丹佛斯DANFOSS變頻器的工作原理及其如何實(shí)現(xiàn)變頻操作？

丹佛斯DANFOSS變頻器交流發(fā)電機(jī)便具備了變頻操作的功能。通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)地改變其輸出頻率。在高速晶體管普及之前，這曾是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的重要手段之一。但需注意的是，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低會(huì)導(dǎo)致輸出頻率而非電壓的下降，從而限制了頻率變化的范圍。

接下來(lái)，讓我們深入探討變頻器的內(nèi)部組件，了解它們是如何協(xié)同工作以改變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的。首先，我們來(lái)看看變頻器的整流器元件。由于直接改變交流正弦波的頻率在交流模式下頗具挑戰(zhàn)，因此變頻器的首要任務(wù)便是將這種波形轉(zhuǎn)換為直流。這樣一來(lái)，對(duì)直流的操作就會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。整流器或轉(zhuǎn)換器作為所有變頻器的核心組件，正是承擔(dān)了這一關(guān)鍵任務(wù)，其工作原理如下圖所示：

丹佛斯DANFOSS變頻器電路負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，其工作原理類似于電池充電器或電弧焊機(jī)。它利用一個(gè)二極管電橋來(lái)確保交流正弦波只能向一個(gè)方向流動(dòng)。

這樣，經(jīng)過(guò)整流的交流波形在直流電路中就被解釋為本地直流波形。三相變頻器則接受三個(gè)獨(dú)立的交流輸入相，并整合為一個(gè)單一的直流輸出。

值得注意的是，大多數(shù)三相變頻器也兼容單相（230V或460V）電源，但當(dāng)使用單相輸入時(shí)，由于輸入支路數(shù)量減少，變頻器的輸出（HP）必須相應(yīng)降低，因?yàn)橹绷麟娏鞯纳梢矔?huì)成比例地減少。相比之下，單相變頻器（專為控制單相電機(jī)設(shè)計(jì)）則直接利用單相輸入，并產(chǎn)生與輸入相匹配的直流輸出。

在變速運(yùn)行方面，三相電機(jī)相較于單相電機(jī)具有更廣泛的應(yīng)用。這主要?dú)w因于它們更廣泛的功率范圍，以及單相電機(jī)通常需要外部助力才能啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)的特性。

接下來(lái)，我們將探討變頻器的另一關(guān)鍵組件——直流母線。直流母線（圖中所示為DC bus）雖然在所有變頻器中并非，但它對(duì)于高質(zhì)量通用變頻器而言卻是的。它利用電容器和電感來(lái)濾除轉(zhuǎn)換后的直流電中的交流“紋波"電壓，確保穩(wěn)定的逆變器輸入。此外，直流母線還配備了濾波器，以防止諧波失真并允許反饋給變頻器電源。相較于老式變頻器，現(xiàn)代變頻器通過(guò)內(nèi)置的直流母線實(shí)現(xiàn)了更為高效的能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)行穩(wěn)定性。

丹佛斯DANFOSS變頻器的核心部件——逆變器。它利用三組高速開(kāi)關(guān)晶體管（即IGBT）來(lái)生成模擬交流正弦波所需的全部三相DC“脈沖"。

這些脈沖不僅控制著波形的電壓，還直接影響其頻率。逆變器，或稱“反轉(zhuǎn)器"，其名稱寓意著波形的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代變頻器中的逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，以精確調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。

接下來(lái)，我們來(lái)深入了解逆變器的核心元件IGBT。IGBT，即“絕緣柵雙極型晶體管"，在逆變器中扮演著開(kāi)關(guān)或脈沖生成的角色。與傳統(tǒng)的真空管相比，晶體管在電子領(lǐng)域發(fā)揮了兩種關(guān)鍵作用：一是作為放大器，增強(qiáng)和放大信號(hào)；二是作為開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)單地開(kāi)啟或關(guān)閉信號(hào)流。IGBT作為現(xiàn)代技術(shù)的代表，以其高速開(kāi)關(guān)能力（頻率范圍3000-16000 Hz）和低熱量生成特點(diǎn)脫穎而出。高速開(kāi)關(guān)使得交流電波的仿真更加精確，進(jìn)而降低了電機(jī)的噪音。同時(shí)，熱量生成減少也意味著散熱片尺寸可以縮小，從而節(jié)省了變頻器的空間。

接下來(lái)，我們進(jìn)一步探討PWM變頻器的波形特點(diǎn)。

丹佛斯DANFOSS變頻器產(chǎn)生的波形與真實(shí)的AC正弦波之間的對(duì)比。逆變器的輸出由一系列矩形脈沖組成，這些脈沖的高度固定而寬度可調(diào)。在特定情況下，這些脈沖會(huì)以特定的方式組合，例如中間為一組寬脈沖，而在AC周期的開(kāi)始和結(jié)束處則為一組窄脈沖。

脈沖的面積之和恰好等于真實(shí)AC波的有效電壓。

想象一下，如果我們從真正交流波形上方（或下方）切掉一部分脈沖，并用它們填補(bǔ)波形下方的空白，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩部分竟然能地契合。正是通過(guò)這種方式，變頻器得以精準(zhǔn)地調(diào)控電機(jī)的電壓。

脈沖的寬度及其間的空白共同決定了電機(jī)所接收到的波形頻率，即PWM或脈寬調(diào)制的效果。若脈沖連續(xù)不斷（即無(wú)空白），則頻率無(wú)誤，但電壓值將遠(yuǎn)超真實(shí)的AC正弦波。

丹佛斯DANFOSS變頻器會(huì)依據(jù)所需電壓和頻率，靈活調(diào)整脈沖的高度、寬度以及它們之間的空白。

有人或許會(huì)問(wèn)，這個(gè)看似“假"的AC波形（實(shí)為DC脈沖）是如何驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)的。畢竟，感應(yīng)電機(jī)不是需要交流電來(lái)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流及其相應(yīng)的磁場(chǎng)嗎？確實(shí)，AC的不斷變換方向正是其感應(yīng)特性的關(guān)鍵。然而，DC在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)同樣能感應(yīng)出電流。這就像汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中的脈沖一樣，通過(guò)一系列的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作，在線圈中感應(yīng)出電荷，從而提升電壓以點(diǎn)燃火花塞。逆變器輸出的這種直流脈沖實(shí)際上是由眾多單獨(dú)的脈沖組成，這種開(kāi)啟和關(guān)閉的循環(huán)運(yùn)動(dòng)正是直流感應(yīng)得以發(fā)生的關(guān)鍵。

接下來(lái)，我們進(jìn)一步探討有效電壓的概念。

交流電的復(fù)雜性在于其電壓的不斷變化，從零攀升至最大正值，再跌回零點(diǎn)，接著是最大負(fù)值，最后再次歸零。那么，如何準(zhǔn)確衡量施加到電路的實(shí)際電壓呢？以一個(gè)60Hz、120V的正弦波為例，其峰值電壓高達(dá)170V。若以其實(shí)際峰值電壓為準(zhǔn)，我們又怎能稱其為120V波形呢？

在一個(gè)完整的周期內(nèi)，電壓從0V開(kāi)始攀升至170V，隨后再次跌回0V。緊接著，它進(jìn)一步下降至-170V，再回升至0V。我們觀察到，綠色矩形上邊界在120V處的面積，與曲線正負(fù)部分的面積總和相等。那么，這個(gè)120V是否就是整個(gè)周期的平均電壓呢？

實(shí)際上，若我們要計(jì)算周期中所有點(diǎn)的電壓平均值，結(jié)果將約為108V，這與我們的直觀感受不符。那么，為何我們使用伏特表測(cè)量的結(jié)果是120V呢？這涉及到“有效電壓"的概念。

當(dāng)我們測(cè)量流經(jīng)電阻的直流電流所產(chǎn)生的熱量時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它高于等效交流電流所產(chǎn)生的熱量。這是因?yàn)榻涣麟娫谡麄€(gè)周期內(nèi)并不保持恒定值。在受控實(shí)驗(yàn)室條件下，我們發(fā)現(xiàn)特定的直流電流能產(chǎn)生100度的熱量升高，而其交流電當(dāng)量?jī)H能產(chǎn)生7度的溫度上升，即7%的直流值。因此，交流電的有效值是直流值的7%。同時(shí)，我們也觀察到交流電壓的有效值等于曲線前半部分電壓平方之和的平方根。

以峰值電壓為1的情況為例，若我們要測(cè)量從0度至180度的各點(diǎn)電壓，那么有效電壓將介于0至7的峰值電壓之間。對(duì)于圖中所示的170V峰值電壓，其707倍恰好等于120V。這個(gè)有效電壓也被稱作均方根或RMS電壓。值得注意的是，峰值電壓總是有效電壓的414倍。比如，230V的交流電流具有325V的峰值電壓，而460V的交流電流則具有650V的峰值電壓。

此外，即使電壓本身并未改變，變頻器也必須根據(jù)頻率的變化來(lái)調(diào)整輸出電壓。這在電機(jī)控制中至關(guān)重要，因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)行速度與電壓和頻率都密切相關(guān)。

丹佛斯DANFOSS變頻器展示了不同頻率下的交流正弦波。紅色曲線代表60Hz的波形，而藍(lán)色曲線則是50Hz的波形。盡管兩者的峰值電壓均為650V，但50Hz的波形明顯更寬。我們可以清晰地看到，50Hz波形前半部分（0-10ms）所覆蓋的區(qū)域大于60Hz波形前半部分（0-3ms）的區(qū)域。由于曲線下面積與有效電壓成正比，因此50Hz波形的有效電壓更高。隨著頻率的降低，有效電壓的增加趨勢(shì)變得更加顯著。

若讓460V電動(dòng)機(jī)在過(guò)高電壓下運(yùn)作，其使用壽命將顯著縮短。

因此，丹佛斯DANFOSS變頻器需依據(jù)頻率調(diào)整“峰值"電壓，以維持恒定的有效電壓。頻率降低時(shí)，峰值電壓亦相應(yīng)降低，反之則升高。

現(xiàn)在，您應(yīng)對(duì)丹佛斯DANFOSS變頻器的工作原理及其對(duì)電機(jī)速度的控制有了深入的了解。多數(shù)變頻器提供用戶手動(dòng)設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速的選項(xiàng)，如通過(guò)多位置開(kāi)關(guān)或鍵盤(pán)，或利用傳感器（如壓力、流量、溫度、液位等）實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。