一种可实现智能节电的逆变装置的制作方法

1.本实用新型涉及电源逆变领域，具体涉及一种可实现智能节电的逆变装置。

背景技术：

2.电源逆变器的常规技术是采用高频电子开关电路制造，使用功能是把直流电变换为交流电，行业通称dc-ac，在光伏发电和储能并网应用广泛；电子逆变器的功率通常受限于元器件，单机功率常规在百千瓦量级，更大功率需要多台并联，为解决多台电子逆变器的交流电输出频率同步，需要增加大型电控设备。
3.近年来，行业一直尝试用直流电动机附加飞轮驱动发电机旋转发交流电，该电源逆变原理虽更直观，但由于直流电动机转换机械能和发电机转换交流电能都存在客观的转换效率，电能转换效率较低；直至近年脉冲数字电流驱动的旋转电动机技术成熟，这类机电逆变装置的研究重新活跃，由于其供电非连续，转矩大，磁阻尼小，当负载为旋转体时更有利于发挥惯性，节省驱动电能。
4.机电逆变装置最大的优点是输出波形为正弦波，无高频谐波，并且功率越大越显现技术优势，可在大功率领域弥补高频电子开关电路的设计弱项。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的，在于弥补现有电子逆变器受限于功率元器件的固有缺陷，提供一种通过电动机消耗直流电源而换取飞轮的转矩、进而联动发电机发出正弦波交流电的逆变装置，无高频谐波，电能转换效率高。
6.为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种可实现智能节电的逆变装置，该逆变装置包括飞轮、单向轴承、电动机、电源调制器和发电机；所述的电动机和发电机为旋转式，电动机由脉冲数字电流控制驱动；所述飞轮为固体成形材料制成的大质量转盘，其以机械固定方式与发电机的转子同轴心安装，并通过单向轴承与电动机的转子同轴心安装；电源调制器包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有控制程序，其控制端连接开关电路；开关电路的输出端电连接电动机的电源端，其输入端电连接包括光伏装置、一次电池、二次电池的直流电源。
7.所由脉冲数字电流控制驱动的旋转电动机，业内简称数控电动机，其驱动特点是非连续的脉冲数字电流，转矩大，磁阻尼小，通过单向轴承同轴心安装的大质量飞轮可进一步发挥其转动惯量，使发电机获得更大转矩；所述飞轮的大质量是相对电动机的转子而言，质量越大越有利于发挥飞轮的转动惯量，但必须以电动机有效驱动飞轮为前提；所述的一次电池例如锌空气电池、铝空气电池，所述的二次电池例如锂电池、锌镍电池、铅酸电池及其串并联组合的储能装置；电源调制器的基础功能是把直流电源转换为适用数控电动机旋转的脉冲电流；商品化的数控电动机系统通常配置有专用的电源调制器(也称控制器)，该类商品化的专用调制器可视为本实用新型所述电源调制器的组成部分，甚至全部。
8.上述技术方案中，所述电动机的转子和发电机的转子分别位于飞轮转轴方向的两
侧。该设计优选是电动机转子、飞轮、发电机转子分别位于不同的旋转平面，飞轮旋转平面的一侧和发电机的外转子同轴心安装，飞轮旋转平面的另一侧通过单向轴承与电动机的转子同轴心安装。
9.上述技术方案中，所述电动机的转子或/和发电机的转子为外转子式。该设计优选是指电动机转子或/和发电机转子的外部结构特征，而非限定内部结构特征，包括一类内部结构为内转子但通过转轴变形为外转子的设计。
10.上述技术方案中，所述的飞轮为环状，其内缘套装发电机的外转子。该设计优选是把发电机的外转子作为所述飞轮的旋转轴，可使整体设计更紧凑。
11.上述技术方案中，所述的飞轮由多层环形固体材料一体化嵌合而成。该设计优选可带来飞轮的多样化设计，包括节省制作大质量飞轮的材料成本。
12.上述技术方案中，所述逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接发电机的电源输出端或/和电动机调速装置。逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接发电机的电源输出端可实时了解发电机工况，通过逻辑模块的内贮编程，可根据发电机的实时工况自动调整电动机的工况；所述的调速装置可设置为手动或编程控制，可更合理地利用直流电源，使电动机节电运行，提升直流电源的利用率。
13.上述的逆变装置还包括整流电路；整流电路的控制端电连接逻辑模块，其输入端电连接发电机的电源输出端，其输出端电连接所述的二次电池。逆变装置的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，外部实时直流电源采用光伏装置同样存在供电涨落，该设计优选是配合二次电池的储能，通过逻辑模块的逻辑控制程序控制把发电机的实时富余电能暂存，使所述逆变装置的交流电输出更稳定。
14.本实用新型的实质性特点是通过旋转电动机非连续消耗直流电，联动飞轮使发电机获得更大转矩，驱动发电机旋转获得正弦波交流电；本实用新型不仅限定采用数控电动机，而且飞轮与电动机之间设置有单向轴承，从而通过电源调制器控制充分发挥同轴心安装大质量飞轮的转动惯量；在电源调制器间歇断电的状态下，单向轴承可充分发挥超越离合的功能，使发电机的转子在大质量飞轮的转动惯量作用下联动运行发电，节省消耗直流电，逆变效率不会低；换言之，本实用新型电源逆变效率较高的技术原因，在于单向轴承和电源调制器的组合运用。
15.本实用新型的电源调制器可通过外围电路监察电动机的工况，控制节能运行，进一步设置整流装置可把发电机的实时富余电能储存在二次电池，提高电能利用率；安装逆变装置的机械架件只要实现有效支撑，材料和结构任意。
16.本实用新型的优点在于：运用数控电动机转矩大、磁阻尼小的特点，通过电源调制器控制和单向轴承的组合作用可充分发挥飞轮的转动惯量，节省直流电源，发电机获得的交流电波形好，尤其适合制造大功率的逆变装置。
附图说明
17.图1是本实用新型所述逆变装置的一种机械结构局部示意图；
18.图2是由两层环形固体材料嵌合而成的一种飞轮结构示意图；
19.图3是所述环状飞轮的一种结构示意图；
20.图4是环状飞轮内缘固定套装发电机外转子的一种局部结构示意图；
21.图5是单向轴承部分嵌入飞轮内部安装的一种局部结构示意图；
22.图6是图5示例与电动机转子、发电机转子安装的一种局部结构示意图；
23.图7是电源调制器的基础结构及控制关系的一种工作逻辑示意图；
24.图8是外围电路为逻辑模块提供信号的一种工作逻辑示意图；
25.图9是包括整流电路和二次电池的一种工作逻辑控制关系示意图。
26.附图标识：
27.1、飞轮1a、飞轮转轴1b、飞轮内缘2、电动机外转子
28.3、发电机外转子4、单向轴承5、轴心6、机械固定装置
29.7、旋转平面11、飞轮的外环12、飞轮的内环
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。
31.参见图1，图1是所述可实现智能节电的逆变装置的一种机械结构局部示意图，飞轮1为金属材料制成的大质量转盘，其盘面上部通过机械固定装置6与发电机的转子3同轴心5安装，盘面下部通过单向轴承4与电动机的转子2同轴心5安装，飞轮、电动机的转子、发电机的转子分别位于不同的旋转平面7；电动机和发电机均为旋转式，电动机由脉冲数字电流控制驱动。该示例中，只要外部直流电源通过电源调制器驱动电动机的转子2旋转，通过同轴心5安装的飞轮1可增加转动惯量，从而联动发电机旋转，在发电机的定子绕组获得交流电。
32.电动机或/和发电机的外转子设计中有一种一端封口的圆桶形，通过在圆桶形封口的一端设计定位孔，有利于利用机械嵌合固定条形式的机械固定装置6，例如在图1示例中，容易实现飞轮1与发电机转子3的同轴心5安装。
33.图1示例中，飞轮1承担了电动机转子2旋转机械能的承接、转移载体角，为发电机转子3提供机械能，大质量有利于复合其本性固有的转动惯量，适宜采用比重大的材料，为节省材料成本优选多层环形固体材料嵌合方式制造，包括一体化设计制造，其一种结构示例如图2所示：图2示例的内圆环12的材料优选abs，优点是造价低且有利于内缘1b与轴承的嵌合加工；外圆环11的材料优选比重大的合金，利用其大质量可保障飞轮具有可观的转动惯量。
34.所述环状飞轮1的一种结构示例如图3所示，其内缘1b套装发电机的外转子3如图4所示，该示例可使飞轮和发电机转子的机械固定方式更紧凑。
35.所述飞轮1通过单向轴承4与电动机的转子2同轴心5安装，单向轴承并不限于设置在飞轮的盘面外部，包括把单向轴承的部分甚至全部嵌入飞轮的内部，其部分嵌入飞轮内部的一种结构示意如图5所示，图5示例与电动机的转子2、发电机的转子3的一种安装结构示例如图6所示。
36.所述飞轮1以机械固定方式与发电机的转子3同轴心5安装，并通过单向轴承4与电动机的转子2同轴心5安装，隐含了采用机械架件固定电动机的定子和发电机的定子，安装要点是飞轮1、电动机的转子2、发电机的转子3、单向轴承4同轴心5，实施精度越高，实现电源逆变的效果越好。
37.图1示例的电动机的转子2只利用了旋转平面的一个侧面，当电动机的转矩足够
大，可进一步优化设计为利用电动机转子2的两个侧面，利用一个电动机驱动两个飞轮，获得两个飞轮联动的两路发电机输出；反之，当一个电动机的驱动力不足，可利用两个电动机驱动一个飞轮，使飞轮满足动力设计需求。
38.所述电动机的技术特点是：电源调制器提供给定子绕组的不是通过电子换向器变换的交流电，而是时序脉冲电流，因此定子不产生旋转磁场，而是产生时序脉冲电磁极，通过与转子相应排布的永磁体作用而驱动转子旋转，电能-机械能转换效率高于常规电动机，转矩大，磁阻尼小，更有利于发挥负载的旋转惯量作用，通常见诸于旋翼无人机应用，用作本实用新型更有利于发挥飞轮的转动惯量。
39.商品化的数字控制式电动机通常配置有专用控制器，是一种脉冲强度、频率可控的控制器，频率越高，电机转速越快，具体应用可视为本实用新型所述电源调制器的组成部分，与电源调制器分立设计或一体化集成。
40.飞轮可明显增加发电机转子的转动惯量，当飞轮达到一定转速，即使电动机间隔性断电，飞轮也会联动发电机的转子惯性旋转，因此一定时间的间隔断电并不会明显影响发电机的工况；电动机通过电源调制器电连接直流电源的技术意义，在于可充分利用飞轮的转动惯量，运用供电逻辑控制节省直流电源。
41.电源调制器的基础结构及控制关系的一种逻辑示意如图7所示，包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路；开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接电动机的电源输入端。
42.对电动机的间隔性断电控制既可以在逻辑模块内贮的逻辑程序设定，也可以通过发电机的工况信号实时控制，其一种技术优选如图8所示，逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接发电机的电源输出端，通过对发电机的工况信号监察，例如发电机实时输出的交流电频率、电压或功率等实时数据，从而使逻辑模块根据所编制的程序控制开关电路执行开关逻辑。该控制逻辑可以在逻辑模块内贮的逻辑程序设定，也可以设置专用的调速装置，例如设计为：当逻辑模块监察到发电机的输出电压达到设计上限值、交流频率稳定，控制开关电路间隔性断电，在一定间隔时间内利用飞轮的转动惯量维持发电机转子的惯性旋转，从而节省电动机消耗的直流电源；待发电机输出电压降至设计下限，恢复对电动机供电。
43.单向轴承在本实用新型扮演的角是超越离合器，在常规的直驱式机电逆变器中，飞轮的惯性旋转会联动电动机逆转发电，虽然采用带行星齿轮传动机构的外转子电动机可削弱电动机逆转发电的副作用，但很难从根本上消除。
44.所述的单向轴承是本领域技术人员公知的一种特种轴承，其金属外壳内部包含很多个滚轴、滚针或者滚珠，运行特点只能向一个方向转动，而在另一个方向上会产生很大阻力(锁死)，故称单向；当电动机在电源调制器的控制下停止旋转，等价于飞轮与电动机的转子机械分离，使飞轮与电动机的转子分置于两个不同的机械惯性系统，从而得予充分发挥飞轮的转动惯量作用。
45.所述的整流电路可视为电源调制器的一个组成部分，与电源调制器分立设计或一体化集成，优选配合二次电池储能；逆变装置的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，当外部直流电源采用光伏装置时同样存在电能涨落，通过逻辑模块的逻辑控制可把发电机的实时富余电能暂存，使交流电输出更稳定。所述整流电路与二次电池配合应用的一种工作逻辑控制关系示意，如图9所示。
46.以下优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可组合并用其他成熟技术。
47.实施例1、
48.设计一种本实用新型所述的可实现智能节电的逆变装置，包括飞轮1、单向轴承4、电动机、电源调制器和发电机；电动机和发电机均为外转子形式；电动机由脉冲数字电流控制驱动；发电机的外转子设计为一端封口的圆桶形，圆桶形封口的一端设计有4个定位孔，用于嵌合机械固定条与飞轮同轴心5安装。
49.飞轮1为无磁性合金材料制成的大质量转盘，盘面上部设计有4个定位孔，通过机械固定条形式的机械固定装置6与发电机的外转子3同轴心5安装；飞轮1的盘面下部通过单向轴承4与电动机的外转子2同轴心5安装，安装方式可以把单向轴承设置在飞面外部(局部安装结构示意如图1所示)，也可以把单向轴承部分嵌入飞轮内部(局部安装结构示意如图6所示)。
50.本实施例中，发电机的定子和电动机的定子采用机械架件固定，安装要点为飞轮1、电动机的外转子2、单向轴承4和发电机的外转子3同轴心5。
51.所述电动机的电源端通过电源调制器电连接光伏装置提供的直流电源，电源调制器的基础结构及逻辑控制关系如图7所示；当采用商品化的数字控制式旋转电动机系统，其专用控制器置换图7所示的开关电路；电源调制器控制驱动电动机旋转会通过单向轴承联动飞轮、发电机旋转，实现dc-ac电源逆变，交流电的输出功率、频率由飞轮的转矩、转速和发电机的设计功率共同决定。
52.电源调制器扮演了智能利用光伏直流电源的角，逻辑模块的内贮设定有控制开关电路通电、间歇断电的逻辑控制程序，间歇断电时间根据工况要求确定；当控制电动机间歇断电时，超越离合功能的单向轴承等价于把飞轮与电动机的外转子机械分离，使电动机外转子在飞轮的转动惯量作用下维持设定工况。
53.本实施例通过电动机消耗光伏直流电源在发电机获得正弦波交流电，实现电源逆变，无高频谐波，是区别于高频电子电路制造的电源逆变装置。
54.实施例2、
55.实施例1的逻辑控制程序是在逻辑模块的内贮设定，本实施例改为设定逆变功率的实时控制，电源调制器的逻辑结构及其控制关系如图8所示。
56.电源调制器中的逻辑模块内贮有动态逻辑控制程序，当逻辑模块通过外围电路监测到发电机达到设定的工况，控制开关电路间隔断电，利用飞轮的转动惯量维持发电机外转子惯性旋转；当监测到发电机降至设定工况(例如输出电压下限)，控制开关电路通电重启电动机旋转，使发电机维持在设定的工况范围。
57.本实施例的机械结构与实施例1类同，更有利于节省光伏直流电源，由于逆变装置消耗的光伏直流电源非连续，有利于在同一光伏直流电源电连接多台可实现智能节电的逆变装置，达到充分利用光伏直流电源的设计目标。
58.实施例3、
59.将实施例1的飞轮1改由两层环形材料嵌合而成，其中内圆环12的材料为abs，外圆环11的材料为无磁性合金，结构示意如图2所示，abs材料的飞轮转轴1a通过轴承套装作为旋转轴心5的固定轴，定位孔选择设置在内圆环12。
60.本实施例的机械安装结构与实施例1类同，两层环形材料嵌合而成的飞轮1有利于
节省飞轮的材料成本；本实施例的进一步推广并不限于图2示意的实心飞轮，包括把飞轮设计为多个机械辐射条固连的多个圆环。
61.实施例4、
62.将实施例1的飞轮改为一种环状结构，结构示意如图3所示，其内缘1b套装发电机的外转子3，如图4所示，把发电机外转子作为环状飞轮的变形轴承。
63.本实施例中，由于具有一定惯性质量的飞轮套装发电机的外转子3外缘，更有利于发挥飞轮的转动惯量，可取得更好的电源逆变实施效果。
64.实施例5、
65.前述例的直流电源是光伏装置，本实施例改为由一次铝空气电池组提供。一次铝空气电池的能量密度较高，目前的先进产品可达到1000wh/kg量级(理论上可达到8100wh/kg)，是一种极具市场应用前景的直流电源，尤其是铝空气电池的电极、电解液和容器容易分立设计，组装方便，电池使用完可通过更换电极或补充电解液的机械充电方案继续使用，是离网逆变装置的良好伴侣。
66.本实施例适用于一些无电网也缺乏光伏电源、风电装置的特定场所。
67.实施例6、
68.在实施例2的基础上设置整流电路，配置锌镍电池的二次电池组；其中，整流电路的控制端电连接电源调制器的逻辑模块，其电源输入端电连接发电机的电源输出端，其电源输出端电连接所述的二次电池组；电源调制器的开关电路设置两路输入，分别电连接二次电池和外部光伏装置的实时直流电源。本实施例设置有整流电路和的二次电池组的工作逻辑结构和控制关系如图9所示。
69.本实施例利用二次电池作为储能，通过逻辑模块的控制程序把发电机的实时富余电能暂存在二次电池，有效克服了由于光伏直流电源实时波动对电源逆变的波动影响，使本实施例逆变装置的交流电输出更稳定。

技术特征：

1.一种可实现智能节电的逆变装置，其特征在于，包括飞轮(1)、单向轴承(4)、电动机、电源调制器和发电机；所述的电动机和发电机为旋转式，电动机由脉冲数字电流控制驱动；所述飞轮(1)为固体成形材料制成的大质量转盘，其以机械固定方式与发电机的转子(3)同轴心(5)安装，并通过单向轴承(4)与电动机的转子(2)同轴心(5)安装；所述电动机的转子(2)和发电机的转子(3)分别位于飞轮(1)转轴(1a)方向的两侧；电源调制器包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有控制程序，其控制端连接开关电路；开关电路的输出端电连接电动机的电源端，其输入端电连接包括光伏装置、一次电池、二次电池的直流电源。2.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述电动机的转子(2)或/和发电机的转子(3)为外转子式。3.根据权利要求1或2所述的逆变装置，其特征在于，所述的飞轮(1)为环状，其内缘(1b)套装发电机的外转子(3)。4.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述的飞轮(1)由多层环形固体材料一体化嵌合而成。5.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述逻辑模块的信号输入端通过外围电路连接发电机的电源输出端或/和电动机调速装置。6.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，包括整流电路；整流电路的控制端电连接逻辑模块，其输入端电连接发电机的电源输出端，其输出端电连接所述的二次电池。

技术总结

本实用新型提供一种可实现智能节电的逆变装置，包括飞轮、单向轴承、电动机、电源调制器和发电机；电动机和发电机为旋转式，优选外转子结构；电动机由脉冲数字电流控制驱动；飞轮以机械固定方式与发电机的转子同轴心安装，并通过单向轴承与电动机的转子同轴心安装；电源调制器包括开关电路和逻辑模块；逻辑模块内贮有控制程序，其控制端连接开关电路；开关电路的输出端电连接电动机电源端，其输入端电连接直流电源；飞轮优选多层结构、套装发电机外转子及设置整流装置；本实用新型电源逆变波形好，转换效率高。转换效率高。转换效率高。