金属相位刷整流设计 【技术领域】
交流整流技术，应用于电化学工业及其它大功率直流输出系统。
技术背景
电力技术应用领域中整流技术应用相当普遍，目前为止，所有整流元件均为硅整流，硅整流在低压小功率情况下应用相当方便。但在高压和大功率情况下，整流管的制造费用相当昂贵，整流设计也受电流量的限制，整流能耗也大，还增加额外的散热处理。
尽管目前高压大功率整流管以得到广泛应用，但更高压更大功率的整流就显得越来越困难，目前的大功率整流管难于满足高压的要求，高压整流管也难于满足大功率的要求，大功率整流设备相当昂贵和庞大，而金属相位刷整流技术很好的解决了这一问题。
金属相位刷整流设计的特点是突破高压和大功率限制，在大功率或高压要求的情况下，制作费用低廉，体积小，能耗低，维修简单。适用于电化学工业和高压直流输电。
【发明内容】
利用同步电动机转轴与交流源的相位关系，制作金属相位刷实现交流整流。
【附图说明】
图1：单相全波整流相位刷设计图
图中：1-陶瓷绝缘材料，2-单相供电块，接触弧长60°，3-直流输出块，接触弧长30°，4-高强度的韧性绝缘材料。
由于相位刷相位变化与交流源一致，所以相位刷两极换位与交流源电压方向改变一致，其中一极始终输出正电，另一极始终输出负电，并在一个周期内两次输出，实现全波整流。相位刷弧长30°，接电块弧长60°，总长90°，即在交流相位45°时接入，135°时滑出。接入和滑出点等于交流源的平均电压，直流工作电压推荐使用这个值。因为相位刷没有二极管的单向导电性，所以必需在交流正向电压高于直流电压期间接通，低于时断开。接通时的相位相当于晶体管全波整流的输出相位，在低于此电压时，断开时，相当于晶体管全波整流的二极管处于反向关断状态。需要说明的是：基于相位刷陶瓷材料的必要厚度以保证强度，相位刷触面设计较小，如相位刷用于超大功率或高压情况下，则制作尺寸较大，可以考虑相位刷金属触面增大，而供电块触面减小，如不考虑材料的电阻差异，供电块触面和相位刷触面可以制成等弧长，各为45°。
图2：三相全波整流相位刷设计图
图中：1-陶瓷绝缘材料，2-三相供电块，接触弧长63°，3-直流输出块，接触弧长30°，4-高强度的韧性绝缘材料。
根据三相交流电的波形关系，晶体管全波整流时，每相电在30°-150°相位期间，二极管输出正电压，210°-330°相位期间二极管输出负电压。在这个相位之外，由于其它相电压更高，二极管处于反向状态。
三相全波整流输出直流电压的峰值为单相交流峰值电压的1.73倍，最低直流电压为单相交流电压峰值的1.5倍。每个相位周期出现6次，平均直流电压为单相交流电峰值的1.663倍。
如图3所示，以各单相电压为220伏为例。也就是常说的380伏三相交流电。其全波整流的平均电压为516伏。
如果直流端作了滤波处理，直流端平均电压516伏，则各相二极管导通相位为43.5°-136.5°和223.5°-316.5°，导通相位宽度为93°。因此相位刷和供电块总弧长设计为93°。即：相位刷两极输入电压低于平均直流电压时，相位刷至少有一极与供电块断开，不至于造成回流。需要说明的是：基于相位刷陶瓷材料的必要厚度以保证强度，相位刷触面设计较小，如相位刷用于超大功率或高压情况下，则制作尺寸较大，可以考虑相位刷金属触面增大，而供电块触面减小，如不考虑材料的电阻差异，供电块触面和相位刷触面可以制成等弧长，各为46.5°。
图3：三相全波整流相位刷设计输出电压波形图，以各单相电压220V时为例，直流平均电压为516V。该图用于图2所述原理的理解。
图4-图11用以说明相位刷整流设备制作方法和步骤。
图4：相位刷刷轴两极绝缘和固定设计纵剖面图
图中：1、5-两区域为刷轴轴承支撑面和常触输出块触面。分别为正负两极。2、4-为固定螺栓。3-为相位刷输入工作面，6-(黑色粗线区域)为高强度的韧性绝缘材料，绝缘相位刷正负两极。并保证整体刚性。
图5：图4中2、4处横切面图。(黑色粗线区域)为高强度的韧性绝缘材料。
图6：相位刷输入工作区金属两极加工成形图(在图4中的3区域)
图7：相位刷输入工作区陶瓷固定横切面图，(在图4中3区域的两端)图中：1-陶瓷材料，2-金属材料。
图8：相位刷加工成形的输入接触面图(在图4中3区域的中段)
图中：1-陶瓷材料，2-金属材料。金属材料弧面30°-45°之间为宜。
图9：金属输入触块加工图，
图中：1-加工成柱形的金属块，2-将金属块一端加工成与相位刷工作面相符的弧面，弧长根据相位刷接触弧长而定，单相用总弧长90°，三相用总弧长93°。
图10：供电块套环架制作图
为了使供电块相对位置不发生改变，并便于整体调整位置而制作供电块套环架。将供电块置于套环架内环的滑槽中，使相间120°。滑槽的中心线要通过圆心。
供电块套环架分内环和外环，外环用钢材制作，外环内直径稍大于内环外直径，相差0.01至0.02毫米即可。使内环套入外环可以转动，又能保持同心。内环用刚性绝缘材料制作(建议使用陶瓷)，内环的外圆和内孔必须是同心圆。内环的内孔比加工好的相位刷的直径大0.01至0.02毫米。将内环套入外环，然后将相位刷套入套环架，将套环架外环固定在以相位刷轴承基座为固定的支架上。这样就保证了内环的装卸始终与相位刷同心。
图中：1-套环架外环，2-套环架内环，3-滑槽内的三相输入触块，可以沿圆心方向径向滑动。4-相位刷的金属面工作区，5-三相供电块的引出柱，6-供电块后端的弹簧，要求三个弹簧的各项参数一致，7-固定压片，用于将内环固定在外环上。
图11三相相位刷整流设计工作区横切面图
经图10所示，固定好套环架外环后，取出内环，再次加工内环的内孔，使直径增加2毫微米左右，以免热彭胀因素引起不良后果。再将滑槽间的部份挖空，在相位刷工作时，可以有润滑油流动，以清洗磨屑和散热。图中所标示各部件与图10相同。
图中：1-套环架外环，2-套环架内环，3-滑槽内的三相输入触块。4-相位刷的金属面工作区，5-三相供电块的引出柱，6-供电块后端的弹簧。7-固定压片。8-机油槽。
当三相供电块接入相序正确，空间位置正确，套环架内环和外环固定，相位刷在同步电动机驱动下按规定方向转动，则相位刷两极便得到整流后的直流输出。
实现方法
一、同步电动机负荷因素的考虑
1、同步电动机负荷因子与转子相位飘移
相位刷是由同步电动机转子驱动的，转子的相位关系是本技术的关键。保持负荷不变的，驱动电压不变地情况下，转子相位相对于交流源相位是固定的，这时旋转磁场与转子磁极磁场有一个固定的夹角，叫转子滞后角，转子磁极滞后于旋转磁场。同步电动机的负载能力与负荷的关系称负荷因子。(负荷因子用百分数表示，即当前负荷比电动机的最大负荷。最大负荷：同步电动机保持同步所能承受的最大负荷)。负荷：电动机的有效负荷加自身阻力的总负荷)如果负荷增大，那么转子滞后角必然增大，改变磁力的角度，增大力矩，以达到平衡，转子的相位与交流源的电相位关系就发生了变化，称转子的相位飘移。当外部负荷不变的情况下，供电电压的变化也会改变负荷因子。转子也会发生相位飘移。大的相位飘移使相位刷整流技术不能实现。
2、相位飘移的阻尼
当滞后角变小时，磁力力矩减小，转子磁极的磁场对线圈绕组的作用增强，致使线圈绕组电流减小，旋转磁场减弱；当滞后角增大时，则磁力力矩增大，旋转磁场加强，同步电动机的这一特性阻碍了转子相位飘移。称相位飘移的阻尼。
3、负荷因子的大小与相位飘移阻尼的关系
当同步电动机负荷因子较大时，则滞后角较大，滞后角的变化对磁力力矩的影响较小，转子磁极磁场对线圈绕组的影响变化也不大，相位飘移阻尼较小，此时负荷因子发生变化，将产生大的相位飘移才能达到新的平衡。当同步电动机负荷因子很小时，滞后角也很小。当滞后角发生变化时，磁力力矩变化明显，转子磁极磁场对线圈绕组的景响变化也很大，相位飘移的阻尼很大，只要较小的相位飘移就能达到新的平衡。当然。
4、相位飘移的控制
为了有效的控制相位飘移，工作状态下的同步电动机负荷因子越小越好。另外就是保证驱动电源的电压稳定，使工作状态负荷因子小于10％，电压向下波动小于5％的情况下，相位飘移量将不影响相位刷的正常工作。
每一部同步电动机，工作状态重现时，其转子与交流源的相位关系也将重现。即将特定的相位刷和特定的同步电动机组合成整流设备时，只要固定了转子与相位刷的空间关系，同时固定了供电块与相位刷的空间关系，若此时相对于待整流的同频交流源相位关系正确，就能实现正常整流。我们把同步电动机，相位刷，供电块称为一个整流总成。
二、相位刷与供电块的空间关系
将相位刷固定在转子上，则相位刷与转子的空间关系已确定，电动机在负荷因子不变的情况下，相位刷与各相交流源的相位关系也是一定的，但究竟是怎样的相位关系，我们无可知晓。也就无法确定供电块的空间位置，只有通过实验调整，使供电块的位置正确，然后加以固定。固定的供电块的空间位置与三相同步电动机的三相绕组的空间位置关系是不会发生改变的。多次使用时，如果同步电动机驱动交流源与待整流交流源相位关系不变，便保证了正确的相位关系不会发生改变。无须再行调整。
2、调整方法和检测
单相整流时，使用单相同步电动机驱动相位刷，当供电块的相位和正确相位相差90°时，则输出相位在-45°至45°之间，直流输出为0，而有一定的交流电压输出。把相位块在180°范围内调整，当直流输出最大时，(以交流电压平均值为参考。)交流输出最小，供电块相位就处于正确位置。这是加以固定，标注电动机转动方向，单相整流总成制作成功。由于在单相电使用区域，没有相序关系，只要电动机按规定方向运转就可以了。更换供电接线头，可改变直流输出方向。另外，同步电动机转动方向不同，相位将不正确，一般不涉及大功率整流。没有特殊需求，不推荐制造和使用。
三相整流时，由于转子正反转的结果是不相同的，所以必需考虑相序。当转子顺时针转时，则供电块的相序是应顺时针的，同时，同步电动机定子绕组的接电相序也是顺时针的。如果同步电动机与整流源同源，相序关系容易判定。如果不同源，就无法判定。相位接反时，无论怎样调整供电块的位置，都不能输出直流电压，而输出波形奇怪的交流电，可以测到交流电压。此时，应该对供电块调相，相序正确后，供电块位置在120°范围内调整，直到输出最大直流电压，以交流源单相峰值电压1.663倍为参考。此时交流电压最小。便将供电块固定，同时标注电动机转子转动方向。三相整流总成制作成功。
检测直流电电压输出，调整供电块空间位置时，要先经过小功率的滤波电路，以便相位刷断开时，有补偿电压，这样，检测到的直流电压才可能达到交流源电压平均值。但不能使用大功率滤波电路，以免供电块位置不正确时，造成大的回馈电流。在正常使用时，要使用大功率滤波电路，才能得到足够的补偿。
三、相位刷整流设备的制作步骤和方法
(1)先用钢柱制作出图4所示的雏形，图中1、5区域为金属轴，用于套接轴承和直流输出金属块的常接，图中2、4区的断面如5所示，图4、图5中的粗黑线条代表绝缘材料区域，是具有一定韧性的硬质绝缘材料，制作完成后要求整体刚性。并保证两极绝缘良好。
(2)精加工1、5区域，使之同轴，以此为基础，把图中的3区制作成横切如图6所示，要求厚度精确，因为要求厚度精确，所以两面光洁度会较高。
(3)将图6所示的A区域表面打毛，将横切面如图2中1所示的的瓷片固定在图6所示的两个侧面，瓷片的底平面要求平整毛面，固定时应夹入薄而坚韧的绝缘材料，以缓冲和防滑，固定好以后保证整体刚性。瓷片固定处断面如图7所示，固定处在图4所示的3区域两端，固定好瓷片以后，图4中3区域的中段如图8所示。将图4区域中3区，以高精度和高光洁度加工到预定尺寸。作为相位刷输入端工作面，如图1、图2所示。图4所示的1、5段一部份接轴承，一部份作常触的直流输出。如果不慎将相位刷尺寸加工到过小，则相位刷输入面柱面弧度增大，可以通过修正接电块弧长解决问题。加工完成后，图4中，1、2、4、5区域的直径应小于3区域的直径，以便供电块套环架的套入。
(3)第(2)步的制作方式决定了以后相位刷的使用方式。方式一，如同步电动机转子轴精度足够高，可将第(1)步制作成的雏形通过法兰和绝缘手段固定在同步电动机的转子上，然后精加工图6所示的1、5区与转子同轴。并以转子为轴基础，进行第(2)步中的以下操作。这样制作完成的相位刷和同步电相转子为一整体，相位刷的另一端用轴承架支撑即可。如果同步电动机转子轴精度达不到要求，只能将相位刷雏形单独在高精度机床上加工完成，然后将相位刷用轴承固定在同轴度高的基座上，用齿轮传动方式驱动相位刷。用齿轮方式驱动相位刷，齿轮必需与转子刚性绝缘连接，并保持较高的同轴度。
(4)若相位刷固定到同步电机转子上，加工完成后，要对这个旋转整体作旋转平衡试验。若相位刷固定在独立的基座上，那么要对相位刷作旋转平衡试验。
4、供电块制作
用硬度相对较低的金属材料，如铜，铝的和金材料等制作出柱面光洁的长方形柱体，要求预加工到指定尺寸。如图9中的1，再将柱体的一端磨削成指定半径的内圆柱面，如图9中的2。由于加工误差，制作好的供电块要先与预先制作好的相位刷作接触试验，如果相差太大，考虑重新加工内圆柱面，如果相差较小，需要手工修正，以达到90％以上接触为止。由于供电块选用金属材料硬度相对低，在空转或使用一段时间后，接触将更为良好。另外由于供电块是精加工的长方柱，所以，使用时磨削之后，不会改变其弧长。而相位刷不容易被磨削。
5、供电块套环架制作[见第4页：(图10：供电块套环架制作图)]
6、固定支架，
固定支架固定在相位刷基座上，用以固定供电块套环架，以保证供电块与相位刷的空间关系固定。
7、调整操作
调整供电块空间位置时，只能在相位刷工作状态下，连续转动套环架内环，才能得到预期效果。所以，相位刷总成安装完成后，要在套环架的内环上安装调整手柄。在直流端使用小功率滤波电路，接入检测仪表，驱动同步电动机，转速稳定后，接入要整流的交流电源。通过手柄转动套环架内环，直到仪表读数最佳为止。固定手柄，停机，断掉电源。
将套环架内环固定在外环上。在实践中，如压片不能紧固内环，可采取其它固定措施。
8、相位刷整流设备调制成功后，要记录电动机的驱动电压(精确到1伏)，要注明被整流的电源是否是同级变压器电源，或是下一级变压器电源，或是上一级变压器电源。使用模式不同时，要重新调制。电动机驱动电压变动10％以上时，要检测输出情况，必要时重新调制。
9、由于相位刷整流设备依赖于同步电动机的稳定运转。其工作状态有接通和断开两种，当电动机停转时，若相位刷处于接通状态，则直流端将输出交流电，可能对直流端用电设备或生产工艺造成损害。所以使用该设备时要在交流源输入部份串接停机自开开关。制作时将这个开关置于整流总成中。可以简单地用同步电动机驱动一微型发电机，微型发电机驱动吸合器便可以了。
10、特定的相位刷和同步电动机，以及同步电动机驱动的微型发电机，称做相位刷整流总成。各部件如有更换、维修，必需重新调制，并只在特定模式和状态下使用。如果使用模式和电压状态发生改变，也要重新调制。
11、相位刷要浸在机油中或在机油淋洗下工作。机油要清洁，粘度要低。
三、注意事项
(1)驱动电机使用的交流电源与要整流的交流电源应同网。也就是说，保证同步电动机驱动电源和整流电源同频同相位，相位不同可以调整，频率不同不可使用。不适用于频率不稳定的小型柴油发电机网。因为电频率发生变化时，转子频率变化总是滞后。
(2)无论是齿轮传动，还是将相位刷固定在同步电动机转子上，都要采取绝缘措施，不要让电动机转子带电。由于相位刷转速很高，最好采用机油散热。同时起清洗磨屑的作用。
(3)由于相位刷是钢制的，电阻相对较大，要达到万安级的整流，相位刷的工作面对应的厚度要在3cm以上。推荐将相位刷总成的尺寸适当做大一些，不仅可以增大整流电流，同时容易提高制作精度。
(4)由于相位刷滑出点和接入点直流端电压与交流源电压近相等，所以不必考虑电弧问题。
(5)以上讨论中的附图说明，相位刷的金属面宽度小于供电块宽度，主要是基于相位刷两侧的瓷片厚度和强度的需要。在相位刷直径较大的情况下，可以增加相位刷金属面的宽度，减小供电块的宽度，可能的情况下，相位刷金属面相对大一些，因为钢制的相位刷电阻率比常用导体略大。在制造超高压整流设备时，相位刷两极片间的击穿电压为限制，因为各供电块之间的距离大于相位刷极片间的距离。因此，超高压整流设备的相位刷尺寸必然大大增加。而相位刷与同步电动机转子绝缘设计相对困难，制作费用也有提高。
(7)不同时间，不同地点使用同一台相位刷整流总成时，凡有可能改变总成机械负荷因素时，要先对整流输出进行检测再行使用，必要时重新调制。
(8)总成中先择功率较大的同步电动机，受负荷因素干扰的可能性会小得多。