串级工频试验变压器

串级工频试验变压器是物理学术语。

中文名称

串级工频试验变压器

英文名称

cascade power-frequency testing transformer

定　　义

由几台工频试验变压器串接以获得较高试验电压的变压器组。

应用学科

电力（一级学科），高电压技术（二级学科）

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，被认为是落后的调速技术.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。

既然串级调速和变频调速有一致的调速特性。特点和性能：1）串级调速的控制设备焦复杂，成本较高，控制困难。因为转子回路串入了一个频率与转子电压频率相同的外加电压，且要随频率变化是相当困难的。因此，在实际应用中，通常是将转子外加电压用整流器整流成可控的直流电压来代替交变电压。2）串级调速的机械特性较硬，调速平滑性好，转差功率损耗小，效率较高。3）低速时，转差功率损耗较大，功率因素较低，过载能力较弱。4）串级调速范围一般为（2~4）：1，适用用于大容量的通风机，提升机等泵类负载。5）串级调速电机要求是滑环电机，电机滑环碳刷需要经常更换维护，相比异步电机维护费用增加。6）串级调速装置，为了顺利启动，会配合转子串电阻启动方式，拉到需要转速之后，逆变器配合触发实现调速。

首先串级控制对进入副回路的扰动有很强的克服能力。其次，由于副回路的存在，减小了控制对象的时间参数，从而提高了系统的响应速度。再者串级控制提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量。最后，串级系统有一定的自适应能力。

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。

串级调速回馈方案问题

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。

串级调速变流控制问题

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。

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。