓波形圖和其機械式脈沖觸發(fā)控制器輸出的觸發(fā)脈沖信號波形圖。
在圖1所示的變流變頻裝置中包括了直流電源1，第一個可控開關元件2及其關斷電路5，以及與其相對應的感性負載第一組初級繞組12；第二個可控開關元件3及其關斷電路6，以及與其相對應的感性負載第二組初級繞組13；第n個可控開關元件4及其關斷電路7，以及與其相對應的感性負載第m組初級繞組14；n個可控開關元件的觸發(fā)或控制裝置8，矩形波直流負載9、10、11和脈動直流負載或初級繞組的電磁場所對應的負載15、16、17，次級繞組或轉子電磁部分18和19，負載20。其中，第一個可控開關元件2的輸出端在需要時可輸出矩形波直流電源以供給矩形波直流負載9，第二個可控開關元件3的輸出端在需要時，可輸出矩形波直流電源，以供給矩形波直流負載10，第n個可控開關元件4的輸出端在需要時，可輸出矩形波直流電源，以供給矩形波直流負載11，每個可控開關元件及其控制電路可以與另一個或另幾個可控開關元件及其控制電路組配，而各自的輸出端分別或分組各自獨立輸出矩形波直流電，以供給對應的感性負載初級繞組；感性負載第一組初級繞組12的輸出端或對應的磁路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場以供給對應的負載15，第二組初級繞組13的輸出端或對應的磁路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場，以供給對應的負載16，第m組初級繞組14的輸出端或對應的磁路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場，以供給對應的負載17。
上述直流電源1是指對感性負載的電力輸出有決定作用的直流電源，其它輔助性直流電源不在此列；可控開關元件2、3、4是指依靠門極脈沖控制通或通斷的可控硅元件和依靠基極信號控制通和斷的晶體管元件；對于晶體管元件而言，可控開關元件的陽極或陰極是指晶體管元件的發(fā)射極，可控開關元件的輸出端是指晶體管的集電極，可控開關元件的控制極是指晶體管的基極；感性負載是指電感負載和反電勢負載，包括按變流變頻的方法和裝置所對應的負載的需要而設計的變壓器、電動機、電磁線圈等感性電器設備，為了便于說明，把感性負載上不涉及本發(fā)明電路原理的結構和其他部分(如電機本體等)，沒有加以描述和介紹。該感性負載的m組初級繞組12、13、14中每組初級繞組里的各個初級繞組是相對獨立的；而感性負載的m組初級繞組12、13、14中，每組初級繞組可以是一個初級繞組，也可以是相互連接著的多個初級繞組；感性負載的m組初級繞組和每組初級繞組里的各個初級繞組的數(shù)據(jù)和相位分布以及相互間的連接和連接方式是按感性負載的設計與感性負載初級繞組的電磁場或合成電磁場的極性分布和變化要求完成的。在變壓器類感性負載中，所述感性負載初極繞組是指變壓器類感性負載的初級繞組，感性負載的次極繞組是指變壓器類感性負載的次級繞組；對于變壓器類感性負載，每組初級繞組里的初級繞組數(shù)目和每組初級繞組里的各個初級繞組的數(shù)據(jù)與相位分布和相互間的連接方式，是按階梯狀波或近似正弦的階梯狀交變電磁場的變化規(guī)律設計完成。在反電勢類感性負載中，所述感性負載初級繞組是指反電勢類感性負載的電樞繞組，感性負載的轉子電磁部分是指反電勢感性負載的轉子電磁部分，它可以如同異步電動機轉子原理結構，也可以如同異步起動的同步電動機轉子原理結構；對于反電勢類感性負載，每組電樞繞組里的電樞繞組數(shù)目和每組電樞繞組里的各個電樞繞組的數(shù)據(jù)與在電動機定子里的相位分布和相互間的連接方式，是按交變旋轉電磁場或近似正弦的階梯狀交變旋轉電磁場的變化規(guī)律設計完成。在步進電動機類感性負載中，所述感性負載的初極繞組是指步進電動機定子上的控制繞組，感性負載的轉子電磁部分是指步進電動機類感性負載的轉子電磁部分；對于步進電動機類感性負載，每組控制繞組里的各個控制繞組的數(shù)據(jù)與在步進電動機定子里的相位分布和相互間的連接方式，是按步進電動機的步矩角與通電相序和轉子定子的結構設計完成?？煽亻_關元件的觸發(fā)或控制裝置(8)是指變流變頻裝置在運行或將要運行時，可按可控開關元件的特征與關斷電路的要求和感性負載的設計及其負載的需要，分別對對應的各個可控開關元件輸出有序或有序多列觸發(fā)脈沖或控制信號的電路系統(tǒng)，這種裝置可以是獨立的，也可以是與感性負載的負載端連接的；可以是機械式脈沖觸發(fā)控制器(與實施例中所述的)，可以是電子式脈沖觸發(fā)控制器；也可以是上述兩種脈沖觸發(fā)控制器的組合，對于組合的脈沖觸發(fā)控制器，電子式脈沖觸發(fā)控制器的作用是輸出調制的有序脈沖觸發(fā)控制信號，而機械式脈沖觸發(fā)控制器是做為脈沖觸發(fā)控制信號的通道或分配器，與感性負載或感性負載的負載相連接。但對于步進電動機類感性負載，可控開關元件的脈沖觸發(fā)控制器是機械式脈沖觸發(fā)控制器。
可控開關元件的關斷電路5、6、7，是指在規(guī)定的時刻和時間里能夠分別保證對應的各個導通可控開關元件關斷的電路系統(tǒng)，這種關斷電路系統(tǒng)必須按可控開關元件的特征與感性負載初級繞組和次級繞組或轉子電磁部分以及負載的要求設計，該關斷電路5、6、7的電路結構，或者是各自相對獨立的，或者是相互有連接的；或者與感性負載的初極繞組沒有直接聯(lián)系，或者與感性負載的初極繞組有直接聯(lián)系；一般是當可控開關元件是可控硅元件，各個可控硅元件的關斷電路結構是各個可控硅元件與所對應的關斷電路元件和所對應的感性負載的初極繞組組合起來的各自相對獨立的電路結構；當可控開關元件是晶體管元件，各個晶體管元件的導通和關斷是由其基極控制信號控制，可不設置其它關斷電路。在實施例2中的關斷電路，是就常用的可控開關元件——普通晶閘管和普通感性負載——變壓器而設計，是一種利用后一個晶閘管的導通，依靠換流電容器的能量關斷前一個導通的晶閘管電路，當然，n個可控開關元件，也可以分組具有各組共同的電源輸入斬波換相的關斷電路。
保護電路，是為保證變流變頻裝置可靠運行設計的附加電路，在此不予描述。
本發(fā)明的變流變頻裝置，使用的n個可控開關元件里，按感性負載的設計或要求，在任意時刻，至少是y個可控開關元件與感性負載的y組初級繞組導通，m/z≥y≥1(z，m/z是自然數(shù))；而且對于不同的時刻，y可以是變量。
圖2也是本發(fā)明的一種變流變頻裝置，是一種按變壓器的設計所描繪的三相交流變流變頻裝置的一種具體電路圖，在圖中U是主直流電源，U1是機械式脈沖觸發(fā)控制器的直流電源，G是機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器電刷，21是機械式脈沖觸發(fā)控制器中換向器的展開圖，展開圖中E1至E6是換向片，這些換向片共為六片，換向片之間相互絕緣，換向片之間為等間隔且很大。該機械式脈沖觸發(fā)控制器的集電環(huán)及對應的集電環(huán)電刷分為六組，每組有一個集電環(huán)和對應的電刷，其中，B1至B6和F1至F6是集電環(huán)和集電環(huán)電刷；換向器和集電環(huán)由原動機帶動轉動。上述機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器是轉動的，若換向器靜止，而換向器電刷是轉動的時，就可以不用那么多的集電環(huán)。為簡便描述，不再進行說明。在電路圖中，晶閘管及其導通觸發(fā)控制電路和關斷電路是六組，分為T1組、T2組、T3組、T4組、T5組、T6組；每組有一個普通晶閘管；(T1組中是T1、)，其中，T1至T6分別是T1組至T6組晶閘管電路中的普通晶閘管，一個換流電容器；其中，C1至C6分別是T1組至T6組晶閘管電路中晶閘管T1至T6的換流電容器，它們是環(huán)狀順序串聯(lián)連接。一個二極管；其中，D1至D6分別是T1組至T6組晶閘管電路中的隔離二極管。一片換向片；其中，E1至E6分別是T1組至T6組晶閘管電路中對應的機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器21的換向片。一個集電環(huán)與對應的電刷，其中，B1至B6與F1至F6分別是T1組至T6組晶閘管電路中對應的機械式脈沖觸發(fā)控制器的集電環(huán)與集電環(huán)電刷，一個脈沖變壓器，其中BM1至BM6分別是T1組至T6組晶閘管電路中對應的機械式脈沖觸發(fā)控制器的脈沖變壓器，每一個脈沖變壓器中，有一個初級繞組，其中L1至L6分別是脈沖變壓器BM1至BM6的初級繞組，一個次級繞組，其中L’1至L’6分別是脈沖變壓器BM1至BM6的次級繞組；每一個脈沖變壓器的次級繞組串聯(lián)一只二極管，其中D’1至D’6分別是脈沖變壓器BM1至BM6的次級繞組L’1至L’6所串聯(lián)的二極管。本實施例的感性負載是按本實施例所對應的負載要求而設計的三相變壓器BM，它的初級繞組是六組，每組初級繞組的電抗是相等的，分為A1組、A2組、A3組、A4組、A5組、A6組，次級繞組是三個單相次級繞組，是A相次級繞組LA，B相次級繞組LB，C相次級繞組組LC，其中，初級繞組A1組包括A相初級繞組LA1、B相初級繞組LB1、C相初級繞組LC1；它們的輸入端為A相初級繞組的LA1的A端，輸出端為B相初級繞組LB1的A端，其中，A相初級繞組LA1的B端與C相初級繞組LC1的A端相連，C相初級繞組LC1的B端與B相初級繞組LB1的B端相連；初級繞組A2組包括A相初級繞組LA2、B相初級繞組LB2、C相初級繞組LC2；它們的輸入端為A相初級繞組的LA2的A端，輸出端為B相初級繞組的LB2的A端，其中，A相初級繞組LA2的B端與C相初級繞組LC2的B端相連，C相初級繞組LC2的A端與B相初級繞組LB2的B端相連；初級繞組A3組包括A相初級繞組LA3、B相初級繞組LB3、C相初級繞組LC3；它們的輸入端為A相初級繞組的LA3的A端，輸出端為B相初級繞組的LB3的B端，其中，A相初級繞組LA3的B端與C相初級繞組LC3的B端相連，C相初級繞組LC3的A端與B相初級繞組LB3的A端相連；初級繞組A4組包括A相初級繞組LA4、B相初級繞組LB4、C相初級繞組LC4；它們的輸入端為A相初級繞組LA4的B端，輸出端為B相初級繞組LB4的B端，其中，A相初級繞組LA4的A端與C相初級繞組LC4的B端相連，C相初級繞組LC4的A端與B相初級繞組LB4的A端相連；初級繞組A5組包括A相初級繞組LA5、B相初級繞組LB5、C相初級繞組LC5；它們的輸入端為A相初級繞組LA5的B端，輸出端為B相初級繞組LB5的B端，其中，A相初級繞組LA5的A端與C相初級繞組LC5的A端相連，C相初級繞組LC5的B端與B相初級繞組LB5的A端相連；初級繞組A6組包括A相初級繞組LA6、B相初級繞組LB6、C相初級繞組LC6；它們的輸入端為A相初級繞組LA6的B端，輸出端為B相初級繞組LB6的A端。其中，A相初級繞組LA6的A端與C相初級繞組LC6的A端相連，C相初級繞組LC6的B端與B相初級繞組LB6的B端相連；A1組初級繞組至A6組初級繞組的各輸出端連結起來后與直流電源U的負極相連；A相次級繞組是次級繞組LA，其負載是RA；B相次級繞組是次級繞組LB，其負載是RB；C相次級繞組是次級繞組LC，其負載是RC，其中，RA等于RB等于RC。
簡單地說T1組至T6組晶閘管電路中各元件組成的六組變流裝置，可把平穩(wěn)的直流電轉換為矩形波直流電，它們的輸出端可分別輸出斬波的直流電壓；當把T1組至T6組變流裝置的各輸出端分別同對應的變壓器BM的初級繞組A1組至A6組的各輸入端連接起來后，通過變壓器的磁耦合，其次級繞組的輸出端可輸出交流電壓。
下面詳細描述T1組晶閘管電路中各元件之間的連接和其輸出端與變壓器BM的A1組初級繞組輸入端的連接。為了便于說明，首先，我們詳細描述機械式脈沖觸發(fā)控制器中各元件的連接和其脈沖信號輸出端與對應的晶閘管控制極的連接直流電源U的正極與換向器電刷G的輸入端相接，換向器電刷G的輸出端與轉動的換向器21相接；換向器電刷G可以依靠獨立的圍繞換向器21移動的移刷機構，圍換向器圓周移動。換向器21的換向片E1至E6的輸出端分別與對應的且與換向器同軸轉動的集電環(huán)B1至B6的輸入端相連，集電環(huán)B1至B6的輸出端分別與對應的集電環(huán)電刷F1至F6輸入端相接，集電環(huán)電刷F1至F6的輸出端分別與對應的脈沖變壓器BM1至BM6的初級繞組L1至L6的輸入端相聯(lián)，初級繞組L1至L6的輸出端分別與直流電源U1的負極相連，脈沖變壓器BM1至BM6的次級繞組L’1至L’6的脈沖信號輸出端分別與對應的二極管D’1至D’6的正極相連，二極管D’1至D’6的陰極分別與對應的晶閘管T1至T6的控制極相連；脈沖變壓器BM1至BM6的次級繞組L’1至L’6另一端分別與對應的晶閘管T1至T6的陰極相連。這樣，當換向器與集電環(huán)轉動一周時，每一個晶閘管的控制極都會接受到一個脈沖。
其中，晶閘管T1的陽極與直流電源U的正極相連，晶閘管T1的陰極與隔離二極管D1的陽極和換流電容器C1與C6的串聯(lián)端相連，隔離二極管D1的陰極與變壓器BM的A1組初級繞組的輸入端即A相初級繞組LA1的A端相連，A1組初級繞組的輸出端即B相初級繞組LB1的A端與直流電源U的負極相連；機械式脈沖觸發(fā)控制器上T1組晶閘管電路里各元件的連接是換向器21的換向片E1的輸出端與集電環(huán)B1的輸入端相連，集電環(huán)B1的輸出端與集電環(huán)電刷F1的輸入端相連，集電環(huán)電刷F1的輸出端與脈沖變壓器BM1的初級繞組L1的輸入端相連，初級繞組L1的輸出端與直流電源U1的負極相連；脈沖變壓器BM1的次級繞組L’1的脈沖信號輸出端與二極管D’1的陽極相連，二極管D’1的陰極與晶閘管T1的控制極相連；脈沖變壓器BM1的次級繞組L’1的另一端與晶閘管T1的陰極相連。T2組至T6組晶閘管電路中各元件之間的連接和與變壓器BM中對應的初級繞組A2組至A6組的連接同T1組晶閘管電路中各元件之間的連接和與變壓器BM中對應的初級繞組A1組的連接相同，在這里不再詳細描述，A相次級繞組的兩端輸出供給負載RA交流電壓；B相次級繞組的兩端輸出供給RB交流電壓；C相次級繞組的兩端輸出供給RC交流電壓。
上述電路圖僅是對本實施例的主電路原理圖進行的描述，附加電路元件和主電路的保護電路元件沒有在主電路原理圖中出現(xiàn)。
圖3是上述實施例的變流變頻裝置輸出的三種電壓波形圖和機械式脈沖觸發(fā)控制器上各脈沖變壓器輸出的脈沖信號波形圖。圖3A是T1組至T6組晶閘管電路中，晶閘管T1至T6在機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器均勻轉動一周所分別輸出的矩形波直流電壓波形圖，圖3B是上述情況下三相變壓器BM的六組初級繞組的輸出端分別輸出的脈動直流電壓波形圖。圖3C是上述情況下三相變壓器BM的三相次級繞組所輸入給對應的A相負載RA、B相負載RB、C相負載RC的交流電壓波形圖；圖3D是根據(jù)本發(fā)明的實施例2中機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器均勻轉動一周，各脈沖變壓器輸出的脈沖信號波形圖。
上述電壓波形圖是在機械式脈沖觸發(fā)控制器的換向器電刷G的弧長小于兩換向片之間的絕緣體的弧長時得到的電壓波形圖。順便說明一下，若把該變壓器的磁路結構設計為三相二極籠形異步電動機磁路結構，其初級繞組就是為三相二極籠形異步電動機的電樞繞組，按二極籠形異步電動機三相繞組的分布規(guī)則布置，連接方式按照變壓器上各初級繞組之間的連接方式，次級繞組設計為三相二極籠形轉子結構。當機械式脈沖觸發(fā)控制器連續(xù)的轉動一周，其籠形轉子也隨著轉動，只是轉動的弧度略小于360度，若把該變壓器的磁路結構設計為三相反應式步進電動機磁路結構，其初級繞組就是為三相反應式步進電動機的定子繞組，按二極籠形異步電動機三相繞組的分布規(guī)則布置，連接方式按照變壓器上各初級繞組之間的連接方式，次級繞組設計為三相反應式步進電動機轉子結構。當機械式脈沖觸發(fā)控制器每輸出一個脈沖，則步進電動機轉子的角位移就變化60度。為簡便描述起見，根據(jù)本發(fā)明的方法設計其它變流變頻裝置所輸出的電壓電流波形圖以及感性負載初級繞組電磁場的分布變化曲線圖和本實施例的諧波電壓波形圖等等，在此不再一一描述。
上面僅僅是描述了本發(fā)明的一組實施例，根據(jù)本發(fā)明的方法，可以對本發(fā)明的變流變頻裝置進行變形，各種變形均屬于本發(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
1.一種將直流電變流變頻或將直流電轉換為旋轉電磁場或移動電磁場的方法，該方法是通過n個可控開關元件及其導通觸發(fā)或控制裝置和關斷電路系統(tǒng)，感性負載的m組初級繞組以及與其對應的次級繞組或對應的轉子電磁部分為主要構件來進行變換的，上述n、m的數(shù)量關系是；若感性負載是變壓器或類似變壓器原理結構，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6，n、m是偶數(shù)；若感性負載是反電勢負載，轉子是籠形轉子或類似籠形轉子原理結構，或者轉子是異步起動的同步電動機轉子原理結構，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6，n、m是偶數(shù)。若感性負載是反電勢負載，轉子是永磁或是類似永磁原理結構，而且可控開關元件的控制信號是由機械式脈沖觸發(fā)控制器提供，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥6；若感性負載是步進電動機，轉子是步進電動機轉子原理結構，而且可控開關元件的控制信號是由機械式脈沖觸發(fā)控制器提供，上述n、m的數(shù)量關系是n≥m≥3。該方法的特征是第一步把直流電源的一端輸入給n個可控開關元件的陽極公共端或陰極公共端。第二步由n個可控開關元件的導通觸發(fā)或控制裝置和分別對應的關斷電路，控制對應的各個可控開關元件的導通和關斷，使n個可控開關元件分別獨立輸出不同時刻或時間的矩形波直流電。第三步把n個可控開關元件分別輸出的不同時刻或時間的矩形波直流電，分別或分組直接或經(jīng)過關斷電路輸入給感性負載的m組初級繞組，由此而改變輸入給感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的各個初級繞組的電流方向及電位和通電時刻或時間。第四步由n個可控開關元件的n個輸出端分別獨立的輸出矩形波直流電，由感性負載的m組初級繞組的m個輸出端分別獨立地輸出脈動直流電，或由感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里的各個初級繞組所對應的磁路分別或分組輸出電磁場或合成電磁場。第五步通過感性負載的磁耦合使與初級繞組對應的次級繞組上感生交流電，或通過感性負載的磁路，使初級繞組電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間產(chǎn)生相互作用力。
2.根據(jù)權利要求1所述的變流變頻的方法，其特征是通過改變n個可控開關元件的導通或關斷控制方案，或同時改變上述兩個控制方案或者可以改變n個可控開關元件所各自輸出的矩形波直流電的時刻和波長或頻率，可以改變感性負載的m組初級繞組所各自輸出脈動直流電的時刻和波長或頻率，隨著也改變變壓器類感性負載的次級繞組輸出的交流電的波形或頻率；或者可以改變反電勢類感性負載初級繞組電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間的相互作用力的關系；或可以改變反電勢類感性負載初級繞組電磁場或合成電磁場的變化速度；或者改變步進電動機類感性負載的轉動或移動部分的轉速或線速度。
3.根據(jù)權利要求1所述的變流變頻的方法，其特征是通過改變感性負載的設計和感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組里初級繞組數(shù)目與數(shù)據(jù)和相位分布與結構設計，改變每組初級繞組中各繞組之間的接法，改變感性負載次級繞組或轉子電磁部分的原理結構設計，相應的改變n個可控開關元件各個輸出端與感性負載的m組初級繞組各個輸入端的接法；或者可以改變變壓器類感性負載次級繞組輸出交流電的相數(shù)或相位差，或改變變壓器類感性負載次級繞組輸出的交流電的頻率或波形；或者可以改變反電勢類感性負載初級繞組的電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間相互作用力的關系或合成磁場；或者降低反電勢類感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組兩端的電勢差或每組初級繞組里的各初級繞組兩端的電勢差；或降低可控開關元件承受的反向電壓；或者改變步進電動機類感性負載的m組初級繞組中每組初級繞組的電磁場或合成電磁場的磁路中的磁導或磁阻或步進電動機的步矩角。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的變流變頻的方法，其特征是通過改變各個可控開關元件導通的時間單位，或者可以改變反電勢類感性負載的初級繞組的電磁場或合成電磁場與對應的轉子電磁部分之間相互作用力的；或者可以改變變壓器類感性負載次級繞組輸出的交流電波形或電壓。
5.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的變流變頻的方法，其特征是可控開關元件的各個控制極所需要的觸發(fā)脈沖或控制信號，是有序或有序多列觸發(fā)脈沖或控制信號，或者可以由靜態(tài)的電子式脈沖觸發(fā)控制器提供(如晶閘管用的數(shù)字式移相觸發(fā)器)；或者可以由動態(tài)的機械式脈沖觸發(fā)控制器提供；或者把上述兩種脈沖觸發(fā)控制器組合提供。機械式脈沖觸發(fā)控制器是由直流電源，通過移刷機構圍換向器圓周移動的換向器電刷、換向器、集電環(huán)及其電刷和脈沖變壓器及帶動換向器與集電環(huán)或換向器電刷與集電環(huán)轉動的原動機等主要構件組成。機械式脈沖觸發(fā)控制器可以與感性負載或感性負載的負載進行直接或間接地剛性或柔性的被動或主動連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的變流變頻的方法，其特征是n個可控開關元件的各個輸出端可分別輸出或分組輸出斬波直流電壓，斬波直流電壓的平均值由各個可控開關元件的導通時刻和關斷時刻決定。
7.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的變流變頻的方法，其特征是各個可控開關元件的關斷互不影響。
8.一種將直流電變流變頻，或將直流電直接轉換為旋轉電磁場或移動電磁場的裝置它包括直流電源1；第一個可控開關元件2及其關斷電路5；以及與其相對應的感性負載第一組初級繞組12；第二個可控開關元件3及其關斷電路6，以及與其相對應的感性負載第二組初級繞組13，第n個可控開關元件4及其關斷電路7，以及與其相對應的感性負載第m組初級繞組14；n個可控開關元件的觸發(fā)或控制裝置8，矩形波直流負載9、10、11和脈動直流負載或初級繞組的電磁場所對應的負載15、16、17，次級繞組或轉子電磁部分18和19，負載20。其特征是直流電源(1)的正極或負極與n個可控開關元件2、3、4的陽極公共端或陰極公共端相連；n個可控開關元件2、3、4的各個控制極與其觸發(fā)或控制裝置8中相應的各個觸發(fā)控制信號輸出端相連；n個可控開關元件2、3、4的關斷電路9、10、11的元件，按所選用可控開關元件的關斷特征和可控開關元件及其關斷電路與感性負載中所對應的初級繞組的關系以及感性負載的設計與要求接入各個可控開關元件的關斷電路中；n個可控開關元件2、3、4的各個輸出端分別或分組直接或經(jīng)過關斷電路與對應的感性負載的m組初級繞組12、13、14的各個輸入端相連，m組初級繞組12、13、14的各個輸出端分別或分組連接在一起后與對應的直流電源(1)的另一極相連，感性負載的m組初級繞組12、13、14通過磁耦合或磁路與其分別對應的次級繞組或轉子電磁部分18、19相連，次級繞組或轉子電磁部分18、19輸出供給負載20的電源或作用力。其中，第一個可控開關元件2的輸出端在需要時可輸出矩形波直流電源以供給矩形波直流負載9，第二個可控開關元件3的輸出端在需要時，可輸出矩形波直流電源，以供給矩形波直流負載10，第n個可控開關元件4的輸出端在需要時，可輸出矩形波直流電源，以供給矩形波直流負載11，每個可控開關元件及其控制電路可以與另一個或另幾個可控開關元件及其控制電路組配，而各自的輸出端分別或分組各自獨立輸出矩形波直流電，以供給分別對應的感性負載初級繞組；感性負載第一組初級繞組12的輸出端或所對應的磷路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場以供給對應的負載15，第二組初級繞組13的輸出端或所對應的磁路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場，以供給對應的負載16，第m組初級繞組14的輸出端或對應的磁路在需要時可直接輸出脈動直流電或電磁場，以供給對應的負載17。
9.根據(jù)權利要求8所述的變流變頻的裝置，其特征是可控開關元件2、3、4是指依靠門極脈沖控制通或通斷的可控硅元件和依靠基極信號控制通和斷的晶體管元件；可控硅元件的門極或晶體管元件的基極所需的觸發(fā)脈沖或控制信號是有序或有序多列觸發(fā)脈沖或控制信號。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的變流變頻的裝置，其特征是當可控開關元件是晶體管元件，各個晶體管元件的關斷是由其基極控制信號控制。當可控開關元件是可控硅元件，各個可控硅元件的關斷電路結構是各個可控硅元件與其所對應的關斷電路元件和所對應的感性負載的初極繞組組合起來的各自相對獨立的電路結構。
11.根據(jù)權利要求8或9或10所述的變流變頻的裝置，其特征是感性負載是指電感負載和反電勢負載；該感性負載的m組初級繞組12、13、14中每組初級繞組里的各個初級繞組是相對獨立的；而感性負載的m組初級繞組12、13、14中，每組初級繞組可以是一個初級繞組，也可以是相互連接著的多個初級繞組；感性負載的m組初級繞組和每組初級繞組里的各個初級繞組的數(shù)據(jù)和相位分布以及相互間的連接和連接方式是按感性負載的設計與感性負載初級繞組的電磁場或合成電磁場的極性分布和變化要求完成的；在變壓器類感性負載中，所述感性負載初極繞組12、13、14是指變壓器類感性負載的初級繞組，感性負載的次極繞組18、19是指變壓器類感性負載的次級繞組；對于變壓器類感性負載，每組初級繞組里的初級繞組數(shù)目和每組初級繞組里的各個初級繞組的數(shù)據(jù)與相位分布和相互間的連接方式，是按階梯狀或近似正弦的階梯狀交變磁場的變化規(guī)律設計完成；在反電勢類感性負載中，所述感性負載初級繞組12、13、14是指反電勢類感性負載的電樞繞組，感性負載的轉子電磁部分18、19是指反電勢感性負載的轉子電磁部分，它可以如同異步電動機轉子原理結構，也可以如同異步起動的同步電動機轉子原理結構；對于反電勢類感性負載，每組電樞繞組里的電樞繞組數(shù)目和每組電樞繞組里的各個電樞繞組的數(shù)據(jù)與在電動機定子里的相位分布和相互間的連接方式，是按交變旋轉電磁場或近似正弦的階梯狀交變旋轉電磁場的變化規(guī)律設計完成；在步進電動機類感性負載中，所述感性負載的初極繞組12、13、14是指步進電動機定子上的控制繞組，感性負載的轉子電磁部分18、19是指步進電動機類感性負載的轉子電磁部分；對于步進電動機類感性負載，每組控制繞組里的控制繞組數(shù)目和每組控制繞組里的各個控制繞組的數(shù)據(jù)與在步進電動機定子里的相位分布和相互間的連接方式，是按步進電動機的步矩角與通電相序和轉子定子的結構設計完成。
12.根據(jù)權利要求11所述的變流變頻的裝置，其特征是使用的n個可控開關元件里，任意時刻，至少是Y個可控開關元件與感性負載的Y組初級繞組導通m/z≥y≥1，(z，m/z是自然數(shù))；對于不同的時刻，y可以是變量。
13.根據(jù)權利要求8所述的變流變頻的裝置，其特征是n個可控開關元件2、3、4在同時觸發(fā)導通、不同時關斷或不同時觸發(fā)導通、同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別獨立的輸出一路一種波長的矩形直流電，也可以分組或共同輸出迭加的矩形波直流電；n個可控開關元件2、3、4在不同時觸發(fā)導通、不同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別或分組輸出不同時刻而相同波長的矩形波直流電；可以分別或分組輸出不同時刻、不同波長的矩形波直流電；也可以共同輸出n種矩形波直流電迭加的矩形波直流電。n個可控開關元件2、3、4在同時觸發(fā)導通、同時關斷的情況下，它們的各個輸出端可以分別輸出相同時刻、相同波長的矩形波直流電，當然，其感性負載的m組初級繞組12、13、14中每組初級繞組里各個初級繞組所對應的磁路也就可以分別或分組輸出相應的電磁場或合成電磁場供給對應的負載。其中，n個可控開關元件2、3、4的各個輸出端所分別或分組輸出或共同輸出的矩形波直流電，是供給矩形波直流負載。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將直流電變流變頻或將直流電轉換為旋轉交變電磁場或移動電磁場的方法和裝置；該方法是通過n個可控開關元件及其導通觸發(fā)或控制裝置和關斷電路系統(tǒng)，感性負載的m組初級繞組以及對應的次級繞組或對應的轉子電磁部分將直流電變流變頻或將直流電轉換成交變旋轉電磁場的。通過改變感性負載的設計，可以改變該裝置的作用或狀態(tài)。該裝置具有的脈寬調制逆變器，多相多重直流斬波器，無換向器電動機，步進電動機及其驅動電源的優(yōu)點而無其缺點，直接適宜于設計逆變器，變頻調速器，無換向器調速電動機，多相多重直流斬波器，步進電動機及其驅動電源和中頻電源。
文檔編號H02M7/64GK1117663SQ9510796
公開日1996年2月28日 申請日期1995年8月7日 優(yōu)先權日1994年8月9日
發(fā)明者王東奎, 王登正 申請人:王東奎