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技術頻道

四象限變頻器技術介紹

1 引言
  在上個世紀八十年代末,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化成直流,然后采用IGBT逆變技術將直流轉化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電控制交流電動機。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。
  加能公司自2003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兩個系列各種功率等級的成熟的產(chǎn)品和技術,并廣泛應用于起重、煤礦和油田領域。
2 四象限變頻器的工作原理
2.1 四象限變頻器的電路原理圖如圖1所示。

圖 1 四象限變頻器的電路原理圖
2.2 工作原理
  當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脈沖控制整流側的6個IGBT的開通和關斷。IGBT的開通和關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。

圖2 輸入電壓和輸入電流的波形
  當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候,電機產(chǎn)生的能量通過逆變側的二極管回饋到直流母線,當直流母線電壓超過一定的值,整流側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、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:


圖3 回饋電流和電網(wǎng)電壓波形
2.3 四象限變頻器的系統(tǒng)構成
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(tǒng)上電時,完成對直流母線電容的預充電。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):整流側和逆變側IGBT、 隔離驅動、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。
控制部分組成:系統(tǒng)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(tǒng)輔助電源產(chǎn)生系統(tǒng)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。

圖4 整流部分系統(tǒng)控制方框圖
  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反饋作比較,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 典型應用
  四象限變頻器的典型應用是具有位勢負載特性的場合,例如提升機,機車牽引,油田磕頭機,離心機等。在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。
  以提升機的應用為例,當提升重物時,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)。當下放重物時,逆變側產(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)。勢能轉化為電能通過整流側回饋的電網(wǎng)。
5 結束語
  采用帶有PWM控制整流器變頻器具有四象限運行的功能,能滿足各種位勢負載的調(diào)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(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。

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