CN1117664A - 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成旋转交变电磁场或移动电磁场的方法和装置。该方法是通过原动机，换向器电刷，换向器，n组集电环，n组集电环电刷，i个换相电路，感性负载的y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旋转交变电磁场或移动电磁场的。通过改变感性负载的设计，可以改变该装置的作用或状态。该装置具有逆变器，直流斩波器，中频电源，调速电动机，变频调速器，步进电动机及其驱动电源的优点，直接适宜于设计逆变器，变频调速器，调速电动机直流斩波器，步进电动机及其驱动中源和中频电源。

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，特别是涉及一种用动态开关元件与换相电路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。同时也涉及一种用动态开关元件与换相电路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，由于可控硅元件的关断时间，限制了变频器的频率。而步进电机的多相驱动电源，由于其复杂结构和容量限制，很大程度地限制了步进电动机的设计和使用范围。变流技术领域中的无换向器电动机，一种是必须使用启动与位置检测元件及其附加电路，结构和控制比较复杂，转子一般都是永磁或永磁原理结构，而转速也不是很高；另一种是由逆变器供电，整套设备的造价昂贵。而在调速电机技术领域中，由于换向器与电枢绕组结构的紧凑和电枢绕组的转动，很大程度的限制了调速电机的使用范围和容量，而调速电机的换向火花，则缩短了调速电机的使用寿命，增加了故障连带性。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。

本发明的目的在于从一定程度上弥补现有技术中的不足，力争充分体现机械换向器及其电刷的变流变频功能，提供一种由换向器及其电刷和集电环及其电刷与换相电路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，该方法是通过原动机、换向器电刷、换向器、n组集电环、n组集电环电刷与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组以及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，所述n、i、y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；当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2或p≥n≥y≥i≥2，p、n、i、y是偶数；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2或p≥y≥i≥2，n≥1，p，i，y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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2，或p≥n≥y≥i≥2，p、n、i、y是偶数；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2或p≥y≥i≥2，n≥1，p、i、y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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2，或p≥n≥y≥i≥2；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2，或p≥y≥i≥2，n≥1。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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥3或p≥n≥y≥i≥3；当换向器是静止的，p≥i≥y≥3或p≥y≥i≥3，n≥1。(p是所述换向器上换向片的组数)，其具体步骤有A、B方案，A方案的具体步骤是：

第一步：通过换向器电刷把直流电源的一端或两端输入给转动的换向器，由转动的换向器的p组换向片把平稳的直流电转换成矩形波直流电。

第二步：把p组换向片分别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n组集电环，转动的集电环将矩形波直流电输入给与集电环对应的n组集电环电刷。

第三步：把n组集电环电刷分别或分组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i个换相电路输入给感性负载的y组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的y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组集电环电刷的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立的输出矩形波直流电，由感性负载的y组初级绕组的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别独立地输出脉动直流电。或由感性负载的y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。

B方案的具体步骤是：

第一步：通过n组集电环电刷把直流电源的一端或两端输入给对应的n组集电环，由集电环把直流电源的一端或两端输入给对应的且与集电环同轴转动的换向器电刷。

第二步：通过转动的换向器电刷把直流电源的一端输入给静止的换向器，由换向器上p组换向片把平稳的直流电转换成矩形波直流电。

第三步：把换向器上p组换向片分别或分组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i个换相电路输入给感性负载的y组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的y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：由换向器上p组换向片的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立地输出矩形波直流电，由感性负载的y组初级绕组的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立地输出脉动直流电。或者由感性负载的y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。

通过改变感性负载的设计和感性负载的y组初级绕组中每组初级绕组里的初级绕组的数目与每组初级绕组里的各个初级绕组的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A方案中n组集电环电刷与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组之间的接法；或相应的改变B方案中换向器上P组换向片与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组之间的接法；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；或者可以降低反电势类感性负载的y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；或者改变步进电动机类感性负载的y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。

通过改变换向器电刷与换向器之间的相对转动速度或方向，可以改变换向器的换向片输出的矩形波直流电频率；同时改变变压器类感性负载初级绕组和次级绕组输出的脉动直流电的频率和交流电的频率或相序；或者改变反电势类感性负载y组初级绕组电磁场或合成电磁场的变化速度或变化方向。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转向或线速度或移动方向。

通过改变换相电路的结构设计，改变换相电路与所对应的感性负载初级绕组之间的连接方式(如串联、并联等)，可以改变换向器电刷与换向器之间火花的等级和换相效果；而换相电路可以设计为可控换相型电路结构或自然换相型电路结构：并且可控换相型电路结构，可以集中或分组集中换相，即由电源输入端或输出端集中或分组集中斩波换相，也可以通过相应的换向器电刷和换向器的换向片与相应的集电环及其电刷和相应的电器元件(其中有可控硅元件)分散换相，即每一组初级绕组都对应一个可控换相电路；而自然换相型电路结构是通过相应的换向器电刷和换向器的换向片与相应的集电环及其电刷和相应的电器元件(其中有电容和二极管)分散换相，即每一组初级绕组都对应一个自然换相电路。某一些有可控硅元件的换相电路中，可控硅元件的控制信号可以由换向器的换向片提供。

本发明的目的也可以通过下述的一种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、原动机、换向器、换向器电刷、n组集电环、n组集电环电刷、i个换相电路、感性负载的y组初级绕组和对应的次级绕组或对应的转子电磁部分及其负载。该装置具有A、B连接方案，其中，A连接方案是：直流电源的一个极或两个极与对应的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，换向器上p组换向片的各个输出端分别或分组与对应的n组集电环的各个输入端相连，一个原动机带动换向器和n组集电环同时转动。n组集电环的各个输出端分别与对应的n组集电环电刷的各个输入端相连，n组集电环电刷的各个输出端分别或分组直接或经过i个换相电路与对应的感性负载的y组初级绕组的各个输入端相连，y组初级绕组的各个输出端经过对应的换相电路或直接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y组初级绕组通过磁耦合或磁路与对应的次级绕组或对应的转子电磁部分相连，次级绕组或转子电磁部分输出供给负载的电源或作用力。B连接方案是：直流电源的一个极或两个极与对应的n组集电环电刷中的各个输入端相连，n组集电环电刷的各个输出端分别与对应的n组集电环的各个输入端相连，n组集电环的各个输出端分别与对应的换向器电刷的输入端相连，原动机带动换向器电刷和n组集电环同时转动，换向器电刷的输出端与静止的换向器的输入端相连，换向器上p组换向片的各个输出端分别或分组直接或经过i个换相电路与对应的感性负载y组初级绕组的各个输入端相连，y组初级绕组的各个输出端经过对应的换相电路或直接连接在一起后与对应的直流电源另一极相连，感性负载y组初级绕组通过磁耦合或磁路与对应的次级绕组或对应的转子电磁部分相连，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、调速电动机和步进电动机及其驱动电源的许多优点。它改变了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，解决了大容量变频电源的复杂结构和元件所导致的造价昂贵，实现了用换向器等机械开关元件使直流电变换成较为复杂的变流变频电源；还改变了中频电源的传统设计，没有中频发电机的庞杂结构和复杂控制，也没有半导体中频电源的起动和调频控制以及功率因数补偿。同时，也使换向器式调速电动机的电枢定子化，而转子却可以异步化，实现了用换向器使直流电直接驱动笼形或类似笼形原理结构的异步电动机或异步起动的同步电动机，消除了高速异步电动机由变频电源驱动的调速问题和复杂结构。改变了步进电动机及其驱动电源的复杂结构，实现了用直流电通过原动元件直接驱动步进电动机的结构设计。另外，本变流变频装置，能够使电源或电磁场频率与电压或磁场强度分离可调；能够把直流电转换成按直线或曲线移动的电磁场；通过改变换向器的转动方向即可改变变压器类感性负载所输出的电源相位或相序，或者改变反电势类感性负载初级绕组电磁场的旋转方向或移动方向。因为其原动元件的控制电路可以与反电势感性负载本体不相连接，因而使反电势感性负载的正反转控制和稳速控制变的容易。由于使用了由原动元件控制的动态的变流变频元件，因而也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具有n路或p路各自独立的矩形波直流脉冲输出，具有y路或i路各自独立的脉动直流电或电磁场输出；利用这个特性，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、步进电动机驱动电源等。

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是根据本发明变流变频装置的电路方框图。

图2是为简便说明，仅对于变压器类感性负载，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。

图4是根据本发明的变流变频装置中的一种组合式集电环的截面图。

图5是图4所示的组合式集电环的顶视图。

在图1所示的变流变频装置中包括了直流电源1；换向器电刷2；换向器3；n组集电环4；n组集电环电刷5；第一个换相电路6，第二个换相电路7，第i个换相电路8，矩形波直流负载9、10、11；感性负载的第一组初级绕组12；感性负载的第二组初级绕组13；感性负载的第y组初级绕组14；脉动直流负载或初级绕组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；原动机21。在A方案中，n组集电环电刷5中的第一组集电环电刷的各个输出端在需要时可直接输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，n组集电环电刷5中的第二组集电环电刷的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，n组集电环电刷5中的第n组集电环电刷的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11，每组集电环电刷的各个输出端可以与另一组或另几组集电环电刷的各个输出端合并输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载；感性负载第一组初级绕组12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y组初级绕组14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17。每组集电环电刷与所对应的换相电路，可以配合输出矩形波直流电，以供给对应的矩形波直流负载，每组集电环电刷和所对应的换相电路及该换相电路所对应的感性负载的初级绕组可以与另一组或另几组集电环电刷和所对应的换相电路及这些换相电路所对应的感性负载的另一组或另几组初级绕组组合，而主集电环电刷的各个输出端可以分别或分组直接或经过所对应的换相电路独立输出矩形波直流电源，以供给分别对应的感性负载初级绕组；而由变压器类感性负载的y组初级绕组，通过磁耦合供给对应的次级绕组电能，或由反电势类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路供给其转子电磁部分电磁力，或由步进电动机类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路，供给其转子或移动部分电磁力，在B方案中，换向器3上p组换向片中第一组换向片的各个输出端，在需要时可直接输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，换向器3上p组换向片中第二组换向片的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，换向器3的p组换向片中第P组换向片的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11；感性负载第一组初级绕组12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15；感性负载第二组初级绕组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；感性负载第y组初级绕组14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17；每组换向片与所对应的换相电路，可以配合输出矩形波直流电，以供给对应的矩形波直流负载，每组换向片和所对应的换相电路及该换相电路所对应的感性负载初级绕组可以与另一组或另几组换向片和所对应的换相电路及这些换相电路所对应的感性负载的另一组或另几组初级绕组组合，而换向片的各个输出端可以分别或分组直接或经过所对应的换相电路独立输出矩形波直流电源，以供给分别对应的感性负载初级绕组，而由变压器类感性负载的y组初级绕组，通过磁耦合供给对应的次级绕组电能，或由反电势类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路供给其转子电磁部分电磁力，或由步进电动机类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路，供给其转子或移动部分电磁力。

上述直流电源1可以是一个，也可以是各自独立的多个；换向器电刷2可以是一组，也可以是各自独立的多组，每组可以是一个，也可以是各自独立的多个，每组换向器电刷中，只有一个换向器电刷是主换向器电刷，其余的是换相电路的辅助换向器电刷。换向器电刷2通过移刷机构可围绕换向器周围移动。换向器的每组换向片，可以是一片，也可以是各自独立的多片，在每组换向片中，只有一到二片是主换向片，其余的换向片是换相电路的辅助换向片。n组集电环4以及与其对应的n组集电环电刷5，可以是一组，也可以是各自独立的多组，每组可以是一个，也可以是各自独立的多个，每组集电环及其对应的电刷中，只有一个集电环及其电刷是主集电环及其电刷，其余的是换相电路的辅助集电环及其电刷。换相电路是指换向器电刷与换向器在变流变频环节运行过程里，为可靠换相，减小感性负载及其各组初级绕组对变流变频环节影响而设置的电路结构。该电路有若干设计方案，从电路特性上大体可分为两种设计方案：第一种是具有可控换相特性的电路结构；第二种是具有自然换相特性的电路结构。具有可控换相特性的电路结构的主要特点和作用是：利用可控开关元件的开关特性，通过与换向器电刷、换向器的换向片以及相应的集电环及其电刷和电器元件(如电容，电感，半导体元件等)的组配，通过脉冲触发控制器(如机械式脉冲触发控制器)提供与换向器电刷换相同步的控制信号，控制换向器的每一组换向片输出的矩形波直流脉冲宽度；也可以使换向器电刷在没有离开该换相电路所对应的换向片时，断开换向器电刷输入给该换向片的电流，这种电路结构，可以做到换向器电刷与换向器之间无火花运行或微弱火花运行，具有自然换相特性的电路结构的主要特点和作用是：利用半导体元件、容性元件等电器元件的特性和换向器电刷与换向器的开关特性，通过相应的集电环与集电环电刷的配合，完成换向器电刷对感性负载每一组初级绕组的换相；这种换相电路结构可以降低换向器电刷与换向器之间火花的等级。具有可控换相特性的电路结构元件中，可控硅元件所需的控制信号，可以由换向器的换向片提供。某一些变流变频装置，也可以采用电源输入斩波换相电路结构；而该电路中的可控硅元件所需控制信号也可以由换向器的换向片提供。感性负载是指电感负载或反电势负载，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y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y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y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，是按交变电磁场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。

本发明的变流变频装置，按感性负载的设计和要求，该感性负载y组初级绕组12、13、14中，任意时刻，有X组初级绕组通电，Y/Z≥X≥1(Z，Y/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，该电路图中，换向器是转动的，箭头所指的方向是换向器转动的方向，图中U是直流电源，22是换向器电刷，这一个电刷可以通过电刷移动机构围绕换向器移动，23是换向器上换向片的展开图，展开图中，E1和H1至E6和H6是六组换向片，每组有二片换向片，一片主换向片，一片辅换向片；换向片之间相互绝缘；B1至B6和F1至F6是主集电环与主集电环电刷，B′1至B′6和F′1至F′6是辅集电环和辅集电环电刷，集电环及其电刷共分为六组，每组有一个主集电环，一个主集电环电刷；一个辅集电环，一个辅集电环电刷。感性负载是按本实施例所设计的三相变压器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；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L A2的A端，输出端为B相初级绕组的L B2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。

L1至L6是六个电抗器，C1至C1是六个电容器，D1至D6是六个二极管。这些元件也分为六组，它们和六片辅换向片H1至H6和六个辅集电环B′1至B′6及其电刷F′1至F′6组成六个自然换相型换相电路，每个换相电路有一片辅换向片、一个辅集电环、一个辅集电环电刷、一个电抗器、一个电容器、一个二极管，除三相变压器次级绕组、换向器电刷和直流电源外，上述换向片E1和H1至E6和H6、集电环B1和B′1至B6和B′6、集电环电刷F1和F′1至F6和F′6、感性负载的初级绕组A1组至A6组、电抗器L1至L6、电容器C1至C6、二极管D1至D6和D′1至D′6，均等地分为六组，分为T1组、T2组、T3组、T4组、T5组、T6组，每组中有一组换向片；一组集电环；一组集电环电刷；一个电抗器；一个电容器；二个二极管；感性负载的一组初级绕组，它们共用一个换向器电刷，各组中各元件之间的联接相同。

为了便于说明，下面我们详细描述直流电源与换向器电刷22、换向器23的连接和T1组中各元件之间的连接：直流电源U的正极与换向器电刷22的输入端相连，换向器电刷22的输出端与转动的换向器23相连；换向器的主换向片E1的输出端与对应的且与换向器同轴转动的主集电环B1的输入端相连，主集电环B1的输出端与对应的主集电环电刷F1的输入端相接，主集电环电刷F1的输出端与串联在变压器BM的A1组初级绕组输入端的二极管D1′的阳极相连，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。换向器的辅换向片H1的输出端与对应的且与换向器同轴转动的辅集电环B′1的输入端相连，辅集电环B′1的输出端与对应的辅集电环电刷F′1的输入端相接，辅集电环电刷F′1的输出端与对应的电抗器L1的输入端相连，L1的输出端与主集电环电刷F1的输出端相连，电抗器L1的输入端接二极管D1的阴极，输出端接二极管D1的阳极，电容器C1的两端分别与主集电环电刷F1和辅集电环电刷F′1的输出端相连。T2组至T6组中各元件之间的连接同T1组中各元件之间的连接规则相同，为简便说明，在这里不再详细描述。A相次级绕组LA的两端输出供给负载RA交流电压；B相次级绕组LB的两端输出供给负载RB交流电压；C相次级绕组LC的两端输出供给负载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流波形图，图3A是主集电环电刷F1至F6输出端在换向器均匀转动一周所分别输出的矩形波直流电流波形图，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流波形图。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的交流电流波形图。图3D是具有可控换相特性的电路结构中各个可控硅元件的控制极所接收的由脉冲触发控制器提供的与换向器电刷换相同步的触发控制信号波形图。

上述电流波形图是在换向器电刷22的弧长略小于辅换向片的弧长时得到的电流波形图。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，次级绕组设计三相二极笼形转子结构。当换向器连续的转动一周，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二极步进电动机转子结构。当换向器转动60度，则步进电动机转子的角位移就变化60度。为简便描述起见，根据本发明的另一方案设计的同一型式变流变频装置和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反电势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及电压波形图，在此不再一一描述。

图4和图5所示的一种组合式集电环，使用组合集电环的目的主要是为了缩小本装置转动部分的体积，该集电环包括一个换向器轴24，金属座25，绝缘环26，集电环导体27，从图中可以清楚地看出，这种集电环是由多条集电环导体组和在一起的，各条集电环之间是相互绝缘的。

本发明的变流变频装置所使用的换向器与中国专利CN1070520中所述的换向器结构基本相同，当然，该换向器的换向片也可以是在圆形体的内表面上布置，某一些大变频范围的变流变频装置，也可以是换向器电刷和换向器同时转动，只是换向器电刷的转动方向与换向器的转动方向相反；在换向器上设置辅换向片，则辅换向片的弧长较主换向片的弧长小许多。

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 (10)

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：该方法是通过原动机、换向器电刷、换向器、n组集电环、n组集电环电刷与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组以及对应的次级绕组或对应的转子电磁部分来进行变换的，所述n、i、y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；当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2或p≥n≥y≥i≥2，p、n、i、y是偶数；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2或p≥y≥i≥2，n≥1，p，i，y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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2，或p≥n≥y≥i≥2，p、n、i、y是偶数；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2或p≥y≥i≥2，n≥1，p、i、y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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥2，或p≥n≥y≥i≥2；当换向器是静止的，p≥i≥y≥2，或p≥y≥i≥2，n≥1。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，当换向器是转动的，p≥n≥i≥y≥3或p≥n≥y≥i≥3；当换向器是静止的，p≥i≥y≥3或p≥y≥i≥3，，n≥1。(p是所述换向器上换向片的组数)，该方法有A、B方案，A方案的特征是：

第一步：通过换向器电刷把直流电源的一端或两端输入给转动的换向器，由转动的换向器的p组换向片把平稳的直流电转换成矩形波直流电。

第二步：把p组换向片分别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n组集电环，转动的集电环将矩形波直流电输入给与集电环对应的n组集电环电刷。

第三步：把n组集电环电刷分别或分组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i个换相电路输入给感性负载的y组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的y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组集电环电刷的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立的输出矩形波直流电，由感性负载的y组初级绕组的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别独立地输出脉动直流电。或由感性负载的y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。B方案的特征是：

第一步：通过n组集电环电刷把直流电源的一端或两端输入给对应的n组集电环，由集电环把直流电源的一端或两端输入给对应的且与集电环同轴转动的换向器电刷。

第二步：通过转动的换向器电刷把直流电源的一端输入给静止的换向器，由换向器上p组换向片把平稳的直流电转换成矩形波直流电。

第三步：把换向器上p组换向片分别或分组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i个换相电路输入给感性负载的y组初级绕组，由此而改变输入给感性负载的y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：由换向器上p组换向片的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立地输出矩形波直流电，由感性负载的y组初级绕组的各个输出端或由i个换相电路的各个输出端分别或分组独立地输出脉动直流电。或者由感性负载的y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：通过改变感性负载的设计和感性负载的y组初级绕组中每组初级绕组里的初级绕组的数目与每组初级绕组里的初级绕组的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A方案中n组集电环电刷与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组之间的接法；或相应的改变B方案中换向器上P组换向片与i个换相电路和感性负载的y组初级绕组之间的接法；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；或者可以降低反电势类感性负载的y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；或者改变步进电动机类感性负载的y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。

3.根据权利要求1所述的变流变频的方法，其特征是：通过改变换向器电刷与换向器之间的相对转动速度或方向，可以改变换向器的换向片输出的矩形波直流电频率；同时改变变压器类感性负载初级绕组和次级绕组输出的脉动直流电的频率和交流电的频率或相序；或者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变化方向。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转向或线速度或移动方向。

4.根据权利要求1.或2.或3.所述的变流变频的方法，其特征是：通过改变换相电路的结构设计，改变换相电路与所对应的感性负载初级绕组之间的连接方式(如串联、并联等)，可以改变换向器电刷与换向器之间火花的等级和换相效果；而换相电路可以设计为可控换相型电路结构或自然换相型电路结构；并且可控换相型电路结构，可以集中或分组集中换相，即由电源输入端或输出端集中或分组集中斩波换相，也可以通过相应换向器电刷和换向器的换向片与相应的集电环及其电刷和相应的电器元件(其中有可控硅元件)分散换相，即每一组初级绕组都对应一个可控换相电路；而自然换相型电路结构是通过相应的换向器电刷和换向器的换向片与相应的集电环及其电刷和相应的电器元件(.其中有电容和二极管)分散换相，即每一组初级绕组都对应一个自然换相电路。

5.一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装置，它包括了直流电源1；换向器电刷2；换向器3；n组集电环4；n组集电环电刷5；第一个换相电路6，第二个换相电路7，第i个换相电路8；矩形波直流负载9、10、11；感性负载的第一组初级绕组12；感性负载的第二组初级绕组13；感性负载的第y组初级绕组14；脉动直流负载或初级绕组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；原动机21。该装量具有A、B连接方案，其中，A连接方案的特征是：直流电源1的一个极或两个极与对应的换向器电刷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上的p组换向片的各个输出端分别或分组与对应的n组集电环4的各个输入端相连，一个原动机21带动换向器3和n组集电环4同时转动。n组集电环4的各个输出端分别与对应的n组集电环电刷5的各个输入端相连，n组集电环电刷5的各个输出端分别或分组直接或经过i个换相电路6、7、8与对应的感性负载的y组初级绕组12、13、14的各个输入端相连，y组初级绕组12、13、14的各个输出端经过对应的换相电路6、7、8或直接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y组初级绕组12、13、14通过磁耦合或磁路与对应的次级绕组或转子电磁部分18和19相连，次级绕组或转子电磁部分18和19输出供给负载20的电源或作用力。在A方案中，n组集电环电刷5中的第一组集电环电刷的各个输出端在需要时可直接输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，n组集电环电刷5中的第二组集电环电刷的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，n组集电环电刷5中的第n组集电环电刷的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11，每组集电环电刷的各个输出端可以与另一组或另几组集电环电刷的各个输出端合并输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载；感性负载第一组初级绕组12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y组初级绕组14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17。每组集电环电刷与所对应的换相电路，可以配合输出矩形波直流电，以供给对应的矩形波直流负载，每组集电环电刷和所对应的换相电路及该换相电路所对应的感性负载的初级绕组可以与另一组或另几组集电环电刷和所对应的换相电路及这些换相电路所对应的感性负载的另一组或另几组初级绕组组合，而集电环电刷的各个输出端可以分别或分组直接或经过所对应的换相电路独立输出矩形波直流电源，以供给分别对应的感性负载初级绕组；而由变压器类感性负载的y组初级绕组，通过磁耦合供给对应的次级绕组电能，或由反电势类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路供给其转子电磁部分电磁力，或由步进电动机类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路，供给其转子或移动部分电磁力。B连接方案的特征是：直流电源1的一个极或两个极与对应的n组集电环电刷5的输入端相连，n组集电环电刷5的各个输出端分别与对应的n组集电环4的各个输入端相连，n组集电环4的各个输出端分别与对应的换向器电刷2的输入端相连，原动机21带动换向器电刷2和n组集电环4同轴转动，换向器电刷2的输出端与静止的换向器3的输入端相连，换向器3上的p组换向片的各个输出端分别或分组直接或经过i个换相电路与对应的感性负载y组初级绕组12、13、14的各个输入端相连，y组初级绕组12、13、14的各个输出端经过对应的i个换相电路6、7、8或直接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y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和19相连，次级绕组或转子电磁部分18和19输出供给负载20的电源或作用力。在B方案中，换向器3的p组换向片中第一组换向片各个输出端，在需要时可直接输出矩形波直流电源以供给矩形波直流负载9，换向器3的p组换向片中第二组换向片的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载10，换向器3的p组换向片中第p组换向片的各个输出端在需要时，可直接输出矩形波直流电源，以供给矩形波直流负载11；感性负载第一组初级绕组12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15；感性负载第二组初级绕组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；感性负载第y组初级绕组14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17；每组换向片与所对应的换相电路，可以配合输出矩形波直流电，以供给对应的矩形波直流负载，每组换向片和所对应的换相电路及该换相电路所对应的感性负载的初级绕组可以与另一组或另几组换向片和所对应的换相电路及这些换相电路所对应的感性负载的另一组或另几组初级绕组组合，而换向片的各个输出端可以分别或分组直接或经过所对应的换相电路独立输出矩形波直流电源，以供给分别对应的感性负载初级绕组，而由变压器类感性负载的y组初级绕组，通过磁耦合供给对应的次级绕组电能，或由反电势类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路供给其转子电磁部分电磁力，或由步进电动机类感性负载的y组初级绕组，通过所对应的磁路，供给其转子或移动部分电磁力。

6.根据权利要求5所述的变流变频的装置，其特征是：换向器电刷2可以是一组，也可以是各自独立的多组，每组可以是一个，也可以是各自独立的多个，每组换向器电刷中，只有一个换向器电刷是主换向器电刷，其余的是换相电路的辅助换向器电刷。换向器电刷2通过移刷机构可围绕换向器周围移动。换向器的每组换向片，可以是一片，也可以是各自独立的多片，在每组换向片中，只有一到二片是主换向片，其余的换向片是换相电路的辅助换向片。n组集电环4以及与其对应的n组集电环电刷5，可以是一组，也可以是各自独立的多组，每组可以是一个，也可以是各自独立的多个，每组集电环及其对应的电刷中，只有一个集电环及其电刷是主集电环及其电刷，其余的是换相电路的辅助集电环及其电刷。

7.根据权利要求5或6所述的变流变频装置，其特征是：换相电路具有两种设计方案第一种是具有可控换相特性的电路结构；第二种是具有自然换相特性的电路结构。具有可控换相特性的电路结构的主要特点和作用是：利用可控开关元件的开关特性，通过与换向器电刷、换向器的换向片以及相应的集电环及其电刷和电器元件(如电容、电感、半导体元件)的组配，通过脉冲触发控制器(如机械式脉冲触发控制器)提供与换向器电刷换相同步的控制信号，控制换向器的每一组换向片输出的矩形波直流脉冲宽度；也可以使换向器电刷在没有离开该换相电路所对应的换向片时，断开换向器电刷输入给该换向片的电流，这种电路结构，可以做到换向器电刷与换向器之间无火花运行或微弱火化运行，具有自然换相特性的电路结构的主要特点和作用是：利用半导体元件、容性元件这些电器元件的特性和换向器电刷与换向器的开关特性，通过相应的集电环与集电环电刷的配合，完成换向器电刷对感性负载每一组初级绕组的换相。这种换相电路结构可以降低换向器电刷与换向器之间火花的等级。

8.根据权利要求5或6或7所述的变流变频装置，其特征是：该感性负载是指电感负载或反电势负载，该感性负载的y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y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y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，是按交变电磁场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。

9.根据权利要求5或6或7或8所述的变流变频装置，其特征是：该感性负载的y组初级绕组12、13、14中，任意时刻，有X组初级绕组通电，y/z≥x≥1(z，y/z是自然数)；对于不同的时刻，y可以是变量。

10.根据权利要求5所述的变流变频装置，其特征是：本装置具有n路或p路各自独立的矩形波直流脉冲输出，具有y路或i路各自独立的脉动直流电输出或电磁场输出。

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