四象限变频器理论研究

窦晓峰， 程　超，杨俊飞（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



四象限变频器理论研究

窦晓峰， 程超，杨俊飞
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：分析了四象限变频器的研究现状，介绍了四象限变频器拓扑结构和工作原理的相关内容，为后续的研究提供了参考。

关键词：四象限变频器功率单元PWM

0　引言

近年来，随着变频调速技术的不断发展，现有的三相二极管整流器系统已经无法达到理想效果，会使得电网侧电流发生畸变，电网侧功率因数降低，无法实现电网能量回馈，同时会对电网造成谐波污染。四象限变频器作为一种新型的变频调速技术得到了广泛关注，不仅对电网不会造成谐波污染，而且功率因数高、能够有效实现电网能量回馈，四象限变频器已成为变频调速技术的发展趋势。因此，对四象限变频器的探讨具有十分重要的意义。

文献[1]讨论四象限变频器的研究现状，文献[2]讨论双PWM控制原理，文献[3] [4] [5]讨论四象限变频器的工作原理。本文对四象限变频器的拓扑结构和工作原理进行了探讨，为后续更深入的研究打下坚实基础。

1　四象限变频器拓扑结构

1.1 双PWM控制技术

双PWM控制技术核心是由PWM技术控制的整流器和逆变器组成，交流电与直流电相互转换是由PWM脉冲信号实现的。双PWM控制技术的功率模块不仅可以通过调节输入侧功率来减小电能损耗，而且有效减小了功率开关器件形成的谐波污染。

双PWM控制技术的工作原理如图1所示。双PWM控制技术将IGBT应用到整流桥中，用来替代二极管的作用。其工作原理为经过IGBT对电网输入侧交流电进行整流，同时利用DPS控制形成高精度PWM脉冲信号，进而在控制系统中产生电能转换。

图1　双 PWM控制原理图

其中Ia，Ib，Ic为电网输入侧的电流信号，Ea，Eb，Ec为电网输入侧的电压信号。

1.2 两电平四象限拓扑结构

图2为两电平四象限的拓扑结构。该拓扑结构使用了12个功率开关器件，有6个功率开关器件作为三相桥式整流电路，另外6个功率开关器件作为逆变器回路。两电平四象限电路能够利用整流电路得到稳定直流电压，同时利用逆变电路得到正弦交流电压。两电平四象限电路工作时，其能量流动有两种方向：当电机拖动运行时，经过整流电路与逆变电路的作用后，能量从电网侧向电机侧流动；当电机减速运行时，电机作为发电机，处于发电工作状态，经过整流电路与逆变电路的作用后，能量由电机侧向电网侧流动。

图2　两申平四象限的拓扑结构

1.3 四象限变频器功率单元拓扑结构

四象限变频器功率单元主要是应用级联型多电平逆变器，它利用PWM整流器取代两象限变频器中的二极管。级联型多电平逆变器，可以使变频器工作在四个象限中，因此四象限变频器可以灵活应用到电机四象限运行的场合。由于四象限变频器功率单元的PWM整流器是利用PWM脉冲信号实现交直流电的相互转换，所以其功率单元拓扑结构比传统两象限功率单元拓扑结构要复杂得多。四象限变频器功率单元拓扑结构如图3所示。

图3　功率单元拓扑结构

2　四象限变频器工作原理

电机四个运行状态分别位于四个象限，其中X轴为转矩T，Y轴为电机转速N。当电机工作在第一象限时，为正转电动状态，T与N同向且均为正；当电机工作在第二象限时，为回馈制动状态，T与N反向，其中T为负，N为正；当电机工作在第三象限时，为反转电动状态，T与N同向且均为负；当电机工作在第四象限时，为反接制动状态，T与N反向，其中T为正，N为负。

四象限变频器在电机运行过程中对其进行变频调速，当电机工作在电动状态时，四象限变频器将能量从电网侧传递给电机；当电机工作在发电状态时，可以把电机制动产生的能量回馈到电网侧，能够有效实现能量的循环利用。

2.1 四象限变频器工作过程

图4是能量回馈型变频器的内部结构图。由于二极管无法进行开关控制，能量回馈型变频器在二极管两端都并联了开关功率器件IGBT。四象限变频器的工作过程为：当电机在一、三象限工作时，整流测的IGBT导通，逆变侧的IGBT关断，其处于电动状态，能量从电网侧向电机流动；当电机在二、四象限工作时，其处于制动发电状态，则直流母线电压不断升高，其值上升到逆变器启动电压值时，逆变器IGBT导通并开始工作，此时能量从逆变器的IGBT向电网侧流动。随着电机不工作在制动发电状态，其直流母线电压值将降低，当其值小于逆变器启动电压值，则能量不再流向电网侧，停止能量回馈。

图4　能量回馈型变频器的内部结构

图5　三相全波整流申路

2.2 主电路工作原理

四象限变频器主电路中三相逆变器采用有源逆变装置，其三相全波整流电路的工作原理为：当电机工作在二、四象限时，三相全波整流电路中开关功率器件全部导通，将直流电转换为交流电，最终实现能量回馈。如图5三相全波整流电路所示，由于直流端电容器的作用，在直流端能得到最大输入线电压Udc。如图6有源逆变电路所示，电机工作在制动发电状态时，系统能量回馈产生电压U’dc。U’dc用来替代直流端电压Udc，当U’dc的值达到功率管导通限值时，图6上、下桥臂的两个功率管同时导通，导通相位角为120º，此时能量流向电网侧，直流侧输入电流会全部流入电网，该电流的大小主要由U’dc、电源电压的差值和电网侧阻值来确定。

图6　有源逆变申路

3　结语

随着变频调速技术不断发展，PWM可逆整流器以及四象限变频器的研究和应用越来越广泛。本文对四象限变频器的拓扑结构和工作原理进行理论研究，为后续更深入的研究提供了理论依据。

参考文献:

[1] 初升.四象限变频器技术介绍[J].变频器世界,2006,（10）:78-80.

[2] 陈英杰.双PWM变频器系统研究与设计[D].华南理工大学,2012 ,（03）.

[3] 李良仁.变频调速技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4] 张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.

[5] 满永奎.通用变频器及其应用.北京机械工业出版社,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

作者简介：窦晓峰（1990-），男，助理工程师。研究方向：电力系统及其自动化。

收稿日期：2015-10-07

中图分类号：TM461

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0030-03