尤江峰

摘 要：串級調速源于英語“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，雖然后來改進，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。串級調速控制系統是針對繞線式異步電動機專用調速控制系統，他以自動旁路、系統容量小、低壓控制高壓、高效節(jié)能為特點。隨著電力電子技術的發(fā)展，此項曾一直被認為是即將淘汰的技術，又一次煥發(fā)了青春，成為風機、泵類負載電動機節(jié)能調速的一個理想選擇。本文就串級調速技術的發(fā)展進行簡要論述。

關鍵詞：串級調速技術；發(fā)展；論述

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.122

1 “移相控制”式串級調速技術

“移相控制”式串級調速控制系統是由不可控整流器UR、直流儲能電抗器L和晶閘管逆變器UI組成。工作時通過改變UI的觸發(fā)延遲角（）來改變直流電壓，從而改變轉子電壓。

“移相控制”式串級調速控制系統又稱“傳統串級調速控制系統”，他有效率高、低壓控制高壓、設備容量低三大優(yōu)點，但是同時存在功率因數低、諧波大、記憶性器件容量大、容易逆變顛覆、電機機械特性變軟等明顯缺點。由于長時間未被深入研究，所以其被認為是過渡性產品，甚至連同轉子側調速都認為是過渡性產品。目前此類產品基本已經停止生產，但仍有不少設備仍在使用，屬于歷史問題。

2 晶閘管逆變型斬波式串級調速技術

隨著對轉子變頻研究的深入，斬波+晶閘管有源逆變型串級調速控制系統。

斬波式串級調速控制系統的電動機采用內饋式電動機，他是在繞線電動機的定子側增加一套調節(jié)繞組，他與定子同槽相嵌，相當于把的變壓器集成到繞線電動機中。在變頻器中增加了由電感、斬波開關、二極管和儲能電容組成的升壓斬波環(huán)節(jié)。工作時晶閘管逆變器的觸發(fā)超前角固定于最小值，逆變直流電壓基本不變，通過改變斬波占空比實現調速。

通過固定有源逆變的逆變角度，改變斬波晶閘管的占空比來進行調速。這種控制系統不僅完全繼承了“移相控制”式三大優(yōu)點，而且有效的提高了系統的功率因數，大幅度降低了系統諧波分量，記憶性器件容量縮小，不易發(fā)生逆變顛覆，電機機械特性變硬。隨著電力電子器件的發(fā)展，大功率IGBT開始廣泛應用，斬波器件SCR漸漸被大功率IGBT取代，斬波頻率從百赫茲級躍升為千赫茲級，這使得記憶性器件容量進一步減小。目前市場上主要為此類產品，并取得了很好的技術與經濟效益。

但是，這種方式的功率因數仍然偏低、機械特性依然偏軟、記憶性元件的容量仍然偏大、有5、7次諧波。

3 IGBT型逆變斬波型串級調速

斬波+SPWM有源逆變型串級調速控制系統可以很好的提高斬波+晶閘管有源逆變型系統的性能。SPWM逆變器是一臺處于逆變工作狀態(tài)的低壓PWM整流器——有源前端（AFE）整流器，他的電壓控制外環(huán)保證直流電壓恒定，同理，通過改變斬波開關的占空比可以實現調速。由于單元是電壓型逆變器，所以在直流回路中無儲能電抗器。當斬波開關IGBT的開關頻率選到2kHz左右時，僅靠電動機漏感已能滿足升壓斬波需要，不需電感，但為了減小斬波器開關的高的影響，仍保留電感，但是容量可以很小，進一步降低記憶性元件的容量。此種方式可以產生容性無功，進一步提高系統功率因數，不產生5、7次諧波，抗電網波動能力強、省去一臺大電抗器。這種電路拓撲系統已經開始在市場中出現，取得了不錯的效果。

4 高功率因數型串級調速

斬波+SPWM有源逆變串級調速系統雖然能夠提供容性無功，使得變頻器功率因數明顯提高，但是其不能補償來自電機的感性無功，電機、變頻器組成的系統功率因數仍然不夠理想。此外，串級調速控制系統適用于繞線式電動機（包括內反饋式繞線電動機），所以，系統中設置獨立的啟動系統（一般為頻敏變阻器或液態(tài)電阻）。換言之，電機的啟動系統和調速系統是獨立的兩套系統，當調速系統出現故障的時候，啟動系統不受影響，電機仍然能正常啟停，這樣便不會影響正常生產。這是串級調速控制系統自動旁路功能的獨特優(yōu)點。但是，若電機不能調速，將會對泵或風機管網系統造成巨大沖擊（有些系統由于設計不當風機不能全速工作，否則震動強烈）。

另外，一般的斬波式串級調速系統均采用雙閉環(huán)PI調節(jié)器作為控制器對斬波器進行觸發(fā)，這種調節(jié)器簡單且對線性系統穩(wěn)定、準確，但對于異步電機調速系統的線性度不夠強問題往往存在振蕩點，其自適應性較差。針對以上問題，在原有基礎上進行升級，可以開發(fā)出高功率因數液阻變頻雙調速控制系統，結構如下：

（1）內反饋電動機，省去了外饋變壓器，同時有效抑制了電流諧波。

（2）液阻調速系統，在變頻出現故障而風機或泵又需要調速時，液阻進行調速。

（3）串級調速系統，斬波+SPWM型串級調速系統，諧波小，功率因數高。

（4）TSC無功補償系統，低壓側自動補償電動機的無功功率，使得電機、調速器系統功率因數高。

5 小結

串級調速技術應用于風機或泵類負載的調速節(jié)能，具有設備小巧，可靠性高，適應工作環(huán)境能力強，節(jié)能率高等優(yōu)點。但是也由于其僅能應用于繞線式電動機，所以極大的制約了串級調速技術的發(fā)展。

然而，風機或泵類負載本身是比較適用于繞線式電動機的，而且，使用串級調速控制系統，綜合投資其實并不大，所以，本項技術不應該被淘汰，應該被更好的開發(fā)與應用。