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變頻調(diào)速與串級(jí)調(diào)速的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較
電機(jī)拖動(dòng)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(fèi)，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(jī)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(jí)調(diào)速技術(shù)。變頻技術(shù)控制電機(jī)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(jī)全部功率 ; 而串級(jí)技術(shù)控制電機(jī)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(jí)調(diào)速技術(shù)是最高的，就在泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載應(yīng)用上，串級(jí)調(diào)速技術(shù)又是最為適合的。茲就變頻技術(shù)與串級(jí)調(diào)速在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法及各自的特點(diǎn)上作如下簡要分析和比較：
一．變頻調(diào)速
三相異步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度稱為同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子及其拖動(dòng)的泵、風(fēng)機(jī)在額定負(fù)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(chǎng)轉(zhuǎn)速（以下稱同步轉(zhuǎn)速）取決于供電電源頻率和電機(jī)極數(shù) , 由于確定的電機(jī)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(fù)栽下，電機(jī)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(jī)供電電源與電機(jī)定子間加入一個(gè)可改變電機(jī)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(shí)調(diào)壓），如下圖所示： 
這樣，變頻技術(shù)的根本點(diǎn)在于控制電機(jī)定子的供電電源的頻率和電壓。由于是改變電機(jī)供電電源的頻率，理論上講，它可以使電機(jī)從 0 轉(zhuǎn)速一直到任意轉(zhuǎn)速（達(dá)超同步速），當(dāng)然實(shí)際上達(dá)不到。但它同樣帶來嚴(yán)重的技術(shù)困難和相對(duì)較大的自身功耗（影響節(jié)電率）。這是因?yàn)樽鳛樽冾l器這種變流過程（包括串級(jí)調(diào)速裝置）都是由半導(dǎo)體電力電子器件進(jìn)行整流及逆變而實(shí)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(shí)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(duì)于電廠或其它工業(yè)用高壓大電機(jī)，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(gè)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(jī)的全部功率，這就帶來幾個(gè)方面的問題：
1 ．自身裝置龐大、復(fù)雜。
2 ．產(chǎn)生的對(duì)電網(wǎng)諧波及對(duì)電機(jī)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(jī)，但一般鼠籠電機(jī)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(jī)發(fā)熱，絕緣老化等問題，因而對(duì)大型電機(jī)，最好改用特制的變頻電機(jī)。
4 ．由于裝置本身復(fù)雜、龐大，造價(jià)高，維護(hù)費(fèi)用很高。
5 ．在高壓大容量電機(jī)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(jī)額定功率的 3~6% ），節(jié)電率受影響。
7. 運(yùn)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(jìn)一步增加了電耗和運(yùn)行維護(hù)量。
二．串級(jí)調(diào)速
串級(jí)調(diào)速是十分經(jīng)典的電機(jī)調(diào)速方法。它的根本點(diǎn)不是去控制電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的原理如下圖所示：
電機(jī)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(jī)械功率拖動(dòng)泵與風(fēng)機(jī)負(fù)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(jí)調(diào)速裝置加入一個(gè)可調(diào)反電勢(shì)來控制轉(zhuǎn)子電流 , 從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ( 改變了機(jī)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(jí)調(diào)速裝置反饋回電網(wǎng)或內(nèi)饋電機(jī)的定子反饋繞組而回收，從而達(dá)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(jī)額定功率的 14.815% （對(duì)泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)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(jí)調(diào)速裝置（變流裝置），通過控制轉(zhuǎn)子回路反電勢(shì)大小來調(diào)速帶來如下突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1 ．變流裝置（串級(jí)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(jī)額定功率的 14.815 ％，這便帶來諸多好處：
（１）自身功耗不到電機(jī)額定功率的１％；節(jié)電率比變頻高出 2 －５個(gè)百分點(diǎn)。
（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(duì)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(jià)低，維護(hù)簡單，費(fèi)用少。
因而，串能調(diào)速具有以控制低電壓進(jìn)而控制高壓電機(jī)，以控制小功率進(jìn)而控制大功率電機(jī)且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)電率高的特點(diǎn)，對(duì)于大多數(shù)泵、風(fēng)機(jī)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(duì)高壓大容量電機(jī)更有技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)。
這些結(jié)論，是業(yè)界專家公認(rèn)的結(jié)論。
當(dāng)然，原使用鼠籠電機(jī)的場(chǎng)合，在使用串級(jí)調(diào)速時(shí)需要更換為繞線式電機(jī)。繞線式電機(jī)有滑環(huán)、碳刷的維護(hù)工作 , 但相比變頻器的空調(diào)防塵及裝置等的維護(hù)量要小的多。如加上更換電機(jī)的費(fèi)用，整個(gè)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的費(fèi)用還要低于變頻器本身的價(jià)格（如也更換為變頻電機(jī)，則變頻系統(tǒng)價(jià)格更高）。一般在有一定調(diào)速深度的場(chǎng)合，投資回收期在 1—2 年。串級(jí)調(diào)速的維修費(fèi)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(gè)百分點(diǎn)，串級(jí)調(diào)速綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，要比變頻有明顯的優(yōu)勢(shì)。 |
