摘要：本文較詳細地論述了四象限矢量變頻器在應用中的相關技術，包括應用條件、制動原理、制動特點、實施條件、工作狀態、技術性能、電路組成、應用注意、以及高壓四象限變頻器的性能與技術參數、應用場合等內容。

1.引言-四象限矢量變頻器的概況

        當電動機功率較大（≥100kW），設備GD²較大時，或是反復短時連續工作時，從高速到低速的降速幅度較大，且制動時間也較短時，為減少制動過程的能量損耗，將動能變為電能回饋到電網去，以達到節能功效，可使用能量回饋制動裝置。回饋制動條件有：

      （1）電動機從高速（f_H）到低速（f_L）減速過程中，頻率突減，因電動機的機械慣性使得轉差s＜0，電動機處于發電狀態，這時的反電動勢E＞U（端電壓）。

      （2）從電動機在某一個f_N運行，到停車時f_N=0，在這個過程中，電動機出現發電運行狀態，這時反電動勢E＞U（端電壓）。

      （3）位能（或勢能）負載，如起重機吊了重物下降時，出現實際轉速n大于同步轉速n₀，這時也出現電動機發電運行狀態，當然E＞U是必然的。

2.能量回饋制動原理

        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，因此無法實現直流回路與電源間雙向能量傳遞，解決這個問題的最有效的辦法是采用有源逆變技術，如圖1所示。

圖1 變頻器與電源再生變流器組合時的連接電路

即將再生電能逆變為電網同頻率、同相位的交流電回饋電網，如圖2所示，從而實現制動。

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，這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度，同時這樣的拓撲結構使得我們能夠完全控制交流側和直流側之間的無功和有功功率的交換，且效率可高達97%，經濟效益較大，熱損耗為能耗制動的1%，同時不污染電網。所以，回饋制動特別適用于需要頻繁制動的場合，電動機的功率也較大，這樣節電效果明顯，按運行的工況條件不同，平均約有20%的節電效果。
 

3.能量回饋制動的特點

  （1）可廣泛應用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合的節能運行。

  （2）回饋效率高，可達97%，熱損小，僅為能耗的1%。

  （3）功率因數約等于1.

  （4）諧波電流較小，對電網的污染很小，具有綠色環保的特點。

  （5）節省投資，易于控制電源側的諧波和無功分量。

  （6）在多電機傳動中，每一單機的再生能量可以得到充分利用。

  （7）具有較大的節電效果（與電動機的功率大小及運行工況有關）

  （8）當車間由共用直流母線為多臺設備供電時，回饋制動的能量可直接返回直流母線，供給其它設備使用。經過核算可以節省回饋逆變器容量，甚至可以不用回饋逆變器。

4.什么是四象限實施的條件（圖3）

  實現能量回饋三個必要和充分條件

  （1）負載必須是勢能或位能負載例電梯、下運皮帶、礦井吊籠、起重吊車（上下運動）等。

  （2）回饋裝置要保證三個電的參數，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去。

  （3）變頻器的主電路一般是電壓型CSV交-直-交拓撲電路方式，其整流AC/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.技術性能參數

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潔，當與變頻器配合使用時，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。

  應用注意

  （1）回饋裝置系外置電抗器結構，使用時需外接電抗器。接線時電抗器的端子必須與回饋裝置上的接線端子一一對應，如果順序接錯可能會導致回饋裝置損壞甚至有引起火災的危險。

  （2）接線時，應注意回饋裝置直流輸入端子“DC（+）”“DC（-）”的極性，如果極性相反，可能會導致設備損壞甚至有引起火災的危險。

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

  （4）回饋裝置會自動檢測電網的相位并自動與電網同步工作，因此回饋裝置的交流回饋輸出端子“A”、“B”、“C”與電網的連接是無極性要求的。

（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

  四象限變頻調速系統是以可控整流技術為基礎，加上普通的逆變器技術組成的，無需附加額外的逆變單元，也無需單獨的制動單元，即可將電機在發電運行時所回饋的電能回送到電網，實現電機的四象限運行。

  采用高頻PWM技術對系統的輸入電流的波形和相位進行實時動態調整，使其緊跟輸入電壓的相位，以實現COSφ=±1和無諧波的控制目標。

  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介

  輸入電流為正弦波

  電動狀態時，輸入電流與輸入電壓相位相同，COSφ=1

  發電狀態時，輸入電流與輸入電壓相位相反，COSφ=-1

  可將電機回饋的電能迅速反饋到電網

  非常適用于需要頻繁正反轉，或需要迅速制動，或位能性負載的系統

  200%（150%）過載兩分鐘

  可控整流部分可單獨工作，與其它型號普通變頻器組成四象限系統

  可控整流部分可用作單獨的有源濾波器
 

（3）高壓四象限矢量變頻器技術參數

 （4）高壓四象限矢量變頻器技術說明

  現在市場上銷售的高（中）壓變頻器大部分是單象限變頻器，可以用到風機、泵類負載上，但不能用到提升機等具有位勢負載特性的場合，因為此類負載為四象限運行方式，經常處于發電制動狀態，所發的電能必須回饋電網或用電阻消耗掉，否則會損壞變頻器。電阻消耗制動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。電能回饋電網制動方式是最先進的方式，具有變頻器效率高、裝置體積小、功率因數高等優點，但技術難度較大。

鑒于以上情況，特提出一下幾點技術需求：

1電源電壓等級：3kV，6kV，10kV

2電機功率范圍：500~5000kW

3變頻方式：交-直-交

4變頻結構：單元串聯多電平（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

7零速轉矩：0Hz時120%額定轉矩

8啟動轉矩：0.1~50Hz時150%額定轉矩

9輸入功率因數：≥0.97

10整機效率：≥0.96

11過載能力；200%Ie一分鐘

12上位通訊：RS485-Modbus規約
 

8.主要應用場合

能量回饋系統裝置具有的優越性遠勝過能耗制動和直流制動，所以近年來不少單位結合使用設備的特點，紛紛提出配置能量回饋裝置的要求，但原來國外僅有 ABB、西門子、富士、安川、Vacon等為數不多的公司能提供產品，國內幾乎空白。目前，深圳佳能電子公司采用加拿大技術，已開始專門從事變頻制動裝置制造和應用，還有深圳英威騰電氣有限公司，也能生產能耗制動及回饋制動產品。

  在以下行業的設備上，使用回饋制動更為迫切：

 （1）制藥廠內的葡萄糖結晶用的高速分離機。

 （2）民用食糖-砂糖結晶用的高速分離機

 （3）混料廠用的涂料混合機、攪拌機

 （4）塑料常用的染色機、配料機、混合機

 （5）洗滌廠用的中大型清洗機、脫水機、甩干機

 （6）酒店、賓館、洗衣店用的洗衣、床單清洗機等

 （7）各專業離心機械廠的中高速離心機、分離機

 （8）各種傾倒設備如轉爐、鋼水包等

 （9）起重機械如橋式、塔式、門吊的起重主吊鉤，當重物下降時的運轉狀態

 （10）一切高承載的輸送帶（例下運物料）

 （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）造紙的紙輥電動機、化纖機械的牽伸機

結束語：通過閱讀此文可以得知有關四象限變頻器應用中的相關技術知識，在某些負載例高速分離機、電梯、起重吊車、下運物料輸送帶、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性能，并具有較高的節電功效。文章不長，畫龍點睛，受益不淺，先睹為快。