电机四象限运行

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。

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.
四象限变频器的工作原理
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。

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。

四象限变频器的系统构成
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。

控制部分组成：系统辅助电源模块，预充电控制，功率接口板，DSP控制板及人机接口板。

系统辅助电源产生系统控制所需的5V, 15V 和24V 电源。

预充电控制用于控制预充电交流接触器的动作。

功率接口板反馈系统控制所需的电流信号，电压信号及温度信号，并且传递PWM控制波形到驱动板。

接口板要对信号进行滤波处理。

DSP控制板完成整流，逆变PWM控制算法，系统的大脑。

人机接口板显示变频器运行的各种状况以及用户参数输入。

四象限运行
无论是两象限的变频器还是四象限的变频器，都是变频器本身所具有的特性，它是针对变频器而言的。

而我们所说的四象限运行是针对电机的，它和四象限变频器是完全不同的两个概念。

只不过是两象限变频器要想使电机四象限运行必须添加相应的功能模块，即制动单元和制动电阻，而四象限变频器则不需要添加任何外围硬件就可以满足电机四象限运行。

备注：现有的一些变频器厂商声称他们的变频器配以回馈单元就能够成为四象限变频器，满足电机的四象限运行，并且是能量回馈电网，实际上真正意义上的四象限变频器是不需要配以任何外围的部件就能够满足电机的四象限运行，并且还能消除电网的谐波污染，使功率因数基本接近于1，而仅仅能够将能量回馈电网的变频器是不能够称其为四象限的变频器。

1、3象限功率为正（转速和转矩的乘积），所以电机输出功率，电机工作于电动状态，而电机的旋转方向相反；
2、4象限功率为负（转速和转矩的乘积），所以电机吸收功率，电机工作于发电状态，而电机的旋转方向相反。

把电机的运行速度方向用一条数轴X来表示，代表电磁转矩方向。

把电机的电磁转矩方向用一条数轴Y来表示，代表电机转速的旋转方向。

构成一个平面坐标系XOY，那么第一象限是正转电动，此时转速与转矩旋转方向相同，这是正常的电动模式（假设电机正转）。

第二象限是电机正转，但转矩相反，电机处于发电状态，即回馈制动。

第三象限是反转电动，此时转速与转矩的方向相同，这是电动模式（反转）。

第四象限转速与转矩方向相反，电机处于发电状态，即回馈制动。

四象限
把电机的运行速度方向用一条数轴X来表示，数轴的正方向代表正转的转速，反方向表示反转的转速；
把电机的电磁转矩方向用一条数轴Y来表示，数轴的正方向代表正的电磁转矩，反方向表示负的电磁转矩；
构成一个平面坐标系XOY，那么电动机正常电动状态处在第一象限（正转、电动），发电（制动）再生运行在第二象限（正转、发电）.
电梯曳引电动机由于正常状态就不断正、反转，上、下行都有可能电动或发电，处于四象限运行状态，各个状态能量转换方向不同.
用四象限来描述电机运行状态，和用熟悉的正、反转，电动、发电描述是一样的道理。

四象限变频器原理图
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。

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，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。

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。

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。