關于提高變頻器調頻速度的研究

　　目前，變頻器已經大量應用在需要調整工況和節能的生產環節中，為方便地調整電機工況和節約電能，變頻器起了很大的作用。在能源日益緊缺，不得不提出建立節能型社會的今天和明天，變頻器將會得到更加廣泛的應用。

　　如果用戶在對變頻器的使用時需要比較快速、比較頻繁地調整頻率，傳統的變頻器就很難滿足其需要，特別是在慣性大的負載上使用變頻器時，必須將升、降頻(特別是降頻)速度設置的比較慢，以適應由于慣性造成的電機轉速的滯后。因為電機及其負載由于慣性的原因，其轉速與變頻器輸出的頻率的同步需要一段時間，特別是用于慣性大的負載時，這個時間就比較長。如果頻率調整的速度遠遠快于電機轉速，電機將處于四象限運行的發電狀態，業內同仁都知道，這個發電狀態對于變頻器是很危險的。傳統變頻器對于這個問題的解決辦法是設置泄放保護電路，但即便是在變頻器上設置了泄放保護電路，也僅僅是保護了變頻器不會因此而發生故障，并沒有真正解決電機及其負載的慣性問題，這是因為傳統的變頻器只是輸出電能的頻率和電壓的調整裝置，對于電機的慣性并沒有制約。正是由于傳統的變頻器沒有設置對電機慣性的制約功能，就使其在某些有特殊需要的場合不能方便、安全和可靠的使用，事實上也限制了變頻器的應用范圍。

　　用機械的方法顯然不能對被控電機實施有效地同步制動;而采用傳統的電制動手段雖然可以在操作上與變頻器的調頻同時進行，但是由于傳統的電制動大都是以剎車為目的的，要想將被控電機的轉速與調頻過程同步也是非常困難的。這就是使用變頻器調整被控異步電機轉速，不如直流電機的調速效果那么好的主要原因。

　　本文作者以獨特的思維方式找到了一種能夠較好地控制被控電機的轉速，使其能夠與變頻器輸出電能的頻率盡快同步的電制動方法，用這個制動方法協助變頻器調整被控電機轉速，可以較大限度的適應電機及其負載的慣性，使電機的轉速在盡量短的時間內與變頻器輸出電能的頻率同步，不僅對變頻器起到了保護的作用，還使變頻器能夠適應必較快速、比較頻繁地調整頻率和慣性大的負載的使用，進一步拓展了高、低壓變頻器的應用范圍。如果將這個制動方法中的電機轉速制動裝置單獨使用，還可以作為電機的軟起動器和在需要頻繁調整頻率、需要精確制動甚至有反向運行要求的領域作為電機的調速裝置。用這個電機轉速制動裝置作為電機的調速裝置使用時，其調速效果可以與直流電機的調速效果相媲美。

　　1、提高變頻器調頻速度動態響應的原理

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

　　本項研究根據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的旋轉方向相同，在相位上互有差距，對于對稱的三相交流電來說，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，電機的旋轉方向相同(只是與正序的三種排列時電機的旋轉方向相反而已)，在相位上互差120°。

　　如果把被控三相異步電機定子的三根進線的順序固定，并使它們按一定的規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磁場滯后120°(在正序與逆序的排列中切換，則是反向))，此時就會形成轉子磁場拉定子磁場的發電制動狀態，即回饋制動狀態，如果使它們按一定的頻率進行這種切換，電機將工作在電動與回饋制動交替的狀態:在電動狀態時，轉差率S>0，在回饋制動狀態時，轉差率 S<0。回饋制動狀態實際上就是“剎車”，這樣一來就造成了轉子在轉動的過程中經常被“剎車”，轉速自然也就隨之慢下來了，切換相序的頻率越高，在單位時間內定子旋轉磁場滯后(“剎車”)的次數就越多，于是轉子的轉速就越低;反之，切換相序的頻率越低，在單位時間內定子旋轉磁場滯后(“剎車”)的次數就越少，于是轉子的轉速就越高，當切換相序的頻率為“0”，即不進行切換時，轉子的轉速較高，為該電機的額定轉速。當然如果把三相異步電機定子的三根進線的順序固定，并使它們按一定的規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磁場產生的滯后，從而使轉子的轉速發生變化，只是轉子旋轉的方向相反而已。

　　用電機轉速制動裝置可快速調整變頻器對電機轉速的控制的具體工作原理是:在傳統的變頻器上安裝切換同步電路(包括目標頻率檢索電路和指令選擇電路)、切換控制器(包括指令存儲器和指令發出電路)、切換控制電路和切換開關。當變頻器不進行頻率調整或調頻結束(即運行當前頻率已經達到目標頻率)時，指令選擇電路得不到目標頻率檢索電路的指令(或得到不進行相序切換的指令)，指令發出電路不發出切換指令，通過切換控制電路輸出的驅動信號使電動機根據此時變頻器輸出的電能的頻率正常勻速運行。當變頻器發出頻率調整指令(即目標頻率與當前運行頻率不同)時，目標頻率檢索電路檢索到新的目標頻率指令(如配置了當前運行頻率與目標頻率的差距的檢索功能，還將檢索到當前頻率與新的目標頻率的差距)，立即向指令選擇電路發出相應的選擇指令，指令選擇電路在指令存儲器中選出相應的切換指令，并通過指令發出電路向切換控制電路發出相應的相序切換頻率的指令，在整個頻率調整過程中(即當前運行頻率沒有達到目標頻率之前)，相序切換一直按一定的頻率進行，直到頻率調整過程結束(即當前運行頻率與目標頻率一致)時，相序切換停止。這樣，在相序切換功能的協助下，通過定子旋轉磁場相位變化對電機轉子實施制動，使電機的轉速能夠較快的與變頻器輸出的電能的頻率相吻合，實現了快速調整電機轉速的目的。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整過程中的當前運行頻率和目標頻率當作信息源的，在制造和現場調試時，還較好配以在頻率調整過程中電機轉速的檢測，以便盡量準確的確定相序切換頻率與頻率調整過程的對應關系;當然，如果設計時增加對電機的轉速進行矢量檢測，并以此作為輔助信息源參與相序切換頻率與頻率調整，效果會更好，只是會增加一定的制造成本。

　　如果將所述的電機轉速制動裝置單獨使用，即將其中的指令選擇電路、切換控制器(包括指令存儲器和指令發出電路)、切換控制電路、切換開關等配置上操作器及界面制造成獨立的控制裝置，并在指令存儲器中預存相應的指令，就可以作為電機的軟起動器，還可以作為在調整頻率頻繁、需要精確制動和有反向運行要求的場合使用的電機調速裝置。

　　但是由于目前還沒有能夠承受高電壓(6kV、10kV)可以直接單獨在高壓環境使用的半導體開關器件，所以在用相序切換的功能協助高壓電機調速時，必須采用如下的方法

　　(1) 將多個半導體開關器件，在并聯同步保護電路的協助下串聯使用，使其達到能夠承受高電壓的能力,實現相序切換

　　(2) 在高壓變頻器的頻率程序中增設相序切換功能，在波形發生環節實現相序切換,這樣只需在原來的控制程序的基礎上,增加相應的相序切換程序即可實現，無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)可以直接單獨在高壓環境使用的半導體開關器件，就直接采用半導體開關器件實現相序切換。

　　由于電機在制動時可能會產生能量，所以還應該設置能量吸收泄放電路，以對變頻器在頻率調整程序中實施保護。當然，如果設置了能量回饋電路將電機在制動時所產生的能量回饋到前級電路再加以利用就更好了，這樣又進一步提高了節能的效果。

　　2、結束語

　　本文介紹的這項技術已經申請了專利，它只在傳統變頻器上增加比較簡單并業已成熟的換相技術，就可克服傳統變頻器存在的缺陷，為變頻器的制造提供了一種新的附加技術，同時也可擴大變頻器的應用范圍。