山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 李 豫

基于機(jī)械方式的變頻裝置

山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院 李 豫

提出一種新的變頻裝置，即基于機(jī)械方式的變頻裝置，采用機(jī)械方式使恒定磁場(chǎng)交替變化，從而在靜止線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。通過對(duì)原理性裝置的詳細(xì)介紹及結(jié)構(gòu)分析，驗(yàn)證了該新的裝置的合理性及應(yīng)用前景，有助于其推廣應(yīng)用。

導(dǎo)磁滑塊；恒定磁場(chǎng)；交變磁場(chǎng)

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(shù)、PWM技術(shù)、矢量控制技術(shù)、微機(jī)和大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)以及功率半導(dǎo)體器件IGBT[1]。

傳統(tǒng)變頻系統(tǒng),由主回路、控制回路及保護(hù)回路構(gòu)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(fù)雜而造價(jià)不菲,某種程度上影響其實(shí)際應(yīng)用的范圍。

本文所述的基于機(jī)械方式的變頻裝置,力圖在結(jié)構(gòu)上及控制上,有所突破,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),深入挖掘傳統(tǒng)機(jī)械的堅(jiān)固可靠潛力,開辟一條新的發(fā)展變頻技術(shù)的道路。其造價(jià)遠(yuǎn)低于基于電子電路的變換技術(shù)的變頻裝置。

2 基于電子電路的變換技術(shù)的變頻裝置

2.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù),簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制,是指模擬電路由微處理器進(jìn)行控制的技術(shù),是一種由數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),在測(cè)量、通信、功率變換及功率控制許多方面得到廣泛應(yīng)用。但其應(yīng)用在充電領(lǐng)域中,弱點(diǎn)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(dǎo)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(fù)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(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體器件,其作用是控制電流的通斷,即往往被用作開關(guān)。那么,一個(gè)理想的開關(guān),應(yīng)該具有兩個(gè)基本的特性:

a.電流通過的時(shí)候,這個(gè)理想開關(guān)兩端的電壓降是零,即導(dǎo)通電阻為零;

b.電流截?cái)嗟臅r(shí)候,這個(gè)理想開關(guān)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(dǎo)體器件的研究和發(fā)展,就是圍繞著這個(gè)目標(biāo)不斷前進(jìn)的。事實(shí)上,目前該電壓數(shù)值受到材料的局限;

另外,導(dǎo)通電流的大小也受到材料的局限。

由此可知,功率半導(dǎo)體器件IGBT是有諸多局限的。

2.3 矢量控制技術(shù)

上世紀(jì)七十年代中期,為了解決異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題,德國(guó)西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制的理論,矢量控制技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量,將其解耦為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流,并依據(jù)磁場(chǎng)定向原理對(duì)其幅值和相位分別進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度的高效控制。

3 基于機(jī)械方式的變頻裝置

3.1 總體方案

基于機(jī)械方式的變頻裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括導(dǎo)磁滑塊1、牽引機(jī)構(gòu)2、氣隙5、感應(yīng)線圈3、激磁線圈8、感應(yīng)工作磁路4、導(dǎo)磁旁路6及磁路7;所述導(dǎo)磁滑塊1位于氣隙5內(nèi),且由牽引機(jī)構(gòu)2帶動(dòng)其在氣隙5內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),其中:導(dǎo)磁滑塊1與氣隙5截面對(duì)應(yīng)的兩個(gè)面的面積等于磁路7的截面積;所述氣隙5內(nèi)兩個(gè)相對(duì)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(yīng)線圈3繞在感應(yīng)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(yīng)工作磁路4截面積等于磁路7的截面積,所述導(dǎo)磁旁路6的截面積也等于磁路7的截面積,感應(yīng)工作磁路4與導(dǎo)磁旁路6兩端并聯(lián),其中一個(gè)并聯(lián)端頭形成氣隙的磁路截面,另一個(gè)并聯(lián)端頭與磁路7連接。

其中牽引機(jī)構(gòu)2可以采用機(jī)械無級(jí)調(diào)速裝置來實(shí)現(xiàn),通過調(diào)整牽引機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度來控制導(dǎo)磁滑塊1的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率,從而控制了磁場(chǎng)的變化頻率。

圖1 基于機(jī)械方式的變頻裝置原理性結(jié)構(gòu)圖注：圖1中，1一導(dǎo)磁滑塊；2一牽引機(jī)構(gòu)；3一感應(yīng)線圈；4一感應(yīng)工作磁路；5一氣隙；6一導(dǎo)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(chǎng)

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

圖2

3.3 永久磁鐵作為磁場(chǎng)源

如圖3所示,附圖標(biāo)記10表示永久磁鐵,其向磁路提供恒定磁場(chǎng)。

3.4 工作過程及原理

本裝置工作時(shí),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(chǎng),在氣隙5處,磁力線絕大多數(shù)經(jīng)導(dǎo)磁滑塊1進(jìn)入感應(yīng)工作磁路4或?qū)Т排月?,隨著導(dǎo)磁滑塊1的往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)入感應(yīng)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(chǎng),從而在感應(yīng)線圈3中感應(yīng)出交變電流。改變導(dǎo)磁滑塊1的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期,可以改變感應(yīng)線圈3中交變電流的頻率。

圖3

3.5 機(jī)械方式變頻的優(yōu)點(diǎn)

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

導(dǎo)磁滑塊的牽引裝置可以通過同步電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械變速裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)磁滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng),機(jī)械無級(jí)調(diào)速裝置不會(huì)產(chǎn)生高次諧波,對(duì)周邊電器特別是無線信號(hào)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生有害影響,此外,由于該裝置采用直流電進(jìn)行激磁所產(chǎn)生的是恒定磁場(chǎng)或者采用永久磁鐵作為磁場(chǎng)源,磁力線是單指向,因此,不會(huì)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(jī)械方式的變頻裝置只是在感應(yīng)線圈所對(duì)應(yīng)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(jī)械無級(jí)調(diào)速裝置控制簡(jiǎn)單壽命長(zhǎng),維護(hù)方便,適合大范圍推廣,本裝置同時(shí)申報(bào)了發(fā)明專利及實(shí)用新型專利并已獲得實(shí)用新型授權(quán),發(fā)明專利已進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查階段(實(shí)用新型專利號(hào)2014202226012;發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?014101834443)。

4 結(jié)論

通過分析,基于電子電路的變頻裝置與基于機(jī)械方式的變頻裝置相比,后者結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單,由原理圖可知,基于機(jī)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(dǎo)磁滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度,而且低頻段更容易實(shí)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(shù),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(jí)工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)輸變電。