专利名称：一种动态的变频变流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及一种动态的变频变流的方法及其装置，特别是涉及一种用换向器将直流变成交流或将交流变成直流的方法和实现该方法的装置。
目前大量使用的变流装置是采用晶闸管或可控硅等半导体器件构成的。虽然这种变流装置已可满足大部分复杂的变频变流的要求，但一般说来，当技术指标越复杂，容量要求越高以及稳定性要求越苛刻的变流装置，其对于主要元件，即昌闸管的技术要求相应地就越高。除此以外，采用大容量晶闸管器件构成的变流装置也变得越来越复杂，造价相继上涨。
在美国专利US2493354中公开了一种动态的变流装置，它是用转动的触点来进行换流的。很明显这变流装置是很复杂的，由于触点在转动所以工作起来也是不可靠的。
本发明的目的在于力图从根本上克服现有技术中的不足，而提供一种利用转动的换向器来变频变流的方法，同时也提供了一种根据该方法产生的变频变流装置。
上述的发明目的是通过下述的方法来解决的，该方法是通过换向器电刷，换向器，集电环，集电环电刷，变压器和原动机等主要构件来进行换流的，其具体步骤是第一步通过换向器的电刷把直流电源一端输入给转动的换向器，由转动的换向片把平稳的直流电转换成矩形波直流电;
第二步把换向片输出的矩形波直流电输入给与换向片分别连接且与换向器同轴转动的集电环，转动的集电环将矩形波直流电输入给与集电环对应的集电环电刷;
第三步由两组集电环电刷来分别改变输入变压器的两组初级绕组的电流方向和电位;
第四步由变压器的两组初级绕组两端分别产生大小相等、方向相反脉动直流电压;
第五步通过变压器磁耦合在次级绕组的两端产生交流电压。
变压器次级绕组输出的交流电的频率是通过调整换向器的转速来改变。通过增加或减少换向器的换向片，以及与其对应的每组集电环及电刷的数目，增加或减少变压器的两组初级绕组的抽头数目，同时增加或减少其他附件，可以在变压器两组初级绕组上分别产生一阶、二阶、三阶……的矩形波的迭加波。在变压器的两组初级绕组的两端分别并联一定容量的电容器，即可在变压器的两组初级绕组的两端分别产生平滑的脉动直流电压，在变压器的次级绕组两端产生平滑的交流电。
在换向器转速一定的条件下，增加换向器换向片的组数，在变压器的次组绕组的两端输出的交流电的频率随着提高。
在整流时则是换向器的换向点与同步电机的极靴的中点重合，用与交流电源同步的电机来拖动换向器轴转动后，在变压器的次组绕组的两端输入其交流电源，在变压器的初级绕组的公共端和换向器的电刷上产生脉动的直流电压，通过调整集电环电刷与变压器初级绕组的接法，在变压器的两组初级绕组的公共端和换向器的电刷上产生斩波的直流电压。
将多组换向器和与其相对应的集电环放置在同一根轴上，换向器电刷分别通入同一直流电源，通过改变各换向器的换向点，在它们组合的变压器的输出端可产生任意相位差的多相交流电。
本发明的目的也通过下述的一种动态的变频变流装置得以实现。该动态的变频变流装置包括直流电源，原动机，换向器电刷，换向器，甲组和乙组集电环，甲组和乙组集电环电刷，变压器初级绕组L1和L2，变压器次组绕组L3，和交流负载。其中直流电源的一个极与换向器电刷的输入端相连，换向器电刷的输出端与换向器的输入端相连，换向器的2n组输出端分别与甲组集电环和乙组集电环的输入端相连，一个原动机同时带动换向器，甲组集电环和乙组集电环转动，甲组集电环的输出端与对应的甲组集电环电刷的输入端相连，甲组集电环电刷的输出端分别与变压器初级绕组L1的输入端相连，乙组集电环的输出端与对应的乙组集电环电刷的输入端相连，乙组集电环电刷的输出端分别与变压器初级绕组L2的输入端相连，初级绕组L1和L2的输出端各串联一只二级管后联接在一起与直流电源的另一极相连，变压器初级绕组L1和L2分别通过磁耦合与变压器次级绕组L3相联，变压器次级绕组L3的两端输出供给负载的交流电压。上述换向器是由偶数组换向片组成的。
本发明的变频变流装置具有自换相逆变器和外部换相逆变器的许多优点，它可以获得任意相位差的多相交流电，任意阶次波迭加的脉动直流电，任意频率的交流电和任意波形的交流电。
下面将结合
通过实施例的形式更详细地描述本发明。
图1是根据本发明的动态的变频变流装置的A相变流器的电路方框图(B相和C相、D相等多相结构与A相相同);
图2是根据本发明的变频变流装置中的一个具体的电路图;
图3是根据本发明的变频变流装置中的一种换向器的立体图;
图4是图3所示换向器的顶视图;
图5是根据本发明变频变流装置中的另一种换向器的立体图;
图6是图5所示换向器的径向截面图;
图7是与换向器配合使用的一种集电环的截面图;
图8是与换向器配合使用的另一种集电环的截面图;
图9是本发明的变频变流装置可输出五种电压波形的波形图;
在图1所示的动态变频变流装置的电路方框图仅仅是对多相变流装置的A相进行了描述，而其他各相的电路结构与A相完全相同，只是换向时刻较A相分别晚 (2π)/(x) (x＞1)。为了简单清楚起见，在此只对A相进行描述。
在图1所示的动态变频变流装置中包括了直流电源1，换向器电刷2，换向器3，甲组和乙组集电环4和5，甲组和乙组集电环电刷6和7，变压器初级绕组L18和L29(带有二极管编号)，变压器次级绕组L310，矩形波负载11，脉动直流负载12，交流负载13和原动机14。其中甲组集电环电刷6和乙组集电环电刷7在需要时可分别直接输出矩形波电源以供给矩形波负载11，而变压器初级绕组L18和L29在需要时可分别直接输出脉动直流电源以供给脉动直流负载11。
上述换向器(3)的换向片是在一个水平圆盘上布置，换向片之间是相互绝缘的，另外，换向器(3)的换向片也可以是在一个圆柱体的圆周表面上布置的。变压器初级绕组是通过把绕组的中心抽头断开，将其分成两个对称的初级绕组L18和L29，绕组L18和L29的电抗是相等的，而且在绕组L18和L29上对称的抽头对于公共端的电抗也是相等的。将多组换向器和与其相对应的集电环设置在同一根轴上，改变换向器相互之间的换向点，在各换向器电刷上通入同一直流电源，即在组合的变压器的输出端可产生任意相位差的多相交流电。
图2也是本发明的一种变频变流装置，是其中A相的具体电路图，在图中U是直流电源，2是换向器的电刷，15是换向器上换向片的展开图，在展开图上A1至A24是主换向片，K1至K4是过渡换向片，其A1至A12是正半周主换向片，A13至A24是负半周主换向片。K1和K3是负半周过渡换向片，而K2和K4是正半周过渡换向片，换向片之间是绝缘的。换向片A1至A24和K1至K4分别与对应的集电环B1至B12和K1′至K4′连接，其中换向片A1和A12与集电环B1连接，换向片A2和A11与集电环B2连接，换向片A3和A10与集电环B3连接，换向片A4和A9与集电环B4连接，换向片A5和A8与集电环B5连接，换向片A6和A7与集电环B6连接。负半周主换向片A13至A24与集电环B7至B12的连接同上述规则相同，因此不再描述。集电环B1至B12，K1′至K4′分别与各自的集电环电刷F1至F12和FK1至FK4连接。其B1和B7是特殊集电环。甲组正半周集电环电刷F1至F6分别与对应的变压器初级绕组L1的抽头E1至E6连接，而乙组负半周集电环电刷F7至F12分别与对应的变压器初级绕组L2的抽头E7至E12连接。集电环电刷FK1通过串接一个由电阻R1和电容C5并联组成的支路与集电环电刷F7连接，集电环电刷FK2通过串接一个由电阻R2和电容C6并联组成的支路与集电环电刷F1相连，集电环电刷FK3通过串接一个由电阻R3和电容C7并联组成的支路也与集电环电刷F7连接，而集电环电刷FK4通过串接一个由电阻R4和电容C8并联的支路也与集电环电刷F1连接。在变压器初级绕组L1和L2的两个端部分接头上E1和B之间及E7和A之间分别有电容器C1和C2。在变压器初级绕组L1的B端接有一个二极管D1的阴极，在L2的A端接有一个二极管D2的阴极，二极管D1和D2的阳极相连并与直流电源U的正端相连。在变压器次级绕组L3的输出端上并联有一个电容C3。
对上述的变压器L是特殊的变压器，绕制中布置L1和L2之间的绝缘，其强度必须达到2U(U是指L1输入直流电压)不击穿，为了减轻绝缘强度，往往是绕组L2以细线顺时针向粗线绕，而绕组L1则以粗线逆时针向细线绕。而绕组L3的绕线方向不受限制，线匝和线经按需要选定。
在图3和图4所示了一种换向器，该换向器上包括了一个换向器轴16，金属座17，绝缘环18，换向器的换向片(A1-24)19，换向器间绝缘体20，过渡换向片(K1-K4)21，特殊绝缘体22，换向点绝缘体23。从图3中可以清楚看出这种换向器的换向片A1-24和K1-4是在一个水平圆盘的平面上布置。
在图5和图6中示出了根据本发明的另一种换向器，这种换向器的换向片是在一个圆柱体的圆周表面上布置，它与常规的换向器相似。这种换向器的组成结构与图3和图4所示换向器的组成结构是完全一样的，因此在这里不再详细说明。
图7所示的是与换向器配合使用的一种特殊的集电环，该集电环包括换向器轴16，集电环金属24，绝缘体25，集电环导体26，特殊绝缘体27。
图8是与换向器配合作用的另一种特殊集电环，该集电环的组成部分与图7所示的集电环是完全一样的，唯一不同的是图8所示的集电环在安装时与图7所示的集电环的安装位置相差180°。
使用图7和图8所示特殊集电环，使集电环电刷对集电环延时通电，减小换向器电刷对换向片的放电间隙，降低火花等级，保护了换向片。
图9是本发明的变频变流装置输出的五种电压波形的波形图。图9A是换向器的换向片输出的矩形波电压图。当换向器的电刷在换向器上的弧长小于换向片之间绝缘体的弧长时，该矩形波是间断的。图9B是变压器的两组初级绕组L1和L2的两端输出的脉动直流电压波形图。图9C是变压器的次级绕组L3两端输出的交流电压波形图。图9D是变压器的初级绕组的公共端与换向器电刷之间输出的整流电压波形图。图9E通过调整集电环电刷的输出后在变压器的初级绕组L1和L2的公共端和换向器电刷之间输出的直流斩波图。
这些电压波形图是换向器电刷在换向器上的弧长大于主换向片之间绝缘体的弧长，而小于过渡换向片K1和K2之间的绝缘体的弧长时得到的波形图。
上面仅仅是描述了本发明的一个实施组，根据本发明的方法，可以对动态的变频变流装置进行变型，各种变型均属于本发明的保护范围之内，本发明的保护范围将通过所附的权利要求加以限定。
权利要求
1.一种动态的变频变流的方法，该方法是通过换向器电刷，换向器，集电环，集电环电刷，变压器和原动机来进行换流的，该方法的特征是第一步通过换向器的电刷把直流电源一端输入给转动的换向器，由转动的换向片把直流电转换成矩形波直流电；第二步把换向片输出的矩形波直流电输入给与换向片分别连接且与换向器同轴转动的集电环，转动的集电环将矩形波直流电输入给与集电环对应的集电环电刷；第三步由两组集电环电刷来分别改变输入变压器的两组初级绕组的电流方向和电位；第四步由变压器的两组初级绕组两端分别产生脉动直流电压；第五步通过变压器磁耦合在次级绕组的两端产生交流电压。
2.权利要求1所述的变频变流的方法，其特征在于变压器次级绕组输出的交流电的频率是通过调整换向器的转速来改变。
3.根据权利要求1所述的变频变流的方法，其特征是通过增加或减少换向器上的每组换向片数目，以及与其对应的每组集电环及电刷的数目，增加或减少变压器的两组初级绕组的抽头数目，可以在变压器两组初级绕组上分别产生一阶、二阶、三阶等多阶矩形波的迭加波，在变压器的两组初级绕组的两端分别并联一定容量的电容器，即可在变压器的两组初级绕组的两端分别产生脉动直流电压，在变压器的次级绕组两端产生的交流电压。
4.根据权利要求1或3所述的变频变流的方法，其特征是在换向转速一定的条件下，增加换向器换向片的组数，在变压器的次组绕组的两端输出的交流电的频率随着提高。
5.根据权利要求1或3所述的变频变流的方法，其特征是整流时则是用与交流电源同步的电机来拖带换向器轴转动，换向器的换向点与同步电机的极靴的中点重合，在变压器的次级绕组两端输入交流电源，在变压器两组初级绕组的公共端和换向器的电刷上产生脉动的直流电压。
6.根据权利要求5所述的变频变流的方法，其特征在于通过调整集电环电刷的个数，在变压器的两组初级绕组的公共端和换向器的电刷上产生斩波的直流电压。
7.根据权利要求1或3所述的变频变流的方法，其特征是将多组换向器和与其相对应的集电环放置在同一根轴上，改变各换向器的换向点，在其组合变压器的输出端可产生任意相位差的多相交流电。
8.一种动态的变频变流装置，它包括直流电源(1)，原动机(14)，换向器电刷(2)，换向器(3)，甲组集电环(4)，乙组集电环(5)，甲组集电环电刷(6)，乙组集电环电刷(7)，变压器初级绕组L1(8)、变压器初级绕组L2(9)，变压器次组绕组L3(10)，和交流负载(13)，其特征是直流电源(1)的一个极与换向器电刷(2)的输入端相连，换向器电刷(2)的输出端与换向器(3)的输入端相连，换向器(3)的2n组(n＞1)输出端分别与甲组集电环(4)和乙组集电环(5)的输入端相连，一个原动机(14)同时带动换向器(3)，甲组集电环(4)和乙组集电环(5)转动，甲组集电环4的输出端与甲组集电环电刷(6)的输入端相连，甲组集电环电刷(6)的输出端分别与变压器初级绕组L1(8)的输入端相连，乙组集电环(5)的输出端与乙组集电环电刷(7)的输入端相连，乙组集电环电刷(7)的输出端分别与变压器初级绕组L2(9)的输入端相连，变压器初级绕组L1(8)和L2(9)的输出端分别串联二极管后，联接起来的公共端与直流电源的另一极联接。绕组L1和L2分别通过磁耦合与变压器次级绕组L3(10)相联，变压器次级绕组L3(10)的输出端供给负载(13)交流电压。
9.根据权利要求8所述的变频变流的装置，其特征在于所述换向器(3)的换向片是在一个圆盘的平面上布置的，换向片之间相互绝缘。
10.根据权利要求8所述的变频变流的装置，其特征在于所述换向器(3)的换向片是在一个圆柱体的圆周表面上布置的，换向片之间相互绝缘。
11.根据权利要求8所述的变频变流的装置，其特征在于变压器初级绕组是通过一个断开的中心抽头，把初级绕组分成两个对称的初级绕组L1(8)和L2(9)断开的两端各串联一个二极管后，联接在一起的公共端接直流电源的另一极绕组L1(8)和L2(9)的电抗是相等的，而且在绕组L1(8)和L2(9)上对称的抽头对于公共端的电抗也是相等的。
12.根据权利要求8所述的变频变流装置，其特征在于将多组换向器和与其相对应的集电环设置在同一根轴上，改变换向器相互之间的换向点，即在组合的变压器的输出端可产生任意相位差的多相交流电。
13.根据权利要求8所述的变频变流的装置，其特征在于甲组集电环中和乙组集电环中各有一个特殊集电环，特殊集电环延时对过渡换向片通电，延时 (2π)/(Y) (360＞Y＞180)对过渡换向片通电。
全文摘要
本发明是涉及一种动态的变频变流的方法和装置，该方法是通过换向器电刷，转动的换向器，转动的集电环，集电环和特殊的变压器将直流电源可分别变换成矩形波，脉动直流，交流电源，斩波的直流电源，通过调节换向器的转速可以改变交流输出电源的频率。该动态的变频变流的装置具有自换相和外部换相的逆变器的许多优点，通过增加换向器及换向器电刷、集电环及电刷、变压器等设备的数目，该装置可以分别输出二相、三相、四相等多相相位不同的交流电。
文档编号H02M3/16GK1070520SQ92112728
公开日1993年3月31日 申请日期1992年11月9日 优先权日1992年11月9日
发明者王东奎, 王登峰 申请人:王东奎