丹佛斯DANFOSS變頻器的工作原理及其如何實現變頻操作？

丹佛斯DANFOSS變頻器交流發電機便具備了變頻操作的功能。通過調整發電機的轉速，可以相應地改變其輸出頻率。在高速晶體管普及之前，這曾是調節電機轉速的重要手段之一。但需注意的是，發電機轉速的降低會導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，讓我們深入探討變頻器的內部組件，了解它們是如何協同工作以改變頻率和電機轉速的。首先，我們來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，因此變頻器的首要任務便是將這種波形轉換為直流。這樣一來，對直流的操作就會變得相對簡單。整流器或轉換器作為所有變頻器的核心組件，正是承擔了這一關鍵任務，其工作原理如下圖所示：

丹佛斯DANFOSS變頻器電路負責將交流電轉換為直流電，其工作原理類似于電池充電器或電弧焊機。它利用一個二極管電橋來確保交流正弦波只能向一個方向流動。

這樣，經過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獨立的交流輸入相，并整合為一個單一的直流輸出。

值得注意的是，大多數三相變頻器也兼容單相（230V或460V）電源，但當使用單相輸入時，由于輸入支路數量減少，變頻器的輸出（HP）必須相應降低，因為直流電流的生成也會成比例地減少。相比之下，單相變頻器（專為控制單相電機設計）則直接利用單相輸入，并產生與輸入相匹配的直流輸出。

在變速運行方面，三相電機相較于單相電機具有更廣泛的應用。這主要歸因于它們更廣泛的功率范圍，以及單相電機通常需要外部助力才能啟動旋轉的特性。

接下來，我們將探討變頻器的另一關鍵組件——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，但它對于高質量通用變頻器而言卻是的。它利用電容器和電感來濾除轉換后的直流電中的交流“紋波"電壓，確保穩定的逆變器輸入。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，現代變頻器通過內置的直流母線實現了更為高效的能量轉換和運行穩定性。

丹佛斯DANFOSS變頻器的核心部件——逆變器。它利用三組高速開關晶體管（即IGBT）來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“反轉器"，其名稱寓意著波形的上下運動轉換。現代變頻器中的逆變器采用脈寬調制（PWM）技術，以精確調節輸出電壓和頻率。

接下來，我們來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關或脈沖生成的角色。與傳統的真空管相比，晶體管在電子領域發揮了兩種關鍵作用：一是作為放大器，增強和放大信號；二是作為開關，簡單地開啟或關閉信號流。IGBT作為現代技術的代表，以其高速開關能力（頻率范圍3000-16000 Hz）和低熱量生成特點脫穎而出。高速開關使得交流電波的仿真更加精確，進而降低了電機的噪音。同時，熱量生成減少也意味著散熱片尺寸可以縮小，從而節省了變頻器的空間。

接下來，我們進一步探討PWM變頻器的波形特點。

丹佛斯DANFOSS變頻器產生的波形與真實的AC正弦波之間的對比。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。在特定情況下，這些脈沖會以特定的方式組合，例如中間為一組寬脈沖，而在AC周期的開始和結束處則為一組窄脈沖。

脈沖的面積之和恰好等于真實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，并用它們填補波形下方的空白，你會發現這兩部分竟然能地契合。正是通過這種方式，變頻器得以精準地調控電機的電壓。

脈沖的寬度及其間的空白共同決定了電機所接收到的波形頻率，即PWM或脈寬調制的效果。若脈沖連續不斷（即無空白），則頻率無誤，但電壓值將遠超真實的AC正弦波。

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

有人或許會問，這個看似“假"的AC波形（實為DC脈沖）是如何驅動交流感應電機的。畢竟，感應電機不是需要交流電來在轉子中產生感應電流及其相應的磁場嗎？確實，AC的不斷變換方向正是其感應特性的關鍵。然而，DC在開啟和關閉時同樣能感應出電流。這就像汽車點火系統中的脈沖一樣，通過一系列的開啟和關閉動作，在線圈中感應出電荷，從而提升電壓以點燃火花塞。逆變器輸出的這種直流脈沖實際上是由眾多單獨的脈沖組成，這種開啟和關閉的循環運動正是直流感應得以發生的關鍵。

接下來，我們進一步探討有效電壓的概念。

交流電的復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，接著是最大負值，最后再次歸零。那么，如何準確衡量施加到電路的實際電壓呢？以一個60Hz、120V的正弦波為例，其峰值電壓高達170V。若以其實際峰值電壓為準，我們又怎能稱其為120V波形呢？

在一個完整的周期內，電壓從0V開始攀升至170V，隨后再次跌回0V。緊接著，它進一步下降至-170V，再回升至0V。我們觀察到，綠色矩形上邊界在120V處的面積，與曲線正負部分的面積總和相等。那么，這個120V是否就是整個周期的平均電壓呢？

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

當我們測量流經電阻的直流電流所產生的熱量時，我們會發現它高于等效交流電流所產生的熱量。這是因為交流電在整個周期內并不保持恒定值。在受控實驗室條件下，我們發現特定的直流電流能產生100度的熱量升高，而其交流電當量僅能產生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，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，若我們要測量從0度至180度的各點電壓，那么有效電壓將介于0至7的峰值電壓之間。對于圖中所示的170V峰值電壓，其707倍恰好等于120V。這個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，變頻器也必須根據頻率的變化來調整輸出電壓。這在電機控制中至關重要，因為電機的運行速度與電壓和頻率都密切相關。

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）所覆蓋的區域大于60Hz波形前半部分（0-3ms）的區域。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變得更加顯著。

若讓460V電動機在過高電壓下運作，其使用壽命將顯著縮短。

因此，丹佛斯DANFOSS變頻器需依據頻率調整“峰值"電壓，以維持恒定的有效電壓。頻率降低時，峰值電壓亦相應降低，反之則升高。

現在，您應對丹佛斯DANFOSS變頻器的工作原理及其對電機速度的控制有了深入的了解。多數變頻器提供用戶手動設置電機轉速的選項，如通過多位置開關或鍵盤，或利用傳感器（如壓力、流量、溫度、液位等）實現過程自動化。