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摘要：随着当前社会经济、变频技术的不断进步与发展，电机控制对变频器应用技术也提高了要求。四象限变频器应用于电机控制，通过控制逆变电压、幅值与相位的原理，将电能回馈到电网，起到节约能源、重复利用的作用。本文将根据变频器的运作原理与基本规范，分析四象限变频器的运作原理、作用以及其应用的新型技术，以达到对电机控制更加完善的运作效果。
关键词：四象限变频器；电机控制；应用
随着当前电子电力行业与交流控制技术的飞速发展，变频器在电机调速与控制中的应用也越来越广泛。四象限变频器具有双向能量运动、节约能源、减少电网污染的运行优势，有效实现电机调速控制范围的扩大化与精准化，在现代电机控制中有着重要的地位。我国四象限变频器的生产还在研发阶段，需要研究者对其原理与构成进行的进一步研究。本文对变频器中四象限变频器的运作原理、优势与应用进行了探究与讨论，以寻求四象限变频器在电机控制中的最优策略。
1.变频器原理及相关问题分析
1.1.变频器基本运作原理
变频器是一种基本电能控制的装置，其基本运作原理就是通过电力半导体的通断实现工频电源变频作用，将工频电源的频率转变并进行电能交流的调速。变频器的内部控制系统包括信号检测系统、电路控制以及触发脉冲电路：其中信号检测系统依靠传感变送器进行负电荷电流与电压的检测；电路控制即为处理先前检测到的信号，对比给定量获得电路需要的信号控制与动态情况；而触发脉冲电路则是依据电路控制环节所输出的信号进行触发脉冲，通过隔离驱动来放大驱动开关的功率器件运作[1]。变频器主要应用于380V到6KV电压的电机控制，但由于其不同等级电压的拓扑结构有所不同，三相工频电流的输入则要根据不同等级电业设备的需要进行三相半桥或全桥的整流，而逆变器则可根据电压源型选择三相两变频结构，并运用电压空间矢量脉宽（SVPWM）调制技术进行逆变器的通断控制，实现直流电容电压到三相交流电压的变频，最后运用低通滤波器对先前SVPWM环节调制的高频毛刺进行过滤筛出，再连接异步电动机 。
2.四象限变频器的运作原理
2.1.二象限变频器运作原理与特点
两象限变频器采用二极管整流桥进行常规运作，其运作模式基本为应用IGBT逆变技术，先转化交流电为直流，再将直流电转化为可调整电压频率的交流电，达到交流电动机的有效控制效果。但此种变频器工作局限性较高，二极管整流桥的使用不能达到双向流动电量的运作效果，电机回馈系统中的剩余电量无法回用于电网，造成了能量的资源浪费。电梯、提升、离心机系统中若要应用两象限变频器，又要防止再生电能反馈至电源网络，造成电网电压的波动，就只能在其基础上增设制动电阻，帮助电机消耗再生电能，将其转化为热能，有效保护电源网络的平稳安全运行，但运作效率较低，不能有效满足电机制动与正反转的速率要求。
2.2.四象限变频器运作原理与优势
2.2.1.四象限变频器运作原理
四象限变频器在变频器的基本运作原理基础上，通过整流与逆变过程使电网中回馈的电能被电机接受。不同于二象限变频器的使用，四象限变频器能够更加有效的满足电机控制的正反转与制动需求，克服传统变频器的缺陷，使电机控制在四象限运行的变频器中高效运行，达到更加完善优化的运作效果。2.2.2.四象限变频器的系统结构
2.2.2.1.主回路主要包括智能功率模块、输入与输出电抗、预充电电路以及电解电容。
智能功率模块：整流侧、逆变侧IGBT、电流检测、与同类检测保护作用。
输入电抗器：电机电动工作时储存能量，完成正弦电流波形的结构，并在回馈工作时过滤筛选掉电流波形中的高频率成分，发挥滤波作用。
输出电抗器：降低dv/dt的输出，保护电机控制的正常工作。
预充电电路：主要由交流接触器、功率电阻及其控制回路组成，功能在于系统上电状态下进行直流母线电容的预充电，避免上电状态下的功率模块被强大冲击电流损坏。
电解电容：与输入电抗器同样的滤波、储能作用。
2.2.2.2.控制部分主要由预充电控制、DSP控制板、人机接口板、系统辅助电源模块与功率接口板。
预充电控制：预充电过程中交流接触器的控制作用。
DSP控制板：逆变PWM控制预算、整流，保护电路。
人机接口板：准确显示变频器的运行情况，输入用户参数。
系统辅助电源模块：控制5V、15V、24V电源的控制作用。
功率接口板：将减压、电流与温度信号反馈至控制系统，并将PWM控制波形传递到驱动板中，发挥滤波作用处理信号。
2.2.3.四象限变频器的整流部分直流母线的电压指令为系统给定，将其与反馈至直流母线电压误差进行电压环调节。三相电流的指令即为三相输入正弦波与电压环PI调节器中的调节的乘积，而三相电流的指令与先前直流母线等限流的反馈指令对比，再进行电流环调节[5]。而DSP会在电流环PI调节器中先前其误差进行载波调节控制，或采用空间矢量进行信号控制，产生IGBT电流反馈的PWM信号。
3.四象限变频器在电机控制中的有效应用
DTC直接转矩控制技术由德国引入，其控制运作原理是应用空间矢量的控制作用，根据定子的磁场定向，分析计算定子坐标系下的异步电动机轴转速与同步转速，应用非聚合两点式的调节器，对比分析异步电动实际的转矩值和既定值，达到进一步稳定电机转矩与磁通量数值的运行目的，控制效果由于矢量控制技术影响。当前DTC技术在异步电动机的交流调节与控制工作中起到较好的作用，并由其自身结构的简单性，在传动领域中占有较为重要的地位。四象限变频器中应用DTC技术可以有效提高其在电机中的控制作用，并在负功率的情况下仍能够使电能正常回馈电网，最大限度发挥四象限变频器的节能优势。 例如电机在急停或被拖动的状态，经IGBT整流使谐波值<5%，并使任意负载条件下的功率因数恒为1。以上条件下应用锁相控制技术检测、控制电网中电压输入与相位差，促使电机有效将电功率的流向控制与功率单元到电网间。又如电机在负力提升或减速运行状态时，需通过逆变器与二极管通断将再生能量送入中间部分进行电容充电和滤波工作，升高中间部分的直流电压至有源逆变启动要求值并使有源逆变自动启动，在超前的逆变相位状态下功率单元会将负载能量转化，并将转化的电能再回馈至电网。通过DTC的负功率转化功能，将负载的机械能量滤波、转化为有用电能，并回馈于电网利用，使四象限变频器的节能与减少污染优势更大限度的发挥与电机控制运作环节。
4.四象限变频器在电机控制运作中需要注意的问题
四象限变频器在电机控制运作中，需要注意以下几点问题，避免运作过程中出现干扰与障碍。
4.1.变频器运作时，在其变频与整流过程中常会遇到电磁干扰的问题，影响附近仪器仪表的正常运作，并产生高次谐波影响整个供电网络的其他仪表，影响程度较为严重，会对仪表仪器的使用造成一定的损失[11]。大功率变频器考虑其在整个供电系统中的较大运作比重，需要进行电磁波的抗干扰措施，减小其对整个供电网络系统的危害。
4.2.变频器由于内部损耗会产生发热问题，其中主电路损耗是绝大部分的发热原因。为使变频器工作过程中达到更加完善、安全的运作效果，在其控制柜的设计过程中就需要着重散热扇的设计。其中大功率变频器应保证更加合理安全的散热扇排风道设计，在进风口设好防尘网，保证控制柜通畅排风。另外，在发现变频器散热扇运行不正常时，应立即停止变频器的运作，防止变频器因散热扇运行不正常导致的变频器机体过热，影响运作效果。
4.3.变频器运作时还需要进行防结露、防灰尘和腐蚀气体的影响，保证变频器周围环境的湿润程度，控制柜的排风与进风口都要注意防尘网的清理与维护，化工行业中还需要注意腐蚀性气体对变频器的影响，注意将其保存于环境稳定的控制室，保证变频器防止现场的柜体防护等级>IP43。
5.结束语
随着当前电子电力行业与交流控制技术的飞速发展，变频器在电机调速与控制中的应用也越来越广泛。传统的变频器主要利用频率调节变化波动控制来控制电机转速，但这种运作方式不能有效回馈电能，造成资源的浪费。本文对四象限变频器的运作原理及应用做了详细分析，探寻出DTC直接转矩控制技术配合四象限变频器在电机控制中的应用，可以更大限度发挥四象限变频器的节能作用，值得在同行业内广泛应用与推广。
参考文献：
[1]林梅丽.四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比[J].电气应用，2012，8（31）：40-41.
[2]杨中仓，金葆文.四象限变频器在水泵中的应用及与DCS系统通讯[J].电脑知识与技术，2011，23（7）：5579.
[3]王彦光.采煤机上用改制ABB四象限变频器介绍[J].内蒙古科技与经济，2012，20（10）：96.
[4]问泽杭，莫兆祥. 基于四象限高压变频器的水泵机组反向发电探讨[J].水力发电，2011，2（37）：76-86.
[5]王恩德.四象限变频器在电机控制中的应用研究[D].华中科技大学，2013：21.
关键词：四象限变频器；电机控制；应用
随着当前电子电力行业与交流控制技术的飞速发展，变频器在电机调速与控制中的应用也越来越广泛。四象限变频器具有双向能量运动、节约能源、减少电网污染的运行优势，有效实现电机调速控制范围的扩大化与精准化，在现代电机控制中有着重要的地位。我国四象限变频器的生产还在研发阶段，需要研究者对其原理与构成进行的进一步研究。本文对变频器中四象限变频器的运作原理、优势与应用进行了探究与讨论，以寻求四象限变频器在电机控制中的最优策略。
1.变频器原理及相关问题分析
1.1.变频器基本运作原理
变频器是一种基本电能控制的装置，其基本运作原理就是通过电力半导体的通断实现工频电源变频作用，将工频电源的频率转变并进行电能交流的调速。变频器的内部控制系统包括信号检测系统、电路控制以及触发脉冲电路：其中信号检测系统依靠传感变送器进行负电荷电流与电压的检测；电路控制即为处理先前检测到的信号，对比给定量获得电路需要的信号控制与动态情况；而触发脉冲电路则是依据电路控制环节所输出的信号进行触发脉冲，通过隔离驱动来放大驱动开关的功率器件运作[1]。变频器主要应用于380V到6KV电压的电机控制，但由于其不同等级电压的拓扑结构有所不同，三相工频电流的输入则要根据不同等级电业设备的需要进行三相半桥或全桥的整流，而逆变器则可根据电压源型选择三相两变频结构，并运用电压空间矢量脉宽（SVPWM）调制技术进行逆变器的通断控制，实现直流电容电压到三相交流电压的变频，最后运用低通滤波器对先前SVPWM环节调制的高频毛刺进行过滤筛出，再连接异步电动机 。
2.四象限变频器的运作原理
2.1.二象限变频器运作原理与特点
两象限变频器采用二极管整流桥进行常规运作，其运作模式基本为应用IGBT逆变技术，先转化交流电为直流，再将直流电转化为可调整电压频率的交流电，达到交流电动机的有效控制效果。但此种变频器工作局限性较高，二极管整流桥的使用不能达到双向流动电量的运作效果，电机回馈系统中的剩余电量无法回用于电网，造成了能量的资源浪费。电梯、提升、离心机系统中若要应用两象限变频器，又要防止再生电能反馈至电源网络，造成电网电压的波动，就只能在其基础上增设制动电阻，帮助电机消耗再生电能，将其转化为热能，有效保护电源网络的平稳安全运行，但运作效率较低，不能有效满足电机制动与正反转的速率要求。
2.2.四象限变频器运作原理与优势
2.2.1.四象限变频器运作原理
四象限变频器在变频器的基本运作原理基础上，通过整流与逆变过程使电网中回馈的电能被电机接受。不同于二象限变频器的使用，四象限变频器能够更加有效的满足电机控制的正反转与制动需求，克服传统变频器的缺陷，使电机控制在四象限运行的变频器中高效运行，达到更加完善优化的运作效果。2.2.2.四象限变频器的系统结构
2.2.2.1.主回路主要包括智能功率模块、输入与输出电抗、预充电电路以及电解电容。
智能功率模块：整流侧、逆变侧IGBT、电流检测、与同类检测保护作用。
输入电抗器：电机电动工作时储存能量，完成正弦电流波形的结构，并在回馈工作时过滤筛选掉电流波形中的高频率成分，发挥滤波作用。
输出电抗器：降低dv/dt的输出，保护电机控制的正常工作。
预充电电路：主要由交流接触器、功率电阻及其控制回路组成，功能在于系统上电状态下进行直流母线电容的预充电，避免上电状态下的功率模块被强大冲击电流损坏。
电解电容：与输入电抗器同样的滤波、储能作用。
2.2.2.2.控制部分主要由预充电控制、DSP控制板、人机接口板、系统辅助电源模块与功率接口板。
预充电控制：预充电过程中交流接触器的控制作用。
DSP控制板：逆变PWM控制预算、整流，保护电路。
人机接口板：准确显示变频器的运行情况，输入用户参数。
系统辅助电源模块：控制5V、15V、24V电源的控制作用。
功率接口板：将减压、电流与温度信号反馈至控制系统，并将PWM控制波形传递到驱动板中，发挥滤波作用处理信号。
2.2.3.四象限变频器的整流部分直流母线的电压指令为系统给定，将其与反馈至直流母线电压误差进行电压环调节。三相电流的指令即为三相输入正弦波与电压环PI调节器中的调节的乘积，而三相电流的指令与先前直流母线等限流的反馈指令对比，再进行电流环调节[5]。而DSP会在电流环PI调节器中先前其误差进行载波调节控制，或采用空间矢量进行信号控制，产生IGBT电流反馈的PWM信号。
3.四象限变频器在电机控制中的有效应用
DTC直接转矩控制技术由德国引入，其控制运作原理是应用空间矢量的控制作用，根据定子的磁场定向，分析计算定子坐标系下的异步电动机轴转速与同步转速，应用非聚合两点式的调节器，对比分析异步电动实际的转矩值和既定值，达到进一步稳定电机转矩与磁通量数值的运行目的，控制效果由于矢量控制技术影响。当前DTC技术在异步电动机的交流调节与控制工作中起到较好的作用，并由其自身结构的简单性，在传动领域中占有较为重要的地位。四象限变频器中应用DTC技术可以有效提高其在电机中的控制作用，并在负功率的情况下仍能够使电能正常回馈电网，最大限度发挥四象限变频器的节能优势。 例如电机在急停或被拖动的状态，经IGBT整流使谐波值<5%，并使任意负载条件下的功率因数恒为1。以上条件下应用锁相控制技术检测、控制电网中电压输入与相位差，促使电机有效将电功率的流向控制与功率单元到电网间。又如电机在负力提升或减速运行状态时，需通过逆变器与二极管通断将再生能量送入中间部分进行电容充电和滤波工作，升高中间部分的直流电压至有源逆变启动要求值并使有源逆变自动启动，在超前的逆变相位状态下功率单元会将负载能量转化，并将转化的电能再回馈至电网。通过DTC的负功率转化功能，将负载的机械能量滤波、转化为有用电能，并回馈于电网利用，使四象限变频器的节能与减少污染优势更大限度的发挥与电机控制运作环节。
4.四象限变频器在电机控制运作中需要注意的问题
四象限变频器在电机控制运作中，需要注意以下几点问题，避免运作过程中出现干扰与障碍。
4.1.变频器运作时，在其变频与整流过程中常会遇到电磁干扰的问题，影响附近仪器仪表的正常运作，并产生高次谐波影响整个供电网络的其他仪表，影响程度较为严重，会对仪表仪器的使用造成一定的损失[11]。大功率变频器考虑其在整个供电系统中的较大运作比重，需要进行电磁波的抗干扰措施，减小其对整个供电网络系统的危害。
4.2.变频器由于内部损耗会产生发热问题，其中主电路损耗是绝大部分的发热原因。为使变频器工作过程中达到更加完善、安全的运作效果，在其控制柜的设计过程中就需要着重散热扇的设计。其中大功率变频器应保证更加合理安全的散热扇排风道设计，在进风口设好防尘网，保证控制柜通畅排风。另外，在发现变频器散热扇运行不正常时，应立即停止变频器的运作，防止变频器因散热扇运行不正常导致的变频器机体过热，影响运作效果。
4.3.变频器运作时还需要进行防结露、防灰尘和腐蚀气体的影响，保证变频器周围环境的湿润程度，控制柜的排风与进风口都要注意防尘网的清理与维护，化工行业中还需要注意腐蚀性气体对变频器的影响，注意将其保存于环境稳定的控制室，保证变频器防止现场的柜体防护等级>IP43。
5.结束语
随着当前电子电力行业与交流控制技术的飞速发展，变频器在电机调速与控制中的应用也越来越广泛。传统的变频器主要利用频率调节变化波动控制来控制电机转速，但这种运作方式不能有效回馈电能，造成资源的浪费。本文对四象限变频器的运作原理及应用做了详细分析，探寻出DTC直接转矩控制技术配合四象限变频器在电机控制中的应用，可以更大限度发挥四象限变频器的节能作用，值得在同行业内广泛应用与推广。
参考文献：
[1]林梅丽.四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比[J].电气应用，2012，8（31）：40-41.
[2]杨中仓，金葆文.四象限变频器在水泵中的应用及与DCS系统通讯[J].电脑知识与技术，2011，23（7）：5579.
[3]王彦光.采煤机上用改制ABB四象限变频器介绍[J].内蒙古科技与经济，2012，20（10）：96.
[4]问泽杭，莫兆祥. 基于四象限高压变频器的水泵机组反向发电探讨[J].水力发电，2011，2（37）：76-86.
[5]王恩德.四象限变频器在电机控制中的应用研究[D].华中科技大学，2013：21.