专利名称：混合变频调速装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合变频调速装置，属于电力变流领域。
交流电动机变频调速一般分为变极调速、变滑差调速、变频调速三种方式。其中变频调速是一种理想的先进的调速方式，而目前国内外流行的变频调速装置如引进日本三菱FREQOL-F2系列，东芝TOSUERT-130G系列及我国自行开发研制的变频装置等均为静止式全电子变频调速装置，其逆变器的主电路需要六组大功率电子元件组成，构成三相六臂静态开关，按触发分配器的顺序控制静态开关的通断实现三相逆变，由于全电子三相逆变器大功率电子元件用量多，电路复杂，装置体积大，造价高，故障频次随机分布，检修直观性差，随变频装置的容量增大，元件串并联数量增加，缺点更为突出，推广应用受到价格和技术上的限制。
本发明的目的是提供一种电路简单，造价便宜，性能优良的用于交流电动机的混合变频调速装置。
该混合变频调速装置，是由整流电源(100)、逆变器等组成，其特征在于逆变器为混合逆变器，是由电子换向桥(200)、变流子(300)、换向桥控制单元(400)、驱动装置(500)所组成，电子换向桥(200)的输出与一个旋转的变流子(300)为接触电联接，换向桥控制单元(400)的旋转部分为信号片(401)，信号片(401)与变流子(300)及驱动装置中的伺服电机(501)装在同一轴上，换向桥控制单元(400)的静止部分由检测元件(402)和门极控制电路(403)所组成，信号片(401)对应于变流子(300)的转角位置，经检测元件(402)和门极控制电路，控制电子换向桥(200)中可控整流元件的交替“通”、“断”使负载电流换向，再经变流子的滑动接触传导电流，实现将直流电变为所需频率的交流电。
由整流电源(100)、电子换向桥(200)、变流子(300)、换向桥控制单元(400)、驱动装置(500)所组成的混合变频调速装置，它的变流子是由集电环(301、302、303)，变流环(307、308、309、310)，输入电刷(304、305、306)和输出电刷(312、313、314)所组成，在输入电刷中，接正电位的为正电刷(304)，接负电位的为负电刷(306)，接交变电位的为换向刷(305)，在集电环中，由正刷引入正电位的称为正环(301)，由负刷引入负电位的称为负环(303)，由换向刷引入交变电位的称为换向环(302)，集电环(301、302、303)为导电的整园环，变流环沿园周按设计分割成4片或4的倍数的导电片，其顺序为正片(307)、换向片(308)、负片(309)、换向片(310)循环排列。正片、换向片、负片之间有较小的绝缘间隔，正片(307)与正环(301)电联接，负片(309)与负环(303)电联接，换向片(308、310)与换向环(302)电联接，集电环(301、302、303)和变流环(307、308、309、310)可绕X轴旋转，输入、输出电刷相对X轴静止，输入电刷(304、305、306)与集电环(301、302、303)之间、输出电刷(312、313、314)与变流环(307、308、309、310)之间为滑动电接触。
换向桥控制单元的信号片(401)是一个园盘或园筒，在园盘或园筒上沿360°按所需相数设置信号带。
本发明的又一主要特征在于混合变频调速装置所用的信号片上的信号带可以按抑制谐波的需要设置，即设计要求输出线电压用富氏级数展开，并设定所需抑制谐波幅值最小值，求出线电压波形，叠加出相电压波形后，计算出各相电位Ua(t)、Ub(t)、Uc(t)，由Ua(t)+Ub(t)+Uc(t)得到Q点电位Uq(t)，信号带上的遮光区域在360°园周上与Uq(t)对应。
变频调速装置的输出波形对电机运行有较大的影响，过高的谐波幅值会恶化电机的性能。混合变频调速装置在保证较理想经济性的前题下，又能使输出波形中的谐波分量得到有效的抑制，比六阶梯波的变频调速装置的性能有较大的提高，可拓宽变频调速的应用领域。
该装置逆变过程中电子换向桥既承担分时为三相负载换向又分时为三相负载实施双极性通断调制，使三相负载的线电压波形按各次谐波的特定角度切割成若干凹口，以达到抑制对电机运行性能影响较为显著的5、7、11次谐波，又使电子换向桥的开关频次较少，降低开关损耗。
本发明具有以下优点1.利用了电子静止换向无火花和机械接触传导简单可靠的特点，克服了直流电机类机械换向器受换向能力制约制造容量的上限的限制，使混合逆变原理，电子辅助换向理论可延伸至其它相近的领域中应用。
2.简化了电路、降低了造价、利于推广。本发明与全电子三相逆变器比较，主电路的功率电子元件用量减少了三分之二，控制电路也得到相应的简化，与150KVA同等容量全电子式三相逆变器相比，本发明逆变器部分造价降低60～65%，构成变频调速装置造价降低45～55%，有利于交流变频调速技术在工业领域的广泛应用。
3.降低了故障的随机分布，增强了可靠性，由于本发明电路简单，大大地减少了功率电子元件的用量因电子元件参数劣化而导致的随机分布的故障率会大大减少;电刷类器件可以用予测性的简便维护保证设备的可靠运行。
4.实现多重化简便经济，可适用超大容量的功率迭加。
5.并能适应一些多相特殊电机的要求，能使多相交流电机获得直流电机相似的调速性能。
6.实现了谐波选择抑制，可以有效地抑制11次以下的谐波，改善了电机的运行性能。
本发明的实施例参见下列各图图1为本发明的原理方框图;
图2为本发明的原理图;
图3为变流子电气符号图，也是变流子转盘型布置图;
图4为本发明的变流子轴向布置原理结构图;
图5为本发明的等效电路图;
图6a～f为逆变过程动态示意图;
图7为信号片;
图8为按图7第①条信号通道控制换向桥时的负载电压波形图，信号通道相差60°;
图9为信号片内信号通道按如图7第③条通道控制换向桥时的信号负载电压波形图。
图10三相负载电刷在换向片上运行时对应电子换向桥通断调制开关角示意图。
图1，由整流电源(100)，电子换向桥(200)，变流子(300)，换向桥控制单元(400)驱动装置(500)，三相负载(600)等六部分组成。
图2，由市电经整流器(101)整流后获得直流电源，也可由蓄电池供电，并经电容C滤波，成为平滑的直流电，后输入到电子换向桥(200)和变流子(300)。电子换向桥的静态开关换向与变流子的旋转，按序变换相位，接触传导电流同步配合动作，联合完成将直流电逆变为三相交流电，输入到三相负载。
为了保证变流子(300)旋转按序换相与电子换向桥(200)静态开关换向同步配合，本发明设有变流子驱动装置(500)和换向桥控制单元(400)。变流子驱动装置由驱动控制电源(501)和驱动伺服电机(502)组成。驱动控制电源可根据负载需要控制驱动伺服电机的转速，从而达到调节逆变频率的目的。换向桥控制单元由信号片(401)、检测元件(402)和门极控制电路(403)组成。信号片是一块相间开设了三个60°缺口扇面的图形，它与变流子(300)同轴随动。检测元件(402)采用光敏元件或电磁元件，检测元件固定静止安装，门极控制电路(403)、频率信号检测元件(102)、频压转换电路(103)均为常规电路。当信号片与变流子同轴随动时，信号片的缺口区开放检测元件的光照感应输出为“1”态，信号片扇面遮挡检测元件的光照，感应输出为“0”态，当信号送入门极控制电路整定为“1”态时，令电子换向桥的电子开关T1导通，T2关断;“0”态时T1关断，T2导通。变流子每旋转60°角，电子换向桥的电子开关的通断关系变换一次。检测传感元件是非接触传感，也可以是机械触点式的接触传感。
承担为三相负载电流换向是由电子开关元件-可关断晶闸管T1、T2，二极管D1、D2组成电子换向桥。电子换向桥可以是有自关断能力的关断晶闸管(GTO)，大功率巨型晶体管(GTR)，场效应大功率管(MOSFET)组成。也可以是需带辅助关断回路的晶闸管。逆导晶闸管等大功率电子元件组成。还可以采用其它一些新型大功率电子元件。
图3、图4，是本发明设计的变流子，图4为轴向布置图，在绝缘的轴上安置了三只导电的滑环称为集电环正环(301)、负环(303)、换向环(302)，每只滑环上有一组电刷与之接触正刷(304)、负刷(306)换向刷(305)。正环、正刷、负环、负刷、换向环、换向刷构成变流子的输入回路。在轴的另一部位由数片集电片围成一个园周。以四片为例一片正片，一片负片，两片换向片。并以换向片(308)、正片(307)、换向片(310)、负片(309)的顺序相间排列;片间用绝缘材料隔离。由换向片正片，换向片负片及片间绝缘围成的园周称为变流环。在变流环的园周上有三相输出电刷与之接触，三相输出电刷为A相刷(312)、B相刷(313)、C相刷(314)。三相输出电刷在园周上以120°几何角分布，由变流环和三相输出电刷构成变流子的输出回路。输入回路的集电环与输出回路变流环的各集电片内部用导电材料对应联接。
变流子还可以设计成转盘型把转轴型的结构展开变为转盘型平面布置，其组成结构与转轴型类同，如图3。也可以有其它类型的变形结构。
对一些特殊的负载，变流环的园周上可以设置五相、七相等多相输出电刷，适用多相负载的需要，成为多相混合变频调速装置。
变流子不论是转轴型结构、转盘型结构或其它变形结构以图3的电气符号表示。
将本发明的电路以图5的形式等效，并将由换向片(308)、正片(307)、换向片(310)、负片(309)围成的园周以逆时针的方向分为六个工作区，Ⅰ)0°～60°，Ⅱ)60°～120°，Ⅲ)120°～180°，Ⅳ)180°～240°，Ⅴ)240°～300°，Ⅵ)300°～360°。并把换向片(308)(310)的几何中心线-变流子几何角的0°、180°定为变流子的0°、180°电气换向线。逆变过程中轴以顺时针旋转时，每当三相负载任意一相电刷与换向片(308)接触，在电刷的中心线与0°电气换向线重合，并越过时，电子换向桥的电子开关(T2)关断，(T1)导通。换向片(308)(310)的电压极性由负变正，该相负载的端电位由负变正，电子换向桥为该相负载承担了电流换向，电流流经电子开关(T1)换向瞬间另外两相电刷一相在与正片接触，一相与负片接触，负载的端电位与所接触的正片、负片相同，负载电流直接接触传导。每当三相负载电刷中任意一相与换向片(310)接触，在该向电刷的中线与180°电气换向线重合并越过时，电子换向桥电子开关(T1)由导通变为关断、(T2)由关断变为导通，换向片(308)(310)电压极性由正变负，该相的端电压由正变负，电子换向桥为该相承担了电流换向，电流流经电子开关(T2)，另外两相电刷，一相与正片接触，一相与负片接触，这两相的电流直接接触传导，因此三相负载电流的换向是一相负载电刷在换向片上。另外两相电刷，一相在正片，一相在负片，电子换向桥的电子开关动作，为在换向片上的该相负载换向，随着轴的转动这个变化循环进行。
逆变的动态过程中，负载电流在各相电刷与正片或负片接触是直接传导的，与换向片接触时，电流流经电子开关。电子换向桥在结束换向的瞬间无功负载电流流经续流二极管(D1)或(D2)然后反向，从电子开关(T1)或(T2)上流通，当轴转动，负载电刷短接绝缘槽时，此时电子开关在换向后仍保持导通，换向片与要移入的正片或负片电位相等(差一个电子换向桥的臂阻值)，短接绝缘槽的电刷同时与换向片和正片或负片接触，该电刷从换向片和正片或负片两个部分传导电流。各部分的电流大小取绝于各支路的内阻，即电子换向桥的臂参数和电刷在各片上的接触面积，随轴的转动，电刷在两片之间的接触面积改变，各支路的电流强度随之改变，待电刷完全移入正片或负片，或由正片或负片移入换向片，该相负载电流转为直接接触传导，或流经电子换向桥再经电刷与换向片的接触传导到负载。
图6a-f详细叙述本发明的一周动态过程经整流滤波后直流电源的正极、负极分别由正刷(304)、正环(301)、负刷(306)、负环(303)输入到正片(307)、负片(309)，电子换向桥(200)的Q点电位经换向刷(305)换向环(302)输入到换向片(308)(310)。变流轴旋转过程中正片电压极性保持为正，负片电压极性保持为负，换向片的电压极性取决于电子换向桥Q点的电位。电子开关(T2)关断(T1)导通，换向片(308)(310)同为正，电子开关(T1)关断(T2)导通，换向片(308)(310)同为负。
动态过程Ⅰ，图6a轴转角0～60°A相刷从Ⅵ区移入Ⅰ区，运行在Ⅰ区，A相端电压为正;B相刷从Ⅳ区移入Ⅴ区运行在Ⅴ区，B相端电压为负;C相刷从Ⅱ区移入Ⅲ区，运行在Ⅲ区，C相端电压为正。A相刷从Ⅵ区移入Ⅰ区时，A相刷的中心线与变流轴0°电气换向线重合并越过，信号片(401)开放检测元件(402)的光照，门极控制电路(403)的输出端子(404)为“1”态、(405)为“0”态，电子开关(T2)由导通变为关断，(T1)由关断变为导通，并在轴转角0～60°保持。换向片(308)(310)的电压极性此期间保持为正。
动态过程Ⅱ，图6b轴转角60°～120°，A相刷从Ⅰ区移入Ⅱ区运行在Ⅱ区，A相端电压为正;B相从Ⅴ区移入Ⅵ区，C相从Ⅲ区移入Ⅳ区时，C相刷中心线与180°电气换向线重合并越过180°电气换向线，信号片(401)遮挡检测元件(402)的光照，门极控制电路(403)的输出端(404)为“0”态，电子开关(T1)由导通变为关断，输出端子(405)为“1”，电子开关(T2)由关断变为导通，并在轴转角60°～120°保持换向片(308)(310)的电压极性此期间保持为正。
动态过程Ⅲ～Ⅵ同以上过程类推，上述过程周而复始实现混合逆变。各相负载相电压、线电压示于图8。
图7为本发明使用的信号片，图中①为上述实施例即三相负载产生六阶梯波的信号带，如图8波形所示，②为抑制五次谐波的信号带，③为抑制5、7、11次谐波的信号带，④为调压检测信号带。
三相负载输出六阶梯波的信号带的区域设计方法是360°/3/2＝60°图9a、b为用第③条信号带检测信号时的电压波形图。
下面结合图7、图9将抑制5、7、11次谐波的信号带的设计原理作进一步说明。
首先设定1)变流环直径按下式设计φ≥ (12B)/(Π) 式中B为电刷厚度;
2)电子换向桥T1T2的通断时序，周期(脉宽)由信号片设定;
3)信号片的几何0°与变流子的几何0°严格对应;
根据设计要求将装置输出的线电压波形确定如图9b所示，此波形能抑制5、7、11次谐波，用富氏级数展开，其展开式为
U1(t)＝
B ksintk＝1＝B1Esint+B3Esint+B5Esint+B7Esint+B9Esint+B11Esint+B13Esint+……2 Π/2式中 Bk＝-∫ UAB(t)sinK td tΠ 0UAB(t)为线电压幅值.
0 0≤t1≤∝12E ∝1≤t2≤∝2UAB(t)＝{0 ∝2≤t3≤∝32E ∝3≤t4≤∝40 ∝4≤t5≤∝52E ∝5≤t6≤∝6其中∝1＝12°，∝2＝18°，∝3＝30°，∝4＝42°∝5＝48°，∝6＝90°。
∝1～6是通过逼近法得到的，使UAB(t)的电压幅值复合谐波选择抑制要求的线电压波形，如图9b所示，求得B1＝1.043E，B5＝0，B7＝0.061E，B11＝0.044E，B13＝0.13E。
其工作过程是变流子转动过程中当三相负载中的一相完全移入换向片，而另外两相分别处在正片，负片期间，电子换向桥对移入换向片的该相进行双极性调制。以A相刷从负片移入换向片后为例如图10，图中β0＝0°，β1＝12°，β2＝18°，β3＝348°，β4＝342°，A相刷从负片完全移入换向片，
A相刷脱离了与负片的接触，当电刷的中线与轴几何角342°重合，信号片给出光信号令T2关断，T1导通，电子换向桥Q电位由负升到正，负载A相的端电位由负变正，轴转动，A相刷中线移到与轴几何角348°重合，信号片给出信号令T1关断，T2导通，Q点输出为负，负载A相端电压由正降为负;轴转动，A相刷中线与0°(360°)线重合，信号片给出光信号令T2关断，T1导通，Q点输出为正，负载A相的端电位由负升为正。轴转动，A相刷中线与轴12°线重合，信号片给出信号令T1关断，T2导通，Q点输出为负，A相负载端电压由正降为负。轴转动，A相电刷中线与轴18°重合，信号片给出光信号令T2关断，T1导通，Q点的输出为正，A相端电压为正。此时开始，A相电刷跨越绝缘槽，从换向片移入正片;同时C相电刷跨越绝缘槽，从正片移入换向片。此过程为轴转角的18～42°，占取了Π/15的园周。在A相刷移至轴几何角42°，A相刷已脱离了与换向片的接触，完全移入了正片，A相端电位为正并在几何角18°～162°区间内保持。同时C相刷已脱离了与正片的接触，完全移入了换向片，电子换向桥根据信号片设定的时序对C相进行双极性通断调制。
由此可见采用以上调制方式的谐波幅值比六阶波有显著的降低，并且由于电机电感的滤波作用，对高次谐波呈现较大的阻抗，因此高次谐波电流较小，对负载不致产生明显的影响。
图1.混合变频调速装置方框图100-整流电源，200-电子换向桥，300-变流子，400-换向桥控制单元，500-驱动装置，600-负载;
图2.混合变频调速装置原理接线图101-可控整流器，102-频率信号检测元件，103-频压转换电路，104-整流控制电路，T1、T2-可控整流元件，D1、D2-整流元件，300-变流子，401-信号片，402-信号检测控制单元，403-门极控制电路，501-驱动电机，502-驱动电机控制电路，600-负载;
图3.变流子原理图，也是转盘型布置图;图4.变流子轴向布置图;图5.混合逆变器等效电路图;301-正环，302-换向环，303-负环，304、305、306-正刷、换向刷、负刷是输入电刷，307-正片，308-换向片，309-负片，310-换向片，312、313、314-正刷、换向刷、负刷是输出电刷;401-信号片，402-信号检测元件，403-门极控置电路，404、405-输出端子，ZA、ZB、ZC-负载，E整流源，X-转轴，Ⅰ)区0～60°，Ⅱ)区60°～120°，Ⅲ)区120°～180°，Ⅳ)区180°～240°，Ⅴ)区240°～300°，Ⅵ)区300°～360°;
图6.逆变过程示意图a)变流子旋转0～60°状态图，b)变流子旋转60°～120°状态图，c)变流子旋转120°～180°状态图，d)变流子旋转180°～240°状态图，e)变流子旋转240°～300°状态图，f)变流子旋转300°～360°状态图;
图7为本发明使用的信号片，图中①为上述实施例即三相负载产生六阶梯波的信号带，②为抑制五次谐波的信号带，③为抑制5、7、11次谐波的信号带，④为调压检测信号带。
图8.负载相、线电压波形图UA(t)-A相相电压波形图，UB(t)-B相相电压波形图，Uc(t)-C相相电压波形图，d)UAB、UBC、UCA-线电压波形图;
图9.抑制5、7、11次谐波的波形图Uq(t)-换向桥Q点电位图，UA(t)、UB(t)、UC(t)-A、B、C三相点电位图，UAB(t)、UBC(t)、UCA(t)线电压波形图;
图10.三相负载电刷在换向片上运行时对应电子换向桥通断调制开关角示意图，开关角用β0、β1、β2、β3、β4表示。
权利要求
1.一种混合变频调速装置，它是由整流源(100)、逆变器等组成，其特征在于逆变器为混合逆变器，是由电子换向桥(200)、变流子(300)、换向桥控制单元(400)、驱动装置(500)所组成，电子换向桥的输出与一个旋转的变流子(300)相联接，换向桥控制单元(400)的旋转部分为信号片(401)，信号片(401)与变流子(400)及驱动装置中的司服电机(501)装在同一轴上，换向桥控制单元(400)的静止部分由检测元件(402)和门极控制电路(403)所组成，信号片(401)对应于变流子(300)的转角位置，经检测元件(402)和门极控制电路，控制电子换向桥(200)中可控整流元件的交替“通”、“断”，再经变流轴的滑动接触传导改变负载电流方向，实现将直流电变为所需频率的交流电。
2.根据权利要求1所述的混和变频调速装置，它是由整流电源(100)、电子换向桥(200)、变流子(300)、换向桥控制单元(400)、驱动装置(500)所组成，其特征在于它的变流子是由集电环(301、302、303)，变流环(307、308、309、310)，输入电刷(304、305、306)和输出电刷(312、313、314)所组成，在输入电刷中，接正电位的为正电刷(304)，接负电位的为负电刷(306)，接交变电位的为换向刷(305)，在集电环中，由正刷引入正电位的称为正环(301)，由负刷引入负电位的称为负环(303)，由换向刷引入交变电位的称为换向环(302)，集电环(301、302、303)为导电的整园环，变流环沿园周按设计分割成4片或4的倍数的导电片，其顺序为正片(307)、换向片(308)、负片(309)、换向片(310)循环。正片、换向片、负片之间有较小的绝缘间隔，正片(307)与正环(301)电联接，负片(309)与负环(303)电联接，换向片(308、310)与换向环(302)电联接，集电环(301、302、303)和变流环(307、308、309、310)可绕X轴旋转，输入、输出电刷相对X轴静止，输入电刷(304、305、306)与集电环(301、302、303)之间，输出电刷(312、313、314)与变流环(307、308、309、310)之间为滑动电接触。
3.根据权利要求1所述的混合变频调速装置，其特征在于换向桥控制单元的信号片(401)是一个园盘或园筒，在园盘或园筒上沿360°按所需相数设置信号带。
4.一种可抑制谐波的混合逆变器中信号片的设计，其特征在于信号片上的信号带是按抑制谐波的需要设置的，即设计要求输出线电压用富氏级数展开，并设定所需抑制谐波幅值最小值，求出线电压波形，叠加出相电压波形后，计算出各相电位Ua(t)、Ub(t)、Uc(t)，由Ua(t)+Ub(t)+Uc(t)得到Q点电位Uq(t)，信号带上的遮光区域在360°园周上与Uq(t)对应设置。
全文摘要
本发明是一种由整流电源和混合逆变器组成的混合变频调速装置，其混合逆变器是由电子换向桥(200)、变流子(300)、检测控制单元(400)、驱动装置(500)等组成，逆变过程是由电子换向桥承担负载电流换向，机械变流子旋转变换相位，滑动接触传导电流向负载输出交流电。此装置能抑制谐波，改善电机运行性能，可用于交流电动机变频调速。
文档编号H02M7/64GK1065364SQ9110174
公开日1992年10月14日 申请日期1991年3月22日 优先权日1991年3月22日
发明者吴炎喜 申请人:吴炎喜