CN1794566A - 倍频调速逆变器及低压直流供电网 - Google Patents

Abstract

倍频调速逆变器输入变量是直流电压，而输出变量是交变电压及周期，在T/2时间内包括通电时间te/2和断电时间to/2，由激磁电流、有功电流及工作电流三角形内角为180°的条件式判定鼠笼电动机的同步运行工作方式，使鼠笼电动机具有同步及直流电动机的技术性能，并可使原电动机不变的条件下成倍提高输出功率及效率，倍频调速逆变器还可控制两台独立变压器成为直流变压器而节省滤波电容，利用并联二极管的储能电容器和电感制造直流电路人为电流过零点使交流开关灭弧而具有直流开关的功能，达到原低压交流供电网基本结构不变的情况下，又不影响正常供电的状态下将交流供电改造成为直流低压供电网。

Description

倍频调速逆变器及低压直流供电网

技术领域

由于倍频调速逆变器的发明，提供一种将交流输供电网直接改造成为直流输供电网，而又不影响输电和供电的正常运行的有效技术方法。克服了交流高压输电网和交流低压供电网输供电能力低、线损大、安全运行可靠性低等缺点。

技术背景

交流电网在输电及供电系统中传输有功电流的同时还要传输无功电流；而交流电压的有效值只有0.701，又存在操作过电压和操作过电流的过渡过程；发电机并网运行要求转数或频率严格相等，否则电网会发生解裂事故。上述因素降低了交流电网的输电能力，增大了交流电网的线损，最主要的是将风能发电、海浪及潮汐发电、阳光发电、小型水利发电等环保小型机组排斥在电网之外，使上述环保能源不能与电力系统并网，而这些小型机组发电经蓄电池充电后才能使用的电能只能单独供电，加大了发电成本而限制了这些环保能源的发展。

如果能将交流供电直接改造成为直流低压供电，那么上述难题就可圆满解决。本发明给出了将交流电网直接改造成为直流电网的技术及方法，而且不影响电力系统的正常运行及用电户的生产、生活及工作，同时本发明还有能力自筹资金完成改造工程。但是这是一个涉及面积极广的庞大系统工程，必须得到国家支持和全社会的参与才能顺利实现改造工程。直流电网改造工程应先从低压供电网实施，然后再改造高压输电网。

交流电网最末端的低压交流供电涉及社会方方面面，要将交流供电改为直流供电又不影响正常生产、工作及生活，由于低压用电设备种类繁多，数量巨大，因此不但改造工程庞大，而且改造工程技术性能要求极高，同时必须有筹集资金的能力。所以交流供电改造成为直流供电的难度最大，必须具备以下条件才能保证改造工程的圆满实现。

1.原有用电设备不变的情况下只增加一种特殊逆变器后即可正常运行，而增加的逆变器的费用应该不高于直流供电后一年左右的节省电费的金额，由于倍频调速逆变器的发明解决了上述难题，由于用户节电而受益会支持直流供电改造工程的实施。

2.供电部门直流供电改造工程也能从中直接受益，由于直流供电减少线损又可提高供电能力，因此可产生较大经济效益应该提供改造资金支持直流改造工程。

3.直流供电改造工程应由专职公司承担，改造专职公司可以发展风力发电、海浪和潮汐发电、阳光发电、小型水利发电等新兴环保能源，并直接与直流供电网并网运行，同时专职公司可形成各种直流设备行业，例如：直流开关行业，直流仪表行业，直流变压器行业，与倍频调速逆变器直接配套的软件行业及其他直流装备制造行业等，所以专职改造工程公司也有较大经济效益。这样交流电网改造成为产业链，可以促进社会经济发展。

一台低压供电变压器的改造工程应能在数月之内顺利完成。一个城市或一个区域改造工程应该在几年内能顺利完成。改造过程中交流供电和直流供电混合正常运行，不会影响社会的正常生产、工作和生活。因此只要作好改造工程的规划，实现全面直流供电是完全可行的。

高压输电网应按电压等级，以分支输电逐步进行直流输电的改造，最后全面实现电力系统直流化运行也是可行的。

实质性技术内容

交流低压供电改造成为直流低压供电的技术关键是：倍频调速逆变器的发明可以使原有用电设备中的交流电动机不作任何变动就可以直接采用电压成倍提高后的直流电源，而变频调速逆变器是不具备这样的技术性能的。因此家电设备中的电动机只能采用220V交流电源，所以现有变频调速逆变器采用三相整流直流电源时，可以逆变输出三相交流电压为380V只能适用于三相交流异步电动机，对于家电设备中的交流电动机只能采用单相整流直流电源，这样需要储能电容容量大、成本高，克服电容器的冲击电流的技术难度也较大。这是变频调速逆变器的原理使其控制程序局限于只能适用于原有交流电源的额定电压、额定频率范围之内。额定电压为u，额定频率为f时， $f=\frac{1}{T}$ ，因此变频调速逆变器输出电压不能大于电动机额定电压u_e，输出的周期不能小于电源的额定周期T_e二者有如下关系式

uT_e＝常数

变频调速逆变器数字化控制的发展过程中，出现了矢量控制技术、转矩控制技术、模糊控制技术，上述控制技术的理论依据都属于定性分析范畴，由于电动机运行时的参变量依据上述理论都没有求解得到定量关系，所以变频调速逆变器并没有从理论上取得突破性成果。

倍频调速逆变器是从理论上纠正了经典电磁理论中三处错误，发现了电动机转子回路的整流效应后，在理论上取得了突破性成果，求解出电动机运行过程中的各种参变量的定量关系后发明了一种全新控制技术。该技术无论从理论上和技术上与变频调速逆变器都有实质上的技术进步。所以将倍频调速逆变器的控制理论称为定量在线控制技术，也可称为倍频调速逆变器数字化定量控制理论。(请参考方波永磁倍频调速同步鼠笼电动机专利中请说明书)倍频调速逆变器数字化定量控制理论

一.名词解释

1.与电动机有关的名词解释

激磁电流：I_-通过定子线圈的电流在磁路中产生磁通量的电流值。

气隙磁通量：

-穿过气隙使定子与转子磁路相互交链的磁通量。

漏磁通量：₀-只经过定子铁心形成回路的磁通量。

定子磁通量： 定子绕组激磁电流产生的磁通量。

定子绕组总匝数N₁，定子绕组磁路截面积S，磁路平均长度l，磁路等效磁导率μ

电感系数：

转子回路导条总根数：N₂

定子中轴功率电流：I_R-产生转矩T的有功电流。

定子绕组中总损耗电流：I_Q-铜铁损、风磨损、附加损总和。

定子中无功电流：I_x-由转子感抗在定子绕组引起的无功分量。

定子绕组中总有功电流：I_1R-I_1R＝I_R+I_Q

定子与转子相交链的磁通密度：

磁路轴向长度：l

同步转数：n_s

实际转数：n

转子回路线速度：v-v＝2πnr

转子回路角速度：ω₂-ω₂＝2πn

转子回路电流：I₂-是转子导条平均电流值。

转子等效半径：r-转子导条到轴心距离。

转子回路感抗：X-对应定子一个磁极由转子导条形成封闭回路的感抗。

转子回路电阻：R-对应定子一个磁极由转子导条形成封闭回路的直流电阻值。

转子回路感应电动势：u_e-穿过气隙交链的磁通量在转子回路中产生的电动势。

转子回路动生电动势：u_v-转子导条回路切割磁力线产生的电动势。

二.经典电磁基础理论中存在的错误

1.自感系数L的定义式是错误的

经典电磁基础理论中给出N匝密绕线圈自感系数(也称为电感系数)L的定义式如下

μ-磁导率，S-线圈包围面积，l-磁路平均长度。

由安培环路定律知道：导磁物质中磁通密度B，由N匝激磁线圈中激磁电流N_i及线圈包围导磁物质中的磁化电流i′共同产生的

∫Bdl＝μ₀(i′+Ni)

磁化电流i′＝∫Hdl，如果是各向同性并且磁路截面积S相等，磁路平均长为l时，则

B＝μH

Hl＝NI_

＝BS

于是由上面三个关系式可以得到：

可见电感系数L是与激磁线圈匝数N成正比，而不是像经典电磁基础理论中那样L与N²成正比，所以经典电磁基础理论中L与匝数的关系式是错误的。

2.电磁感应定律中的错误

感应电动势u_e等于激磁线圈匝数N与磁通量对时间的微分的乘积：

所以原电磁感应定律 也是错误的。

由纠正错误后的(2)式及(3)式可直接导出变压器电压公式：u＝4.44fNB_mS及感抗X的关系式

3.判定感应电动势方向的楞次定律是错误的

楞次定律认为感应电动势与感应电流(激磁电流)是同方向显然是错误的，因为二者相位差是

但在当时测量技术条件下出现这样的错误是可以原谅的，时至今日仍然不纠正楞次定律中的错误就是不应该的了。

4.磁路基尔霍夫第二定律是错误的

由导磁物质与气隙构成的磁路，气隙中的磁通密度B仍然是由导磁物质中的磁化电流与激磁电流(磁动势)共同产生的，而不是仅由磁动势N_i产生的。

三.求解电动机运行变量之间的定量关系

由于纠正了经典电磁理论中的错误后，发现了电动机转子回路中的整流效应，无论是同步电动机或者是鼠笼电动机转子回路只要进入准同步运行状态就会将交流电压整流成为直流电压。同时还发现：转子回路中由定子绕组产生的交链磁通密度B引起的感应电动势

与切割磁力线引起的动生电动势u_v＝Blv的大小和相位完全相等，因此当转子以同步转速运行时u_e＝u_v，二者只不过是电磁感应定律的两种表述方式。当转子以小于同步转速但接近准同步运行时，引起的电压值小于同步转速运行时电压值，但频率及相位不会有较大区别。只有偏离同步转速较大时才会出现频率和相位发生偏离，所以鼠笼电动机在稳定运行阶段转子回路只存在直流电流，因此转子回路直流电阻R与电流乘积等于电压。于是求解得出以下定量关系式，转子回路电流记为I₂，得：

$I_2=\frac{u_e-u_v}{R}=\frac{4\mathrm{\πBlr}}{R}(n_s-n)---\left(4\right)$

N₂根转子导条切割磁力线平均受力记为F，得

$F=\frac{4\mathrm{\π}{B}^2{l}^{2}r{N}_2}{R}(n_s-n)---\left(5\right)$

n_s是同步转数，n是准同步实际转数，转子转矩记为T，T＝Fr得：

$T=\frac{4\mathrm{\π}{N}_2{B}^2{l}^2{r}^2}{R}(n_s-n)---\left(6\right)$

定子绕组总匝数为N₁，轴功率电流记为I_R

$I_R=\frac{4\mathrm{\π}{N}_2\mathrm{Blr}}{N_{1}R}(n_s-n)---\left(7\right)$

转子电流I₂与定子轴功率电流I_R大小相等方向相反而抵消，因此不会在磁路中产生磁通量。电动机轴功率记为W_R，相电压记为u，则：

$W_R={\mathrm{uI}}_R=\frac{4\mathrm{\π}{N}_2\mathrm{uBlr}}{N_{1}R}(n_s-n)---\left(8\right)$

关系式(7)给出的是定子绕组中的轴功率电流。定子绕组中还存在总损耗电流记为I_Q，总损耗包括铜、铁损，风磨损及附加损耗，总损耗电流是有功电流，与轴功率电流I_R之和等于定子线圈中的有功分量电流，记为I_1R

I_1R＝I_R+I_Q…………………………(9)

由(1)式知道定子绕组中激磁电流 磁通量_m等于电压u对时间 的乘积，如果磁通量_m是极大值，u为平均值，由(2)式可得：

如果将电动机定子绕组的电感系数L及匝数N1测出作为电动机运行参数标示在铭牌上，则：

激磁电流就是已知的参数了。

激磁电流就是已知的参数了。

由(3)式知道：转子回路中形成直流电流的条件是n_s-n的值与n_s之比 $\frac{n_s-n}{n_s}\≤5\%,$ 如果 过大，就会使定子绕组中出现过大的无功电流I_X，这与同步电动机失步状态相同。即使 也会在定子绕组中引起很小的无功电流，那么能否将鼠笼电动机也能像同步电动机那样，在n_s-n＝0的状态下运行呢？倍频调速逆变器就实现了鼠笼电动机同步状态运行的工作方式，使I_X＝0，彻底消除掉激磁电流以外的无功分量电流。

消除无功分量电流I_X的方法是倍频调速逆变器与变频调速逆变器相比又一个实质性技术进步。

变频调速逆变器输入变量只有直流电压u₊，而输出变量只有交流电压u与周期T，输出的电流由电动机的工作状态的阻抗决定。

倍频调速逆变器输入变量直流电压u₊，但是输出变量有交流电压u，周期T，通电时间t_e，断电时间t₀

$\frac{T}{2}=\frac{t_e+t_0}{2}---\left(12\right)$

而交流电压u要提高 倍，相应将通电时间减少

倍，磁路磁通量不变，由于存在断电时间t₀，所以实际频率仍然等于周期倒数 $f=\frac{1}{T}$ 不变。电压换向时的断电时间t₀与周期T之比等于电动机的转差率。由电压提高

倍，电动机轴功率电流I_R提高 倍，因此转矩提高

倍，转速提高

倍，因此转子在 时间内，正好转过一个磁极位置，电动机进入同步运行状态工作。

$\frac{t_0}{T}=\frac{n_s-n}{n_s}---\left(13\right)$

注意通电时间t_e应将电容放电时间计算在内。无论是二相方波电压或三相交流正弦电压都按关系式(12)及(13)的规律定量控制，这种特性只适用于鼠笼电动机。

倍频调速逆变器另一个特征在于它输出的额定频率不受电网频率的局限。其额定频率f_k可以比电网额定频率f提高k倍

f_k＝kf…………………………(14)

k是大于1的正数。例如三相电动机不变，倍频调速逆变器输入直流电压提高为ku₊，而输出交流电压提高为ku，频率同样提高为kf，电动机的输出功率也提高为kW。这个特征适用于同步电动机和异步电动机。

综上所述：原电动机不变，只要采用倍频调速逆变器控制电动机的起动和运行，提高电动机的工作电压及频率即可提高电动机的转矩及输出功率。这种技术性能显然可提高设备的生产能力，给企业带来极大的经济效益，同时对交流低压供电改造成为直流低压供电网提供了发展空间，因为工程改造的同时，可直接提高直流电压。例如将直流低压改为480v及960v两种供电电压，居民用户使用480v电源，而生产企业采用960v电源，使设备增大生产能力，用户受益了，当然愿意接受工程改造的实施。

电动机的转子回路与定子绕组的关系完全相当于变压器二次线卷与一次线卷之间的关系。只不过鼠笼电动机转子回路是短路环，同步电机转子回路相当于与直流电源内阻构成短路环；而变压器二次线卷与外负载构成短路环。

电动机激磁电流与电压关系为

U＝NωLi＝N2πfLi

同步电动机轴功率电流是转子回路切割磁力线产生动生电动势U_v与直流电源电压之差作用于转子回路直流电阻上形成的，这是同步运行方式所决定的，动生电动势

U_v＝Blv＝Bl2πn_sr

同步转数n_s等于工作频率f与极对数p之比

$U_v=\frac{\mathrm{Bl}2\mathrm{\πfr}}{P}$

U_v析合到定子绕组回路时U′_v为下式

$U_v^{\′}=\frac{N_1\mathrm{Bl}2\mathrm{\πfr}}{N_{2}p}$

所以电动机激磁电流及轴功率电流都是与电压成正比，与工作频率成反比。而定子与转子回路电压及电流之比如下：

$\frac{N_1}{N_2}=\frac{U_1}{U_2}$

$\frac{N_1}{N_2}=\frac{i_2}{i_1}$

鼠笼电动机同样由转数差n_s-n的关系变化完全可化解成与同步电机相同的定量关系。因此鼠笼电动机可由倍频调速逆变器控制实现同步状态下运行。由于经典电磁基础理论中存在错误，对感应电动势u_e与动生电动势u_v认识出现误区，将电动机起动过程中出现堵转电流的物理过程曲解了。实际上堵转电流就是激磁电流与转子回路中的感抗电流I_X与电阻电流I_R之和，由于转子回路是短路环造成起动电流为6倍左右。当稳定运行时，转子回路同步了，整流效应消除了转子回路的感性电流，使电动机工作电流降低到正常值。

异步稳定运行状态总会存在感性电流I_X，因此磁极换向时，转子回路没有转过一个磁极位置，这时出现与转子运动方向相反的作用力，只有转子进入反向绕组磁极后，而反向绕组磁极已经换向才会重新产生与转子运动方向相同的作用力。

同步运行状态就不会出现与转子运动方向相反的作用力了。因此倍频调速逆变器的这种技术性能是变频调速逆变器所无法达到的。

两相方波倍频调速逆变器还可作为直流变压器使用，如果将每相电压线圈作为单独一个变压器的一次线圈，而变压器二次线圈经整流后就可输出二次直流电压。由于两相之间相角差为180度，一次与二次均为方波电压，因此直流变压器输出电压值是恒定的直流电压，所以可节省滤波电容器容量，减小系统冲击电流，成为理想的直流变压器。为了克服电子开关管的开关损耗，仍可采用电容器直接吸收开关操作引起的过电压，因此电子开关管在电压换向时要有一个断电时间t₀，电子开关管关断时由电容的放电，使电子开关管在零电压状态下关断。电容器放电结束后由电感给电容器反向充电达到接近反向电压值时，另一个串联的电子开关管开始导通，这样电子开关管也是在零电压状态下导通，因此在开、断过程中不会出现冲击过电压及冲击过电流。消除了开关损耗，同时又提高了电子开关器件的可靠性及使用寿命。

倍频调速逆变器之所以能与电动机负载配套使用，又可与变压器负载配套使用，其原因在于由公式(4)及(7)知道，电动机的轴功率电流的性质与变压器二次线圈电流性质完全相同。由于以前受传统观念及经典电磁理论中存在着错误的局限，无法求解轴功率电流的定量关系，因而不知道电动机轴功率电流的性质完全与变压器二次线圈电流性质相同，那就是：转子回路电流相当于变压器二次线圈电流，其大小与折合到一次线圈中的电流相等而方向相反，因此相互抵消而不会各自产生磁通量，因此电动机磁路中磁通量(包括漏磁)完全取决于激磁电流。转子回路中的有功电流及无功电流都是如此，进入准同步状态时无功电流很小，所以转子回路阻抗主要成份是直流电阻。只有达到同步运行状态时，转子磁极才能与定子磁极同时换向，彻底消除转子回路中的无功电流分量。而损耗电流转变成热能并不会有多余能量转变成磁场能量，因磁通量是由磁场能量决定的，所以损耗电流也不会产生磁通量。

提高感应电压u而相应缩短通电时间，增大断电时间，使轴功率电流也按 的倍数增大，这样轴功率同时增大 倍，提高了鼠笼电动机的过载能力，具有同步电机相同的技术性能。这是变频调速电动机所不具备的技术性能。倍频调速电动机铭牌中应标明定子线圈匝数N₁及磁通量和电感系数的极大值及有效值_m、和L_m、L，额定电压由最高工作电压取代。

倍频调速电动机的发明不但降低电动机成本并提高了技术性能；而且还可与增高频率(50～300)赫兹的变压器配套构成较为理想的直流变压器，给交流供电改造成为直流供电网提供了必要技术条件。

附图说明

附图1是倍频调速逆变器控制三相倍频调速电动机稳定运行时输出电压波形图。只画出一相电压的通电时间

与断电时间

及半周期

的波形关系。

附图2是判定电动机同步运行工作状态时的激磁电流I_，转子无功分量电流I_X及定子绕组中工作电流I₁的矢量三角形关系图。β、α角分别是(I_X＝0时同步状态下)I_与I₁余弦夹角及I_R与I₁正弦夹角，而β′、α′分别是(I_X≠0异步运行状态下)I_+I_X与I₁余弦夹角及I_R与I₁正弦夹角。

附图3是倍频调速逆变器控制两台同容量自耦变压器的调压、稳压直流变压器接线图。G₁、Z₁、C₁，G₂、Z₂、C₂，G₃、Z₃、C₃，G₄、Z₄、C₄是分别并联四只电子开关管组件，由控制器A控制运行。L₁、L₂是同容量自耦变压器线圈。C₅、C₆是对称电源的串联电容，C₇是二次电压滤波电容，及二次电压整流二极管。

附图4是低压直流供电分支线路图，K′为三相断路器，①是三相整流器、开关K、限流电感L及并联二极管Z、灭弧储能电容器C₁、C₂及并联二极管Z₁、Z₂连线图，K₁、W₁……K_n、W_n是分支开关及用电负荷接线关系图。三相整流器前接交流断路器加强安全保护电路。

实施例1

以倍频调速三相鼠笼电动机为例，定子绕组通电后在磁路中磁通量，磁通密度B与一个磁极等效面积S的乘积等于，磁极是正、负间隔分布，由磁通连续性原理知道，每极磁通量形成串联形式，而定子线圈匝数也是串联形式，因此变压器电压公式u＝4.44fN₁BS同样适用于电动机磁路产生的感应电压值，只不过磁极面积S应经过分布系数修正后成为等效面积。由公式(3)知道：加在定子线圈上的电压u与激磁电流I_之比等于感抗N₁ωL，所以u与感应电动势不同，因为实测定子线圈电感系数时，采用的是电源电压u值，而不是感应电动势。所以只要在电动机型式试验中，采用倍频调速逆变器控制电动机同步运行状态下测出定子线圈电感系数L后，将定子线圈匝数N₁与L标注在铭牌上，激磁电流

就是已知的了。当然应至少测出磁通量为极大值_m及有效值相对应的电感系数L_m及L值。小于磁通量有效值以下的电感系数L值应该等于常数，没有必要重复测量。测量方法可用电压表及无功功率表，或无功电度表测量求解得到L值，不详细叙述了。定子线圈匝数N₁与最高工作电压也应标注在铭牌上，而额定电压值是指满负荷长期稳定运行时电压值，当短时过载运行时，倍频调速逆变器可输出高于额定电压值工作。

只要稳定运行时的电动机工作电流I₁及工作电压u测出后，由公式(3)求得

则 则

而I₁落后u的角度α应等于I₁与u的过零点的时间差t_e与

之比满足条件关系式(16)

如果α+β＝90°，由于I_与u之间夹角为90°，而I₁与u夹角为0，所以有功电流I_1R与I_及I₁组成直角三角形的条件是I_X＝0，也就是转子回路中无功电流分量等于0的条件是

α+β＝90°…………………………(17)

当I_X存在时，由于I_X与I_同相位，因此 故β′πβ，而α′φα，所以

β+α′φ90°…………………………(18)

由此得出(17)式是判定I_X＝0的关系式。

当然也可以直接测量电动机的转数等于倍频调速逆变器输出频率的同步运行作为判定I_X＝0的条件关系式。在短时间内还可控制磁通量适当过饱和情况下同步运行，使鼠笼电动机具有直流电动机及同步电动机相同的技术性能。

转子回路中无功电流的分量等于0的条件是倍频调速逆变器输出电压的过0点必须存在一段断电时间t₀，断电时间t₀应满足下式

$\frac{n_s-n}{n_s}\≤\frac{t_0}{2}\mathrm{\π}\frac{t_e}{4}$

如附图1所示。

如果是两相方波倍频调速逆变器，其判定I_X＝0的方波与上述相同。当调速范围不大时，只要延长电压过0时的断电时间t₀，就相当于降低电动机工作电压，因此不需要由高频电压控制占空比来调整电动机的工作电压了，这样避免了电子开关管的高频工作方式，不但减小开关损耗，而且提高电子开关管的寿命及可靠性。所以两相方波倍频调速电动机也称为无刷直流鼠笼电动机。所以两相方波倍频调速电动机是最具发展潜力的电动机。

例如：居民进户交流电压为220v，三相整流后直流电压为480v进户，空调电动机是两相，采用对称直流电源的两相方波倍频调速逆变器，输出交变电压240v，额定频率60赫兹，通电时间缩短，断电时间适当增大，铜损减小，效率提高，故额定电流不变，输出功率提高，铁损增加很小，损耗电流增加很小，电动机不会过热，而输出功率增大，电动机转数增大同样倍数。三相电动机同样可以比变频调速电动机提高输出功率及效率。提高供电能力，降低线损。又不提高对地的绝缘电压。使用户受益。其他家电设备中的电动机同样处理，另外没有电动机的用电设备采用降压变压器或者直接提高用电设备的电源电压为480v均可。

实施例2

两相方波倍频调速逆变器还可控制两台同容量独立自耦变压器运行，两相之间相位差为180度时可省略滤波电容器(当然也可加很小的滤波电容)，技术特征在于电子开关管关断时由并联的两只电容器放电电流承担工作电流i，减小开关管关断电流值。并在0电压状态下关断。开关管关断时电压上升率小于击穿电压u_m与关断时间t_k之比， $\mathrm{u\π}{t}_k\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}},$ 满足上式时开关管工作是可靠的，这相当于关断电流由电容放电承担而不经开关管导通，串联的另一只开关管导通时要由控制器监测该开关管两端的电压降等于0时才可导通。这就要求自耦变压器激磁电流的能量大于两个电容器充电到工作电压值时的能量。由于IGBT管关断或导通时间是几微秒，并联电容器应由多个小电容并联构成，使引线电感不影响电容器快速放电。变压器线圈空载电感系数为L，激磁电流为i₀，工作电压为u时，则满足下面关系式即可。

$\frac{1}{2}\mathrm{NL}{i}_0^2\≥\frac{1}{2}{\mathrm{cu}}^2$

所以倍频调速逆变器工作的状态仍然是电压换向时存在一段断电时间，这样就保证开关管无论是关断、或导通均在0电压状态下换向。频率可在50～300赫兹之间选取，又是自耦变压器，所以变压器的成本很低，体积很小，效率很高，开关管开关损耗小，工作可靠、寿命长。

当然也可以使用双线卷变压器，原理与上述相同，不重复叙述了。

实施例3

倍频调速逆变器使结构最简单，工作最可靠的鼠笼电动机的技术性能提高，可进入同步运行状态下工作，达到同步电动机水平的同时，又降低了电动机的成本。同时又可控制变压器成为成本低廉的理想直流变压器，这样用电设备均可直接采用直流电源运行，而且可保持原电动机及其他用电设备不变的状态下工作，并可大幅度节电。又可以在不停止交流供电状态下直接将逐个用电户改造成为直流供电。因此只要解决交流开关能直接开断直流电路的技术难题，就可顺利实现直流低压供电的改造工作。

解决交流开关开断直流电路的技术可由储能电容并联二极管Z制造人为的电流过0点来实现，接线如附图4所示。三相交流断路器在整流器之前，仍然可开断交流短路电流，直流分户开关K与整流器直接联通，然后经限流电感L，采用带气隙的铁心电感，直流内阻小，并且反向并联二极管作为自身放电回路的通道，避免影响开关灭弧性能。K断时，C₁及C₂放电形成电路的工作电流，使K的电流过0时间达1毫秒以上即可灭弧。开关分断时甚至于比交流开关电弧还小。电路电流如果是感性，会反向给储能电容C₁及C₂充电，但经二极管将反向充电电流短接，是C₁及C₂反向电压不高于二极管的正向导通电压降，所以电解电容器C₁及C₂不会出现反向电压。进户后分支开关K₁、K₂……K_n也可照样处理。这样就可以不改变原用户的接线方式即可将交流电源改造成为直流供电。当逐户改为直流低压供电后，完成了单台变压器所有交流用电改造成为直流供电后，可在变压器低压三相输出口增加整流器，将三相四线制中每两条导线并联后构成直流电源正、负电源线，取消分户处的整流器，使分户直接与直流电源经开关联通，该台变压器低压侧成为低压直流供电网络，直流电源正、负极电路对地中性点不接地，中性点不设引出线，用户使用对称电源由串联电容器形成对称中心，然后回收分支及进户处的三相整流器，成为完全的低压直流供电网。

这样低压供电网主要设备就是变压器、开关、线路、电动机及其他用电器构成的网络系统就成为直流低压供电网了。这种工程的实现，必将促进社会经济及环保能源的发展，同时可给社会提供新的就业机会，在国际市场上也有广阔的发展空间。

Claims (5)

1.倍频调速逆变器输入直流电压，输出变量是交变电压U、周期T，在 时间内有通电时间及断电时间 $\frac{t_0}{2},\frac{T}{2}=\frac{t_e+t_0}{2},$ 断电时间t₀及电压u应满足下面两个条件关系式： $\frac{n_s-n}{n_s}\≤\frac{t_0}{2}\mathrm{\π}\frac{t_e}{2},\frac{U-u}{U}=\frac{n_s-n}{n_s},(\frac{n_s-n}{n_s}$ 及u是变频调速电动机转差率及输入电压值)，倍频调速电动机应标明定子线圈匝数N₁及电感系数L值，倍频调速逆变器还可在短时间内控制电动机磁通量适当过饱和情况同步运行的工作方式，同时成倍提高倍频调速逆变器输出电压及频率使控制原电动机输出功率成倍提高。

2.根据权利要求1所述，倍频调速逆变器直接测出电动机的工作电流I₁值及I₁与电压U过0点的时间差，求得I₁与U的夹角 由激磁电流 与I₁之比求I_与I₁夹角只要α+β＝90°即可控制电动机在同步状态下运行，或直接测量电动机实际转数n与周期T同步运行，并且可同时提高倍频调速逆变器输出电压和频率来提高电动机的转矩和输出功率。

3.倍频调速逆变器采用两相输出方波交变电压时，在电压换向时控制断电时间的大小可使开关管在0电压状态下导通和关断，当两相相角差为180°时可节省整流后滤波电容器，断电时与开关管并联的电容器放电电压降大于开关管关断时所能承受的击穿电压值，经断电时间t_k后测试相串联的另一只开关管端电压下降为0时，该串联开关管才能导通，与开关管并联电容器应用多个小电容器并联构成其总容量满足如下条件式：

$\frac{1}{2}\mathrm{NL}{i}_0^2=\frac{1}{2}c{U}^2$

输出频率可在50～300赫兹之间选取，每相分别控制独立自耦变压器或双线卷变压器均可。

4.倍频调速逆变器的发明可以使交流低压供电改造成为直流低压供电，原电路使用的交流开关增加储能电容器并与二极管并联可制造人为电流过0点，使开关快速灭弧，开关与储能电容器之间经带气隙的铁心电感限流，电感也反向并联二极管，成为电感自身放电回路，交流开关即可具备直流开关的技术性能了，逐户进行改造过程中是交、直流混合同时供电阶段，不影响正常供电。

5.根据权利要求4所述，单台变压器低压交流供电网内所有用电户都改造成为直流用电户后，在变压器低压侧装置三相整流器，将三相四线制电路，每两条并联后成为直流电源正、负极电路，而对地中性点不接地，也不向低压供电网引出线，用户使用对称电源时，由串联电容器形成对称中心，然后回收每条分支及进户处的三相整流器，并将交流断路器改为直流断路器后完全成为低压直流供电网了。

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