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）

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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狀，介紹了四象限變頻器拓撲結構和工作原理的相關內容，為后續的研究提供了參考。

關鍵詞：四象限變頻器功率單元PWM

0　引言

近年來，隨著變頻調速技術的不斷發展，現有的三相二極管整流器系統已經無法達到理想效果，會使得電網側電流發生畸變，電網側功率因數降低，無法實現電網能量回饋，同時會對電網造成諧波污染。四象限變頻器作為一種新型的變頻調速技術得到了廣泛關注，不僅對電網不會造成諧波污染，而且功率因數高、能夠有效實現電網能量回饋，四象限變頻器已成為變頻調速技術的發展趨勢。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構和工作原理進行了探討，為后續更深入的研究打下堅實基礎。

1　四象限變頻器拓撲結構

1.1 雙PWM控制技術

雙PWM控制技術核心是由PWM技術控制的整流器和逆變器組成，交流電與直流電相互轉換是由PWM脈沖信號實現的。雙PWM控制技術的功率模塊不僅可以通過調節輸入側功率來減小電能損耗，而且有效減小了功率開關器件形成的諧波污染。

雙PWM控制技術的工作原理如圖1所示。雙PWM控制技術將IGBT應用到整流橋中，用來替代二極管的作用。其工作原理為經過IGBT對電網輸入側交流電進行整流，同時利用DPS控制形成高精度PWM脈沖信號，進而在控制系統中產生電能轉換。

圖1　雙 PWM控制原理圖

其中Ia，Ib，Ic為電網輸入側的電流信號，Ea，Eb，Ec為電網輸入側的電壓信號。

1.2 兩電平四象限拓撲結構

圖2為兩電平四象限的拓撲結構。該拓撲結構使用了12個功率開關器件，有6個功率開關器件作為三相橋式整流電路，另外6個功率開關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：當電機拖動運行時，經過整流電路與逆變電路的作用后，能量從電網側向電機側流動；當電機減速運行時，電機作為發電機，處于發電工作狀態，經過整流電路與逆變電路的作用后，能量由電機側向電網側流動。

圖2　兩申平四象限的拓撲結構

1.3 四象限變頻器功率單元拓撲結構

四象限變頻器功率單元主要是應用級聯型多電平逆變器，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脈沖信號實現交直流電的相互轉換，所以其功率單元拓撲結構比傳統兩象限功率單元拓撲結構要復雜得多。四象限變頻器功率單元拓撲結構如圖3所示。

圖3　功率單元拓撲結構

2　四象限變頻器工作原理

電機四個運行狀態分別位于四個象限，其中X軸為轉矩T，Y軸為電機轉速N。當電機工作在第一象限時，為正轉電動狀態，T與N同向且均為正；當電機工作在第二象限時，為回饋制動狀態，T與N反向，其中T為負，N為正；當電機工作在第三象限時，為反轉電動狀態，T與N同向且均為負；當電機工作在第四象限時，為反接制動狀態，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速，當電機工作在電動狀態時，四象限變頻器將能量從電網側傳遞給電機；當電機工作在發電狀態時，可以把電機制動產生的能量回饋到電網側，能夠有效實現能量的循環利用。

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部結構圖。由于二極管無法進行開關控制，能量回饋型變頻器在二極管兩端都并聯了開關功率器件IGBT。四象限變頻器的工作過程為：當電機在一、三象限工作時，整流測的IGBT導通，逆變側的IGBT關斷，其處于電動狀態，能量從電網側向電機流動；當電機在二、四象限工作時，其處于制動發電狀態，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導通并開始工作，此時能量從逆變器的IGBT向電網側流動。隨著電機不工作在制動發電狀態，其直流母線電壓值將降低，當其值小于逆變器啟動電壓值，則能量不再流向電網側，停止能量回饋。

圖4　能量回饋型變頻器的內部結構

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：當電機工作在二、四象限時，三相全波整流電路中開關功率器件全部導通，將直流電轉換為交流電，最終實現能量回饋。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，電機工作在制動發電狀態時，系統能量回饋產生電壓U’dc。U’dc用來替代直流端電壓Udc，當U’dc的值達到功率管導通限值時，圖6上、下橋臂的兩個功率管同時導通，導通相位角為120o，此時能量流向電網側，直流側輸入電流會全部流入電網，該電流的大小主要由U’dc、電源電壓的差值和電網側阻值來確定。

圖6　有源逆變申路

3　結語

隨著變頻調速技術不斷發展，PWM可逆整流器以及四象限變頻器的研究和應用越來越廣泛。本文對四象限變頻器的拓撲結構和工作原理進行理論研究，為后續更深入的研究提供了理論依據。

參考文獻:

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

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

[3] 李良仁.變頻調速技術與應用[M].北京:電子工業出版社,2004.

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

[5] 滿永奎.通用變頻器及其應用.北京機械工業出版社,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