1、四象限變頻器的工作原理
1.1變頻器的工作原理
見(jiàn)圖1，三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成，其作用是整流工頻的外部電源，給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。
直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出波形進(jìn)行平滑處理，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。逆變電路的作用是在控制電路的控制下，將電源電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，其輸出是變頻器的輸出，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。
變頻器控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極（基極）驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路及保護(hù)電路等部分�？刂齐娐返淖饔檬菍z測(cè)電路得到的各種信號(hào)送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供門(mén)極l基極3驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)變頻器及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。
1.2四象限變頻器的工作原理
將整流電路由全波整流橋改為由IPM（智能功率模塊）構(gòu)成的可控整流橋。當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四象限變頻器的控制與2象限變頻器的工作完全一樣。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，四象限變頻器中原逆變電路將作為整流電路工作，而原整流電路則作為逆變電路工作，相當(dāng)于變頻器向電網(wǎng)同饋能量。
1.3能量回饋原理
四象限變頻器輸入的交流電都是三相的，電網(wǎng)電壓可用電壓向量來(lái)表示，它既有幅值又有角度。角度概念為：“沒(méi)有對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行任何控制，故可將它視為0°，并以其為參考對(duì)其他相關(guān)量進(jìn)行度量”。在圖2中，電網(wǎng)電壓為1條水平線（角度為0°），電網(wǎng)電壓向量按照電網(wǎng)頻率旋轉(zhuǎn)，亦即其每秒鐘旋轉(zhuǎn)50或60個(gè)360°，具體取決于當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)頻率。用l條固定的線來(lái)表示輸入電壓向量很方便，并在需要時(shí)可按比例從數(shù)學(xué)的角度嚴(yán)格表示其幅值。
在圖2中，逆變電壓為三相電壓，在相位上超前電網(wǎng)電壓（約20°），其幅值比輸入電壓大。
在四象限變頻器系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓間串有輸入電抗器。其兩端電壓為電網(wǎng)電壓向量與逆變器輸出電壓向量的差，圖中它用l條垂直線來(lái)表示，恰好與輸入電壓向量成90°。
電抗器中的電流滯后于其兩端電壓90°，說(shuō)明電抗器中的電流方向與電網(wǎng)電壓的方向相同。由于輸入電壓和電抗器中的電流之間的夾角是0°（兩者同相），故系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。
四象限變頻器能夠控制其輸出電壓在圓形的任何一點(diǎn)，表示輸入電流可被控制為任意需要的大小和方向，故系統(tǒng)可在任何功率因數(shù)下工作。同樣，系統(tǒng)可控制輸入電流反相使系統(tǒng)工作在再生狀態(tài)，或控制其與輸入電壓成90°使系統(tǒng)僅提供無(wú)功電流。由此可見(jiàn)，四象限變頻器可通過(guò)自動(dòng)控制其輸出電壓的大小和方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)上面2種功能，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，也可得到相應(yīng)的無(wú)功電流以獲得所期望的功率因數(shù)。
在正常運(yùn)行時(shí)，四象限變頻器通過(guò)內(nèi)置PID控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入電流使直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值上，用戶可自行設(shè)定其無(wú)功電流的數(shù)值。在交直流之間進(jìn)行雙向能量傳輸、功率因數(shù)達(dá)到l的應(yīng)用中，將無(wú)功電流的參考值設(shè)為0。
2、應(yīng)用實(shí)例
晉城煤礦趙莊2號(hào)井東膠大巷下運(yùn)帶式輸送機(jī)采用液力偶合器裝置時(shí)，在啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)中都出現(xiàn)電機(jī)失控狀態(tài)，且出現(xiàn)事故需緊急停車(chē)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，膠帶靠自身重力使輸送機(jī)繼續(xù)快速運(yùn)行，造成事故擴(kuò)大和機(jī)頭堆料等。雖能通過(guò)制動(dòng)閘進(jìn)行制動(dòng)，但對(duì)機(jī)械裝置的沖擊及磨損非常大，且會(huì)因制動(dòng)力過(guò)大不可避免地?fù)p傷膠帶接頭和機(jī)械設(shè)備，影響整條膠帶的壽命。
該機(jī)的基本參數(shù)：帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度1023 m；帶寬1 000 mm；帶速3.15m/s；運(yùn)量750t/h；傾角-5°、-8°、- 10°，0°；提升高度-120 m；減速器型號(hào)M3RSF70 (SEW)；驅(qū)動(dòng)滾筒直徑∮1000mm；變頻電動(dòng)機(jī)三相660 V/200 kW 2臺(tái)（1臺(tái)備用）；拉緊形式液壓拉緊；配置輸入電抗器箱(250 kW)，2臺(tái)；防爆型四象限變頻調(diào)速裝置(250 kW)，2臺(tái)。
3、2種方式的比較
3.1啟動(dòng)過(guò)程
采用液力偶合器啟動(dòng)裝置時(shí)，由于帶式輸送機(jī)依靠物料重力自行運(yùn)行，系統(tǒng)處于失控狀態(tài)。而采用四象限變頻器時(shí)，帶式輸送機(jī)完全在變頻器控制的頻率及速度下運(yùn)行。因變頻器采用了矢量控制技術(shù)，故具有較大啟動(dòng)力矩（0.5 Hz時(shí)即可達(dá)到2倍的額定力矩），可保證重載啟動(dòng)要求。
3.2運(yùn)行過(guò)程
在四象限變頻器運(yùn)行過(guò)程中，并非電機(jī)超過(guò)l520 r/min時(shí)才為發(fā)電狀態(tài)，其運(yùn)行中隨時(shí)都可能產(chǎn)生短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)負(fù)功，電機(jī)達(dá)到l520 r/min時(shí)系統(tǒng)處于超速狀態(tài)。采用液力偶合器起動(dòng)裝置時(shí)負(fù)功通過(guò)機(jī)械裝置或由電機(jī)發(fā)熱來(lái)消耗，采用變頻器則隨時(shí)將產(chǎn)生的負(fù)功回饋到電網(wǎng)中。通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，系統(tǒng)不會(huì)超速，更安全可靠。
3.3制動(dòng)過(guò)程
液力偶合器起動(dòng)裝置無(wú)論在正功還是在負(fù)功下，均不能控制電機(jī)速度，完全靠機(jī)械裝置或電機(jī)發(fā)熱使系統(tǒng)停機(jī)，故制動(dòng)過(guò)程是不可控的。
3.4負(fù)功
四象限變頻器隨時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)功的產(chǎn)生，將負(fù)功回饋電網(wǎng)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中正功到負(fù)功及負(fù)功到正功過(guò)程的平穩(wěn)控制。
4、應(yīng)用效果
解決了帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中的負(fù)功問(wèn)題，能量回饋電網(wǎng)。解決了帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的速度失控問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)行全過(guò)程的起、制動(dòng)和速度控制，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。解決了機(jī)械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的沖擊問(wèn)題，延長(zhǎng)了使用壽命。無(wú)級(jí)調(diào)速特性使帶式輸送機(jī)起動(dòng)及停止過(guò)程非常平穩(wěn)，減少了膠帶打滑、跑偏、灑料等現(xiàn)象，保障了生產(chǎn)正常進(jìn)行，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
