标题：串级调速
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，被误认为是落后的调速技术。串级调速真的比变频调速逊色吗？实际上，串级调速在效率、机械特性等本质方面，和变频调速几乎是完全一致的，而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。尤其在高压大容量风机泵类节能方面，串级调速的某些优势表现的更为明显。实践是检验真理的唯一标准，在近代工业迫切呼唤交流调速发展的今天，尤其是风机水泵调速节能迫在眉睫，我们应该反思，如此轻率地放弃串级调速是否明智？ 
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。
如果把高压型变频调速和串级调速应用作以对比，就会发现变频调速并非如我们期望的那样理想，而串级调速也不象我们评价的那样逊色。 
理论是指导实践的基础。之所以产生上述情况，主要原因是调速理论误导所致，当然，也和串级调速当时技术上存在缺陷有关。调速理论界大多认为，串级调速的理论问题已经彻底弄清楚了*，实际未必尽然。例如，为什么串级调速的同步转速不变而理想空载转速却改变？为什么转子串电阻的机械特性是汇交于理想空载转速的软特性曲线，而串级调速却是平行的硬特性曲线？转差功率回馈为什么会导致理想空载转速的改变？诸多问题,无论是传统还是近代的调速理论，都没有对此做出完整、科学的解释，串级调速一直局限在变转差率原理的束缚中，被结论为是区别而且逊色于变频的调速。 
具有相同结果的不同方法，必然遵循共同的规律。既然串级调速和变频调速有一致的调速特性，调速原理就不应该是对立而是统一的。在事实与理论发生碰撞的情况下，我们只有尊重事实反思理论。 
本文根据作者提出的交流调速功率控制原理，从理论上重新分析、讨论了串级调速，并指出，串级调速与变频调速是殊途同归的，两者同属于电磁功率控制原理，除了调速控制的对象不同之外，原理上是完全一致的。本文同时分析了串级调速技术上存在的问题和不足，并结合作者的多年实践——内馈调速及斩波控制，指出了串级调速的改进要点和发展方向。
串级调速原理的再认识
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（P理论）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机械输出端口。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，在电机设计制造时已确定，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，其系统原理如图2 所示， 
附图2 串级调速的功率控制原理 
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，目前这一目的已经实现。
串级调速存在的问题与缺点
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，主要集中表现在有源逆变器环节上。 
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。 
图3 移相控制的变流电路 
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。