串級(jí)工頻試驗(yàn)變壓器

串級(jí)工頻試驗(yàn)變壓器是物理學(xué)術(shù)語。

中文名稱

串級(jí)工頻試驗(yàn)變壓器

英文名稱

cascade power-frequency testing transformer

定　　義

由幾臺(tái)工頻試驗(yàn)變壓器串接以獲得較高試驗(yàn)電壓的變壓器組。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級(jí)學(xué)科），高電壓技術(shù)（二級(jí)學(xué)科）

十幾年前，串級(jí)調(diào)速作為一種高效率的交流無級(jí)調(diào)速曾經(jīng)盛行一時(shí)，隨著近代變頻調(diào)速的興起，串級(jí)調(diào)速日漸蕭條，被認(rèn)為是落后的調(diào)速技術(shù).如何評(píng)價(jià)交流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)劣，不同的需求有不同的標(biāo)準(zhǔn)。但普遍的共識(shí)是：⑴ 效率高；⑵ 調(diào)速平滑即無級(jí)調(diào)速；⑶ 調(diào)速范圍寬；⑷調(diào)速產(chǎn)生的負(fù)面影響（如諧波、功率因數(shù)等）小；⑸成本低廉。

既然串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速有一致的調(diào)速特性。特點(diǎn)和性能：1）串級(jí)調(diào)速的控制設(shè)備焦復(fù)雜，成本較高，控制困難。因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路串入了一個(gè)頻率與轉(zhuǎn)子電壓頻率相同的外加電壓，且要隨頻率變化是相當(dāng)困難的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常是將轉(zhuǎn)子外加電壓用整流器整流成可控的直流電壓來代替交變電壓。2）串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性較硬，調(diào)速平滑性好，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率較高。3）低速時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因素較低，過載能力較弱。4）串級(jí)調(diào)速范圍一般為（2~4）：1，適用用于大容量的通風(fēng)機(jī)，提升機(jī)等泵類負(fù)載。5）串級(jí)調(diào)速電機(jī)要求是滑環(huán)電機(jī)，電機(jī)滑環(huán)碳刷需要經(jīng)常更換維護(hù)，相比異步電機(jī)維護(hù)費(fèi)用增加。6）串級(jí)調(diào)速裝置，為了順利啟動(dòng)，會(huì)配合轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)方式，拉到需要轉(zhuǎn)速之后，逆變器配合觸發(fā)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

首先串級(jí)控制對進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力。其次，由于副回路的存在，減小了控制對象的時(shí)間參數(shù)，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。再者串級(jí)控制提高了系統(tǒng)的工作頻率，改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。最后，串級(jí)系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。

必須承認(rèn)，串級(jí)調(diào)速在實(shí)踐中取得過較大的成功，但也暴露出很多問題和缺點(diǎn)。為了使串級(jí)調(diào)速得以發(fā)展，除了在理論上給予正名之外，重點(diǎn)還應(yīng)分析出問題和缺點(diǎn)的原因，進(jìn)而采取有效的改進(jìn)措施。串級(jí)調(diào)速存在的問題可以歸結(jié)為兩個(gè)方面，一個(gè)是回饋方案問題，另一個(gè)是變流控制問題。

串級(jí)調(diào)速回饋方案問題

1) 電轉(zhuǎn)差功率的無謂循環(huán)。這是較為突出的問題。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電轉(zhuǎn)差功率以電能的形式由定子從電網(wǎng)中吸收進(jìn)來，又以同樣的能量形式反饋電網(wǎng)，顯然是一種無謂的功率循環(huán)。這種無謂循環(huán)的結(jié)果，一方面是增大了損耗降低效率。另外更為不利的是加重了定子的負(fù)擔(dān)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)定子繞組的功率為（25）。當(dāng)機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速降低而減小時(shí)，電轉(zhuǎn)差功率卻相應(yīng)增大，特別是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，定子有功電流只與負(fù)載相關(guān)，不隨轉(zhuǎn)速而變，于是導(dǎo)致低速時(shí)定子嚴(yán)重發(fā)熱，甚至不能正常運(yùn)行，因此，盡管串級(jí)調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，但卻很少在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載上應(yīng)用，使串級(jí)調(diào)速的使用范圍受到限制。對于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，電流正比于轉(zhuǎn)速的平方即 ，這個(gè)問題表現(xiàn)不是很突出，因此串級(jí)調(diào)速多應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速。

2) 外附變壓器。逆變變壓器是串級(jí)調(diào)速不可或缺的設(shè)備，作用是產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子電勢相匹配的附加電勢。逆變變壓器的存在，使系統(tǒng)的體積增大，成本提高，同時(shí)也產(chǎn)生損耗。表面上回饋方案的缺點(diǎn)產(chǎn)生于“串級(jí)”，實(shí)質(zhì)問題是電機(jī)調(diào)速的內(nèi)因不足，自身不能為調(diào)速提供附加電勢，因此必須依靠外附的設(shè)備和電源，結(jié)果使電機(jī)的能量保守性被破壞，造成電轉(zhuǎn)差功率的外泄，同時(shí)又使系統(tǒng)復(fù)雜化。

串級(jí)調(diào)速變流控制問題

與回饋方案問題相比，變流控制問題更為突出，其中，主要集中表現(xiàn)有源逆變器環(huán)節(jié)上。

1) 功率因數(shù)問題。受技術(shù)條件限制，當(dāng)時(shí)串級(jí)調(diào)速的變流控制多采用圖3的移相控制主電路。該電路由整流器和有源逆變器兩大部分構(gòu)成，電抗器是為了電流連續(xù)所必需的。

根據(jù)功率控制原理，裝置的任務(wù)有二：一是頻率變換。由于轉(zhuǎn)子電壓的頻率是變化的， ，而逆變交流電源的頻率恒為工頻，不同頻率的電源無法實(shí)現(xiàn)有功功率交換，因此，要把轉(zhuǎn)子的頻率隨轉(zhuǎn)速而變的電轉(zhuǎn)差功率饋入工頻的電網(wǎng)，必須進(jìn)行頻率變換，使之統(tǒng)一；二是回饋功率控制。轉(zhuǎn)速隨從轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)移出的功率即回饋功率而變，回饋功率越大，轉(zhuǎn)速越低，反之轉(zhuǎn)速越高。為了實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，必須對回饋功率的大小連續(xù)的控制。電路的頻率統(tǒng)一是通過“交-直-交”變換完成的，性能良好，問題出在電轉(zhuǎn)差功率控制上。忽略變流控制的損耗，轉(zhuǎn)子的電轉(zhuǎn)差功率和回饋功率相等，從有源逆變器的交流輸出端觀察，結(jié)合變流技術(shù)理論，回饋基波功率為（26）。式中的UK和IK分別為逆變變壓器副邊的相電壓和電流， 為控制角，即UK、IK之間的相角， 為逆變角，且有 。為簡化分析，忽略了波形畸變的影響。

分析發(fā)現(xiàn)，要改變圖3電路的 大小，式中除了功率因數(shù)角 之外都不可調(diào)，理由是： 取決于變壓器副邊線圈匝數(shù)，一經(jīng)制造完成不可改變；逆變電流 就是轉(zhuǎn)子電流 ，而轉(zhuǎn)子電流取決于負(fù)載，無法改變；至于相數(shù) 自然也是確定的常量，于是電轉(zhuǎn)差功率就只有通過改變逆變角 調(diào)節(jié)，故稱移相控制。實(shí)際上，移相控制是人為地改變電流與電壓的相角度，受晶閘管自然換向的限制，電流總是滯后電壓的，因此，移相觸發(fā)在調(diào)節(jié)有功功率的同時(shí)，必然產(chǎn)生相應(yīng)的感性無功功率。在改變逆變角時(shí)，有功功率按公式（26）變化，同時(shí)產(chǎn)生感性無功功率（27）。這部分無功功率是人為移相控制所產(chǎn)生的，它將導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，特別是逆變角接近90○時(shí)，逆變器的功率因數(shù)幾乎為零，平均系統(tǒng)的功率因數(shù)僅為0.2左右 ，使調(diào)速性能受到不利影響。

2) 可靠性問題

移相控制另外的主要缺點(diǎn)是可靠性較差。與可控整流電路不同，有源逆變器對換向的要求是非常嚴(yán)格的，任何換向失誤，都將導(dǎo)致逆變顛覆也就是嚴(yán)重短路的后果。造成換向失敗的原因主要有：脈沖電路的響應(yīng)與抗干擾移相控制是通過脈沖移動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的，有源逆變器又對觸發(fā)脈沖的可靠性要求十分嚴(yán)格，于是產(chǎn)生移相響應(yīng)和抗干擾的矛盾。從控制角度，要求脈沖移相具有快速響應(yīng)性，因此電路慣性環(huán)節(jié)小。而抗干擾則要求電路具有時(shí)間常數(shù)較大的濾波環(huán)節(jié)，電路無法同時(shí)滿足這兩個(gè)相互矛盾的要求，只能犧牲抗干擾性能。特別是限于串級(jí)調(diào)速當(dāng)時(shí)的歷史條件，脈沖控制電路主要由分立器件構(gòu)成，很多高性能的數(shù)字化電路還無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致脈沖移相電路的可靠性降低。