CN2141146Y - 一种动态的变频变流的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是涉及一种动态的变频变流的装 置。该装置是通过换向器电刷，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。

Description

本实用新型是涉及一种动态的变频变流的装置，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。

本实用新型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变频变流装置。

上述的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。

本实用新型的目的是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。

本实用新型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。

下面将结合附图说明通过实施例的形式更详细地描述本实用新型。

图1是根据本实用新型的动态的变频变流装置的A相变流器的组成图（B相和C相、D相等多相结构与A相相同）；

图2是根据本实用新型的变频变流装置中的一个具体的电路装置图；

图3是根据本实用新型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是根据本实用新型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是本实用新型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组成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也是本实用新型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F_K1至F_K4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F_K1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F_K2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F_K3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F_K4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（A_1－24）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A_1－24和K_1－4是在一个水平圆盘的平面上布置。

在图5和图6中示出了根据本实用新型的另一种换向器，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是本实用新型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实用新型的一个实施组，根据本实用新型的方法，可以对动态的变频变流装置进行变型，各种变型均属于本实用新型的保护范围之内，本实用新型的保护范围将通过所附的权利要求加以限定。

Claims (6)

1、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。

2、根据权利要求1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。

3、根据权利要求1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。

4、根据权利要求1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。

5、根据权利要求1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。

6、根据权利要求1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。

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