串级调速

级联控制

串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。

前言

十几年前，串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时，随着近代变频调速的兴起，串级调速日渐萧条，被认为是落后的调速技术.如何评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是：⑴ 效率高；⑵ 调速平滑即无级调速；⑶ 调速范围宽；⑷调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；⑸成本低廉。

既然串级调速和变频调速有一致的调速特性。特点和性能：1）串级调速的控制设备焦复杂，成本较高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电压频率相同的外加电压，且要随频率变化是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电压用整流器整流成可控的直流电压来代替交变电压。2）串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率较高。3）低速时，转差功率损耗较大，功率因素较低，过载能力较弱。4）串级调速范围一般为（2~4）：1，适用用于大容量的通风机，提升机等泵类负载。5）串级调速电机要求是滑环电机，电机滑环碳刷需要经常更换维护，相比异步电机维护费用增加。6）串级调速装置，为了顺利启动，会配合转子串电阻启动方式，拉到需要转速之后，逆变器配合触发实现调速。

再认识

传统理论的质疑与商榷

认为串级调速从属于变转差率原理，是根据传统电机学的异步机转速公式（1）而得出的。但深入分析，这个表达式却只是个人为的定义式，并非公式。不仅不能作为串级调速的理论依据，也不能成为其他交流调速的指导公式。公式是客观规律的数学表达形式，它只能产生于科学分析和实践，而不能产生于人为的定义。传统电动机学的异步机转速表达式是这样建立的，首先定义转差率s，令（2），式中： n1为同步转速；n 为机械转速。由式（2），经代数变换得（3）。由于初等变换不改变等式性质，可见表达式（3）仍然是定义式，它是式（2）的另外一种表达形式。又，由于（4）将式（4）代入定义式（3），于是有表达式（1）。应该注意，式（3）与式（1）没有本质区别，尽管式（4）是公式，但它仅仅起到参数变换作用，并没有改变式（1）、（3）的定义式性质。因此转速表达式（1）只是人为的定义式，并非公式，自然不能成为交流调速的理论依据，否则就犯了基本的逻辑错误。

另外，转差率改变与否和调速性能的优劣并没有明确的关系，不能把转差率当作效率。转差功率定义为，系指电磁功率中没有转化为机械功率的部分，至于是否成为损耗，并未确定。在自然运行时，可以狭义地认为转差功率就是损耗功率，而扩展到调速，例如串级调速，转差功率可以以电能形式传输，并不成为损耗而降低调速效率。实际的交流调速也不能简单地依照表达式（1）进行，例如单纯地改变频率而不改变定子电压，当频率低于额定值时，电机将剧烈发热，不能正常运行；又如，只改变极数而不相应改变有效串联匝数，电机同样无法工作。以上两例都是依循表达式（1）操作的，结果却遭失败，如果公式是科学的，绝不应该出现这样例外。

交流调速的功率控制原理

为了探求异步机调速的实质，以及便于深入分析，应首先建立异步机的物理模型。根据异步机的能量转换与传输原理，异步机等效于图1的功率圆模型。图1A鼠笼转子的异步机模型图1B 绕线转子的异步机模型

电动机是将电能转化为机械能的设备。异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率P1，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的主要功能是将定子的电磁功率传输给转子，转子则将电磁功率转化为机械功率，因此，旋转磁场可等效为联接定、转子的功率传输通道，为与电传导方式相区别，称为感应通道。主磁通是电磁感应中极为重要的参数，可以形象地认为是感应通道畅通与否的标志，为了保证感应通道畅通，应使主磁通保持设计伊始的常量，否则将使功率传输的损耗增大，并且影响电机的转矩性能。定、转子之间传输的电功率称为电磁功率，也是转化为机械功率的源泉。定子的电磁功率为（5），即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为（6），为机械功率与转子损耗功率之和。应该注意，定、转子的电磁功率相等，只是表达形式不同。对于鼠笼型异步机，转子电压和电流是短路、封闭的，不能为外界所控制，因此，鼠笼型异步机转子只有一个械输出端口。绕线型异步机的转子则是开启的，并受外部控制才能形成电气回路，因此具有机械和电气两个输出端口。转速产生于转子，因此是调速的主要分析对象。根据力学原理，异步机的角速度（7），其中：PM为异步机机械功率；T为输出转矩。根据异步机的能量转换与守恒，转子的功率方程为（8），其中：Pem为异步机转子的电磁功率；为转子的损耗功率。因此，异步机输出角速度表为（9）。式中的（10），称为理想空载角速度；（11），称为角速度降。量纲变换后，有（12），式中的（13），即为理想空载转速；（14），为转速降。

异步机的理想空载转速表达为电磁功率与电磁转矩之比，其含义是：在假定转子无损耗的理想状态下，异步机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的转速。由于这种假设只有在理想空载的条件下才能实现，故称理想空载转速。理想空载转速取决于电磁功率，是异步机调速非常重要的参量。转速降即为转速损失，取决于损耗功率。

按照公式（7），转矩T似乎也应该成为调速的控制参量，实际上是不可能的。电机稳定运行必须遵循转矩平衡方程式，即电磁转矩与负载转矩相等（15）。负载转矩是由机械负载本身性质决定的，既不取决于电机性能也不取决于调速与否，电磁转矩只能服从客观存在的负载转矩，不能随意改变，否则，破坏了转矩平衡方程式，电机将无法稳定运行。由此可见，交流调速的实质在于控制其机械功率，电气上有电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，机械特性为平行曲线，是高效率节能型调速；而损耗功率控制则是增大转速降，机械特性为汇交曲线，是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。以上就是交流调速的功率控制原理，为了便于称谓，简称为P理论。根据电机学原理，异步机转子的电磁功率和电磁转矩方程为（16）；（17）。其中，转矩系数（18）。根据功率控制原理所得出的公式（10），异步机的理想空载角速度为（19），其中的电势系数：（20）。换算成每分钟转速，同乘以，有（21），其中的转子电势系数（22）。表明异步机的理想空载转速与转子开路电势E2成正比，与主磁通量成反比。至于电势系数，在电机设计制造已确定，可以当作常量，改变理想空载转速可以通过1) 恒磁调压方法。即，使主磁通不变，调节转子电压（电势）。2) 恒压弱磁方法。即，使转子电压不变，减小主磁通。改变转子电势有电传导和磁感应两种方法，电传导方法用于转子控制调速，其理想空载转速为（23）；感应法用于定子控制调速，理想空载转速则为（24）。公式（23）（24）物理意义鲜明，具有普遍性，实际上，变频调速、串级调速、以及将介绍的内馈调速等高效率交流调都是依据该公式实现的。

串级调速的功率控制原理

串级调速是基于转子的电磁功率控制调速。串级调速的功率控制原理是：从转子入手控制异步机的电磁功率，从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出，总的电磁功率减小，理想空载转速降低，是一种低同步调速系统。如果转子通过电传导另外得到的部分功率，总的电磁功率增加，理想空载转速将超过同步转速，实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统，即可实现低同步和超同步两种调速，称为双馈调速。利用功率控制原理推导出的公式(23) ，可以使串级调速得到简明、量化的分析。通过电传导的方法在转子回路串联附加电势Ef，可以改变转子的合电势，从而改变理想空载转速。而磁通由定子电势和频率决定，故不改变。于是串级调速实现恒磁通（即恒转矩）的高效率的无级调速。应该指出，改变理想空载转速才是调速的关键所在，至于同步转速改变与否并不重要。在串级调速中，理想空载转速可调，而同步转速不变，事实证明了理想空载转速与同步转速没有必然的联系。

与高压交流调速的定子控制（变压变频）对比，作为转子控制的串级调速具有以下优点：高压调速，低压控制。经济、可靠。控制装置功率小于电机功率，可以在调速范围满足需求的前提下，减小控制装置的容量。一元控制，技术简单。主磁通自然恒定，只需单一控制附加电势。调速控制与机械输出成并联关系，故障时可以短路转子，旁路控制装置，使异步机自然运行，提高系统运行可靠性。谐波畸变小。由于转子与定子的气隙隔离作用，定子电流的畸变较小。当然，转子控制也存在明显的缺点，就是滑环和电刷问题。一方面使电机成本增高（约比鼠笼机高出10—15%），另外增加了电机维护量（大约每运行一年左右需要更换电刷）。要实现转子无刷控制，技术难度较大。但可以改进电刷和滑环的工艺和材料，减小维护，提高寿命，这一目的已经实现。

存在问题、缺点

必须承认，串级调速在实践中取得过较大的成功，但也暴露出很多问题和缺点。为了使串级调速得以发展，除了在理论上给予正名之外，重点还应分析出问题和缺点的原因，进而采取有效的改进措施。串级调速存在的问题可以归结为两个方面，一个是回馈方案问题，另一个是变流控制问题。

回馈方案问题

1) 电转差功率的无谓循环。这是较为突出的问题。在串级调速系统中，电转差功率以电能的形式由定子从电网中吸收进来，又以同样的能量形式反馈电网，显然是一种无谓的功率循环。这种无谓循环的结果，一方面是增大了损耗降低效率。另外更为不利的是加重了定子的负担。在串级调速系统中，电机定子绕组的功率为（25）。当机械功率随转速降低而减小时，电转差功率却相应增大，特别是恒转矩负载时，定子有功电流只与负载相关，不随转速而变，于是导致低速时定子严重发热，甚至不能正常运行，因此，尽管串级调速具有恒转矩调速特性，但却很少在恒转矩负载上应用，使串级调速的使用范围受到限制。对于风机水泵类负载，电流正比于转速的平方即，这个问题表现不是很突出，因此串级调速多应用于风机水泵调速。

2) 外附变压器。逆变变压器是串级调速不可或缺的设备，作用是产生与转子电势相匹配的附加电势。逆变变压器的存在，使系统的体积增大，成本提高，同时也产生损耗。表面上回馈方案的缺点产生于“串级”，实质问题是电机调速的内因不足，自身不能为调速提供附加电势，因此必须依靠外附的设备和电源，结果使电机的能量保守性被破坏，造成电转差功率的外泄，同时又使系统复杂化。

变流控制问题

与回馈方案问题相比，变流控制问题更为突出，其中，主要集中表现有源逆变器环节上。

1) 功率因数问题。受技术条件限制，当时串级调速的变流控制多采用图3的移相控制主电路。该电路由整流器和有源逆变器两大部分构成，电抗器是为了电流连续所必需的。

根据功率控制原理，装置的任务有二：一是频率变换。由于转子电压的频率是变化的，，而逆变交流电源的频率恒为工频，不同频率的电源无法实现有功功率交换，因此，要把转子的频率随转速而变的电转差功率馈入工频的电网，必须进行频率变换，使之统一；二是回馈功率控制。转速随从转子转移出的功率即回馈功率而变，回馈功率越大，转速越低，反之转速越高。为了实现无级调速，必须对回馈功率的大小连续的控制。电路的频率统一是通过“交-直-交”变换完成的，性能良好，问题出在电转差功率控制上。忽略变流控制的损耗，转子的电转差功率和回馈功率相等，从有源逆变器的交流输出端观察，结合变流技术理论，回馈基波功率为（26）。式中的UK和IK分别为逆变变压器副边的相电压和电流，为控制角，即UK、IK之间的相角，为逆变角，且有。为简化分析，忽略了波形畸变的影响。

分析发现，要改变图3电路的大小，式中除了功率因数角之外都不可调，理由是：取决于变压器副边线圈匝数，一经制造完成不可改变；逆变电流就是转子电流，而转子电流取决于负载，无法改变；至于相数自然也是确定的常量，于是电转差功率就只有通过改变逆变角调节，故称移相控制。实际上，移相控制是人为地改变电流与电压的相角度，受晶闸管自然换向的限制，电流总是滞后电压的，因此，移相触发在调节有功功率的同时，必然产生相应的感性无功功率。在改变逆变角时，有功功率按公式（26）变化，同时产生感性无功功率（27）。这部分无功功率是人为移相控制所产生的，它将导致系统的功率因数降低，特别是逆变角接近90○时，逆变器的功率因数几乎为零，平均系统的功率因数仅为0.2左右，使调速性能受到不利影响。

2) 可靠性问题

移相控制另外的主要缺点是可靠性较差。与可控整流电路不同，有源逆变器对换向的要求是非常严格的，任何换向失误，都将导致逆变颠覆也就是严重短路的后果。造成换向失败的原因主要有：脉冲电路的响应与抗干扰移相控制是通过脉冲移动调节转速的，有源逆变器又对触发脉冲的可靠性要求十分严格，于是产生移相响应和抗干扰的矛盾。从控制角度，要求脉冲移相具有快速响应性，因此电路惯性环节小。而抗干扰则要求电路具有时间常数较大的滤波环节，电路无法同时满足这两个相互矛盾的要求，只能牺牲抗干扰性能。特别是限于串级调速当时的历史条件，脉冲控制电路主要由分立器件构成，很多高性能的数字化电路还无法实现，导致脉冲移相电路的可靠性降低。

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