專利名稱：非靜止式變頻無級(jí)調(diào)速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的恒力矩?zé)o級(jí)調(diào)速裝置，適用于對(duì)各種恒力矩特性負(fù)載和其它力矩特性的拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。
在現(xiàn)有技術(shù)中，三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的恒力矩調(diào)速主要采用PWM變頻調(diào)速器，實(shí)踐證明，該技術(shù)的調(diào)速性能是比較好的，但存在的問題仍不少，其中，最為突出的是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高昂和維修困難。即其性能價(jià)格比和維修仍不能為絕大多數(shù)的用戶所接受。就是為什么PWM變頻調(diào)頻調(diào)速器引進(jìn)我國(guó)多年但一直難于全面推廣的根本原因。
然而根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的恒力矩變頻無級(jí)調(diào)速器的工作原理，要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，使PWM變頻調(diào)速器和其它結(jié)構(gòu)形式的變頻調(diào)速器(如SCR相控式交一交變頻器、SCR交一直一交逆變式變頻器等)的性能價(jià)格比有較大幅度的降低是比較困難的，因?yàn)槠涔ぷ髟頉Q定了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是非常有限的，至于維修工作的難易，則從根本上來說取決于維修對(duì)象的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。因此要研制出簡(jiǎn)單可靠、低成本、維修容易的變頻無級(jí)調(diào)速器，必須突破原來的設(shè)計(jì)思想和方法，尋找到新的工作方法和原理，才有可能做得到。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是根據(jù)變頻無級(jí)調(diào)速器的工作原理，將電機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起為，使所設(shè)計(jì)出的變頻無級(jí)調(diào)速器，在主要性能上接近PWM的情況下，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，成本大幅度降低，同時(shí)使維修工作也變得簡(jiǎn)單容易。
在分析整機(jī)工作原理之前，先分析本發(fā)明的核心部分——機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器的工作原理，圖(1)為二極逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中a、b、c、d、e均為電刷，其中電刷a、b、c、分別與園心成120°的相等夾角，分布在換向器的外園表面，作為變頻輸出電刷，d、e為直流電源輸入電刷；F1、F2為滑環(huán)，它的作用是一方面對(duì)外與電刷d、e接觸，為供電電源的輸入提供通路，對(duì)內(nèi)，則以同一轉(zhuǎn)軸上的紫銅換向片M、N連成一體，即利用滑環(huán)來完成對(duì)旋轉(zhuǎn)逆變器傳輸電能的任務(wù)；換向片M和N組成了逆變器的主體一換向器，它們被相向地固定在絕緣轉(zhuǎn)軸上，與園心的夾角φ為120°～150°。逆變器工作時(shí)，由小功率直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
圖(2)為逆變器的工作接線圖，其中直流電源E1通過電刷d、e和滑環(huán)F1、F2向換向片M、N供電(為便于分析，將接電源正極的換向片M畫成白色，接電源負(fù)極的換向片N涂成黑色，以下同)，Y形接法的負(fù)載電阻Ra、Rb、Rc分別接在電刷a、b、c上，此外，由另一個(gè)電源向帶動(dòng)逆變器旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)供電，(這部分電路省略)，帶動(dòng)逆變器工作。
分析逆變器的工作狀態(tài)時(shí)，為方便分析，將逆變器的主體部分換向器和電刷a、b、c畫成展開圖，這樣，圖(2)轉(zhuǎn)畫成了圖(3)(注意，圖中省去了電源E1電刷d、e滑環(huán)F1、F2)。
從圖中可以看出，在t0—t1期間，換向器處于h1行的位置，此時(shí)，電刷a處于換向位置，電刷b與負(fù)極換向片相聯(lián)，電刷c則與正極換向片相聯(lián)，這樣，電流的流動(dòng)路線為從電源正極→電刷C→Rc→0點(diǎn)→Rb→電刷b→電源負(fù)極。這樣可寫出電流方程I=-Ib=Ic=ERb+Re]]>而負(fù)載電阻Ra＝Rb＝Rc＝R這樣不難計(jì)算出URa＝IaRa＝0URb=IbRb=-ERb+Rc·Rb=-E2RR=-E2]]>URc=IcRc=ERb+Rc·Rc=E2RR=E2]]>到t1—t2期間，換向器旋轉(zhuǎn)到h2行位置，此時(shí)，電刷a和c同時(shí)和正極換向片相接觸，電刷b仍和負(fù)極換向片相接觸，這樣，有電流方程I＝Ia＋I(xiàn)c＝-Ib即I=ERa//Rc+Rb=E12Ra+Rb=2E3R]]>這樣URa=12IRa=122E3R·Ra=E3]]>URb=IaRb=-2E3R·Rb=-23]]>URc=URa=E3]]>從t2～t3期間，換向器的位置如圖中h3行所示，此時(shí)電刷a和b不變，電刷C換向，用同樣方法可證明，此期間URa=12E]]>URb=-12E]]>URc＝0同樣，不難證明，在t3～t4期間URa=23E]]>URb=-E3]]>URc=-E3]]>t4～t5期間，則有URa=E2]]>URB＝0URC=-E2]]>根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，畫出URa、URb、URc在各期間對(duì)應(yīng)的電壓波形如圖(3)所示。從圖中看出，這三個(gè)電壓波形均為與正弦波近似的12階梯波，且在相位上相差120°。用同樣的方法，很容易證明，負(fù)載電阻Ra、Rb、Rc接成△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°。同樣，不難證明，將換向器上的換向片與園心夾角從150°逐漸變成120°時(shí)，輸出電壓波形將從12階梯波逐漸變?yōu)?階梯波，幅值不變，相位差仍為120°。
根據(jù)變頻無級(jí)調(diào)速原理，要保證負(fù)載電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的輸出力矩不變，其基本的條件是電動(dòng)機(jī)的磁通必須為恒定值，也即在交流供電電源中，必須保證電壓幅值和頻率之比為一恒定值即比值U/f不變。
本發(fā)明中，決定逆變器交流輸出頻率f的高低，是由帶動(dòng)換向器旋轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n來決定的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高則變頻器的輸出頻率f亦高，反之亦然，兩者之間有線性關(guān)系式f=np60]]>式中P為換向片的極對(duì)數(shù)，在圖(1)中，P＝1。
而決定直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n高低的因素是電樞的直流供電電壓Ed(勵(lì)磁電流恒定的條件下)，Ed高，則n高反之，Ed下降多少，則n同樣下降多少。在忽略電樞直流電阻的情況下，有關(guān)系式n＝Ed/Ceφ或?qū)懗蒃d/n＝Ceφ
即兩者之比亦為一恒定值。
在本發(fā)明中，變頻輸出相電壓，有效值U的大小，取決于直流供電電壓E1的大小，兩者之間的關(guān)系為U＝KE1式中，K為電壓變換系數(shù)，其數(shù)值的大小，取決于負(fù)載的接線方式。這樣可寫出下列表達(dá)式U/f=KE1np/60=KE1Ed·P60Ceφ=E1Ed·60KCeP·φ=E1EdφKB]]>KB=60KCeP]]>從以上表達(dá)式中，不難看出，要使變頻器的交流輸出電壓保持比值U/f為恒定值的根本條件是在直流電機(jī)的磁通φ為恒定的條件下，供給逆變主回路的直流供電電壓E1和供給直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ed之間保持恒定的比值不變。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電壓轉(zhuǎn)速特性與變頻輸出特性的不相符時(shí)，必須由兩個(gè)成比例可調(diào)的直流電源分別向逆變器和直流電動(dòng)機(jī)供電，如兩者持性相符，則可以取E1＝Ed，即僅用一個(gè)可調(diào)直流電源，同時(shí)對(duì)逆變主回路和直流電動(dòng)機(jī)供電。這樣，上式可寫成U/f＝φKB或?qū)懗蒛＝φKBf＝KE1
這個(gè)表達(dá)式是簡(jiǎn)單明了的，它說明在這樣的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，僅通過調(diào)節(jié)直流供電電壓E1的電壓值的大小，即可使變頻器的交流輸出電壓保持此值U/f不變，這正是恒力矩變頻調(diào)速系統(tǒng)所需要的。
本發(fā)明中，由于在結(jié)構(gòu)上采用機(jī)械式逆變器來作為逆變主回路，這樣，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)，由于感抗的影響，必然存在換向火花的問題。因此，在系統(tǒng)中，采用了特殊的換向火花消除電路，如圖(4)所示，圖中D1—D6、C1—C6分別稱為續(xù)流二極管和換向電容。為便于分析，將圖(2)所示的變頻器逆變主回路根據(jù)等效工作原理，畫成如圖(5)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電刷a、b、c組成的模擬開關(guān)。分析時(shí)參照?qǐng)D(3)的逆變過程圖，取圖中h3行即t2～t3期間，電刷c從電源正極換向到電源負(fù)極的過程，來說明火花消除電路的工作原理，先看圖中的h2行，即時(shí)間t1～t2期間，電刷a、c同時(shí)與正極換向片相接，電刷b則與負(fù)極換向片相接，這一過程用橋式等效電路來表示為模擬開關(guān)K1、K5和K4閉合，因此有電Ic、Ia經(jīng)K1、K5同時(shí)流入O點(diǎn)，然后再經(jīng)K4流回電源。到t2～t3期間，電刷a、b與換向器的聯(lián)接方式不變，而電刷C脫離正極換向片進(jìn)入了中間的換向區(qū)，這一過程表現(xiàn)在橋式等效電路中為模擬并關(guān)K1、K4仍閉合，而K5則從閉合轉(zhuǎn)換為斷開。在K5從閉合轉(zhuǎn)換為斷開的瞬間，由于負(fù)載為感性，所以，電流Ic必須連續(xù)，在這里，是由電容C5、C6來提供K5斷開后的電流的。這是因?yàn)镵5斷開前的狀態(tài)是K5閉合、K6斷開，所以，C5的端電壓因K5閉合短短路而為0，而C6的端電壓因K6斷開而充電到了電源電壓，這樣，在K5從閉合轉(zhuǎn)換為斷開的瞬間，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，爾后，C6開始對(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Ic5、Ic6的路線見附圖
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O，這樣，充放電過程結(jié)束，這時(shí)，負(fù)載中的感性電流將通過D6和K4形成閉合回路繼續(xù)流動(dòng)(該電流ID6的流動(dòng)路線見附圖(5)中的點(diǎn)劃線)。這種狀態(tài)一直維持到t3時(shí)刻，電刷C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C的換向過程結(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。
本發(fā)明實(shí)施方案的系統(tǒng)結(jié)線如圖(6)所示，圖中E1為電壓可調(diào)直流電源，E2為直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源，Z1為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，B為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器，D1—D6為續(xù)流二極管，C1—C6為換向電容，Z2為負(fù)載電機(jī)。
本系統(tǒng)的工作過程為，先給Z1的勵(lì)磁繞組接上電源E2，然后E1從O開始起調(diào)，當(dāng)E1電壓上升到某一個(gè)較低值時(shí)，Z1開始從O啟動(dòng)，Z1啟動(dòng)后，帶動(dòng)逆變器中的換向器運(yùn)轉(zhuǎn)，逆變器開始輸出變頻后的交流電壓，負(fù)載電機(jī)Z2啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；爾后，E1繼續(xù)升高，則Z1轉(zhuǎn)速亦相應(yīng)提高，從而導(dǎo)致B的逆變速度跟著上升，這樣，變頻輸出的交流電壓和頻率也同步上升，相應(yīng)地Z2的轉(zhuǎn)速也上升到相應(yīng)的值；到E1的值到達(dá)最大值時(shí)，Z1的轉(zhuǎn)速也達(dá)到了最大，這樣，逆變器輸出的交流電壓和頻率也同樣達(dá)到了最大，最后，使Z2也在最高速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。反之，將E1從最高電壓值往下調(diào)，則同樣的結(jié)果，必然導(dǎo)致Z2的轉(zhuǎn)速?gòu)淖罡咧迪陆档较鄳?yīng)的數(shù)值。
在實(shí)施方案中，可調(diào)直流電源E1的實(shí)現(xiàn)，在方法上，可用多種方式來完成，如可控硅相控變流方式，調(diào)壓器加整流濾波方式，高頻斬波方式均可，這些方法，均為現(xiàn)有技術(shù)中的成熟技術(shù)，因此，就不再作論述了。
另外，在本系統(tǒng)中，換向火花的大小與系統(tǒng)的工作狀態(tài)如轉(zhuǎn)速的高低、負(fù)載力矩的大小等均有關(guān)系。因此，在一些調(diào)速范圍和負(fù)載力矩均變化較大的系統(tǒng)中，僅用一組換向電容比較難以兼顧各方面的效果，往往是低頻，重載時(shí)效果好的話，則在高頻、輕載時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)因電容器的容量過大而形成放電火花(這種放電火花和換向火花相比，不僅產(chǎn)生的原因不同，其對(duì)換向器和電刷的危害甚至比換向火花更嚴(yán)重)，反過來，如果在高頻、輕載的條件下，不出現(xiàn)任何火花的話，則在低頻、重載的情況下，換向火花就可能達(dá)到不可忽視的程度。因此，在條件許可時(shí)，可以采用兩組或兩組以上的換向電容電路，然后通過自動(dòng)切換電路來將相應(yīng)容量的電容器接入電路，實(shí)踐證明是可以的。
此外，根據(jù)同樣的工作原理可以證明，用三個(gè)無極性電容器接成丫形或△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。唯一不同之處是，在此必須使用無極性電容。
權(quán)利要求1.一種適用于對(duì)三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒力矩?zé)o級(jí)調(diào)速的非靜止式變頻無級(jí)調(diào)速器，由可調(diào)直流供電電源、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器、小功率直流電動(dòng)機(jī)和換向火花消除電路組成，其特征如下(a)、由一個(gè)可調(diào)直流電源E1同時(shí)向機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器B和小功率直流電動(dòng)機(jī)Z1供電；(b)、用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器B作為本系統(tǒng)逆變主回路的功率開關(guān)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非靜止式變頻無級(jí)調(diào)整速器，期特征如下(a)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器B由電刷、滑環(huán)、換向器、軸以及軸承等組成；(b)、二級(jí)換向器由兩塊與園心成120°到150°夾角的園弧形紫銅換向片M、N相向地固定在絕緣環(huán)的兩側(cè)組成；(c)、滑環(huán)F1、F2和換向器一起固定在同一根軸上，同時(shí)，滑環(huán)F1與換片M之間通過導(dǎo)體相連，滑環(huán)F2與換向片N也通過導(dǎo)體相連；(d)、電刷a、b、c分別與園心成120°的相等夾角，分布在換向器的外園表面，作為逆變器的三相交流輸出端。(e)、電刷d、e分別與滑環(huán)F1、F2相接觸，作為逆變器直流電源的輸人端。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的非靜止變頻無級(jí)調(diào)速器，其特征如下(a)、換向火花消除電路由二極管和電容組成；(b)、二極管D1-D6組成三相橋式電路后，并聯(lián)在系統(tǒng)的直流電源E1的正、負(fù)端及交流輸出端a、b、c電刷上；(c)、電解電容器C1-C6同樣以三相橋式電路的方式聯(lián)接后，并聯(lián)在系統(tǒng)的直流電源E的正負(fù)端和交流輸出端a、b、c電刷上；(d)、也可采用三個(gè)無極性電容器，接成Y形或△形接法，然后并聯(lián)在系統(tǒng)交流輸出端來解決。
專利摘要本實(shí)用新型屬交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒力矩變頻無級(jí)調(diào)速范疇，其特點(diǎn)是采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式逆變器作為系統(tǒng)逆變主回路開關(guān)元件，并采用換向火花消除電路解決逆變器工作時(shí)出現(xiàn)的火花，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程只需通過改變直流供電電源的電壓即可完成，輸出電壓波形為近似正弦且相位差為120°的12階梯波，調(diào)速范圍從0速到超同步均可，與現(xiàn)有技術(shù)中PWM變頻無級(jí)調(diào)速器相比，具有結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單、成本低，可靠性高，維護(hù)方便特點(diǎn)。適用于對(duì)各種力矩特性的拖動(dòng)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。
文檔編號(hào)H02M7/54GK2249990SQ9521198
公開日1997年3月19日 申請(qǐng)日期1995年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月25日
發(fā)明者盧誠(chéng), 胡明輔 申請(qǐng)人:盧誠(chéng)