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1 引言
在上個(gè)世紀(jì)八十年代末，交流變頻調(diào)速逐漸登上了工業(yè)傳動(dòng)調(diào)速方式的歷史舞臺(tái)。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(diǎn)，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?qū)⒔涣麟娹D(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)整的交流電控制交流電動(dòng)機(jī)。這種變頻器只能工作在電動(dòng)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，所以沒有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動(dòng)機(jī)要回饋能量的應(yīng)用中，比如電梯，提升，離心機(jī)系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動(dòng)單元。將電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運(yùn)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(duì)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(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到徹底的節(jié)能效果。
加能公司自2003年開始進(jìn)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(gè)系列各種功率等級(jí)的成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于起重、煤礦和油田領(lǐng)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(dāng)電機(jī)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(cè)的6個(gè)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(dá)99%。消除了對(duì)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(jī)，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(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)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(dòng)，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(dá)到節(jié)能的效果。
此時(shí)能量由電機(jī)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：
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(gòu)成
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(shí)，完成對(duì)直流母線電容的預(yù)充電。避免上電時(shí)強(qiáng)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(chǔ)能作用，形成正弦電流波形。回饋狀態(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(dòng)、電流檢測(cè)以及各種保護(hù)監(jiān)測(cè)功能。
電解電容：儲(chǔ)能，濾波。
輸出電抗：降低輸出dv/dt，對(duì)電機(jī)起到一定的保護(hù)作用。
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(jī)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(dòng)作；
功率接口板反饋系統(tǒng)控制所需的電流信號(hào)，電壓信號(hào)及溫度信號(hào)，并且傳遞PWM控制波形到驅(qū)動(dòng)板。接口板要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jī)接口板顯示變頻器運(yùn)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(gè)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?zhàn)鞅容^，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(hào)，也可以通過空間矢量的方式產(chǎn)生PWM信號(hào)控制IGBT。上述的運(yùn)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(shì)負(fù)載特性的場(chǎng)合，例如提升機(jī)，機(jī)車牽引，油田磕頭機(jī)，離心機(jī)等。在一些大功率的應(yīng)用中，也需要四象限變頻器以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。
以提升機(jī)的應(yīng)用為例，當(dāng)提升重物時(shí)，四象限變頻器拖動(dòng)電機(jī)克服重力做工，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)下放重物時(shí)，逆變側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，重力牽引電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。勢(shì)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(yùn)行的功能，能滿足各種位勢(shì)負(fù)載的調(diào)速要求，可就電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)，達(dá)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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