串級調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

尤江峰

摘 要：串級調(diào)速源于英語“cascade control”，意為“級聯(lián)控制”，系指當(dāng)時異步機轉(zhuǎn)子與外附的直流電動機兩級聯(lián)接所形成的調(diào)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(diào)速的稱謂被習(xí)慣地沿用下來。串級調(diào)速控制系統(tǒng)是針對繞線式異步電動機專用調(diào)速控制系統(tǒng)，他以自動旁路、系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，此項曾一直被認為是即將淘汰的技術(shù)，又一次煥發(fā)了青春，成為風(fēng)機、泵類負載電動機節(jié)能調(diào)速的一個理想選擇。本文就串級調(diào)速技術(shù)的發(fā)展進行簡要論述。

關(guān)鍵詞：串級調(diào)速技術(shù)；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(diào)速技術(shù)

“移相控制”式串級調(diào)速控制系統(tǒng)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(zhuǎn)子電壓。

“移相控制”式串級調(diào)速控制系統(tǒng)又稱“傳統(tǒng)串級調(diào)速控制系統(tǒng)”，他有效率高、低壓控制高壓、設(shè)備容量低三大優(yōu)點，但是同時存在功率因數(shù)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(chǎn)品，甚至連同轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)速都認為是過渡性產(chǎn)品。目前此類產(chǎn)品基本已經(jīng)停止生產(chǎn)，但仍有不少設(shè)備仍在使用，屬于歷史問題。

2 晶閘管逆變型斬波式串級調(diào)速技術(shù)

隨著對轉(zhuǎn)子變頻研究的深入，斬波+晶閘管有源逆變型串級調(diào)速控制系統(tǒng)。

斬波式串級調(diào)速控制系統(tǒng)的電動機采用內(nèi)饋式電動機，他是在繞線電動機的定子側(cè)增加一套調(diào)節(jié)繞組，他與定子同槽相嵌，相當(dāng)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(guān)、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(xiàn)調(diào)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(diào)速。這種控制系統(tǒng)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(tǒng)的功率因數(shù)，大幅度降低了系統(tǒng)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(yīng)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(chǎn)品，并取得了很好的技術(shù)與經(jīng)濟效益。

但是，這種方式的功率因數(shù)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(diào)速

斬波+SPWM有源逆變型串級調(diào)速控制系統(tǒng)可以很好的提高斬波+晶閘管有源逆變型系統(tǒng)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(guān)的占空比可以實現(xiàn)調(diào)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(dāng)斬波開關(guān)IGBT的開關(guān)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(guān)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(chǎn)生容性無功，進一步提高系統(tǒng)功率因數(shù)，不產(chǎn)生5、7次諧波，抗電網(wǎng)波動能力強、省去一臺大電抗器。這種電路拓撲系統(tǒng)已經(jīng)開始在市場中出現(xiàn)，取得了不錯的效果。

4 高功率因數(shù)型串級調(diào)速

斬波+SPWM有源逆變串級調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠提供容性無功，使得變頻器功率因數(shù)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(tǒng)功率因數(shù)仍然不夠理想。此外，串級調(diào)速控制系統(tǒng)適用于繞線式電動機（包括內(nèi)反饋式繞線電動機），所以，系統(tǒng)中設(shè)置獨立的啟動系統(tǒng)（一般為頻敏變阻器或液態(tài)電阻）。換言之，電機的啟動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)是獨立的兩套系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，啟動系統(tǒng)不受影響，電機仍然能正常啟停，這樣便不會影響正常生產(chǎn)。這是串級調(diào)速控制系統(tǒng)自動旁路功能的獨特優(yōu)點。但是，若電機不能調(diào)速，將會對泵或風(fēng)機管網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大沖擊（有些系統(tǒng)由于設(shè)計不當(dāng)風(fēng)機不能全速工作，否則震動強烈）。

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

（1）內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)，在變頻出現(xiàn)故障而風(fēng)機或泵又需要調(diào)速時，液阻進行調(diào)速。

（3）串級調(diào)速系統(tǒng)，斬波+SPWM型串級調(diào)速系統(tǒng)，諧波小，功率因數(shù)高。

（4）TSC無功補償系統(tǒng)，低壓側(cè)自動補償電動機的無功功率，使得電機、調(diào)速器系統(tǒng)功率因數(shù)高。

5 小結(jié)

串級調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機或泵類負載的調(diào)速節(jié)能，具有設(shè)備小巧，可靠性高，適應(yīng)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(yīng)用于繞線式電動機，所以極大的制約了串級調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。

然而，風(fēng)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(diào)速控制系統(tǒng)，綜合投資其實并不大，所以，本項技術(shù)不應(yīng)該被淘汰，應(yīng)該被更好的開發(fā)與應(yīng)用。