电动机四象限运行

电机四象限运行

1、什么是单象限和4象限？

以电动机的转速为纵座标轴，以转矩为横座标轴建立的直角坐标系，用来描述电动机的四种运转状态，即正向电动，回馈发电制动，反接制动，以及反向电动四种运转状态。每一种状态的机械特性曲线分别在直角坐标系的四个象限。如果装置只能满足电动机的电动运转状态，那么它就是单象限的。如果装置驱动在电动状态时，能够从电动状态进入第二象限运行，也能从电动状态进入第四象限运行，那么装置是四象限的。单象限装置只能正向电动，或反向电动，不能从电动运行进入再生发电运行。

左半部是众所周知的可逆变频器原理图，各位同行一看便知。而右半部分电机分别处于四象限运行的转矩方向和转速方向（也是旋转方向）图。现简单分析如下：

当电机通常是处于处于第一象限运行，我们称其为正转（顺时针反向）电动状态，电动机通过变频器以不同的转速从电网吸收电能，并将其转换为机械能。电动机的电动转矩和旋转反向一致，也是顺时针方向。负载机械转矩和电动机电动转矩相反，当电动转矩大于负载转矩时，电动机升速，当电动转矩等于负载转矩时，电机匀速运转。

当我们电机处于某一转速运行在第一象限运行时，当变频器的给定频率突然变小，不管变频器的减速参数如何设定，只要是频率下降减速度大于电动机带负载的惯性减速速率，那么电机由电动状态变为发

电状态，它将机械动能通过逆变模块的续流二极管并由制动单元控制向制动电阻放电，将机械能通过制动电阻发热耗掉，这时电机运转方向仍为正转（顺时针），而电机的电动转矩方向和第一象限相反，也就是和转动方向相反（逆时针），电动机对机械负载起制动作用，使得电机运转减速度加快。我们称其为发电能耗制动状态，如果具有回馈制动单元的话，它可以将机械能通过回馈制动单元向电网回馈。

第三象限和第一象限过程相同，只不过电动转矩和旋转方向分别相反。而第四象限和第二象限过程相同，也只不过是电动转矩和旋转方向分别相反。2、关于控制器的象限和电机的象限：

单象限：能量只能单向流动。

四象限：能量可以双向流动。

电机和变频器都有自己的象限，不要搞混了。

*电机的单象限运行，指电机电动运行。四象限指发电运行。*变频器的单象限运行，指能量从电网进入变频器。四象限指能量还

可以回馈电网。

可能有这种情况：

a.单象限运行的变频器带四象限运行的电机。电机发电的能量提升了母线电压，或在制动单元消耗掉。

b.单象限的直流调速换向麻烦，需要改变励磁或电枢的正负来实现反转。

四象限的直流调速有两组整流桥，输出方向相反，正转时其中一组工作，反转时另一组工作。

需要注意的主要是换向的时间问题：

对于单象限的调速器，当电机需要反转时，要加时间继电器。无论是改变励磁方向还是改变电枢方向，都必须等待一段时间，就是说不允许工作中突然换向。因为励磁线圈和电枢线圈通的都是直流电，需要时间来释放能量，如果换向太快将会把整流桥反向击穿。而四象限的调速器不存在此问题，因为两组整流桥方向相反，当一组停止输出时，另一组正好可以给电机释放能量。

3、关于变频器和直流调速器的互换：

从理论上讲，磁场矢量控制的交流电机变频装置，完全可替代直流调速系统，当然要实现4象限运行，IGBT和整流二极管都要反并联，以实现电流的反向。电机也要求有速度反馈，如测速发电机或者码盘等，另外还要根据负载的特性，选择电动机的恒扭矩和恒功率的调速范围。

4、怎样实现变频器的4象限驱动功能？

采用英国CT的Unidriver系列交流驱动器、还有ABB、西门子的变频器都可以实现四象限驱动功能。使用时，电机要换成交流电机，同时，变频器要配能耗单元，有两种方式可选。

⑴采用制动单元+制动电阻，将电机反相时产生的方向再生电流消耗掉，否则易烧毁变频器或引起变频器跳闸。

⑵采用逆变器，将逆变器接在变频器的直流母线上，当产生方向再生电流时，变频器直流母线电压升高，通过逆变器将直流母线的直流高电压变成和交流电网同步的交流电，反

馈回电网，实现了节能作用。该方式常用于多台大功率变频驱动。5、关于直流电机传动设备的4象限运行：

开卷和收卷这样的恒功率负载,卷的半径小的时候，力臂短，扭矩小，电机的转速高；卷的半径大的时候，力臂长，扭矩大，电机的转速低，这样也能实现收放卷线速度的恒定，当然要检测卷的半径。对于这样的恒功率负载，我认为应该选择基速（就是定子最高电压所对应的速度）较小的电机，更大的速度范围为弱磁升速，这样才能充分发挥电机的效能。

同样，交流异步电机的变频调速也有基速上下之分，只不过基速之下是变频变压（φ恒定）恒扭矩调速；基速之上为恒压升频（φ减小）恒功率调速.