變頻調(diào)速與串級調(diào)速的技術(shù)經(jīng)濟性能比較

電機拖動系統(tǒng)調(diào)速來自兩方面的要求，一是生產(chǎn)工藝上的要求，二是節(jié)能的要求。以往只重視工藝要求，多采用耗能型工藝生產(chǎn)方式（如閥門、擋板調(diào)節(jié)流量）或低效的調(diào)速技術(shù)（如液力耦合器、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等），節(jié)能效率低，造成大量電能浪費，因而目前均開始采用高效調(diào)速節(jié)能技術(shù)。
在交流異步電機高效節(jié)能調(diào)速方面，據(jù)不同用途主要是用變頻調(diào)速技術(shù)或串級調(diào)速技術(shù)。變頻技術(shù)控制電機的定子側(cè)供電電源 , 變流裝置要承受 6Kv 或 10Kv 高壓 , 控制電機全部功率 ; 而串級技術(shù)控制電機的轉(zhuǎn)子側(cè) , 變流裝置僅承受轉(zhuǎn)子回路低電壓 , 控制很小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率。就節(jié)電率而言，串級調(diào)速技術(shù)是最高的，就在泵與風(fēng)機類負載應(yīng)用上，串級調(diào)速技術(shù)又是最為適合的。茲就變頻技術(shù)與串級調(diào)速在技術(shù)實現(xiàn)方法及各自的特點上作如下簡要分析和比較：

一．變頻調(diào)速

三相異步電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度稱為同步轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)子及其拖動的泵、風(fēng)機在額定負載下的轉(zhuǎn)速 , 既額定轉(zhuǎn)速 , 略低于同步轉(zhuǎn)速（稱為異步）。而旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（以下稱同步轉(zhuǎn)速）取決于供電電源頻率和電機極數(shù) , 由于確定的電機其極數(shù)是確定的，則同步轉(zhuǎn)速只取決于電源頻率。在額定負栽下，電機轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速也便取決于電源頻率。
變頻調(diào)速技術(shù)是在電機供電電源與電機定子間加入一個可改變電機供電電源頻率的變流裝置，將通常 50HZ 工頻交流電源變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源（要同時調(diào)壓），如下圖所示：
這樣，變頻技術(shù)的根本點在于控制電機定子的供電電源的頻率和電壓。由于是改變電機供電電源的頻率，理論上講，它可以使電機從 0 轉(zhuǎn)速一直到任意轉(zhuǎn)速（達超同步速），當(dāng)然實際上達不到。但它同樣帶來嚴重的技術(shù)困難和相對較大的自身功耗（影響節(jié)電率）。這是因為作為變頻器這種變流過程（包括串級調(diào)速裝置）都是由半導(dǎo)體電力電子器件進行整流及逆變而實現(xiàn)的。而變流過程需要電力電子器件能承受相應(yīng)工作電壓（這是電力電子器件最重要的），同時在變流過程中產(chǎn)生功率損耗。功率損耗與通過變流裝置的電能功率成正比。
如上所述，對于電廠或其它工業(yè)用高壓大電機，變頻器中的半導(dǎo)體開關(guān)器件等要承受 6kv 或 10kv 高壓。目前單個半導(dǎo)體開關(guān)承受不了，因而在變頻器中采用各種降壓再升壓，或電力半導(dǎo)體器件串、并聯(lián)及復(fù)雜的整流逆變，矢量控制技術(shù)來解決承受高壓的困難。
另外，通過變頻器的功率 ( 或叫變頻器控制的功率 ) ，是供給電機的全部功率，這就帶來幾個方面的問題：
1 ．自身裝置龐大、復(fù)雜。
2 ．產(chǎn)生的對電網(wǎng)諧波及對電機的諧波大 ( 因變流功率大 ) ，所以需要加入各種抑制諧波的裝置。
3 ．雖一般稱變頻調(diào)速還可直接用原鼠籠電機，但一般鼠籠電機要考慮因轉(zhuǎn)速下降使冷卻通風(fēng)量降低及諧波造成的電機發(fā)熱，絕緣老化等問題，因而對大型電機，最好改用特制的變頻電機。
4 ．由于裝置本身復(fù)雜、龐大，造價高，維護費用很高。
5 ．在高壓大容量電機使用領(lǐng)域，技術(shù)尚欠穩(wěn)定可靠。
6 ．自身功耗大（一般為電機額定功率的 3~6% ），節(jié)電率受影響。
7. 運行條件苛刻 , 須加防塵及大容量制冷散熱空調(diào) ( 因自身功耗大 ), 進一步增加了電耗和運行維護量。
二．串級調(diào)速

串級調(diào)速是十分經(jīng)典的電機調(diào)速方法。它的根本點不是去控制電機的供電電源頻率和電壓，轉(zhuǎn)而控制轉(zhuǎn)子電流，從而改變電機的轉(zhuǎn)差率進行調(diào)速。串級調(diào)速的原理如下圖所示：

電機定子供給轉(zhuǎn)子的功率（電磁功率）分為兩部分：大部分變成機械功率拖動泵與風(fēng)機負載，一小部分成為因轉(zhuǎn)速差（比同步轉(zhuǎn)速低）而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差電功率。通過在轉(zhuǎn)子回路串入串級調(diào)速裝置加入一個可調(diào)反電勢來控制轉(zhuǎn)子電流 , 從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速 ( 改變了機械功率輸出 ), 由于轉(zhuǎn)速差 ( 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的差 ) 而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率又經(jīng)串級調(diào)速裝置反饋回電網(wǎng)或內(nèi)饋電機的定子反饋繞組而回收，從而達到調(diào)速和高效節(jié)能的目的。調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速以下均可 , 一般最低到 45% 額定轉(zhuǎn)速足已。由于轉(zhuǎn)子回路因調(diào)速而產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)差功率僅為電機額定功率的 14.815% （對泵、風(fēng)機類負載），轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電壓僅為幾百伏，因而在轉(zhuǎn)子回路加入串級調(diào)速裝置（變流裝置），通過控制轉(zhuǎn)子回路反電勢大小來調(diào)速帶來如下突出的技術(shù)優(yōu)勢：
1 ．變流裝置（串級調(diào)速裝置）中的電力半導(dǎo)體器件承壓僅為幾百伏，最高不超過 1.5kv, 比６ kv 低得多，單只半導(dǎo)體開關(guān)足可安全承受。
２．變流裝置控制功率僅為電機額定功率的 14.815 ％，這便帶來諸多好處：
（１）自身功耗不到電機額定功率的１％；節(jié)電率比變頻高出 2 －５個百分點。
（２）自身因變流產(chǎn)生的諧波小 ( 因變流的功率小 ) ，一般無須加濾波裝置。
（３）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
（４）裝置尺寸小，對環(huán)境要求低 , 一般廠房自然環(huán)境既可，可靠性高。
（５）本身造價低，維護簡單，費用少。
因而，串能調(diào)速具有以控制低電壓進而控制高壓電機，以控制小功率進而控制大功率電機且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)電率高的特點，對于大多數(shù)泵、風(fēng)機類需要低同步轉(zhuǎn)速調(diào)速（由額定轉(zhuǎn)速下調(diào)）的應(yīng)用特別適合。特別對高壓大容量電機更有技術(shù)實現(xiàn)容易和經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。
這些結(jié)論，是業(yè)界專家公認的結(jié)論。
當(dāng)然，原使用鼠籠電機的場合，在使用串級調(diào)速時需要更換為繞線式電機。繞線式電機有滑環(huán)、碳刷的維護工作 , 但相比變頻器的空調(diào)防塵及裝置等的維護量要小的多。如加上更換電機的費用，整個串級調(diào)速系統(tǒng)的費用還要低于變頻器本身的價格（如也更換為變頻電機，則變頻系統(tǒng)價格更高）。一般在有一定調(diào)速深度的場合，投資回收期在 1—2 年。串級調(diào)速的維修費用比變頻調(diào)速也要低的多 , 維修容易。加之節(jié)電率比變頻高出 2 —５個百分點，串級調(diào)速綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，要比變頻有明顯的優(yōu)勢。