無須變頻的電機調(diào)節(jié)器—— 滾動調(diào)節(jié)器
加入技術(shù)交流群
（一）概況：
滾動調(diào)節(jié)器（申請?zhí)?02021303664.2）簡稱為GDT。其目的是要提供一種利用“滾動調(diào)速”原理進行調(diào)速的調(diào)速裝置。“滾動調(diào)速”的思路來源是：把已經(jīng)接通了對稱電源而轉(zhuǎn)動的電動機的定子再物理地滾動起來，從而也可實現(xiàn)了調(diào)速。當然這種調(diào)速方法的本身是不現(xiàn)實的，但是它卻提示了：如果把在空間對稱和均勻分布的定子繞組相對于它的對稱電源之間連續(xù)不停地進行滾動換接來代替定子的物理滾動，不也可實現(xiàn)電動機的調(diào)速、甚至可延伸到發(fā)電機、變壓器的運行參數(shù)調(diào)節(jié)了嗎！由此導(dǎo)出了電機新的調(diào)節(jié)方法：“滾動操作法”。
（二）GDT的實現(xiàn)
GDT[圖1]在電動機定子繞組的首端特別是中性點上都設(shè)置了電子開關(guān)是它結(jié)構(gòu)的顯著特征；安裝在定子繞組首端的調(diào)速開關(guān)K1~K9全部使用抗干擾能力較強的具有阻容吸收電路的雙向可控硅，但它的速度較慢；為了加快操作速度安裝在繞組中性點的加速開關(guān)Q1~Q3采用了雙向全控器件。
[ 圖 1 ] PGDT原理接線圖
[圖1]是為一個定子繞組Y形接線的電動機構(gòu)成的GDT。每個Q都與其串聯(lián)的3個K之一共同完成對所控制的繞組的接通和分斷；但在任何時刻此3個K只能有一個接通，以免發(fā)生電源短路；為此，加給它們的控制信號應(yīng)保證Q比K后通先斷；這樣，電流的切換任務(wù)都由Q來完成，K只在無電流狀態(tài)下?lián)Q接電路。
[圖1]GDT中進行滾動操作的程序【A】如下：
繞組與電源的連接 | 磁動勢矢量角 | 開 關(guān) 轉(zhuǎn) 換 表 | 電源的轉(zhuǎn)換 | |||
U | V | W | ||||
1 | U、V、W接于A、B、C | φ= 0° | Q11+K11[A]、 Q21+K51[B]、 Q31+K91[C] | A
| B
| C |
2 | UO+OV/OW接于A、B | φ≈ 40° | Q30→K90[C]→K81[B]→Q31 | B
| ||
3 | UO/VO+OW接于A、B | φ≈ 80° | Q20→K50[B]→K41[A]→Q21 | A
| ||
4 | V、W、U接于A、B、C | φ= 120° | Q21+K41[A]、Q31+K81[B]、 Q10→K10[A]→K31[C]→Q11 | C | ||
5 | VO/WO+OU接于A、C | φ≈160° | Q30→K80[B]→K71[A]→Q21 | A | ||
6 | WO+OU/OV接于A、C | φ≈200° | Q20→K40[A]→K61[C]→Q21 | C | ||
7 | W、U、V接于A、B、C | φ=240° | Q31+K71[A]、 Q10→K30[C]→K21[B]→Q11、 Q21+K61[C] | B | ||
8 | UO+OW/OV接于B、C | φ≈280° | Q30→K70[A]→K91[C]→Q31 | C | ||
9 | UO/VO+OW接于B、C | φ≈320° | Q20→K60[C]→K51[B]→Q21 | B | ||
10 | U、V、W接于A、B、C | φ= 360° | Q10→K20[B]→K11[A]→Q11； Q21+K51[B]； Q31+K91[C] | A | ||
11 | UO+OV/OW接于A、B | φ≈ 40° | Q30→K90[C]→K81[B]→Q31 | B | ||
12 | …………如此往復(fù) | |||||
程序【A】中：“UO+OV/OW接于A、B”表示接法是繞組UO的前端(U)接于電源A，繞組UO的后端(O)連向OV/OW繞組的前端(O)；OV/OW繞組的后端(V/W)接于電源B；“+”表示前后兩個繞組串聯(lián)；“/”表示前后兩個繞組并聯(lián)；磁動勢矢量位置φ為從原位順（或逆）時針移動的角度。程序【A】的右部表示在執(zhí)行滾動調(diào)速程序時電路的轉(zhuǎn)換信息，可稱為“開關(guān)轉(zhuǎn)換表”。其中用上標“1”表示開關(guān)接通，如K11；用上標“0”表示開關(guān)斷開，如K10；用“→”表示開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程，如K20→K11表示K2先斷開后K1才接通，兩者在發(fā)生的時間上絕無重疊，以免造成電源短路。而“Q10→K20[B]→K11[A]→Q11”則表示“K20→K11”斷開B及接通A的過程完全包含在“Q10→Q11”之中。其中“Q11+K11[A]”表示電路由“Q11”和“K11”都接通并接通于電源A相。而未發(fā)生轉(zhuǎn)換的開關(guān)在“開關(guān)轉(zhuǎn)換表”中都未予列出。
程序1、4、7、10……相鄰兩步之間的相對轉(zhuǎn)動都是120°，因此[圖1]在滾動中能實現(xiàn)勻速旋轉(zhuǎn)。
程序1、4、7、10……為中性點接地的對稱的三相定子繞組接通于對稱的三相電源，從電工基礎(chǔ)理論知道其合成磁動勢等于每相磁動勢的1.5倍。而其他程序步2、3、5……中因為繞組的中性點接地，定子繞組都是按照兩相繞組并聯(lián)后與第3繞組串聯(lián)而構(gòu)成，空間相差120°的并聯(lián)繞組中電流各為串聯(lián)繞組電流的0.5，其相應(yīng)的合成磁動勢也為并聯(lián)繞組的0.5，故繞組串并聯(lián)后的合成磁動勢等于串聯(lián)繞組的1.5倍，這恰恰與程序1、4、7等步中的合成磁動勢相等，因此[圖1]在滾動到各程序步中產(chǎn)生的合成磁動勢大小相等，在滾動中能形成一個圓形的滾動旋轉(zhuǎn)磁場，這使得[圖1]在滾動調(diào)速中能獲得運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低等等良好的性能。
從【圖1】及程序【A】可見，每個程序步的負載切換始終是由設(shè)置在定子繞組中性點的Q對并聯(lián)繞組之一進行的，因此切換的電流只有串聯(lián)繞組中電流的一半，Q又安裝在電壓基本為零的中性點上，因此 Q的開關(guān)損耗將大幅降低；而無載操作的K的損耗更低，故[圖1]中各電子開關(guān)的壽命將顯著延長；而Q產(chǎn)生的操作干擾也將顯著降低；在程序步交換的暫態(tài)過程中，由于此刻通電的其它兩相繞組在空間互差120°，兩個繞組中流過的電流雖然相等但是方向相反（流入和流出），兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢矢量的夾角為60°，它們產(chǎn)生的合成磁動勢矢量的幅值即為單個繞組的磁動勢矢量幅值√3=1.73倍，比圓形的合成磁動勢矢量幅值只稍微大了0.23，而其發(fā)生的時間極短，故產(chǎn)生的雜散波很小，因此總體上執(zhí)行程序【A】確實能得到圓形的滾動旋轉(zhuǎn)磁場，能獲得良好的運行性能；不但所產(chǎn)生的雜散波將被中性點接地而大量導(dǎo)入地中。又因受到定子繞組的大力阻隔，不但使GDT對電網(wǎng)的污染大幅降低，而且被電網(wǎng)雜散波造成Q誤動作的可能性也幾乎為零，這對保證[圖1]穩(wěn)定可靠地工作很有意義。
從程序【A】的“開關(guān)轉(zhuǎn)換表”可見，將“開關(guān)轉(zhuǎn)換表”的每步程序中各個開關(guān)的上標的順序組合就是該程序中控制裝置所發(fā)出的0-1序列的二進制代碼控制信號，信號的順序組成代表著滾動程序，執(zhí)行信號的速度反映了滾動的速度，這些信號無須根據(jù)溫度等等其他參數(shù)的變化而修正，故簡單可靠。可見GDT是個開環(huán)系統(tǒng)而無須建立反饋通道，無須建立數(shù)學模型，據(jù)“開關(guān)轉(zhuǎn)換表”即可編程；還可見GDT的控制裝置只須是個結(jié)構(gòu)簡單的數(shù)字化裝置，只要有能按照滾動調(diào)節(jié)的需要發(fā)出上述二進制代碼的代碼編譯模塊、及能夠把它編譯出的代碼順序地發(fā)給相應(yīng)的電子開關(guān)，就可完成規(guī)定的程序操作，即可構(gòu)成GDT的控制裝置。
由于滾動操作中不改變電動機的結(jié)構(gòu)，因此電動機的自然機械特性的形狀也不變；但是，由于滾動操作中基本轉(zhuǎn)速n1與滾動轉(zhuǎn)速Δn的合成改變了合成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也就改變了轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的頻率和理想空載轉(zhuǎn)速n0，使機械特性產(chǎn)生了沿縱軸的上下平行移動；而在機械特性沿縱軸向下移動到轉(zhuǎn)速n=0的位置時，因合成旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速甚低，使轉(zhuǎn)子有較高的功率因數(shù)和電磁力矩而可實現(xiàn)GDT的軟啟動；常規(guī)異步電動機低速運行時常由于“齒波轉(zhuǎn)矩”“低次諧波”的存在而產(chǎn)生電機震動及噪音大的現(xiàn)象，而GDT在低速甚至零速時卻不存在這種現(xiàn)象，這是因為GDT在轉(zhuǎn)速為零時的“齒波轉(zhuǎn)矩”“低次諧波”被仍然存在的更加強大的對應(yīng)于滾動所產(chǎn)生的“高次諧波”所淹沒的緣故。也就是說，GDT可以在電動機調(diào)速過程中實現(xiàn)超低噪音運行，這個性質(zhì)在某些特殊場合（例如作為潛水艇的驅(qū)動電動機）將尤其有用。
由于GDT中的加速開關(guān) Q采用了全控器件，其斷開延時約為1.1μs，而調(diào)速開關(guān)是在無電流時完成切換的，其斷開延時更短。如GDT的節(jié)拍時間選為11μs，則執(zhí)行程序【A】時每9步即99μsGDT可滾動 360°，其滾動轉(zhuǎn)速即為±60萬轉(zhuǎn)/分，可見GDT顯著擴大了調(diào)速范圍；而滾動轉(zhuǎn)速還取決于由控制裝置給出的由數(shù)字指令決定的程序步的頻率fψ，而調(diào)速時可將Δfψ取得極小而實現(xiàn)數(shù)字化無級調(diào)速,且只要穩(wěn)定滾動操作頻率fψ就可以實現(xiàn)穩(wěn)速。
需要改變滾動轉(zhuǎn)速的方向時，只要將程序【A】的執(zhí)行順序反過來執(zhí)行即得到使GDT反轉(zhuǎn)的程序【-A】。
在執(zhí)行調(diào)速程序時電路的轉(zhuǎn)換是很容易實現(xiàn)的，例如從調(diào)速程序【A】的第1步轉(zhuǎn)向第2步時的電路切換，只要按照 Q30→K90[C]→K81[B]→Q31；即在Q3斷開后將K9斷開再將K8接通，然后Q3接通，就可實現(xiàn)從“U、V、W接于A、B、C”向“UO+OV/OW接于A、B”的轉(zhuǎn)換而很少產(chǎn)生雜散波，而其它開關(guān)都不需切換即可完成。由此可見，在這個電路切換過程中，始終遵守了只在定子繞組的中性點對并聯(lián)環(huán)節(jié)之一進行有載操作的“滾動操作法”，因此[圖1]能有良好的電氣性能。
GDT在電動機啟動到一定轉(zhuǎn)速以后，就可以停止?jié)L動操作而保持電源的固定接通，則電動機將繼續(xù)加速直到電動力矩與負載力矩相平衡，實現(xiàn)在與其電源相對應(yīng)的自然特性的某點穩(wěn)定運行。在此狀態(tài)下，與三相電源持續(xù)接通的電子開關(guān)不執(zhí)行滾動操作因此不發(fā)生通斷損耗，因此電子開關(guān)的工作條件最輕松。對于許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械來說，調(diào)速只是在出現(xiàn)了不常情況時偶然發(fā)生，例如調(diào)節(jié)泵等等。在這樣性質(zhì)的負載下使用GDT可以使其電子開關(guān)獲得最輕松的工作條件，并且還徹底消除了對電網(wǎng)和環(huán)境的污染。
（三）GDT的開拓
GDT有多種實現(xiàn)方式，如[圖1]中去掉B、C兩相電源及相應(yīng)的電子開關(guān)即得到單相的GDT的形式；它們都有相應(yīng)的程序來實現(xiàn)滾動調(diào)速和能獲得優(yōu)秀的運行性能；又如具有定子繞組雙Y形接線的三相交流滾動調(diào)速器SGDT，它實際上就是兩個[圖1]的同軸組合，SGDT的雙Y形繞組可分別選擇不同的程序組合配合運行而獲得形色各異的性質(zhì)，例如其中第一組繞組和第二組繞組可以按照程序【A】同步地進行滾動操作，其性能如同一組繞組滾動操作一樣，只是合成磁動勢及電磁力矩都放大了一倍；而第一組繞組和第二組繞組還可以按照程序【A】錯步滾動操作，例如第一組繞組滾動操作一步后停止操作，由第二組繞組滾動操作一步后停止操作，再由第一組繞組滾動操作一步后停止操作，如此循環(huán)往復(fù)，則可使SGDT執(zhí)行程序【A】的速度及相應(yīng)的電磁力矩都降低為一半，每步的轉(zhuǎn)角減小為一半，使SGDT的滾動轉(zhuǎn)速為±30萬轉(zhuǎn)/分；而運行得更加均勻。如果使第一組繞組和第二組繞組同方向的滾動操作之間始終保持一個相位差，例如相差60°，也可以形成圓形的滾動旋轉(zhuǎn)磁場，只是略微縮小了合成磁動勢及相應(yīng)的電磁力矩，滾動轉(zhuǎn)速仍為±60萬轉(zhuǎn)/分。增大兩者的相位差可減小其電磁力矩及轉(zhuǎn)速；使兩者的相位差達180°可使其電磁力矩及轉(zhuǎn)速為0。SGDT的兩組繞組還可以是由一個三相GDT和一個單相GDT組成，等等；改變了兩組繞組的組合就可獲得新的性能，由此推論：具有越多組的定子繞組組數(shù)的電動機GDT，如三相電源下的多組定子Y形接線的三相電動機，必能獲得越豐富的調(diào)節(jié)功能，如此等等；而每種形式都有不同的滾動運行程序，從而可獲得不同的滾動調(diào)節(jié)性能，可見SGDT也是很有實用價值的滾動調(diào)節(jié)方法。
GDT還可以用作發(fā)電機輸出電壓參數(shù)的調(diào)節(jié)。將[圖1]中的定子繞組視為發(fā)電機的勵磁繞組，GDT程序【A】將作用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子激磁繞組的對稱的（交流或直流）電源在發(fā)電機對稱的轉(zhuǎn)子激磁繞組上按照程序【A】的滾動程序作用下滾動旋轉(zhuǎn)起來，獲得發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勻速滾動的激磁磁場進行發(fā)電，也可調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的頻率、相位角、波形等等參數(shù)。
GDT[圖1]中的電動機定子或轉(zhuǎn)子繞組同樣可視為變壓器的原邊或者副邊繞組。從而GDT可獲得對變壓器輸出的精準靈活的調(diào)節(jié)。也就是說，GDT同樣可按照[圖1]設(shè)置在變壓器的原邊或副邊繞組上，再配合相應(yīng)的滾動操作程序，即可用來調(diào)節(jié)變壓器的原邊或副邊繞組的輸入或輸出的電流、電壓的頻率、幅值、相位角、波形等等參數(shù)，以達到GDT讓變壓器和電動機、發(fā)電機一樣都成為智能化電網(wǎng)的重要支持元件，從而達到高質(zhì)量地滿足用戶需要的目的。例如，首先，可調(diào)節(jié)發(fā)電廠的發(fā)電機及升壓變壓器的一次和二次繞組上設(shè)置的GDT讓變壓器輸出電壓的頻率下調(diào)至接近直流，用這樣的低頻高壓電流進行輸電（接近于直流輸電，可稱為“亞直流輸電法”）可降低電網(wǎng)線路的無功損耗及線路分布電容形成的漏耗；然后，到了變電站再由降壓變壓器GDT升高電壓的頻率至正常頻率，供電給用戶正常使用。這樣就利用GDT讓發(fā)電機及變壓器達到了低頻高壓輸電而使電網(wǎng)節(jié)能的目的。這種方法可能比直流輸電更價廉物美，從而更有推廣價值！
電網(wǎng)的頻率還常常會隨著負載的上升而降低，頻率的波動將影響電網(wǎng)供電的質(zhì)量；為此，采用GDT變壓器或發(fā)電機并將測得的與頻率給定值的誤差反饋給GDT控制器，就可對GDT變壓器或發(fā)電機輸出頻率進行實時調(diào)整來彌補電網(wǎng)的頻率波動，從而提高電網(wǎng)供電的質(zhì)量。
從[圖1]及程序【A】知，當發(fā)電機GDT[圖1]執(zhí)行程序【A】及設(shè)置了相應(yīng)的節(jié)拍時間時滾動轉(zhuǎn)速能達60萬轉(zhuǎn)/分、即1萬轉(zhuǎn)/秒，它對應(yīng)發(fā)電機滾動輸出電壓頻率達1萬Hz；如果將[圖1]中的電子開關(guān)選擇為關(guān)斷速度達到納秒級的超高速產(chǎn)品，則從[圖1]及程序【A】對應(yīng)發(fā)電機GDT滾動輸出電壓頻率將達1010Hz,達到了光波的頻率范圍！那么發(fā)電機GDT[圖1]將可能成為最新型的可控頻率的冷式光波發(fā)生器，GDT的應(yīng)用則進入了一個更加新穎的領(lǐng)域。
（四） 結(jié)論
GDT的特征歸納如下：
1. GDT可實現(xiàn)的滾動轉(zhuǎn)速極高 ,大大拓寬了調(diào)速范圍。GDT可以在電動機調(diào)速過程中實現(xiàn)超低噪音運行，這在某些特殊場合（例如作為潛水艇的驅(qū)動電動機）將尤其有用。GDT還可利用反向執(zhí)行程序來將電動機反轉(zhuǎn)。
2. GDT由于承擔電流操作的Q、K等全部電子開關(guān)都顯著改善了工作條件而可延長壽命。把這個特征應(yīng)用在具有繁重的工作條件的反復(fù)啟動、頻繁操作的特別是大容量的各種生產(chǎn)機械如軋鋼機的拖動上時，電子開關(guān)將不再成為限制拖動系統(tǒng)容量和工作制度的瓶頸，這使得GDT比變頻器更能夠適用于重載電機的調(diào)節(jié)，甚至可將GDT應(yīng)用于發(fā)電機、變壓器，則更能符合智能電網(wǎng)的節(jié)能及降低電網(wǎng)污染的要求，可獲得更廣闊的市場。
3. 由于GDT在不進行滾動操作時滾動轉(zhuǎn)速為零而以基本轉(zhuǎn)速運行，使中GDT的電子開關(guān)的工作條件最輕松。而實際上許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械在正常生產(chǎn)中通常是不調(diào)速的，例如調(diào)節(jié)泵等等。與變頻器相比較，在這些生產(chǎn)機械中使用GDT可使電子開關(guān)和電網(wǎng)在長期的正常運行中獲得最良好的工作條件。可以用異步電動機構(gòu)成的GDT在直流電網(wǎng)中滾動操作實現(xiàn)調(diào)速運行。由于取消了常常是事故隱患的移相電容器的單相GDT中可產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，故單相GDT的性能和可靠性要比具有橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的傳統(tǒng)單相電動機要高得多。
4. GDT的速度由電動機的基本轉(zhuǎn)速和滾動轉(zhuǎn)速合成，而同步電動機的GDT卻能實現(xiàn)開環(huán)控制下的精準調(diào)速，而且可以方便地利用滾動調(diào)速啟動，同時GDT的軟啟動功能還可以取消同步電動機原設(shè)置的啟動籠型繞組而簡化其裝置，它代表了GDT的發(fā)展方向，同步電動機與GDT才是絕配！估計它將能占領(lǐng)電氣傳動市場的50%，其他50%的市場為異步電動機GDT的開環(huán)滾動調(diào)速及其他調(diào)速形式所取得。由此可見性能更優(yōu)秀的GDT將取代傳統(tǒng)變頻器！
雖然GDT的優(yōu)點很多，但限于篇幅，就讓有興趣的讀者們自己去發(fā)掘吧。
滾動調(diào)節(jié)器的創(chuàng)新點
創(chuàng)造性的提出了滾動調(diào)速理念及并聯(lián)繞組操作法，切換電機定子繞組的電子開關(guān)分為兩種產(chǎn)品不同的設(shè)置：切換電流的全控開關(guān)設(shè)置在繞組的直接接地的中性點上對并聯(lián)繞組之一進行操作，這是全新的設(shè)置，可使全控開關(guān)的工作電壓及電流都明顯降低，使開關(guān)損耗降低；由于開關(guān)與電網(wǎng)之間有定子繞組的隔離，干擾信號的雙向傳播都被定子繞組強力阻隔，既降低了開關(guān)操作對電網(wǎng)的污染，也降低了電網(wǎng)雜散波對開關(guān)工作狀態(tài)的干擾，提高了開關(guān)工作的可靠性；定子繞組在無電流條件下的換接由半控開關(guān)去完成。這樣既降低了全部開關(guān)成本，也改善了開關(guān)的工作條件，延長了開關(guān)壽命。滾動調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單，全部僅由少量電子開關(guān)和PLC控制器組成，沒有整流器、鎮(zhèn)流器、濾波器等等，全控開關(guān)的操作可達微秒級，使?jié)L動調(diào)速的電動機調(diào)速范圍巨大，可達到100萬轉(zhuǎn)/分甚至更高！性價比遠遠超過現(xiàn)有的變頻器！
（本文來自于《電子產(chǎn)品世界》2020年11月期）
評論