四象限变频器技术.pdf

1ZENER Electric 吉 纳 电 机 四象限变频器技术 2ZENER Electric 吉 纳 电 机 一、前言 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。 前言 3ZENER Electric 吉 纳 电 机 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。 本公司自2001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，并广泛应用于煤矿和油田领域。 前言 4ZENER Electric 吉 纳 电 机 二、四象限变频器的电路框图： 四象限变频器的电路框图 5ZENER Electric 吉 纳 电 机 三、四象限变频器的工作原理： 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脉冲控制整流测的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，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下图所示。 四象限变频器的工作原理 6ZENER Electric 吉 纳 电 机 当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回 馈到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启 动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，起 到节能的效果。 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下： 四象限变频器的工作原理 7ZENER Electric 吉 纳 电 机 四、四象限变频器的系统构成： 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： （二）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。 （三）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。 （一）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。 四象限变频器的系统构成 8ZENER Electric 吉 纳 电 机 （四）电解电容：储能，滤波。 （五）输出电抗：降低输出dv/dt，对电机起到一定的保护作用。 （六）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。 1. 系统辅助电源产生系统控制所需的5V, 15V和24V电源； 2.预充电控制控制预充电交流接触器的动作； 3. 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； 4. DSP控制板完成整流，逆变PWM控制算法，系统的大脑。 5. 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。 四象限变频器的系统构成 9ZENER Electric 吉 纳 电 机 五、整流部分系统控制方框图： 整流部分系统控制方框图 10 ZENER Electric 吉 纳 电 机 如图所示，系统的给定是直流母线电压指令，这个指令与直流母线电 压反馈的误差送到电压环的PI调节器。电压环的PI调节与三相输入正弦波 的乘积成为三相电流的指令，三相电流指令与各自电流反馈作比较，误差 送到电流环的PI调节器。电流环PI调节器的输出可以通过载波调制产生各 相IGBT的PWM控制信号，也可以通过空间向量的方式