1、 四象限变频器与四象限运行 1、引言 在上个世纪八十年代末，交流变频调速逐渐登上了工 业传动调速方式的历史舞台。变频调速在调速范围、调速 精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的 优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方 式。 普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成 直流，然后采用 IGBT 逆变技术将直流转化成电压频率皆可 调整的交流电来驱动交流电动机，这种变频器只能工作在 电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器 采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有 办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回 馈能量的应用中，比如电梯、提升、系统
2、，只能在两象限 变频器上增加制动单元和制动电阻，将电动机回馈的能量 消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对 电网产生严重的谐波污染。 IGBT 功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用 IGBT 做整流桥，用高速度、高运算能力的 DSP 产生 PWM 控 制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的 谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可 以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能 效果。 2、四象限变频器的工作原理 2.1 工作原理 当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的 DSP 产生 6 路高频的 PWM 脉冲控制整流侧的 6 个 IGBT 的开通
3、和关断。 IGBT 的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电 压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥 产生的 6K1 谐波。功率因数高达 99%。消除了对电网的谐 波污染。此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电 机，变频器工作在第一、第三象限。当电动机工作在发电 状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到 直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回 馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压 相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。此时能 量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、 四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。 2.2 四
4、象限变频器的系统构成 主回路的构成：预充电电路，输入电抗、智能功率模块， 电解电容和输出电抗。各部分的功能列举如下： 预充电电路：由交流接触器、功率电阻组成及相应的控制 回路。主要功能是系统上电时，完成对直流母线电容的预 充电。避免上电时强大的冲击电流烧坏功率模块。 输入电抗器：电动状态下起储能作用，形成正弦电流波形。 回馈状态下，起滤波作用，滤掉电流波形的高频成分。 智能功率模块（SkiiP）：整流侧和逆变侧 IGBT、隔离驱动、 电流检测以及各种保护监测功能。 电解电容：储能，滤波。 输出电抗：降低输出 dv/dt，对电机起到一定的保护作用。 控制部分组成：系统辅助电源模块，预充电控制，功
5、率接 口板，DSP 控制板及人机接口板。 系统辅助电源产生系统控制所需的 5V, 15V 和 24V 电源。 预充电控制用于控制预充电交流接触器的动作。 功率接口板反馈系统控制所需的电流信号，电压信号及温 度信号，并且传递 PWM 控制波形到驱动板。接口板要对信 号进行滤波处理。 DSP 控制板完成整流，逆变 PWM 控制算法，系统的大脑。 人机接口板显示变频器运行的各种状况以及用户参数输入。 3.典型应用 四象限变频器的典型应用是具有位势负载特性的场合，例 如提升机，机车牵引，油田磕头机，离心机等。在一些大 功率的应用中，也需要四象限变频器以减小对电网的谐波 污染。以提升机的应用为例，当提升
6、重物时，四象限变频 器拖动电机克服重力做工，电动机处于电动状态。当下放 重物时，逆变侧产生励磁电流，重力牵引电机发电，电动 机处于发电状态。势能转化为电能通过整流侧回馈的电网。 采用带有 PWM 控制整流器变频器具有四象限运行的功能， 能满足各种位势负载的调速要求，可就电机的再生能量转 化为电能送回电网，达到最大限度的节能的目的。不仅如 此，它还可减少电源的谐波污染，功率因数可接近于 1，是 一种真正的“绿色”变频器。 3.四象限运行 无论是单象限的变频器还是四象限的变频器，都是变频器 本身所具有的特性，它是针对变频器而言的。而我们所说 的四象限运行是针对电机的，它和四象限变频器是完全不 同的两个概念。只不过是单象限变频器要想使电机四象限 运行必须添加相应的功能模块，即制动单元和制动电阻， 而四象限变频器则不需要添加任何外围硬件就可以满足电 机四象限运行。 备注：现有的一些变频器厂商声称他们的变频器配以回馈 单元就能够成为四象限变频器，满足电机的四象限运行， 并且是能量回馈电网，实际上真正意义上的四象限变频器 是不需要配以任何外围的部件就能够满足电机的四象限运 行，并且还能消除电网的谐波污染，使功率因数基本接近 于 1，而仅仅能够将能量回馈电网的变频器是不能够称其为 四象限的变频器。
