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四象限变频器技术介绍

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——初升

摘要：四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的

时候，对电网的污染小。本文简单介绍了四象限变频器的工作原理及控制方法，

并从实际应用的角度，给出四象限变频器各个部分的构成及作用。

关键词：能量回馈电流谐波四象限变频器

1、引言

在上个世纪80年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史

舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面

都有很大的优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。

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。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。

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。

吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形

成380V、660V两个系列功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油

田领域。

2、四象限变频器的工作原理

四象限变频器的电路原理图如图1所示。

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2.1工作原理

当电机工作在电动状态的时候，整流控制单元的DSP产生6路高频的PWM

脉冲控制整流侧的6个IGBT的开通和关断。IGBT的开通和关断与输入电抗器共

同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流桥

产生的6K±1谐波。功率因数高达99%。消除了对电网的谐波污染。

此时能量从电网经由整流回路和逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第

三象限。输入电压和输入电流的波形如图2所示。

当电动机工作在发电状态的时候，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈

到直流母线，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，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。

此时能量由电机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。

输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如图3所示：

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2.2四象限变频器的系统构成

（1）主回路的构成：预充电电路，输入电抗、智能功率模块，电解电容和输出电

抗。各部分的功能列举如下：

·预充电电路：由交流接触器、功率电阻组成及相应的控制回路。主要功能是系

统上电时，完成对直流母线电容的预充电。避免上电时强大的冲击电流烧坏功率

模块。

·输入电抗器：电动状态下起储能作用，形成正弦电流波形。回馈状态下，起滤

波作用，滤掉电流波形的高频成分。

·智能功率模块（SkiiP）:整流侧和逆变侧IGBT、隔离驱动、电流检测以及各

种保护监测功能。

·电解电容：储能，滤波。

·输出电抗：降低输出dv/dt，对电机起到一定的保护作用。

（2）控制部分组成：系统辅助电源模块，预充电控制，功率接口板，