四象限变频器原理与应用

关于四象限，用四象限描述电机的运行状态：首先确定两个参数，一个是转子受的电磁转矩m用Y轴，一个是运转方向n用X轴，那么四象限分别描述电机的四个运行状态分别是：
①象限为正转电动状态
②象限为反转制动发电状态
③象限为反转电动状态
④象限为正转制动发电状态

用四象限描述整流器的运行状态：首先确定两个参数，一个是变流方向用Y轴，一个是直流电压的极性用X轴，那么四象限分别描述整流器的四个运行状态分别是：
①象限为正极性整流状态
②象限为反极性整流状态
③象限为反极性逆变状态
④象限为正极性逆变状态

如果结合电动机的状态，确定两个参数，一个是变流方向用Y轴，一个是电机运转方向n用X轴，那么变频器的四象限分别描述是：
①象限为正转电动状态
②象限为反转电动状态
③象限为反转发电回馈状态
④象限为正转发电回馈制动

逆变器实现电动象限，整流器实现发电象限；两象限变频器不需要PWM整流器，即，变频器一三象限，用二极管或SCR整流就可以，不需要PWM（IGBT）整流方式。

普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。

单独对于电机来说，所谓四象限是指其运行机械特性曲线在数学轴上的四个象限都可运行。第一象限正转电动状态，第二象限回馈制动状态，第三象限反转电动状态，第四象限反接制动状态。能够具有使得电机工作在四象限的变频器才称得上四象限变频器。

由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉，另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。 。这种配置回馈单元满足电机四象限运行的变频设备并不是严格意义上的四象限变频器，真正意义上的四象限变频器是无需配备任何外围部件的，可消除电网谐波污染。

以下是一款四象限变频器原理拓扑图。当电机为电动状态时，能量由电网流向电机，变频器工作在第一、第三象限，整流控制单元的DSP产生6路高频PWM脉冲，控制整流侧的6个IGBT通断。IGBT的通断与输入电抗器共同作用产生于输入电压相位一致的正弦电流，如此便消除了二极管整流桥产生的6K±1谐波。功率因数高达99%。当电机工作在发电状态时，能量由电机流向电网，变频器工作在第二、第四象限，电机产生的能量通过逆变侧二极管回馈到直流母线，当直流母线电压超过一定值，整流侧能量回馈部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。

IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。四象限变频器的典型应用是具有位势负载特性的场合，例如提升机，机车牵引，油田磕头机，离心机等。在一些大功率的应用中，也需要四象限变频器以减小对电网的谐波污染。以提升机的应用为例，当提升重物时，四象限变频器拖动电机克服重力做工，电动机处于电动状态。当下放重物时，逆变侧产生励磁电流，重力牵引电机发电，电动机处于发电状态，势能转化为电能通过整流侧回馈的电网。