CN2249990Y - 非静止式变频无级调速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属交流感应电动机恒力矩变频无级调速范畴，其特点是采用机械旋转式逆变器作为系统逆变主回路开关元件，并采用换向火花消除电路解决逆变器工作时出现的火花，系统的调节过程只需通过改变直流供电电源的电压即可完成，输出电压波形为近似正弦且相位差为120°的12阶梯波，调速范围从0速到超同步均可，与现有技术中PWM变频无级调速器相比，具有结构极为简单、成本低，可靠性高，维护方便特点。适用于对各种力矩特性的拖动电机的无级调速。

Description

非静止式变频无级调速器

本发明属三相交流感应电动机的恒力矩无级调速装置，适用于对各种恒力矩特性负载和其它力矩特性的拖动电机进行无级调速。

在现有技术中，三相交流感应电动机的恒力矩调速主要采用PWM变频调速器，实践证明，该技术的调速性能是比较好的，但存在的问题仍不少，其中，最为突出的是结构复杂，价格高昂和维修困难。即其性能价格比和维修仍不能为绝大多数的用户所接受。就是为什么PWM变频调频调速器引进我国多年但一直难于全面推广的根本原因。

然而根据感应电动机的恒力矩变频无级调速器的工作原理，要在现有技术的基础上，使PWM变频调速器和其它结构形式的变频调速器(如SCR相控式交一交变频器、SCR交一直一交逆变式变频器等)的性能价格比有较大幅度的降低是比较困难的，因为其工作原理决定了结构的简化是非常有限的，至于维修工作的难易，则从根本上来说取决于维修对象的结构复杂程度。因此要研制出简单可靠、低成本、维修容易的变频无级调速器，必须突破原来的设计思想和方法，寻找到新的工作方法和原理，才有可能做得到。

本发明的主要特点是根据变频无级调速器的工作原理，将电机技术和电子技术有机地结合起为，使所设计出的变频无级调速器，在主要性能上接近PWM的情况下，结构大为简化，成本大幅度降低，同时使维修工作也变得简单容易。

在分析整机工作原理之前，先分析本发明的核心部分——机械旋转式逆变器的工作原理，图(1)为二极逆变器的结构示意图，图中a、b、c、d、e均为电刷，其中电刷a、b、c、分别与园心成120°的相等夹角，分布在换向器的外园表面，作为变频输出电刷，d、e为直流电源输入电刷；F1、F2为滑环，它的作用是一方面对外与电刷d、e接触，为供电电源的输入提供通路，对内，则以同一转轴上的紫铜换向片M、N连成一体，即利用滑环来完成对旋转逆变器传输电能的任务；换向片M和N组成了逆变器的主体一换向器，它们被相向地固定在绝缘转轴上，与园心的夹角φ为120°～150°。逆变器工作时，由小功率直流电动机带动旋转。

图(2)为逆变器的工作接线图，其中直流电源E1通过电刷d、e和滑环F1、F2向换向片M、N供电(为便于分析，将接电源正极的换向片M画成白色，接电源负极的换向片N涂成黑色，以下同)，Y形接法的负载电阻Ra、Rb、Rc分别接在电刷a、b、c上，此外，由另一个电源向带动逆变器旋转的直流电动机供电，(这部分电路省略)，带动逆变器工作。

分析逆变器的工作状态时，为方便分析，将逆变器的主体部分换向器和电刷a、b、c画成展开图，这样，图(2)转画成了图(3)(注意，图中省去了电源E1电刷d、e滑环F1、F2)。

从图中可以看出，在t₀—t₁期间，换向器处于h₁行的位置，此时，电刷a处于换向位置，电刷b与负极换向片相联，电刷c则与正极换向片相联，这样，电流的流动路线为：从电源正极→电刷C→Rc→0点→Rb→电刷b→电源负极。这样可写出电流方程： $I=-I_b=I_c=\frac{E}{R_b+R_e}$ 而负载电阻R_a＝R_b＝R_c＝R这样不难计算出：U_Ra＝I_aR_a＝0 $U_{\mathrm{Rb}}=I_b{R}_b=-\frac{E}{R_b+R_c}\·R_b=\frac{-E}{2R}R=-\frac{E}{2}$ $U_{\mathrm{Rc}}=I_c{R}_c=\frac{E}{R_b+R_c}\·R_c=\frac{E}{2R}R=\frac{E}{2}$

到t₁—t₂期间，换向器旋转到h₂行位置，此时，电刷a和c同时和正极换向片相接触，电刷b仍和负极换向片相接触，这样，有电流方程：I＝I_a＋I_c＝-I_b即 $I=\frac{E}{R_a//R_c+R_b}=\frac{E}{\frac{1}{2}{R}_a+R_b}=\frac{2E}{3R}$ 这样： $U_{\mathrm{Ra}}=\frac{1}{2}I{R}_a=\frac{1}{2}\frac{2E}{3R}\·R_a=\frac{E}{3}$ $U_{\mathrm{Rb}}=I_a{R}_b=-\frac{2E}{3R}\·R_b=-\frac{2}{3}$ $U_{\mathrm{Rc}}=U_{\mathrm{Ra}}=\frac{E}{3}$

从t₂～t₃期间，换向器的位置如图中h3行所示，此时电刷a和b不变，电刷C换向，用同样方法可证明，此期间： $U_{\mathrm{Ra}}=\frac{1}{2}E$ $U_{\mathrm{Rb}}=-\frac{1}{2}E$ U_Rc＝0同样，不难证明，在t₃～t₄期间： $U_{\mathrm{Ra}}=\frac{2}{3}E$ $U_{\mathrm{Rb}}=-\frac{E}{3}$ $U_{\mathrm{Rc}}=-\frac{E}{3}$ t₄～t₅期间，则有： $U_{\mathrm{Ra}}=\frac{E}{2}$ U_RB＝0 $U_{\mathrm{RC}}=-\frac{E}{2}$

根据以上的计算结果，画出U_Ra、U_Rb、U_Rc在各期间对应的电压波形如图(3)所示。从图中看出，这三个电压波形均为与正弦波近似的12阶梯波，且在相位上相差120°。用同样的方法，很容易证明，负载电阻R_a、R_b、R_c接成△联接时，三个负载上的电压波仍与正弦波近似，且相位差仍为120°。同样，不难证明，将换向器上的换向片与园心夹角从150°逐渐变成120°时，输出电压波形将从12阶梯波逐渐变为6阶梯波，幅值不变，相位差仍为120°。

根据变频无级调速原理，要保证负载电动机在任何转速状态下的输出力矩不变，其基本的条件是：电动机的磁通必须为恒定值，也即在交流供电电源中，必须保证电压幅值和频率之比为一恒定值：即比值U/f不变。

本发明中，决定逆变器交流输出频率f的高低，是由带动换向器旋转的直流电动机的转速n来决定的，电动机的转速高则变频器的输出频率f亦高，反之亦然，两者之间有线性关系式： $f=\frac{\mathrm{np}}{60}$

式中P为换向片的极对数，在图(1)中，P＝1。

而决定直流电动机转速n高低的因素是电枢的直流供电电压E_d(励磁电流恒定的条件下)，E_d高，则n高反之，E_d下降多少，则n同样下降多少。在忽略电枢直流电阻的情况下，有关系式：

                 n＝E_d/C_eφ或写成：

                 E_d/n＝C_eφ

即两者之比亦为一恒定值。

在本发明中，变频输出相电压，有效值U的大小，取决于直流供电电压E₁的大小，两者之间的关系为：

                     U＝KE₁式中，K为电压变换系数，其数值的大小，取决于负载的接线方式。这样可写出下列表达式： $U/f=\frac{K{E}_1}{\mathrm{np}/60}=\frac{K{E}_1}{\frac{\mathrm{Ed}\·P}{60C_e\mathrm{\φ}}}=\frac{E_1}{E_d}\·\frac{{60\mathrm{KC}}_e}{P}\·\mathrm{\φ}=\frac{E_1}{E_d}\mathrm{\φ}{K}_B$ $K_B=\frac{60{\mathrm{KC}}_e}{P}$ 从以上表达式中，不难看出，要使变频器的交流输出电压保持比值U/f为恒定值的根本条件是：在直流电机的磁通φ为恒定的条件下，供给逆变主回路的直流供电电压E₁和供给直流驱动电动机的电枢电压E_d之间保持恒定的比值不变。

在本发明的实施方案中，当直流电动机的电压转速特性与变频输出特性的不相符时，必须由两个成比例可调的直流电源分别向逆变器和直流电动机供电，如两者持性相符，则可以取E₁＝E_d，即仅用一个可调直流电源，同时对逆变主回路和直流电动机供电。这样，上式可写成：

                      U/f＝φK_B或写成：

                    U＝φK_Bf＝KE₁

这个表达式是简单明了的，它说明在这样的变频调速系统中，仅通过调节直流供电电压E₁的电压值的大小，即可使变频器的交流输出电压保持此值U/f不变，这正是恒力矩变频调速系统所需要的。

本发明中，由于在结构上采用机械式逆变器来作为逆变主回路，这样，由于有机械接触，所以，在向感应电机等感性负载供电时，由于感抗的影响，必然存在换向火花的问题。因此，在系统中，采用了特殊的换向火花消除电路，如图(4)所示，图中D₁—D₆、C₁—C₆分别称为续流二极管和换向电容。为便于分析，将图(2)所示的变频器逆变主回路根据等效工作原理，画成如图(5)所示的桥式等效电路，此外，将负载也画成感性负载形式。图中K₁—K₆即为逆变器中由换向器和电刷a、b、c组成的模拟开关。分析时参照图(3)的逆变过程图，取图中h₃行即t₂～t₃期间，电刷c从电源正极换向到电源负极的过程，来说明火花消除电路的工作原理，先看图中的h₂行，即时间t₁～t₂期间，电刷a、c同时与正极换向片相接，电刷b则与负极换向片相接，这一过程用桥式等效电路来表示为模拟开关K₁、K₅和K₄闭合，因此有电I_c、I_a经K₁、K₅同时流入O点，然后再经K₄流回电源。到t₂～t₃期间，电刷a、b与换向器的联接方式不变，而电刷C脱离正极换向片进入了中间的换向区，这一过程表现在桥式等效电路中为模拟并关K1、K₄仍闭合，而K₅则从闭合转换为断开。在K₅从闭合转换为断开的瞬间，由于负载为感性，所以，电流I_c必须连续，在这里，是由电容C₅、C₆来提供K₅断开后的电流的。这是因为K₅断开前的状态是K₅闭合、K₆断开，所以，C₅的端电压因K₅闭合短短路而为0，而C₆的端电压因K₆断开而充电到了电源电压，这样，在K₅从闭合转换为断开的瞬间，Q点的电位由于C₅、C₆的存在而不会出现突跳而发生火花，尔后，C₆开始对负载放电的同时，C₅亦经负载由电源对其充电。(这两个电流I_c5、I_c6的路线见附图中的虚线)，充放电的结果导致Q点电位缓慢下降，最后，在C₅的端电压充电到电源电压的同时，C₆的端电压因放电完毕而达到了O，这样，充放电过程结束，这时，负载中的感性电流将通过D₆和K₄形成闭合回路继续流动(该电流I_D6的流动路线见附图(5)中的点划线)。这种状态一直维持到t₃时刻，电刷C与负极换向片接触，此时，由于C₆已放电完毕，故K₆两端的电压值为0，所以，K₆闭合时不会出现火花，到此，电刷C的换向过程结束。实践证明，该电路对换向火花的消除效果是比较好的。

本发明实施方案的系统结线如图(6)所示，图中E₁为电压可调直流电源，E₂为直流电动机的励磁电源，Z₁为直流驱动电机，B为机械旋转式逆变器，D₁—D₆为续流二极管，C₁—C₆为换向电容，Z₂为负载电机。

本系统的工作过程为，先给Z₁的励磁绕组接上电源E₂，然后E₁从O开始起调，当E₁电压上升到某一个较低值时，Z₁开始从O启动，Z₁启动后，带动逆变器中的换向器运转，逆变器开始输出变频后的交流电压，负载电机Z₂启动运转；尔后，E₁继续升高，则Z₁转速亦相应提高，从而导致B的逆变速度跟着上升，这样，变频输出的交流电压和频率也同步上升，相应地Z₂的转速也上升到相应的值；到E₁的值到达最大值时，Z₁的转速也达到了最大，这样，逆变器输出的交流电压和频率也同样达到了最大，最后，使Z₂也在最高速度下运转。反之，将E₁从最高电压值往下调，则同样的结果，必然导致Z₂的转速从最高值下降到相应的数值。

在实施方案中，可调直流电源E₁的实现，在方法上，可用多种方式来完成，如可控硅相控变流方式，调压器加整流滤波方式，高频斩波方式均可，这些方法，均为现有技术中的成熟技术，因此，就不再作论述了。

另外，在本系统中，换向火花的大小与系统的工作状态如转速的高低、负载力矩的大小等均有关系。因此，在一些调速范围和负载力矩均变化较大的系统中，仅用一组换向电容比较难以兼顾各方面的效果，往往是低频，重载时效果好的话，则在高频、轻载时，就会出现因电容器的容量过大而形成放电火花(这种放电火花和换向火花相比，不仅产生的原因不同，其对换向器和电刷的危害甚至比换向火花更严重)，反过来，如果在高频、轻载的条件下，不出现任何火花的话，则在低频、重载的情况下，换向火花就可能达到不可忽视的程度。因此，在条件许可时，可以采用两组或两组以上的换向电容电路，然后通过自动切换电路来将相应容量的电容器接入电路，实践证明是可以的。

此外，根据同样的工作原理可以证明，用三个无极性电容器接成丫形或△形，然后并联在系统的输出端，同样可达到消除换向火花的作用。唯一不同之处是，在此必须使用无极性电容。

Claims (3)

1、一种适用于对三相交流感应电动机进行恒力矩无级调速的非静止式变频无级调速器，由可调直流供电电源、机械旋转式逆变器、小功率直流电动机和换向火花消除电路组成，其特征如下：

(a)、由一个可调直流电源E1同时向机械旋转式逆变器B和小功率直流电动机Z1供电；

(b)、用机械旋转式逆变器B作为本系统逆变主回路的功率开关元件。

2、根据权利要求1所述的非静止式变频无级调整速器，期特征如下：

(a)、机械旋转式逆变器B由电刷、滑环、换向器、轴以及轴承等组成；

(b)、二级换向器由两块与园心成120°到150°夹角的园弧形紫铜换向片M、N相向地固定在绝缘环的两侧组成；

(c)、滑环F1、F2和换向器一起固定在同一根轴上，同时，滑环F1与换片M之间通过导体相连，滑环F2与换向片N也通过导体相连；

(d)、电刷a、b、c分别与园心成120°的相等夹角，分布在换向器的外园表面，作为逆变器的三相交流输出端。

(e)、电刷d、e分别与滑环F1、F2相接触，作为逆变器直流电源的输人端。

3、根据权利要求书1所述的非静止变频无级调速器，其特征如下：

(a)、换向火花消除电路由二极管和电容组成；

(b)、二极管D1-D6组成三相桥式电路后，并联在系统的直流电源E1的正、负端及交流输出端a、b、c电刷上；

(c)、电解电容器C1-C6同样以三相桥式电路的方式联接后，并联在系统的直流电源E的正负端和交流输出端a、b、c电刷上；

(d)、也可采用三个无极性电容器，接成Y形或△形接法，然后并联在系统交流输出端来解决。

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