一種逆變裝置及其應用的制作方法
1.本發(fā)明涉及電源技術、電力技術、電機與電力拖動技術以及整個電工技術領域，尤其涉及一種多相橋式逆變換，涉及直流變壓和直流電力驅動及其應用。
背景技術：
2.交流和直流各有特點，電工技術需要電源在直流和交流之間來回變換，但是這個變換的問題卻一直未能得到滿意的解決。整流電路把正負交替變化的電壓電流變成單向電壓電流，但是卻無法使它變成平直的直流。雖然電容濾波可以使電壓變得平直，但是由此在交流側產生的高次諧波，以及為消除電流的高次諧波必須進行的功率因數(shù)校正卻帶來了太多的問題，以致很多情況下實際上成為不可能。把直流變換成交流實際上更為復雜，雖然逆變電路的電子開關可以把直流變成正負交替變化的電壓電流，但得到的不是正弦波電壓電流，具有大量的高次諧波，帶來的問題也更多。
3.如何由交流正弦波電壓電流直接得到紋波因數(shù)極小的平直的直流電壓電流，以及如何由直流電壓電流直接得到高次諧波極小、接近正弦波的交流電壓電流，這是電工技術必須解決的，嚴重妨礙直流和交流之間變換的問題。
技術實現(xiàn)要素：
4.為了解決以上問題，本發(fā)明技術方案從多相交流電源的概念出發(fā)，提出一種逆變裝置及其應用。
5.根據(jù)本發(fā)明技術方案的第一方面，提供一種逆變裝置，所述逆變裝置包括一個n相橋式逆變電路(其中n＝2k+1,k≥2的整數(shù))和n組鐵芯繞組線圈組合；
6.所述n相橋式逆變電路由n組兩個串聯(lián)的單向導電電子開關器件組成，共有2n個單向導電電子開關器件，分別是：
7.s1+,s
1-；s2+,s
2-；s3+,s
3-；...
8....s
n-1
+,s
n-1-；sn+,s
n-；
9.所述兩個串聯(lián)的單向導電電子開關器件都是一端接直流電源的正極，另一端接直流電源的負極，在同一時刻所述兩個串聯(lián)的單向導電電子開關器件中最多只有一個導通，使得串聯(lián)連接點處的電位可以取直流電源正極電位，或取負極電位，還可以處于高阻狀態(tài)，即兩個單向導電電子開關器件都截止時電位可以是由其它因數(shù)決定的任意值；
10.所述n組鐵芯繞組線圈組合可以采取星形接法，即n個鐵芯繞組線圈組合的一端接在一起，另一端接所述n相橋式逆變電路的n個兩兩串聯(lián)的單向導電電子開關器件的連接點；也可以采取其它接法，譬如采取多邊形接法，即n組鐵芯繞組線圈組合之間按照一定的順序首尾相接，形成一個閉環(huán)，所述繞組線圈組合多邊形接法的n個連接點，接所述n相橋式逆變電路的n組兩兩串聯(lián)的單向導電電子開關器件串聯(lián)連接點；
11.所述2n個單向導電電子開關器件按照確定的開關順序開關動作。如果不考慮開關的動作時間，每次動作都是閉合一個開關，同時開斷一個開關，保證始終有一對開關接通，
如果考慮開關的動作時間，則所述2n個單向導電電子開關器件任何一個瞬間都有2-3個單向導電電子開關器件導通，即單向導電電子開關器件切換瞬間，正在開斷和閉合的單向導電電子開關器件會同時導通；單向導電電子開關器件導通的順序可以是：
12.(s1+，s
k+1-)、(s1+,s2+,s
k+1-)、(s2+,s
k+1-)、(s2+,s
k+1-,s
k+2-)、(s2+,s
k+2-)、(s2+,s3+,s
k+2-)、(s3+,s
k+2-)、(s3+,s
k+2-,s
k+3-)、(s3+,s
k+3-)、
13.......
14.(s
2k
+,s
k-1-,s
k-)、(s
2k
+,s
k-)、(s
2k
+,s
2k+1
+,s
k-)、(s
2k+1
+,s
k-)、(s
2k+1
+,s
k-,s
k+1-)、(s
2k+1
+,s
k+1-)、(s
2k+1
+,s1+,s
k+1-)、
15.繼續(xù)循環(huán)
→
(s1+,s
k+1-)......
16.鐵芯繞組線圈之間存在著確定的的電磁感應關系，使得由給定的直流電源在所述n組鐵芯繞組線圈組合的n個連接點與所述n相橋式逆變電路的n組兩個串聯(lián)的單向導電電子開關器件的n個串聯(lián)連接點上產生一個n相交流電壓源，或者是n個與所述n相交流電源逼近的n相階梯波交流電壓源；
17.所述n相交流電壓源是指一組幅值相等，相位依次間隔360
°
/n的n個正弦波電壓源，所述n相階梯波交流電壓源是指一組幅值相等，基波相位依次間隔360
°
/n的n個階梯波交流電壓源。
18.這里，多相交流電源的概念是本專利技術的核心和出發(fā)點。所述n相交流電壓源是指一組幅值相等，相位依次間隔360
°
/n的n個正弦波電壓源。
19.這里先從整流的情況說起：
20.三相橋式整流輸出直流電壓為三相交流電壓的上下包絡的電位差，顯然，上下包絡的取值應該在極值附近。由于任何連續(xù)可導函數(shù)的極值處的變化率為0，因此不難設想，隨著相數(shù)的增大，上下包絡將會迅速趨于平直，使得多相橋式整流輸出的直流電壓的紋波因數(shù)迅速減小。計算表明，當多相交流電源的相數(shù)足夠大且為奇數(shù)時，多相橋式整流輸出直流電壓的紋波因數(shù)將近似與相數(shù)的平方成反比，更為迅速地減小。譬如一個9相橋式整流電路。因為sin80
°
＝sin100
°
＝0.984819，這時輸出直流脈動電壓將在極值與極值的0.984819之間變化，其紋波因數(shù)將小于1％。這樣小的紋波因數(shù)，根本就沒有濾波的必要了。
21.多相橋式逆變的情況也完全相似：把多相橋式整流電路的二極管換成開關器件，確保多相交流電源的各相中都只有電壓最高的相接電壓稍高于極大值的正電壓，確保多相交流電源的各相中都只有電壓最低的相接電壓稍低于極小值的負電壓，就能構成多相橋式逆變電路，由直流電源產生多相交流電源。
22.這里，整流時通過多相橋式整流電路直流電源只和多相交流電源的平直的上下包絡電壓有電的聯(lián)系，交流到直流只有很小的紋波因數(shù)(譬如小于1％)需要處理，交流側的三相交流電流也是非常接近正弦波的階梯波；反過來直流到交流的逆變情況也一樣，直流側和交流側直接通過多相逆變電路連接，直流電源也是只和多相交流電源的平直的上下包絡電壓有電的聯(lián)系，將只有很小的一點偏差需要處理。直流側接一點很小的電感電容，問題就可以完美解決。
23.這個多相交流電源，可以從三相交流變壓器的3相繞組的組合上獲取。
24.由于：
25.sinαsinωt+sin(α+120
°
)sin(ωt+120
°
)
26.+sin(α+240
°
)sin(ωt+240
°
)
27.＝(1/2)[cos(ωt-α)-cos(ωt+α)
[0028]
+cos(ωt-α)-cos(ωt+α+240
°
)
[0029]
+cos(ωt-α)-cos(ωt+α+480
°
)]
[0030]
＝(3/2)cos(ωt-α)；
[0031]
因為[cos(ωt+α)+cos(ωt+α+240
°
)+cos(ωt+α+480
°
)]＝0；
[0032]
所以
[0033]
cos(ωt-α)＝(2/3)
·
[sinαsinωt+sin(α+120
°
)sin(ωt+120
°
)
[0034]
+sin(α+240
°
)sin(ωt+240
°
)]。
[0035]
而
[0036]
umcos(ωt-α)＝(2/3)
·
um[sinαsinωt
[0037]
+sin(α+120
°
)sin(ωt+120
°
)+sin(α+240
°
)sin(ωt+240
°
)]，
[0038]
則表示，用三相變壓器的3個分屬3相、匝數(shù)按一定比例的繞組上的電壓累加，可以得到一個任意相位α的正弦量。
[0039]
令
[0040]
αn＝n
·
(360
°
/n)(其中n為大于5的整數(shù)，n＝0，1,2，......n-1)，
[0041]
則得到n個正弦量un(ωt-αn)。
[0042]
un＝umcos(ωt-αn)＝u
m cos[ωt-n
·
(360
°
/n)]
[0043]
(其中n＝0,1,2，...n-1)。
[0044]
這就是所說的n相交流電源：一組振幅相等，相位依次間隔360
°
/n，均衡分布的n個正弦波電壓源。
[0045]
這里，如果把umsinωt、umsin(ωt+120
°
)、umsin(ωt+240
°
)看作一個三相電壓，而sinα、sin(α+120
°
)、sin(α+240
°
)則是三個系數(shù)，對應的是三相變壓器上不同繞組的匝數(shù)比。把這樣的三個繞組作為一個繞組組合串聯(lián)起來，電壓迭加，n個這樣的繞組組合上就能得到我們需要的n相交流電源：一組振幅相等，相位依次間隔360
°
/n，均衡分布的n個正弦波電壓源。
[0046]
從三相整流的輸出直流電壓紋波因數(shù)聯(lián)想到多相橋式整流，聯(lián)想到多相交流電源，從一個三角函數(shù)的關系式，通過給組成關系式的各個函數(shù)和系數(shù)賦予實際的物理意義，得到用三相交流變壓器的繞組組合產生多相橋式整流所需要的n相交流電源的方法，并進而核實變壓器原邊和副邊的電壓、電流的對應關系，確認多相橋式整流，無需電容濾波，就能直接得到紋波極小的直流電壓，而且變壓器交流側電流是非常接近正弦波的階梯波，只有少量高次諧波。
[0047]
多相橋式逆變的情況也完全相似：把多相橋式整流電路的二極管換成開關器件，確保多相交流電源的各相中都只有電壓最高的相接電壓稍高于極大值的正電壓，確保多相交流電源的各相中都只有電壓最低的相接電壓稍低于極小值的負電壓，就能構成多相橋式逆變電路，由直流電源產生多相交流電源。這里，多相橋式逆變利用3相交流變壓器繞組組合產生多相交流電源的過程，實際上是在3相變壓器的3個鐵芯上產生一個3相交變磁場的過程：是這個交變磁場在多個變壓器繞組組合的各繞組上感應出來的電壓，迭加出來了多相交流電源。
[0048]
此外，這里取n＝2k+1，即這里的n為奇數(shù)，這是因為：首先，如果取n為偶數(shù)(取n＝2k,且k＞2的奇數(shù))，則整流裝置得到的直流電壓的紋波因數(shù)將與n＝k(k＞2的奇數(shù))的多相整流裝置的紋波因數(shù)相同，然而產生多相交流電源所用繞組組合數(shù)以及整流二極管數(shù)卻都需要增加一倍，相對n為奇數(shù)的情況，顯然不可取；對于k＞2為偶數(shù)的情況，相對n為奇數(shù)的情況，同樣不可取。所述多相逆變的情況也完全相似，獲得同樣的效果繞組組合數(shù)和單向導電開關器件數(shù)都要加倍。因此在多相橋式整流中，利用導磁鐵芯上的導電繞組線圈之間的電磁感應關系，由給定的交流電源產生一個n相交流電源，并通過n相橋式整流電路后直接作為紋波因數(shù)很小的直流電壓源，輸出直流電壓和電流；其中n≧5的奇數(shù)；而在本專利中，所述逆變裝置包括一個n相橋式逆變電路(其中n＝2k+1,k≥2的整數(shù))和n組鐵芯繞組線圈組合。
[0049]
綜上所述，由于多相交流電源的上下包絡在相數(shù)足夠大時趨于平直，起伏很小，因此以多相交流電源作為過渡，通過多相整流或多相逆變，將很容易實現(xiàn)直流和交流之間的轉換。譬如只要在直流電源端串入一點很小的電感電容，直流和交流之間的轉換，便不會有任何問題。
[0050]
這里，多相橋式整流電路用的是的二極管，而多相橋式逆變則換成了單向導通開關器件，這樣兩者一個是直流變交流，另一個是交流變直流，而且兩者導電方向是相反的。如果每個所述單向導電電子開關器件上都并聯(lián)一個與其導電方向相反的二極管，則就能在直流電源和交流電源之間建立起這樣一個聯(lián)系：或者交流電源向直流電源供電，或者直流電源向交流電源供電。
[0051]
進一步地，每個所述單向導電電子開關器件上都并聯(lián)一個與其導電方向相反的二極管。
[0052]
進一步地，所述n相橋式逆變電路由n組兩個串聯(lián)的單向導電電子開關器件組成，所述2n個單向導電電子開關器件都是晶閘管，分別是：
[0053]
vt1+,vt
1-；vt2+,vt
2-；vt3+,vt
3-；...
[0054]
...vt
n-1
+,vt
n-1-；vtn+,vt
n-；
[0055]
所述三相交流變壓器原邊繞組線圈組合有n個輸入輸出端，接所述n相橋式逆變電路的n組兩兩串聯(lián)的晶閘管串聯(lián)連接點，所述n個連接點之間設法并聯(lián)n個電容c1,c2,c3,......c
n-2
,c
n-1
,cn。
[0056]
在直流電壓的正輸入端，在閘流管vt1+導通時，電容c1被充電，由于vt1+導通時，變壓器繞組組合1的電壓始終為最高，所以當vt2+開始導通時電容c1上的電壓將使vt1+承受反向電壓，電容c1的取值應保證vt1+在切換過程結束時完全截止，使得由vt1+導通變成vt2+導通，這時變壓器繞組組合由組合1接電源正極變成組合2接電源正極。在負電壓端，閘流管開關切換的過程與此相仿。整個過程中始終只有2-3個閘流管導通，即開關瞬間有3個閘流管導通，其余時間都是兩個閘流管導通。閘流管以確定的順序依次導通，反復周期循環(huán)，在所述三相交流變壓器原邊繞組線圈組合的n個輸入輸出端與所述n相橋式逆變電路的n個連接點上將能得到一個n相交流電壓源，或者一個n相階梯波交流電壓源。
[0057]
進一步地，所述n組鐵芯繞組線圈組合是一個三相交流變壓器的原邊繞組線圈組合，且n＝3k，k≥3且為奇數(shù)。
[0058]
如前所述，所述逆變裝置都包括一個n相橋式逆變電路(其中n＝3k,k≥3的整數(shù))
和n組鐵芯繞組線圈組合，這個n組鐵芯繞組線圈組合可以是一個三相交流變壓器原邊繞組線圈組合。由于多相橋式逆變利用3相交流變壓器繞組組合產生多相交流電源的過程，實際上是在3相變壓器的3個鐵芯上產生一個3相交變磁場的過程，所以所述變壓器的副邊3相繞組完全可以外接三相交流負載。
[0059]
進一步地，所述三相交流變壓器的三個副邊繞組外接三相交流負載。
[0060]
進一步地，所述三相交流變壓器的三個副邊繞組外接三相交流電網(wǎng)；
[0061]
所述n相橋式逆變電路通過鎖相電路確保三相交流變壓器輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)的三相交流電壓相位完全一致。
[0062]
進一步地，所述逆變裝置與一個m相橋式整流電路共同構成一個直流變壓裝置，
[0063]
其中，所述三相交流變壓器的副邊繞組為一個m組鐵芯繞組線圈組合，其中m＝3i，i≥3且為奇數(shù),所述m組鐵芯繞組線圈組合產生一個m相交流電壓源，或者是m個與所述m相交流電壓源逼近的m相階梯波交流電壓源；所述m相交流電壓源是指一組幅值相等，初相位依次間隔360
°
/m的m個正弦波電壓源，所述m相階梯波交流電壓源是指一組基波幅值相等，初相位依次間隔360
°
/m的m個階梯波交流電壓源；
[0064]
所述m相交流電壓源，或者是m個與所述m相交流電源逼近的m相階梯波交流電壓源的輸出端接m相橋式整流電路，所述n相橋式逆變電路由n組兩兩串聯(lián)的整流二極管組成，所有所述兩個串聯(lián)的整流二極管都是一個二極管的陰極接另一個二極管的陽極，陰極和陽極之間的每個連接點分別接所述m相交流電壓源的m相輸出端，所有所述n組兩兩串聯(lián)的整流二極管的另一個陰極連接起來作為n相橋式逆變電路的輸出正極，所有所述n組兩兩串聯(lián)的整流二極管的另一個陽極連接起來作為n相橋式逆變電路的輸出負極；
[0065]
所述m相橋式整流電路可以無需濾波，就直接作為紋波因數(shù)很小的直流電壓源，輸出直流電壓和電流，實現(xiàn)直流變壓；
[0066]
所述n相交流電源和m相交流電源都只出現(xiàn)在變壓器的原邊、副邊繞組上，交變頻率由逆變電路的開關周期決定，可以不是50赫、60赫的工頻，可以任意選擇最適用的頻率。
[0067]
利用上述的多相橋式逆變裝置，再加上多相橋式整流裝置，就可以得到一個直流變壓裝置。直流變壓裝置包括一個n相橋式逆變電路(其中n＝3k,k≥3的整數(shù))和n組鐵芯繞組線圈組合，n組鐵芯繞組線圈組合是一個三相交流變壓器原邊繞組線圈組合。
[0068]
進一步地，所述三相交流變壓器副邊的m組鐵芯繞組線圈組合與所述原邊鐵芯繞組組合的組合數(shù)相等，即m＝n。
[0069]
進一步地，所述三相交流變壓器的副邊繞組為與所述原邊繞組線圈組合的所有繞組線圈一一對應的副邊n組鐵芯繞組線圈組合，且所有原邊和副邊對應繞組線圈之間存在相同的匝數(shù)比。
[0070]
進一步地，從發(fā)電設備到用戶端，通過輸電線和變壓、整流、逆變設備，組成直流輸變電網(wǎng)，直接對用戶直流供電。
[0071]
進一步地，所述三相交流變壓器的副邊繞組為三相交流繞組，外接三相交流電動機；所述單向導電電子開關器件的切換周期是可調節(jié)的，通過調節(jié)所述單向導電電子開關器件的切換周期，實現(xiàn)電機的調速。
[0072]
前面所述的逆變裝置，如果所述三相交流變壓器的副邊繞組外接三相交流電動機，所述多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件的切換周期可以調節(jié)，從而實現(xiàn)通過調
節(jié)所述多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件的切換周期，實現(xiàn)電機的調速。除此之外，所述繞組組合還可以是交流電機定子繞組的組合。
[0073]
如果所述n組鐵芯繞組線圈組合是一個首尾相接均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合，所述多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件的切換周期可以調節(jié)，則鐵芯繞組線圈將產生一個旋轉磁場，通過調節(jié)所述多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件的切換周期，實現(xiàn)電機的調速。
[0074]
一個三相交流電壓源(初相位分別為0
°
,120
°
,240
°
)，加到電機定子的三個夾角為120
°
的線圈(在x-y平面上與x軸夾角分別為α,α+120
°
,α+240
°
)上，將得到一個幅度恒定勻速旋轉的旋轉磁場：
[0075]
如果是單獨一相交流電壓加在一個相應的線圈上，則三個線圈單獨產生的的空間磁場分別為：
[0076]bm
{i cosαcosωt+j(sinαcosωt)}；
[0077]bm
{i[cos(α+120
°
)cos(ωt+120
°
)]+j[sin(α+120
°
)cos(ωt+120
°
)]}；
[0078]bm
{i[cos(α+240
°
)cos(ωt+240
°
)]+j[sin(α+240
°
)cos(ωt+240
°
)]}；
[0079]
三相交流電源同時加在三個線圈時，磁場將迭加，其中
[0080]
j bm[sinαcosωt+sin(α+120
°
)cos(ωt+120
°
)
[0081]
+sin(α+240
°
)cos(ωt+240
°
)]
[0082]
＝(j/2)bm[sin(ωt-α)+sin(ωt+α)+sin(ωt-α)+sin(ωt+α+240
°
)
[0083]
+sin(ωt-α)+sin(ωt+α+480
°
)]
[0084]
＝j(3/2)b
m sin(ωt-α)
[0085]
因為sin(ωt+α)+sin(ωt+α+240
°
)+sin(ωt+α+480
°
)＝0
[0086]
i bm[cosαcosωt+cos(α+120
°
)cos(ωt+120
°
)
[0087]
+cos(α+240
°
)cos(ωt+240
°
)]
[0088]
＝(i/2)bm[cos(ωt-α)+cos(ωt+α)+cos(ωt-α)+cos(ωt+α+240
°
)
[0089]
+cos(ωt-α)+cos(ωt+α+480
°
)]
[0090]
＝i(3/2)b
m cos(ωt-α)
[0091]
因為cos(ωt+α)+cos(ωt+α+240
°
)+cos(ωt+α+480
°
)＝0
[0092]
迭加結果得到一個旋轉磁場：
[0093]
(3/2)bm[i cos(ωt-α)+j sin(ωt-α)]
[0094]
這里，一個三相交流電壓源(初相位分別為0
°
,120
°
,240
°
)，加到電機定子的三個夾角為120
°
的線圈(在x-y平面上與x軸夾角分別為α,α+120
°
,α+240
°
)上，將得到一個幅度恒定勻速旋轉的旋轉磁場，這是三相交流電機(包括異步電機和同步電機)運行的基本工作原理。
[0095]
推廣到一般情況，一個n相交流電壓源(相位分別為(0,β,2β，﹍，(n-2)β，(n-1)β))，加到電機定子的n個空間夾角為β＝360
°
/n的線圈(在x-y平面上與x軸夾角分別為(α,α+β,α+2β，﹍，α+(n-2)β，α+(n-1)β))上，將得到一個幅度恒定勻速旋轉的旋轉磁場：
[0096]
如果是單獨一相交流電壓加在一個相應的線圈上，則三個線圈單獨產生的的空間磁場分別為：
[0097]bm
{i cosαcosωt+j(sinαcosωt)}；
[0098]bm
{i[cos(α+β)cos(ωt+β)]+j[sin(α+β)cos(ωt+β)]}；
[0099]bm
{i[cos(α+2β)cos(ωt+2β)]+j[sin(α+2β)cos(ωt+2β)]}；
[0100]
﹍﹍
[0101]bm
{i[cos(α+(n-2)β)cos(ωt+(n-2)β)]
[0102]
+j[sin(α+(n-2)β)cos(ωt+(n-)β)]}；
[0103]bm
{i[cos(α+(n-1)β)cos(ωt+(n-1)β)]
[0104]
+j[sin(α+(n-1)β)cos(ωt+(n-1)β)]}；
[0105]
n相交流電源同時加在n個線圈時，磁場將迭加，其中
[0106]
i bm{cosαcosωt+cos(α+β)cos(ωt+β)
[0107]
+cos(α+2β)cos(ωt+2β)+﹍+cos[α+(n-2)β]cos[ωt+(n-2)β]
[0108]
+cos[α+(n-1)β]cos[ωt+(n-1)β]}；
[0109]
＝i(n/2)b
m cos(ωt-α)
[0110]
因為cos(ωt+α)+cos(ωt+α+2β)+cos(ωt+α+4β)+﹍
[0111]
+cos[ωt+α+(n-1)β]+cos s[ωt+α+(n+1)β]+cos[ωt+α+(n+3)β]
[0112]
+﹍+cos[ωt+α+2(n-2)β]+cos[ωt+α+2(n-1)β]
[0113]
＝cos(ωt+α)+cos(ωt+α+2β)+cos(ωt+α+4β)+﹍
[0114]
+cos[ωt+α+(n-1)β]+cos(ωt+α+β)+cos(ωt+α+3β)+﹍
[0115]
+cos[ωt+α+(n-4)β]+cos[ωt+α+(n-2)β]＝0
[0116]
j bm{(sinαcosωt)+sin(α+β)cos(ωt+β)
[0117]
+sin(α+2β)cos(ωt+2β)+﹍﹍+sin[α+(n-2)β]cos[ωt+(n-2)β]
[0118]
+sin[α+(n-1)β]cos[ωt+(n-1)β]}；
[0119]
＝j(n/2)b
m sin(ωt-α)
[0120]
因為sin(ωt+α)+sin(ωt+α+2β)+sin(ωt+α+4β)
[0121]
+﹍+sin[ωt+α+(n-1)β]+sin s[ωt+α+(n+1)β]+sin[ωt+α+(n+3)β]
[0122]
+﹍+sin[ωt+α+2(n-2)β]+sin[ωt+α+2(n-1)β]
[0123]
＝sin(ωt+α)+sin(ωt+α+2β)+sin(ωt+α+4β)+﹍
[0124]
+sin[ωt+α+(n-1)β]+sin(ωt+α+β)+sin(ωt+α+3β)
[0125]
+﹍+sin[ωt+α+(n-4)β]+sin[ωt+α+(n-2)β]＝0
[0126]
迭加結果得到一個旋轉磁場：
[0127]
(n/2)bm[i cos(ωt-α)+j sin(ωt-α)]
[0128]
這個旋轉磁場被均勻鑲嵌在電機定子鐵芯中的n個串聯(lián)連接的繞組線圈切割，將在其n個串聯(lián)連接點上得到一個n相交流電壓源。當n足夠大時，所述n相交流電壓源可以通過n相橋式整流得到波動很小的直流電壓源。譬如當n≥9的奇數(shù)時，所述直流電源的紋波因數(shù)將小于1％。
[0129]
這是由旋轉磁場產生的多相交流電源通過多相橋式整流變成直流。反過來如果把多相橋式整流的二極管換成多相橋式逆變的單向導電開關器件，就可以由直流電源得到多相交流電源，并在電機定子鐵芯上產生一個旋轉磁場。
[0130]
如果不計多相橋式逆變時開關器件的開關動作時間，對于所述n組鐵芯繞組線圈組合是一個首尾相接均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合的情況，這些繞組線圈各自產生
的磁場bm將是一個隨時間交替變化的矩形波，其方向垂直于線圈平面。如前所述，這些矩形波的基波迭加結果將得到一個旋轉磁場：
[0131]
(n/2)bm[i cos(ωt-α)+j sin(ωt-α)]
[0132]
而且由于多相逆變的相數(shù)為奇數(shù)，即相數(shù)n＝2k+1(k為正整數(shù))，不難證明(具體證明略)，這些高次諧波迭加結果也將得到一系列相應的旋轉磁場：
[0133]
(n/2)b
m諧波
[i cos(ω
諧波
t-α
諧波
)+j sin(ω
諧波
t-α
諧波
)]
[0134]
綜上所述，由于多相交流電源的上下包絡在相數(shù)足夠大時趨于平直，起伏很小，因此以多相交流電源作為過渡，通過多相整流或多相逆變，將很容易實現(xiàn)直流和交流之間的轉換。譬如只要在直流電源端串入一點很小的電感電容，直流和交流之間的轉換，便不會有任何問題。
[0135]
而多相交流電源又與旋轉磁場相關聯(lián)，由于上面所述n組鐵芯繞組線圈組合是n組首尾相接均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合，由直流電源通過逆變產生多相交流電源和旋轉磁場，便能帶動轉子旋轉，實現(xiàn)直流電力驅動。
[0136]
如前所述，多相橋式逆變與多相橋式整流的情況完全相似，只是多相橋式整流電路用的是的二極管，而多相橋式逆變則換成了單向導通開關器件，這樣兩者一個是直流變交流，另一個是交流變直流，而且兩者導電方向是相反的。如果每個所述單向導電電子開關器件上都并聯(lián)一個與其導電方向相反的二極管，則就能在直流電源和交流電源之間建立起這樣一個聯(lián)系：或者交流電源向直流電源供電，或者直流電源向交流電源供電。
[0137]
因此在所述n相橋式逆變電路的每個單向導電電子開關器件上都并聯(lián)一個與其導電方向相反的二極管，就能得到一個既能實現(xiàn)單向橋式整流，又能完成多相橋式逆變的裝置。特別是在用作直流驅動電機時，電機將能自動根據(jù)電機的運行情況，運行在電動機或者發(fā)電機狀態(tài)，實現(xiàn)電力拖動或者制動。
[0138]
根據(jù)本發(fā)明技術方案的第二方面，提供一種如以上任一方面所述的逆變裝置的應用，所述逆變裝置應用在產品端，作為產品或產品電源的一部分。
[0139]
本發(fā)明的有益效果：
[0140]
整流和逆變一直是電工技術的重要課題。電工技術需要電源在直流和交流之間來回變換，但是電工技術卻一直未能在理論上很好地解決這個變換的問題。整流電路把正負交替變化的電壓電流變成單向電壓電流，但是卻無法使它變成平直的直流。雖然電容濾波可以使電壓變得平直，但是為消除電容濾波所產生的電流的高次諧波必須進行的功率因數(shù)校正卻帶來了太多的問題，以致很多情況下實際上成為不可能。逆變，把直流變換成交流實際上更為復雜，帶來的問題也更多。
[0141]
引入多相交流電源的概念，以多相橋式整流和多相橋式逆變溝通直流和交流，完美地解決了整流和逆變中遇到的種種難題。從而非常方便地實現(xiàn)交流和直流之間的轉換。使得通過多相橋式整流電路直流電源只和多相交流電源的平直的上下包絡電壓有電的聯(lián)系，交流到直流只有很小的紋波因數(shù)(譬如小于1％)需要處理，交流側的三相交流電流也是非常接近正弦波的階梯波；反過來直流到交流的逆變情況也一樣，直流側和交流側直接通過多相逆變電路連接，直流電源也是只和多相交流電源的平直的上下包絡電壓有電的聯(lián)系，將只有很小的一點偏差需要處理。直流側接一點很小的電感電容，問題就可以完美解決。
[0142]
本發(fā)明除了可以給外接的三相交流負載或外接的三相交流電網(wǎng)供電外，還可以與一個多相橋式整流電路共同構成一個直流變壓裝置，所述多相橋式整流電路可以無需濾波，就直接作為紋波因數(shù)很小的直流電壓源，輸出直流電壓和電流，實現(xiàn)直流變壓。這里，交流電源只出現(xiàn)在變壓器的原邊、副邊繞組上，只在變壓器內部，其余輸電、供電設備都是直流，從根本上消除了交流信號對環(huán)境的影響。
[0143]
本發(fā)明通過采用多相橋式逆變方法，產生多相交流電源，形成旋轉磁場，實現(xiàn)直流電力驅動。這是一種全新的直流驅動電機，不僅僅是以電子開關器件取代整流子，而是完全擯棄了直流電機和整流子的工作原理，這不僅大大簡化了直流驅動電機的結構，同時使得電機可以調速，并且在調速過程中，通過電動機或發(fā)電機兩種電機工作狀態(tài)的自動轉換，實現(xiàn)驅動或制動。這樣，制動過程中消耗的動能將不是用來做有害的發(fā)熱，而是轉化成有用的電能。
附圖說明
[0144]
為了更清楚地說明本發(fā)明的技術方案，下面將對所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0145]
圖1給出的是n種繞組組合按星形接法連接的情況。
[0146]
圖2給出了加在變壓器9個原邊繞組組合上的9相交流電源的電壓波形。
[0147]
圖3給出了3相變壓器的3個鐵芯上原邊副邊電流產生的磁勢的對應關系。
[0148]
圖4為均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合和多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件連接組成直流電力驅動裝置的框圖。
[0149]
圖5為以閘流管作為電子開關的9相橋式逆變裝置的原理框圖。
[0150]
圖6為直流變壓裝置框圖。
具體實施方式
[0151]
下面通過幾個實施方案，討論具體的實施方式。
[0152]
實施例一：
[0153]
這是一個3相變壓器副邊繞組接3相交流電網(wǎng)的9相橋式逆變電路的具體實施方式。
[0154]
n相橋式逆變電路的框圖如圖1所示，其中n＝9。
[0155]
其中三相交流變壓器的全部原邊繞組的匝數(shù)有5種，相互之間匝數(shù)比為：n1:n2:n3:n4:n5＝sin90
°
:sin50
°
:sin10
°
:sin30
°
:sin70
°
。
[0156]
這5種匝數(shù)加上正負極性，三個一組，串聯(lián)起來，組成這所有需要的9種變壓器原邊繞組的組合，它們是：
[0157]
變壓器原邊繞組組合1：a相n1匝,b相-n4匝,c相-n4匝
[0158]
變壓器原邊繞組組合2：a相n2匝,b相n3匝,c相-n5匝
[0159]
變壓器原邊繞組組合3：a相n3匝,b相n2匝,c相-n5匝
[0160]
變壓器原邊繞組組合4：a相-n4匝,b相n1匝,c相-n4匝
[0161]
變壓器原邊繞組組合5：a相-n5匝,b相n2匝,c相n3匝
[0162]
變壓器原邊繞組組合6：a相-n5匝,b相n3匝,c相n2匝
[0163]
變壓器原邊繞組組合7：a相-n4匝,b相-n4匝,c相n1匝
[0164]
變壓器原邊繞組組合8：a相n3匝,b相-n5匝,c相n2匝
[0165]
變壓器原邊繞組組合9：a相n2匝,b相-n5匝,c相n3匝
[0166]
圖1給出的是n種繞組組合按星形接法連接的情況。
[0167]
圖2給出了加在變壓器9個原邊繞組組合上的9相交流電源的電壓波形。
[0168]
圖3給出了3相變壓器的3個鐵芯上原邊副邊電流產生的磁勢的對應關系。(變壓器副邊負載功率因數(shù)經(jīng)功率因數(shù)補償后為1.0)
[0169]
實施例二：
[0170]
下面給出一個由均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合和多相橋式逆變電路組成直流電力驅動裝置，討論又一個具體的實施方式。
[0171]
圖4為均勻鑲嵌在定子槽中的繞組線圈組合和多相橋式逆變電路單向導電電子開關器件連接組成直流電力驅動裝置的框圖。
[0172]
實施例三：
[0173]
圖5以閘流管作為電子開關的多相橋式逆變裝置的原理框圖。
[0174]
在直流電壓的正輸入端，在閘流管vt1+導通時，電容c1被充電，由于vt1+導通時，變壓器繞組組合1的電壓始終為最高，所以當vt2+開始導通時電容c1上的電壓將使vt1+承受反向電壓，電容c1的取值應標準vt1+完全截止，使得由vt1+導通變成vt2+導通，這時變壓器繞組組合由組合1接電源正極變成組合2接電源正極。在負電壓端，閘流管開關切換的過程與此相仿，整個過程中始終只有2—3個閘流管導通，即開關瞬間有3個閘流管導通，其余時間都是兩個閘流管導通。閘流管導通的順序是：
[0175]
(vt1+,vt5-)(vt1+,vt2+,vt5-)(vt2+,vt5-)(vt2+,vt5-,vt6-)
[0176]
(vt2+,vt6-)(vt2+,vt3+,vt6-)(vt3+,vt6-)(vt3+,vt6-,vt7-)
[0177]
(vt3+,vt7-)(vt3+,vt4+,vt7-)(vt4+,vt7-)(vt4+,vt7-,vt8-)
[0178]
(vt4+,vt8-)(vt4+,vt5+,vt8-)(vt5+,vt8-)(vt5+,vt8-,vt9-)
[0179]
(vt5+,vt9-)(vt5+,vt6+,vt9-)(vt6+,vt9-)(vt6+,vt9-,vt1-)
[0180]
(vt6+,vt1-)(vt6+,vt7+,vt1-)(vt7+,vt1-)(vt7+,vt1-,vt2-)
[0181]
(vt7+,vt2-)(vt7+,vt8+,vt2-)(vt8+,vt1-)(vt8+,vt2-,vt3-)
[0182]
(vt8+,vt3-)(vt8+,vt9+,vt3-)(vt9+,vt2-)(vt9+,vt3-,vt4-)
[0183]
(vt9+,vt4-)(vt9+,vt1+,vt4-)(vt1+,vt3-)(vt1+,vt4-,vt5-)
[0184]
繼續(xù)周期循環(huán)
[0185]
(vt1+,vt5-)(vt1+,vt2+,vt5-)(vt2+,vt4-)(vt2+,vt5-,vt6-)
[0186]
﹍﹍
[0187]
閘流管以此順序依次導通，反復周期循環(huán)，在所述三相交流變壓器原邊繞組線圈組合的9個輸入輸出端與所述9相橋式逆變電路的9個連接點上將能得到一個8相交流電壓源，或者一個9相階梯波交流電壓源。
[0188]
實施例四：
[0189]
這是一個直流變壓裝置，其原理框圖如圖6所示。
[0190]
三相交流變壓器的副邊繞組為與原邊n組鐵芯繞組線圈組合的所有繞組線圈一一
對應的副邊n組鐵芯繞組線圈組合，而且原邊和副邊對應繞組線圈之間存在相同的匝數(shù)比。
[0191]
其中三相變壓器的全部原邊繞組的匝數(shù)有5種，匝數(shù)比為：
[0192]
n1
原
:n2
原
:n3
原
:n4
原
:n5
原
＝sin90
°
:sin50
°
:sin10
°
:sin30
°
:sin70
°
。
[0193]
這5種匝數(shù)加上正負極性，三個一組，串聯(lián)起來，組成這所有需要的9種變壓器原邊繞組的組合，它們是：
[0194]
變壓器原邊繞組組合1：a相n1匝,b相-n4匝,c相-n4匝
[0195]
變壓器原邊繞組組合2：a相n2匝,b相n3匝,c相-n5匝
[0196]
變壓器原邊繞組組合3：a相n3匝,b相n2匝,c相-n5匝
[0197]
變壓器原邊繞組組合4：a相-n4匝,b相n1匝,c相-n4匝
[0198]
變壓器原邊繞組組合5：a相-n5匝,b相n2匝,c相n3匝
[0199]
變壓器原邊繞組組合6：a相-n5匝,b相n3匝,c相n2匝
[0200]
變壓器原邊繞組組合7：a相-n4匝,b相-n4匝,c相n1匝
[0201]
變壓器原邊繞組組合8：a相n3匝,b相-n5匝,c相n2匝
[0202]
變壓器原邊繞組組合9：a相n2匝,b相-n5匝,c相n3匝
[0203]
三相變壓器的全部副邊繞組的匝數(shù)也是5種，匝數(shù)比同樣為：
[0204]
n1
副
:n2
副
:n3
副
:n4
副
:n5
副
＝sin90
°
:sin50
°
:sin10
°
:sin30
°
:sin70
°
。
[0205]
只是副邊繞組的匝數(shù)都比對應的原邊匝數(shù)大(升壓時)或縮小k倍(降壓時)。
[0206]
這5種匝數(shù)的繞組加上正負極性，三個一組串聯(lián)起來組成所有需要的9種變壓器副邊繞組組合，它們是：
[0207]
變壓器副邊繞組組合1：a相kn1匝,b相-kn4匝,c相-kn4匝
[0208]
變壓器副邊繞組組合2：a相kn2匝,b相kn3匝,c相-kn5匝
[0209]
變壓器副邊繞組組合3：a相kn3匝,b相kn2匝,c相-kn5匝
[0210]
變壓器副邊繞組組合4：a相-kn4匝,b相kn1匝,c相-kn4匝
[0211]
變壓器副邊繞組組合5：a相-kn5匝,b相kn2匝,c相kn3匝
[0212]
變壓器副邊繞組組合6：a相-kn5匝,b相kn3匝,c相kn2匝
[0213]
變壓器副邊繞組組合7：a相-kn4匝,b相-kn4匝,c相kn1匝
[0214]
變壓器副邊繞組組合8：a相kn3匝,b相-kn5匝,c相kn2匝
[0215]
變壓器副邊繞組組合9：a相kn2匝,b相-kn5匝,c相kn3匝
[0216]
這5種匝數(shù)的繞組加上正負極性，三個一組串聯(lián)起來組成所有需要的9種變壓器副邊繞組組合，最后通過多相橋式整流輸出直流電壓，實現(xiàn)直流變壓。
[0217]
利用上述直流變壓裝置，從發(fā)電設備到用戶端，反復通過輸電線和變壓、整流、逆變設備，可以組成一個直流輸變電網(wǎng)，直接對用戶直流供電。
[0218]
上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
