基于机械方式的变频装置

山西省机电设计研究院 李 豫

基于机械方式的变频装置

山西省机电设计研究院 李 豫

提出一种新的变频装置，即基于机械方式的变频装置，采用机械方式使恒定磁场交替变化，从而在静止线圈中感应出电动势。通过对原理性装置的详细介绍及结构分析，验证了该新的装置的合理性及应用前景，有助于其推广应用。

导磁滑块；恒定磁场；交变磁场

1 引言

目前通用的变频装置从原理讲均是将交流电通过整流装置变换为直流电,再将直流电逆变为交流电。即所谓交—直—交变频装置,传统变频装置通常需要使用电子电路的变换技术、PWM技术、矢量控制技术、微机和大规模集成电路基础的数字控制技术以及功率半导体器件IGBT[1]。

传统变频系统,由主回路、控制回路及保护回路构成,其中:主回路中包括整流器、中间直流环节及逆变器,该系统复杂而造价不菲,某种程度上影响其实际应用的范围。

本文所述的基于机械方式的变频装置,力图在结构上及控制上,有所突破,简化结构,深入挖掘传统机械的坚固可靠潜力,开辟一条新的发展变频技术的道路。其造价远低于基于电子电路的变换技术的变频装置。

2 基于电子电路的变换技术的变频装置

2.1 PWM技术

PWM技术,简称脉宽调制,是指模拟电路由微处理器进行控制的技术,是一种由数字信号进行控制的一种计算机应用技术,在测量、通信、功率变换及功率控制许多方面得到广泛应用。但其应用在充电领域中,弱点也是明显的,即电流控制精度低,充电效率不是很高。

2.2 功率半导体器件lGBT

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,MOSFET为输入极,PNP晶体管为输出极。该器件非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

功率半导体器件,其作用是控制电流的通断,即往往被用作开关。那么,一个理想的开关,应该具有两个基本的特性:

a.电流通过的时候,这个理想开关两端的电压降是零,即导通电阻为零;

b.电流截断的时候,这个理想开关两端可以承受的电压可以是任意大小,也就是零至无穷大。

因此,功率半导体器件的研究和发展,就是围绕着这个目标不断前进的。事实上,目前该电压数值受到材料的局限;

另外,导通电流的大小也受到材料的局限。

由此可知,功率半导体器件IGBT是有诸多局限的。

2.3 矢量控制技术

上世纪七十年代中期,为了解决异步电机转矩控制问题,德国西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制的理论,矢量控制技术的实质是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,将其解耦为励磁电流和转矩电流,并依据磁场定向原理对其幅值和相位分别进行调节,从而实现对交流电动机的速度的高效控制。

3 基于机械方式的变频装置

3.1 总体方案

基于机械方式的变频装置。其结构如图1所示。包括导磁滑块1、牵引机构2、气隙5、感应线圈3、激磁线圈8、感应工作磁路4、导磁旁路6及磁路7;所述导磁滑块1位于气隙5内,且由牵引机构2带动其在气隙5内往复运动,其中:导磁滑块1与气隙5截面对应的两个面的面积等于磁路7的截面积;所述气隙5内两个相对的磁路截面面积相等,其面积为磁路7截面的两倍;所述感应线圈3绕在感应工作磁路4上;所述激磁线圈8与直流电源连接,且绕在磁路7上;所述感应工作磁路4截面积等于磁路7的截面积,所述导磁旁路6的截面积也等于磁路7的截面积,感应工作磁路4与导磁旁路6两端并联,其中一个并联端头形成气隙的磁路截面,另一个并联端头与磁路7连接。

其中牵引机构2可以采用机械无级调速装置来实现,通过调整牵引机构的运动速度来控制导磁滑块1的往复运动的频率,从而控制了磁场的变化频率。

图1 基于机械方式的变频装置原理性结构图注：图1中，1一导磁滑块；2一牵引机构；3一感应线圈；4一感应工作磁路；5一气隙；6一导磁旁路；7一磁路；8一激磁线圈。

3.2 直流电激磁产生恒定磁场

如图2所示,附图标记9表示直流发电机,其向磁路提供直流电用于产生恒定磁场,亦可通过整流装置将交流电转变为直流进行激磁。

图2

3.3 永久磁铁作为磁场源

如图3所示,附图标记10表示永久磁铁,其向磁路提供恒定磁场。

3.4 工作过程及原理

本装置工作时,所述激磁线圈与直流电源连通后,在磁路7中建立恒定磁场,在气隙5处,磁力线绝大多数经导磁滑块1进入感应工作磁路4或导磁旁路6,随着导磁滑块1的往复运动,进入感应工作磁路4的磁力线的数量在不断变化,形成变化的磁场,从而在感应线圈3中感应出交变电流。改变导磁滑块1的往复运动的周期,可以改变感应线圈3中交变电流的频率。

图3

3.5 机械方式变频的优点

在传统的交变磁路中,为了防止交变磁场在路路中产生磁滞损耗,必须选择较软的导磁材料。

导磁滑块的牵引装置可以通过同步电机带动机械变速装置实现导磁滑块往复运动,机械无级调速装置不会产生高次谐波,对周边电器特别是无线信号环境不会产生有害影响,此外,由于该装置采用直流电进行激磁所产生的是恒定磁场或者采用永久磁铁作为磁场源,磁力线是单指向,因此,不会在磁路中产生磁滞损耗,大部分磁路无涡流损耗[2],更重要的是,该机械方式的变频装置只是在感应线圈所对应的磁路上需要采用叠片矽钢片,而其余大部分的磁路则可以采用普通的磁铁即可,机械无级调速装置控制简单寿命长,维护方便,适合大范围推广,本装置同时申报了发明专利及实用新型专利并已获得实用新型授权,发明专利已进入实质审查阶段(实用新型专利号2014202226012;发明专利申请号2014101834443)。

4 结论

通过分析,基于电子电路的变频装置与基于机械方式的变频装置相比,后者结构相对较为简单,由原理图可知,基于机械方式的变频装置理论上无任何限制,变频范围非常大,其只取决于导磁滑块的往复运动速度,而且低频段更容易实现。

［1］孙晓云,同向前,高鑫.VSC-HVDC系统中IGBT的开路故障特性分析［J］.高电压技术,2014(8).

［2］秦大为,封春波.变压器空载损耗中的磁滞损耗和涡流损耗的区分［J］.变压器,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，高级工程师，研究方向为发输变电。