CN88105494A - 波形重组合式逆变器、调压(速)器装置 - Google Patents

Abstract

波形重组合式逆变器、调压(速)器装置采用的波形重组合技术(WRT)是数字和计算机技术的高、精控制性能与电压合成器的高电源效率的结合。

本发明包括用WRT的高精度超低频、大功率工频、中高频、特殊波形逆变器(变频器)、交流调速器、直流调压器、电(机)车直流调速器、升降机(自动电梯)驱动器、交流万能变换器、大功率调压器等多种实用装置。

Description

波形重组合技术（简称WRT），属组合电源、逆变器、数字放大器、数/模转换器技术领域，是数字或计算机技术的高、精控制性能与数制电源或电压合成器的高电源效率相结合的一种技术方法，已由专利文件87101134详细论述。本发明是用WRT技术经实用改进的装置在交、直流组合电源、调压器、调速器、交一交或直一交逆变器等技术领域中的应用。

本发明的目的是改进WRT技术中的数制电源或电压合成器的结构，以便于实施，例如以机械波形开关代替WRT中的电子开关;或提高其功能，以广为应用，如双向型电压合成器用作逆变器可提供无功电流和吸收逆功率;或提高其效率，以达到更节电的效果，如直流电（机）车可将起动时转化为机械能的那部分电能在制动时完全回收的最高效调速;或提高其先进性，以利于发展，如用脉冲电源作电压单元和双位双向电子开关的装置具有先进的技术性能，为WRT在更先进的技术领域中的应用创造实用条件。

参照以下15幅附图，本发明的各装置和实施方法将更易于理解，其优点和新颖性、创造性也将更显而易见。

图1、四位二进制电压合成器（33）图。

图2、波形盘（200）的原理和结构图。

图3、波形盘单步开关滑环尺寸图。

图4、波形鼓（210）的一位数值选通开关原理和结构图。

图5、波形鼓的换向开关示意图。

图6、波形凸轮开关（220）的结构原理图。

图7、带旁路二极管的低内阻电压合成器（230）原理图。

图8、双向型电压合成器（240）图。

图9、双位型波形盘开关片断示意图。

图10、双向型数制电源（250）用作逆变器。

图11、双向型电压合成器用作直流电车调速器。

图12、交流单元电压合成器构成的万能交流变换器。

图13、脉冲单元与脉冲选通电压波形图。

图14、用双向双位电子开关的电压合成器电路图。

图15、脉冲信号控制器（306′）。

本发明之一为能取代WRT中的电子开关和/或控制信号译码器的各种机械波形开关（MECHANICAL    WAVEFORM    SWITCHES，199）装置及其设计方法和用途。本发明的开关用在WRT中，不仅具有比电子功率开关简单经济，易于实施的优点，而且WRT中的控制信号译码器也直接结合在开关装置中，更增加了实用性和经济性。下面以图1的四位二进制电压合成器为例来说明本装置的各种结构及设计。

1.波形盘（WAVEFORM    DISC.200）：

波形盘由以下各部分构成，绝缘园盘（201）作为（200）的底板，每只一位开关（如48）主要由二片直径和宽度均相同的金属滑环（202）和（203）构成。（202）有平坦的金属表面，称为接触环。（203）的一个径向平面经机加工或电火花刻蚀或其它方法加工成在不同径向具有凹凸的表面，凹代表开关断开，凸代表开关选通，故称为开关环。将（202）与（203）同心固定在（201）二边，用金属联接件（204）或其它工艺方法使（202）与（203）固定并保持电气联接，从而构成开关（48）的一对滑环。按同样方式，在（201）的其它同心园位置制成数值选通开关（49、50、51）的三对滑环。换向开关（25-28）可用二个接触环分别代表A和A′端，放在（201）的接触环一侧，在另一侧对应位置有二个开关环，分别代表B和B′端。在正向区（如1-30步），换向开关（25和28）应接通，即A通B，A′通B′，可用（204）直接将接触环与开关环联接。在反向区，（如31-60步），另二个换向开关（26和27）应联通，即A通B′，A′通B，相当于接触环与开关环交叉联接，联接点应选在二个滑环的中间区域。正、反向区可根据波形的要求随意选定。详见图2。将电路作适当修改，图2还可省掉一些接触环和电刷。

将上述六组开关环和接触环按波形的要求加工后用（204）分别固定在（201）的开关环一侧和接触环一侧，然后用适当性能的绝缘填充涂料（205）涂满开关环一侧，使涂料在固化后略高于环的凸部。稍经加工使全部金属凸部显露出来并使环部平整，以使电刷能在平滑的环部滑移而不产生跳动，完成正确的开关动作，波形盘就制成了。

波形盘也可根据本方法采用印刷线路板工艺或其它适当的已有技术制作。

在波形盘的各滑环的对应位置设置电刷，就构成了波形盘开关并能在图1的电压合成器中应用。

增加接触-开关环对，就可以增加选通开关的数量，从而提高波形精度。

下面以N＝60步的某周期波形的波形盘为例作滑环的尺度设计：

假定在图1的电压合成器中，E61＝1V，E62＝2v，E63＝4v，E64＝8v。假设选通开关滑环的最小直径为d4＝100mm，环宽Wr＝4mm。电刷长度Lb＝Wr＝4mm，电刷宽度Wb＝2mm。

由N＝60步，得波形盘每步对应的开关环角度为360°/N＝6°。

由d4可得环的最短弧长Sr′＝πd4/N＝5.24mm。

由于电刷本身具有Wb的宽度，所以环的最短实际弧长（即单步选通）应为：Sr＝Sr′-2Wb＝1.24mm

图3说明在单步选通时，第四位开关环凸部的宽度为1.24mm时，才能保证使该开关仅在6°的转角范围内导通。可见Sr必须大于2Wb，也就是说存在一个最小值d4min，以保证有一个单步选通的正确导通角度。换向开关在立即换向时，环的间隙有1.5Wb就够了，即Sr＝Sr′-1.5Wb。

在相隔一定的绝缘距离外，可设计第三、第二、第一位滑环。例如四位位置各定为：d4＝100-108mm，

d3＝112-120mm，

d2＝124-132mm，

d1＝136-144mm。

（201）的直径d0＝146mm。（201）上应设有便于正确安装在轴上的定位安装孔和步数、转向、波形种类等的说明或标志。

因导通角度较大，换向开关的滑环可放在d4园内，例如环的直径可选：d_A＝d_B＝86-94mm，d_A′＝d_B′＝64-72mm。

根据不同的功率输出和波形精度、频率等要求，可选用不同位数的电压合成器，不同的单元电压，不同的步数，不同尺度的电刷，并根据上述方法，设计出不同尺度的波形盘。

2.波形鼓（WAVEFORM    DRUM，210）：

如果将波形盘的开关由径向平面移到园柱表面，就变成了波形鼓。图4为一位波形鼓的原理和结构图。其中（211）为绝缘底筒，（211）外层原先为完整的金属园筒，筒的中部和右端各切制出一环槽，即二个（214），在环槽之间的部位根据波形的开关要求切制出一条条与环槽垂直的轴向槽，槽部代表开关不选通。然后用绝缘充填涂料（205）涂满所有的槽，并使（205）在凝固后略高于凸部金属，靠（205）与金属的粘着力及由各槽间的（205）所形成的鼠笼结构使（205）牢固地复盖槽部。经切削加工，使鼓的外园具有平滑的表面而所有金属凸部全部显露出来，波形鼓就制成了。（210）的左半部称为接触区（212），右半部称为开关区（213）。

在适当位置配置二块电刷使之分别与（212）和（213）外园表面接触就成为波形鼓的一位数值选通开关。用相同方法可制成其它各位选通开关。

波形鼓的换向开关更简单。如果是正、负各为半周的波形，只需将沿轴向和中央径向割去略大于1/4筒体的二个金属园筒固定在绝缘底筒（211）上，金属园筒问应留有适当的间隙，然后在间隙中填充（205），经加工使外园具有平滑的表面。鼓的中部称为开关区（213），左部和右部称为接触区（212），在（213）的鼓面相差180的二个位置配置B和B′电刷，在二个（212）的位置配置A和A′电刷，就成为波形鼓换向开关，见图5。对正负半周时间不等的波形，可按正向区和反向区的比例将开关区进行适当分割后按上述同样方法加工和配置电刷。

将波形鼓的换向开关和各位选通开关按定位键槽（215）套入同一轴内，并在各鼓体之间垫以绝缘隔离盘，在相应位置配置电刷，就成为一组完整的波形鼓开关。

波形鼓的尺度设计与波形盘类同。

3.波形凸轮开关装置（WAVEFORM    CAM    SWITCHES，220）：

波形盘和波形鼓的电刷虽在平滑表面移动，开关的接触比较可靠，但如改用无相对滑动的固定接触触头，则电压合成器的输出功率还可增大，例如在超低频或低速运行的场合可采用凸轮开关来代替WRT应用装置中的开关和译码器，这就是波形凸轮开关装置。

（220）由波形凸轮（221）、滑轮座（222）和电触头（226）构成。（222）包括滚柱或滚珠滑轮（223）、绝缘联动杆（224）和弹簧（225），（225）的作用是使（223）紧贴（221）的表面运动。图6为一位波形凸轮开关的结构原理图。

本装置的结构和设计制造与电气凸轮控制器的完全相同，属于已有技术，所以本发明只强调其在WRT技术中的用途。

4.波形盘（鼓）-电子开关：

波形盘（鼓）仅控制电子开关（如晶体管、可控硅等）的基极（或控制极等），由电子开关选通单元的开关装置。这样，波形盘（鼓）的尺寸将大为减小，制造更容易，而电子开关则可充分发挥其开关速度高、损耗小的优点而摒弃其控制电路复杂的缺点。

5.光电波形盘：

波形盘储存有能由光电读出器读出的波形信息，即把原波形盘上金属开关环的凹凸变为光可否通过的结构，再由光电读出器根据光的有无输出电信号去推动电子开关的一种无触点开关装置。本发明仅强调其作WRT应用的方法。

6.磁电波形盘：

波形盘储存有由磁电读出器读出的波形信息，所读出的电信号去推动电子开关的一种无触点开关装置。按信息储存器的结构可分为带有永磁材料的主动式和带有导磁材料的被动式二种磁电波形盘。

7.复合式波形开关：

由本发明的上述二种或二种以上装置，或者由上述一种与其它已有技术结合构成的开关装置。如波形盘-鼓复合开关可充分利用开关体的外园和端面安置开关以节省空间的复合开关，波形凸轮-光电可控硅复合开关等。

本发明之二为用机械波形开关的电压合成器装置及其用作信号发生器、逆变器、变频器、交流调速器、直流调压器、直流调速器等装置的设计方法。

用图2所示的波形盘代替图1所示的电压合成器就构成了信号发生器或逆变器装置，其波形盘的设计方法是：

1.由所需产生波形的技术要求，确定电压合成器。例如，需产生频率F＝50Hz，电压V＝10v，电压失真率δ＜5%的单相正弦波。

由于m位二进制数制电源的δ＝1/2^m+1，可求得当m＝4时，δ＝3.1%可满足波形精确度要求。

由于正弦波的峰压V_max＝≈V＝14.14V，所以当其最高位单元E₆₄≥V_max./2≈7.07v时可满足波形电压要求。选E₆₄＝8v，E₆₃＝4v，E₆₂＝2v，E₆₁＝1v。本电压合成器装置的最高输出电压为±15v。

2.确定波形的函数值。由于四位二进制数制电源最多为15级电压，而且正弦函数可分成电压的绝对值相等的4个区间，所以选一周期内的波形组合步数（级数）N＝4×15＝60。假定波形盘旋转一周为波形的一个周期，则每一步所对应的角度应为：360°/N＝6°，据此可得波形各步起始点所对应的函数值：

V_n′＝10Sin（6°×n）× $\sqrt{2}$ ，其平均值为：

V_n＝（V′_n-1+V′_n）/2，求得：

V′₀＝0v，

V′₁≈1.05× $\sqrt{2}$ ≈1.48v，V₁＝0.74≈1v;

V′₂≈2.08× $\sqrt{2}$ ≈2.94v，V₂＝2.21≈2v;

V′₃≈3.09× $\sqrt{2}$ ≈4.37v，V₃＝3.66≈4v;

V′₄≈4.07× $\sqrt{2}$ ≈5.75v，V₄＝5.06≈5v;

V′₅≈5.00× $\sqrt{2}$ ≈7.07v，V₅＝6.41≈6v;

V′₆≈5.88× $\sqrt{2}$ ≈8.31v，V₆＝7.69≈8v;

V′₇≈6.69× $\sqrt{2}$ ≈9.46v，V₇＝8.89≈9v;

V′₈≈7.43× $\sqrt{2}$ ≈10.51v，V₈＝9.99≈10v;

V′₉≈8.09× $\sqrt{2}$ ≈11.44v，V₉＝10.98≈11v;

V′₁₀≈8.66× $\sqrt{2}$ ≈12.25v，V₁₀＝11.85≈12v;

V′₁₁≈9.14× $\sqrt{2}$ ≈12.92v，V₁₁＝12.69≈13v;

V′₁₂≈9.51× $\sqrt{2}$ ≈13.45v，V₁₂＝13.19≈13v;

V′₁₃≈9.78× $\sqrt{2}$ ≈13.83v，V₁₃＝13.64≈14v;

V′₁₄≈9.95× $\sqrt{2}$ ≈14.07v，V₁₄＝13.95≈14v;

V′₁₅≈10× $\sqrt{2}$ ≈14.14v，V₁₅＝14.12≈14v。

根据正弦波的对称性，可求出其它45个函数值V₁₆-V₆₀。

3.算出各级码值，编制编码表。

上节中所算出的各级电压值可用任一种适用码制，如符号二进制码、补偿二进制码、偏移二进制码或格兰码译制成码值（即开关驱动信号）。本发明以符号二进制码为例进行编制。例如，因V₁₃＝+14v，其码值应为01110。

第一位的“0”表示换向开关顺接，即A通B，A′通B′。V为正电压（如第一位为“1”，则表示换向开关交叉联接，即A通B′，A′通B，V为负电压）。

第二位的“1”表示（51）选通，电压增加8v。

第三位的“1”表示（50）选通，电压增加4v。

第四位的“1”表示（49）选通，电压增加2v。

第五位的“0”表示（48）不选通。

各位所选通的电压相加得14v，由第一位可知是正电压，所以V₁₃＝+14v。所制得的编码表见表1。

4.根据编码表制作波形盘。

由于一个周期内波形分成60级，所以波形盘应分成60步，即将开关环每隔6°角度进行分割。根据表1的码值，码值为“1”表示数值选通开关选通，开关环上该步位置的金属为凸部;“0”表示不选通，环上该步位置的金属为凹部，就可以对开关环根据本发明之一的实施方案方法进行加工制造。

5.用定级差法设计各级码值。

前述第3节的设计中，每步选通都固定为6°角，即各步的时间间隔相同，由选通期间波形码值确定开关的状态，称为定步长法，该方法设计计算比较容易，但波形精确度稍低。如果改用波形精度较高的定级差法，就应由波形码值倒求选通时刻（即角度θ），设计稍为复杂。例如本电压合成器第一级电压为1V，最高级为15V，级差为1V，就可用积分求出角度。

10 $\sqrt{2}{\∫}_{\mathrm{\theta \; 0}}^{\mathrm{\theta \; 1}}\mathrm{S\; i\; n\; \theta \; d\; \theta \; =1V\; ,}$

10 $\sqrt{2}{\∫}_{\mathrm{\theta \; 14}}^{\mathrm{90°}}\mathrm{S\; i\; n\; \theta \; d\; \theta \; =15V\; ,}$ ……

为简便运算，可以以折线代替曲线，用算术运算代替积分运算。先假设从0到θ＝1.5°时的码值为0，θ₀-θ₁的码值为1，则：

V′₀＝10 $\sqrt{2}$ Sinθ₀＝0.370 θ₀＝1.5°

V′₁＝10 $\sqrt{2}$ Sinθ₁＝1.5，

所以V₁＝（V′₀+V′₁）/2＝0.935v，θ₁≈6.1°

V′₂＝10 $\sqrt{2}$ Sinθ₂＝2.5，V₂＝2v，θ₂≈10.2°

V′₃＝10 $\sqrt{2}$ Sinθ₃＝3.5，V₃＝3v，θ₃≈14.3

依次类推直到θ₁₅＝90°为止，其它象限的值可直接取自第一象限的运算结果。

6.装置构成方法及用途。

将上述设计的波形盘开关装置配以E₆₁-E₆₄（40-43）四位二进制数制单元就构成图1的电压合成器（33）。当波形盘以3000转/分转速由驱动机驱动时，在（36）端即可得到F＝50Hz，V＝10v的单相正弦波电压，（33）就成为一具正弦波信号发生器或逆变器装置。

当用其它幅值的正弦波形盘代替上述波形盘时，输出正弦电压幅值将改变。当用其它波形（如三角波、锯齿波）的相同标准波形盘代换时，（36）输出波形跟着变化。

当相同的二（或P）个（33），按90°（或360°/P）的角度差由同一电机驱动时，就构成一具二（或多）相装置。

当波形盘的转速改变时，（36）端的频率成比例变化，（33）成为一具固定幅值、可变频率变频器装置。

当（40-43）由电容构成并由同一交流电源或经斩波后的直流电源经整流供电时，改变供电源电压，单元的单位电压改变，可以得到变幅波形。例如当单位电压为22v，即E₆₁＝22v，E₆₂＝44v，E₆₃＝88v，E₆₄＝176v时，上述波形盘的（33）可输出电压为220v的正弦波。

如果波形盘的驱动速度可调而单元也可如上述一起调压，那么（33）就成为一具VVVF逆变电源装置，或交流调速器装置。本文所定义的调速器不仅指单纯的调速操纵控制装置，而应是包括供电源在内的整个系统。

此外，由于电压合成器可按需要任意输出多种直流电压值，即用机械波形开关停留在各个不同的位置使得（36）端输出不同的直流电压，（33）就成为一具直流调压器（即直流组合电源）。

由于直流调压器可输出多种直流电压，当用机械波形开关作为调节手柄或控制器时，利用受控的直流输出电压的变化可直接决定直流电机的转速，（33）就是一具高效的直流调速器装置。

本发明之三为带旁路二极管的低内阻电压合成器。

在图1所示的四位二进制电压合成器中，当仅有一位数值选通开关（如48）选通时，则其它未选通的三位上的零值二极管（如57-59）将导通串入回路，并引起正向压降。在（33）的位数较多时，单位电压又较低时，所有的正向压降之和可能会超过最低位单元的电压，至少会影响到波形的精度，会增加装置的内阻和耗能。

本发明的装置是在原装置的数制电源各位接点（231、232、233）与其输出端（34或34′）间，或者在不相邻的各接点间（如231与233）加接旁路二极管（如234-237和238），见图7。

旁路二极管的联接方向应与零值二极管的方向一致，即在各位接点与输出端间的旁路二极管，其负端应在34端，或者正端在34′端，其另一端接在接点上;接在各接点间的旁路二极管，其联接方向应与该二接点间所有零值二极管串联后的方向一致。

本装置在仅有（48）选通时，旁路二极管（237）将代替（57-59）导通，使内阻压降大为减小。

本发明适用于任意进制任意位的电压合成器装置。

本发明之四为能流过反向电流的双向型电压合成器（BIDIREC-TIONAL    VOLTAGE    SYNTHESIZER，240）及由其派生的装置和由它们构成的能提供无功功率和/或能吸收逆功率的各种逆变器装置。

在图1所示的单向型电压合成器中，零值二极管可在该位数值选通开关不选通时提供正向电流通路。正向电流指（33）向负载提供电能的电流，即电流从B端流出（33）而从B′端流入（33），反之则称为反向电流。由于零值二极管的存在，即使（33）中所有开关都为双向开关，但运行中只要有一位数值选通开关不选通，该位上的零值二极管就阻止了反向电流的流通，这样就使（33）无法提供无功功率，更不能吸收逆功率。

如果按图8a把（33）中的数值选通开关改为双位开关（48′-51′），使这些开关在不选通单元时就选通反向二极管（241-244），这样在单元不选通的各级中，正反向电流可分别从该位的零值二极管和反向二极管通过。（240）就成为双向型电压合成器。（240）中的开关（48′-51′和25-28）可以是电子开关，也可以是机械开关。如果用机械波形开关，则（48′-51′）都应为双位型开关，（25-28）同前，这时（240）可简化为（240′），见图8b。图中阻容电路（245-248）可用来减小开关（48′-51′）跳变瞬间所产生的电流或电压突变，视需要而加。

双位开关波形盘片断如图9所示。以（48′）为例，其基本结构为将开关的三个极移到（201）的同一侧（可减少盘二面的电气联接）分别处于三个环道，二边的二个环道为接触环，分别通过电刷（255和256）接单元（40）的正、负极，中间的环道为开关环，通过电刷（254）接（34）端，所以双位波形开关实际上相当于将二块分别带外齿和内齿的金属园环（251和252）同心固定在绝缘底板上，并使齿间留出略大于电刷宽度Wb的绝缘间距（253），以免（254）在开关环道中滑动时将（251）和（252）短路。其它各开关可以装在（201）的同侧或异侧。双向波形盘的其它工艺与发明之一相同。

按照本发明的双向波形盘以及发明之一的相同工艺，可以制成双向波形鼓装置。凸轮开关装置由单改双更简单易行。

由于双向型电压合成器能自由地流过正反向电流，因而就使它具有作为电源装置所应具备的诸多优点，例如：

1.（240或240′）除了能向负载提供有功电流外，还可根据负载需要提供无功电流。

2.（240或240′）不论作为直流组合电源或交流逆变电源使用都能吸收负载端的逆功率。当负载处于发电状态时，只要装置中的单元能够储能，或能够及时地输送逆功率，那么负载端的逆功率电能就可以反馈回单元，这不但对提高装置的电能效率有利，而且也防止了由于逆功率无法吸收而引起的过电压过电流对电器和元件的冲击。

3.双向型电压合成器很容易由其输出端（36）所接的外电源向装置中的单元直接充电，或向部分单元进行有选择性的充电，既简化了充电电路，降低了装置成本，又提高了充电效率。

4.双向型电压合成器可以省去换向桥，从而使（240或240′）简化成（250或250′），见图8。

由（250）产生的交流正弦波输出见图10a，该输出实际上由峰值为Vp的交流正弦电压及Ed＝Vp/2的直流电压的合成输出，即相当于用偏移二进制码而不是前面所用的符号二进制码对波形进行编码，从而使其负峰电压的码值为零。为了在负载上得到纯交流波形，可在（250）的输出端反向串接一个幅值为Ed的直流辅助电源（257），（257）的正极接A端，其负极与A′端接负载，如图10b。加接（257）后，在波形的正半周，（250）输出电压大于Ed，（250）在向负载（258）供给正向电流的同时，对（257）充电。在波形的负半周，（250）输出电压低于Ed，由（257）向（258）供给负半周电流的同时，将一部分电能以反向电流的形式还给（250），所以在理论上，（257）在一个周期内所供的净电能为零，因此（257）也可由具有足够容量的电容器（257′）代替。

将相同的n个（240）或其派生装置按一定的相位差同步运行，就能构成多相逆变器装置。当多相（250或250′）接对称多相负载（如三相星形负载258′）时，则在（258′）的所有各点上，除了有一组正常的多相电压外，相对于逆变器的公共端A′还有一个幅值为Ed的直流电压，但由于三相电流本身会自动平衡，所以就无须由（257）提供负半周电流，（257）的有无对工作无任何影响故可以省略，如图10c。

本发明之五为用发明之四的装置作为组合电源构成的直流调压器、调速器装置。发明之四中的各种装置（用240代表，下同）除可用来构成交流逆变器外，由于其本身可作为组合电源提供多值直流电压输出，所以也可作为直流调速器装置，其特点为：

1.本装置能输出15种正电压和15种负电压，如用定磁场直流电机作负载，可以得到正反向各为15级转速，其速比至少可达到15倍，已能满足绝大多数电力拖动的调速要求，且少量增加单元和开关就可极大地增加驱动级数，例如用8单元的（240）可有255级驱动，可达到非常精密的调速效果，相当或优于无级调速器的水平。

2.由本装置控制的直流电机起动或加速时，可按任意的加速速率逐级增加（240）的输出电压，可减少电机的起动电流及起动冲击，以实现高效、平稳起动。在电机减速时，同样可按任意的减速速率逐级减小（240）的输出电压，实现平稳减速。

3.本装置在整个减速或制动过程中都具有良好的再生反馈能力，就相当于把在加速时转化为机械能的那部分电能再回送到（240）。所以装置在起动和制动中具有最高的效率。

4.由于本装置具有良好的电能再生反馈能力，所以具有优异的再生制动能力。而当（240）输出为零时，电机电枢视同被（240）所短路，电机在任何方向的转动趋势都会在电枢中感生制动电流，所以本装置在拖转和静止时都具有优异的制动性能，装置可以少用或不用机械制动。

5.由于（240′）中的开关为机械波形开关，例如波形鼓或波形凸轮装置，所以（240′）的制造成本很低，且可直接手控开关装置，操纵方便，维修容易。

6.（240）中的开关用电子开关、继电器（接触器）和/或由步进电机（或伺服电机）驱动的机械波形开关，则本装置很容易实现自动控制和遥控，控制性能好。

根据上述特点，本装置可以作为蓄电池车、太阳能汽车、城市电车、电机车、升降机、渡轮、舰船或其它需变速拖动场所的调速装置。

在由外直流电源Ee（261）供电的直流电车中，可以用Ee直接代替最高位单元，即令E₆₄＝E_e，而其它三个单元E₆₃＝E_e/2，E₆₂＝E_e/4，E₆₁＝E_e/8用三组车载蓄电池构成。

蓄电池可有二种充电方式。第一种方式称为并联充电法，即把（261）经电子开关斩波后的交流再经变压整流后向蓄电池单元充电（已在专利文件87101134中说明）;第二种方式称为串联充电法，就是由最高位的单元（这里为Ee）向成串联联接的其它全部二进制低位单元（如果是非二进制数制电源，则应为每位上的最高单元）充电的方法。结合图11可明确其原理。在装置作调速器运行时，工作转换开关（263）处于工作位置，AA′端可得到供调速用的各种直流电压。在串联充电时，（263）处于充电位置，同时除了最高位上的开关（51′）不选通外，其它所有数值选通开关（48′-50′）都应选通，调节充电电阻（264）就可以得到所需充电电流。此法的优点是线路简单，蓄电池电压与充电电压仅差Ee/8（即单位电压），所以（264）上压降小，充电效率高。（263）可以单独设置，也可以与其它开关一起制在同一波形鼓上。直流电机M（265）为并激或复激电机，也可用效率较高的永磁电机，如用串激电机，则再生反馈能力稍差。

本调速装置可有15级正车和15级倒车速度，调速范围已比现有普通汽、电车为多。电车在起动及低于中速行驶时，将由车载蓄电池供电;在中速时，仅由外电源供电。在高速时，将由外电源与蓄电池共同供电，但是外电源供电量均大于各蓄电池的总和。当电车从高速到中速减速或制动时，机械能转化为电能，其大部或全部直接返馈回外电源，一部分返馈回蓄电池，当从低速减速或制动时，电能可全部返馈到蓄电池中。

如外电源Ee为交流电源（261′），则可按直流电车类似的装置和直流电机调速，各单元都采用蓄电池，最高位单元直接由（261′）整流供电，其它单元经（261′）降压整流供电。用（261′）后起动调速和再生制动性能仍很好，但尚不能直接向（261′）回送制动电能。

由蓄电池单元储存的电能，可作为一种良好的备用电源，使车辆或装置在供电源失电时获得一定的机动性能和应急能源供应以提高车辆的安全性。

本调速装置也适用于电动升降机、自动电梯和船舶电力推进，其总的特点是效率高，省电，制动和控制性能俱优。

本发明之六为用交流电压作单元的交流单元电压合成器装置（270）及由其构成的万能交流（电压、电流、阻抗）变换器和/或用本发明之一的机械波形开关的手控或遥控（自控）交流调压器。

如果用同相的交流电压代替图8双向电压合成器中的直流单元就成为本发明的交流单元电压合成器装置。本装置可有多种用途。图12为八位二进制万能交流变换器主电路图。（270）由（271）、（272）（273）三部分组成。（271）为数制变压器，八位二进制数制变压器至少有一个固定绕组CL0、一个配对绕组CL′1和八个数制绕组，其同名端已在图中标出。（272）为选通开关组，八位二进制选通开关组由8只双向双位开关（281-288）组成，每只开关由选通端（SELECTION）选通闭端（ON）或开端（OFF），即分别接（271）中各绕组CL1-CL8的同名端或异名端。（273）为联线和接线端子。

CL0绕组所设计的电压u₀可根据输入/出的需要选定，如u₀＝220v，CL′1绕组可设计成能感生单位电压u′₁＝E，而数制绕组CL1-CL8产生一组单元电压依次为：u₁＝u′₁＝E，u₂＝2E，u₃＝4E，u₄＝8E，u₅＝16E，u₆＝32E，u₇＝64E，u₈＝128E，即数制绕组的匝数（电压）彼此间符合数制规律。本变换器装置的各种用途为：

1.电压变换：

a、固定电压输入，各种电压输出。当X₀、X₀′二端接220v定电压时，假定E＝1v，则从X_A和X_A′二端的输出电压将随（272）中各开关的不同选通方式的组合得到0、1、2、……255v总计为256种电压，将各已选通开关上所标的二进制码值相加就可知道总的输出电压值。如将X_O接X_A′，则通过（272）的选择又可从X_A和X_O′二端得到221、222、……475v的另外255种电压，所以本装置最多可有0-475v的476种电压输出。

当把（273）中的各级间有关联线移去后，就可从X₁到X₈′的各接线端得到独立或组合的多路电压同时输出，电压值可以加减串联。

本装置通过CL₁′绕组可得到1、2、4、……128v共8种配对电压供全波整流使用。例如要得到8v-0-8v电压，只须使（281-283）三只开关选通，就可在X₁-X₄-X₄′三端得到所需电压。

b、可变电压输入，定电压输出。将X_A和X_A作为输入，X_O和X_O′作为输出，改变（272）中的开关选通方式使所选通的开关的各码值之和等于输入电压，则X_O、X_O′二端可得到定电压输出。

2.电流变换：等于电压的反变换，方向同上。

3.阻抗变换：由于本装置可通过（272）改变匝数，所以可作为阻抗变换器使用，即其一边具有固定阻抗，另一边具有X_L、4X_L、9X_L、……65025X_L等在相当大范围内变化的255种阻抗的真正万能阻抗变换器。当以某一个或n个不同的数制绕组作原边，可以有更多的变化。另外，利用类似于本发明中配对电压输出的用法，可得到8组配对阻抗用在推挽等需要成对阻抗的电路中。

4.如果固定绕组CL₀也改为CL₁′和CL₁-CL₈的9个绕组并配以另一个（272），就可得到二边电压（电流、阻抗）都可调的万能交流变换器。

本装置具有广泛的用途，现仅以调压器一种用途为例来说明本装置比接触式调压器所具有的优点：

1.本装置的调压范围比较大，增加了256-475v电压输出，又有配对电压和/或多路输出，功能多，用途广。

2.本装置易于充分利用装置的功率容量，实现高压小电流或低压大电流供电，本装置还容易实现大功率调压。

3.在输出255v以内电压时，初、次级间有电隔离，使用较安全。

4.本装置既可用各种机械开关（包括机械波形开关）实现手控，也易于用机械波形开关，继电器（接触器）或电子开关实现遥控和自控，控制性能好。

5.本装置可按常规铁芯电源变压器工艺生产，绕线方便，材料成本低，经济性好。

当用机械波形开关代替（272）构成调压器时，可用一有256挡位置的波形盘进行手控或遥控，更可用二只波形盘（鼓）或波形凸轮分别代替低位开关（281-284）和高位开关（285-288），每只盘各具有16挡位置，低位开关每挡电压差为1v，作为细调调节器，高位开关每挡电压差为16v，作为粗调调节器。在遥控或自控时，二调节器可用二台步进电机（或伺服电机、电磁机构）带动，也可用一台电机通过适当的机械联动装置带动二台调节器。

本发明之七为用脉冲电压作单元的脉冲电压合成器及由其构成的逆变器装置。

如同电技术由直流发展到交流，由交流发展到脉冲和开关技术一样，WRT技术中的单元可以由直流或交流构成，也可以是直流脉冲电压，例如单向方波、梯形波、正弦波等有零电压的脉冲波形，其电压幅值（或平均值）成数制规律，其脉冲电压的频率等于开关选通脉冲频率，脉冲电压的零值刚好位于开关选通脉冲V_ck（89）的关闭期间。图13a、b分别为数制电源中其中二个单元（40和41）的波形图，其中a用单向梯形波，b用单向正弦波，这些单元都可由交流或逆变电源经变压器和整流器获得。图13c为开关的控制脉冲同步波形图。本发明的优点是显而易见的，如：

1.单元可由价格低廉的脉冲电源（或交流电源）和变压器、整流器代替直流单元中的蓄电池或电容器，成本低。

2.脉冲电源可用单一的直流电源经斩波或与开关选通脉冲同频率的单一交流电源供电，供电方便。

3.脉冲电压相当于一个个标准的矩形或弧形块，二端都为零电压，如果电压合成器中电子开关的选通频率与脉冲电压同频率，开、闭时间又恰好选在脉冲电压的零电压区，则开关的开闭容易、损耗减小，尤其是选用普通可控硅作开关元件时可以省去可控硅的关断电路。当用机械波形开关时，当电刷刚接触（或离开）开关环的时间设计在脉冲电压过零处时，可以减小开关火花，也不容易引起单元短路。

本发明之八为由功率电子开关构成的双向型电压合成器装置。

图14为该合成器装置的电路图。双向开关由单向晶体管开关及与其正常导通电流方向反向并联的二极管构成，如零值导通晶体管（293）与（56，恰好为零值二极管），单元选通晶体管（296）与（297），换向开关管（26）与（299）等。双位数值选通由（293）与（296）共同完成，并由相对于二管的公共端（本位即为A，其它各位分别为231、232和233，见图7）的控制电压的极性决定哪一管导通，当控制电压为负时，（293）导通，为正时，（296）选通。控制电压由互补驱动器（302）产生，在无控制信号时，互补管（304和305）由各自的偏流电阻置偏而输出负电压，使（293）导通，（296）截止;当有控制信号时，光电控制器（291）输出正电压，控制信号驱动管（303）导通，使（302）输出正控制电压，（293）截止，（296）导通，开关转换。（291）可由光电波形盘（光电读出器）产生控制信号，也可由脉冲信号控制器（291′或其它信号控制器）代替直接驱动（303）。由控制信号译码器或驱动器（参见专利文件87101134）来的开关控制信号可经脉冲变压器（306）输入并最终控制各数值选通开关。换向开关（如26）经（291或291′）和施密特触发器（292或其它触发器、驱动器）由控制信号译码器控制。（289）为控制电源变压器，用各独立绕组提供控制电路所需的工作电压+V_c和-Vc，并提供电位隔离。单元可以是蓄电池，也可以是脉冲电压，如用后者，只需加上脉冲电源、变压器、整流器就可经济地构成本发明的逆变器装置和其它WRT装置。

本电路中所有功率和/或控制晶体管可用具有相似功能的各种场效应管、集成器件、可控硅或其它电子器件代换，电路也可以以本发明的设计为基础有多种不同的形式。

Claims (9)

1、由波形盘和/或波形鼓构成的机械波形开关装置及其设计制造方法，波形盘(鼓)-电子开关、光电波形盘、磁电波形盘装置，波形凸轮作WRT应用的方法。波形盘(鼓)的特征为，在平滑的盘(鼓)面进行滑动接触的，兼具有满足某种波形要求的开关功能和电压合成器开关控制功能的特殊开关装置。波形盘(鼓)-电子开关、光电波形盘、磁电波形盘的特征为只具有开关控制功能的、用电接触或光、磁作为控制信号推动电子开关工作的WRT专用开关装置。上述各开关装置应包括一位波形开关和双(多)位波形开关。

2、由权项1的开关构成的电压合成器装置及其用作信号发生器、逆变器、变频器、交直流调速器、调压器等装置的设计方法。其特征为，电压合成器均采用权项1所述的开关装置。设计方法是先由控制对象或波形的精确度确定数制电源的位数，由位数确定一个周期中波形组合的步数N，由固定选通时刻波形码值确定开关状态的定步长法，或由数制电源的各步（级）电压倒求选通时刻再确定开关状态的定级差法二方法之一，及权项1的设计方法设计完整的开关。

3、带旁路二极管（如234-238）的低内阻电压合成器装置。其特征为，根据需要，可在数制电源的各位接点（如231-233）与输出端（34或34′）间，或者在不相邻的各接点间（如231与233）加接有旁路二极管，其联接方向与零值二极管（如56-59）方向一致。旁路二极管可用来减少零值二极管的内阻压降。本方法适用于任意数制和任意位数的电压合成器装置。

4、能流过反向电流的双向型电压合成器（240、240′）、双向型数制电源（250、250′）及由其构成的能提供无功电流和/或能吸收逆功率的各种单（多）相逆变器装置。其特征为，装置中所有的开关必须是双向双位型电子开关，即在二个选通位置中的任一者都允许正反向电流流通的开关;或权项1的双位型机械波形开关。本合成器可构成单相逆变器装置，或由多只相同电压合成器按一定的时间差同步工作构成多相逆变器装置。电压合成器（240或240′）省去换向桥后可简化成多向型数制电源（250或250′）并由其构成另一种交流逆变器装置。其特征为，用偏移码对波形进行编码，从而使其负峰电压的码值为零，然后用具有定电压并与装置反向串联的直流辅助电源（257或足够容量的电容器257′），使其正端接数制电源的A端，负端与A′端接负载，负载上将只有纯交流输出。多相数制电源（250或250′）接多相对称负载时，（257或257′）就可省略。

5、用权项4的电压合成器或数制电源作为组合电源构成的各种直流调压器、直流调速器装置及装置中单元的串联充电法。其特征为，用蓄电池或电容器等作单元，采用双位双向电子开关或双位型机械波形开关的电压合成器（或数制电源）产生的多直流电压输出构成的直流调压器或直流调速器装置。当该装置用作电车或电机车调速器时，外电源（直流或交流经整流）可代替最高位单元，以构成电车的专用调速器装置，这时可采用最高位单元向成串联联接的其它全部高位单元充电的方法。

6、用交流电压作单元的交流单元电压合成器装置及由该装置构成的万能交流变换器和/或带有权项1的机械波形开关的手控或遥控（自控）的交流单（多）相调压器装置。其特征为，将同一变压器的各自独立的一组数制绕组（CL1-CLn）按匝数为二进制数制规律绕制，另外还有一个配对绕组CL′1，其匝数与数制绕组中最少匝数绕组CL1相同，以获得配对电压或配对阻抗，和一个固定绕组CL0。各数制绕组二端除直接引出供使用外，还分别按其同（异）名端接选通开关组（272）中该位数值选通开关的合端（开端），则经过开关的选通就可得到从0-（2ⁿ-1）种不同匝数，进行电压、电流、阻抗变换的交流万能变换器装置，CL0也可用另一组CL1′、CL1-CLn和（272）代替;和/或用机械波形开关代替数值选通开关构成的能手控或遥控（自控）的单（多）相调压器装置。

7、用脉冲电压作单元的脉冲电压合成器及由其构成的逆变器装置。其特征为，用幅值（或平均值）成数制规律的脉冲电压（如单向方波、梯形波、正弦波等有零电压的脉冲波形），脉冲电压与开关选通脉冲同频率且保持一定的相位关系以改善开关的换向。

8、由功率电子开关构成的双向型电压合成器装置。其特征为，双向开关由单向晶体管开关及与其正常导通电流方向反向并联的二极管构成，双位开关分别由零值导通晶体管（293）与单元选通晶体管（296）担任，由相对于二管的公共联接端的控制电压的极性决定其中一管的导通，当电压为负时，（293）导通，为正时，（296）选通。双位开关的控制电压由互补驱动器（302）产生，（302）受光电控制器（291）或脉冲信号控制器（291′）控制。换向开关（如26）的控制信号经（291或291′）和施密特触发器（292或其它触发器、驱动器）产生。本电路中的所有功率和/或控制晶体管可用具有相似功能的场效应管、集成器件、可控硅或其它电子器件代替，电路也可在本权项的基本功能的基础上有多种不同的形式。

9、由权项1-8各项中的一项或多项装置和/或方法构成的上述各权项中的装置和/或方法以及其它任何WRT装置。

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