變頻節能技術是一種利用電力半導體器件的通斷作用，將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置的技術。這一技術廣泛應用于工業自動化領域，旨在提高能源利用率和系統性能。
變頻器
變頻器是實現變頻節能的核心設備，它通過控制電力半導體器件的通斷，將工頻電源轉換為所需頻率的電能。
變頻器相關常識
PWM和PAM的區別
PWM代表脈沖寬度調制，這是一種通過調節輸出量和波形的調制方式。PAM代表脈沖幅度調制，它是通過改變脈沖列的脈沖幅度來調節輸出量值和波形的方式。
電壓型與電流型的區別
變頻器的主電路分為兩種類型：電壓型和電流型。電壓型變頻器將電壓源的直流變換為交流，其直流回路的濾波元件為電容。電流型變頻器則是將電流源的直流變換為交流，其直流回路的濾波元件為電感。
V/f模式的意義
V/f模式是指頻率下降時，電壓也隨之成比例下降。這種比例關系是根據電機特性和預設參數確定的，通常可以通過控制器的存儲裝置（ROM）中的開關或標度盤進行選擇。
變頻器的保護功能
變頻器的保護功能包括自動修正異常狀態的功能和自動停車功能。后者包括過電流切斷、再生過電壓切斷、半導體冷卻風扇過熱保護以及瞬時停電保護等功能。
變頻器保護的工作原理
在使用離合器連接負載時，電機從空載狀態迅速轉變為轉差率較大的狀態，導致變頻器過電流跳閘，無法正常運轉。
同一工廠內的電機啟動問題
當同一工廠內的大型電機啟動時，會導致變壓器產生電壓降，進而影響變頻器的穩定運行，可能會觸發變頻器的保護功能并停止運轉。
變頻分辨率及其意義
變頻分辨率指的是數字控制的變頻器中，頻率指令為模擬信號時，輸出頻率的最小變化單位。通常取值為0.015至0.5Hz。較高的分辨率有助于實現更加精確的控制。
變頻器的壽命
盡管變頻器本身屬于靜態設備，但它包含了一些易耗部件，如濾波電容器和冷卻風扇。如果進行定期維護，變頻器的壽命有望達到十年以上。
冷卻風扇的問題
變頻器內置有冷卻風扇，其氣流方向通常是向下。當風扇出現故障時，變頻器會通過風扇停止檢測或冷卻風扇上的過熱檢測進行保護。
電容器壽命的判斷
濾波電容器的靜電容量會隨時間逐漸減少，可通過定期測量其靜電容量，并將其與產品額定容量的85%進行比較，以此來判斷其壽命。
安裝方向
變頻器的安裝位置應盡可能避免阻礙吸氣和排氣的障礙物。對于小型變頻器，也有無需外部冷卻風扇的型號可供選擇。
變頻驅動
不采用軟啟動的影響
如果不采用軟啟動，直接將電機投入固定的變頻器中，可能會導致電機無法正常啟動，尤其是在給定頻率較低的情況下。
變頻器的電壓與頻率成比例的原因
異步電動機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴重時將燒毀電機。為了避免電機磁通量過度飽和，變頻器在降低頻率的同時也會控制輸出電壓，確保電機磁通保持在一定水平，避免弱磁和磁飽和現象的發生。
電壓下降對電流的影響
當變頻器驅動電機時，如果頻率下降，電壓也會隨之下降，這時電流并不會顯著增加，而在轉矩一定的情況下，電流幾乎保持不變。
采用變頻器對電機的影響
采用變頻器驅動電機時，起動電流會被限制在150%額定電流以內，避免了直接用工頻電源起動時可能出現的6至7倍起動電流的情況。變頻器的軟啟動特性可以有效減少機械和電氣上的沖擊。
使用變頻器后的電機起動平滑性
變頻器可以根據電機的加速需求逐步提升頻率和電壓，使得起動電流受到限制，起動過程更為平穩。起動電流僅為額定電流的1.2至1.5倍，起動轉矩可達70%至120%額定轉矩。
改變V和f時轉矩的變化
當頻率下降時，如果僅按比例降低電壓，可能會導致電機轉矩減小。為此，變頻器會在低頻時提高輸出電壓，以保持足夠的起動轉矩。這種補償被稱為增強起動，可以通過多種方法實現，包括自動控制、選擇V/f模式或手動調整電位器。
60Hz以下的輸出功率
變頻器的變速范圍雖然標注為60至6Hz，但實際上在6Hz以下仍然可以輸出功率。然而，考慮到電機溫度上升和起動轉矩等因素，建議將最低使用頻率設置在6Hz左右，以確保電機輸出額定轉矩而不致過熱。
60Hz轉矩的穩定性
對于大多數電機而言，當頻率高于60Hz時，轉矩不再保持恒定。這是因為在此頻率下，電壓保持不變，而交流阻抗減小，直流電阻不變，可能導致轉矩減小。因此，需要在高頻下適當提高輸出電壓，以保持所需的轉矩。
開環與閉環的概念
開環控制是指變頻器未配備速度檢測器（PG），而閉環控制則是指變頻器配備了PG，并將實際轉速反饋給控制系統進行控制。
實際轉速與給定速度的偏差處理
在開環控制下，變頻器輸出給定頻率時，電機的實際轉速可能會在額定轉差率的范圍內波動。對于要求較高調速精度的應用場景，可以采用具有PG反饋功能的變頻器，以提高速度精度。
PG反饋對轉速精度的提升
具有PG反饋功能的變頻器可以提高轉速精度。PG的精度和變頻器輸出頻率的分辨率都會影響轉速精度的提升程度。
失速防止功能
失速防止功能是為了防止變頻器因流過過電流而跳閘而導致電機停止運轉。當加速時間設定過短時，變頻器的輸出頻率變化遠遠超過轉速（電角頻率）的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運轉停止，這就叫作失速。為了解決這個問題，變頻器會通過檢測電流大小來進行頻率控制，以避免失速。
加速時間與減速時間的意義
對于短時間內頻繁加速、減速的場合，或者對于小型機床需要嚴格控制生產節拍的時間，可以選擇加減速時間單獨設定的變頻器。而對于風機傳動等場合，加減速時間較長，可以采用加減速時間共同設定的機型。
再生制動
再生制動是指當電機減速時，其轉化為發電機狀態，吸收動能并將其轉化為電能，起到制動作用。
制動力的提升
變頻器內置的濾波電容器可以儲存電機再生的能量，但其再生制動力有限，通常為額定轉矩的10%至20%。如果需要更高的制動力，可以添加制動單元，使其達到50%至100%。
變頻器驅動齒輪電機的可能性
對于結構和潤滑方式不同的齒輪電機，需要注意一些問題。一般來說，齒輪電機的最大極限轉速為70至80Hz，采用油潤滑時，低速下連續運轉可能會導致齒輪損壞。因此，需要根據具體情況選擇合適的變頻器。
單項電機的驅動
變頻器通常適用于三相電機，對于單相電機的驅動，變頻器的效果并不理想。對于調速器開關起動式的單相電機，在低速下容易燒壞輔助繞組。對于電容起動或電容運轉方式的單相電機，可能會導致電容器爆炸。因此，單相電機不宜直接使用變頻器驅動。
變頻器自身的功率消耗
變頻器的功率消耗與其機種、運行狀態和使用頻率有關。通常情況下，變頻器的效率約為94%至96%，這意味著其功率消耗約占總功率的4%至6%。對于內藏再生制動的變頻器，由于制動時的功率消耗，其功率消耗可能會有所增加。
60Hz以上的持續運轉注意事項
當電機在60Hz以上的頻率下運轉時，需要特別注意以下幾點：
1. 確保機械和裝置在該頻率下能夠正常運轉。
2. 注意電機進入恒功率輸出范圍時，其輸出轉矩的變化。
3. 考慮軸承的壽命問題。
4. 對于中容量以上的電機尤其是2極電機，在60Hz以上的頻率下運轉時，需要與制造商協商確認。
變頻器容量的選擇
當希望提高原有輸送帶的速度時，變頻器的容量需要根據新的速度要求進行選擇。對于恒轉矩特性負載，速度每提高一倍，變頻器的容量需要增大約1.6倍。
注意事項
電機超過60Hz運轉時的注意事項
當電機超過60Hz運轉時，需要注意以下幾點：
1. 確保機械和裝置在該頻率下能夠正常運轉。
2. 注意電機進入恒功率輸出范圍時，其輸出轉矩的變化。
3. 考慮軸承的壽命問題。
4. 對于中容量以上的電機尤其是2極電機，在60Hz以上的頻率下運轉時，需要與制造商協商確認。
節能原理
調速節能
在流體力學中，功率P與流量Q成正比，與壓力H成平方關系。當水泵的效率一定時，要求調節流量下降時，轉速N可成比例地下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。例如，一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，節電48.8%，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，節電87.5%。
無功補償節能
無功功率不僅會增加線路損耗和設備發熱，更重要的是功率因數的降低會導致電網有功功率的降低。無功功率的消耗主要發生在線路中，設備使用效率低下，浪費嚴重。當變頻器內部的濾波電容發揮作用時，功率因數接近1，從而減少了無功損耗，提高了電網的有功功率。
軟啟動節能
電機直接啟動或Y/D啟動時，啟動電流相當于額定電流的4至7倍，這對機電設備和供電電網造成了嚴重的沖擊，同時也降低了設備和管道的使用壽命。使用變頻器的軟啟動功能可以使啟動電流從零開始，最大值不超過額定電流，從而減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節約了設備的維護費用。
測量與試驗
變頻電機試驗一般需要采用變頻器供電，由于變頻器輸出頻率具有較寬的變化范圍，且輸出的PWM波含有豐富的諧波，傳統的互感器及功率計已經不能滿足試驗的測量需要，應該采用變頻功率分析儀及變頻電量變送器/傳感器等。按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法的規定，變頻電量變送器的帶寬應該在載波頻率的6倍以上，當載波頻率為3kHz時，帶寬至少為18kHz，實際使用推薦30kHz以上帶寬的變頻電量變送器。
參考資料 >
變頻驅動中PWM和PAM的區別和聯系.工控課堂.2024-11-01
電壓型變頻器和電流型變頻器的區別詳解.中國傳動網.2024-11-01
什么是變頻分辨率?有什么意義?.山東追日科貿有限公司.2024-11-01
變頻調速節能原理:變頻≠節能!.搜狐網.2024-11-01