串級調速原理的再認識
1. 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。
2. 交流調速的功率控制原理（P理論）
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機械輸出連線埠。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，在電機設計製造時已確定，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。
3. 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，其系統原理如圖2 所示，
附圖2 串級調速的功率控制原理
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，目前這一目的已經實現。
串級調速存在的問題與缺點
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。
1. 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。
2) 外附變壓器
逆變變壓器是串級調速不可或缺的設備，作用是產生與轉子電勢相匹配的附加電勢。逆變變壓器的存在，使系統的體積增大，成本提高，同時也產生損耗。
表面上回饋方案的缺點產生於“串級”，實質問題是電機調速的內因不足，自身不能為調速提供附加電勢，因此必須依靠外附的設備和電源，結果使電機的能量保守性被破壞，造成電轉差功率的外泄，同時又使系統複雜化。
2. 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，主要集中表現在有源逆變器環節上。
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。
圖3 移相控制的變流電路
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
移相控制另外的主要缺點是可靠性較差。與可控整流電路不同，有源逆變器對換向的要求是非常嚴格的，任何換向失誤，都將導致逆變顛復也就是嚴重短路的後果。造成換向失敗的原因主要有：
脈衝電路的回響與抗干擾
移相控制是通過脈衝移動調節轉速的，有源逆變器又對觸發脈衝的可靠性要求十分嚴格，於是產生移相回響和抗干擾的矛盾。從控制角度，要求脈衝移相具有快速回響性，因此電路慣性環節小。而抗干擾則要求電路具有時間常數較大的濾波環節，電路無法同時滿足這兩個相互矛盾的要求，只能犧牲抗干擾性能。特別是限於串級調速當時的歷史條件，脈衝控制電路主要由分立器件構成，很多高性能的數位化電路還無法實現，導致脈衝移相電路的可靠性降低。
