（一）概况：
滚动调节器（申请号201921089124.6）简称为GDT。其目的是要提供一种利用“滚动调速”原理进行调速的调速装置。“滚动调速”的思路来源是：把已经接通了电源而转动的电动机的定子再物理地滚动起来，从而也可实现电动机的调速；当然这种物理滚动的本身是不现实的，但是物理滚动却提示了滚动调速的新型调速方向：如果把在空间对称和均匀分布的定子绕组相对于它的电源之间连续不停地进行滚动换接来代替定子的物理滚动，不也可实现电动机的调速了吗！由此导出了电动机的新的调速方法：“滚动操作法”。

（二）GDT的实现
GDT如[图1]所示，它由电子开关和控制装置组成。控制装置可使用PLC、单片机，安装在定子绕组首端的调速开关K1~K9全部使用具有阻容吸收电路的双向可控硅，因为可控硅的价格便宜而且抗干扰能力较强；但它的关断速度较慢;为了加快速度采用了安装在绕组中性点的全控器件加速开关Q1~Q3。
GDT是一种可以选择单相、两相或三相电源调速的滚动调速的装置，其原理接线图如[图1]所示。

C
~380 V B
A

K1K2 K3 K4K5 K6 K7K8 K9 调速开关
V
AB(AO)
CB AC(OC)
控制装置

CA BC U W
BA

[ 图 1 ] PGDT原理接线图

[图1]是一个连接三相电源的定子三相绕组Y形接线的普通电动机，为它安装了由电子开关和控制装置构成的GDT来实现滚动调速。其中调速开关K1 ~ K9是具有阻容吸收电路的双向可控硅，加速开关Q1~Q3是由两个全控器件（如IGBT、MCT、GTO等）反向并联而构成，用来加速电流的切换过程。每个Q1~Q3都与其串联的3个调速开关之一共同完成对所控制的绕组的接通和分断；但在任何时刻此3个调速开关只能有一个接通，以免发生电源短路；为此，加给它们的控制信号应保证Q1~Q3比K1 ~ K9后接通、先断开；这样，电流的切换任务都由Q1~Q3来完成，K1 ~ K9只在无电流状态下换接电路。
[图1]中使其定子绕组与电源相序之间进行滚动操作的程序【A】如下：
1.U、V、W接于A、B、C；磁动势矢量位置为φ= 0°； Q11+K11[A]、Q31+K51[B]、Q21+K91[C]；
2.UO+OV/OW接于A、B； Q20K90[C]K81[B]Q21；
3.UO/VO+OW接于A、B； Q30K50[B]K41[A]Q31；
4.V、W、U接于A、B、C；磁动势矢量位置为φ= 120°；Q31+K41[A]、Q21+K81[B]、Q10K10[A]K31[C]Q11；
5.VO/WO+OU接于A、C； Q20K80[B]K71[A]Q21；
6.WO+OU/OV接于A、C； Q30K40[A]K61[C]Q31；
7.W、U、V接于A、B、C；磁动势矢量位置为φ=24 0°；Q21+K71[A]、Q10K30[C]K21[B]Q11、Q31+K61[C]；
8.UO+OW/OV接于B、C； Q20K70[A]K91[C]Q21；
9.UO/VO+OW接于B、C； Q30K60[C]K51[B]Q31；
10.U、V、W接于A、B、C；磁动势矢量位置φ= 360°； Q10K20[B]K11[A]Q11；Q31+K51[B]；Q21+K91[C]；
11.UO+OV/OW接于A、B； Q20K90[C]K81[B]Q21；
12.…………如此往复

程序【A】中：UO+OV/OW的接法是绕组UO的前端(U)接于电源A，绕组UO的后端(O)连向OV/OW绕组的前端点(O)；OV/OW绕组的后端(V/W)接于电源B；“+”表示前后两个绕组元件串联；“/”表示前后两个绕组元件并联；磁动势矢量位置φ为从原位正（或反）转的角度。程序【A】的右部表示在执行滚动操作时电路的转换信息，可称为“开关转换表”。其中用电子开关的上标“1”表示它接通，如K11；用上标“0”表示它断开，如K10；用“”表示开关转换的方向和相应的时间过程，如K20K11表示K2先断开后K1才接通，两者在发生的时间上绝无重叠，以免造成电源短路。而“Q10K20[B]K11[A]Q11”则表示“K20K11”断开B及接通A的过程完全包含在“Q10Q11”之中。为了简单明了起见，未发生转换的开关在“开关转换表”中都不予列出。
程序1、4、7、10……各相邻两步之间的相对转动都是120°，因此[图1]在滚动中能实现匀速旋转。
程序1、4、7、10……为中性点接地的对称的三相定子绕组接通于三相电源，从电工基础理论知道其合成磁动势等于每相磁动势的1.5倍。而其他程序步2、3、5……中因为绕组的中性点接地，定子绕组都是按照两相绕组并联后与第3绕组串联而构成，并联绕组中电流为串联绕组电流的0.5，相应的磁动势也为并联绕组的0.5，故绕组串并联后的合成磁动势等于串联绕组的1.5倍，这恰恰与程序1、4、7等步中的合成磁动势相等，因此[图1]在滚动到各程序步中产生的合成磁动势大小相等，在滚动中能形成一个圆形的滚动旋转磁场，这使得[图1]在滚动调速中能获得运转平稳、噪音低等等良好的性能。
从【图1】及程序【A】可见，切换电源始终是由设置在定子绕组中性点的加速开关Q对绕组的并联环节进行的，这个重要特征使滚动调节器获得了突出的性能创新优势：因为程序【A】中各步中都是只将并联绕组中的一相绕组进行切换而其他两相绕组连接不变，因此切换的电流只有串联绕组中电流的一半，加速开关 Q又安装在电压基本为0的中性点上，因此 Q的开关损耗将大幅降低；而调速开关K的损耗更低，故[图1]中各电子开关的寿命将显著延长；而Q产生的谐波干扰也将显著降低；只有在程序步交换的过程中磁动势会发生瞬间波动。由于此刻通电的其它两相绕组在空间互差120°，两个绕组中流过的电流虽然相等但是方向相反（一个是流入另一个是流出），两个绕组产生的磁动势矢量的夹角为60°，它们产生的合成磁动势矢量的幅值即为单个绕组的磁动势矢量幅值√3=1.73倍，比圆形的合成磁动势矢量幅值只稍微大了0.23，而其发生的时间极其短暂，故产生的杂散波很小，因此总体上执行程序【A】确实能得到圆形的滚动旋转磁场，能获得良好的运行性能；不但所产生的杂散波将被中性点接地而大量导入地中，而因受到定子绕组的大力阻隔；使杂散波经定子绕组的双向传播也被大幅降低，不但使GDT对电网的污染大幅降低，而且被电网杂散波造成Q误动作的可能性几乎为0，这对保证[图1]稳定可靠地工作很有意义。
由于在上述滚动调速过程中并不改变电动机的转子结构，因此在滚动调速过程中电动机的自然机械特性的形状并没有改变；这表示如果其中的电动机是同步、异步电动机，那么经过滚动调速后其机械特性仍然是同步、异步电动机的特性；但是，由于滚动操作中基本转速n1与滚动转速Δn的合成改变了合成旋转磁场的转速，也就改变了转子感应电势的频率和理想空载转速n0，使机械特性产生了沿纵轴的上下平行移动，而在机械特性沿纵轴向下移动到转速n=0的位置时，因合成旋转磁场虽然存在但转速甚低，致使转子可以获得比较高的功率因数和电磁力矩，借此可实现异步电动机GDT的软启动；常规异步电动机低速运行时常由于“齿波转矩”“低次谐波”的存在而产生电机震动及噪音大的现象，而GDT在低速甚至零速时却不存在这种现象，这是因为GDT在转速为零时的“齿波转矩”“低次谐波”被仍然存在的更加强大的对应于滚动所产生的“高次谐波”所淹没的缘故。也就是说，GDT可以在电动机调速过程中实现超低速、超低噪音运行，这个能静音运行的性质在某些特殊场合（例如作为潜水艇的驱动电动机）将尤其有用，而各种GDT都可利用调速开关的换相来实现将电动机的基本转速的反转。滚动调速的升速使转子感应电势的频率的升高还将导致GDT的转子感抗升高和容抗降低，使GDT的感抗转子的机械特性变软和容抗转子（如电容转子异步电动机）的机械特性变硬，稍微地改变了机械特性的硬度。
由于GDT中的加速开关 Q采用了全控器件，其断开延时约为1.1μs，而调速开关是在无电流时完成切换的，其断开延时更短。如将滚动程序步的节拍时间选为11μs，则执行程序【A】时每9步即99μsGDT可滚动 360°，其滚动转速即为±60万转/分，可见滚动操作显著扩大了调速范围；而滚动转速还取决于由控制装置给出的数字指令决定的程序步的频率fψ，而调速时可将频率fψ的变化增量可取得极小，因此滚动调速可以实现数字化无级调速,而只要稳定滚动操作频率fψ就可以实现稳速。
需要改变滚动转速的方向时，只要将程序【A】的执行顺序反过来执行即得到使GDT反转的程序【B】。
根据程序【A】中右部的“开关转换表”可以编撰控制装置PLC的控制程序。
定子绕组为△形接线的电动机因为无中性点，不能在中性点安装Q开关，故只能构成PGDT。

由于滚动调速时三相电源被“滚动”地输入电动机绕组，它所形成的旋转磁场的实际转速将为n +Δn，其中n为由输入的三相电源的参数所决定的旋转磁场转速，旋转磁场的附加“滚动”转速分量Δn =ψ×fψ/360°是由于执行了“滚动”操作而形成的分量，而式中fψ表示“滚动”位移角ψ发生的频率。因为ψ和fψ都是可由控制装置加以控制的变量，故智能三相交流电动机可以准确调速和改变其运行特性。由于在上述调速过程中并不改变电动机的结构特征，因此在滚动调速过程中电动机机械特性的形状没有改变；但是，由于滚动操作中基本转速n与滚动转速Δn的合成改变了旋转磁场的转速，也就改变了机械特性与转速纵轴的交点，改变了理想空载转速n0，使机械特性产生了沿纵轴的上下平行移动，借以实现滚动调速和软启动。由于滚动操作使转子感应电势的频率升高（降低），将导致电感性转子的自然机械特性变软，电容性转子的自然机械特性变硬。而且，由于滚动调速是依靠改变位移角ψ发生的频率fψ来实现调速的，而调速时频率fψ的改变可以很小，可以是依照自然数序列逐步改变，增量最小可为1，因此滚动调速可以实现无级调速。而只要稳定滚动操作频率fψ就可以实现稳速。
在执行调速程序时电路的转换是很容易实现的，例如从调速程序【A】的第1步转向第2步时的电路切换，只要按照 Q20K90[C]K81[B]Q21；即在Q2断开后将K9断开再将K8接通，然后Q2接通，就可实现从“U、V、W接于A、B、C”向“UO+OV/OW接于A、B”的转换而很少产生杂散波。而其它调速开关都不需切换即可完成。从调速程序的操作规程可以看出，在这个电路切换过程中，始终遵守了只在定子绕组的中性点对并联环节之一进行有载操作的“滚动操作法”的操作原则，因此[图1]能有良好的电气性能。
GDT还有一个特殊的运行状态：即在电动机利用滚动调速方法启动到一定转速以后，只要电磁力矩已经大于静阻力矩而可以产生加速力矩时，就可以停止滚动操作而保持电源的固定接通，则电动机将在定子磁场中在加速力矩的驱动下继续加速直到达到电动力矩与负载力矩相平衡，实现在与其电源相对应的自然特性的某点稳定运行。在此状态下，与三相电源持续接通的电子开关不执行滚动操作因此不发生通断损耗，因此它对应着调速开关最轻的工作条件。对于许多需要调速的生产机械来说，正常状态往往是不调速，调速只是在出现了不常情况时偶然发生，例如调节泵等等。在这样性质的负载下使用GDT可以使其电子开关获得最轻松的工作条件，并且还彻底消除了对电网和环境的污染。因此使用快速型智能三相电动机时它将比变频器的性能指标更加先进。

（三）GDT的开拓
GDT有多种实现方式，如[图1]中去掉C相电源及相应的电子开关即得到两相的GDT的形式；[图1]中去掉B、C两相电源及相应的电子开关即得到单相的GDT的形式；它们都有相应的程序来实现滚动调速和能获得优秀的运行性能，限于篇幅本文不做详细介绍。又如具有定子绕组双Y形接线的三相交流滚动调速器SGDT，它实际上就是两个[图1]的同轴组合，SGDT是GDT的一种特例；因此SGDT与[图1]同样可执行“滚动操作法”而也具有同样良好的运行性能。SGDT的双Y形绕组可分别对应有不同的程序组合而获得形色各异的性质，例如其中第一组绕组和第二组绕组可以按照程序【A】同步地进行滚动操作，其性能如同一组绕组滚动操作一样，只是合成磁动势及电磁力矩都放大了一倍；而第一组绕组和第二组绕组还可以按照程序【A】错步滚动操作，例如第一组绕组滚动操作一步后停止操作，由第二组绕组滚动操作一步后停止操作，再由第一组绕组滚动操作一步后停止操作，如此循环往复，则可使SGDT执行程序【A】的速度及相应的电磁力矩都降低为一半，每步的转角减小为一半，使SGDT的滚动转速为±30万转/分；而运行得更加均匀。如果使第一组绕组和第二组绕组同方向的滚动操作之间始终保持一个相位差，例如相差60°，也可以形成圆形的滚动旋转磁场，只是略微缩小了合成磁动势及相应的电磁力矩，滚动转速仍为±60万转/分。增大两者的相位差可减小其电磁力矩及转速；使两者的相位差达180°可使其电磁力矩及转速为0。SGDT的两组绕组还可以是由一个三相GDT和一个单相GDT组成；SGDT的两组绕组还可以是由一个三相GDT和一个两相GDT组成；改变了两组绕组的组合就可获得新的性能，由此推论：具有越多组的定子绕组组数的电动机GDT，如三相电源下的多组定子Y形接线的三相电动机，必能获得越丰富的调节功能，如此等等；而每种形式都有不同的滚动运行程序，从而可获得不同的滚动调节性能，可见SGDT也是很有实用价值的滚动调节方法。
GDT还可以用作发电机输出电压参数的调节。此时将[图1]中的电动机的电源输入ABC改为发电机的电源输出ABC，开关设置不变；调节时当使发电机电源输出线ABC滚动换接的方向与转子转动的方向一致时，相当于降低了发电机转子的转速，可使发电机输出电压的频率及幅值下降；当使ABC滚动换接的方向与转子相反时，等于提高了转子的转速，可使发电机输出电压的频率及幅值上升。从[图1]及程序【A】知，当发电机GDT[图1]执行程序【A】及设置了相应的节拍时间时滚动转速能达60万转/分、即1万转/秒，它对应发电机滚动输出电压频率达1万Hz；如果将[图1]中的电子开关选择为关断速度达到纳秒级的超高速产品，即电子开关的通断频率可再提高6个数量级，则从[图1]及程序【A】对应发电机GDT滚动输出电压频率将达1010Hz,达到了光波的频率范围！那么发电机GDT[图1]将可能成为可调频率的光波发生器，GDT的应用则进入了一个更加新颖的领域。

（四） 结论
GDT的特征归纳如下：
1.GDT有良好的调节性能。不需其它专用设备，直接使用PLC、单片机之类的控制装置对电动机发出的数字信号即可实现升降速、正反转、起制动；控制方便灵活；由于执行了“滚动操作法”和具有相应的开关电路的全新设计，可开发出多种滚动操作程序，故与现有的脉宽调制、矢量控制、直接转矩控制等等调速方法比较起来，GDT的优点是：调速原理简单明确，装置结构简单，维护简单方便；且旋转磁场的附加“滚动”转速分量Δn =ψ×fψ/360°中的位移角ψ=60°及ψ发生的频率fψ都可预先设定和及时调控，方法简单适用，调速灵活快捷；而且各程序步对应的磁动势矢量幅值相等，滚动调速可以产生圆形旋转磁场，调速过程中基本不存在磁动势的波动，各程序步顺序交换时产生的位移角也完全相等（ψ=60°），故电动机的电磁力矩也无波动；故它的运行有良好的动、静态性能指标；2，无须建立电动机的数学模型及对各种模型参数进行采集和实时地修正，无须经由许多中间环节进行烦琐的数据处理，只要根据控制装置发来的数字信号就可进行调速；故调速设备简单，控制灵敏快捷，实时性好，可实现四象限运行（即加速、反转与电动、制动），工作稳定可靠，而且无如变频调速那样的对系统模型参数的浮动变化过敏之问题。
3. GDT可实现的滚动转速远超电源频率对应的同步转速n０ ,从而大大地拓宽了调速范围。也就是说，GDT可以在电动机调速过程中实现超高速、零速、超低噪音运行，这个能静音运行的性质在某些特殊场合（例如作为潜水艇的驱动电动机）将尤其有用。GDT还可利用调速开关的换相来将电动机的基本转速实现反转。
4. GDT由于承担电流操作的加速开关位于电压为零并且接地的中性点，并且只在并联通路之一实施操作，使加速开关的通断损耗显著降低；而且调速开关只在无负载电流的条件下切换电路，其通断损耗当然为零；可见全部电子开关都显著改善了工作条件而可延长寿命。把这个特征应用在具有繁重的工作条件的反复启动、频繁操作的特别是大容量的各种生产机械如轧钢机的拖动上时，电子开关将不再成为限制拖动系统容量和工作制度的瓶颈，这使得GDT比变频器更能够适用于容量要大得多的电动机的调速，更能符合智能电网的降低电网污染的要求，使得GDT的表现将比变频调速更加优秀并且可获得更广阔的市场。
5. GDT中由于电抗性的定子绕组位于加速开关和电网之间，故加速开关切换电路时所造成的谐波污染向电网的传输被电动机定子绕组所强力阻断，而显著降低加速开关操作时对电网的污染；同理，加速开关所承受的由电网传入的干扰也被明显地降低，这对于防止加速开关的误触发，保证稳定可靠地工作很有意义。
6. GDT可以适用于各种不同结构的电动机，而且同一种三相GDT只要采用各自相应的程序却可以适用于不同种类的电源（三相、两相、单相），证明GDT有良好的市场适应性；滚动调速不改变机械特性的形状，可以改变机械特性的硬度和理想空载转速；使用滚动调速可以造成机械特性的上下平行移动，因此有利于构成需要的人工机械特性。由于利用GDT可以获得软启动，优秀的软启动性能使得GDT能适合于许多生产机械。
7. 由于GDT的转速是由滚动转速和电动机的基本转速合成的，在不进行滚动操作时滚动转速为零，GDT以基本转速运行。而这种状态中GDT的电子开关的工作条件最轻松。而实际上许多需要调速的生产机械的调速是发生于出现不正常情况时才进行短时调速，正常生产中通常是不调速的，例如调节泵等等。与变频器相比较，在这些生产机械中使用GDT可使电子开关和电网在长期的正常运行中获得最良好的工作条件。由于滚动操作不但适用于交流调速还可适用于直流调速，因此可以用异步电动机构成的GDT在直流电网中利用滚动操作实现调速运行。由于GDT中利用了具有圆形旋转磁场的普通三相交流电动机，而且取消了常常是事故隐患的移相电容器，故GDT的运行性能和可靠性要比具有椭圆形旋转磁场的传统单相电动机要高得多。
8. 因为只要定子绕组是对称分布的电动机就可以进行滚动调速，而定子绕组是对称分布的电动机可以有多种，这还意味着GDT可有多种开发的形式，因此有广泛的开发前景。例如GDT不但有可以在三相、两相、单相电网、直流电网中运行的；还可以相应地开发出同步、异步、直流等等形式的GDT。
9. GDT的速度由电动机的基本转速和滚动转速合成，而同步电动机的GDT却能实现开环控制下的精准调速，而且可以方便地利用滚动调速启动，同时GDT的软启动功能还可以取消同步电动机原设置的启动笼型绕组而简化其装置，它代表了GDT的发展方向，同步电动机与GDT才是绝配！估计它将能占领电气传动市场的50%，其他50%的市场为异步电动机GDT的开环滚动调速及其他调速形式所取得。由此可见性能更优秀的GDT将取代传统变频器！
10. 综上所述，与当前的主流产品变频器比较起来，可见GDT确实更显得价廉物美，市场前景可观。