本發(fā)明涉及交-交變頻技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路、電機及電路控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

交-交變頻是電氣傳動的一項重要交流變頻調(diào)速技術(shù)，交-交變頻裝置是將固定頻率的交流電源，直接變換成頻率可調(diào)的交流輸出電壓。傳統(tǒng)的交交變頻電網(wǎng)固定頻率的交流電，經(jīng)過功率半導(dǎo)體電路直接轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電的過程。它具有損耗小、效率高的優(yōu)點。由于采用半控型器件自然換流控制方式，故可靠性高，過載能力強，容量不受限制，特別適合大功率裝置應(yīng)用場所；功率流向可逆、易于四象限可逆運行。

但交-交變頻裝置存在輸出頻率范圍小的缺點，目前交-交變頻調(diào)速通常只能在25hz以下低速運行，因此限制了交-交變頻調(diào)速高速應(yīng)用范圍。

眾所周知的，三相交流電機定子電流，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/分)，其中np為電動機極對數(shù)，f0為電源工頻。若取電機每對極的旋轉(zhuǎn)磁場速度以2π電角度/秒計，當(dāng)中np＝1時，旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/秒)

現(xiàn)假定電機定子(或定子繞組)以等速度反旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，其每對極每秒的旋轉(zhuǎn)速度為fs。從圖1可以看出，如果電機定子繞組原來固定的位置(t＝t0時)為圖1中(a)的位置，則當(dāng)時間為t1時，定子繞組已反旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)了120°電角，到達的位置具體見圖1(b)，當(dāng)時間為t2時，定子繞組繼續(xù)反旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)120°電角，到達的位置見圖1(c)。當(dāng)時間為t3時，定子繞組再反旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)120°，于是又回到原始位置，具體見圖1(a)，此后定子繞組繼續(xù)按同一方向，作等速旋轉(zhuǎn)。從電機最初的定子位置的時間t0到t1，或由t2到t3，其間隔時間均相等，令等間隔時間為δt，則δt的大小，決定了電機定子繞組的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)然，無論是定子繞組或定子本身，作機械旋轉(zhuǎn)是不可能的，故提出一種可實現(xiàn)的方案，來實現(xiàn)等效替代定子繞組或定子旋轉(zhuǎn)的方案尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路、電機及電路控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了交-交變頻的超50赫茲運行，提升了交-交變頻的調(diào)速范圍。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路，其關(guān)鍵在于：包括連接在三相電源輸入端和變頻輸出端之間的三組控制開關(guān)組；

所述三相電源輸入端接三相電源，所述變頻輸出端包括三個變頻輸出連接端，該三個變頻輸出連接端用于與電機定子繞組的三個電源連接端連接；

每一組所述控制開關(guān)組的輸入端接三相單元的其中一相電源；每一組所述控制開關(guān)組上并聯(lián)設(shè)置有三個控制開關(guān)，該三個控制開關(guān)依次導(dǎo)通；

每一個所述變頻輸出連接端與分別與每一組控制開關(guān)組的其中一個控制開關(guān)的輸出端連接，當(dāng)每一組所述控制開關(guān)依次導(dǎo)通時，所述變頻輸出端輸出的三相電源按順時針或者逆時針方向移相。

通過上述設(shè)計，通過依次導(dǎo)通每一相電源的控制開關(guān)，實現(xiàn)對變頻輸出端輸出的電源進行順時針或者逆時針移相。其中導(dǎo)通和關(guān)斷的時間可根據(jù)需要進行設(shè)置。該移相變頻技術(shù)同樣適應(yīng)于單相電源、六相電源等變頻控制。

再進一步描述，所述三組控制開關(guān)組的控制開關(guān)導(dǎo)通的起始時間、導(dǎo)通時間、導(dǎo)通間隔時間均相等。

再進一步描述，一種采用交-交移相變頻電路的高頻率輸出的交-交移相變頻電機，包括電機定子和電機轉(zhuǎn)子，所述電機定子繞組的電源連接端作為電機電源輸入端，所述電機轉(zhuǎn)子輸出端作為電機輸出端，其關(guān)鍵在于：所述電機定子繞組的電源端連接變頻電路的變頻輸出端，當(dāng)所述電機定子保持不動，所述電機轉(zhuǎn)子靜止或者轉(zhuǎn)動時，所述變頻電路對電機定子繞組電源端連接的電源進行與電機轉(zhuǎn)子反向或者同向方向移相，以改變電機旋轉(zhuǎn)磁場的速度，改變所述電機輸出端的電流輸出頻率；所述變頻電路為交-交移相變頻電路，該變頻電路的三個變頻輸出連接端分別與所述電機定子繞組的三個繞組電源端連接。

當(dāng)變頻電路實現(xiàn)對電機定子繞組電源端連接的電源進行沿與電機轉(zhuǎn)子反向或者同向方向移相，等效于使位置固定在電機槽內(nèi)的電機定子繞組沿與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的同向或者反向作等速旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)速度可通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)的導(dǎo)通時間、導(dǎo)通間隔時間進行控制。通過上述設(shè)計，直接將工頻電壓，作任意等速的相角位移，以改變電動機旋轉(zhuǎn)磁場的速度，從而達到平滑調(diào)節(jié)交流電機轉(zhuǎn)速的目的。結(jié)合轉(zhuǎn)子正反相旋轉(zhuǎn)頻率，進行復(fù)合變頻控制，不僅可以得到輸出頻率與電源頻率相等，而且可在電源頻率以上，即交流電機可超同頻運行。

控制開關(guān)導(dǎo)通的起始時間相同，可以使電源實現(xiàn)三相同時移相，電機電源不受到影響，使電機正常工作的同時實現(xiàn)變頻控制。

三相交流電機定子電流，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/分)

式中np為電動機極對數(shù)，f0為電源工頻。

若取電機每對極的旋轉(zhuǎn)磁場速度以2π電角度/秒計，當(dāng)np＝1時，旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/秒)

若每次移相120°電角所需時間為δt，則每移相360°電角(每轉(zhuǎn))所需時間為3δt。則移相速度為fs轉(zhuǎn)/秒，有fs＝1/3δt。

fs即沿與電機轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，也可以沿電機轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，那么合成的旋轉(zhuǎn)磁場速度f為f＝f0±fs。表明輸出頻率等于電源頻率f0與移相頻率fs的和或差。

依據(jù)三相電路的特點，可以得到移相觸發(fā)脈沖振蕩頻率fm為fm＝mfs；

其中m為相數(shù)，三相半波輸出時，m＝3；三相全波輸出時，m＝6。

移相觸發(fā)脈沖間隔ws為：

其中ws的單位為按工頻f0計算的電角度。

一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路的控制系統(tǒng)，包括同步檢測單元和控制器；所述同步檢測單元用于采集三相電源的電壓信號，所述控制器的第一控制輸入端與所述同步檢測單元的第一輸出端連接，所述控制器根據(jù)采集到的電壓信號確定所述三組控制開關(guān)組的控制開關(guān)導(dǎo)通的起始時間；所述控制器脈沖控制輸出端與脈沖觸發(fā)器的第一控制信號輸入端連接，所述脈沖觸發(fā)器的第二控制信號輸入端與所述同步檢測單元的第二輸出端連接，所述脈沖觸發(fā)器用于分別驅(qū)動變頻電路中所有所述控制開關(guān)的開通和關(guān)斷；所述變頻電路為高頻率輸出的交-交移相變頻電路。

采用上述方案，同步檢測單元獲取到三相電源的電壓信號，控制器根據(jù)該三相電源的電壓信號來自動選擇控制開關(guān)的觸發(fā)起始點，實現(xiàn)智能移相。提高實現(xiàn)了交-交變頻的超50赫茲運行，提升了交-交變頻大范圍的調(diào)速運行。

再進一步描述，所述控制開關(guān)為雙向可控硅開關(guān)。

通過檢測雙向可控硅開關(guān)的電流，即可判斷該雙向可控硅開關(guān)是否處于關(guān)斷狀態(tài)。

再進一步描述，還包括管壓方向采集器，所述管壓方向采集器用于采集所有所述雙向可控硅的導(dǎo)通方向；所述控制器的第二控制輸入端與所述管壓方向采集器的管壓方向信號輸出端連接，所述控制器根據(jù)所有所述雙向可控硅中的導(dǎo)通方向來確定控制開關(guān)的開通和關(guān)斷情況。

對于無環(huán)流系統(tǒng)，獲取雙向可控硅中的管壓，來鑒別雙向可控硅任意一相是否已經(jīng)關(guān)斷。管壓方向采集器只有采集到雙向可控硅反向電壓時，才會起作用，進一步對雙向可控硅關(guān)斷情況進行確定。

再進一步描述，在所述脈沖觸發(fā)器與三組所述控制開關(guān)組之間設(shè)置有驅(qū)動信號放大電路。

當(dāng)輸出頻率f等于電源頻率時，即f0＝50赫茲，控制方波寬度ws在變頻器為半波輸出時，為60°電角。在全波輸出時，只有30°電角，但是，最小的觸發(fā)脈沖寬度約在10°～20°之間，所以雙向可控硅須采用強功率觸發(fā)，通過驅(qū)動信號放大電路，實現(xiàn)對雙向可控硅進行驅(qū)動。

本發(fā)明的有益效果：通過該交交變頻移相技術(shù)，可使輸出頻率從零開始，一直調(diào)到電源頻率。在有環(huán)流的相同條件下，不僅可以得到輸出頻率與電源頻率相等，而且可在電源頻率以上，即交流電機可超同頻運行。增大了輸出頻率的變化范圍?？刂品奖憧煽浚瑹o需人為參與，也無需對原有的電機的結(jié)構(gòu)進行更改，方便合理，實用性強。

附圖說明

圖1是電機定子繞組電源連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的主接線圖；

圖3是本發(fā)明電機連接框圖；

圖4是本發(fā)明系統(tǒng)控制框圖；

圖5是三相半波輸出且移相觸發(fā)脈沖間隔180°時的輸出電壓波形圖；

圖6是采用三相全波輸出且移相觸發(fā)脈沖間隔90°時的輸出電壓波形圖；

圖7是f/fs關(guān)系曲線圖；

圖8是三相半波變頻輸出電壓波形圖；

圖9是三相全波變頻輸出電壓波形圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式以及工作原理作進一步詳細說明。

從圖2可以看出，一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路、電機及電路控制系統(tǒng)，包括連接在三相電源輸入端和變頻輸出端之間的三組控制開關(guān)組；所述三相電源輸入端接三相電源，所述變頻輸出端包括三個變頻輸出連接端，該三個變頻輸出連接端分別與電機定子繞組的三個電源連接端連接；每一組所述控制開關(guān)組的輸入端接三相單元的其中一相電源；每一組所述控制開關(guān)組上并聯(lián)設(shè)置有三個控制開關(guān)，該三個控制開關(guān)依次導(dǎo)通；每一個所述變頻輸出連接端與分別與每一組控制開關(guān)組的其中一個控制開關(guān)的輸出端連接，當(dāng)每一組所述控制開關(guān)依次導(dǎo)通時，所述變頻輸出端輸出的三相電源按順時針或者逆時針方向移相。

從圖2可以看出，在本實施例中，三相電源輸入端分別為a、b、c，三組控制開關(guān)組的組成為：第一組控制開關(guān)組的控制開關(guān)編號為1，6，8，第二組控制開關(guān)組的控制開關(guān)編號為2，4，9，第三組控制開關(guān)組的控制開關(guān)編號為3，5，7。其中編號控制開關(guān)1，4，7；2，5，8；3，6，9為共陰極，它們分別構(gòu)成變頻器的r、s、t三相輸出。

優(yōu)選地，所述三組控制開關(guān)組的控制開關(guān)導(dǎo)通的起始時間、導(dǎo)通時間、導(dǎo)通間隔時間均相等。

從圖3可以看出，一種采用交-交移相變頻電路的高頻率輸出的交-交移相變頻電機，包括電機定子和電機轉(zhuǎn)子，所述電機定子繞組的電源連接端作為電機電源輸入端，所述電機轉(zhuǎn)子輸出端作為電機輸出端，所述電機定子繞組的電源端連接變頻電路的變頻輸出端，當(dāng)所述電機定子保持不動，所述電機轉(zhuǎn)子靜止或者轉(zhuǎn)動時，所述變頻電路對電機定子繞組電源端連接的電源進行沿順時針或者逆時針方向移相，以改變電機旋轉(zhuǎn)磁場的速度，改變所述電機輸出端的電流輸出頻率；所述變頻電路為交-交移相變頻電路，該變頻電路的三個變頻輸出連接端分別與所述電機定子繞組的三個繞組電源端連接。

從圖4可以看出一種高頻率輸出的交-交移相變頻電路的控制系統(tǒng)，包括同步檢測單元和控制器；包括同步檢測單元和控制器；所述同步檢測單元用于采集三相電源的電壓信號，所述控制器的第一控制輸入端與所述同步檢測單元的第一輸出端連接，所述控制器根據(jù)采集到的電壓信號確定所述三組控制開關(guān)組的控制開關(guān)導(dǎo)通的起始時間；所述控制器脈沖控制輸出端與脈沖觸發(fā)器的第一控制信號輸入端連接，所述脈沖觸發(fā)器的第二控制信號輸入端與所述同步檢測單元的第二輸出端連接，所述脈沖觸發(fā)器用于分別驅(qū)動變頻電路中所有所述控制開關(guān)的開通和關(guān)斷；所述變頻電路為高頻率輸出的交-交移相變頻電路。

從圖2和4可以看出，在本實施例中，所述控制開關(guān)為雙向可控硅開關(guān)。

在本實施例中，還包括管壓方向采集器，所述管壓方向采集器用于采集所有所述雙向可控硅的導(dǎo)通方向；所述控制器的第二控制輸入端與所述管壓方向采集器的管壓方向信號輸出端連接，所述控制器根據(jù)所有所述雙向可控硅中的導(dǎo)通方向來確定控制開關(guān)的開通和關(guān)斷情況。

在本實施例中，在所述脈沖觸發(fā)器與三組所述控制開關(guān)組之間設(shè)置有驅(qū)動信號放大電路。

三相交流電機定子電流，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/分)其中，np為電動機極對數(shù)，f0為電源工頻。

若取電機每對極的旋轉(zhuǎn)磁場速度以2π電角度/秒計，當(dāng)np＝1時，旋轉(zhuǎn)磁場速度n0為：(轉(zhuǎn)/秒)。

當(dāng)電源的移相方向與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相同或者相反時，那么合成的旋轉(zhuǎn)磁場速度f為：f＝f0±fs；表明輸出頻率等于電源頻率f0與移相頻率fs的和或差。

依據(jù)三相電路的特點，可以得到移相觸發(fā)脈沖振蕩頻率fm為fm＝mfs，其中m為相數(shù)，三相半波輸出時，m＝3；三相全波輸出時，m＝6。

移相觸發(fā)脈沖間隔ws為：其中ws的單位為按工頻f0計算的電角度。

當(dāng)采用三相電源時，輸出1/3工頻的波形，移相脈沖間隔為從圖5可以看出輸出波形。

當(dāng)采用六相電源時，從圖6可以看出輸出波形。

根據(jù)公式f＝f0±fs可以得到：f＝f0+(±fs)，即當(dāng)控制頻率fs為正或為負時，任何輸出頻率，等于電源頻率與控制頻率之和。

假若電源頻率f0＝50赫茲，按公式f＝f0+(±fs)可列出f與fs和f與ws相對應(yīng)的數(shù)值如表1，同時還可繪出f與fs和f與ws的關(guān)系曲線，具體見圖7。

表1f與fs、ws數(shù)值關(guān)系表

從表1、圖1、圖7可知：

(1)輸出頻率f與控制頻率fs的關(guān)系為一直線，如圖7所示。

(2)當(dāng)移相順序為a-c-b-a-c-b時，fs為正，輸出頻率f也為正，且大于電源頻率f0，具體見圖7第一象限的直線段。

(3)當(dāng)移相順序為a-b-c-a-b-c時，fs為負，輸出頻率f除為零以外，任何輸出頻率f均有兩個相對應(yīng)的控制頻率fs。例如fs＝-20赫茲和fs＝-80赫茲，輸出頻率f為+30赫茲和-30赫茲。

(4)輸出頻率f從0到+50赫茲，相對應(yīng)的fs為從-50到0，從圖7(第二象限的直線段可以看出。

(5)輸出頻率f從0到-70赫茲之間，相對應(yīng)的fs為從-50赫茲到-120赫茲，具體見圖7第三象限直線段。

(6)輸出頻率f為正時，假若三相輸出電壓為正相序，電機為正轉(zhuǎn)，如圖7第二象限直線兩段直線所示，輸出頻率f為負時，三相電壓相序正好與前者相反，于是電機便反轉(zhuǎn)，具體見圖7第三象限直線段3。

應(yīng)當(dāng)指出，變頻器的輸出頻率f，在+40赫茲至+50赫茲之間，很難在實際中應(yīng)用，也就是說，40≤f≤50，形成了一個死區(qū)，但當(dāng)輸出頻率在0與-50赫茲之間，死區(qū)不會產(chǎn)生，這是因為：當(dāng)fs為-50赫茲至0赫茲時，輸出頻率f為0至50赫茲，此時，相對應(yīng)的控制方波ws在120°至∞之間。實際可用的僅為其中的一部份，即ws在120°至600°之間，相對應(yīng)的fs為–50赫茲至-10赫茲，相對應(yīng)的輸出頻率f為0至40赫茲。

產(chǎn)生原因分析是由于移相速度太慢，電機轉(zhuǎn)子實際上已按電網(wǎng)工頻(f0＝50赫茲)旋轉(zhuǎn)了很長一段時間(或者電角度)。從現(xiàn)場實際測試示波照相中可以看出，當(dāng)fs﹥-10赫茲時，在每次移相瞬間，輸出電壓和電流波形，均產(chǎn)生一個尖峰，使波形畸變。以輸出頻率f＝45赫茲為例，相對應(yīng)的控制頻率fs＝-5赫茲，這相當(dāng)于控制方波寬ws為1200°電角。顯而易見，此時移相是每隔1200°電角進行一次，但在每兩次移相之間，電機已按工頻旋轉(zhuǎn)了三個多周波，如果是兩極電機，則事實上電機轉(zhuǎn)子已接工頻旋轉(zhuǎn)了三圈多。實驗證明，當(dāng)電機的極對數(shù)越大，輸出波形反而越好，這同移相原理是相符的，因為電機極對數(shù)越大，每次移相時，電機旋轉(zhuǎn)的機械角度越小。

因此，當(dāng)控制頻率fs為負，且在0至-50赫茲之間時，可用的輸出頻率f為0至40赫茲(假定f0＝50赫茲)，且電機的極對數(shù)不小于2，即至少是4極電機。

當(dāng)fs在-50至-100赫茲之間時，輸出頻率f為0至-50赫茲，此時電機反轉(zhuǎn)，但相對應(yīng)的方波寬度為–120°至-60°之間，這一段對于輸出頻率f從0一直平滑調(diào)到電源頻率，有著實際的意義。

設(shè)控制頻率fs為負，輸出頻率f＝-5赫茲，則f＝f0+(±fs)＝50-100＝-50赫茲，即fs＝-100赫茲，基于上述條件，輸出電壓波形具體見圖8。

從圖8可知：(1)移相變頻可將輸出頻率提升到與電源頻率相等，輸出的電壓波形，雖然含有比較明顯的三次諧波成份，但在交流電動機中性點不接零線的條件下，三次諧波不會出現(xiàn)。

需要說明的是，如果變頻器采用三相全波，那么輸出頻率在接近電網(wǎng)頻率時，它的電壓波形是比較接近于正弦波形。輸出波形如圖9所示。圖9為輸出電壓頻率等于-50赫茲(相序a-b-c-a-b-c)的波形。

(2)為了使雙向可控硅按預(yù)定的時刻關(guān)斷和導(dǎo)通，必須采用有環(huán)流系統(tǒng)。

(3)當(dāng)輸出頻率f等于電源頻率時(f0＝50赫茲)，控制方波寬度ws在變頻器為半波輸出時，為60°電角，在全波輸出時，只有30°電角，因此最小的觸發(fā)脈沖寬度約在10°～20°之間，所以雙向可控硅須采用強功率觸發(fā)。

(4)移相控制變頻原理，同樣適用于單相電源，這里不再詳細熬述。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。