什么是串级调速

串级调速是一种经典而高效的交流电动机调速技术，通过在转子回路中引入附加电势来改变电机转速，从而实现对电机转速的平滑、宽范围调节。其核心在于利用晶闸管等电力电子器件构成的变流装置，将转子侧转差能量回馈至电网或加以利用，显著提升了系统运行效率。该技术尤其适用于大功率风机、水泵等负载的节能调速，是工业传动领域一项重要的实用技术。

       在现代工业传动系统中，电动机作为核心动力源，其转速控制精度与能效水平直接关系到生产过程的稳定性与经济效益。在众多交流调速技术中，串级调速以其独特的原理、优异的调速性能以及在特定应用场景下突出的节能效果，历经数十年发展，依然在工业领域占有一席之地。本文旨在深入剖析串级调速的技术内涵、工作原理、系统构成、关键特点及其典型应用，为读者呈现一幅关于这项技术的全景图。

       一、 串级调速的基本概念与历史沿革

       串级调速，全称为绕线式异步电动机串级调速，是一种针对绕线转子异步电动机（又称滑环电机）的调速方法。其基本思想并非直接改变施加在电动机定子侧的电源频率或电压，而是通过在与转子绕组串联的回路中，引入一个大小和相位均可控的附加电动势，来改变电动机转子回路的总电动势，进而调节电动机的转差率，最终实现平滑无级地调节电机转速的目的。

       这项技术的构想由来已久，早期的实现方式较为笨重，例如采用旋转变流机组。直到二十世纪六七十年代，随着晶闸管（即可控硅）等大功率半导体器件的成熟与普及，静止式串级调速系统才得以实现并广泛应用。晶闸管构成的变流器能够高效、可靠地处理转子侧的电能，并将其回馈至电网，使得串级调速系统的效率、可靠性和经济性得到了质的飞跃，从而在风机、水泵、压缩机等大功率恒转矩负载的调速节能领域发挥了巨大作用。

       二、 绕线式异步电动机的工作原理回顾

       要透彻理解串级调速，必须先回顾其控制对象——绕线式异步电动机的基本运行原理。当三相交流电通入电动机的定子绕组时，会产生一个旋转磁场。该旋转磁场的转速称为同步转速，其值由电源频率和电机极对数决定。转子绕组（通常是三相绕组，其出线端接在滑环和电刷上）处于这个旋转磁场中，会因电磁感应产生感应电动势和电流。转子电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转。

       然而，转子的实际转速总是略低于同步转速，这个转速差与同步转速的比值称为转差率。转差率是异步电动机运行的一个重要参数。在自然特性下，电动机的转子感应电动势、转子电流和电磁转矩都与转差率密切相关。当负载转矩增大时，转差率增大，转子感应电动势和电流随之增大，从而产生更大的电磁转矩以平衡负载转矩。在转子回路串入固定电阻是一种传统的调速方法，但该方法通过消耗转差功率（以热能形式耗散在电阻上）来调速，效率低下，仅适用于短时或调速要求不高的场合。

       三、 串级调速的核心原理：附加电动势的引入

       串级调速的巧妙之处，在于它没有将转差功率简单地消耗掉，而是通过电力电子变流装置对其进行了“回收利用”或“转移处理”。其核心物理过程可以概括为：在电动机的转子回路中，串联一个由电力电子变流器产生的、频率与转子感应电动势频率相同、但其大小和相位均可人工调节的附加电动势。

       当引入的附加电动势与转子感应电动势相位相反时，它将抵消一部分转子电动势，使得转子回路的总电动势减小。根据电机学原理，这将导致转子电流减小，电机产生的电磁转矩暂时小于负载转矩，从而使电机减速，转差率增大。随着转差率增大，转子本身的感应电动势会增大，直到转子回路的总电动势（转子感应电动势减去附加电动势）产生的电流能重新建立与负载转矩的平衡，电机就在一个较低的转速下稳定运行。反之，当引入的附加电动势与转子感应电动势相位相同时，它会增大转子回路的总电动势，使转子电流和电磁转矩增大，电机加速，转差率减小，最终稳定在较高转速。

       四、 典型串级调速系统的拓扑结构

       一套完整的静止式晶闸管串级调速系统，主要由以下几大部分构成：绕线式异步电动机、三相不可控整流桥、平波电抗器、晶闸管有源逆变桥以及变压器。

       电动机的转子三相感应电动势（其频率为转差频率，低于工频）首先经过一个三相桥式不可控整流电路，转变为直流电压。这个直流电压的大小与电动机的转差率成正比。平波电抗器用于滤平直流电流的脉动，使直流回路电流连续平稳。随后，这个直流电压被送至一个由晶闸管构成的三相桥式有源逆变电路。逆变电路在控制系统驱动下，将直流电能逆变成与电网同频率的交流电，并通过一台变压器将电压匹配后，回馈到交流电网。在这个系统中，逆变桥的直流侧电压就相当于前述的“附加电动势”。通过调节逆变桥中晶闸管的触发延迟角，可以连续地改变这个附加直流电动势的大小和极性（体现为逆变电压的高低），从而实现电机转速的平滑调节。

       五、 能量流向与系统效率分析

       串级调速系统的能量流向是其高效节能的关键。电动机从电网吸收的电能，一部分通过定子传递到转子，转化为机械能输出；另一部分则为转差功率。在传统电阻调速中，这部分转差功率以热能形式白白浪费。而在串级调速系统中，转差功率经转子引出，通过整流和逆变环节，绝大部分（扣除变流装置本身的少量损耗）被成功地回馈到电网，供系统内其他设备使用。

       因此，系统的总效率非常高。在调速运行时，电动机本体的运行效率会因转差增大而略有下降，但考虑到绝大部分转差功率被回收，整个调速装置的综合效率依然远高于转子串电阻调速，也优于某些低效的调速方式。当电机运行在接近同步转速（转差率很小）时，需要回馈的转差功率也很小，系统效率接近电动机的自然运行效率。

       六、 主要的调速性能特点

       串级调速表现出了一系列鲜明的性能特点。首先是调速平滑，可以实现无级调速，调速过程中机械特性较硬，即负载变化时转速波动较小，稳定性好。其次，调速范围较宽，通常可以实现同步转速以下较大范围的调速（例如调速范围可达2:1至3:1，即最低转速可达额定转速的1/2至1/3），能够满足大多数工业应用的需求。

       再者，它具有较高的电能回馈效率，节能效果显著，尤其适用于长期处于中低速运行的风机、水泵类负载。此外，由于变流装置主要处理的是转差功率，而非电机的全部功率，因此装置容量可以比电机额定容量小得多（通常仅为电机额定功率乘以最大转差率），这降低了主电路电力电子器件的容量要求和设备成本。不过，其调速范围受逆变器电压和电动机转子电压匹配的限制，难以达到同步转速以上（超同步速调速需要更复杂的双馈系统），且功率因数相对较低，这是其主要的不足之处。

       七、 与变频调速技术的对比

       谈及交流调速，不可避免地要将其与如今主流的变频调速（变频器）进行对比。变频调速通过改变供给电动机的电源频率来调速，可以实现宽范围、高性能的调速，且适用于最常用的鼠笼式异步电动机，通用性极强。变频调速的功率因数较高，动态响应快，控制精度高，功能丰富。

       相比之下，串级调速主要适用于绕线式电机，调速范围通常限于同步转速以下，动态性能不如高性能变频器，且功率因数较低。然而，在大功率（例如数千千瓦以上）、中低速运行占主导、且对动态响应要求不极高的场合，串级调速依然有其独特优势。其变流装置容量小、成本相对较低，系统效率高，特别是对于改造已有的绕线式电机设备，串级调速方案往往在投资回报率上更具吸引力。两者是不同历史时期和技术路径下的优秀解决方案，各有其适用的市场定位。

       八、 控制系统的构成与功能

       现代串级调速系统离不开先进的控制系统。控制系统通常以微处理器或可编程逻辑控制器为核心，负责完成多项关键任务。其核心是转速闭环控制：系统检测电机的实际转速，与给定的转速指令进行比较，通过比例积分微分等调节算法，计算出所需的控制量，最终转化为对晶闸管有源逆变桥触发延迟角的精确控制，从而稳定电机转速。

       此外，控制系统还需实现启动逻辑控制（通常采用转子串电阻启动，待转速达到一定值后再投入串级调速装置）、故障保护（如过电流、过电压、失速、缺相等保护）、与上级管理系统的通信以及运行状态监测与显示等功能。一套可靠、智能的控制系统是串级调速装置安全、稳定、高效运行的保障。

       九、 功率因数及其改善措施

       功率因数较低是传统晶闸管串级调速系统的一个主要缺点。这是由于晶闸管相控整流与逆变过程中，电流波形相对电压波形会发生滞后，导致装置从电网吸收的无功功率增加。低功率因数会增加电网的线路损耗，可能影响同一电网下其他设备的正常运行，并且可能使用户面临电力部门的功率因数考核罚款。

       为了改善功率因数，技术上采取了多种措施。一种常见的方法是在逆变变压器网侧或直流回路中加装电力电容器进行无功补偿。更先进的方法是采用脉宽调制等新型控制技术的变流器，或者采用全控型器件如绝缘栅双极型晶体管构成的变流电路，这些方案可以显著减少谐波含量，提高输入侧的功率因数。

       十、 谐波问题及其治理

       晶闸管相控变流器在工作时会产生非正弦的电流和电压波形，即向电网注入谐波。这些谐波可能导致电网电压畸变，干扰其他精密电子设备，引起电机和变压器的附加发热与振动。串级调速系统产生的谐波次数主要与整流和逆变电路的脉动数有关（如六脉波电路会产生6k±1次谐波）。

       治理谐波的方法包括增加变流装置的相数（如采用十二脉波电路），在电网侧加装无源或有源滤波器，以及采用前述的基于全控器件的变流拓扑。随着电能质量标准的日益严格，谐波治理已成为串级调速系统设计、安装和验收时必须充分考虑的重要环节。

       十一、 启动、停车与保护策略

       串级调速装置通常不用于电机的直接启动，因为启动初期转子频率高、电压大，可能超过变流装置的承受能力。标准的启动流程是：电机转子回路先接入启动电阻器，采用传统的转子串电阻分级启动方式，将电机加速到一个预设的、较低的转速（此时转子电压和频率已在装置安全范围内），然后平滑地将串级调速装置切入转子回路，同时切除启动电阻，转为由串级调速系统控制电机继续加速或稳定运行。

       停车过程则相反，先由串级调速将电机转速降至较低值，然后切换至转子串电阻状态，最后切断电源完成停车。完善的保护策略涵盖了对电机和变流装置的全方位监护，包括直流回路过电流保护、逆变颠覆保护、电机失速保护、冷却系统故障保护以及电网异常保护等，确保任何故障发生时都能迅速、安全地隔离故障点。

       十二、 在风机水泵类负载上的节能应用

       风机和水泵是工业领域最主要的流体输送设备，其消耗的电能占比巨大。这类负载有一个显著特点：其轴功率与转速的三次方成正比。当工艺要求降低流量或压力时，传统的做法是采用阀门或挡板进行节流调节，这会在阀门上造成大量的节流损耗，电机仍以接近额定转速运行，能耗几乎不变。

       若采用串级调速（或变频调速）来降低电机转速，从而直接降低风机水泵的出力，则轴功率将以转速的三次方关系急剧下降。例如，将转速降至额定转速的80%，理论上轴功率可降至约51%。虽然串级调速系统本身存在少量损耗，但相较于节流调节的巨大浪费，其节能效果极其惊人。因此，在钢铁、化工、电力、市政供水等行业的大型风机水泵改造中，串级调速曾是一项非常重要的节能技术选择。

       十三、 系统设计与选型要点

       设计或选用一套串级调速系统，需要综合考虑多个技术参数。首先要明确负载类型（风机水泵类平方转矩负载，还是恒转矩负载）、电机的铭牌参数（额定功率、电压、电流、转速、转子开路电压、转子额定电流等）以及工艺要求的调速范围。

       关键的设计选型环节包括：根据调速范围和转子参数计算确定逆变变压器的变比；根据最大转差功率和转子电流选择整流与逆变晶闸管的电流定额和电压定额；设计匹配的平波电抗器电感值；配置满足控制精度和功能要求的控制系统；评估电网条件，确定是否需要以及如何配置无功补偿与谐波滤波装置。一个优秀的设计方案是在性能、成本、可靠性和电能质量之间取得最佳平衡。

       十四、 安装、调试与日常维护

       串级调速系统的安装需遵循电气设备安装规范，确保柜体接地良好，通风散热条件满足要求，电缆连接牢固可靠，特别是转子回路的大电流连接点。调试工作通常分步进行：先进行控制回路通电检查，然后进行主回路不带电机的高压小电流试验，验证整流和逆变触发时序的正确性，最后进行带电机空载和负载调试，整定转速调节器的参数，测试各项保护功能。

       日常维护是保证系统长期稳定运行的基础。维护内容包括定期清洁柜内灰尘，检查冷却风扇运行是否正常，紧固电气连接端子，观察元器件有无过热变色痕迹，定期记录运行数据（如直流电压、电流、转速等）以供趋势分析。对于关键的晶闸管，可能需要定期使用专用仪器检测其触发性能和动态参数。

       十五、 常见故障诊断与处理

       运行中可能出现的故障需要快速诊断与处理。例如，“转速波动大”可能源于测速反馈信号干扰、调节器参数不当或机械负载波动。“装置跳闸，报过电流”可能是负载突然加重、机械卡涩、或晶闸管击穿短路引起。“无法达到设定转速”可能是逆变变压器抽头选择不当、给定信号问题或转子回路接触不良。“功率因数过低”则提示可能需要检查补偿电容器或评估负载运行点。建立系统的故障树，结合报警信息和现场检测，是排除故障的有效方法。

       十六、 技术发展趋势与展望

       尽管新型变频调速技术日益普及，但串级调速技术本身也在不断发展演进。其发展趋势主要体现在：采用绝缘栅双极型晶体管等全控型功率器件替代部分晶闸管，构成混合型或全新型的变流拓扑，以改善功率因数，减少谐波，提高系统性能；控制系统全面数字化、网络化、智能化，集成更先进的控制算法和状态监测诊断功能；与电机设计相结合，发展一体化的专用调速电机系统。

       在特定的超大型功率场合（如数万千瓦的矿石破碎机、大型矿井提升机）或某些特殊的工业领域，经过现代化改良的串级调速系统，因其高可靠性、高效率和相对经济的成本，仍然保有独特的应用价值和市场生命力。它作为交流调速技术大家族中的重要一员，其技术思想与工程经验将持续为电气传动领域的发展提供养分。

       十七、 总结与评价

       总而言之，串级调速是一项原理深刻、结构经典、经受了长期工业实践检验的交流调速技术。它通过向转子回路引入可控附加电势来调速，并高效回收转差能量的核心思想，展现了电力电子技术与传统电机学结合的智慧。虽然在某些方面存在局限性，但其在大功率中低速调速场景下的高效率和性价比优势不容忽视。

       对于工程技术人员而言，深入掌握串级调速技术，不仅有助于维护和改造现有的大量存量设备，更能深化对电机控制、能量转换和电力电子应用的理解。在倡导节能减排、推动工业装备升级的今天，客观认识并合理运用包括串级调速在内的各种技术，对于实现技术与经济的最优配置具有重要意义。

       十八、 给实践者的建议

       对于考虑应用串级调速的工厂企业或设计人员，建议采取务实的态度。首先，对现有设备进行详尽的能耗审计与运行工况分析，判断是否属于适合调速节能的负载类型（如风机、水泵长期运行在偏工频状态）。其次，进行详细的技术经济比较，将串级调速方案与高压变频调速、永磁调速等其他可行方案在初次投资、运行能耗、维护成本、可靠性等方面进行全面对比。

       如果决定采用，务必选择技术成熟、业绩可靠的供应商，确保系统设计合理，特别是电能质量治理措施到位。在安装调试阶段，要积极配合，为后续长期稳定运行打下良好基础。最后，建立完善的运行维护制度，培训合格的操作与维护人员，让这项技术真正发挥出其应有的节能效益与经济效益，为企业的绿色可持续发展贡献力量。