串級控制特點

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

與簡單的單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)在其結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為內(nèi)回路或者副回路；另一個閉環(huán)在外，被稱為外回路或者主回路。副回路在控制過程中負責粗調(diào)，主回路則完成細調(diào)，串級控制就是通過這兩條回路的配合控制完成普通單回路控制系統(tǒng)很難達到的控制效果。

在串級控制中，無論是主回路還是副回路都有著各自的控制對象、測量變送器和控制器。在主回路中的控制對象、被測參數(shù)和控制器分別被稱為主對象、主參數(shù)和主控制器。在副回路內(nèi)則相應(yīng)地被稱為副對象、副參數(shù)和副控制器。副對象是整個控制對象的一部分，常被稱為控制對象的前導(dǎo)區(qū)，主對象是整個控制對象的另一部分，常被稱為控制對象的惰性區(qū)。主控制器具有自己獨立的給定值，它的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出信號則送到控制機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。

十幾年前，串級調(diào)速作為一種高效率的交流無級調(diào)速曾經(jīng)盛行一時，隨著近代變頻調(diào)速的興起，串級調(diào)速日漸蕭條，被認為是落后的調(diào)速技術(shù).如何評價交流調(diào)速技術(shù)的優(yōu)劣，不同的需求有不同的標準。但普遍的共識是：⑴ 效率高；⑵ 調(diào)速平滑即無級調(diào)速；⑶ 調(diào)速范圍寬；⑷調(diào)速產(chǎn)生的負面影響（如諧波、功率因數(shù)等）?。虎沙杀镜土?。

既然串級調(diào)速和變頻調(diào)速有一致的調(diào)速特性。特點和性能：1）串級調(diào)速的控制設(shè)備焦復(fù)雜，成本較高，控制困難。因為轉(zhuǎn)子回路串入了一個頻率與轉(zhuǎn)子電壓頻率相同的外加電壓，且要隨頻率變化是相當困難的。因此，在實際應(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）串級調(diào)速的機械特性較硬，調(diào)速平滑性好，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率較高。3）低速時，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因素較低，過載能力較弱。4）串級調(diào)速范圍一般為（2~4）：1，適用用于大容量的通風機，提升機等泵類負載。5）串級調(diào)速電機要求是滑環(huán)電機，電機滑環(huán)碳刷需要經(jīng)常更換維護，相比異步電機維護費用增加。6）串級調(diào)速裝置，為了順利啟動，會配合轉(zhuǎn)子串電阻啟動方式，拉到需要轉(zhuǎn)速之后，逆變器配合觸發(fā)實現(xiàn)調(diào)速。

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

串級調(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擔。在串級調(diào)速系統(tǒng)中，電機定子繞組的功率為（25）。當機械功率隨轉(zhuǎn)速降低而減小時，電轉(zhuǎn)差功率卻相應(yīng)增大，特別是恒轉(zhuǎn)矩負載時，定子有功電流只與負載相關(guān)，不隨轉(zhuǎn)速而變，于是導(dǎo)致低速時定子嚴重發(fā)熱，甚至不能正常運行，因此，盡管串級調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，但卻很少在恒轉(zhuǎn)矩負載上應(yīng)用，使串級調(diào)速的使用范圍受到限制。對于風機水泵類負載，電流正比于轉(zhuǎn)速的平方即 ，這個問題表現(xiàn)不是很突出，因此串級調(diào)速多應(yīng)用于風機水泵調(diào)速。

2) 外附變壓器。逆變變壓器是串級調(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，同時也產(chǎn)生損耗。表面上回饋方案的缺點產(chǎn)生于“串級”，實質(zhì)問題是電機調(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)果使電機的能量保守性被破壞，造成電轉(zhuǎn)差功率的外泄，同時又使系統(tǒng)復(fù)雜化。

串級調(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，當時串級調(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。為了實現(xiàn)無級調(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，必然產(chǎn)生相應(yīng)的感性無功功率。在改變逆變角時，有功功率按公式（26）變化，同時產(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，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格的，任何換向失誤，都將導(dǎo)致逆變顛覆也就是嚴重短路的后果。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間常數(shù)較大的濾波環(huán)節(jié)，電路無法同時滿足這兩個相互矛盾的要求，只能犧牲抗干擾性能。特別是限于串級調(diào)速當時的歷史條件，脈沖控制電路主要由分立器件構(gòu)成，很多高性能的數(shù)字化電路還無法實現(xiàn)，導(dǎo)致脈沖移相電路的可靠性降低。

傳統(tǒng)理論的質(zhì)疑與商榷

認為串級調(diào)速從屬于變轉(zhuǎn)差率原理，是根據(jù)傳統(tǒng)電機學(xué)的異步機轉(zhuǎn)速公式（1）而得出的。但深入分析，這個表達式卻只是個人為的定義式，并非公式。不僅不能作為串級調(diào)速的理論依據(jù)，也不能成為其他交流調(diào)速的指導(dǎo)公式。公式是客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)表達形式，它只能產(chǎn)生于科學(xué)分析和實踐，而不能產(chǎn)生于人為的定義。傳統(tǒng)電動機學(xué)的異步機轉(zhuǎn)速表達式是這樣建立的，首先定義轉(zhuǎn)差率s，令 （2），式中： n1為同步轉(zhuǎn)速；n 為機械轉(zhuǎn)速。由式（2），經(jīng)代數(shù)變換得（3）。由于初等變換不改變等式性質(zhì)，可見表達式（3）仍然是定義式，它是式（2）的另外一種表達形式。又，由于（4）將式（4）代入定義式（3），于是有表達式（1）。應(yīng)該注意，式（3）與式（1）沒有本質(zhì)區(qū)別，盡管式（4）是公式，但它僅僅起到參數(shù)變換作用，并沒有改變式（1）、（3）的定義式性質(zhì)。因此轉(zhuǎn)速表達式（1）只是人為的定義式，并非公式，自然不能成為交流調(diào)速的理論依據(jù)，否則就犯了基本的邏輯錯誤。

另外，轉(zhuǎn)差率改變與否和調(diào)速性能的優(yōu)劣并沒有明確的關(guān)系，不能把轉(zhuǎn)差率當作效率。轉(zhuǎn)差功率定義為 ，系指電磁功率中沒有轉(zhuǎn)化為機械功率的部分，至于是否成為損耗，并未確定。在自然運行時，可以狹義地認為轉(zhuǎn)差功率就是損耗功率，而擴展到調(diào)速，例如串級調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率可以以電能形式傳輸，并不成為損耗而降低調(diào)速效率。實際的交流調(diào)速也不能簡單地依照表達式（1）進行，例如單純地改變頻率而不改變定子電壓，當頻率低于額定值時，電機將劇烈發(fā)熱，不能正常運行；又如，只改變極數(shù)而不相應(yīng)改變有效串聯(lián)匝數(shù)，電機同樣無法工作。以上兩例都是依循表達式（1）操作的，結(jié)果卻遭失敗，如果公式是科學(xué)的，絕不應(yīng)該出現(xiàn)這樣例外。

交流調(diào)速的功率控制原理

為了探求異步機調(diào)速的實質(zhì)，以及便于深入分析，應(yīng)首先建立異步機的物理模型。根據(jù)異步機的能量轉(zhuǎn)換與傳輸原理，異步機等效于圖1的功率圓模型。圖1A鼠籠轉(zhuǎn)子的異步機模型 圖1B 繞線轉(zhuǎn)子的異步機模型

電動機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備。異步機的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時吸收感性無功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的主要功能是將定子的電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子則將電磁功率轉(zhuǎn)化為機械功率，因此，旋轉(zhuǎn)磁場可等效為聯(lián)接定、轉(zhuǎn)子的功率傳輸通道，為與電傳導(dǎo)方式相區(qū)別，稱為感應(yīng)通道。主磁通 是電磁感應(yīng)中極為重要的參數(shù)，可以形象地認為是感應(yīng)通道暢通與否的標志，為了保證感應(yīng)通道暢通，應(yīng)使主磁通保持設(shè)計伊始的常量，否則將使功率傳輸?shù)膿p耗增大，并且影響電機的轉(zhuǎn)矩性能。定、轉(zhuǎn)子之間傳輸?shù)碾姽β史Q為電磁功率，也是轉(zhuǎn)化為機械功率的源泉。定子的電磁功率為（5），即輸入功率與損耗功率之差，轉(zhuǎn)子的電磁功率則為（6），為機械功率與轉(zhuǎn)子損耗功率之和。應(yīng)該注意，定、轉(zhuǎn)子的電磁功率相等，只是表達形式不同。對于鼠籠型異步機，轉(zhuǎn)子電壓和電流是短路、封閉的，不能為外界所控制，因此，鼠籠型異步機轉(zhuǎn)子只有一個械輸出端口。繞線型異步機的轉(zhuǎn)子則是開啟的，并受外部控制才能形成電氣回路，因此具有機械和電氣兩個輸出端口。轉(zhuǎn)速產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子，因此是調(diào)速的主要分析對象。根據(jù)力學(xué)原理，異步機的角速度（7），其中：PM為異步機機械功率；T為輸出轉(zhuǎn)矩。根據(jù)異步機的能量轉(zhuǎn)換與守恒，轉(zhuǎn)子的功率方程為（8），其中：Pem為異步機轉(zhuǎn)子的電磁功率；為轉(zhuǎn)子的損耗功率。因此，異步機輸出角速度表為（9）。式中的 （10），稱為理想空載角速度；（11），稱為角速度降。量綱變換后，有（12），式中的 （13），即為理想空載轉(zhuǎn)速；（14），為轉(zhuǎn)速降。

異步機的理想空載轉(zhuǎn)速表達為電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩之比，其含義是：在假定轉(zhuǎn)子無損耗的理想狀態(tài)下，異步機的全部電磁功率都轉(zhuǎn)化為機械功率所能獲得的轉(zhuǎn)速。由于這種假設(shè)只有在理想空載的條件下才能實現(xiàn)，故稱理想空載轉(zhuǎn)速。理想空載轉(zhuǎn)速取決于電磁功率，是異步機調(diào)速非常重要的參量。轉(zhuǎn)速降即為轉(zhuǎn)速損失，取決于損耗功率。

按照公式（7），轉(zhuǎn)矩T似乎也應(yīng)該成為調(diào)速的控制參量，實際上是不可能的。電機穩(wěn)定運行必須遵循轉(zhuǎn)矩平衡方程式，即電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等（15）。負載轉(zhuǎn)矩是由機械負載本身性質(zhì)決定的，既不取決于電機性能也不取決于調(diào)速與否，電磁轉(zhuǎn)矩只能服從客觀存在的負載轉(zhuǎn)矩，不能隨意改變，否則，破壞了轉(zhuǎn)矩平衡方程式，電機將無法穩(wěn)定運行。由此可見，交流調(diào)速的實質(zhì)在于控制其機械功率，電氣上有電磁功率控制和損耗功率控制兩種原則。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，機械特性為平行曲線，是高效率節(jié)能型調(diào)速；而損耗功率控制則是增大轉(zhuǎn)速降，機械特性為匯交曲線，是低效率的耗能型調(diào)速。調(diào)速性能取決于調(diào)速原理，選擇定子控制還是轉(zhuǎn)子控制，僅僅是對象的不同，并沒有本質(zhì)的區(qū)別。以上就是交流調(diào)速的功率控制原理，為了便于稱謂，簡稱為P理論。根據(jù)電機學(xué)原理，異步機轉(zhuǎn)子的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩方程為（16）；（17）。其中，轉(zhuǎn)矩系數(shù) （18）。根據(jù)功率控制原理所得出的公式（10），異步機的理想空載角速度為（19），其中的電勢系數(shù)： （20）。換算成每分鐘轉(zhuǎn)速，同乘以 ，有（21），其中的轉(zhuǎn)子電勢系數(shù) （22）。表明異步機的理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子開路電勢E2成正比，與主磁通量 成反比。至于電勢系數(shù)，在電機設(shè)計制造已確定，可以當作常量，改變理想空載轉(zhuǎn)速可以通過1) 恒磁調(diào)壓方法。即，使主磁通 不變，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓（電勢）。2) 恒壓弱磁方法。即，使轉(zhuǎn)子電壓不變，減小主磁通。改變轉(zhuǎn)子電勢有電傳導(dǎo)和磁感應(yīng)兩種方法，電傳導(dǎo)方法用于轉(zhuǎn)子控制調(diào)速，其理想空載轉(zhuǎn)速為（23）；感應(yīng)法用于定子控制調(diào)速，理想空載轉(zhuǎn)速則為（24）。公式（23）（24）物理意義鮮明，具有普遍性，實際上，變頻調(diào)速、串級調(diào)速、以及將介紹的內(nèi)饋調(diào)速等高效率交流調(diào)都是依據(jù)該公式實現(xiàn)的。

串級調(diào)速的功率控制原理

串級調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的電磁功率控制調(diào)速。串級調(diào)速的功率控制原理是：從轉(zhuǎn)子入手控制異步機的電磁功率，從而改變理想空載轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)子的部分功率被移出，總的電磁功率減小，理想空載轉(zhuǎn)速降低，是一種低同步調(diào)速系統(tǒng)。如果轉(zhuǎn)子通過電傳導(dǎo)另外得到的部分功率，總的電磁功率增加，理想空載轉(zhuǎn)速將超過同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)超同步調(diào)速。這種能夠?qū)崿F(xiàn)兩個方向功率控制的系統(tǒng)，即可實現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速，稱為雙饋調(diào)速。利用功率控制原理推導(dǎo)出的公式(23) ，可以使串級調(diào)速得到簡明、量化的分析。通過電傳導(dǎo)的方法在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)附加電勢Ef，可以改變轉(zhuǎn)子的合電勢，從而改變理想空載轉(zhuǎn)速。而磁通由定子電勢和頻率決定，故不改變。于是串級調(diào)速實現(xiàn)恒磁通（即恒轉(zhuǎn)矩）的高效率的無級調(diào)速。應(yīng)該指出，改變理想空載轉(zhuǎn)速才是調(diào)速的關(guān)鍵所在，至于同步轉(zhuǎn)速改變與否并不重要。在串級調(diào)速中，理想空載轉(zhuǎn)速可調(diào)，而同步轉(zhuǎn)速不變，事實證明了理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速沒有必然的聯(lián)系。

與高壓交流調(diào)速的定子控制（變壓變頻）對比，作為轉(zhuǎn)子控制的串級調(diào)速具有以下優(yōu)點：高壓調(diào)速，低壓控制。經(jīng)濟、可靠。控制裝置功率小于電機功率，可以在調(diào)速范圍滿足需求的前提下，減小控制裝置的容量。一元控制，技術(shù)簡單。主磁通自然恒定，只需單一控制附加電勢。調(diào)速控制與機械輸出成并聯(lián)關(guān)系，故障時可以短路轉(zhuǎn)子，旁路控制裝置，使異步機自然運行，提高系統(tǒng)運行可靠性。諧波畸變小。由于轉(zhuǎn)子與定子的氣隙隔離作用，定子電流的畸變較小。當然，轉(zhuǎn)子控制也存在明顯的缺點，就是滑環(huán)和電刷問題。一方面使電機成本增高（約比鼠籠機高出10—15%），另外增加了電機維護量（大約每運行一年左右需要更換電刷）。要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無刷控制，技術(shù)難度較大。但可以改進電刷和滑環(huán)的工藝和材料，減小維護，提高壽命，這一目的已經(jīng)實現(xiàn)。