串级调速技术的发展
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摘 要：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。串级调速控制系统是针对绕线式异步电动机专用调速控制系统，他以自动旁路、系统容量小、低压控制高压、高效节能为特点。随着电力电子技术的发展，此项曾一直被认为是即将淘汰的技术，又一次焕发了青春，成为风机、泵类负载电动机节能调速的一个理想选择。本文就串级调速技术的发展进行简要论述。
关键词：串级调速技术；发展；论述
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.122
1 “移相控制”式串级调速技术
“移相控制”式串级调速控制系统是由不可控整流器UR、直流储能电抗器L和晶闸管逆变器UI组成。工作时通过改变UI的触发延迟角（）来改变直流电压，从而改变转子电压。
“移相控制”式串级调速控制系统又称“传统串级调速控制系统”，他有效率高、低压控制高压、设备容量低三大优点，但是同时存在功率因数低、谐波大、记忆性器件容量大、容易逆变颠覆、电机机械特性变软等明显缺点。由于长时间未被深入研究，所以其被认为是过渡性产品，甚至连同转子侧调速都认为是过渡性产品。目前此类产品基本已经停止生产，但仍有不少设备仍在使用，属于历史问题。
2 晶闸管逆变型斩波式串级调速技术
随着对转子变频研究的深入，斩波+晶闸管有源逆变型串级调速控制系统。
斩波式串级调速控制系统的电动机采用内馈式电动机，他是在绕线电动机的定子侧增加一套调节绕组，他与定子同槽相嵌，相当于把的变压器集成到绕线电动机中。在变频器中增加了由电感、斩波开关、二极管和储能电容组成的升压斩波环节。工作时晶闸管逆变器的触发超前角固定于最小值，逆变直流电压基本不变，通过改变斩波占空比实现调速。
通过固定有源逆变的逆变角度，改变斩波晶闸管的占空比来进行调速。这种控制系统不仅完全继承了“移相控制”式三大优点，而且有效的提高了系统的功率因数，大幅度降低了系统谐波分量，记忆性器件容量缩小，不易发生逆变颠覆，电机机械特性变硬。随着电力电子器件的发展，大功率IGBT开始广泛应用，斩波器件SCR渐渐被大功率IGBT取代，斩波频率从百赫兹级跃升为千赫兹级，这使得记忆性器件容量进一步减小。目前市场上主要为此类产品，并取得了很好的技术与经济效益。
但是，这种方式的功率因数仍然偏低、机械特性依然偏软、记忆性元件的容量仍然偏大、有5、7次谐波。
3 IGBT型逆变斩波型串级调速
斩波+SPWM有源逆变型串级调速控制系统可以很好的提高斩波+晶闸管有源逆变型系统的性能。SPWM逆变器是一台处于逆变工作状态的低压PWM整流器——有源前端（AFE）整流器，他的电压控制外环保证直流电压恒定，同理，通过改变斩波开关的占空比可以实现调速。由于单元是电压型逆变器，所以在直流回路中无储能电抗器。当斩波开关IGBT的开关频率选到2kHz左右时，仅靠电动机漏感已能满足升压斩波需要，不需电感，但为了减小斩波器开关的高的影响，仍保留电感，但是容量可以很小，进一步降低记忆性元件的容量。此种方式可以产生容性无功，进一步提高系统功率因数，不产生5、7次谐波，抗电网波动能力强、省去一台大电抗器。这种电路拓扑系统已经开始在市场中出现，取得了不错的效果。
4 高功率因數型串级调速
斩波+SPWM有源逆变串级调速系统虽然能够提供容性无功，使得变频器功率因数明显提高，但是其不能补偿来自电机的感性无功，电机、变频器组成的系统功率因数仍然不够理想。此外，串级调速控制系统适用于绕线式电动机（包括内反馈式绕线电动机），所以，系统中设置独立的启动系统（一般为频敏变阻器或液态电阻）。换言之，电机的启动系统和调速系统是独立的两套系统，当调速系统出现故障的时候，启动系统不受影响，电机仍然能正常启停，这样便不会影响正常生产。这是串级调速控制系统自动旁路功能的独特优点。但是，若电机不能调速，将会对泵或风机管网系统造成巨大冲击（有些系统由于设计不当风机不能全速工作，否则震动强烈）。
另外，一般的斩波式串级调速系统均采用双闭环PI调节器作为控制器对斩波器进行触发，这种调节器简单且对线性系统稳定、准确，但对于异步电机调速系统的线性度不够强问题往往存在振荡点，其自适应性较差。针对以上问题，在原有基础上进行升级，可以开发出高功率因数液阻变频双调速控制系统，结构如下：
（1）内反馈电动机，省去了外馈变压器，同时有效抑制了电流谐波。
（2）液阻调速系统，在变频出现故障而风机或泵又需要调速时，液阻进行调速。
（3）串级调速系统，斩波+SPWM型串级调速系统，谐波小，功率因数高。
（4）TSC无功补偿系统，低压侧自动补偿电动机的无功功率，使得电机、调速器系统功率因数高。
5 小结
串级调速技术应用于风机或泵类负载的调速节能，具有设备小巧，可靠性高，适应工作环境能力强，节能率高等优点。但是也由于其仅能应用于绕线式电动机，所以极大的制约了串级调速技术的发展。
然而，风机或泵类负载本身是比较适用于绕线式电动机的，而且，使用串级调速控制系统，综合投资其实并不大，所以，本项技术不应该被淘汰，应该被更好的开发与应用。
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