四象限变频器技术介绍(转帖) 点击：2126 | 回复：24
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。
加能公司自2003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，并广泛应用于起重、煤矿和油田领域。
2、四象限变频器的工作原理
2.1 四象限变频器的电路原理图如图1所示。
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。
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：
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dvdt，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。
“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。”
1、IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用绝对不会产生与输入电压相位一致的正弦电流波形；
2、直流部的电压在大电容的作用下，电压基本恒定，当交流电压高于直流部电压时，IGBT才能开通，所以绝对不会输入与电压相位一致的正弦电流波形；
3、“这样就消除了二极管整流桥产生的6K±1谐波”的依据不存在！
4、整流桥加电容滤波的电流与电压方向始终一致，没有相反的时候，就是说只有有功率功率，说“功率因数高达99%”有点莫名其妙？
搂住的四象限概念是错误的：
1、四象限由两个数轴正交构成；
2、楼主应该交待X轴表示变频器什么量及其方向，Y轴表示变频器什么量及其方向；
3、按照楼主的意思，如果用Y轴的正方向表示电机处于电动状态，负方向表示电机处于发电制动状态；
4、按照楼主的意思，如果用X轴的正方向表示电机处于正向电动状态，负方向表示电机处于反向电动状态；
5、那么第一象限应该是电机处于正向电动状态；第二象限应该是电机处于反向电动状态；第三象限应该是电机处于反向发电制动状态；第四象限应该是电机处于正向发电制动状态；
6、“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。”好像是个错误的说法！！！
对刘老师问题的解释：
“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。”
1、IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用绝对不会产生与输入电压相位一致的正弦电流波形；
通过控制IGBT的通断，相当于在整流侧电感后形成一个可任意调节和输入电压相位差的、基波成分为工频的电压源，这样在电感上电压就是二者的差，如果电感上的电压差与输入电压垂直，电感上的电流和输入电压不是同相就是反相，刘老师可以自己画画矢量图推一下。但是由于调制出来的电压为PWM波形，所以电感上有和开关频率相同频率的谐波，但是很小，其电流波形可以参照变频器的输出电流波形。
2、直流部的电压在大电容的作用下，电压基本恒定，当交流电压高于直流部电压时，IGBT才能开通，所以绝对不会输入与电压相位一致的正弦电流波形；
IGBT工作在升压斩波模式下，在任何时候输入都可以给输出补偿能量。
3、“这样就消除了二极管整流桥产生的6K±1谐波”的依据不存在！
4、整流桥加电容滤波的电流与电压方向始终一致，没有相反的时候，就是说只有有功率功率，说“功率因数高达99%”有点莫名其妙？
造成功率因数低的原因一个是电流电压相位差，另一个是不同频率的电流电压导致。
由于二极管整流的电流成分含有大量的6K±1谐波，这个电流和工频电压的乘积就是无功电流，所以功率因数低
而PWM整流桥的输入电流中基本没有谐波，所以功率因数低。
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