摘要：随着当前社会的不断快速发展，变频技术同样也在不断的快速发展，电机对变频器的要求也在不断提高。本文介紹了四象限变频器的概念及工作原理图，分析了四象限变频器的诸多优点。将其应用于电机控制中，通过控制逆变电压，提升电机性能。同时本文简要介绍了永磁同步电机（PMSM）作为四象限变频器的一种重要负载的情况，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

1.引言

伴随着现代化工业的发展，变频器的应用领域越来越广泛，交流变频调速装置在我国的应用发展势头迅猛。由于交流变频调速在频率范围、调速精度、调速效率、低频转矩、自动控制、功率因数等方面都是以往直流调速方式不能比拟的。特别是四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在电动机要能量回馈的系统中，可以将电动机产生的能量回馈输送到电网，减少对电网的污染，达到了节能环保效果，让变频器成为“绿色产品”。

2.四象限变频器简介

2.1 四象限变频器

四象限变频器在电路上主要由输入电抗、智能功率模块（整流单元和逆变单元IGBT）、电解电容及相关控制单元等组成，主回路如图1所示。其运行机械特性曲线是在数学轴上的四个象限都可以进行，第一象限是正转电动状态，第二象限是回馈制动状态，第三象限是反转电动状态，第四象限是反接制动状态。只有能够使电机工作在第四象限的变频器才可以称为四象限变频器。四象限变频器与普通变频器不同之处在于在电源的整流侧，使用可控有源整流器件IGBT替代普通整流二极管将交流电转换为直流电，这样整流部分实现了输入侧与输出侧的电流双向流动，电机系统可工作在电动状态和发电状态，可控的IGBT器件能够调整输入功率因素，电流不断跟随电压变化；然而普通变频器的整流侧一般采用整流桥或者整流二极管将交流电转换为直流电，由于二极管单向导通的特性，只有在电网输入电压比输入电容上的电压高时，才对电容充电，能量是单向流动的，电机系统只工作在电动状态，所以称为两象限变频器，而且二极管整流后，电流的相位和电压不一致，造成谐波电流很大，严重污染电网。因此，四象限变频器与普通限变频器相比，具有节能环保，消除对电网谐波污染等效果。

目前市场上有两种“四象限”变频器，一种采用开环V/F控制方案，仅改变整流电路，增加能量回馈单元。另一种方案则是应用矢量变频器技术，用DSP运算平台检测电路反馈，精确控制电机励磁电流和力矩电流，实现了更高的响应速度和控制精度。

2.1 四象限变频器功能特点

a）最高水准的驱动性能；

b）长寿命设计和寿命自诊断功能；

c）网络功能更加丰富；

d）对环境的友好性；

e）操作简单，维护方便；

f）方便进行直流母线连接；

g）合适风机、泵类负载；

h）节能专用功能；

i）张力控制功能。

3.四象限变频器在电机控制中的应用

电机学里表述，所有的电机都有伏安特性：Y轴表示加在电机两端的电压，X轴表示电机的电流。都是正值是第1象限，为电动机运行状态，为正转。Y为正，X为负是第2象限，发电机状态，是输出电流。Y、X都是负值是第3象限，也是电动机运行状态，为反转。Y为负，X为正是第4象限，发电机状态，输出负电流。

对一台电机来说，1、3象限好理解，就是正反转。2象限就是正转时制动，4象限就是反转时制动。一台电机作往复运动时，会在这四个象限轮流表现。对于变频器也是这样理解，普通变频器无法工作在2、4象限的属于2象限驱动器，只能采用制动电阻或直流母线结构来弥补。现在四象限变频器的电机模块就能工作在四个象限上，里面具有2组功率模块，可以将直流因制动产生的能量反馈到电网。

四象限变频器逆变部分可以看成是一个由电阻、电感、反电势组成的等效电路，所以理论上四象限变频器的三相PWM整流和逆变部分可以独立控制，即三相PWM整流控制直流母线电压，逆变器控制电机特性。为了提高四象限变频的抗负载扰动能力，在不增加直流母线电流采样的前提下，采取基于负载电流观测器的负载电流前馈补偿的控制策略，分别采用了降维观测器、基于简化模型和基于完整模型的扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter， EKF）三种观测器。

永磁同步电机（PMSM）是四象限变频器一种重要的负载，是电梯的重要组成部件，具有结构简单、轻量化、损耗小、效率高、运行可靠的优点，对PMSM的控制策略与异步电机略有不同，PMSM电流波形的好坏直接决定电磁转矩的输出，对PMSM控制性能影响巨大。采用无电感参数解耦和比例谐振控制器的电流内环控制方案，可以使它具有优异的调速性能，又实现高精度的控制，能够满足电梯对高速、舒适、高可靠行的要求，并有效减少电流谐波。

4.四象限变频器在电梯控制中的效果及问题

四象限变频器可以应用在电梯升降等具有位势负载特性的场合。特别在一些大功率的应用中，需要使用四象限变频器以减小对电网的谐波污染。使用四象限变频器运行的电梯，当电梯上升时，电动机克服重力做功，此时电动机处于电动状态，电网经过滤波器，通过智能功率模块整流将直流母线电压抬升到680V左右，再后级逆变驱动电机；当电梯下降时，重力牵引电机，此时电动机处于发电状态，后级的逆变电路变成整流（智能功率模块提供），直流母线电压会被抬升到大于680V，此时控制检测单元会去判断直流母线电压是否大于680V，如果大于680V，就要进行逆变回馈，电动机的再生能量转化电能，通过整流侧回馈电网，不需增加任何硬件模块对电机的回馈能量进行消耗，而两象限变频器则需要加装制动单元及制动电阻方能使电动机四象限运行。需要注意的是若整流单元和逆变单元采用分立的IGBT，不管电动状态还是发电状态，前级的IGBT和并联的续流二极管始终是同样的开通和关断，主要控制的是电流方向。

四象限变频器在电机控制应用中在打开或维修变频装置之前，需要注意以下几点问题：

1）确认无任何发热元件和变频器不带电。变频器断电后电源指示等熄灭之前不进行任何操作，防止直流中间回路的大电容残存的能量造成伤害，。

2）两次合分高压的间隔时间最好在十分钟以上。

3）使用万用表M欧档测量每个输入端子之间的电压，以保证变频装置放电完毕。

5.结束语

电机中四象限变频器的应用是提高电机作业效果的关键设备。从文中分析可发现四象限变频器在电机控制中优势明显，但仍有些许问题值得我们研究，四象限变频器抗负载扰动能力是一个非常关键性能指标，特别是在突加、突减负载时，如何减小直流母线电压波动仍然值得深入探讨。四象限变频器是一个通用性很强的拓扑，当其应用于新型电机控制时，如何根据特定系统调整相关控制策略也是一个值得思考的问题。本文对四象限变频器的运作原理及应用进行了简要分析，探寻出一条最佳应用途径可以更大限度的发挥四象限变频器的作用。

参考文献：

[1]黄少廷，李砚卿，四象限变频电控装置的应用和改进[J].机械与电子.2011（9）：498..

[2]张智博，四象限变频器在电机控制中的有效性应用[J].系统应用.2008（10）：78-79.

[3]初升，四象限变频器技术介绍[J].变频器世界.2006（10）：78-79.

[4]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

作者简介：陈晓东（1981.4～）男，汉族，江苏无锡，尼得科康迪克电梯技术（无锡）有限公司，助理工程师，本科，电梯控制系统