1,、  引言

在上個世紀(jì)80年代末,，交流變頻調(diào)速逐漸登上了工業(yè)傳動調(diào)速方式的歷史舞臺。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍,、調(diào)速精度,、控制靈活、工作效率,、使用方便等方面都有很大的優(yōu)點,，這使變頻調(diào)速成為最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。

普通的變頻器大都采用二極管整流橋將交流電轉(zhuǎn)化成直流,，然后采用IGBT逆變技術(shù)將直流轉(zhuǎn)化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電動機,。這種變頻器只能工作在電動狀態(tài)，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(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng),。在一些電動機要回饋能量的應(yīng)用中,，比如電梯，提升,，離心機系統(tǒng),，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(yīng)用中，二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染,。

IGBT功率模塊可以實現(xiàn)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(chǎn)生PWM控制脈沖,。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù),，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”,。另一方面可以將電動機回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng),，達到徹底的節(jié)能效果。

吉納電機自2001年開始進行四象限變頻器開發(fā)和研制工作,。到目前已經(jīng)形成380V,、660V兩個系列功率等級的成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于煤礦和油田領(lǐng)域,。

2,、  四象限變頻器的工作原理

四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示。

2.1工作原理

當(dāng)電機工作在電動狀態(tài)的時候,，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷,。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)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(chǎn)生的6K±1諧波,。功率因數(shù)高達99%,。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。

此時能量從電網(wǎng)經(jīng)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,。

當(dāng)電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候,，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值,，整流側(cè)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(wǎng),，達到節(jié)能的效果,。

此時能量由電機通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng),。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(wǎng)電壓波形如圖3所示：

2.2四象限變頻器的系統(tǒng)構(gòu)成

（1）主回路的構(gòu)成：預(yù)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(yù)充電電路：由交流接觸器,、功率電阻組成及相應(yīng)的控制回路,。主要功能是系統(tǒng)上電時，完成對直流母線電容的預(yù)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(tài)下起儲能作用，形成正弦電流波形,?；仞仩顟B(tài)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(cè)和逆變側(cè)IGBT、隔離驅(qū)動,、電流檢測以及各種保護監(jiān)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。

（2）控制部分組成：系統(tǒng)輔助電源模塊,，預(yù)充電控制,，功率接口板，DSP控制板及人機接口板,。

·系統(tǒng)輔助電源產(chǎn)生系統(tǒng)控制所需的5V,、15V和24V電源；

·預(yù)充電控制用于控制預(yù)充電交流接觸器的動作,；

·功率接口板反饋系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)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(shù)輸入。

3,、  整流部分

整流部分系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示,。

如圖4所示，系統(tǒng)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(huán)的PI調(diào)節(jié)器,。電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)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所饋作比較，誤差送到電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器,。電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出可以通過載波調(diào)制產(chǎn)生各相IGBT的PWM控制信號,，也可以通過空間矢量的方式產(chǎn)生PWM信號控制IGBT。上述的運算都是通過DSP完成的,。

4,、  典型應(yīng)用

四象限變頻器的典型應(yīng)用是具有位勢負(fù)載特性的場合，倒如掉升機,，機車牽引,，油田磕頭機，離心機等,。有一些大功率的應(yīng)用中,，也需要四象限變頻器以減小對電網(wǎng)的諧波污染。

以提升機的應(yīng)用為倒,，當(dāng)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(tài),。當(dāng)下放重物時,，逆變側(cè)產(chǎn)生勵磁電流，重力牽引電機發(fā)電,，電動機處于發(fā)電狀態(tài),。勢能轉(zhuǎn)化為電能通過整流側(cè)回饋的電網(wǎng)。

5,、  結(jié)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(fù)載的調(diào)速要求，可就電機的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng),，達到最大限度的節(jié)能的目的,。不僅如此，它還可減少電源的諧波污染,，功率因數(shù)可接近于1,，是一種真正的“綠色”變頻器。