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四象限变频器技术介绍
摘要：四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的时候，对电网的污染小。本文简单介绍了四象限变频器的工作原理及控制方法，并从实际应用的角度，给出四象限变频器各个部分的构成及作用。
关键词：能量回馈 电流谐波  四象限变频器
1、  引言
　　在上个世纪80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，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。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。
　　吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形成380V、660V两个系列功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油田领域。
2、  四象限变频器的工作原理
　　四象限变频器的电路原理图如图1所示。

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6K

四象限运行高压变频器的矢量控制原理
2008-07-21 09:52
2008-7-9 10:26:05　来源: 中国工控展览网

矢量控制原理
　　HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。
　　1、主回路
　　HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式，主电路开关元件为IGBT。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。
　　主隔离变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。 组数量依变频器电压等级及结构而定，6kV系列为18，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6KV而言相当于36脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波(尤其是低次谐波)的产生。
　　变频器输出是580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，线电压6000V，输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相电源 target=_blank>高压电源。
　　图3为6kV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图，图4即为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。
　　2、功率单元
　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，HIVERT-YVF系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力。
　　功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管Q1～Q6所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。以a相为例，若要控制a相电流正方向流动且幅值增大，必须使Q2导通，若要控制a相电流反方向流动且幅值减小，必须关断Q1，使电流通过Q2并联的续流二极管，当电机处于减速运行状态或负力提升时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，自动起动有源逆变，这时逆变相位超前，功率单元将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。 反之则电功率由电网注入功率单元，电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个电源 target=_blank>稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。
　　单元逆变输出由Q7～Q10组成，采用矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式，控制Q7～Q10IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制正弦波形。
　　3、控制系统
　　控制系统由控制器，IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。
　　信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。
　　主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并可网络化控制。通过主控板和IO接口板通讯来的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与IO接口板连接，实时监控变频器系统的状态。
    目前矿用交流提升机普遍使用绕线式电机转子串电阻调速控制系统。在减速和重物下放时能量通过转子电阻释放，能量不能回馈回电网，随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。HIVERT-YVF06/077大功率变频器是北京合康亿盛科技有限公司研发和生产的高压交流电机调速驱动装置。该变频器采用了先进成熟的低压变频技术，以及功率单元串联叠波、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术等

四象限变频器技术介绍

类别：行业知识   发布时间：2008-1-25 阅读：1108

摘 要：四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的时候，对电网的污染小。本文简单介绍了四象限变频器的工作原理及控制方法，并从实际应用的角度，给出四象限变频器各个部分的构成及作用。
关键词：能量回馈；电流谐波；四象限变频器
1 引言
在上个世纪80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控制交流电动机。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，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。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。
吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形成380V, 660V两个系列各种功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油田领域。
2 四象限变频器的工作原理
四象限变频器的电路原理图如图1所示。
图 1 四象限变频器的电路原理图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6K±1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。输入电压和输入电流的波形如图2所示。
图2 输入电压和输入电流的波形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。回馈电流和电网电压波形如图3所示：
图3 回馈电流和电网电压波形2.2 四象限变频器的系统构成
（1）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。
（2）控制部分组成：系统辅助电源模块，预充电控制，功率接口板，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 整流部分
整流部分系统控制方框图如图4所示。
图4 整流部分系统控制方框图如图4所示，系统的给定是直流母线电压指令，这个指令与直流母线电压反馈的误差送到电压环的PI调节器。电压环的PI调节与三相输入正弦波的乘积成为三相电流的指令，三相电流指令与各自电流反馈作比较，误差送到电流环的PI调节器。电流环PI调节器的输出可以通过载波调制产生各相IGBT的PWM控制信号，也可以通过空间矢量的方式产生PWM信号控制IGBT。上述的运算都是通过DSP完成的。
4 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。
5 结束语
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