产品与技术
PRODUCT & TECHNOLOGY
众所周知，交流异步电动机主要由定子和转子
等器件组成，定子的主要作用是产生电磁场。当定
子线圈通入三相交流电时，由于产生磁场的励磁电
流交变作用，使这个磁场会在空间旋转，旋转磁场
与转子之间存在相对运动。
旋转磁场的转速称作同步转速ｎ
ｇ
（ｒ／ｍｉｎ），把比
这个转速低的转子转速记做ｎ（ｒ／ｍｉｎ），它们的差率称
作转差率ｓ，ｓ＝（ｎ
ｇ－ｎ）／ｎ
ｇ
×１００。
同步转速ｎ
ｇ
（ｒ／ｍｉｎ）＝６０ｆ／ｐ
式中 ｐ——定子磁场的磁极对数（电动机的极对数）； ｆ——电源频率（Ｈｚ）。
转子转速ｎ（ｒ／ｍｉｎ）＝６０ｆ／ｐ（１－ｓ）
当电动机在某一固定频率下运行时，视为电动状态，当电动机降速时，由于电动机转速来不及变化，转差率为负值（实际转速大于给定转速），则电动机从电动状态变为发电状态。电压型变频器由于大电容滤波使直流电压稳定不变，整流器无法改变极性，电动机动能不能反馈回电网。多余的能量如果不能消耗，会损坏变频器，这时一般在滤波环节中接入制动电阻来消耗该能量。
提升机械属恒转矩负载，运行时要求提供恒定足够的转矩，要求四象限运行，再生制动时能反馈能量，具体运行过程如下：
①第一象限：正向卷取，提升重物。货物上升方向与电动机转速一致，电动机转矩与负载转矩相反，处于正向电动状态。②第二象限：正向卷放，下放重物。存储在负载的势能被释放出来变成动能，负载拖着电动机转动，电动机转矩方向和转速方向相反，而转速方向与下降方向相同。但是电动机转速大于给定转速，电动机呈发电状态，产生能量反馈，为正向反馈状态。③第三象限：反向卷取，提升重物。为反向电动状态。④第四象限：反向卷放，下放重物，为反向回馈状态。
目前提升机械虽然已经大量使用变频器控制，但大部分的变频器还是采用能耗制动的方式，通过制动电阻的发热来消耗再生能量，浪费了大量的能量。同时由于存在大量的输入侧谐波，导致电动机的效率降低。ＡＦＥ装置组成的四象限变频器使这两个问题得到了很好的解决。
ＡＦＥ装置的说明和功能
ＡＦＥ装置的英文全称为Ａｃｔｉｖｅ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ，中文称为主动前端、有源前端或整流回馈装置。从结构上看，由于采用了ＩＧＢＴ功率元件，因此它相当于一个逆变器，不同的是其输入为交流，输出为直流。与传统的二极管或晶闸管整流技术相比，ＡＦＥ不再是被动的将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能，实现了电网与变频器直流母线间能量的双向流动。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有很好的动态特性。
ＡＦＥ装置从电网汲取正弦波交流电源，经过整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值，在电网电压较低时或波动较大时都能保持直流母线电压的稳定，各次谐波都被谐波电路剔除了。同时，ＡＦＥ的主动整流回路及滤波电路确保了从电网汲取的和反馈的只有正弦波电压和电流，而不会产生二极管整流桥不可消除的５次、７次、１１次及１３次谐波。使总的谐波畸变小于４％ ，即使对恶劣状况的电网也不例外。
ＡＦＥ装置具有１００％的能量回馈能力，只有在
「变频器」
ＡＦＥ装置在提升机械的应用
文／北方工业大学机电学院 黄 全 李宇成
通过ＡＦＥ装置组成四象限变频器实现四象限运行，把电动机制动能量回馈给电网达到节能的目的，同时也消除了输入侧谐波，提升了电动机的效率。该装置具
有很好的应用前景。
62 ｜ 电气时代・２０１０年第８期电气传动产品与技术
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必要的时候才会关断装置。这种主动关断功能消除
了传统整流技术存在的换相失败或快熔故障的可能
性。同时它能保持恒定的直流环节电压，对于不稳
定的电网，即使电压降低，ＡＦＥ仍然能保证额定的
直流电压而不会造成故障。在动态性能方面，与传
统的传动系统比较起来，因为采用了ＩＧＢＴ功率元
件，所以动态性能得到大大提升。而且ＡＦＥ装置可
以对已有电网进行无功补偿，而不必再配置外部补
偿设备。
目前市场上推出的ＡＦＥ装置的公司有不少，如
西门子、ＡＢＢ、派克汉尼汾、伟肯等。各厂家的ＡＦＥ
装置结构和功能都比较类似，以派克汉尼汾公司生
产的ＡＦＥ装置为例来具体分析说明。
派克ＡＦＥ装置的组成和使用
派克ＡＦＥ装置的电路图如图１所示，主要由３部
分构成：ＬＣＬ滤波器、预充电控制回路及６９０ＡＦＥ。
ＡＦＥ装置不能单独使用，它与驱动器（或逆变
器）配置在一起使用，构成四象限变频器。在四象限变频器配置中，ＡＦＥ装置作为单一功率因数电源，它的输出作为直流电源使用，通过直流母线端与另一个驱动电动机的驱动器（或逆变器）相连，组成四象限变频器。
图２为ＡＦＥ装置和逆变器（使用的是派克６９０Ｐ驱动器）组成的一个完整的四象限变频器。
ＡＦＥ装置和６９０Ｐ驱动器在功率上互相匹配。ＡＦＥ装置提供的电源满足了负载的所有电动和再生的需要。检测旋转、频率和相位时，不需要任何其他的硬件。同样，也不需要动态制动电阻。
当主电源连接到ＡＦＥ装置时，通过外部的预充电回路对直流母线进行缓慢充电。ＡＦＥ装置的内部电源将以正常方式启动，当ＡＦＥ装置正常且运行信号接通时，主电源（相位、旋转、频率）同步开始，整个过程将进行大约１００ ｍｓ。一旦同步，共母线的直流母线电源将升至大约７２０ Ｖ，该直流连接电压值是再生运行所需的。
型号ＡＦＥ－２００－ＬＣＬ（配１３２ ｋＷ逆变器）的ＡＦＥ装置为例说明其内部的连线控制，如图３所示。
对ＡＦＥ装置组成的四象限变频器的运行状况分析，如图４所示，在电动状态下，６９０Ｐ驱动器的控制电流和驱动电压同相。
反之，如图５所示，在再生运行状态下，６９０Ｐ驱动器的控制电流和驱动电压相位相反。
分析再生运行状态下四象限变频器回馈回电网的能量，６９０ＡＦＥ部分的内部电路图如图６所示。
当处于再生运行状态时，电动机从电动状态变
为发电状态，产生的能量回到母线端。这时ｉ
ｃ
＞０，
电容进行充电，会吸收一部分能量，剩余的能量将
回馈电网。
在不考虑负载消耗的能量情况下，对回馈电网
的能量进行初步计算。
总动能Ｅ
ｋ
＝（１／２）×（Ｊ
ｍ
＋Ｊ
ｌ
）ω２
式中 Ｊ
ｍ
——转子惯量，ｋｇ・ｍ２；
Ｊ
ｌ
——负载惯量，ｋｇ・ｍ２；
ω——电动机旋转速度，ｒａｄ／ｓ。
下放负载时，存储在负载的势能被释放出来变
成动能
Ｅ
ｐ
＝ｍｇｈ
式中 ｍ——负载的质量；
ｇ——重力常数（９．８１ｍ／ｓ２）；
ｈ——负载减速时的垂直高度。
变频器电容吸收能量Ｅ
ｃ
＝（１／２）×ｃ（Ｖ
ｍ
２－ Ｖ
ＤＣ
２）
式中 ｃ——变频器电容，Ｆ；
Ｖ
ｍ
——变频器电容能承受的最大电压；
Ｖ
ＤＣ
——直流母线标称电压。
电动机绕组消耗的能量Ｅ
ｗ
＝（１／２）×Ｉ２Ｒ
ｍ
ｔ
ｄ
式中 Ｉ——通过绕组的电流，Ａ；
Ｒ
ｍ
——线到线间的电动机阻抗，Ω；
ｔ
ｄ
——减速时间，ｓ。
回馈电网的能量Ｅ＝Ｅ
ｋ
＋Ｅ
ｐ
－Ｅ
ｃ
－Ｅ
ｗ
，针对
图 ２
３相
电源
ＬＣＬ
滤波器
Ｕ
Ｖ
Ｗ
ＤＣ＋
ＤＣ－
６９０ＡＦＥ
（４－Ｑ Ｓｕｐｐｌｙ）
预充电电阻和接触器
预充电控制
ＡＦＥ－ｘｘｘ
７２０ Ｖ
直流母线
ＤＣ＋
ＤＣ－
６９０＋
Ｄｒｉｖｅ
Ｕ Ｖ Ｗ
Ｍ
３～
图 １
预充电电阻和接触器
６９０ＡＦＥ
（４－Ｑ Ｓｕｐｐｌｙ）
Ｕ
Ｖ
Ｗ
ＤＣ＋
ＤＣ－
７２０ Ｖ
直流母线
预充电控制
ＡＦＥ－ｘｘｘ
３相
电源
ＬＣＬ
滤波器
２０１０年第８期・电气时代 ｜ 63
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｜ 电气时代・２０１０年第８期
电气传动
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具体的应用状况，知道相关参数后，对变频器回馈图 ５
ＶＤ
ＶＳ
ＶＬ
Ｉ
Ｓ
１８０°＋θ
图 ４ＶＬ
ＶＳ
ＶＤ
ＩＳ
θ
图 ６
Ｕ
ＶＷ
ｉｌ
ｉｄ
ｉｃ
ＶＤＣ
ＤＣ＋
ＤＣ－
电网的能量进行初步运算，发现其节能效果是非常明显的。
现场调试方面，派克公司提供了免费调试软件ＤＳＥＬｉｔｅ，可以直接通过该软件调用相应的应用宏进行调试，而不必使用键盘对参数进行逐一设置。同时由于该软件支持用户使用内部功能模块进行自定义的配置编程，灵活性更强，方便了现场调试。
结束语
ＡＦＥ装置组成的四象限变频器具有许多优点：如硬件接线和软件调试简单方便；简化了共直流连接系统，节省了空间；减少了主谐波电流，电源电流的总谐波畸变ＴＨＤ分量小于４％；近乎正弦曲线
的电流；提高了功率因数，使功率因数大于０．９９；在电网电压较低或波动较大时也能保持直流母线电压稳定，保持足够的转矩输出；实现电动运行和再生运行，节能效果明显等。目前ＡＦＥ装置已经开始在提升机械方面得到了应用，客户均反映运行平稳，性能优越，既节约能量，又提高了运行的安全
性和效率，前景光明。EA
（收稿日期：２０１０．０２．１６）下载本文
