竇曉峰， 程　超，楊俊飛（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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四象限變頻器理論研究

竇曉峰， 程超，楊俊飛
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：分析了四象限變頻器的研究現(xiàn)狀，介紹了四象限變頻器拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理的相關(guān)內(nèi)容，為后續(xù)的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：四象限變頻器功率單元PWM

0　引言

近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的三相二極管整流器系統(tǒng)已經(jīng)無法達到理想效果，會使得電網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生畸變，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，無法實現(xiàn)電網(wǎng)能量回饋，同時會對電網(wǎng)造成諧波污染。四象限變頻器作為一種新型的變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，不僅對電網(wǎng)不會造成諧波污染，而且功率因數(shù)高、能夠有效實現(xiàn)電網(wǎng)能量回饋，四象限變頻器已成為變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢。因此，對四象限變頻器的探討具有十分重要的意義。

文獻[1]討論四象限變頻器的研究現(xiàn)狀，文獻[2]討論雙PWM控制原理，文獻[3] [4] [5]討論四象限變頻器的工作原理。本文對四象限變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理進行了探討，為后續(xù)更深入的研究打下堅實基礎(chǔ)。

1　四象限變頻器拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 雙PWM控制技術(shù)

雙PWM控制技術(shù)核心是由PWM技術(shù)控制的整流器和逆變器組成，交流電與直流電相互轉(zhuǎn)換是由PWM脈沖信號實現(xiàn)的。雙PWM控制技術(shù)的功率模塊不僅可以通過調(diào)節(jié)輸入側(cè)功率來減小電能損耗，而且有效減小了功率開關(guān)器件形成的諧波污染。

雙PWM控制技術(shù)的工作原理如圖1所示。雙PWM控制技術(shù)將IGBT應(yīng)用到整流橋中，用來替代二極管的作用。其工作原理為經(jīng)過IGBT對電網(wǎng)輸入側(cè)交流電進行整流，同時利用DPS控制形成高精度PWM脈沖信號，進而在控制系統(tǒng)中產(chǎn)生電能轉(zhuǎn)換。

圖1　雙 PWM控制原理圖

其中Ia，Ib，Ic為電網(wǎng)輸入側(cè)的電流信號，Ea，Eb，Ec為電網(wǎng)輸入側(cè)的電壓信號。

1.2 兩電平四象限拓撲結(jié)構(gòu)

圖2為兩電平四象限的拓撲結(jié)構(gòu)。該拓撲結(jié)構(gòu)使用了12個功率開關(guān)器件，有6個功率開關(guān)器件作為三相橋式整流電路，另外6個功率開關(guān)器件作為逆變器回路。兩電平四象限電路能夠利用整流電路得到穩(wěn)定直流電壓，同時利用逆變電路得到正弦交流電壓。兩電平四象限電路工作時，其能量流動有兩種方向：當(dāng)電機拖動運行時，經(jīng)過整流電路與逆變電路的作用后，能量從電網(wǎng)側(cè)向電機側(cè)流動；當(dāng)電機減速運行時，電機作為發(fā)電機，處于發(fā)電工作狀態(tài)，經(jīng)過整流電路與逆變電路的作用后，能量由電機側(cè)向電網(wǎng)側(cè)流動。

圖2　兩申平四象限的拓撲結(jié)構(gòu)

1.3 四象限變頻器功率單元拓撲結(jié)構(gòu)

四象限變頻器功率單元主要是應(yīng)用級聯(lián)型多電平逆變器，它利用PWM整流器取代兩象限變頻器中的二極管。級聯(lián)型多電平逆變器，可以使變頻器工作在四個象限中，因此四象限變頻器可以靈活應(yīng)用到電機四象限運行的場合。由于四象限變頻器功率單元的PWM整流器是利用PWM脈沖信號實現(xiàn)交直流電的相互轉(zhuǎn)換，所以其功率單元拓撲結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)兩象限功率單元拓撲結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。四象限變頻器功率單元拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　功率單元拓撲結(jié)構(gòu)

2　四象限變頻器工作原理

電機四個運行狀態(tài)分別位于四個象限，其中X軸為轉(zhuǎn)矩T，Y軸為電機轉(zhuǎn)速N。當(dāng)電機工作在第一象限時，為正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，T與N同向且均為正；當(dāng)電機工作在第二象限時，為回饋制動狀態(tài)，T與N反向，其中T為負，N為正；當(dāng)電機工作在第三象限時，為反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，T與N同向且均為負；當(dāng)電機工作在第四象限時，為反接制動狀態(tài)，T與N反向，其中T為正，N為負。

四象限變頻器在電機運行過程中對其進行變頻調(diào)速，當(dāng)電機工作在電動狀態(tài)時，四象限變頻器將能量從電網(wǎng)側(cè)傳遞給電機；當(dāng)電機工作在發(fā)電狀態(tài)時，可以把電機制動產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)側(cè)，能夠有效實現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

2.1 四象限變頻器工作過程

圖4是能量回饋型變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于二極管無法進行開關(guān)控制，能量回饋型變頻器在二極管兩端都并聯(lián)了開關(guān)功率器件IGBT。四象限變頻器的工作過程為：當(dāng)電機在一、三象限工作時，整流測的IGBT導(dǎo)通，逆變側(cè)的IGBT關(guān)斷，其處于電動狀態(tài)，能量從電網(wǎng)側(cè)向電機流動；當(dāng)電機在二、四象限工作時，其處于制動發(fā)電狀態(tài)，則直流母線電壓不斷升高，其值上升到逆變器啟動電壓值時，逆變器IGBT導(dǎo)通并開始工作，此時能量從逆變器的IGBT向電網(wǎng)側(cè)流動。隨著電機不工作在制動發(fā)電狀態(tài)，其直流母線電壓值將降低，當(dāng)其值小于逆變器啟動電壓值，則能量不再流向電網(wǎng)側(cè)，停止能量回饋。

圖4　能量回饋型變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5　三相全波整流申路

2.2 主電路工作原理

四象限變頻器主電路中三相逆變器采用有源逆變裝置，其三相全波整流電路的工作原理為：當(dāng)電機工作在二、四象限時，三相全波整流電路中開關(guān)功率器件全部導(dǎo)通，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，最終實現(xiàn)能量回饋。如圖5三相全波整流電路所示，由于直流端電容器的作用，在直流端能得到最大輸入線電壓Udc。如圖6有源逆變電路所示，電機工作在制動發(fā)電狀態(tài)時，系統(tǒng)能量回饋產(chǎn)生電壓U’dc。U’dc用來替代直流端電壓Udc，當(dāng)U’dc的值達到功率管導(dǎo)通限值時，圖6上、下橋臂的兩個功率管同時導(dǎo)通，導(dǎo)通相位角為120o，此時能量流向電網(wǎng)側(cè)，直流側(cè)輸入電流會全部流入電網(wǎng)，該電流的大小主要由U’dc、電源電壓的差值和電網(wǎng)側(cè)阻值來確定。

圖6　有源逆變申路

3　結(jié)語

隨著變頻調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，PWM可逆整流器以及四象限變頻器的研究和應(yīng)用越來越廣泛。本文對四象限變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理進行理論研究，為后續(xù)更深入的研究提供了理論依據(jù)。

參考文獻:

[1] 初升.四象限變頻器技術(shù)介紹[J].變頻器世界,2006,（10）:78-80.

[2] 陳英杰.雙PWM變頻器系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].華南理工大學(xué),2012 ,（03）.

[3] 李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 張崇巍，張興.PWM 整流器及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[5] 滿永奎.通用變頻器及其應(yīng)用.北京機械工業(yè)出版社,1995,（01）.

Research on Theory for Four-quadrant Converter

Dou Xiaofeng,Cheng Chao,Yang Junfei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:The development of four-quadrant converter is analyzed,and the topology and the working principle are introduced,which can provide reference for further study.

Keywords:four-quadrant converter;power unit;PWM

作者簡介：竇曉峰（1990-），男，助理工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

收稿日期：2015-10-07

中圖分類號：TM461

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0030-03