非靜止式變頻無級調速器制造技術

本實用新型專利技術屬交流感應電動機恒力矩變頻無級調速范疇，其特點是采用機械旋轉式逆變器作為系統逆變主回路開關元件，并采用換向火花消除電路解決逆變器工作時出現的火花，系統的調節過程只需通過改變直流供電電源的電壓即可完成，輸出電壓波形為近似正弦且相位差為１２０°的１２階梯波，調速范圍從０速到超同步均可，與現有技術中ＰＷＭ變頻無級調速器相比，具有結構極為簡單、成本低，可靠性高，維護方便特點。適用于對各種力矩特性的拖動電機的無級調速。（*該技術在2005年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬三相交流感應電動機的恒力矩無級調速裝置，適用于對各種恒力矩特性負載和其它力矩特性的拖動電機進行無級調速。在現有技術中，三相交流感應電動機的恒力矩調速主要采用PWM變頻調速器，實踐證明，該技術的調速性能是比較好的，但存在的問題仍不少，其中，最為突出的是結構復雜，價格高昂和維修困難。即其性能價格比和維修仍不能為絕大多數的用戶所接受。就是為什么PWM變頻調頻調速器引進我國多年但一直難于全面推廣的根本原因。然而根據感應電動機的恒力矩變頻無級調速器的工作原理，要在現有技術的基礎上，使PWM變頻調速器和其它結構形式的變頻調速器(如SCR相控式交一交變頻器、SCR交一直一交逆變式變頻器等)的性能價格比有較大幅度的降低是比較困難的，因為其工作原理決定了結構的簡化是非常有限的，至于維修工作的難易，則從根本上來說取決于維修對象的結構復雜程度。因此要研制出簡單可靠、低成本、維修容易的變頻無級調速器，必須突破原來的設計思想和方法，尋找到新的工作方法和原理，才有可能做得到。本專利技術的主要特點是根據變頻無級調速器的工作原理，將電機技術和電子技術有機地結合起為，使所設計出的變頻無級調速器，在主要性能上接近PWM的情況下，結構大為簡化，成本大幅度降低，同時使維修工作也變得簡單容易。在分析整機工作原理之前，先分析本專利技術的核心部分——機械旋轉式逆變器的工作原理，圖(1)為二極逆變器的結構示意圖，圖中a、b、c、d、e均為電刷，其中電刷a、b、c、分別與園心成120°的相等夾角，分布在換向器的外園表面，作為變頻輸出電刷，d、e為直流電源輸入電刷；F1、F2為滑環，它的作用是一方面對外與電刷d、e接觸，為供電電源的輸入提供通路，對內，則以同一轉軸上的紫銅換向片M、N連成一體，即利用滑環來完成對旋轉逆變器傳輸電能的任務；換向片M和N組成了逆變器的主體一換向器，它們被相向地固定在絕緣轉軸上，與園心的夾角φ為120°～150°。逆變器工作時，由小功率直流電動機帶動旋轉。圖(2)為逆變器的工作接線圖，其中直流電源E1通過電刷d、e和滑環F1、F2向換向片M、N供電(為便于分析，將接電源正極的換向片M畫成白色，接電源負極的換向片N涂成黑色，以下同)，Y形接法的負載電阻Ra、Rb、Rc分別接在電刷a、b、c上，此外，由另一個電源向帶動逆變器旋轉的直流電動機供電，(這部分電路省略)，帶動逆變器工作。分析逆變器的工作狀態時，為方便分析，將逆變器的主體部分換向器和電刷a、b、c畫成展開圖，這樣，圖(2)轉畫成了圖(3)(注意，圖中省去了電源E1電刷d、e滑環F1、F2)。從圖中可以看出，在t0—t1期間，換向器處于h1行的位置，此時，電刷a處于換向位置，電刷b與負極換向片相聯，電刷c則與正極換向片相聯，這樣，電流的流動路線為從電源正極→電刷C→Rc→0點→Rb→電刷b→電源負極。這樣可寫出電流方程I=-Ib=Ic=ERb+Re]]>而負載電阻Ra＝Rb＝Rc＝R這樣不難計算出URa＝IaRa＝0URb=IbRb=-ERb+Rc·Rb=-E2RR=-E2]]>URc=IcRc=ERb+Rc·Rc=E2RR=E2]]>到t1—t2期間，換向器旋轉到h2行位置，此時，電刷a和c同時和正極換向片相接觸，電刷b仍和負極換向片相接觸，這樣，有電流方程I＝Ia＋Ic＝-Ib即I=ERa//Rc+Rb=E12Ra+Rb=2E3R]]>這樣URa=12IRa=122E3R·Ra=E3]]>URb=IaRb=-2E3R·Rb=-23]]>URc=URa=E3]]>從t2～t3期間，換向器的位置如圖中h3行所示，此時電刷a和b不變，電刷C換向，用同樣方法可證明，此期間URa=12E]]>URb=-12E]]>URc＝0同樣，不難證明，在t3～t4期間URa=23E]]>URb=-E3]]>URc=-E3]]>t4～t5期間，則有URa=E2]]>URB＝0URC=-E2]]>根據以上的計算結果，畫出URa、URb、URc在各期間對應的電壓波形如圖(3)所示。從圖中看出，這三個電壓波形均為與正弦波近似的12階梯波，且在相位上相差120°。用同樣的方法，很容易證明，負載電阻Ra、Rb、Rc接成△聯接時，三個負載上的電壓波仍與正弦波近似，且相位差仍為120°。同樣，不難證明，將換向器上的換向片與園心夾角從150°逐漸變成120°時，輸出電壓波形將從12階梯波逐漸變為6階梯波，幅值不變，相位差仍為120°。根據變頻無級調速原理，要保證負載電動機在任何轉速狀態下的輸出力矩不變，其基本的條件是電動機的磁通必須為恒定值，也即在交流供電電源中，必須保證電壓幅值和頻率之比為一恒定值即比值U/f不變。本專利技術中，決定逆變器交流輸出頻率f的高低，是由帶動換向器旋轉的直流電動機的轉速n來決定的，電動機的轉速高則變頻器的輸出頻率f亦高，反之亦然，兩者之間有線性關系式f=np60]]>式中P為換向片的極對數，在圖(1)中，P＝1。而決定直流電動機轉速n高低的因素是電樞的直流供電電壓Ed(勵磁電流恒定的條件下)，Ed高，則n高反之，Ed下降多少，則n同樣下降多少。在忽略電樞直流電阻的情況下，有關系式n＝Ed/Ceφ或寫成Ed/n＝Ceφ即兩者之比亦為一恒定值。在本專利技術中，變頻輸出相電壓，有效值U的大小，取決于直流供電電壓E1的大小，兩者之間的關系為U＝KE1式中，K為電壓變換系數，其數值的大小，取決于負載的接線方式。這樣可寫出下列表達式U/f=KE1np/60=KE1Ed·P60Ceφ=E1Ed·60KCeP·φ=E1EdφKB]]>KB=60KCeP]]>從以上表達式中，不難看出，要使變頻器的交流輸出電壓保持比值U/f為恒定值的根本條件是在直流電機的磁通φ為恒定的條件下，供給逆變主回路的直流供電電壓E1和供給直流驅動電動機的電樞電壓Ed之間保持恒定的比值不變。在本專利技術的實施方案中，當直流電動機的電壓轉速特性與變頻輸出特性的不相符時，必須由兩個成比例可調的直流電源分別向逆變器和直流電動機供電，如兩者持性相符，則可以取E1＝Ed，即僅用一個可調直流電源，同時對逆變主回路和直流電動機供電。這樣，上式可寫成U/f＝φKB或寫成U＝φKBf＝KE1這個表達式是簡單明了的，它說明在這樣的變頻調速系統中，僅通過調節直流供電電壓E1的電壓值的大小，即可使變頻器的交流輸出電壓保持此值U/f不變，這正是恒力矩變頻調速系統所需要的。本專利技術中，由于在結構上采用機械式逆變器來作為逆變主回路，這樣，由于有機械接觸，所以，在向感應電機等感性負載供電時，由于感抗的影響，必然存在換向火花的問題。因此，在系統中，采用了特殊的換向火花消除電路，如圖(4)所示，圖中D1—D6、C1—C6分別稱為續流二極管和換向電容。為便于分析，將圖(2)所示的變頻器逆變主回路根據等效工作原理，畫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于對三相交流感應電動機進行恒力矩無級調速的非靜止式變頻無級調速器，由可調直流供電電源、機械旋轉式逆變器、小功率直流電動機和換向火花消除電路組成，其特征如下：（ａ）、由一個可調直流電源Ｅ１同時向機械旋轉式逆變器Ｂ和小功率直流電動機Ｚ１供電；（ｂ）、用機械旋轉式逆變器Ｂ作為本系統逆變主回路的功率開關元件。２、根據權利要求１所述的非靜止式變頻無級調整速器，期特征如下：（ａ）、機械旋轉式逆變器Ｂ由電刷、滑環、換向器、軸以及軸承等組成；（ｂ）、二級換向器由兩塊與園心成１２０°到１５０°夾角的園弧形紫銅換向片Ｍ、Ｎ相向地固定在絕緣環的兩側組成；（ｃ）、滑環Ｆ１、Ｆ２和換向器一起固定在同一根軸上，同時，滑環Ｆ１與換片Ｍ之間通過導體相連，滑環Ｆ２與換向片Ｎ也通過導體相連；（ｄ）、電刷ａ、ｂ、ｃ分別與園心成１２０°的相等夾角，分布在換向器的外園表面，作為逆變器的三相交流輸出端。（ｅ）、電刷ｄ、ｅ分別與滑環Ｆ１、Ｆ２相接觸，作為逆變器直流電源的輸人端。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧誠，胡明輔，
申請(專利權)人：盧誠，
類型：實用新型
國別省市：53[中國|云南]