在此前的文章中我們講述了「什麼是變頻器」，並提到了一些相關的應用場景，了解到變頻器大多數時候都是作為一種交流電機的調速裝置出現的。
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那麼，究竟為什麼要使用變頻器呢？以及何種情況下，需要用到變頻器對電機進行調速呢？
首先，讓我們來看幾個生活中經常遇到的場景：
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如果去一些比較老舊的大樓里乘坐電梯，在啟動和停止時，人們經常會有比較強烈的衝擊感和眩暈，非常不舒服；而如果乘坐新型電梯，即使是高速電梯，乘客也已經基本感受不到其啟停時的那種振動和衝擊了，舒適性大大提高；
以前電風扇風量是用檔位開關來進行調節選擇的，有高、中、低檔，風量從大到小，風扇的轉速也是一檔一檔由高到低；而現在的新型風扇已經可以實現無級調速，風量的大小再也沒有明顯的檔位，可以實現從高速到停止的無縫切換；
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燃油汽車 0-100km/h 的加速時間如果小於 6s，基本上是和普通百姓無緣的，屬於高端奢侈消費產品；而各類電動汽車的橫空出世，直接把這個指標縮短到 5s 以內，並且將整體落地價格做到僅僅幾十萬甚至十幾萬，讓消費者輕鬆實現超跑夢想。
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以上幾個例子在我們身邊觸手可及，雖然大家未必能看到實實在在的變頻器，但實際上在這些設備的背後或內部，其實都有變頻器或者變頻裝置正在為大家默默的奉獻著。
為什麼曾經讓人感到難受的電梯現在卻變得很舒適；以往難以獲得的推背感而今輕易就達到了呢？這其實都是因為變頻技術的應用而帶來的效益和改善。
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通過使用變頻器，電梯改善了其啟動/停止時的加速度曲線，讓轎廂的運行更加平穩，從而讓人們獲得更舒適的乘坐體驗；藉助變頻裝置對風扇電機轉速的調節，使其運轉和變速更加順暢、舒緩；混動汽車加入變頻逆變裝置，將電池中的直流電變為交流電，驅動電機和發動機同時工作，輕鬆實現以前需要超大馬力發動機才能實現的加速度。
PicSource：Altivar | Schneider Electric
而在工業領域，同樣也有著龐大基數的變頻器正在為改善人們的生活而服務於各行各業。
簡單來說，用戶使用變頻器主要是為了解決這幾個問題：
生產工藝需要
變頻器需要在工業生產中，幫助機器設備完成一些最基本的應用功能。
- 速度控制
由於生產節拍和產品物料的不同，設備需要靈活調整物料傳送的運行速度。
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通過在物料輸送電機的電源側增加變頻器，藉助其可變頻率的交流電輸出，即可根據需要隨時調整物料輸送電機的轉速，從而實現對物料傳送速度的靈活可調。
如《什麼是變頻器》一文中所說：
n = 60 f（1-s ）/ p
- n 為電機轉速（r/min）；
- f 為電源頻率（Hz）；
- s 為轉差率；
- p 為電機繞組極對數；
變頻器通過改變輸出電源頻率 f，從而達到改變電機轉速 n 的目的。
- 轉矩控制
在一些諸如收放卷的應用中，需要精確控制物料所承受的拉力，常規的方式是採用張力控制器（如磁粉張力控制器）；而現在越來越多的用戶開始採用變頻器來進行張力控制。
PicSource：FR A800 | Mitsubishi Electric
變頻器控制電機轉矩的理論依據主要是以下兩個式子：
電機功率：
P = 1.732 * U * I * cosφ
- P：功率（ w ）；
- U：電壓（ V ）；
- I：電源電流（ A ）；
- cosφ：功率因數，即電壓與電流相位差角度的餘弦函數；
電機轉矩：
T = P / n
- T：電機轉矩（ Nm）；
- P：電機功率（ w ）；
- n：電機轉速 （ rad / s ）；
從上面這兩個式子不難看出，通過調節電機的電源電壓、電流和轉速，就可以達到控制電機輸出轉矩的目的了。
並非所有的變頻器都能夠進行轉矩控制，只有矢量控制型或直接轉矩控制型變頻器才支持轉矩控制。
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節能增效
多數的風機/水泵，如果需要進行風量或者流量的調節，只要不是一直保持在恆速運行，那麼使用變頻器就可以達到非常好的節能效果。
以水泵為例，我們來看下這張圖：
當電機轉速從 N1 變到 N2時，
流量的變化關係如下：
Q2 / Q1 =（ N2 / N1）
揚程的變化關係如下：
H2 / H1=（ N2 / N1 ）^ 2
其電機軸功率 P 的變化關係如下：
P2 / P1 =（ N2 / N1 ）^ 3
通過以上公式可以看到，電機的軸功率 P 是與電機的轉速成 3 次方關係的；即：
電機轉速降低一半，功率將僅為原來的 1/8！
所以，對於風機泵類負載來說，通過使用變頻器來降低電機轉速是可以達到極為顯著的節能效果的。
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現在越來越多的遊輪及工程船舶採用電力推進裝置，通過使用變頻裝置將內燃機發出的電力經過整流逆變輸送給推進電機，再帶動螺旋槳旋轉驅動船舶的行進。這種方式比起傳統內燃機直接驅動螺旋槳的方式看起來似乎是多此一舉，增加了能源消耗；而實際上這恰恰是利用了電機的高效率及上述功率與轉速的 3 次方關係，在降低螺旋槳轉速的同時，大大降低了電機的輸出功率，同時讓內燃機始終工作在最佳效率點，從而實現節能的目的。
PicSource：studyelectrical.com
另外，變頻器的使用，還可以讓電機對電網不再呈現為感性負載，將功率因數從 0.6~0.8 提升到 0.96 甚至 0.98，這將極大的降低電機的無功損耗，有助於能源利用率的提高，並因此在節能方面起到巨大的作用。
作為逆變電源
自從電的發明以來，電能的儲存就只能以直流的方式進行。如何將直流電轉為交流電供電氣設備使用，在變頻逆變裝置出現前一直都是個難題，難點並不是方案的實現，而在於效率的提升。
PicSource：Danfoss
以前直流電轉成交流電採用的是直流電機帶動交流發電機的方案，從能源轉化率來說，直流電機和交流發電機的效率基本都在 70-80% 左右，再加上機械損耗，綜合效率充其量也就 50-60%。而變頻器則不然，其自身的效率至少在 90% 以上，能源利用率大大提升。
PicSource：Danfoss
變頻器因為有著靈活的頻率調節特性，許多行業都將其作為中頻電源並有著非常廣泛的使用，這應該算是變頻器作為逆變電源的另一個應用類型的分支吧。
降低啟動衝擊電流增加電機保護
嚴格來說，降低衝擊電流及對電機的額外保護，其實是使用變頻器所帶來的額外福利，而並非初始目的。
要知道，電機直接啟動時的衝擊電流可以達到電機額定電流的 5-8 倍，這種電流無論是對電機還是電網來說都是一種傷害，對電機的供電裝置也是一種考驗。而由於變頻器能夠對頻率進行無級調製，電機在啟動時可以按照變頻器設定的加速曲線進行緩慢的速度增加，這就避免了電流的突變，可以讓電機啟動電流長時間保持在額定電流以下，直至啟動完成。
PicSource：SINAMICS | Siemens
另外，現在變頻器都內置過壓、過流、缺相、過載、過熱、接地、安全...等等各種形形色色的保護功能，儘管多數情況下我們幾乎感覺不到它們的存在，但是，這些功能在關鍵時刻卻可以對設備起到至關重要的保護作用。
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總之，變頻器的使用場景是在不斷的拓展的，現在的應用領域已經遠遠超越了當初發明者對其在功能上的設想，而如果我們以後在更多新的的場合看到變頻器的應用，也應該不需要感到太過意外。
撰文：Mute
審編：麥總