- 四象限變頻器的工作原理
- 四象限變頻器的系統構成
- 四象限變頻器的整流部分系統控制方案
- 由交流接觸器、功率電阻組成及相應的控制回路
- 整流側和逆變側IGBT、隔離驅動(dòng)、電流檢測以及各種保護監測功能
- 降低輸出dv/dt，對電機起到一定的保護作用
在上個(gè)世紀80年代末，交流變頻調速逐漸登上了工業(yè)傳動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，這使變頻調速成為最有發(fā)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(shù)將直流轉化成電壓頻率皆可調整的交流電動(dòng)機。這種變頻器只能工作在電動(dòng)狀態(tài)，所以稱(chēng)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(wú)法實(shí)現能量的雙向流動(dòng)，所以沒(méi)有辦法將電機回饋系統的能量送回電網(wǎng)。在一些電動(dòng)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(dòng)單元。將電動(dòng)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(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染。
IGBT功率模塊可以實(shí)現能量的雙向流動(dòng)，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。一方面可以調整輸入的功率因數，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(dòng)機回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達到徹底的節能效果。
吉納電機自2001年開(kāi)始進(jìn)行四象限變頻器開(kāi)發(fā)和研制工作。到目前已經(jīng)形成380V、660V兩個(gè)系列功率等級的成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，并廣泛應用于煤礦和油田領(lǐng)域。
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。
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1工作原理
當電機工作在電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側的6個(gè)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。IGBT的開(kāi)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。功率因數高達99%。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。
此時(shí)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。
當電動(dòng)機工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變側的二極管回饋到直流母線(xiàn)，當直流母線(xiàn)電壓超過(guò)一定的值，整流側能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過(guò)控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節能的效果。
此時(shí)能量由電機通過(guò)逆變側、整流側流向電網(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?；仞侂娏骱碗娋W(wǎng)電壓波形如圖3所示：
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2四象限變頻器的系統構成
（1）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(shí)，完成對直流母線(xiàn)電容的預充電。避免上電時(shí)強大的沖擊電流燒壞功率模塊。
•輸入電抗器：電動(dòng)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）:整流側和逆變側IGBT、隔離驅動(dòng)、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。
（2）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(chǎn)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(dòng)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(dòng)板。接口板要對信號進(jìn)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(hù)參數輸入。
整流部分
整流部分系統控制方框圖如圖4所示。
如圖4所示，系統的給定是直流母線(xiàn)電壓指令，這個(gè)指令與直流母線(xiàn)電壓反饋的誤差送到電壓環(huán)的PI調節器。電壓環(huán)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所饋作比較，誤差送到電流環(huán)的PI調節器。電流環(huán)PI調節器的輸出可以通過(guò)載波調制產(chǎn)生各相IGBT的PWM控制信號，也可以通過(guò)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(guò)DSP完成的。
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(chǎng)合，倒如掉升機，機車(chē)牽引，油田磕頭機，離心機等。有一些大功率的應用中，也需要四象限變頻器以減小對電網(wǎng)的諧波污染。
以提升機的應用為倒，當提升重物時(shí)，四象限變頻器拖動(dòng)電機克服重力做工，電動(dòng)機處于電動(dòng)狀態(tài)。當下放重物時(shí)，逆變側產(chǎn)生勵磁電流，重力牽引電機發(fā)電，電動(dòng)機處于發(fā)電狀態(tài)。勢能轉化為電能通過(guò)整流側回饋的電網(wǎng)。
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(mǎn)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(wǎng)，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。
