電機四象限運行.doc

電機四象限運行1、什么是單象限和4象限？以電動機的轉(zhuǎn)速為縱座標軸，以轉(zhuǎn)矩為橫座標軸建立的直角坐標系，用來描述電動機的四種運轉(zhuǎn)狀態(tài)，即正向電動，回饋發(fā)電制動，反接制動，以及反向電動四種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。每一種狀態(tài)的機械特性曲線分別在直角坐標系的四個象限。如果裝置只能滿足電動機的電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么它就是單象限的。如果裝置驅(qū)動在電動狀態(tài)時，能夠從電動狀態(tài)進入第二象限運行，也能從電動狀態(tài)進入第四象限運行，那么裝置是四象限的。單象限裝置只能正向電動，或反向電動，不能從電動運行進入再生發(fā)電運行。2、關(guān)于控制器的象限和電機的象限： 單象限：能量只能單向流動。四象限：能量可以雙向流動。 電機和變頻器都有自己的象限，不要搞混了。 *電機的單象限運行，指電機電動運行。四象限指發(fā)電運行。*變頻器的單象限運行，指能量從電網(wǎng)進入變頻器。四象限指能量還可以回饋電網(wǎng)。 可能有這種情況： a.單象限運行的變頻器帶四象限運行的電機。電機發(fā)電的能量提升了母線電壓，或在制動單元消耗掉。 b.單象限的直流調(diào)速換向麻煩，需要改變勵磁或電樞的正負來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。 四象限的直流調(diào)速有兩組整流橋，輸出方向相反，正轉(zhuǎn)時其中一組工作，反轉(zhuǎn)時另一組工作。 需要注意的主要是換向的時間問題： 對于單象限的調(diào)速器，當電機需要反轉(zhuǎn)時，要加時間繼電器。無論是改變勵磁方向還是改變電樞方向，都必須等待一段時間，就是說不允許工作中突然換向。因為勵磁線圈和電樞線圈通的都是直流電，需要時間來釋放能量，如果換向太快將會把整流橋反向擊穿。而四象限的調(diào)速器不存在此問題，因為兩組整流橋方向相反，當一組停止輸出時，另一組正好可以給電機釋放能量。3、關(guān)于變頻器和直流調(diào)速器的互換：從理論上講，磁場矢量控制的交流電機變頻裝置，完全可替代直流調(diào)速系統(tǒng)，當然要實現(xiàn)4象限運行，IGBT和整流二極管都要反并聯(lián)，以實現(xiàn)電流的反向。電機也要求有速度反饋，如測速發(fā)電機或者碼盤等，另外還要根據(jù)負載的特性，選擇電動機的恒扭矩和恒功率的調(diào)速范圍。4、怎樣實現(xiàn)變頻器的4象限驅(qū)動功能？ 采用英國CT的Unidriver系列交流驅(qū)動器、還有ABB、西門子的變頻器都可以實現(xiàn)四象限驅(qū)動功能。使用時，電機要換成交流電機，同時，變頻器要配能耗單元，有兩種方式可選。 采用制動單元+制動電阻，將電機反相時產(chǎn)生的方向再生電流消耗掉，否則易燒毀變頻器或引起變頻器跳閘。 采用逆變器，將逆變器接在變頻器的直流母線上，當產(chǎn)生方向再生電流時，變頻器直流母線電壓升高，通過逆變器將直流母線的直流高電壓變成和交流電網(wǎng)同步的交流電，反饋回電網(wǎng)，實現(xiàn)了節(jié)能作用。該方式常用于多臺大功率變頻驅(qū)動。5、關(guān)于直流電機傳動設(shè)備的4象限運行： 開卷和收卷這樣的恒功率負載,卷的半徑小的時候，力臂短，扭矩小，電機的轉(zhuǎn)速高；卷的半徑大的時候，力臂長，扭矩大，電機的轉(zhuǎn)速低，這樣也能實現(xiàn)收放卷線速度的恒定，當然要檢測卷的半徑。對于這樣的恒功率負載，我認為應該選擇基速（就是定子最高電壓所對應的速度）較小的電機，更大的速度范圍為弱磁升速，這樣才能充分發(fā)揮電機的效能。 同樣，交流異步電機的變頻調(diào)速也有基速上下之分，只不過基速之下是變頻變壓（恒定）恒扭矩調(diào)速；基速之上為恒壓升頻（減?。┖愎β收{(diào)速.四象限變頻器的工作原理當電機工作在電動狀態(tài)的時候，整流控制單元的DSP產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的6個IGBT的開通和關(guān)斷。IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流橋產(chǎn)生的6K1諧波。功率因數(shù)高達99%。消除了對電網(wǎng)的諧波污染。此時能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)的時候，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。此時能量由電機通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng)。變頻器工作在二、四象限。輸入電抗器的主要功能是電流濾波。四象限變頻器的系統(tǒng)構(gòu)成主回路的構(gòu)成：預充電電路，輸入電抗、智能功率模塊，電解電容和輸出電抗。各部分的功能列舉如下：預充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應的控制回路。主要功能是系統(tǒng)上電時，完成對直流母線電容的預充電。避免上電時強大的沖擊電流燒壞功率模塊。輸入電抗器：電動狀態(tài)下起儲能作用，形成正弦電流波形?；仞仩顟B(tài)下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。智能功率模塊（SkiiP）：整流側(cè)和逆變側(cè)IGBT、隔離驅(qū)動、電流檢測以及各種保護監(jiān)測功能。電解電容：儲能，濾波。輸出電抗：降低輸出dv/dt，對電機起到一定的保護作用?？刂撇糠纸M成：系統(tǒng)輔助電源模塊，預充電控制，功率接口板，DSP控制板及人機接口板。系統(tǒng)輔助電源產(chǎn)生系統(tǒng)控制所需的5V, 15V 和24V 電源。預充電控制用于控制預充電交流接觸器的動作。功率接口板反饋系統(tǒng)控制所需的電流信號，電壓信號及溫度信號，并且傳遞PWM控制波形到驅(qū)動板。接口板要對信號進行濾波處理。DSP控制板完成整流，逆變PWM控制算法，系統(tǒng)的大腦。人機接口板顯示變頻器運行的各種狀況以及用戶參數(shù)輸入。四象限運行無論是兩象限的變頻器還是四象限的變頻器，都是變頻器本身所具有的特性，它是針對變頻器而言的。而我們所說的四象限運行是針對電機的，它和四象限變頻器是完全不同的兩個概念。只不過是兩象限變頻器要想使電機四象限運行必須添加相應的功能模塊，即制動單元和制動電阻，而四象限變頻器則不需要添加任何外圍硬件就可以滿足電機四象限運行。備注：現(xiàn)有的一些變頻器廠商聲稱他們的變頻器配以回饋單元就能夠成為四象限變頻器，滿足電機的四象限運行，并且是能量回饋電網(wǎng)，實際上真正意義上的四象限變頻器是不需要配以任何外圍的部件就能夠滿足電機的四象限運行，并且還能消除電網(wǎng)的諧波污染，使功率因數(shù)基本接近于1，而僅僅能夠?qū)⒛芰炕仞侂娋W(wǎng)的變頻器是不能夠稱其為四象限的變頻器。1、3象限功率為正（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積），所以電機輸出功率，電機工作于電動狀態(tài)，而電機的旋轉(zhuǎn)方向相反；2、4象限功率為負（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積），所以電機吸收功率，電機工作于發(fā)電狀態(tài)，而電機的旋轉(zhuǎn)方向相反。把電機的運行速度方向用一條數(shù)軸X來表示，代表電磁轉(zhuǎn)矩方向。把電機的電磁轉(zhuǎn)矩方向用一條數(shù)軸Y來表示，代表電機轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)方向。構(gòu)成一個平面坐標系XOY，那么第一象限是正轉(zhuǎn)電動，此時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向相同，這是正常的電動模式（假設(shè)電機正轉(zhuǎn)）。第二象限是電機正轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)矩相反，電機處于發(fā)電狀態(tài)，即回饋制動。第三象限是反轉(zhuǎn)電動，此時轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的方向相同，這是電動模式（反轉(zhuǎn)）。第四象限轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，電機處于發(fā)電狀態(tài)，即回饋制動。四象限把電機的運行速度方向用一條數(shù)軸X來表示，數(shù)軸的正方向代表正轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，反方向表示反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速；把電機的電磁轉(zhuǎn)矩方向用一條數(shù)軸Y來表示，數(shù)軸的正方向代表正的電磁轉(zhuǎn)矩，反方向表示負的電磁轉(zhuǎn)矩；構(gòu)成一個平面坐標系XOY，那么電動機正常電動狀態(tài)處在第一象限（正轉(zhuǎn)、電動），發(fā)電（制動）再生運行在第二象限（正轉(zhuǎn)、發(fā)電）.電梯曳引電動機由于正常狀態(tài)就不斷正、反轉(zhuǎn)，上、下行都有可能電動或發(fā)電，處于四象限運行狀態(tài)，各個狀態(tài)能量轉(zhuǎn)換方向不同.用四象限來描述電機運行狀態(tài)，和用熟悉的正、反轉(zhuǎn)，電動、發(fā)電描述是一樣的道理。四象限變頻器原理圖單獨對于電機來說，所謂四象限是指其運行機械特性曲線在數(shù)學軸上的四個象限都可運行。第一象限正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，第二象限回饋制動狀態(tài)，第三象限反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，第四象限反接制動狀態(tài)。能夠具有使得電機工作在四象限的變頻器才稱得上四象限變頻器。在上個世紀80年代末，交流變頻調(diào)速逐漸登上了工業(yè)傳動調(diào)速方式的歷史舞臺。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都有很大的優(yōu)點，使變頻調(diào)速成為最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化成直流，然后采用IGBT逆變技術(shù)將直流轉(zhuǎn)化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電控制交流電動機。這種變頻器只能工作在電動狀態(tài)，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器采用二極管整流橋，無法實現(xiàn)能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動機要回饋能量的應用中，比如電梯，提升，離心機系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋的能量消耗掉。另外，在一些大功率的應用中，二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染。IGBT功率模塊可以實現(xiàn)能量的雙向流動，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將電動機回饋產(chǎn)生的能量反送到