四象限矢量变频器的应用技术综述

摘要：本文较详细地论述了四象限矢量变频器在应用中的相关技术，包括应用条件、制动原理、制动特点、实施条件、工作状态、技术性能、电路组成、应用注意、以及高压四象限变频器的性能与技术参数、应用场合等内容。

1.引言-四象限矢量变频器的概况

        当电动机功率较大（≥100kW），设备GD²较大时，或是反复短时连续工作时，从高速到低速的降速幅度较大，且制动时间也较短时，为减少制动过程的能量损耗，将动能变为电能回馈到电网去，以达到节能功效，可使用能量回馈制动装置。回馈制动条件有：

      （1）电动机从高速（f_H）到低速（f_L）减速过程中，频率突减，因电动机的机械惯性使得转差s＜0，电动机处于发电状态，这时的反电动势E＞U（端电压）。

      （2）从电动机在某一个f_N运行，到停车时f_N=0，在这个过程中，电动机出现发电运行状态，这时反电动势E＞U（端电压）。

      （3）位能（或势能）负载，如起重机吊了重物下降时，出现实际转速n大于同步转速n₀，这时也出现电动机发电运行状态，当然E＞U是必然的。

2.能量回馈制动原理

        众所周知，一般通用变频器其桥式整流电路是三相不可控的，因此无法实现直流回路与电源间双向能量传递，解决这个问题的最有效的办法是采用有源逆变技术，如图1所示。

图1 变频器与电源再生变流器组合时的连接电路

即将再生电能逆变为电网同频率、同相位的交流电回馈电网，如图2所示，从而实现制动。

图2 电流追踪型PWM整流器组成

      从图2可知，它采用了电流追踪型PWM整流器组成方式，这样就容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度，同时这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流侧和直流侧之间的无功和有功功率的交换，且效率可高达97%，经济效益较大，热损耗为能耗制动的1%，同时不污染电网。所以，回馈制动特别适用于需要频繁制动的场合，电动机的功率也较大，这样节电效果明显，按运行的工况条件不同，平均约有20%的节电效果。
 

3.能量回馈制动的特点

  （1）可广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合的节能运行。

  （2）回馈效率高，可达97%，热损小，仅为能耗的1%。

  （3）功率因数约等于1.

  （4）谐波电流较小，对电网的污染很小，具有绿色环保的特点。

  （5）节省投资，易于控制电源侧的谐波和无功分量。

  （6）在多电机传动中，每一单机的再生能量可以得到充分利用。

  （7）具有较大的节电效果（与电动机的功率大小及运行工况有关）

  （8）当车间由共用直流母线为多台设备供电时，回馈制动的能量可直接返回直流母线，供给其它设备使用。经过核算可以节省回馈逆变器容量，甚至可以不用回馈逆变器。

4.什么是四象限实施的条件（图3）

  实现能量回馈三个必要和充分条件

  （1）负载必须是势能或位能负载例电梯、下运皮带、矿井吊笼、起重吊车（上下运动）等。

  （2）回馈装置要保证三个电的参数，即相位差±5°，电压差±5V，频率差±0.5Hz，这样方可将电能回馈送入电网去。

  （3）变频器的主电路一般是电压型CSV交-直-交拓扑电路方式，其整流AC/DC电路，一定要用可控整流即IGBT组成，即与逆变器DC/AC的PWM电路一样，而不是二极管、三相六脉冲不可控整流。

5.技术性能参数

6.四象限矢量变频器的组成

（1）普通变频器+回馈装置

主回路接线方法（图4）

图4 主回路接线方法

     回馈装置的主回路接线非常简洁，当与变频器配合使用时，只需将回馈装置的直流输入端子“DC（+）”“DC（-）”正确连接到变频器的直流母线的正负端子，将回馈装置的交流回馈输出端子“A”、“B”、“C”连接到与变频器输入端相同的电源上即可。

  应用注意

  （1）回馈装置系外置电抗器结构，使用时需外接电抗器。接线时电抗器的端子必须与回馈装置上的接线端子一一对应，如果顺序接错可能会导致回馈装置损坏甚至有引起火灾的危险。

  （2）接线时，应注意回馈装置直流输入端子“DC（+）”“DC（-）”的极性，如果极性相反，可能会导致设备损坏甚至有引起火灾的危险。

  （3）为了防止漏电对人体的伤害，应该将回馈装置的接地端子“PE”可靠接地。

  （4）回馈装置会自动检测电网的相位并自动与电网同步工作，因此回馈装置的交流回馈输出端子“A”、“B”、“C”与电网的连接是无极性要求的。

（2）四象限矢量变频器主电路组成（图5）

图5 四象限变频器主电路组成

7.高压四象限矢量变频器介绍

 （1）高压四象限矢量变频器概况

  四象限变频调速系统是以可控整流技术为基础，加上普通的逆变器技术组成的，无需附加额外的逆变单元，也无需单独的制动单元，即可将电机在发电运行时所回馈的电能回送到电网，实现电机的四象限运行。

  采用高频PWM技术对系统的输入电流的波形和相位进行实时动态调整，使其紧跟输入电压的相位，以实现COSφ=±1和无谐波的控制目标。

  输入电压：380VAC 660VAC 1140VAC

  功率范围：380VAC：75KW~ 220KW

660VAC: 132KW~ 315KW

1140VAC: 132KW~ 500KW

  过载能力：150%~200%

 （2）高压四象限矢量变频器性能简介

  输入电流为正弦波

  电动状态时，输入电流与输入电压相位相同，COSφ=1

  发电状态时，输入电流与输入电压相位相反，COSφ=-1

  可将电机回馈的电能迅速反馈到电网

  非常适用于需要频繁正反转，或需要迅速制动，或位能性负载的系统

  200%（150%）过载两分钟

  可控整流部分可单独工作，与其它型号普通变频器组成四象限系统

  可控整流部分可用作单独的有源滤波器
 

（3）高压四象限矢量变频器技术参数

 （4）高压四象限矢量变频器技术说明

  现在市场上销售的高（中）压变频器大部分是单象限变频器，可以用到风机、泵类负载上，但不能用到提升机等具有位势负载特性的场合，因为此类负载为四象限运行方式，经常处于发电制动状态，所发的电能必须回馈电网或用电阻消耗掉，否则会损坏变频器。电阻消耗制动方式一是降低了变频效率，二是造成变频器的体积也非常大，不利于安装维护。电能回馈电网制动方式是最先进的方式，具有变频器效率高、装置体积小、功率因数高等优点，但技术难度较大。

鉴于以上情况，特提出一下几点技术需求：

1电源电压等级：3kV，6kV，10kV

2电机功率范围：500~5000kW

3变频方式：交-直-交

4变频结构：单元串联多电平（或三电平、二电平）

5控制方式：高性能矢量控制

6变频输出：0~50Hz

7零速转矩：0Hz时120%额定转矩

8启动转矩：0.1~50Hz时150%额定转矩

9输入功率因数：≥0.97

10整机效率：≥0.96

11过载能力；200%Ie一分钟

12上位通讯：RS485-Modbus规约
 

8.主要应用场合

能量回馈系统装置具有的优越性远胜过能耗制动和直流制动，所以近年来不少单位结合使用设备的特点，纷纷提出配置能量回馈装置的要求，但原来国外仅有 ABB、西门子、富士、安川、Vacon等为数不多的公司能提供产品，国内几乎空白。目前，深圳佳能电子公司采用加拿大技术，已开始专门从事变频制动装置制造和应用，还有深圳英威腾电气有限公司，也能生产能耗制动及回馈制动产品。

  在以下行业的设备上，使用回馈制动更为迫切：

 （1）制药厂内的葡萄糖结晶用的高速分离机。

 （2）民用食糖-砂糖结晶用的高速分离机

 （3）混料厂用的涂料混合机、搅拌机

 （4）塑料常用的染色机、配料机、混合机

 （5）洗涤厂用的中大型清洗机、脱水机、甩干机

 （6）酒店、宾馆、洗衣店用的洗衣、床单清洗机等

 （7）各专业离心机械厂的中高速离心机、分离机

 （8）各种倾倒设备如转炉、钢水包等

 （9）起重机械如桥式、塔式、门吊的起重主吊钩，当重物下降时的运转状态

 （10）一切高承载的输送带（例下运物料）

 （11）矿井中的吊笼（载人或装料），斜井矿车

 （12）各种闸门的启闭装置

 （13）造纸的纸辊电动机、化纤机械的牵伸机

结束语：通过阅读此文可以得知有关四象限变频器应用中的相关技术知识，在某些负载例高速分离机、电梯、起重吊车、下运物料输送带、矿井吊笼、闸门启闭等非四象限变频器莫可，这样方可获得良好的电气传动性能，并具有较高的节电功效。文章不长，画龙点睛，受益不浅，先睹为快。