關(guān)于提高變頻器調(diào)頻速度的研究

　　目前，變頻器已經(jīng)大量應(yīng)用在需要調(diào)整工況和節(jié)能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，為方便地調(diào)整電機(jī)工況和節(jié)約電能，變頻器起了很大的作用。在能源日益緊缺，不得不提出建立節(jié)能型社會(huì)的今天和明天，變頻器將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　如果用戶(hù)在對(duì)變頻器的使用時(shí)需要比較快速、比較頻繁地調(diào)整頻率，傳統(tǒng)的變頻器就很難滿(mǎn)足其需要，特別是在慣性大的負(fù)載上使用變頻器時(shí)，必須將升、降頻(特別是降頻)速度設(shè)置的比較慢，以適應(yīng)由于慣性造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速的滯后。因?yàn)殡姍C(jī)及其負(fù)載由于慣性的原因，其轉(zhuǎn)速與變頻器輸出的頻率的同步需要一段時(shí)間，特別是用于慣性大的負(fù)載時(shí)，這個(gè)時(shí)間就比較長(zhǎng)。如果頻率調(diào)整的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)將處于四象限運(yùn)行的發(fā)電狀態(tài)，業(yè)內(nèi)同仁都知道，這個(gè)發(fā)電狀態(tài)對(duì)于變頻器是很危險(xiǎn)的。傳統(tǒng)變頻器對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是設(shè)置泄放保護(hù)電路，但即便是在變頻器上設(shè)置了泄放保護(hù)電路，也僅僅是保護(hù)了變頻器不會(huì)因此而發(fā)生故障，并沒(méi)有真正解決電機(jī)及其負(fù)載的慣性問(wèn)題，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的變頻器只是輸出電能的頻率和電壓的調(diào)整裝置，對(duì)于電機(jī)的慣性并沒(méi)有制約。正是由于傳統(tǒng)的變頻器沒(méi)有設(shè)置對(duì)電機(jī)慣性的制約功能，就使其在某些有特殊需要的場(chǎng)合不能方便、安全和可靠的使用，事實(shí)上也限制了變頻器的應(yīng)用范圍。

　　用機(jī)械的方法顯然不能對(duì)被控電機(jī)實(shí)施有效地同步制動(dòng);而采用傳統(tǒng)的電制動(dòng)手段雖然可以在操作上與變頻器的調(diào)頻同時(shí)進(jìn)行，但是由于傳統(tǒng)的電制動(dòng)大都是以剎車(chē)為目的的，要想將被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速與調(diào)頻過(guò)程同步也是非常困難的。這就是使用變頻器調(diào)整被控異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，不如直流電機(jī)的調(diào)速效果那么好的主要原因。

　　本文作者以獨(dú)特的思維方式找到了一種能夠較好地控制被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其能夠與變頻器輸出電能的頻率盡快同步的電制動(dòng)方法，用這個(gè)制動(dòng)方法協(xié)助變頻器調(diào)整被控電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以最大限度的適應(yīng)電機(jī)及其負(fù)載的慣性，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速在盡量短的時(shí)間內(nèi)與變頻器輸出電能的頻率同步，不僅對(duì)變頻器起到了保護(hù)的作用，還使變頻器能夠適應(yīng)必較快速、比較頻繁地調(diào)整頻率和慣性大的負(fù)載的使用，進(jìn)一步拓展了高、低壓變頻器的應(yīng)用范圍。如果將這個(gè)制動(dòng)方法中的電機(jī)轉(zhuǎn)速制動(dòng)裝置單獨(dú)使用，還可以作為電機(jī)的軟起動(dòng)器和在需要頻繁調(diào)整頻率、需要精確制動(dòng)甚至有反向運(yùn)行要求的領(lǐng)域作為電機(jī)的調(diào)速裝置。用這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速制動(dòng)裝置作為電機(jī)的調(diào)速裝置使用時(shí)，其調(diào)速效果可以與直流電機(jī)的調(diào)速效果相媲美。

　　1、提高變頻器調(diào)頻速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的原理

　　本項(xiàng)目的研究是為了克服上述傳統(tǒng)變頻器目前存在的缺陷，在傳統(tǒng)變頻器上增加比較簡(jiǎn)單并業(yè)已成熟的換相技術(shù)，為變頻器的制造提供了一種新的附加技術(shù)。

　　本項(xiàng)研究根據(jù)的是三相交流電可以組成多種相序，并且其相位互有差距的原理。三相交流電可以組成多種相序，其相位互有差距的原理為:三相交流電分別為A相、B相、C相。三相交流電按不同順序排列，產(chǎn)生三種正序排列:A、B、C;C、A、B;B、C、A和三種逆序排列:A、C、B;B、A、C;C、B、A。其中正序的三種排列電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同，在相位上互有差距，對(duì)于對(duì)稱(chēng)的三相交流電來(lái)說(shuō)，這三種正序的排列在相位上互差120°;逆序的三種排列同正序的三種排列一樣，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同(只是與正序的三種排列時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反而已)，在相位上互差120°。

　　如果把被控三相異步電機(jī)定子的三根進(jìn)線(xiàn)的順序固定，并使它們按一定的規(guī)律和周期順序的在三種正序排列方式(或在正序與逆序的排列)中切換，由于三種正序排列在相位上互差120°，每次切換后就使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滯后120°(在正序與逆序的排列中切換，則是反向))，此時(shí)就會(huì)形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)拉定子磁場(chǎng)的發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，即回饋制動(dòng)狀態(tài)，如果使它們按一定的頻率進(jìn)行這種切換，電機(jī)將工作在電動(dòng)與回饋制動(dòng)交替的狀態(tài):在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率S>0，在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率 S<0?；仞佒苿?dòng)狀態(tài)實(shí)際上就是“剎車(chē)”，這樣一來(lái)就造成了轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中經(jīng)常被“剎車(chē)”，轉(zhuǎn)速自然也就隨之慢下來(lái)了，切換相序的頻率越高，在單位時(shí)間內(nèi)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滯后(“剎車(chē)”)的次數(shù)就越多，于是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就越低;反之，切換相序的頻率越低，在單位時(shí)間內(nèi)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滯后(“剎車(chē)”)的次數(shù)就越少，于是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就越高，當(dāng)切換相序的頻率為“0”，即不進(jìn)行切換時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最高，為該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)然如果把三相異步電機(jī)定子的三根進(jìn)線(xiàn)的順序固定，并使它們按一定的規(guī)律和周期順序的在三種逆序排列方式中切換，也同樣能夠使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的滯后，從而使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，只是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向相反而已。

　　用電機(jī)轉(zhuǎn)速制動(dòng)裝置可快速調(diào)整變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制的具體工作原理是:在傳統(tǒng)的變頻器上安裝切換同步電路(包括目標(biāo)頻率檢索電路和指令選擇電路)、切換控制器(包括指令存儲(chǔ)器和指令發(fā)出電路)、切換控制電路和切換開(kāi)關(guān)。當(dāng)變頻器不進(jìn)行頻率調(diào)整或調(diào)頻結(jié)束(即運(yùn)行當(dāng)前頻率已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)頻率)時(shí)，指令選擇電路得不到目標(biāo)頻率檢索電路的指令(或得到不進(jìn)行相序切換的指令)，指令發(fā)出電路不發(fā)出切換指令，通過(guò)切換控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電動(dòng)機(jī)根據(jù)此時(shí)變頻器輸出的電能的頻率正常勻速運(yùn)行。當(dāng)變頻器發(fā)出頻率調(diào)整指令(即目標(biāo)頻率與當(dāng)前運(yùn)行頻率不同)時(shí)，目標(biāo)頻率檢索電路檢索到新的目標(biāo)頻率指令(如配置了當(dāng)前運(yùn)行頻率與目標(biāo)頻率的差距的檢索功能，還將檢索到當(dāng)前頻率與新的目標(biāo)頻率的差距)，立即向指令選擇電路發(fā)出相應(yīng)的選擇指令，指令選擇電路在指令存儲(chǔ)器中選出相應(yīng)的切換指令，并通過(guò)指令發(fā)出電路向切換控制電路發(fā)出相應(yīng)的相序切換頻率的指令，在整個(gè)頻率調(diào)整過(guò)程中(即當(dāng)前運(yùn)行頻率沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)頻率之前)，相序切換一直按一定的頻率進(jìn)行，直到頻率調(diào)整過(guò)程結(jié)束(即當(dāng)前運(yùn)行頻率與目標(biāo)頻率一致)時(shí)，相序切換停止。這樣，在相序切換功能的協(xié)助下，通過(guò)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相位變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施制動(dòng)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠較快的與變頻器輸出的電能的頻率相吻合，實(shí)現(xiàn)了快速調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在這里必須指出的是:本文所舉的例子是把變頻器在頻率調(diào)整過(guò)程中的當(dāng)前運(yùn)行頻率和目標(biāo)頻率當(dāng)作信息源的，在制造和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，還最好配以在頻率調(diào)整過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，以便盡量準(zhǔn)確的確定相序切換頻率與頻率調(diào)整過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系;當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)時(shí)增加對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行矢量檢測(cè)，并以此作為輔助信息源參與相序切換頻率與頻率調(diào)整，效果會(huì)更好，只是會(huì)增加一定的制造成本。

　　如果將所述的電機(jī)轉(zhuǎn)速制動(dòng)裝置單獨(dú)使用，即將其中的指令選擇電路、切換控制器(包括指令存儲(chǔ)器和指令發(fā)出電路)、切換控制電路、切換開(kāi)關(guān)等配置上操作器及界面制造成獨(dú)立的控制裝置，并在指令存儲(chǔ)器中預(yù)存相應(yīng)的指令，就可以作為電機(jī)的軟起動(dòng)器，還可以作為在調(diào)整頻率頻繁、需要精確制動(dòng)和有反向運(yùn)行要求的場(chǎng)合使用的電機(jī)調(diào)速裝置。

　　但是由于目前還沒(méi)有能夠承受高電壓(6kV、10kV)可以直接單獨(dú)在高壓環(huán)境使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，所以在用相序切換的功能協(xié)助高壓電機(jī)調(diào)速時(shí)，必須采用如下的方法:

　　(1) 將多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，在并聯(lián)同步保護(hù)電路的協(xié)助下串聯(lián)使用，使其達(dá)到能夠承受高電壓的能力,實(shí)現(xiàn)相序切換;

　　(2) 在高壓變頻器的頻率程序中增設(shè)相序切換功能，在波形發(fā)生環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)相序切換,這樣只需在原來(lái)的控制程序的基礎(chǔ)上,增加相應(yīng)的相序切換程序即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需硬件的增加和改造，這是比較安全可靠的方法;

　　(3) 一旦有了能夠承受高電壓(6kV、10kV)可以直接單獨(dú)在高壓環(huán)境使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，就直接采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)相序切換。

　　由于電機(jī)在制動(dòng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生能量，所以還應(yīng)該設(shè)置能量吸收泄放電路，以對(duì)變頻器在頻率調(diào)整程序中實(shí)施保護(hù)。當(dāng)然，如果設(shè)置了能量回饋電路將電機(jī)在制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量回饋到前級(jí)電路再加以利用就更好了，這樣又進(jìn)一步提高了節(jié)能的效果。

　　2　結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹的這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了專(zhuān)利，它只在傳統(tǒng)變頻器上增加比較簡(jiǎn)單并業(yè)已成熟的換相技術(shù)，就可克服傳統(tǒng)變頻器存在的缺陷，為變頻器的制造提供了一種新的附加技術(shù)，同時(shí)也可擴(kuò)大變頻器的應(yīng)用范圍。