電機(jī)四象限運(yùn)行.doc

電機(jī)四象限運(yùn)行1、什么是單象限和4象限？以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為縱座標(biāo)軸，以轉(zhuǎn)矩為橫座標(biāo)軸建立的直角坐標(biāo)系，用來(lái)描述電動(dòng)機(jī)的四種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即正向電動(dòng)，回饋發(fā)電制動(dòng)，反接制動(dòng)，以及反向電動(dòng)四種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。每一種狀態(tài)的機(jī)械特性曲線分別在直角坐標(biāo)系的四個(gè)象限。如果裝置只能滿足電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么它就是單象限的。如果裝置驅(qū)動(dòng)在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能夠從電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第二象限運(yùn)行，也能從電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第四象限運(yùn)行，那么裝置是四象限的。單象限裝置只能正向電動(dòng)，或反向電動(dòng)，不能從電動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入再生發(fā)電運(yùn)行。2、關(guān)于控制器的象限和電機(jī)的象限： 單象限：能量只能單向流動(dòng)。四象限：能量可以雙向流動(dòng)。 電機(jī)和變頻器都有自己的象限，不要搞混了。 *電機(jī)的單象限運(yùn)行，指電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行。四象限指發(fā)電運(yùn)行。*變頻器的單象限運(yùn)行，指能量從電網(wǎng)進(jìn)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(yùn)行的變頻器帶四象限運(yùn)行的電機(jī)。電機(jī)發(fā)電的能量提升了母線電壓，或在制動(dòng)單元消耗掉。 b.單象限的直流調(diào)速換向麻煩，需要改變勵(lì)磁或電樞的正負(fù)來(lái)實(shí)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(shí)其中一組工作，反轉(zhuǎn)時(shí)另一組工作。 需要注意的主要是換向的時(shí)間問(wèn)題： 對(duì)于單象限的調(diào)速器，當(dāng)電機(jī)需要反轉(zhuǎn)時(shí)，要加時(shí)間繼電器。無(wú)論是改變勵(lì)磁方向還是改變電樞方向，都必須等待一段時(shí)間，就是說(shuō)不允許工作中突然換向。因?yàn)閯?lì)磁線圈和電樞線圈通的都是直流電，需要時(shí)間來(lái)釋放能量，如果換向太快將會(huì)把整流橋反向擊穿。而四象限的調(diào)速器不存在此問(wèn)題，因?yàn)閮山M整流橋方向相反，當(dāng)一組停止輸出時(shí)，另一組正好可以給電機(jī)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(chǎng)矢量控制的交流電機(jī)變頻裝置，完全可替代直流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行，IGBT和整流二極管都要反并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)電流的反向。電機(jī)也要求有速度反饋，如測(cè)速發(fā)電機(jī)或者碼盤等，另外還要根據(jù)負(fù)載的特性，選擇電動(dòng)機(jī)的恒扭矩和恒功率的調(diào)速范圍。4、怎樣實(shí)現(xiàn)變頻器的4象限驅(qū)動(dòng)功能？ 采用英國(guó)CT的Unidriver系列交流驅(qū)動(dòng)器、還有ABB、西門子的變頻器都可以實(shí)現(xiàn)四象限驅(qū)動(dòng)功能。使用時(shí)，電機(jī)要換成交流電機(jī)，同時(shí)，變頻器要配能耗單元，有兩種方式可選。 采用制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻，將電機(jī)反相時(shí)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(dāng)產(chǎn)生方向再生電流時(shí)，變頻器直流母線電壓升高，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能作用。該方式常用于多臺(tái)大功率變頻驅(qū)動(dòng)。5、關(guān)于直流電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的4象限運(yùn)行： 開(kāi)卷和收卷這樣的恒功率負(fù)載,卷的半徑小的時(shí)候，力臂短，扭矩小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速高；卷的半徑大的時(shí)候，力臂長(zhǎng)，扭矩大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速低，這樣也能實(shí)現(xiàn)收放卷線速度的恒定，當(dāng)然要檢測(cè)卷的半徑。對(duì)于這樣的恒功率負(fù)載，我認(rèn)為應(yīng)該選擇基速（就是定子最高電壓所對(duì)應(yīng)的速度）較小的電機(jī)，更大的速度范圍為弱磁升速，這樣才能充分發(fā)揮電機(jī)的效能。 同樣，交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速也有基速上下之分，只不過(guò)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(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)的時(shí)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(gè)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。IGBT的開(kāi)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(dá)99%。消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。此時(shí)能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過(guò)一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過(guò)控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。此時(shí)能量由電機(jī)通過(guò)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(yù)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(yù)充電電路：由交流接觸器、功率電阻組成及相應(yīng)的控制回路。主要功能是系統(tǒng)上電時(shí)，完成對(duì)直流母線電容的預(yù)充電。避免上電時(shí)強(qiáng)大的沖擊電流燒壞功率模塊。輸入電抗器：電動(dòng)狀態(tài)下起儲(chǔ)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(dòng)、電流檢測(cè)以及各種保護(hù)監(jiān)測(cè)功能。電解電容：儲(chǔ)能，濾波。輸出電抗：降低輸出dv/dt，對(duì)電機(jī)起到一定的保護(hù)作用。控制部分組成：系統(tǒng)輔助電源模塊，預(yù)充電控制，功率接口板，DSP控制板及人機(jī)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(yù)充電控制用于控制預(yù)充電交流接觸器的動(dòng)作。功率接口板反饋系統(tǒng)控制所需的電流信號(hào)，電壓信號(hào)及溫度信號(hào)，并且傳遞PWM控制波形到驅(qū)動(dòng)板。接口板要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jī)接口板顯示變頻器運(yùn)行的各種狀況以及用戶參數(shù)輸入。四象限運(yùn)行無(wú)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(duì)變頻器而言的。而我們所說(shuō)的四象限運(yùn)行是針對(duì)電機(jī)的，它和四象限變頻器是完全不同的兩個(gè)概念。只不過(guò)是兩象限變頻器要想使電機(jī)四象限運(yùn)行必須添加相應(yīng)的功能模塊，即制動(dòng)單元和制動(dòng)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(jī)四象限運(yùn)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(jī)的四象限運(yùn)行，并且是能量回饋電網(wǎng)，實(shí)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(jī)的四象限運(yùn)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(jī)輸出功率，電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反；2、4象限功率為負(fù)（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積），所以電機(jī)吸收功率，電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。把電機(jī)的運(yùn)行速度方向用一條數(shù)軸X來(lái)表示，代表電磁轉(zhuǎn)矩方向。把電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向用一條數(shù)軸Y來(lái)表示，代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)方向。構(gòu)成一個(gè)平面坐標(biāo)系XOY，那么第一象限是正轉(zhuǎn)電動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向相同，這是正常的電動(dòng)模式（假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)）。第二象限是電機(jī)正轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)矩相反，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，即回饋制動(dòng)。第三象限是反轉(zhuǎn)電動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的方向相同，這是電動(dòng)模式（反轉(zhuǎn)）。第四象限轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，即回饋制動(dòng)。四象限把電機(jī)的運(yùn)行速度方向用一條數(shù)軸X來(lái)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向用一條數(shù)軸Y來(lái)表示，數(shù)軸的正方向代表正的電磁轉(zhuǎn)矩，反方向表示負(fù)的電磁轉(zhuǎn)矩；構(gòu)成一個(gè)平面坐標(biāo)系XOY，那么電動(dòng)機(jī)正常電動(dòng)狀態(tài)處在第一象限（正轉(zhuǎn)、電動(dòng)），發(fā)電（制動(dòng)）再生運(yùn)行在第二象限（正轉(zhuǎn)、發(fā)電）.電梯曳引電動(dòng)機(jī)由于正常狀態(tài)就不斷正、反轉(zhuǎn)，上、下行都有可能電動(dòng)或發(fā)電，處于四象限運(yùn)行狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)能量轉(zhuǎn)換方向不同.用四象限來(lái)描述電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，和用熟悉的正、反轉(zhuǎn)，電動(dòng)、發(fā)電描述是一樣的道理。四象限變頻器原理圖單獨(dú)對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，所謂四象限是指其運(yùn)行機(jī)械特性曲線在數(shù)學(xué)軸上的四個(gè)象限都可運(yùn)行。第一象限正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，第二象限回饋制動(dòng)狀態(tài)，第三象限反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，第四象限反接制動(dòng)狀態(tài)。能夠具有使得電機(jī)工作在四象限的變頻器才稱得上四象限變頻器。在上個(gè)世紀(jì)80年代末，交流變頻調(diào)速逐漸登上了工業(yè)傳動(dòng)調(diào)速方式的歷史舞臺(tái)。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(diǎn)，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(dòng)機(jī)。這種變頻器只能工作在電動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，所以沒(méi)有辦法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在一些電動(dòng)機(jī)要回饋能量的應(yīng)用中，比如電梯，提升，離心機(jī)系統(tǒng)，只能在兩象限變頻器上增加電阻制動(dòng)單元。將電動(dòng)機(jī)回饋的能量消耗掉。另外，在一些大功率的應(yīng)用中，二極管整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。IGBT功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果采用IGBT做整流橋，用高速度、高運(yùn)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(duì)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(dòng)機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到