無(wú)須變頻的電機調節器—— 滾動(dòng)調節器

（一）概況：

滾動(dòng)調節器（申請號202021303664.2）簡(jiǎn)稱(chēng)為GDT。其目的是要提供一種利用“滾動(dòng)調速”原理進(jìn)行調速的調速裝置?！皾L動(dòng)調速”的思路來(lái)源是：把已經(jīng)接通了對稱(chēng)電源而轉動(dòng)的電動(dòng)機的定子再物理地滾動(dòng)起來(lái)，從而也可實(shí)現了調速。當然這種調速方法的本身是不現實(shí)的，但是它卻提示了：如果把在空間對稱(chēng)和均勻分布的定子繞組相對于它的對稱(chēng)電源之間連續不停地進(jìn)行滾動(dòng)換接來(lái)代替定子的物理滾動(dòng)，不也可實(shí)現電動(dòng)機的調速、甚至可延伸到發(fā)電機、變壓器的運行參數調節了嗎！由此導出了電機新的調節方法：“滾動(dòng)操作法”。

（二）GDT的實(shí)現

GDT[圖1]在電動(dòng)機定子繞組的首端特別是中性點(diǎn)上都設置了電子開(kāi)關(guān)是它結構的顯著(zhù)特征；安裝在定子繞組首端的調速開(kāi)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(diǎn)的加速開(kāi)關(guān)Q1~Q3采用了雙向全控器件。

 [ 圖 1 ]  PGDT原理接線(xiàn)圖

[圖1]是為一個(gè)定子繞組Y形接線(xiàn)的電動(dòng)機構成的GDT。每個(gè)Q都與其串聯(lián)的3個(gè)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(shí)刻此3個(gè)K只能有一個(gè)接通，以免發(fā)生電源短路；為此，加給它們的控制信號應保證Q比K后通先斷；這樣，電流的切換任務(wù)都由Q來(lái)完成，K只在無(wú)電流狀態(tài)下?lián)Q接電路。

[圖1]GDT中進(jìn)行滾動(dòng)操作的程序【A】如下：

程序【A】中：“UO+OV/OW接于A(yíng)、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(gè)繞組串聯(lián)；“/”表示前后兩個(gè)繞組并聯(lián)；磁動(dòng)勢矢量位置φ為從原位順（或逆）時(shí)針移動(dòng)的角度。程序【A】的右部表示在執行滾動(dòng)調速程序時(shí)電路的轉換信息，可稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)轉換表”。其中用上標“1”表示開(kāi)關(guān)接通，如K11；用上標“0”表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，如K10；用“→”表示開(kāi)關(guān)轉換的過(guò)程，如K20→K11表示K2先斷開(kāi)后K1才接通，兩者在發(fā)生的時(shí)間上絕無(wú)重疊，以免造成電源短路。而“Q10→K20[B]→K11[A]→Q11”則表示“K20→K11”斷開(kāi)B及接通A的過(guò)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)生轉換的開(kāi)關(guān)在“開(kāi)關(guān)轉換表”中都未予列出。

程序1、4、7、10……相鄰兩步之間的相對轉動(dòng)都是120°，因此[圖1]在滾動(dòng)中能實(shí)現勻速旋轉。

程序1、4、7、10……為中性點(diǎn)接地的對稱(chēng)的三相定子繞組接通于對稱(chēng)的三相電源，從電工基礎理論知道其合成磁動(dòng)勢等于每相磁動(dòng)勢的1.5倍。而其他程序步2、3、5……中因為繞組的中性點(diǎn)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，其相應的合成磁動(dòng)勢也為并聯(lián)繞組的0.5，故繞組串并聯(lián)后的合成磁動(dòng)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(dòng)勢相等，因此[圖1]在滾動(dòng)到各程序步中產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢大小相等，在滾動(dòng)中能形成一個(gè)圓形的滾動(dòng)旋轉磁場(chǎng)，這使得[圖1]在滾動(dòng)調速中能獲得運轉平穩、噪音低等等良好的性能。

從【圖1】及程序【A】可見(jiàn)，每個(gè)程序步的負載切換始終是由設置在定子繞組中性點(diǎn)的Q對并聯(lián)繞組之一進(jìn)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(diǎn)上，因此 Q的開(kāi)關(guān)損耗將大幅降低；而無(wú)載操作的K的損耗更低，故[圖1]中各電子開(kāi)關(guān)的壽命將顯著(zhù)延長(cháng)；而Q產(chǎn)生的操作干擾也將顯著(zhù)降低；在程序步交換的暫態(tài)過(guò)程中，由于此刻通電的其它兩相繞組在空間互差120°，兩個(gè)繞組中流過(guò)的電流雖然相等但是方向相反（流入和流出），兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢矢量的夾角為60°，它們產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢矢量的幅值即為單個(gè)繞組的磁動(dòng)勢矢量幅值√3=1.73倍，比圓形的合成磁動(dòng)勢矢量幅值只稍微大了0.23，而其發(fā)生的時(shí)間極短，故產(chǎn)生的雜散波很小，因此總體上執行程序【A】確實(shí)能得到圓形的滾動(dòng)旋轉磁場(chǎng)，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(diǎn)接地而大量導入地中。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(dòng)作的可能性也幾乎為零，這對保證[圖1]穩定可靠地工作很有意義。

從程序【A】的“開(kāi)關(guān)轉換表”可見(jiàn)，將“開(kāi)關(guān)轉換表”的每步程序中各個(gè)開(kāi)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(jìn)制代碼控制信號，信號的順序組成代表著(zhù)滾動(dòng)程序，執行信號的速度反映了滾動(dòng)的速度，這些信號無(wú)須根據溫度等等其他參數的變化而修正，故簡(jiǎn)單可靠?？梢?jiàn)GDT是個(gè)開(kāi)環(huán)系統而無(wú)須建立反饋通道，無(wú)須建立數學(xué)模型，據“開(kāi)關(guān)轉換表”即可編程；還可見(jiàn)GDT的控制裝置只須是個(gè)結構簡(jiǎn)單的數字化裝置，只要有能按照滾動(dòng)調節的需要發(fā)出上述二進(jìn)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)給相應的電子開(kāi)關(guān)，就可完成規定的程序操作，即可構成GDT的控制裝置。

由于滾動(dòng)操作中不改變電動(dòng)機的結構，因此電動(dòng)機的自然機械特性的形狀也不變；但是，由于滾動(dòng)操作中基本轉速n1與滾動(dòng)轉速Δn的合成改變了合成旋轉磁場(chǎng)的轉速，也就改變了轉子感應電勢的頻率和理想空載轉速n0，使機械特性產(chǎn)生了沿縱軸的上下平行移動(dòng)；而在機械特性沿縱軸向下移動(dòng)到轉速n=0的位置時(shí)，因合成旋轉磁場(chǎng)轉速甚低，使轉子有較高的功率因數和電磁力矩而可實(shí)現GDT的軟啟動(dòng)；常規異步電動(dòng)機低速運行時(shí)常由于“齒波轉矩”“低次諧波”的存在而產(chǎn)生電機震動(dòng)及噪音大的現象，而GDT在低速甚至零速時(shí)卻不存在這種現象，這是因為GDT在轉速為零時(shí)的“齒波轉矩”“低次諧波”被仍然存在的更加強大的對應于滾動(dòng)所產(chǎn)生的“高次諧波”所淹沒(méi)的緣故。也就是說(shuō)，GDT可以在電動(dòng)機調速過(guò)程中實(shí)現超低噪音運行，這個(gè)性質(zhì)在某些特殊場(chǎng)合（例如作為潛水艇的驅動(dòng)電動(dòng)機）將尤其有用。

由于GDT中的加速開(kāi)關(guān) Q采用了全控器件，其斷開(kāi)延時(shí)約為1.1μs，而調速開(kāi)關(guān)是在無(wú)電流時(shí)完成切換的，其斷開(kāi)延時(shí)更短。如GDT的節拍時(shí)間選為11μs，則執行程序【A】時(shí)每9步即99μsGDT可滾動(dòng) 360°，其滾動(dòng)轉速即為±60萬(wàn)轉/分，可見(jiàn)GDT顯著(zhù)擴大了調速范圍；而滾動(dòng)轉速還取決于由控制裝置給出的由數字指令決定的程序步的頻率fψ，而調速時(shí)可將Δfψ取得極小而實(shí)現數字化無(wú)級調速,且只要穩定滾動(dòng)操作頻率fψ就可以實(shí)現穩速。

需要改變滾動(dòng)轉速的方向時(shí)，只要將程序【A】的執行順序反過(guò)來(lái)執行即得到使GDT反轉的程序【-A】。

在執行調速程序時(shí)電路的轉換是很容易實(shí)現的，例如從調速程序【A】的第1步轉向第2步時(shí)的電路切換，只要按照 Q30→K90[C]→K81[B]→Q31；即在Q3斷開(kāi)后將K9斷開(kāi)再將K8接通，然后Q3接通，就可實(shí)現從“U、V、W接于A(yíng)、B、C”向“UO+OV/OW接于A(yíng)、B”的轉換而很少產(chǎn)生雜散波，而其它開(kāi)關(guān)都不需切換即可完成。由此可見(jiàn)，在這個(gè)電路切換過(guò)程中，始終遵守了只在定子繞組的中性點(diǎn)對并聯(lián)環(huán)節之一進(jìn)行有載操作的“滾動(dòng)操作法”，因此[圖1]能有良好的電氣性能。

GDT在電動(dòng)機啟動(dòng)到一定轉速以后，就可以停止滾動(dòng)操作而保持電源的固定接通，則電動(dòng)機將繼續加速直到電動(dòng)力矩與負載力矩相平衡，實(shí)現在與其電源相對應的自然特性的某點(diǎn)穩定運行。在此狀態(tài)下，與三相電源持續接通的電子開(kāi)關(guān)不執行滾動(dòng)操作因此不發(fā)生通斷損耗，因此電子開(kāi)關(guān)的工作條件最輕松。對于許多需要調速的生產(chǎn)機械來(lái)說(shuō)，調速只是在出現了不常情況時(shí)偶然發(fā)生，例如調節泵等等。在這樣性質(zhì)的負載下使用GDT可以使其電子開(kāi)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(kāi)拓

GDT有多種實(shí)現方式，如[圖1]中去掉B、C兩相電源及相應的電子開(kāi)關(guān)即得到單相的GDT的形式；它們都有相應的程序來(lái)實(shí)現滾動(dòng)調速和能獲得優(yōu)秀的運行性能；又如具有定子繞組雙Y形接線(xiàn)的三相交流滾動(dòng)調速器SGDT，它實(shí)際上就是兩個(gè)[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(jìn)行滾動(dòng)操作，其性能如同一組繞組滾動(dòng)操作一樣，只是合成磁動(dòng)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(dòng)操作，例如第一組繞組滾動(dòng)操作一步后停止操作，由第二組繞組滾動(dòng)操作一步后停止操作，再由第一組繞組滾動(dòng)操作一步后停止操作，如此循環(huán)往復，則可使SGDT執行程序【A】的速度及相應的電磁力矩都降低為一半，每步的轉角減小為一半，使SGDT的滾動(dòng)轉速為±30萬(wàn)轉/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(dòng)操作之間始終保持一個(gè)相位差，例如相差60°，也可以形成圓形的滾動(dòng)旋轉磁場(chǎng)，只是略微縮小了合成磁動(dòng)勢及相應的電磁力矩，滾動(dòng)轉速仍為±60萬(wàn)轉/分。增大兩者的相位差可減小其電磁力矩及轉速；使兩者的相位差達180°可使其電磁力矩及轉速為0。SGDT的兩組繞組還可以是由一個(gè)三相GDT和一個(gè)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的電動(dòng)機GDT，如三相電源下的多組定子Y形接線(xiàn)的三相電動(dòng)機，必能獲得越豐富的調節功能，如此等等；而每種形式都有不同的滾動(dòng)運行程序，從而可獲得不同的滾動(dòng)調節性能，可見(jiàn)SGDT也是很有實(shí)用價(jià)值的滾動(dòng)調節方法。

GDT還可以用作發(fā)電機輸出電壓參數的調節。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)電機轉子激磁繞組的對稱(chēng)的（交流或直流）電源在發(fā)電機對稱(chēng)的轉子激磁繞組上按照程序【A】的滾動(dòng)程序作用下滾動(dòng)旋轉起來(lái)，獲得發(fā)電機轉子的勻速滾動(dòng)的激磁磁場(chǎng)進(jìn)行發(fā)電，也可調節發(fā)電機輸出的頻率、相位角、波形等等參數。

GDT[圖1]中的電動(dòng)機定子或轉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節。也就是說(shuō)，GDT同樣可按照[圖1]設置在變壓器的原邊或副邊繞組上，再配合相應的滾動(dòng)操作程序，即可用來(lái)調節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，以達到GDT讓變壓器和電動(dòng)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(mǎn)足用戶(hù)需要的目的。例如，首先，可調節發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電機及升壓變壓器的一次和二次繞組上設置的GDT讓變壓器輸出電壓的頻率下調至接近直流，用這樣的低頻高壓電流進(jìn)行輸電（接近于直流輸電，可稱(chēng)為“亞直流輸電法”）可降低電網(wǎng)線(xiàn)路的無(wú)功損耗及線(xiàn)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(hù)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)節能的目的。這種方法可能比直流輸電更價(jià)廉物美，從而更有推廣價(jià)值！

電網(wǎng)的頻率還常常會(huì )隨著(zhù)負載的上升而降低，頻率的波動(dòng)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(jìn)行實(shí)時(shí)調整來(lái)彌補電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，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]執行程序【A】及設置了相應的節拍時(shí)間時(shí)滾動(dòng)轉速能達60萬(wàn)轉/分、即1萬(wàn)轉/秒，它對應發(fā)電機滾動(dòng)輸出電壓頻率達1萬(wàn)Hz；如果將[圖1]中的電子開(kāi)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】對應發(fā)電機GDT滾動(dòng)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的應用則進(jìn)入了一個(gè)更加新穎的領(lǐng)域。

（四） 結論 

GDT的特征歸納如下： 

1.  GDT可實(shí)現的滾動(dòng)轉速極高 ,大大拓寬了調速范圍。GDT可以在電動(dòng)機調速過(guò)程中實(shí)現超低噪音運行，這在某些特殊場(chǎng)合（例如作為潛水艇的驅動(dòng)電動(dòng)機）將尤其有用。GDT還可利用反向執行程序來(lái)將電動(dòng)機反轉。

2.  GDT由于承擔電流操作的Q、K等全部電子開(kāi)關(guān)都顯著(zhù)改善了工作條件而可延長(cháng)壽命。把這個(gè)特征應用在具有繁重的工作條件的反復啟動(dòng)、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(dòng)上時(shí)，電子開(kāi)關(guān)將不再成為限制拖動(dòng)系統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節，甚至可將GDT應用于發(fā)電機、變壓器，則更能符合智能電網(wǎng)的節能及降低電網(wǎng)污染的要求，可獲得更廣闊的市場(chǎng)。

3.  由于GDT在不進(jìn)行滾動(dòng)操作時(shí)滾動(dòng)轉速為零而以基本轉速運行，使中GDT的電子開(kāi)關(guān)的工作條件最輕松。而實(shí)際上許多需要調速的生產(chǎn)機械在正常生產(chǎn)中通常是不調速的，例如調節泵等等。與變頻器相比較，在這些生產(chǎn)機械中使用GDT可使電子開(kāi)關(guān)和電網(wǎng)在長(cháng)期的正常運行中獲得最良好的工作條件?？梢杂卯惒诫妱?dòng)機構成的GDT在直流電網(wǎng)中滾動(dòng)操作實(shí)現調速運行。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)生圓形旋轉磁場(chǎng)，故單相GDT的性能和可靠性要比具有橢圓形旋轉磁場(chǎng)的傳統單相電動(dòng)機要高得多。

4.  GDT的速度由電動(dòng)機的基本轉速和滾動(dòng)轉速合成，而同步電動(dòng)機的GDT卻能實(shí)現開(kāi)環(huán)控制下的精準調速，而且可以方便地利用滾動(dòng)調速啟動(dòng)，同時(shí)GDT的軟啟動(dòng)功能還可以取消同步電動(dòng)機原設置的啟動(dòng)籠型繞組而簡(jiǎn)化其裝置，它代表了GDT的發(fā)展方向，同步電動(dòng)機與GDT才是絕配！估計它將能占領(lǐng)電氣傳動(dòng)市場(chǎng)的50%，其他50%的市場(chǎng)為異步電動(dòng)機GDT的開(kāi)環(huán)滾動(dòng)調速及其他調速形式所取得。由此可見(jiàn)性能更優(yōu)秀的GDT將取代傳統變頻器！  

雖然GDT的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)調節器的創(chuàng )新點(diǎn)

創(chuàng )造性的提出了滾動(dòng)調速理念及并聯(lián)繞組操作法，切換電機定子繞組的電子開(kāi)關(guān)分為兩種產(chǎn)品不同的設置：切換電流的全控開(kāi)關(guān)設置在繞組的直接接地的中性點(diǎn)上對并聯(lián)繞組之一進(jìn)行操作，這是全新的設置，可使全控開(kāi)關(guān)的工作電壓及電流都明顯降低，使開(kāi)關(guān)損耗降低；由于開(kāi)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(kāi)關(guān)操作對電網(wǎng)的污染，也降低了電網(wǎng)雜散波對開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的干擾，提高了開(kāi)關(guān)工作的可靠性；定子繞組在無(wú)電流條件下的換接由半控開(kāi)關(guān)去完成。這樣既降低了全部開(kāi)關(guān)成本，也改善了開(kāi)關(guān)的工作條件，延長(cháng)了開(kāi)關(guān)壽命。滾動(dòng)調速器結構簡(jiǎn)單，全部?jì)H由少量電子開(kāi)關(guān)和PLC控制器組成，沒(méi)有整流器、鎮流器、濾波器等等，全控開(kāi)關(guān)的操作可達微秒級，使滾動(dòng)調速的電動(dòng)機調速范圍巨大，可達到100萬(wàn)轉/分甚至更高！性?xún)r(jià)比遠遠超過(guò)現有的變頻器！

（本文來(lái)自于《電子產(chǎn)品世界》2020年11月期）