四象限變頻器在電梯控制中的應用與效果

摘要：隨著當前社會的不斷快速發展，變頻技術同樣也在不斷的快速發展，電機對變頻器的要求也在不斷提高。本文介紹了四象限變頻器的概念及工作原理圖，分析了四象限變頻器的諸多優點。將其應用于電機控制中，通過控制逆變電壓，提升電機性能。同時本文簡要介紹了永磁同步電機（PMSM）作為四象限變頻器的一種重要負載的情況，以達到對電機控制更加完善的運作效果。

關鍵詞：四象限變頻器；電機；控制；應用

1.引言

伴隨著現代化工業的發展，變頻器的應用領域越來越廣泛，交流變頻調速裝置在我國的應用發展勢頭迅猛。由于交流變頻調速在頻率范圍、調速精度、調速效率、低頻轉矩、自動控制、功率因數等方面都是以往直流調速方式不能比擬的。特別是四象限變頻器一方面可以實現能量的雙向流動，另一方面在電動機要能量回饋的系統中，可以將電動機產生的能量回饋輸送到電網，減少對電網的污染，達到了節能環保效果，讓變頻器成為“綠色產品”。

2.四象限變頻器簡介

2.1 四象限變頻器

四象限變頻器在電路上主要由輸入電抗、智能功率模塊（整流單元和逆變單元IGBT）、電解電容及相關控制單元等組成，主回路如圖1所示。其運行機械特性曲線是在數學軸上的四個象限都可以進行，第一象限是正轉電動狀態，第二象限是回饋制動狀態，第三象限是反轉電動狀態，第四象限是反接制動狀態。只有能夠使電機工作在第四象限的變頻器才可以稱為四象限變頻器。四象限變頻器與普通變頻器不同之處在于在電源的整流側，使用可控有源整流器件IGBT替代普通整流二極管將交流電轉換為直流電，這樣整流部分實現了輸入側與輸出側的電流雙向流動，電機系統可工作在電動狀態和發電狀態，可控的IGBT器件能夠調整輸入功率因素，電流不斷跟隨電壓變化；然而普通變頻器的整流側一般采用整流橋或者整流二極管將交流電轉換為直流電，由于二極管單向導通的特性，只有在電網輸入電壓比輸入電容上的電壓高時，才對電容充電，能量是單向流動的，電機系統只工作在電動狀態，所以稱為兩象限變頻器，而且二極管整流后，電流的相位和電壓不一致，造成諧波電流很大，嚴重污染電網。因此，四象限變頻器與普通限變頻器相比，具有節能環保，消除對電網諧波污染等效果。

目前市場上有兩種“四象限”變頻器，一種采用開環V/F控制方案，僅改變整流電路，增加能量回饋單元。另一種方案則是應用矢量變頻器技術，用DSP運算平臺檢測電路反饋，精確控制電機勵磁電流和力矩電流，實現了更高的響應速度和控制精度。

2.1 四象限變頻器功能特點

a）最高水準的驅動性能；

b）長壽命設計和壽命自診斷功能；

c）網絡功能更加豐富；

d）對環境的友好性；

e）操作簡單，維護方便；

f）方便進行直流母線連接；

g）合適風機、泵類負載；

h）節能專用功能；

i）張力控制功能。

3.四象限變頻器在電機控制中的應用

電機學里表述，所有的電機都有伏安特性：Y軸表示加在電機兩端的電壓，X軸表示電機的電流。都是正值是第1象限，為電動機運行狀態，為正轉。Y為正，X為負是第2象限，發電機狀態，是輸出電流。Y、X都是負值是第3象限，也是電動機運行狀態，為反轉。Y為負，X為正是第4象限，發電機狀態，輸出負電流。

對一臺電機來說，1、3象限好理解，就是正反轉。2象限就是正轉時制動，4象限就是反轉時制動。一臺電機作往復運動時，會在這四個象限輪流表現。對于變頻器也是這樣理解，普通變頻器無法工作在2、4象限的屬于2象限驅動器，只能采用制動電阻或直流母線結構來彌補。現在四象限變頻器的電機模塊就能工作在四個象限上，里面具有2組功率模塊，可以將直流因制動產生的能量反饋到電網。

四象限變頻器逆變部分可以看成是一個由電阻、電感、反電勢組成的等效電路，所以理論上四象限變頻器的三相PWM整流和逆變部分可以獨立控制，即三相PWM整流控制直流母線電壓，逆變器控制電機特性。為了提高四象限變頻的抗負載擾動能力，在不增加直流母線電流采樣的前提下，采取基于負載電流觀測器的負載電流前饋補償的控制策略，分別采用了降維觀測器、基于簡化模型和基于完整模型的擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter， EKF）三種觀測器。

永磁同步電機（PMSM）是四象限變頻器一種重要的負載，是電梯的重要組成部件，具有結構簡單、輕量化、損耗小、效率高、運行可靠的優點，對PMSM的控制策略與異步電機略有不同，PMSM電流波形的好壞直接決定電磁轉矩的輸出，對PMSM控制性能影響巨大。采用無電感參數解耦和比例諧振控制器的電流內環控制方案，可以使它具有優異的調速性能，又實現高精度的控制，能夠滿足電梯對高速、舒適、高可靠行的要求，并有效減少電流諧波。

4.四象限變頻器在電梯控制中的效果及問題

四象限變頻器可以應用在電梯升降等具有位勢負載特性的場合。特別在一些大功率的應用中，需要使用四象限變頻器以減小對電網的諧波污染。使用四象限變頻器運行的電梯，當電梯上升時，電動機克服重力做功，此時電動機處于電動狀態，電網經過濾波器，通過智能功率模塊整流將直流母線電壓抬升到680V左右，再后級逆變驅動電機；當電梯下降時，重力牽引電機，此時電動機處于發電狀態，后級的逆變電路變成整流（智能功率模塊提供），直流母線電壓會被抬升到大于680V，此時控制檢測單元會去判斷直流母線電壓是否大于680V，如果大于680V，就要進行逆變回饋，電動機的再生能量轉化電能，通過整流側回饋電網，不需增加任何硬件模塊對電機的回饋能量進行消耗，而兩象限變頻器則需要加裝制動單元及制動電阻方能使電動機四象限運行。需要注意的是若整流單元和逆變單元采用分立的IGBT，不管電動狀態還是發電狀態，前級的IGBT和并聯的續流二極管始終是同樣的開通和關斷，主要控制的是電流方向。

四象限變頻器在電機控制應用中在打開或維修變頻裝置之前，需要注意以下幾點問題：

1）確認無任何發熱元件和變頻器不帶電。變頻器斷電后電源指示等熄滅之前不進行任何操作，防止直流中間回路的大電容殘存的能量造成傷害，。

2）兩次合分高壓的間隔時間最好在十分鐘以上。

3）使用萬用表M歐檔測量每個輸入端子之間的電壓，以保證變頻裝置放電完畢。

5.結束語

電機中四象限變頻器的應用是提高電機作業效果的關鍵設備。從文中分析可發現四象限變頻器在電機控制中優勢明顯，但仍有些許問題值得我們研究，四象限變頻器抗負載擾動能力是一個非常關鍵性能指標，特別是在突加、突減負載時，如何減小直流母線電壓波動仍然值得深入探討。四象限變頻器是一個通用性很強的拓撲，當其應用于新型電機控制時，如何根據特定系統調整相關控制策略也是一個值得思考的問題。本文對四象限變頻器的運作原理及應用進行了簡要分析，探尋出一條最佳應用途徑可以更大限度的發揮四象限變頻器的作用。

參考文獻：

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作者簡介：陳曉東（1981.4～）男，漢族，江蘇無錫，尼得科康迪克電梯技術（無錫）有限公司，助理工程師，本科，電梯控制系統