串級調速源於英語“cascade control”，意為“級聯控制”，系指當時異步機轉子與外附的直流電動機兩級聯接所形成的調速，雖然後來改進，用靜止的電力電子變流裝置和變壓器取代直流電動機，但串級調速的稱謂被習慣地沿用下來。
基本介紹
- 中文名：串級調速
- 外文名：cascade control
- 效率：效率高
- 調速特性：調速平滑即無級調速
- 調速範圍：調速範圍寬
- 成本：低廉
前言,再認識,存在問題、缺點,回饋方案問題,變流控制問題,
前言
十幾年前，串級調速作為一種高效率的交流無級調速曾經盛行一時，隨著近代變頻調速的興起，串級調速日漸蕭條，被認為是落後的調速技術.如何評價交流調速技術的優劣，不同的需求有不同的標準。但普遍的共識是：⑴ 效率高；⑵ 調速平滑即無級調速；⑶ 調速範圍寬；⑷調速產生的負面影響（如諧波、功率因數等）小；⑸成本低廉。
既然串級調速和變頻調速有一致的調速特性。特點和性能：1）串級調速的控制設備焦複雜，成本較高，控制困難。因為轉子迴路串入了一個頻率與轉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，在實際套用中，通常是將轉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）串級調速的機械特性較硬，調速平滑性好，轉差功率損耗小，效率較高。3）低速時，轉差功率損耗較大，功率因素較低，過載能力較弱。4）串級調速範圍一般為（2~4）：1，適用用於大容量的通風機，提升機等泵類負載。5）串級調速電機要求是滑環電機，電機滑環碳刷需要經常更換維護，相比異步電機維護費用增加。6）串級調速裝置，為了順利啟動，會配合轉子串電阻啟動方式，拉到需要轉速之後，逆變器配合觸發實現調速。
再認識
傳統理論的質疑與商榷
認為串級調速從屬於變轉差率原理，是根據傳統電機學的異步機轉速公式（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，並非公式。不僅不能作為串級調速的理論依據，也不能成為其他交流調速的指導公式。公式是客觀規律的數學表達形式，它只能產生於科學分析和實踐，而不能產生於人為的定義。傳統電動機學的異步機轉速表達式是這樣建立的，首先定義轉差率s，令 （2），式中： n1為同步轉速；n 為機械轉速。由式（2），經代數變換得（3）。由於初等變換不改變等式性質，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，由於（4）將式（4）代入定義式（3），於是有表達式（1）。應該注意，式（3）與式（1）沒有本質區別，儘管式（4）是公式，但它僅僅起到參數變換作用，並沒有改變式（1）、（3）的定義式性質。因此轉速表達式（1）只是人為的定義式，並非公式，自然不能成為交流調速的理論依據，否則就犯了基本的邏輯錯誤。
另外，轉差率改變與否和調速性能的優劣並沒有明確的關係，不能把轉差率當作效率。轉差功率定義為 ，系指電磁功率中沒有轉化為機械功率的部分，至於是否成為損耗，並未確定。在自然運行時，可以狹義地認為轉差功率就是損耗功率，而擴展到調速，例如串級調速，轉差功率可以以電能形式傳輸，並不成為損耗而降低調速效率。實際的交流調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，當頻率低於額定值時，電機將劇烈發熱，不能正常運行；又如，只改變極數而不相應改變有效串聯匝數，電機同樣無法工作。以上兩例都是依循表達式（1）操作的，結果卻遭失敗，如果公式是科學的，絕不應該出現這樣例外。
交流調速的功率控制原理
為了探求異步機調速的實質，以及便於深入分析，應首先建立異步機的物理模型。根據異步機的能量轉換與傳輸原理，異步機等效於圖1的功率圓模型。圖1A鼠籠轉子的異步機模型 圖1B 繞線轉子的異步機模型
電動機是將電能轉化為機械能的設備。異步機的定子與電源相聯，從中吸收電功率P1，同時吸收感性無功功率建立旋轉磁場。旋轉磁場的主要功能是將定子的電磁功率傳輸給轉子，轉子則將電磁功率轉化為機械功率，因此，旋轉磁場可等效為聯接定、轉子的功率傳輸通道，為與電傳導方式相區別，稱為感應通道。主磁通 是電磁感應中極為重要的參數，可以形象地認為是感應通道暢通與否的標誌，為了保證感應通道暢通，應使主磁通保持設計伊始的常量，否則將使功率傳輸的損耗增大，並且影響電機的轉矩性能。定、轉子之間傳輸的電功率稱為電磁功率，也是轉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，轉子的電磁功率則為（6），為機械功率與轉子損耗功率之和。應該注意，定、轉子的電磁功率相等，只是表達形式不同。對於鼠籠型異步機，轉子電壓和電流是短路、封閉的，不能為外界所控制，因此，鼠籠型異步機轉子只有一個械輸出連線埠。繞線型異步機的轉子則是開啟的，並受外部控制才能形成電氣迴路，因此具有機械和電氣兩個輸出連線埠。轉速產生於轉子，因此是調速的主要分析對象。根據力學原理，異步機的角速度（7），其中：PM為異步機機械功率；T為輸出轉矩。根據異步機的能量轉換與守恆，轉子的功率方程為（8），其中：Pem為異步機轉子的電磁功率；為轉子的損耗功率。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。量綱變換後，有（12），式中的 （13），即為理想空載轉速；（14），為轉速降。
異步機的理想空載轉速表達為電磁功率與電磁轉矩之比，其含義是：在假定轉子無損耗的理想狀態下，異步機的全部電磁功率都轉化為機械功率所能獲得的轉速。由於這種假設只有在理想空載的條件下才能實現，故稱理想空載轉速。理想空載轉速取決於電磁功率，是異步機調速非常重要的參量。轉速降即為轉速損失，取決於損耗功率。
按照公式（7），轉矩T似乎也應該成為調速的控制參量，實際上是不可能的。電機穩定運行必須遵循轉矩平衡方程式，即電磁轉矩與負載轉矩相等（15）。負載轉矩是由機械負載本身性質決定的，既不取決於電機性能也不取決於調速與否，電磁轉矩只能服從客觀存在的負載轉矩，不能隨意改變，否則，破壞了轉矩平衡方程式，電機將無法穩定運行。由此可見，交流調速的實質在於控制其機械功率，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速，機械特性為平行曲線，是高效率節能型調速；而損耗功率控制則是增大轉速降，機械特性為匯交曲線，是低效率的耗能型調速。調速性能取決於調速原理，選擇定子控制還是轉子控制，僅僅是對象的不同，並沒有本質的區別。以上就是交流調速的功率控制原理，為了便於稱謂，簡稱為P理論。根據電機學原理，異步機轉子的電磁功率和電磁轉矩方程為（16）；（17）。其中，轉矩係數 （18）。根據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），其中的電勢係數： （20）。換算成每分鐘轉速，同乘以 ，有（21），其中的轉子電勢係數 （22）。表明異步機的理想空載轉速與轉子開路電勢E2成正比，與主磁通量 成反比。至於電勢係數，在電機設計製造已確定，可以當作常量，改變理想空載轉速可以通過1) 恆磁調壓方法。即，使主磁通 不變，調節轉子電壓（電勢）。2) 恆壓弱磁方法。即，使轉子電壓不變，減小主磁通。改變轉子電勢有電傳導和磁感應兩種方法，電傳導方法用於轉子控制調速，其理想空載轉速為（23）；感應法用於定子控制調速，理想空載轉速則為（24）。公式（23）（24）物理意義鮮明，具有普遍性，實際上，變頻調速、串級調速、以及將介紹的內饋調速等高效率交流調都是依據該公式實現的。
串級調速的功率控制原理
串級調速是基於轉子的電磁功率控制調速。串級調速的功率控制原理是：從轉子入手控制異步機的電磁功率，從而改變理想空載轉速。當轉子的部分功率被移出，總的電磁功率減小，理想空載轉速降低，是一種低同步調速系統。如果轉子通過電傳導另外得到的部分功率，總的電磁功率增加，理想空載轉速將超過同步轉速，實現超同步調速。這種能夠實現兩個方向功率控制的系統，即可實現低同步和超同步兩種調速，稱為雙饋調速。利用功率控制原理推導出的公式(23) ，可以使串級調速得到簡明、量化的分析。通過電傳導的方法在轉子迴路串聯附加電勢Ef，可以改變轉子的合電勢，從而改變理想空載轉速。而磁通由定子電勢和頻率決定，故不改變。於是串級調速實現恆磁通（即恆轉矩）的高效率的無級調速。應該指出，改變理想空載轉速才是調速的關鍵所在，至於同步轉速改變與否並不重要。在串級調速中，理想空載轉速可調，而同步轉速不變，事實證明了理想空載轉速與同步轉速沒有必然的聯繫。
與高壓交流調速的定子控制（變壓變頻）對比，作為轉子控制的串級調速具有以下優點：高壓調速，低壓控制。經濟、可靠。控制裝置功率小於電機功率，可以在調速範圍滿足需求的前提下，減小控制裝置的容量。一元控制，技術簡單。主磁通自然恆定，只需單一控制附加電勢。調速控制與機械輸出成並聯關係，故障時可以短路轉子，旁路控制裝置，使異步機自然運行，提高系統運行可靠性。諧波畸變小。由於轉子與定子的氣隙隔離作用，定子電流的畸變較小。當然，轉子控制也存在明顯的缺點，就是滑環和電刷問題。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）。要實現轉子無刷控制，技術難度較大。但可以改進電刷和滑環的工藝和材料，減小維護，提高壽命，這一目的已經實現。
存在問題、缺點
必須承認，串級調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。為了使串級調速得以發展，除了在理論上給予正名之外，重點還應分析出問題和缺點的原因，進而採取有效的改進措施。串級調速存在的問題可以歸結為兩個方面，一個是回饋方案問題，另一個是變流控制問題。
回饋方案問題
1) 電轉差功率的無謂循環。這是較為突出的問題。在串級調速系統中，電轉差功率以電能的形式由定子從電網中吸收進來，又以同樣的能量形式反饋電網，顯然是一種無謂的功率循環。這種無謂循環的結果，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。在串級調速系統中，電機定子繞組的功率為（25）。當機械功率隨轉速降低而減小時，電轉差功率卻相應增大，特別是恆轉矩負載時，定子有功電流只與負載相關，不隨轉速而變，於是導致低速時定子嚴重發熱，甚至不能正常運行，因此，儘管串級調速具有恆轉矩調速特性，但卻很少在恆轉矩負載上套用，使串級調速的使用範圍受到限制。對於風機水泵類負載，電流正比於轉速的平方即 ，這個問題表現不是很突出，因此串級調速多套用於風機水泵調速。
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，主要集中表現有源逆變器環節上。
1) 功率因數問題。受技術條件限制，當時串級調速的變流控制多採用圖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成，電抗器是為了電流連續所必需的。
根據功率控制原理，裝置的任務有二：一是頻率變換。由於轉子電壓的頻率是變化的， ，而逆變交流電源的頻率恆為工頻，不同頻率的電源無法實現有功功率交換，因此，要把轉子的頻率隨轉速而變的電轉差功率饋入工頻的電網，必須進行頻率變換，使之統一；二是回饋功率控制。轉速隨從轉子轉移出的功率即回饋功率而變，回饋功率越大，轉速越低，反之轉速越高。為了實現無級調速，必須對回饋功率的大小連續的控制。電路的頻率統一是通過“交-直-交”變換完成的，性能良好，問題出在電轉差功率控制上。忽略變流控制的損耗，轉子的電轉差功率和回饋功率相等，從有源逆變器的交流輸出端觀察，結合變流技術理論，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。
分析發現，要改變圖3電路的 大小，式中除了功率因數角 之外都不可調，理由是： 取決於變壓器副邊線圈匝數，一經製造完成不可改變；逆變電流 就是轉子電流 ，而轉子電流取決於負載，無法改變；至於相數 自然也是確定的常量，於是電轉差功率就只有通過改變逆變角 調節，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，電流總是滯後電壓的，因此，移相觸發在調節有功功率的同時，必然產生相應的感性無功功率。在改變逆變角時，有功功率按公式（26）變化，同時產生感性無功功率（27）。這部分無功功率是人為移相控制所產生的，它將導致系統的功率因數降低，特別是逆變角接近90○時，逆變器的功率因數幾乎為零，平均系統的功率因數僅為0.2左右 ，使調速性能受到不利影響。
2) 可靠性問題
