丹佛斯DANFOSS变频器的工作原理及其如何实现变频操作？

丹佛斯DANFOSS变频器的工作原理及其如何实现变频操作？

丹佛斯DANFOSS变频器交流发电机便具备了变频操作的功能。通过调整发电机的转速，可以相应地改变其输出频率。在高速晶体管普及之前，这曾是调节电机转速的重要手段之一。但需注意的是，发电机转速的降低会导致输出频率而非电压的下降，从而限制了频率变化的范围。

接下来，让我们深入探讨变频器的内部组件，了解它们是如何协同工作以改变频率和电机转速的。首先，我们来看看变频器的整流器元件。由于直接改变交流正弦波的频率在交流模式下颇具挑战，因此变频器的首要任务便是将这种波形转换为直流。这样一来，对直流的操作就会变得相对简单。整流器或转换器作为所有变频器的核心组件，正是承担了这一关键任务，其工作原理如下图所示：

丹佛斯DANFOSS变频器电路负责将交流电转换为直流电，其工作原理类似于电池充电器或电弧焊机。它利用一个二极管电桥来确保交流正弦波只能向一个方向流动。

这样，经过整流的交流波形在直流电路中就被解释为本地直流波形。三相变频器则接受三个独立的交流输入相，并整合为一个单一的直流输出。

值得注意的是，大多数三相变频器也兼容单相（230V或460V）电源，但当使用单相输入时，由于输入支路数量减少，变频器的输出（HP）必须相应降低，因为直流电流的生成也会成比例地减少。相比之下，单相变频器（专为控制单相电机设计）则直接利用单相输入，并产生与输入相匹配的直流输出。

在变速运行方面，三相电机相较于单相电机具有更广泛的应用。这主要归因于它们更广泛的功率范围，以及单相电机通常需要外部助力才能启动旋转的特性。

接下来，我们将探讨变频器的另一关键组件——直流母线。直流母线（图中所示为DC bus）虽然在所有变频器中并非，但它对于高质量通用变频器而言却是的。它利用电容器和电感来滤除转换后的直流电中的交流“纹波"电压，确保稳定的逆变器输入。此外，直流母线还配备了滤波器，以防止谐波失真并允许反馈给变频器电源。相较于老式变频器，现代变频器通过内置的直流母线实现了更为高效的能量转换和运行稳定性。

丹佛斯DANFOSS变频器的核心部件——逆变器。它利用三组高速开关晶体管（即IGBT）来生成模拟交流正弦波所需的全部三相DC“脉冲"。

这些脉冲不仅控制着波形的电压，还直接影响其频率。逆变器，或称“反转器"，其名称寓意着波形的上下运动转换。现代变频器中的逆变器采用脉宽调制（PWM）技术，以精确调节输出电压和频率。

接下来，我们来深入了解逆变器的核心元件IGBT。IGBT，即“绝缘栅双极型晶体管"，在逆变器中扮演着开关或脉冲生成的角色。与传统的真空管相比，晶体管在电子领域发挥了两种关键作用：一是作为放大器，增强和放大信号；二是作为开关，简单地开启或关闭信号流。IGBT作为现代技术的代表，以其高速开关能力（频率范围3000-16000 Hz）和低热量生成特点脱颖而出。高速开关使得交流电波的仿真更加精确，进而降低了电机的噪音。同时，热量生成减少也意味着散热片尺寸可以缩小，从而节省了变频器的空间。

接下来，我们进一步探讨PWM变频器的波形特点。

丹佛斯DANFOSS变频器产生的波形与真实的AC正弦波之间的对比。逆变器的输出由一系列矩形脉冲组成，这些脉冲的高度固定而宽度可调。在特定情况下，这些脉冲会以特定的方式组合，例如中间为一组宽脉冲，而在AC周期的开始和结束处则为一组窄脉冲。

脉冲的面积之和恰好等于真实AC波的有效电压。

想象一下，如果我们从真正交流波形上方（或下方）切掉一部分脉冲，并用它们填补波形下方的空白，你会发现这两部分竟然能地契合。正是通过这种方式，变频器得以精准地调控电机的电压。

脉冲的宽度及其间的空白共同决定了电机所接收到的波形频率，即PWM或脉宽调制的效果。若脉冲连续不断（即无空白），则频率无误，但电压值将远超真实的AC正弦波。

丹佛斯DANFOSS变频器会依据所需电压和频率，灵活调整脉冲的高度、宽度以及它们之间的空白。

有人或许会问，这个看似“假"的AC波形（实为DC脉冲）是如何驱动交流感应电机的。毕竟，感应电机不是需要交流电来在转子中产生感应电流及其相应的磁场吗？确实，AC的不断变换方向正是其感应特性的关键。然而，DC在开启和关闭时同样能感应出电流。这就像汽车点火系统中的脉冲一样，通过一系列的开启和关闭动作，在线圈中感应出电荷，从而提升电压以点燃火花塞。逆变器输出的这种直流脉冲实际上是由众多单独的脉冲组成，这种开启和关闭的循环运动正是直流感应得以发生的关键。

接下来，我们进一步探讨有效电压的概念。

交流电的复杂性在于其电压的不断变化，从零攀升至最大正值，再跌回零点，接着是最大负值，最后再次归零。那么，如何准确衡量施加到电路的实际电压呢？以一个60Hz、120V的正弦波为例，其峰值电压高达170V。若以其实际峰值电压为准，我们又怎能称其为120V波形呢？

在一个完整的周期内，电压从0V开始攀升至170V，随后再次跌回0V。紧接着，它进一步下降至-170V，再回升至0V。我们观察到，绿色矩形上边界在120V处的面积，与曲线正负部分的面积总和相等。那么，这个120V是否就是整个周期的平均电压呢？

实际上，若我们要计算周期中所有点的电压平均值，结果将约为108V，这与我们的直观感受不符。那么，为何我们使用伏特表测量的结果是120V呢？这涉及到“有效电压"的概念。

当我们测量流经电阻的直流电流所产生的热量时，我们会发现它高于等效交流电流所产生的热量。这是因为交流电在整个周期内并不保持恒定值。在受控实验室条件下，我们发现特定的直流电流能产生100度的热量升高，而其交流电当量仅能产生7度的温度上升，即7%的直流值。因此，交流电的有效值是直流值的7%。同时，我们也观察到交流电压的有效值等于曲线前半部分电压平方之和的平方根。

以峰值电压为1的情况为例，若我们要测量从0度至180度的各点电压，那么有效电压将介于0至7的峰值电压之间。对于图中所示的170V峰值电压，其707倍恰好等于120V。这个有效电压也被称作均方根或RMS电压。值得注意的是，峰值电压总是有效电压的414倍。比如，230V的交流电流具有325V的峰值电压，而460V的交流电流则具有650V的峰值电压。

此外，即使电压本身并未改变，变频器也必须根据频率的变化来调整输出电压。这在电机控制中至关重要，因为电机的运行速度与电压和频率都密切相关。

丹佛斯DANFOSS变频器展示了不同频率下的交流正弦波。红色曲线代表60Hz的波形，而蓝色曲线则是50Hz的波形。尽管两者的峰值电压均为650V，但50Hz的波形明显更宽。我们可以清晰地看到，50Hz波形前半部分（0-10ms）所覆盖的区域大于60Hz波形前半部分（0-3ms）的区域。由于曲线下面积与有效电压成正比，因此50Hz波形的有效电压更高。随着频率的降低，有效电压的增加趋势变得更加显著。

若让460V电动机在过高电压下运作，其使用寿命将显著缩短。

因此，丹佛斯DANFOSS变频器需依据频率调整“峰值"电压，以维持恒定的有效电压。频率降低时，峰值电压亦相应降低，反之则升高。

现在，您应对丹佛斯DANFOSS变频器的工作原理及其对电机速度的控制有了深入的了解。多数变频器提供用户手动设置电机转速的选项，如通过多位置开关或键盘，或利用传感器（如压力、流量、温度、液位等）实现过程自动化。