四象限變頻器技術介紹
1 引言
圖3 回饋電流和電網電壓波形
在上個世紀八十年代末，交流變頻調速逐漸登上了工業傳動調速方式的歷史舞臺。變頻調速在調速范圍、調速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都有很大的優點，這使變頻調速成為最有發展前途的一種交流調速方式。
普通的變頻器大都采用二極管整流橋將交流電轉化成直流，然后采用IGBT逆變技術將直流轉化成電壓頻率皆可調整的交流電控制交流電動機。這種變頻器只能工作在電動狀態，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋，無法實現能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統的能量送回電網。在一些電動機要回饋能量的應用中，比如電梯，提升，離心機系統，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋的能量消耗掉。另外，在一些大功率的應用中，二極管整流橋對電網產生嚴重的諧波污染。
IGBT功率模塊可以實現能量的雙向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產生PWM控制脈沖。一方面可以調整輸入的功率因數，消除對電網的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產品”。另一方面可以將電動機回饋產生的能量反送到電網，達到徹底的節能效果。
加能公司自2003年開始進行四象限變頻器開發和研制工作。到目前已經形成380V, 660V兩個系列各種功率等級的成熟的產品和技術，并廣泛應用于起重、煤礦和油田領域。
2 四象限變頻器的工作原理
2.1 四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示。
圖 1 四象限變頻器的電路原理圖
2.2 工作原理
當電機工作在電動狀態的時候，整流控制單元的DSP產生6路高頻的PWM脈沖控制整流側的6個IGBT的開通和關斷。IGBT的開通和關斷與輸入電抗器共同作用產生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產生的6K±1諧波。功率因數高達99%。消除了對電網的諧波污染。
此時能量從電網經由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。輸入電壓和輸入電流的波形如圖2所示。
圖2 輸入電壓和輸入電流的波形
當電動機工作在發電狀態的時候，電機產生的能量通過逆變側的二極管回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定的值，整流側能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網，達到節能的效果。
此時能量由電機通過逆變側、整流側流向電網。變頻器工作在二、四象限。輸入電抗器的主要功能是電流濾波。回饋電流和電網電壓波形如圖3所示：
圖3 回饋電流和電網電壓波形
2.3 四象限變頻器的系統構成
主回路的構成：預充電電路，輸入電抗、智能功率模塊，電解電容和輸出電抗。各部分的功能列舉如下：
預充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應的控制回路。主要功能是系統上電時，完成對直流母線電容的預充電。避免上電時強大的沖擊電流燒壞功率模塊。
輸入電抗器：電動狀態下起儲能作用，形成正弦電流波形。回饋狀態下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。
智能功率模塊（SkiiP）：整流側和逆變側IGBT、 隔離驅動、電流檢測以及各種保護監測功能。
電解電容：儲能，濾波。
輸出電抗：降低輸出dv/dt，對電機起到一定的保護作用。
控制部分組成：系統輔助電源模塊，預充電控制，功率接口板，DSP控制板及人機接口板。
系統輔助電源產生系統控制所需的5V, 15V 和24V 電源；
預充電控制用于控制預充電交流接觸器的動作；
功率接口板反饋系統控制所需的電流信號，電壓信號及溫度信號，并且傳遞PWM控制波形到驅動板。接口板要對信號進行濾波處理；
DSP控制板完成整流，逆變PWM控制算法，系統的大腦。
人機接口板顯示變頻器運行的各種狀況以及用戶參數輸入。
3 整流部分
整流部分系統控制方框圖如圖4所示。
圖4 整流部分系統控制方框圖
如圖4所示，系統的給定是直流母線電壓指令，這個指令與直流母線電壓反饋的誤差送到電壓環的PI調節器。電壓環的PI調節與三相輸入正弦波的乘積成為三相電流的指令，三相電流指令與各自電流反饋作比較，誤差送到電流環的PI調節器。電流環PI調節器的輸出可以通過載波調制產生各相IGBT的PWM控制信號，也可以通過空間矢量的方式產生PWM信號控制IGBT。上述的運算都是通過DSP完成的。
4 典型應用
四象限變頻器的典型應用是具有位勢負載特性的場合，例如提升機，機車牽引，油田磕頭機，離心機等。在一些大功率的應用中，也需要四象限變頻器以減小對電網的諧波污染。
以提升機的應用為例，當提升重物時，四象限變頻器拖動電機克服重力做工，電動機處于電動狀態。當下放重物時，逆變側產生勵磁電流，重力牽引電機發電，電動機處于發電狀態。勢能轉化為電能通過整流側回饋的電網。
5 結束語
采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運行的功能，能滿足各種位勢負載的調速要求，可就電機的再生能量轉化為電能送回電網，達到最大限度的節能的目的。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染，功率因數可接近于1，是一種真正的“綠色”變頻器。文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
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