关于提高变频器调频速度的研究

　　目前，变频器已经大量应用在需要调整工况和节能的生产环节中，为方便地调整电机工况和节约电能，变频器起了很大的作用。在能源日益紧缺，不得不提出建立节能型社会的今天和明天，变频器将会得到更加广泛的应用。

　　如果用户在对变频器的使用时需要比较快速、比较频繁地调整频率，传统的变频器就很难满足其需要，特别是在惯性大的负载上使用变频器时，必须将升、降频(特别是降频)速度设置的比较慢，以适应由于惯性造成的电机转速的滞后。因为电机及其负载由于惯性的原因，其转速与变频器输出的频率的同步需要一段时间，特别是用于惯性大的负载时，这个时间就比较长。如果频率调整的速度远远快于电机转速，电机将处于四象限运行的发电状态，业内同仁都知道，这个发电状态对于变频器是很危险的。传统变频器对于这个问题的解决办法是设置泄放保护电路，但即便是在变频器上设置了泄放保护电路，也仅仅是保护了变频器不会因此而发生故障，并没有真正解决电机及其负载的惯性问题，这是因为传统的变频器只是输出电能的频率和电压的调整装置，对于电机的惯性并没有制约。正是由于传统的变频器没有设置对电机惯性的制约功能，就使其在某些有特殊需要的场合不能方便、安全和可靠的使用，事实上也限制了变频器的应用范围。

　　用机械的方法显然不能对被控电机实施有效地同步制动;而采用传统的电制动手段虽然可以在操作上与变频器的调频同时进行，但是由于传统的电制动大都是以刹车为目的的，要想将被控电机的转速与调频过程同步也是非常困难的。这就是使用变频器调整被控异步电机转速，不如直流电机的调速效果那么好的主要原因。

　　本文作者以独特的思维方式找到了一种能够较好地控制被控电机的转速，使其能够与变频器输出电能的频率尽快同步的电制动方法，用这个制动方法协助变频器调整被控电机转速，可以最大限度的适应电机及其负载的惯性，使电机的转速在尽量短的时间内与变频器输出电能的频率同步，不仅对变频器起到了保护的作用，还使变频器能够适应必较快速、比较频繁地调整频率和惯性大的负载的使用，进一步拓展了高、低压变频器的应用范围。如果将这个制动方法中的电机转速制动装置单独使用，还可以作为电机的软起动器和在需要频繁调整频率、需要精确制动甚至有反向运行要求的领域作为电机的调速装置。用这个电机转速制动装置作为电机的调速装置使用时，其调速效果可以与直流电机的调速效果相媲美。

　　1、提高变频器调频速度动态响应的原理

　　本项目的研究是为了克服上述传统变频器目前存在的缺陷，在传统变频器上增加比较简单并业已成熟的换相技术，为变频器的制造提供了一种新的附加技术。

　　本项研究根据的是三相交流电可以组成多种相序，并且其相位互有差距的原理。三相交流电可以组成多种相序，其相位互有差距的原理为:三相交流电分别为A相、B相、C相。三相交流电按不同顺序排列，产生三种正序排列:A、B、C;C、A、B;B、C、A和三种逆序排列:A、C、B;B、A、C;C、B、A。其中正序的三种排列电机的旋转方向相同，在相位上互有差距，对于对称的三相交流电来说，这三种正序的排列在相位上互差120°;逆序的三种排列同正序的三种排列一样，电机的旋转方向相同(只是与正序的三种排列时电机的旋转方向相反而已)，在相位上互差120°。

　　如果把被控三相异步电机定子的三根进线的顺序固定，并使它们按一定的规律和周期顺序的在三种正序排列方式(或在正序与逆序的排列)中切换，由于三种正序排列在相位上互差120°，每次切换后就使定子旋转磁场滞后120°(在正序与逆序的排列中切换，则是反向))，此时就会形成转子磁场拉定子磁场的发电制动状态，即回馈制动状态，如果使它们按一定的频率进行这种切换，电机将工作在电动与回馈制动交替的状态:在电动状态时，转差率S>0，在回馈制动状态时，转差率 S<0。回馈制动状态实际上就是“刹车”，这样一来就造成了转子在转动的过程中经常被“刹车”，转速自然也就随之慢下来了，切换相序的频率越高，在单位时间内定子旋转磁场滞后(“刹车”)的次数就越多，于是转子的转速就越低;反之，切换相序的频率越低，在单位时间内定子旋转磁场滞后(“刹车”)的次数就越少，于是转子的转速就越高，当切换相序的频率为“0”，即不进行切换时，转子的转速最高，为该电机的额定转速。当然如果把三相异步电机定子的三根进线的顺序固定，并使它们按一定的规律和周期顺序的在三种逆序排列方式中切换，也同样能够使定子旋转磁场产生的滞后，从而使转子的转速发生变化，只是转子旋转的方向相反而已。

　　用电机转速制动装置可快速调整变频器对电机转速的控制的具体工作原理是:在传统的变频器上安装切换同步电路(包括目标频率检索电路和指令选择电路)、切换控制器(包括指令存储器和指令发出电路)、切换控制电路和切换开关。当变频器不进行频率调整或调频结束(即运行当前频率已经达到目标频率)时，指令选择电路得不到目标频率检索电路的指令(或得到不进行相序切换的指令)，指令发出电路不发出切换指令，通过切换控制电路输出的驱动信号使电动机根据此时变频器输出的电能的频率正常匀速运行。当变频器发出频率调整指令(即目标频率与当前运行频率不同)时，目标频率检索电路检索到新的目标频率指令(如配置了当前运行频率与目标频率的差距的检索功能，还将检索到当前频率与新的目标频率的差距)，立即向指令选择电路发出相应的选择指令，指令选择电路在指令存储器中选出相应的切换指令，并通过指令发出电路向切换控制电路发出相应的相序切换频率的指令，在整个频率调整过程中(即当前运行频率没有达到目标频率之前)，相序切换一直按一定的频率进行，直到频率调整过程结束(即当前运行频率与目标频率一致)时，相序切换停止。这样，在相序切换功能的协助下，通过定子旋转磁场相位变化对电机转子实施制动，使电机的转速能够较快的与变频器输出的电能的频率相吻合，实现了快速调整电机转速的目的。在这里必须指出的是:本文所举的例子是把变频器在频率调整过程中的当前运行频率和目标频率当作信息源的，在制造和现场调试时，还最好配以在频率调整过程中电机转速的检测，以便尽量准确的确定相序切换频率与频率调整过程的对应关系;当然，如果设计时增加对电机的转速进行矢量检测，并以此作为辅助信息源参与相序切换频率与频率调整，效果会更好，只是会增加一定的制造成本。

　　如果将所述的电机转速制动装置单独使用，即将其中的指令选择电路、切换控制器(包括指令存储器和指令发出电路)、切换控制电路、切换开关等配置上操作器及界面制造成独立的控制装置，并在指令存储器中预存相应的指令，就可以作为电机的软起动器，还可以作为在调整频率频繁、需要精确制动和有反向运行要求的场合使用的电机调速装置。

　　但是由于目前还没有能够承受高电压(6kV、10kV)可以直接单独在高压环境使用的半导体开关器件，所以在用相序切换的功能协助高压电机调速时，必须采用如下的方法:

　　(1) 将多个半导体开关器件，在并联同步保护电路的协助下串联使用，使其达到能够承受高电压的能力,实现相序切换;

　　(2) 在高压变频器的频率程序中增设相序切换功能，在波形发生环节实现相序切换,这样只需在原来的控制程序的基础上,增加相应的相序切换程序即可实现，无需硬件的增加和改造，这是比较安全可靠的方法;

　　(3) 一旦有了能够承受高电压(6kV、10kV)可以直接单独在高压环境使用的半导体开关器件，就直接采用半导体开关器件实现相序切换。

　　由于电机在制动时可能会产生能量，所以还应该设置能量吸收泄放电路，以对变频器在频率调整程序中实施保护。当然，如果设置了能量回馈电路将电机在制动时所产生的能量回馈到前级电路再加以利用就更好了，这样又进一步提高了节能的效果。

　　2　结束语

　　本文介绍的这项技术已经申请了专利，它只在传统变频器上增加比较简单并业已成熟的换相技术，就可克服传统变频器存在的缺陷，为变频器的制造提供了一种新的附加技术，同时也可扩大变频器的应用范围。