串級(jí)調(diào)速再認(rèn)識(shí)

傳統(tǒng)理論的質(zhì)疑與商榷

認(rèn)為串級(jí)調(diào)速?gòu)膶儆谧冝D(zhuǎn)差率原理，是根據(jù)傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的異步機(jī)轉(zhuǎn)速公式（1）而得出的。但深入分析，這個(gè)表達(dá)式卻只是個(gè)人為的定義式，并非公式。不僅不能作為串級(jí)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(dá)形式，它只能產(chǎn)生于科學(xué)分析和實(shí)踐，而不能產(chǎn)生于人為的定義。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)學(xué)的異步機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)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(jī)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(dá)式（3）仍然是定義式，它是式（2）的另外一種表達(dá)形式。又，由于（4）將式（4）代入定義式（3），于是有表達(dá)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(dá)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(cuò)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(dāng)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(jī)械功率的部分，至于是否成為損耗，并未確定。在自然運(yùn)行時(shí)，可以狹義地認(rèn)為轉(zhuǎn)差功率就是損耗功率，而擴(kuò)展到調(diào)速，例如串級(jí)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(shí)際的交流調(diào)速也不能簡(jiǎn)單地依照表達(dá)式（1）進(jìn)行，例如單純地改變頻率而不改變定子電壓，當(dāng)頻率低于額定值時(shí)，電機(jī)將劇烈發(fā)熱，不能正常運(yùn)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(jī)同樣無法工作。以上兩例都是依循表達(dá)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(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)，以及便于深入分析，應(yīng)首先建立異步機(jī)的物理模型。根據(jù)異步機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與傳輸原理，異步機(jī)等效于圖1的功率圓模型。圖1A鼠籠轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型 圖1B 繞線轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。異步機(jī)的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時(shí)吸收感性無功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)械功率，因此，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(rèn)為是感應(yīng)通道暢通與否的標(biāo)志，為了保證感應(yīng)通道暢通，應(yīng)使主磁通保持設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)形式不同。對(duì)于鼠籠型異步機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)子只有一個(gè)械輸出端口。繞線型異步機(jī)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(jī)械和電氣兩個(gè)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(duì)象。根據(jù)力學(xué)原理，異步機(jī)的角速度（7），其中：PM為異步機(jī)機(jī)械功率；T為輸出轉(zhuǎn)矩。根據(jù)異步機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子的電磁功率；為轉(zhuǎn)子的損耗功率。因此，異步機(jī)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(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速表達(dá)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(jī)的全部電磁功率都轉(zhuǎn)化為機(jī)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(shí)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(jī)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(shí)際上是不可能的。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行必須遵循轉(zhuǎn)矩平衡方程式，即電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等（15）。負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由機(jī)械負(fù)載本身性質(zhì)決定的，既不取決于電機(jī)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(fù)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(jī)將無法穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見，交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于控制其機(jī)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(jī)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(jī)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(duì)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(jiǎn)稱為P理論。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步機(jī)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(jī)的理想空載角速度為（19），其中的電勢(shì)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(shì)系數(shù) （22）。表明異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)E2成正比，與主磁通量 成反比。至于電勢(shì)系數(shù)，在電機(jī)設(shè)計(jì)制造已確定，可以當(dāng)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(shì)）。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(shì)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(shí)際上，變頻調(diào)速、串級(jí)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(shí)現(xiàn)的。

串級(jí)調(diào)速的功率控制原理

串級(jí)調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的電磁功率控制調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的功率控制原理是：從轉(zhuǎn)子入手控制異步機(jī)的電磁功率，從而改變理想空載轉(zhuǎn)速。當(dāng)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(shí)現(xiàn)超同步調(diào)速。這種能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)方向功率控制的系統(tǒng)，即可實(shí)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(jí)調(diào)速得到簡(jiǎn)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(shì)Ef，可以改變轉(zhuǎn)子的合電勢(shì)，從而改變理想空載轉(zhuǎn)速。而磁通由定子電勢(shì)和頻率決定，故不改變。于是串級(jí)調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒磁通（即恒轉(zhuǎn)矩）的高效率的無級(jí)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(jí)調(diào)速中，理想空載轉(zhuǎn)速可調(diào)，而同步轉(zhuǎn)速不變，事實(shí)證明了理想空載轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速?zèng)]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(duì)比，作為轉(zhuǎn)子控制的串級(jí)調(diào)速具有以下優(yōu)點(diǎn)：高壓調(diào)速，低壓控制。經(jīng)濟(jì)、可靠。控制裝置功率小于電機(jī)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(jiǎn)單。主磁通自然恒定，只需單一控制附加電勢(shì)。調(diào)速控制與機(jī)械輸出成并聯(lián)關(guān)系，故障時(shí)可以短路轉(zhuǎn)子，旁路控制裝置，使異步機(jī)自然運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)然，轉(zhuǎn)子控制也存在明顯的缺點(diǎn)，就是滑環(huán)和電刷問題。一方面使電機(jī)成本增高（約比鼠籠機(jī)高出10—15%），另外增加了電機(jī)維護(hù)量（大約每運(yùn)行一年左右需要更換電刷）。要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無刷控制，技術(shù)難度較大。但可以改進(jìn)電刷和滑環(huán)的工藝和材料，減小維護(hù)，提高壽命，這一目的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

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）?。虎沙杀镜土?。

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。

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(duì)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(shì)相匹配的附加電勢(shì)。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(shì)，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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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。

首先串級(jí)控制對(duì)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(duì)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。