山西省機電設計研究院 李 豫

基于機械方式的變頻裝置

山西省機電設計研究院 李 豫

提出一種新的變頻裝置，即基于機械方式的變頻裝置，采用機械方式使恒定磁場交替變化，從而在靜止線圈中感應出電動勢。通過對原理性裝置的詳細介紹及結構分析，驗證了該新的裝置的合理性及應用前景，有助于其推廣應用。

導磁滑塊；恒定磁場；交變磁場

1 引言

目前通用的變頻裝置從原理講均是將交流電通過整流裝置變換為直流電,再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?。即所謂交—直—交變頻裝置,傳統(tǒng)變頻裝置通常需要使用電子電路的變換技術、PWM技術、矢量控制技術、微機和大規(guī)模集成電路基礎的數(shù)字控制技術以及功率半導體器件IGBT[1]。

傳統(tǒng)變頻系統(tǒng),由主回路、控制回路及保護回路構成,其中:主回路中包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)及逆變器,該系統(tǒng)復雜而造價不菲,某種程度上影響其實際應用的范圍。

本文所述的基于機械方式的變頻裝置,力圖在結構上及控制上,有所突破,簡化結構,深入挖掘傳統(tǒng)機械的堅固可靠潛力,開辟一條新的發(fā)展變頻技術的道路。其造價遠低于基于電子電路的變換技術的變頻裝置。

2 基于電子電路的變換技術的變頻裝置

2.1 PWM技術

PWM技術,簡稱脈寬調制,是指模擬電路由微處理器進行控制的技術,是一種由數(shù)字信號進行控制的一種計算機應用技術,在測量、通信、功率變換及功率控制許多方面得到廣泛應用。但其應用在充電領域中,弱點也是明顯的,即電流控制精度低,充電效率不是很高。

2.2 功率半導體器件lGBT

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫,IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,MOSFET為輸入極,PNP晶體管為輸出極。該器件非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

功率半導體器件,其作用是控制電流的通斷,即往往被用作開關。那么,一個理想的開關,應該具有兩個基本的特性:

a.電流通過的時候,這個理想開關兩端的電壓降是零,即導通電阻為零;

b.電流截斷的時候,這個理想開關兩端可以承受的電壓可以是任意大小,也就是零至無窮大。

因此,功率半導體器件的研究和發(fā)展,就是圍繞著這個目標不斷前進的。事實上,目前該電壓數(shù)值受到材料的局限;

另外,導通電流的大小也受到材料的局限。

由此可知,功率半導體器件IGBT是有諸多局限的。

2.3 矢量控制技術

上世紀七十年代中期,為了解決異步電機轉矩控制問題,德國西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制的理論,矢量控制技術的實質是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,將其解耦為勵磁電流和轉矩電流,并依據(jù)磁場定向原理對其幅值和相位分別進行調節(jié),從而實現(xiàn)對交流電動機的速度的高效控制。

3 基于機械方式的變頻裝置

3.1 總體方案

基于機械方式的變頻裝置。其結構如圖1所示。包括導磁滑塊1、牽引機構2、氣隙5、感應線圈3、激磁線圈8、感應工作磁路4、導磁旁路6及磁路7;所述導磁滑塊1位于氣隙5內,且由牽引機構2帶動其在氣隙5內往復運動,其中:導磁滑塊1與氣隙5截面對應的兩個面的面積等于磁路7的截面積;所述氣隙5內兩個相對的磁路截面面積相等,其面積為磁路7截面的兩倍;所述感應線圈3繞在感應工作磁路4上;所述激磁線圈8與直流電源連接,且繞在磁路7上;所述感應工作磁路4截面積等于磁路7的截面積,所述導磁旁路6的截面積也等于磁路7的截面積,感應工作磁路4與導磁旁路6兩端并聯(lián),其中一個并聯(lián)端頭形成氣隙的磁路截面,另一個并聯(lián)端頭與磁路7連接。

其中牽引機構2可以采用機械無級調速裝置來實現(xiàn),通過調整牽引機構的運動速度來控制導磁滑塊1的往復運動的頻率,從而控制了磁場的變化頻率。

圖1 基于機械方式的變頻裝置原理性結構圖注：圖1中，1一導磁滑塊；2一牽引機構；3一感應線圈；4一感應工作磁路；5一氣隙；6一導磁旁路；7一磁路；8一激磁線圈。

3.2 直流電激磁產(chǎn)生恒定磁場

如圖2所示,附圖標記9表示直流發(fā)電機,其向磁路提供直流電用于產(chǎn)生恒定磁場,亦可通過整流裝置將交流電轉變?yōu)橹绷鬟M行激磁。

圖2

3.3 永久磁鐵作為磁場源

如圖3所示,附圖標記10表示永久磁鐵,其向磁路提供恒定磁場。

3.4 工作過程及原理

本裝置工作時,所述激磁線圈與直流電源連通后,在磁路7中建立恒定磁場,在氣隙5處,磁力線絕大多數(shù)經(jīng)導磁滑塊1進入感應工作磁路4或導磁旁路6,隨著導磁滑塊1的往復運動,進入感應工作磁路4的磁力線的數(shù)量在不斷變化,形成變化的磁場,從而在感應線圈3中感應出交變電流。改變導磁滑塊1的往復運動的周期,可以改變感應線圈3中交變電流的頻率。

圖3

3.5 機械方式變頻的優(yōu)點

在傳統(tǒng)的交變磁路中,為了防止交變磁場在路路中產(chǎn)生磁滯損耗,必須選擇較軟的導磁材料。

導磁滑塊的牽引裝置可以通過同步電機帶動機械變速裝置實現(xiàn)導磁滑塊往復運動,機械無級調速裝置不會產(chǎn)生高次諧波,對周邊電器特別是無線信號環(huán)境不會產(chǎn)生有害影響,此外,由于該裝置采用直流電進行激磁所產(chǎn)生的是恒定磁場或者采用永久磁鐵作為磁場源,磁力線是單指向,因此,不會在磁路中產(chǎn)生磁滯損耗,大部分磁路無渦流損耗[2],更重要的是,該機械方式的變頻裝置只是在感應線圈所對應的磁路上需要采用疊片矽鋼片,而其余大部分的磁路則可以采用普通的磁鐵即可,機械無級調速裝置控制簡單壽命長,維護方便,適合大范圍推廣,本裝置同時申報了發(fā)明專利及實用新型專利并已獲得實用新型授權,發(fā)明專利已進入實質審查階段(實用新型專利號2014202226012;發(fā)明專利申請?zhí)?014101834443)。

4 結論

通過分析,基于電子電路的變頻裝置與基于機械方式的變頻裝置相比,后者結構相對較為簡單,由原理圖可知,基于機械方式的變頻裝置理論上無任何限制,變頻范圍非常大,其只取決于導磁滑塊的往復運動速度,而且低頻段更容易實現(xiàn)。

［1］孫曉云,同向前,高鑫.VSC-HVDC系統(tǒng)中IGBT的開路故障特性分析［J］.高電壓技術,2014(8).

［2］秦大為,封春波.變壓器空載損耗中的磁滯損耗和渦流損耗的區(qū)分［J］.變壓器,2007(9).

Frequency Conversion Device of Mechanical Mode Based on

Li yu
(Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Taiyuan 030009, China)

Put forward a kind of new frequency conversion device, i.e., frequency conversion device based on mechanical way, by mechanical means that constant magnetic field changes alternately, thus induced electromotive force in the stationary coil. By analyzing the details and the structure of the principle of device, verify the rationality and prospect of this new device, contribute to its popularization and application.

magnetic slider; constant magnetic field; alternating magnetic field

李豫（1960—），男，高級工程師，研究方向為發(fā)輸變電。