變頻調速與串級調速的技術經濟性能比較

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

一．變頻調速

三相異步電機定子旋轉磁場的速度稱為同步轉速，電機轉子及其拖動的泵、風機在額定負載下的轉速 , 既額定轉速 , 略低于同步轉速（稱為異步）。而旋轉磁場轉速（以下稱同步轉速）取決于供電電源頻率和電機極數 , 由于確定的電機其極數是確定的，則同步轉速只取決于電源頻率。在額定負栽下，電機轉子的額定轉速也便取決于電源頻率。
變頻調速技術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 工頻交流電源變為頻率可調的交流電源（要同時調壓），如下圖所示：
這樣，變頻技術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 轉速一直到任意轉速（達超同步速），當然實際上達不到。但它同樣帶來嚴重的技術困難和相對較大的自身功耗（影響節電率）。這是因為作為變頻器這種變流過程（包括串級調速裝置）都是由半導體電力電子器件進行整流及逆變而實現的。而變流過程需要電力電子器件能承受相應工作電壓（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用高壓大電機，變頻器中的半導體開關器件等要承受 6kv 或 10kv 高壓。目前單個半導體開關承受不了，因而在變頻器中采用各種降壓再升壓，或電力半導體器件串、并聯及復雜的整流逆變，矢量控制技術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、復雜。
2 ．產生的對電網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 ．雖一般稱變頻調速還可直接用原鼠籠電機，但一般鼠籠電機要考慮因轉速下降使冷卻通風量降低及諧波造成的電機發熱，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 ．由于裝置本身復雜、龐大，造價高，維護費用很高。
5 ．在高壓大容量電機使用領域，技術尚欠穩定可靠。
6 ．自身功耗大（一般為電機額定功率的 3~6% ），節電率受影響。
7. 運行條件苛刻 , 須加防塵及大容量制冷散熱空調 ( 因自身功耗大 ), 進一步增加了電耗和運行維護量。
二．串級調速

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

電機定子供給轉子的功率（電磁功率）分為兩部分：大部分變成機械功率拖動泵與風機負載，一小部分成為因轉速差（比同步轉速低）而產生的轉子回路的轉差電功率。通過在轉子回路串入串級調速裝置加入一個可調反電勢來控制轉子電流 , 從而調節電機的轉速 ( 改變了機械功率輸出 ), 由于轉速差 ( 轉子轉速與同步轉速的差 ) 而產生的轉子的轉差功率又經串級調速裝置反饋回電網或內饋電機的定子反饋繞組而回收，從而達到調速和高效節能的目的。調速范圍為額定轉速以下均可 , 一般最低到 45% 額定轉速足已。由于轉子回路因調速而產生的最大轉差功率僅為電機額定功率的 14.815% （對泵、風機類負載），轉子回路感應電壓僅為幾百伏，因而在轉子回路加入串級調速裝置（變流裝置），通過控制轉子回路反電勢大小來調速帶來如下突出的技術優勢：
1 ．變流裝置（串級調速裝置）中的電力半導體器件承壓僅為幾百伏，最高不超過 1.5kv, 比６ kv 低得多，單只半導體開關足可安全承受。
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％；節電率比變頻高出 2 －５個百分點。
（２）自身因變流產生的諧波小 ( 因變流的功率小 ) ，一般無須加濾波裝置。
（３）系統結構簡單，控制容易。
（４）裝置尺寸小，對環境要求低 , 一般廠房自然環境既可，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結構簡單，節電率高的特點，對于大多數泵、風機類需要低同步轉速調速（由額定轉速下調）的應用特別適合。特別對高壓大容量電機更有技術實現容易和經濟性好的優勢。
這些結論，是業界專家公認的結論。
當然，原使用鼠籠電機的場合，在使用串級調速時需要更換為繞線式電機。繞線式電機有滑環、碳刷的維護工作 , 但相比變頻器的空調防塵及裝置等的維護量要小的多。如加上更換電機的費用，整個串級調速系統的費用還要低于變頻器本身的價格（如也更換為變頻電機，則變頻系統價格更高）。一般在有一定調速深度的場合，投資回收期在 1—2 年。串級調速的維修費用比變頻調速也要低的多 , 維修容易。加之節電率比變頻高出 2 —５個百分點，串級調速綜合技術經濟比較，要比變頻有明顯的優勢。