專利名稱：一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法及裝置，屬于二次電源技術(shù)，特別是涉及一種將飛機(jī)上27V直流主電源轉(zhuǎn)變成單相或多相交流電源的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在航空電源系統(tǒng)中，需要將飛機(jī)上27V的直流主電源轉(zhuǎn)換成115V或36V，IKHZ的單相或三相交流電源，供飛機(jī)上的一些用電設(shè)備使用。目前飛機(jī)上所用的航空電源系統(tǒng)采用的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)，它雖然具有輸出頻率穩(wěn)定、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出波形失真小，對(duì)其它用電設(shè)備干擾小的特點(diǎn)。但由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)體積大，重量重，成本高，效率低，輸出電壓精度不高、負(fù)載突變時(shí)電壓恢復(fù)慢，連續(xù)工作時(shí)間短等缺點(diǎn)，越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)及用電設(shè)備的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法及裝置，可保持現(xiàn)有飛機(jī)供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步減小飛機(jī)供電系統(tǒng)的體積和重量，降低成本，提高效率，以滿足現(xiàn)代飛機(jī)及其它用電設(shè)備的需要。本發(fā)明的技術(shù)方案一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，該方法是通過(guò)3n(n為自然數(shù))分相電路將直流電源轉(zhuǎn)換成相互之間相差η /6η的一組準(zhǔn)方波，通過(guò)功率放大電路功率放大后，在變壓器的原邊將6η組準(zhǔn)方波按正弦(或余弦)幅值規(guī)律疊加成近似于正弦波的階梯波，抵消掉其中的高次諧波；在變壓器的副邊通過(guò)濾波處理后，獲得純凈的3η交流電源。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述分相電路采用晶體振蕩器作為振蕩源，構(gòu)成RC時(shí)鐘電路，晶體振蕩器分頻出兩路輸出；一路用以獲得穩(wěn)定的工作頻率，另一路經(jīng)整形后提供觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的間隔為η/6η電導(dǎo)角。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述近似于正弦波的階梯波是單相階梯波或是相差η/3η度電角度的3η相階梯波。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述變壓器的原邊由6η組完全相同的線圈組成，線圈按星形或三角形連接，每組線圈由5個(gè)匝數(shù)不等的繞組構(gòu)成，通過(guò)對(duì)5個(gè)繞組的串聯(lián)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦交流電的正、負(fù)半周的疊加。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述變壓器的副邊有6η組線圈，通過(guò)6η組線圈之間不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述的功率放大電路之前設(shè)有升壓電路， 用以提升輸入電壓，實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法中，所述的變壓器副邊輸出的類正弦交流電壓經(jīng)LC濾波后輸出。一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，包括依次連接的時(shí)鐘電路、分相電路、功率放大電路、變壓器和濾波電路，在分相電路與功率放大電路的連接處設(shè)有升壓電路。前述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置中，所述變壓器的原邊包括6η個(gè)線圈，每個(gè)線圈包括5個(gè)繞組，通過(guò)6η個(gè)線圈中不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的變換，交流電壓按星形或三角形連接；所述變壓器有6η組線圈，通過(guò)6η組線圈之間繞組的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)分相電路將直流電源轉(zhuǎn)換成相互之間相差π /6η的一組準(zhǔn)方波，通過(guò)功率放大電路功率放大后，利用特殊設(shè)計(jì)的變壓器將6η組準(zhǔn)方波按正弦 (或余弦)幅值規(guī)律疊加成近似于正弦波的階梯波，抵消掉其中的高次諧波；在變壓器的副邊通過(guò)濾波處理后，獲得純凈的3η相交流電源。可進(jìn)一步減小機(jī)載供電系統(tǒng)的體積和重量，降低成本，提高效率，以滿足現(xiàn)代飛機(jī)及用電設(shè)備的需要。并且保持了現(xiàn)有飛機(jī)供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具有輸出頻率穩(wěn)定、輸出電壓精度高、負(fù)載突變時(shí)電壓恢復(fù)快，效率高，輸出波形失真小，對(duì)其它用電設(shè)備干擾小，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。特別適合于直流27士4V 輸入環(huán)境、帶均衡非線性負(fù)載能力強(qiáng)、變換效率高。特別是在三相、六相乃至九相交流變換中，電路相對(duì)較簡(jiǎn)單。適用于航空航天機(jī)載、導(dǎo)載等供電領(lǐng)域。本發(fā)明已應(yīng)用于多種機(jī)載電源產(chǎn)品中，為高效率，低失真度，大功率，多相輸出的 DC/AC電源設(shè)計(jì)開發(fā)以及推廣應(yīng)用開辟了新思路。該DC/AC變換技術(shù)方案是一種新穎的二次電源設(shè)計(jì)思路，具有效率高，可靠性高、 輸出功率大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，為我國(guó)DC/AC電源的設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。其產(chǎn)品可廣泛用于航空、航天飛機(jī)及相關(guān)用電設(shè)備供電。本發(fā)明特別適于直流27士4V輸入環(huán)境，特別是在三相、六相乃至九相交流變換中，相對(duì)簡(jiǎn)單的電路卻具有帶均衡非線性負(fù)載能力強(qiáng)、變換效率高、可靠性高的效果。


圖1是本發(fā)明的電氣原理及波形變換圖； 圖2是六分相電路的電氣原理圖3是變壓器的接線示意圖； 圖4是準(zhǔn)方波波形圖5是六分相準(zhǔn)方波疊加形成的階梯波波形圖。附圖中的標(biāo)記為1-時(shí)鐘電路，2-分相電路，3-功率放大電路，4-變壓器，5-濾波電路，6-升壓電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的任何限制依據(jù)。實(shí)施例。本發(fā)明如圖1所示。一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，該方法是通過(guò) 3η (η為自然數(shù))分相電路將直流電源轉(zhuǎn)換成相互之間相差η/6η的一組準(zhǔn)方波，通過(guò)功率放大電路功率放大后，在變壓器的原邊將6η組準(zhǔn)方波按正弦幅值規(guī)律疊加成近似于正弦波的階梯波，抵消掉其中的高次諧波；在變壓器的副邊通過(guò)濾波處理后，獲得純凈的交流電源。所述分相電路采用晶體振蕩器作為振蕩源，構(gòu)成RC時(shí)鐘電路，晶體振蕩器分頻出兩路輸出；一路用以獲得穩(wěn)定的工作頻率，另一路經(jīng)整形后提供觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的間隔為 η /6η電導(dǎo)角。所述近似于正弦波的階梯波是單相階梯波或是相差π / 度電角度的3η相階梯波。所述變壓器的原邊由6η組完全相同的線圈組成，線圈按星形或三角形連接，每組線圈由5個(gè)匝數(shù)不等的繞組構(gòu)成，通過(guò)對(duì)5個(gè)繞組的串聯(lián)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦交流電的正、負(fù)半周的疊加。所述變壓器的副邊有6η組線圈，通過(guò)6η組線圈之間不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出。所述的功率放大電路之前設(shè)有升壓電路，用以提升輸入電壓，實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定。所述的變壓器副邊輸出的類正弦交流電壓經(jīng)LC濾波后輸出。一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，包括依次連接的時(shí)鐘電路1、分相電路2、功率放大電路3、變壓器4和濾波電路5，在分相電路2與功率放大電路3的連接處設(shè)有升壓電路6。所述變壓器4的原邊包括3η個(gè)線圈，每個(gè)線圈包括5個(gè)繞組，通過(guò)3η個(gè)線圈中繞組的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的變換，交流電壓按星形或三角形連接；所述變壓器的副邊有6η組線圈，通過(guò)6η組線圈之間不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η 相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出。下面以“六分相準(zhǔn)方波疊加-諧波抵消”的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電的方法及裝置做具體說(shuō)明，“六分相準(zhǔn)方波疊加-諧波抵消”技術(shù)，關(guān)鍵是靠特殊設(shè)計(jì)的變壓器功率轉(zhuǎn)換及諧波抵消連接實(shí)現(xiàn)的。所用的變壓器稱為“六合一變壓器”。并聯(lián)開關(guān)升壓器的作用在于提升輸入電壓，以控制輸出端電壓的穩(wěn)定。為保證頻率穩(wěn)定，采用晶體振蕩器產(chǎn)生12ΚΗζ 時(shí)鐘觸發(fā)六分相電路產(chǎn)生彼此相移η/6的六級(jí)準(zhǔn)方波。六相準(zhǔn)方波通過(guò)橋式功率激勵(lì)放大后，驅(qū)動(dòng)“六合一變壓器”原邊，通過(guò)變比關(guān)系產(chǎn)生副邊多重繞組的幅值變換，按正弦(或余弦)幅值規(guī)律“抵消諧波”連接成所需電壓有效幅值階梯三相，然后星形連接，經(jīng)三相LC濾波電路，實(shí)現(xiàn)雙三相輸出。六分相電路的電原理圖見圖2。六分相功率驅(qū)動(dòng)電路輸入直流27V電壓，數(shù)字電路部分輸入5V電壓(也可由27V變換5V供電)。這里以型號(hào)為Τ078的J-K觸發(fā)器Dl輸出IKHz方波為例，振蕩頻率為3072kHz的晶體振蕩器M通過(guò)型號(hào)為CT4060的二進(jìn)制振蕩器N2分頻出12KHz和3KHz兩路輸出。3KHz輸出經(jīng)型號(hào)為T079的雙J-K觸發(fā)器N5和型號(hào)為T4086的異或門N3實(shí)現(xiàn)2KHz輸出電壓，給J-K觸發(fā)器Dl提供2KHz的觸發(fā)輸入信號(hào)。 12KHz輸出通過(guò)型號(hào)為T067的整形電路m整形并略延時(shí)后提供給型號(hào)為T078的J-K觸發(fā)器D2 D6觸發(fā)信號(hào)。根據(jù)J-K觸發(fā)器Dl D6觸發(fā)信號(hào)的差別(J-K觸發(fā)器Dl的觸發(fā)信號(hào)為2kHz，J-K觸發(fā)器D2 D6的觸發(fā)信號(hào)為12kHz)，J-K觸發(fā)器Dl完成一個(gè)方波輸出的時(shí)間內(nèi)，分別依次觸發(fā)了 D2 D6五次，且每次觸發(fā)時(shí)間為1/6周期。通過(guò)以上變換，J-K 觸發(fā)器Dl D6產(chǎn)生彼此相移π /6 (對(duì)應(yīng)30°電導(dǎo)角)的六相準(zhǔn)方波。六合一變壓器是實(shí)現(xiàn)階梯波疊加-諧振濾波的關(guān)鍵?！傲弦蛔儔浩鳌庇?組線圈組成，每組線圈有5個(gè)匝數(shù)不等的繞組。完成六相準(zhǔn)方波疊加的過(guò)程實(shí)際就是繞組匝比的疊加過(guò)程，在疊加過(guò)程中，應(yīng)注意同名端極性的變換，來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦波正、負(fù)半周的疊加。圖3為六合一變壓器諧波抵消接線圖，變壓器TB是“六合一”功率變壓器，圖中示意的是關(guān)于變壓器對(duì)某三相交流正弦波變換原理。六分相驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)Ql Q6，按一定的規(guī)律組合經(jīng)單元環(huán)六分相橋式功率開關(guān)電路放大以后，推動(dòng)變壓器TB原邊線圈Al-Bl-Cl(或A2-B2-C2) “Δ”形連接環(huán)工作，使按正弦幅值規(guī)律設(shè)計(jì)的TB副線圈(多級(jí)串聯(lián))在“Y” 形連接環(huán)上各自疊加，輸出彼此相差120°的三相正弦波UA、UB、UC波形。“方波疊加-諧波抵消”的原理
圖4為六分相后未疊加時(shí)的準(zhǔn)方波波形圖。準(zhǔn)方波付立葉級(jí)數(shù)展開式
f ( ω t) =4Ε/ π [οοβΦβ ηω + Ι/βοοββΦβ ηβω + Ι/δοοβδΦβ ηδω +
六波依次序相移30°電導(dǎo)角的準(zhǔn)方波付立葉級(jí)數(shù)展開
f 1 (ω t) =4Ε1/ π [cos Φ sin ω t+l/3cos3 Φ sin3 ω t+l/5cos5 Φ , * sin5cot+ *· ] f2 ( ω t)=4Ε2/π [cos Φ sin ( ωt-π/6)+l/3cos3Φsin3(ω t_ π/6)+l/5cos5Φ sin5( ω t- π /6) + ··]
f3 (ω t)=4Ε3/π [cos Φ sin(ω t~2π /6)+l/3cos3Φ sin3 (ω t_2 π/6)+l/5cos5Φsin5 (ω -2 π /6)+ .…]
f4 (ω t)=4Ε4/π [cos Φ sin ( ω t_3 π /6)+l/3cos3Φ sin3 (ω t_3 π/6)+l/5cos5Φsin5 (ω -3 π /6)+
f5 (ω t)=4Ε5/π [cos Φ sin(ω t_4 π /6)+l/3cos3Φ sin3 (ω t_4 π/6)+l/5cos5Φsin5 (ω t-4 π /6) + ·**] f6 (ω t) =4Ε6/ π [cos Φ sin (ω t~5 π /6) +l/3cos3 Φ sin3 (ω t~5 π /6) +1/5οο85Φ8 η5(ω -5 η /6)+ ·*] 基波疊加
f (Α1)=4/ π cos Φ [Elsincot+E2sin(cot-3i /6)+E3sin(cot-2 π /6)+E4sin ( ω t-3 π /6) +
E5sin(ω t-4 π/6)+E 6sin(ω t_5 π/6)]
=4/ji cos Φ { sin cot [El+ (E2—E 6) cos π /6+ (E3—E 5) · cos π /3]-cosco t[ (E2+E 6) sin π/6+ (E3-E 5) sin π/3+ E4]} 高次諧波疊加通式
f (Ak) = 4/kJi οοβΦ [Elsinkcot+ E2 sink (ω -π /6)+ E3sink ( ω t-2 π /6) + E4sink (ωt-3 π/6)+E5sink(ω t_4 π/6)+E6sink(ω t_5 π/6)]
(k=2n+l n=0, 1,2, °°)
推論a)當(dāng)取Φ= Ji/6時(shí)，則cos3 0)=0
疊加波的3次、9次、15次、21次等k=6n+3次高次諧波自然抵消為0，即f (Ak)=O,但 k=12n 士 1次高次諧波同基波抵消條件相同，只能靠濾波器加以濾除。當(dāng)令準(zhǔn)方波幅值El= E4=0、E2=E 6、E3=E5時(shí)，基波波形表達(dá)式推導(dǎo)為 f (Ak) =Em cos cot。 其中Em為余弦波幅值。b)通過(guò)相移和疊加后波形疊加示意如圖5。c)六分相準(zhǔn)方波疊加在沒有輸出濾波器的情況下波形失真度為
為保證換流器波形失真度滿足技術(shù)指標(biāo)，輸出端加入濾波器，便可達(dá)到不大于5%，得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。
6
“階梯波疊加-諧波抵消”技術(shù)的波形變換過(guò)程見圖1。
權(quán)利要求
1.一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于該方法是通過(guò)3η (η為自然數(shù))分相電路將直流電源轉(zhuǎn)換成相互之間相差η/6η的一組準(zhǔn)方波，通過(guò)功率放大電路功率放大后，在變壓器的原邊將6η組準(zhǔn)方波按正弦幅值規(guī)律疊加成近似于正弦波的階梯波，抵消掉其中的高次諧波；在變壓器的副邊通過(guò)濾波處理后，獲得純凈的3η交流電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述分相電路采用晶體振蕩器作為振蕩源，構(gòu)成RC時(shí)鐘電路，晶體振蕩器分頻出兩路輸出；一路用以獲得穩(wěn)定的工作頻率，另一路經(jīng)整形后提供觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的間隔為η/6η電導(dǎo)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述近似于正弦波的階梯波是單相階梯波或是相差η /3η度電角度的3η相階梯波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述變壓器的原邊由6η組完全相同的線圈組成，線圈按星形或三角形連接，每組線圈由5個(gè)匝數(shù)不等的繞組構(gòu)成，通過(guò)對(duì)5個(gè)繞組的串聯(lián)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦交流電的正、負(fù)半周的疊加。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述變壓器的副邊有6η組線圈，通過(guò)6η組線圈之間不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述的功率放大電路之前設(shè)有升壓電路，用以提升輸入電壓，實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法，其特征在于所述的變壓器副邊輸出的類正弦階梯交流電壓經(jīng)LC濾波后輸出。
8.一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，其特征在于包括依次連接的時(shí)鐘電路(1)、分相電路(2)、功率放大電路(3)、變壓器(4)和濾波電路(5)，在分相電路(2)與功率放大電路 (3)的連接處設(shè)有升壓電路(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，其特征在于所述變壓器(4)的原邊包括6η個(gè)線圈，每個(gè)線圈包括5個(gè)繞組，通過(guò)6η個(gè)線圈中不同繞組的相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的變換，交流電壓按星形或三角形連接；所述變壓器(4)有6η 組線圈，通過(guò)6η組線圈之間繞組的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)階梯波疊加及3η相交流電壓的星形或三角形連接，構(gòu)成一組3η相交流電源輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直流電轉(zhuǎn)換為交流電的方法及裝置。該方法是通過(guò)3n(n為自然數(shù))分相電路將直流電源轉(zhuǎn)換成相互之間相差π/6n的一組準(zhǔn)方波，通過(guò)功率放大電路功率放大后，在變壓器的原邊將6n組準(zhǔn)方波按正弦幅值規(guī)律疊加成近似于正弦波的階梯波，抵消掉其中的高次諧波；在變壓器的副邊通過(guò)濾波處理后，獲得純凈的3n交流電源。其裝置包括依次連接的時(shí)鐘電路(1)、分相電路(2)、功率放大電路(3)、變壓器(4)和濾波電路(5)，在分相電路(2)與功率放大電路(3)的連接處設(shè)有升壓電路(6)。本發(fā)明可保持現(xiàn)有飛機(jī)供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步減小飛機(jī)供電系統(tǒng)的體積和重量，降低成本，提高效率，以滿足現(xiàn)代飛機(jī)及用電設(shè)備的需要。
文檔編號(hào)H02M1/12GK102412747SQ201010290318
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者湯君鳳, 穗貴良, 鄭和俊 申請(qǐng)人:中國(guó)江南航天工業(yè)集團(tuán)林泉電機(jī)廠