摘要：本文較詳細(xì)地論述了四象限矢量變頻器在應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)，包括應(yīng)用條件、制動(dòng)原理、制動(dòng)特點(diǎn)、實(shí)施條件、工作狀態(tài)、技術(shù)性能、電路組成、應(yīng)用注意、以及高壓四象限變頻器的性能與技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合等內(nèi)容。

1.引言-四象限矢量變頻器的概況

        當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率較大（≥100kW），設(shè)備GD²較大時(shí)，或是反復(fù)短時(shí)連續(xù)工作時(shí)，從高速到低速的降速幅度較大，且制動(dòng)時(shí)間也較短時(shí)，為減少制動(dòng)過程的能量損耗，將動(dòng)能變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)去，以達(dá)到節(jié)能功效，可使用能量回饋制動(dòng)裝置?；仞佒苿?dòng)條件有：

      （1）電動(dòng)機(jī)從高速（f_H）到低速（f_L）減速過程中，頻率突減，因電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性使得轉(zhuǎn)差s＜0，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)E＞U（端電壓）。

      （2）從電動(dòng)機(jī)在某一個(gè)f_N運(yùn)行，到停車時(shí)f_N=0，在這個(gè)過程中，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)反電動(dòng)勢(shì)E＞U（端電壓）。

      （3）位能（或勢(shì)能）負(fù)載，如起重機(jī)吊了重物下降時(shí)，出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n₀，這時(shí)也出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)然E＞U是必然的。

2.能量回饋制動(dòng)原理

        眾所周知，一般通用變頻器其橋式整流電路是三相不可控的，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流回路與電源間雙向能量傳遞，解決這個(gè)問題的最有效的辦法是采用有源逆變技術(shù)，如圖1所示。

圖1 變頻器與電源再生變流器組合時(shí)的連接電路

即將再生電能逆變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻率、同相位的交流電回饋電網(wǎng)，如圖2所示，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖2 電流追蹤型PWM整流器組成

      從圖2可知，它采用了電流追蹤型PWM整流器組成方式，這樣就容易實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，且具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無(wú)功和有功功率的交換，且效率可高達(dá)97%，經(jīng)濟(jì)效益較大，熱損耗為能耗制動(dòng)的1%，同時(shí)不污染電網(wǎng)。所以，回饋制動(dòng)特別適用于需要頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)的功率也較大，這樣節(jié)電效果明顯，按運(yùn)行的工況條件不同，平均約有20%的節(jié)電效果。

3.能量回饋制動(dòng)的特點(diǎn)

  （1）可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合的節(jié)能運(yùn)行。

  （2）回饋效率高，可達(dá)97%，熱損小，僅為能耗的1%。

  （3）功率因數(shù)約等于1.

  （4）諧波電流較小，對(duì)電網(wǎng)的污染很小，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

  （5）節(jié)省投資，易于控制電源側(cè)的諧波和無(wú)功分量。

  （6）在多電機(jī)傳動(dòng)中，每一單機(jī)的再生能量可以得到充分利用。

  （7）具有較大的節(jié)電效果（與電動(dòng)機(jī)的功率大小及運(yùn)行工況有關(guān)）

  （8）當(dāng)車間由共用直流母線為多臺(tái)設(shè)備供電時(shí)，回饋制動(dòng)的能量可直接返回直流母線，供給其它設(shè)備使用。經(jīng)過核算可以節(jié)省回饋逆變器容量，甚至可以不用回饋逆變器。

4.什么是四象限實(shí)施的條件（圖3）

  實(shí)現(xiàn)能量回饋三個(gè)必要和充分條件

  （1）負(fù)載必須是勢(shì)能或位能負(fù)載例電梯、下運(yùn)皮帶、礦井吊籠、起重吊車（上下運(yùn)動(dòng)）等。

  （2）回饋裝置要保證三個(gè)電的參數(shù)，即相位差±5°，電壓差±5V，頻率差±0.5Hz，這樣方可將電能回饋送入電網(wǎng)去。

  （3）變頻器的主電路一般是電壓型CSV交-直-交拓?fù)潆娐贩绞剑湔鰽C/DC電路，一定要用可控整流即IGBT組成，即與逆變器DC/AC的PWM電路一樣，而不是二極管、三相六脈沖不可控整流。

5.技術(shù)性能參數(shù)

6.四象限矢量變頻器的組成

（1）普通變頻器+回饋裝置

主回路接線方法（圖4）

圖4 主回路接線方法

     回饋裝置的主回路接線非常簡(jiǎn)潔，當(dāng)與變頻器配合使用時(shí)，只需將回饋裝置的直流輸入端子“DC（+）”“DC（-）”正確連接到變頻器的直流母線的正負(fù)端子，將回饋裝置的交流回饋輸出端子“A”、“B”、“C”連接到與變頻器輸入端相同的電源上即可。

  應(yīng)用注意

  （1）回饋裝置系外置電抗器結(jié)構(gòu)，使用時(shí)需外接電抗器。接線時(shí)電抗器的端子必須與回饋裝置上的接線端子一一對(duì)應(yīng)，如果順序接錯(cuò)可能會(huì)導(dǎo)致回饋裝置損壞甚至有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。

  （2）接線時(shí)，應(yīng)注意回饋裝置直流輸入端子“DC（+）”“DC（-）”的極性，如果極性相反，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。

  （3）為了防止漏電對(duì)人體的傷害，應(yīng)該將回饋裝置的接地端子“PE”可靠接地。

  （4）回饋裝置會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)的相位并自動(dòng)與電網(wǎng)同步工作，因此回饋裝置的交流回饋輸出端子“A”、“B”、“C”與電網(wǎng)的連接是無(wú)極性要求的。

（2）四象限矢量變頻器主電路組成（圖5）

圖5 四象限變頻器主電路組成

7.高壓四象限矢量變頻器介紹

 （1）高壓四象限矢量變頻器概況

  四象限變頻調(diào)速系統(tǒng)是以可控整流技術(shù)為基礎(chǔ)，加上普通的逆變器技術(shù)組成的，無(wú)需附加額外的逆變單元，也無(wú)需單獨(dú)的制動(dòng)單元，即可將電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)所回饋的電能回送到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

  采用高頻PWM技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的輸入電流的波形和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其緊跟輸入電壓的相位，以實(shí)現(xiàn)COSφ=±1和無(wú)諧波的控制目標(biāo)。

  輸入電壓：380VAC 660VAC 1140VAC

  功率范圍：380VAC：75KW~ 220KW

660VAC: 132KW~ 315KW

1140VAC: 132KW~ 500KW

  過載能力：150%~200%

 （2）高壓四象限矢量變頻器性能簡(jiǎn)介

  輸入電流為正弦波

  電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸入電流與輸入電壓相位相同，COSφ=1

  發(fā)電狀態(tài)時(shí)，輸入電流與輸入電壓相位相反，COSφ=-1

  可將電機(jī)回饋的電能迅速反饋到電網(wǎng)

  非常適用于需要頻繁正反轉(zhuǎn)，或需要迅速制動(dòng)，或位能性負(fù)載的系統(tǒng)

  200%（150%）過載兩分鐘

  可控整流部分可單獨(dú)工作，與其它型號(hào)普通變頻器組成四象限系統(tǒng)

  可控整流部分可用作單獨(dú)的有源濾波器

 （3）高壓四象限矢量變頻器技術(shù)參數(shù)

 （4）高壓四象限矢量變頻器技術(shù)說(shuō)明

  現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的高（中）壓變頻器大部分是單象限變頻器，可以用到風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上，但不能用到提升機(jī)等具有位勢(shì)負(fù)載特性的場(chǎng)合，因?yàn)榇祟愗?fù)載為四象限運(yùn)行方式，經(jīng)常處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，所發(fā)的電能必須回饋電網(wǎng)或用電阻消耗掉，否則會(huì)損壞變頻器。電阻消耗制動(dòng)方式一是降低了變頻效率，二是造成變頻器的體積也非常大，不利于安裝維護(hù)。電能回饋電網(wǎng)制動(dòng)方式是最先進(jìn)的方式，具有變頻器效率高、裝置體積小、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)難度較大。

鑒于以上情況，特提出一下幾點(diǎn)技術(shù)需求：

1電源電壓等級(jí)：3kV，6kV，10kV

2電機(jī)功率范圍：500~5000kW

3變頻方式：交-直-交

4變頻結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧?lián)多電平（或三電平、二電平）

5控制方式：高性能矢量控制

6變頻輸出：0~50Hz

7零速轉(zhuǎn)矩：0Hz時(shí)120%額定轉(zhuǎn)矩

8啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：0.1~50Hz時(shí)150%額定轉(zhuǎn)矩

9輸入功率因數(shù)：≥0.97

10整機(jī)效率：≥0.96

11過載能力；200%Ie一分鐘

12上位通訊：RS485-Modbus規(guī)約

8.主要應(yīng)用場(chǎng)合

能量回饋系統(tǒng)裝置具有的優(yōu)越性遠(yuǎn)勝過能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)，所以近年來(lái)不少單位結(jié)合使用設(shè)備的特點(diǎn)，紛紛提出配置能量回饋裝置的要求，但原來(lái)國(guó)外僅有ABB、西門子、富士、安川、Vacon等為數(shù)不多的公司能提供產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)幾乎空白。目前，深圳佳能電子公司采用加拿大技術(shù)，已開始專門從事變頻制動(dòng)裝置制造和應(yīng)用，還有深圳英威騰電氣有限公司，也能生產(chǎn)能耗制動(dòng)及回饋制動(dòng)產(chǎn)品。

  在以下行業(yè)的設(shè)備上，使用回饋制動(dòng)更為迫切：

 （1）制藥廠內(nèi)的葡萄糖結(jié)晶用的高速分離機(jī)。

 （2）民用食糖-砂糖結(jié)晶用的高速分離機(jī)

 （3）混料廠用的涂料混合機(jī)、攪拌機(jī)

 （4）塑料常用的染色機(jī)、配料機(jī)、混合機(jī)

 （5）洗滌廠用的中大型清洗機(jī)、脫水機(jī)、甩干機(jī)

 （6）酒店、賓館、洗衣店用的洗衣、床單清洗機(jī)等

 （7）各專業(yè)離心機(jī)械廠的中高速離心機(jī)、分離機(jī)

 （8）各種傾倒設(shè)備如轉(zhuǎn)爐、鋼水包等

 （9）起重機(jī)械如橋式、塔式、門吊的起重主吊鉤，當(dāng)重物下降時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

 （10）一切高承載的輸送帶（例下運(yùn)物料）

 （11）礦井中的吊籠（載人或裝料），斜井礦車

 （12）各種閘門的啟閉裝置

 （13）造紙的紙輥電動(dòng)機(jī)、化纖機(jī)械的牽伸機(jī)

結(jié)束語(yǔ)：通過閱讀此文可以得知有關(guān)四象限變頻器應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)知識(shí)，在某些負(fù)載例高速分離機(jī)、電梯、起重吊車、下運(yùn)物料輸送帶、礦井吊籠、閘門啟閉等非四象限變頻器莫可，這樣方可獲得良好的電氣傳動(dòng)性能，并具有較高的節(jié)電功效。文章不長(zhǎng)，畫龍點(diǎn)睛，受益不淺，先睹為快。