CN1117663A - 一种变流变频的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将直流电变流变频或将直流电转换为旋转交变电磁场或移动电磁场的方法和装置；该方法是通过n个可控开关元件及其导通触发或控制装置和关断电路系统，感性负载的m组初级绕组以及对应的次级绕组或对应的转子电磁部分将直流电变流变频或将直流电转换成交变旋转电磁场的。通过改变感性负载的设计，可以改变该装置的作用或状态。该装置具有的脉宽调制逆变器，多相多重直流斩波器，无换向器电动机，步进电动机及其驱动电源的优点而无其缺点，直接适宜于设计逆变器，变频调速器，无换向器调速电动机，多相多重直流斩波器，步进电动机及其驱动电源和中频电源。

Description

一种变流变频的方法和装置

本发明是涉及一种变流变频的方法和装置，特别是涉及一种用若干个可控开关元件(如可控硅元件等)和感性负载的若干组初级绕组，将直流变换为交流或将直流变换为直流的方法和实现该方法的装置，同时也涉及一种用若干个可控开关元件和感性负载的若干组初级绕组，将直流电转换为旋转电磁场或移动电磁场的方法和实现该方法的装置，为规范说明，把这种方法和装置称为变流变频的方法和装置。

目前大量使用着由可控硅等半导体器件构成的变流变频装置，这种装置已满足大部分复杂的变流变频要求，但在复杂的变流变频装置中，其基本电路存在换流困难或波形畸变的问题，为解决这些问题，附加电路和强迫换流电路相当复杂和庞大，而变流技术领域中的无换向器电动机，一种是必须使用启动或位置检测元件及其附加电路，结构和控制比较复杂，而且低速时转矩波动很大，转子一般都是永磁或永磁原理结构，单机容量也不是很大。另一种是由逆变器供电，整套设备的造价昂贵。因此，可以说现在还没有真正能够达到直流电动机的调速性能价格比，而起动电流小，起动转矩大，低速转矩波动小的异步起动而同步运行的无换向器电动机。在步进电动机技术领域中，由于需外加驱动电源的复杂结构，使多相微步矩角大功率步进电动机的设计受到了限制，而由原动元件进行控制的大容量微步矩角曲线或折线移动的步进电动机，许多发达国家尚在探讨。

在中国专利CN1070520中公开了一种利用换向器来换流的方法和装置，这种方法和装置使机械换流方法和装置向实用化推进了一大步，但大范围多相或复杂变流变频时，其结构过于庞杂。在CN85109334A中，公开了一种使用一个位置检测元件的无刷直流电动机，这种电动机有一个启动电路和一个位置检测运算电路，转子是永磁式结构，因此，主电路结构和附加电路结构很复杂。

本发明的目的在于从一定程度上弥补现有技术中的不足，提供一种利用若干个可控开关元件和感性负载的若干组初级绕组以及对应的次级绕组或对应的转子电磁部分将直流电变流变频或将直流电转换为旋转电磁场或移动电磁场的方法，同时也提供一种根据该方法产生的将直流电变流变频或将直流电转换为旋转电磁场或移动电磁场的装置。

上述发明的目的是通过下述方法来解决的，该方法是通过n个可控开关元件及其导通触发或控制装置和关断电路系统，感性负载的m组初级绕组以及与其对应的次级绕组或对应的转子电磁部分等主要构件来进行变换的，上述n、m的数量关系是：若感性负载是变压器或类似变压器原理结构，上述n、m的数量关系是n≥m≥6，n、m是偶数；若感性负载是反电势负载，转子是笼形转子或类似笼形转子原理结构，或者转子是异步起动的同步电动机转子原理结构，上述n、m的数量关系是n≥m≥6，n、m是偶数。若感性负载是反电势负载，转子是永磁或是类似永磁原理结构，而且可控开关元件的控制信号是由机械式脉冲触发控制器提供，上述n、m的数量关系是n≥m≥6；若感性负载是步进电动机，转子是步进电动机转子原理结构，而且可控开关元件的控制信号是由机械式脉冲触发控制器提供，上述n、m的数量关系是n≥m≥3，其具体步骤是：

第一步：把直流电源的一端输入给n个可控开关元件的阳极公共端或阴极公共端。

第二步：由n个可控开关元件的导通触发或控制装置和分别对应的关断电路，控制对应的各个可控开关元件的导通和关断，使n个可控开关元件分别独立输出不同时刻或时间的矩形波直流电。

第三步：把n个可控开关元件分别输出的不同时刻或时间的矩形波直流电，分别或分组直接或经过关断电路输入给感性负载的m组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的各个初级绕组的电流方向及电位和通电时刻或时间。

第四步：由n个可控开关元件的n个输出端分别独立的输出矩形波直流电，由感性负载的m组初级绕组的m个输出端分别独立地输出脉动直流电；或由感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的各个初级绕组所对应的磁路分别或分组输出电磁场或合成电磁场。

第五步：通过感性负载的磁耦合使与初级绕组对应的次级绕组上感生交流电；或通过感性负载的磁路，使初级绕组电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间产生相互作用力。

通过改变n个可控开关元件的导通或关断控制方案，或同时改变上述两个控制方案：或者可以改变n个可控开关元件所各自输出的矩形波直流电的时刻和波长或频率，可以改变感性负载的m组初级绕组所各自输出脉动直流电的时刻和波长或频率，随着也改变变压器类感性负载的次级绕组输出的交流电的波形或频率；或者可以改变反电势类感性负载初级绕组电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间的相互作用力的关系；或可以改变反电势类感性负载初级绕组电磁场或合成电磁场的变化速度；或者改变步进电动机类感性负载的转动或移动部分的转速或线速度。

通过改变感性负载的设计和感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的初级绕组数目与数据和相位分布与结构设计，改变每组初级绕组中各绕组之间的接法，改变感性负载次级绕组或转子电磁部分的原理结构设计，相应的改变n个可控开关元件各个输出端与感性负载的m组初级绕组各个输入端的接法；或者可以改变变压器类感性负载次级绕组输出交流电的相数或相位差，或改变变压器类感性负载次级绕组输出的交流电的频率或波形；或者可以改变反电势类感性负载初级绕组的电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间相互作用力的关系或合成磁场；或者降低反电势类感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组两端的电势差或每组初级绕组里的各初级绕组两端的电势差；或降低可控开关元件承受的反向电压；或者改变步进电动机类感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组的电磁场或合成电磁场的磁路中的磁导或磁阻或步进电动机的步矩角。

通过改变各个可控开关元件导通的时间单位，或者可以改变反电势类感性负载的初级绕组的电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间相互作用力的关系；或者可以改变变压器类感性负载次级绕组输出的交流电波形或电压。

可控开关元件的各个控制极所需要的触发脉冲或控制信号，是有序或有序多列触发脉冲或控制信号；或者可以由静态的电子式脉冲触发控制器提供(如晶闸管用的数字式移相触发器)；或者可以由动态的机械式脉冲触发控制器提供；或者把上述两种脉冲触发控制器组合提供。机械式脉冲触发控制器是由直流电源，通过移刷机构围换向器圆周移动的换向器电刷、换向器、集电环及其电刷和脉冲变压器及带动换向器与集电环或换向器电刷与集电环转动的原动机等主要构件组成。机械式脉冲触发控制器可以与变压器类感性负载、反电势类感性负载、步进电动机类感性负载或它们的负载进行直接或间接地刷性或柔性的被动或主动连接。具体选用哪一种触发控制器，可以按可控开关元件的特性与关断电路元件和感性负载的设计与需要选择设计。

可控开关元件的关断电路系统有若干设计方案，具体的选用哪一种关断电路设计方案，应该按所选用的可控开关元件的特性及其触发或控制装置和感性负载的设计与需要选择设计，其电路结构特点是：各个可控开关元件的关断互不影响。为简便描述起见，在根据该方法产生的装置里就常用的可控开关元件——普通晶闸管的特性介绍了一种。

n个可控开关元件的各个输出端可分别输出或分组输出斩波直流电压，斩波直流电压的平均值由各个可控开关元件的导通时刻和关断时刻决定。

本发明的目的也可以通过下述的变流变频装置得以实现，该变流变频装置主要包括：直流电源，n个可控开关元件及其导通触发或控制装置和关断电路系统，感性负载的m组初级绕组和与其对应的次级绕组或对应的转子电磁部分及其负载。其中，直流电源的正极或负极与n个可控开关元件的阳极公共端或阴极公共端相连；n个可控开关元件的各个控制极与其触发或控制装置中相应的各个触发控制信号输出端相连，n个可控开关元件的各个关断电路的元件，按所选用可控开关元件的关断特征和可控开关元件及其关断电路与感性负载中所对应的初级绕组的关系以及感性负载的设计与要求接入各个可控开关元件的关断电路中；n个可控开关元件的各个输出端分别或分组直接或经过关断电路与对应的感性负载的m组初级绕组的各个输入端相连，m组初级绕组的各个输出端分别或分组连接在一起后与对应的直流电源的另一极相连，感性负载的m组初级绕组通过磁耦合或磁路与其对应的次级绕组或转子电磁部分相连，次级绕组或转子电磁部分输出供给负载的电源或作用力。

本发明的变流变频装置具有逆变器、直流斩波器、无换向器电动机和步进电动机及其驱动电源的许多优点。它改变了多相逆变器分相顺序通电的传统设计；改善了逆变器输出的交流电波形，减小了无换向器电动机的低速转矩脉动，其转子结构也由传统的永磁式原理结构改为笼形或类似笼形转子原理结构，进而改为异步起动的同步电动机转子原理结构，取消了无换向器电动机结构的关键部件—位量检测元件，或取消无位置检测元件的无换向器电动机中所采用的检测转子启动位置的附加电路。因为其控制电路可以与无换向器电动机的本体不相连接，因而使无换向器电动机的正反转控制和稳速控制变的容易。由于在控制上可以使用由原动元件控制的机械式脉冲触发控制器，使由电动机控制的复杂连动设备的连锁控制变的简单可靠。其中独有的优点是本装置的n个可控开关元件在同时触发导通、不同时关断或不同时触发导通、同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别独立的输出一路一种波长的矩形波直流电，也可以分组或共同输出迭加的矩形波直流电；n个可控开关元件在不同时触发导通、不同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别或分组输出不同时刻而相同波长的矩形波直流电；可以分别或分组输出不同时刻、不同波长的矩形波直流电；也可以共同输出n种矩形波直流电迭加的矩形波直流电。n个可控开关元件在同时触发导通、同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别输出相同时刻、相同波长的矩形波直流电，当然，其感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的各个初级绕组所对应的磁路也就可以分别或分组输出相应的电磁场或合成电磁场。其中，n个可控开关元件的各个输出端所分别或分组输出或共同输出的矩形波直流电，是供给矩形波直流负载。利用上述特性，本装置可以设计大功率电磁脉冲输出装置、短距离直线电动机、电控机械手的单动或连动控制装置、步进电动机驱动电源、多步矩角结构的步进电动机，其中，多步矩角结构的步进电动机转子上和定子上分布着大步齿和小步齿。

下面将结合附图说明通过实施例的形式更详细地描述本发明：

图1是根据本发明的变流变频装置的电路方框图。

图2是为简便说明，仅对变压器，根据本发明的变流变频装置所描述的一种三相交流变流变频装置的具体电路图。

图3是根据本发明的变流变频装置实施例2输出的电压波形图和其机械式脉冲触发控制器输出的触发脉冲信号波形图。

在图1所示的变流变频装置中包括了直流电源1，第一个可控开关元件2及其关断电路5，以及与其相对应的感性负载第一组初级绕组12；第二个可控开关元件3及其关断电路6，以及与其相对应的感性负载第二组初级绕组13；第n个可控开关元件4及其关断电路7，以及与其相对应的感性负载第m组初级绕组14；n个可控开关元件的触发或控制装置8，矩形波直流负载9、10、11和脉动直流负载或初级绕组的电磁场所对应的负载15、16、17，次级绕组或转子电磁部分18和19，负载20。其中，第一个可控开关元件2的输出端在需要时可输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，第二个可控开关元件3的输出端在需要时，可输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，第n个可控开关元件4的输出端在需要时，可输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11，每个可控开关元件及其控制电路可以与另一个或另几个可控开关元件及其控制电路组配，而各自的输出端分别或分组各自独立输出矩形波直流电，以供给对应的感性负载初级绕组；感性负载第一组初级绕组12的输出端或对应的磁路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场以供给对应的负载15，第二组初级绕组13的输出端或对应的磁路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场，以供给对应的负载16，第m组初级绕组14的输出端或对应的磁路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场，以供给对应的负载17。

上述直流电源1是指对感性负载的电力输出有决定作用的直流电源，其它辅助性直流电源不在此列；可控开关元件2、3、4是指依靠门极脉冲控制通或通断的可控硅元件和依靠基极信号控制通和断的晶体管元件；对于晶体管元件而言，可控开关元件的阳极或阴极是指晶体管元件的发射极，可控开关元件的输出端是指晶体管的集电极，可控开关元件的控制极是指晶体管的基极；感性负载是指电感负载和反电势负载，包括按变流变频的方法和装置所对应的负载的需要而设计的变压器、电动机、电磁线圈等感性电器设备，为了便于说明，把感性负载上不涉及本发明电路原理的结构和其他部分(如电机本体等)，没有加以描述和介绍。该感性负载的m组初级绕组12、13、14中每组初级绕组里的各个初级绕组是相对独立的；而感性负载的m组初级绕组12、13、14中，每组初级绕组可以是一个初级绕组，也可以是相互连接着的多个初级绕组；感性负载的m组初级绕组和每组初级绕组里的各个初级绕组的数据和相位分布以及相互间的连接和连接方式是按感性负载的设计与感性负载初级绕组的电磁场或合成电磁场的极性分布和变化要求完成的。在变压器类感性负载中，所述感性负载初极绕组是指变压器类感性负载的初级绕组，感性负载的次极绕组是指变压器类感性负载的次级绕组；对于变压器类感性负载，每组初级绕组里的初级绕组数目和每组初级绕组里的各个初级绕组的数据与相位分布和相互间的连接方式，是按阶梯状波或近似正弦的阶梯状交变电磁场的变化规律设计完成。在反电势类感性负载中，所述感性负载初级绕组是指反电势类感性负载的电枢绕组，感性负载的转子电磁部分是指反电势感性负载的转子电磁部分，它可以如同异步电动机转子原理结构，也可以如同异步起动的同步电动机转子原理结构；对于反电势类感性负载，每组电枢绕组里的电枢绕组数目和每组电枢绕组里的各个电枢绕组的数据与在电动机定子里的相位分布和相互间的连接方式，是按交变旋转电磁场或近似正弦的阶梯状交变旋转电磁场的变化规律设计完成。在步进电动机类感性负载中，所述感性负载的初极绕组是指步进电动机定子上的控制绕组，感性负载的转子电磁部分是指步进电动机类感性负载的转子电磁部分；对于步进电动机类感性负载，每组控制绕组里的各个控制绕组的数据与在步进电动机定子里的相位分布和相互间的连接方式，是按步进电动机的步矩角与通电相序和转子定子的结构设计完成。可控开关元件的触发或控制装置(8)是指变流变频装置在运行或将要运行时，可按可控开关元件的特征与关断电路的要求和感性负载的设计及其负载的需要，分别对对应的各个可控开关元件输出有序或有序多列触发脉冲或控制信号的电路系统，这种装置可以是独立的，也可以是与感性负载的负载端连接的；可以是机械式脉冲触发控制器(与实施例中所述的)，可以是电子式脉冲触发控制器；也可以是上述两种脉冲触发控制器的组合，对于组合的脉冲触发控制器，电子式脉冲触发控制器的作用是输出调制的有序脉冲触发控制信号，而机械式脉冲触发控制器是做为脉冲触发控制信号的通道或分配器，与感性负载或感性负载的负载相连接。但对于步进电动机类感性负载，可控开关元件的脉冲触发控制器是机械式脉冲触发控制器。

可控开关元件的关断电路5、6、7，是指在规定的时刻和时间里能够分别保证对应的各个导通可控开关元件关断的电路系统，这种关断电路系统必须按可控开关元件的特征与感性负载初级绕组和次级绕组或转子电磁部分以及负载的要求设计，该关断电路5、6、7的电路结构，或者是各自相对独立的，或者是相互有连接的；或者与感性负载的初极绕组没有直接联系，或者与感性负载的初极绕组有直接联系；一般是当可控开关元件是可控硅元件，各个可控硅元件的关断电路结构是各个可控硅元件与所对应的关断电路元件和所对应的感性负载的初极绕组组合起来的各自相对独立的电路结构；当可控开关元件是晶体管元件，各个晶体管元件的导通和关断是由其基极控制信号控制，可不设置其它关断电路。在实施例2中的关断电路，是就常用的可控开关元件——普通晶闸管和普通感性负载——变压器而设计，是一种利用后一个晶闸管的导通，依靠换流电容器的能量关断前一个导通的晶闸管电路，当然，n个可控开关元件，也可以分组具有各组共同的电源输入斩波换相的关断电路。

保护电路，是为保证变流变频装置可靠运行设计的附加电路，在此不予描述。

本发明的变流变频装置，使用的n个可控开关元件里，按感性负载的设计或要求，在任意时刻，至少是y个可控开关元件与感性负载的y组初级绕组导通，m/z≥y≥1(z，m/z是自然数)；而且对于不同的时刻，y可以是变量。

图2也是本发明的一种变流变频装置，是一种按变压器的设计所描绘的三相交流变流变频装置的一种具体电路图，在图中U是主直流电源，U1是机械式脉冲触发控制器的直流电源，G是机械式脉冲触发控制器的换向器电刷，21是机械式脉冲触发控制器中换向器的展开图，展开图中E1至E6是换向片，这些换向片共为六片，换向片之间相互绝缘，换向片之间为等间隔且很大。该机械式脉冲触发控制器的集电环及对应的集电环电刷分为六组，每组有一个集电环和对应的电刷，其中，B1至B6和F1至F6是集电环和集电环电刷；换向器和集电环由原动机带动转动。上述机械式脉冲触发控制器的换向器是转动的，若换向器静止，而换向器电刷是转动的时，就可以不用那么多的集电环。为简便描述，不再进行说明。在电路图中，晶闸管及其导通触发控制电路和关断电路是六组，分为T1组、T2组、T3组、T4组、T5组、T6组；每组有一个普通晶闸管；(T1组中是T1、)，其中，T1至T6分别是T1组至T6组晶闸管电路中的普通晶闸管，一个换流电容器；其中，C1至C6分别是T1组至T6组晶闸管电路中晶闸管T1至T6的换流电容器，它们是环状顺序串联连接。一个二极管；其中，D1至D6分别是T1组至T6组晶闸管电路中的隔离二极管。一片换向片；其中，E1至E6分别是T1组至T6组晶闸管电路中对应的机械式脉冲触发控制器的换向器21的换向片。一个集电环与对应的电刷，其中，B1至B6与F1至F6分别是T1组至T6组晶闸管电路中对应的机械式脉冲触发控制器的集电环与集电环电刷，一个脉冲变压器，其中BM1至BM6分别是T1组至T6组晶闸管电路中对应的机械式脉冲触发控制器的脉冲变压器，每一个脉冲变压器中，有一个初级绕组，其中L1至L6分别是脉冲变压器BM1至BM6的初级绕组，一个次级绕组，其中L’1至L’6分别是脉冲变压器BM1至BM6的次级绕组；每一个脉冲变压器的次级绕组串联一只二极管，其中D’1至D’6分别是脉冲变压器BM1至BM6的次级绕组L’1至L’6所串联的二极管。本实施例的感性负载是按本实施例所对应的负载要求而设计的三相变压器BM，它的初级绕组是六组，每组初级绕组的电抗是相等的，分为A1组、A2组、A3组、A4组、A5组、A6组，次级绕组是三个单相次级绕组，是A相次级绕组LA，B相次级绕组LB，C相次级绕组组LC，其中，初级绕组A1组包括A相初级绕组LA1、B相初级绕组LB1、C相初级绕组LC1；它们的输入端为A相初级绕组的LA1的A端，输出端为B相初级绕组LB1的A端，其中，A相初级绕组LA1的B端与C相初级绕组LC1的A端相连，C相初级绕组LC1的B端与B相初级绕组LB1的B端相连；初级绕组A2组包括A相初级绕组LA2、B相初级绕组LB2、C相初级绕组LC2；它们的输入端为A相初级绕组的LA2的A端，输出端为B相初级绕组的LB2的A端，其中，A相初级绕组LA2的B端与C相初级绕组LC2的B端相连，C相初级绕组LC2的A端与B相初级绕组LB2的B端相连；初级绕组A3组包括A相初级绕组LA3、B相初级绕组LB3、C相初级绕组LC3；它们的输入端为A相初级绕组的LA3的A端，输出端为B相初级绕组的LB3的B端，其中，A相初级绕组LA3的B端与C相初级绕组LC3的B端相连，C相初级绕组LC3的A端与B相初级绕组LB3的A端相连；初级绕组A4组包括A相初级绕组LA4、B相初级绕组LB4、C相初级绕组LC4；它们的输入端为A相初级绕组LA4的B端，输出端为B相初级绕组LB4的B端，其中，A相初级绕组LA4的A端与C相初级绕组LC4的B端相连，C相初级绕组LC4的A端与B相初级绕组LB4的A端相连；初级绕组A5组包括A相初级绕组LA5、B相初级绕组LB5、C相初级绕组LC5；它们的输入端为A相初级绕组LA5的B端，输出端为B相初级绕组LB5的B端，其中，A相初级绕组LA5的A端与C相初级绕组LC5的A端相连，C相初级绕组LC5的B端与B相初级绕组LB5的A端相连；初级绕组A6组包括A相初级绕组LA6、B相初级绕组LB6、C相初级绕组LC6；它们的输入端为A相初级绕组LA6的B端，输出端为B相初级绕组LB6的A端。其中，A相初级绕组LA6的A端与C相初级绕组LC6的A端相连，C相初级绕组LC6的B端与B相初级绕组LB6的B端相连；A1组初级绕组至A6组初级绕组的各输出端连结起来后与直流电源U的负极相连；A相次级绕组是次级绕组LA，其负载是RA；B相次级绕组是次级绕组LB，其负载是RB；C相次级绕组是次级绕组LC，其负载是RC，其中，RA等于RB等于RC。

简单地说：T1组至T6组晶闸管电路中各元件组成的六组变流装置，可把平稳的直流电转换为矩形波直流电，它们的输出端可分别输出斩波的直流电压；当把T1组至T6组变流装置的各输出端分别同对应的变压器BM的初级绕组A1组至A6组的各输入端连接起来后，通过变压器的磁耦合，其次级绕组的输出端可输出交流电压。

下面详细描述T1组晶闸管电路中各元件之间的连接和其输出端与变压器BM的A1组初级绕组输入端的连接。为了便于说明，首先，我们详细描述机械式脉冲触发控制器中各元件的连接和其脉冲信号输出端与对应的晶闸管控制极的连接：直流电源U的正极与换向器电刷G的输入端相接，换向器电刷G的输出端与转动的换向器21相接；换向器电刷G可以依靠独立的围绕换向器21移动的移刷机构，围换向器圆周移动。换向器21的换向片E1至E6的输出端分别与对应的且与换向器同轴转动的集电环B1至B6的输入端相连，集电环B1至B6的输出端分别与对应的集电环电刷F1至F6输入端相接，集电环电刷F1至F6的输出端分别与对应的脉冲变压器BM1至BM6的初级绕组L1至L6的输入端相联，初级绕组L1至L6的输出端分别与直流电源U1的负极相连，脉冲变压器BM1至BM6的次级绕组L’1至L’6的脉冲信号输出端分别与对应的二极管D’1至D’6的正极相连，二极管D’1至D’6的阴极分别与对应的晶闸管T1至T6的控制极相连；脉冲变压器BM1至BM6的次级绕组L’1至L’6另一端分别与对应的晶闸管T1至T6的阴极相连。这样，当换向器与集电环转动一周时，每一个晶闸管的控制极都会接受到一个脉冲。

其中，晶闸管T1的阳极与直流电源U的正极相连，晶闸管T1的阴极与隔离二极管D1的阳极和换流电容器C1与C6的串联端相连，隔离二极管D1的阴极与变压器BM的A1组初级绕组的输入端即A相初级绕组LA1的A端相连，A1组初级绕组的输出端即B相初级绕组LB1的A端与直流电源U的负极相连；机械式脉冲触发控制器上T1组晶闸管电路里各元件的连接是：换向器21的换向片E1的输出端与集电环B1的输入端相连，集电环B1的输出端与集电环电刷F1的输入端相连，集电环电刷F1的输出端与脉冲变压器BM1的初级绕组L1的输入端相连，初级绕组L1的输出端与直流电源U1的负极相连；脉冲变压器BM1的次级绕组L’1的脉冲信号输出端与二极管D’1的阳极相连，二极管D’1的阴极与晶闸管T1的控制极相连；脉冲变压器BM1的次级绕组L’1的另一端与晶闸管T1的阴极相连。T2组至T6组晶闸管电路中各元件之间的连接和与变压器BM中对应的初级绕组A2组至A6组的连接同T1组晶闸管电路中各元件之间的连接和与变压器BM中对应的初级绕组A1组的连接相同，在这里不再详细描述，A相次级绕组的两端输出供给负载RA交流电压；B相次级绕组的两端输出供给RB交流电压；C相次级绕组的两端输出供给RC交流电压。

上述电路图仅是对本实施例的主电路原理图进行的描述，附加电路元件和主电路的保护电路元件没有在主电路原理图中出现。

图3是上述实施例的变流变频装置输出的三种电压波形图和机械式脉冲触发控制器上各脉冲变压器输出的脉冲信号波形图。图3A是T1组至T6组晶闸管电路中，晶闸管T1至T6在机械式脉冲触发控制器的换向器均匀转动一周所分别输出的矩形波直流电压波形图，图3B是上述情况下三相变压器BM的六组初级绕组的输出端分别输出的脉动直流电压波形图。图3C是上述情况下三相变压器BM的三相次级绕组所输入给对应的A相负载RA、B相负载RB、C相负载RC的交流电压波形图；图3D是根据本发明的实施例2中机械式脉冲触发控制器的换向器均匀转动一周，各脉冲变压器输出的脉冲信号波形图。

上述电压波形图是在机械式脉冲触发控制器的换向器电刷G的弧长小于两换向片之间的绝缘体的弧长时得到的电压波形图。顺便说明一下，若把该变压器的磁路结构设计为三相二极笼形异步电动机磁路结构，其初级绕组就是为三相二极笼形异步电动机的电枢绕组，按二极笼形异步电动机三相绕组的分布规则布置，连接方式按照变压器上各初级绕组之间的连接方式，次级绕组设计为三相二极笼形转子结构。当机械式脉冲触发控制器连续的转动一周，其笼形转子也随着转动，只是转动的弧度略小于360度，若把该变压器的磁路结构设计为三相反应式步进电动机磁路结构，其初级绕组就是为三相反应式步进电动机的定子绕组，按二极笼形异步电动机三相绕组的分布规则布置，连接方式按照变压器上各初级绕组之间的连接方式，次级绕组设计为三相反应式步进电动机转子结构。当机械式脉冲触发控制器每输出一个脉冲，则步进电动机转子的角位移就变化60度。为简便描述起见，根据本发明的方法设计其它变流变频装置所输出的电压电流波形图以及感性负载初级绕组电磁场的分布变化曲线图和本实施例的谐波电压波形图等等，在此不再一一描述。

上面仅仅是描述了本发明的一组实施例，根据本发明的方法，可以对本发明的变流变频装置进行变形，各种变形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。

Claims (13)

1.一种将直流电变流变频或将直流电转换为旋转电磁场或移动电磁场的方法，该方法是通过n个可控开关元件及其导通触发或控制装置和关断电路系统，感性负载的m组初级绕组以及与其对应的次级绕组或对应的转子电磁部分为主要构件来进行变换的，上述n、m的数量关系是；若感性负载是变压器或类似变压器原理结构，上述n、m的数量关系是：n≥m≥6，n、m是偶数；若感性负载是反电势负载，转子是笼形转子或类似笼形转子原理结构，或者转子是异步起动的同步电动机转子原理结构，上述n、m的数量关系是n≥m≥6，n、m是偶数。若感性负载是反电势负载，转子是永磁或是类似永磁原理结构，而且可控开关元件的控制信号是由机械式脉冲触发控制器提供，上述n、m的数量关系是n≥m≥6；若感性负载是步进电动机，转子是步进电动机转子原理结构，而且可控开关元件的控制信号是由机械式脉冲触发控制器提供，上述n、m的数量关系是n≥m≥3。该方法的特征是：

第一步：把直流电源的一端输入给n个可控开关元件的阳极公共端或阴极公共端。

第二步：由n个可控开关元件的导通触发或控制装置和分别对应的关断电路，控制对应的各个可控开关元件的导通和关断，使n个可控开关元件分别独立输出不同时刻或时间的矩形波直流电。

第三步：把n个可控开关元件分别输出的不同时刻或时间的矩形波直流电，分别或分组直接或经过关断电路输入给感性负载的m组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的各个初级绕组的电流方向及电位和通电时刻或时间。

第四步：由n个可控开关元件的n个输出端分别独立的输出矩形波直流电，由感性负载的m组初级绕组的m个输出端分别独立地输出脉动直流电，或由感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里的各个初级绕组所对应的磁路分别或分组输出电磁场或合成电磁场。

第五步：通过感性负载的磁耦合使与初级绕组对应的次级绕组上感生交流电，或通过感性负载的磁路，使初级绕组电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间产生相互作用力。

2.根据权利要求1所述的变流变频的方法，其特征是：

通过改变n个可控开关元件的导通或关断控制方案，或同时改变上述两个控制方案：或者可以改变n个可控开关元件所各自输出的矩形波直流电的时刻和波长或频率，可以改变感性负载的m组初级绕组所各自输出脉动直流电的时刻和波长或频率，随着也改变变压器类感性负载的次级绕组输出的交流电的波形或频率；或者可以改变反电势类感性负载初级绕组电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间的相互作用力的关系；或可以改变反电势类感性负载初级绕组电磁场或合成电磁场的变化速度；或者改变步进电动机类感性负载的转动或移动部分的转速或线速度。

3.根据权利要求1所述的变流变频的方法，其特征是：

通过改变感性负载的设计和感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组里初级绕组数目与数据和相位分布与结构设计，改变每组初级绕组中各绕组之间的接法，改变感性负载次级绕组或转子电磁部分的原理结构设计，相应的改变n个可控开关元件各个输出端与感性负载的m组初级绕组各个输入端的接法；或者可以改变变压器类感性负载次级绕组输出交流电的相数或相位差，或改变变压器类感性负载次级绕组输出的交流电的频率或波形；或者可以改变反电势类感性负载初级绕组的电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间相互作用力的关系或合成磁场；或者降低反电势类感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组两端的电势差或每组初级绕组里的各初级绕组两端的电势差；或降低可控开关元件承受的反向电压；或者改变步进电动机类感性负载的m组初级绕组中每组初级绕组的电磁场或合成电磁场的磁路中的磁导或磁阻或步进电动机的步矩角。

4.根据权利要求1或3所述的变流变频的方法，其特征是：

通过改变各个可控开关元件导通的时间单位，或者可以改变反电势类感性负载的初级绕组的电磁场或合成电磁场与对应的转子电磁部分之间相互作用力的；或者可以改变变压器类感性负载次级绕组输出的交流电波形或电压。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的变流变频的方法，其特征是：

可控开关元件的各个控制极所需要的触发脉冲或控制信号，是有序或有序多列触发脉冲或控制信号，或者可以由静态的电子式脉冲触发控制器提供(如晶闸管用的数字式移相触发器)；或者可以由动态的机械式脉冲触发控制器提供；或者把上述两种脉冲触发控制器组合提供。机械式脉冲触发控制器是由直流电源，通过移刷机构围换向器圆周移动的换向器电刷、换向器、集电环及其电刷和脉冲变压器及带动换向器与集电环或换向器电刷与集电环转动的原动机等主要构件组成。机械式脉冲触发控制器可以与感性负载或感性负载的负载进行直接或间接地刚性或柔性的被动或主动连接。

6.根据权利要求1所述的变流变频的方法，其特征是：

n个可控开关元件的各个输出端可分别输出或分组输出斩波直流电压，斩波直流电压的平均值由各个可控开关元件的导通时刻和关断时刻决定。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的变流变频的方法，其特征是：

各个可控开关元件的关断互不影响。

8.一种将直流电变流变频，或将直流电直接转换为旋转电磁场或移动电磁场的装置它包括：直流电源1；第一个可控开关元件2及其关断电路5；以及与其相对应的感性负载第一组初级绕组12；第二个可控开关元件3及其关断电路6，以及与其相对应的感性负载第二组初级绕组13，第n个可控开关元件4及其关断电路7，以及与其相对应的感性负载第m组初级绕组14；n个可控开关元件的触发或控制装置8，矩形波直流负载9、10、11和脉动直流负载或初级绕组的电磁场所对应的负载15、16、17，次级绕组或转子电磁部分18和19，负载20。其特征是：直流电源(1)的正极或负极与n个可控开关元件2、3、4的阳极公共端或阴极公共端相连；n个可控开关元件2、3、4的各个控制极与其触发或控制装置8中相应的各个触发控制信号输出端相连；n个可控开关元件2、3、4的关断电路9、10、11的元件，按所选用可控开关元件的关断特征和可控开关元件及其关断电路与感性负载中所对应的初级绕组的关系以及感性负载的设计与要求接入各个可控开关元件的关断电路中；n个可控开关元件2、3、4的各个输出端分别或分组直接或经过关断电路与对应的感性负载的m组初级绕组12、13、14的各个输入端相连，m组初级绕组12、13、14的各个输出端分别或分组连接在一起后与对应的直流电源(1)的另一极相连，感性负载的m组初级绕组12、13、14通过磁耦合或磁路与其分别对应的次级绕组或转子电磁部分18、19相连，次级绕组或转子电磁部分18、19输出供给负载20的电源或作用力。其中，第一个可控开关元件2的输出端在需要时可输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，第二个可控开关元件3的输出端在需要时，可输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，第n个可控开关元件4的输出端在需要时，可输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11，每个可控开关元件及其控制电路可以与另一个或另几个可控开关元件及其控制电路组配，而各自的输出端分别或分组各自独立输出矩形波直流电，以供给分别对应的感性负载初级绕组；感性负载第一组初级绕组12的输出端或所对应的磷路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场以供给对应的负载15，第二组初级绕组13的输出端或所对应的磁路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场，以供给对应的负载16，第m组初级绕组14的输出端或对应的磁路在需要时可直接输出脉动直流电或电磁场，以供给对应的负载17。

9.根据权利要求8所述的变流变频的装置，其特征是：可控开关元件2、3、4是指依靠门极脉冲控制通或通断的可控硅元件和依靠基极信号控制通和断的晶体管元件；可控硅元件的门极或晶体管元件的基极所需的触发脉冲或控制信号是有序或有序多列触发脉冲或控制信号。

10.根据权利要求8或9所述的变流变频的装置，其特征是：当可控开关元件是晶体管元件，各个晶体管元件的关断是由其基极控制信号控制。

当可控开关元件是可控硅元件，各个可控硅元件的关断电路结构是各个可控硅元件与其所对应的关断电路元件和所对应的感性负载的初极绕组组合起来的各自相对独立的电路结构。

11.根据权利要求8或9或10所述的变流变频的装置，其特征是：感性负载是指电感负载和反电势负载；该感性负载的m组初级绕组12、13、14中每组初级绕组里的各个初级绕组是相对独立的；而感性负载的m组初级绕组12、13、14中，每组初级绕组可以是一个初级绕组，也可以是相互连接着的多个初级绕组；感性负载的m组初级绕组和每组初级绕组里的各个初级绕组的数据和相位分布以及相互间的连接和连接方式是按感性负载的设计与感性负载初级绕组的电磁场或合成电磁场的极性分布和变化要求完成的；在变压器类感性负载中，所述感性负载初极绕组12、13、14是指变压器类感性负载的初级绕组，感性负载的次极绕组18、19是指变压器类感性负载的次级绕组；对于变压器类感性负载，每组初级绕组里的初级绕组数目和每组初级绕组里的各个初级绕组的数据与相位分布和相互间的连接方式，是按阶梯状或近似正弦的阶梯状交变磁场的变化规律设计完成；在反电势类感性负载中，所述感性负载初级绕组12、13、14是指反电势类感性负载的电枢绕组，感性负载的转子电磁部分18、19是指反电势感性负载的转子电磁部分，它可以如同异步电动机转子原理结构，也可以如同异步起动的同步电动机转子原理结构；对于反电势类感性负载，每组电枢绕组里的电枢绕组数目和每组电枢绕组里的各个电枢绕组的数据与在电动机定子里的相位分布和相互间的连接方式，是按交变旋转电磁场或近似正弦的阶梯状交变旋转电磁场的变化规律设计完成；在步进电动机类感性负载中，所述感性负载的初极绕组12、13、14是指步进电动机定子上的控制绕组，感性负载的转子电磁部分18、19是指步进电动机类感性负载的转子电磁部分；对于步进电动机类感性负载，每组控制绕组里的控制绕组数目和每组控制绕组里的各个控制绕组的数据与在步进电动机定子里的相位分布和相互间的连接方式，是按步进电动机的步矩角与通电相序和转子定子的结构设计完成。

12.根据权利要求11所述的变流变频的装置，其特征是：

使用的n个可控开关元件里，任意时刻，至少是Y个可控开关元件与感性负载的Y组初级绕组导通m/z≥y≥1，(z，m/z是自然数)；对于不同的时刻，y可以是变量。

13.根据权利要求8所述的变流变频的装置，其特征是：

n个可控开关元件2、3、4在同时触发导通、不同时关断或不同时触发导通、同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别独立的输出一路一种波长的矩形直流电，也可以分组或共同输出迭加的矩形波直流电；n个可控开关元件2、3、4在不同时触发导通、不同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别或分组输出不同时刻而相同波长的矩形波直流电；可以分别或分组输出不同时刻、不同波长的矩形波直流电；也可以共同输出n种矩形波直流电迭加的矩形波直流电。n个可控开关元件2、3、4在同时触发导通、同时关断的情况下，它们的各个输出端可以分别输出相同时刻、相同波长的矩形波直流电，当然，其感性负载的m组初级绕组12、13、14中每组初级绕组里各个初级绕组所对应的磁路也就可以分别或分组输出相应的电磁场或合成电磁场供给对应的负载。其中，n个可控开关元件2、3、4的各个输出端所分别或分组输出或共同输出的矩形波直流电，是供给矩形波直流负载。

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