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1、风电系统变流器原理与维护 前 言风力机控制技术已由定桨距失速控制风力机发展为变桨距控制风力机；发电系统的控制由恒速控制发展为变速恒频控制；变速恒频控制系统也出现了双馈异步机变流器变速恒频发电系统和直驱永磁同步电机变流器变速恒频系统等。计算机和电力电子技术的飞速发展，为风电技术的发展提供了强大的推动力。 同步电机发电系统和异步电机发电系统各有所长，目前都在迅速发展中。本课程主要介绍这两种系统迅速发展的核心技术：变流器变速恒频控制器在风电系统中的应用与维护。课 程 目 录第一章 变速恒频控制器 变流器第二章 双馈电机的变速恒频发电原理第三章 直驱低速永磁同步电机发电原理第四章 变流器用半导体开关的
2、特性第五章 变流器的结构第六章 变流器的检测与维护第七章 变流器常见故障的处理第一章 变速恒频控制器变流器交流电机的转速交流电机的调速方案变频调速原理与变流器交流电机的转速n = 120 （1-s） f / p n：电机转速。rpmf： 输入电机的电源频率。Hzs: 电机转差率。S = (n0-nr) / n0 p: 电机极数。 2，4，6从上可见，交流电机的转速是由 s , f , p 三个因素决定的。也就是说交流电机调速有三套解决方案：调速滑差；变极调速；变频调速。交流电机的调速方案交流电机调速方案一：滑差调速 其特点是：技术简单，调速连续，价廉； 但效率低，较耗能。交流电机调速方案二：变
3、极调速 其特点是：技术简单，效率高；有级调速， 应用受限。交流电机调速方案三：变频调速 其特点是：兼具高效率与可连续调速，易于 自动控制；但技术复杂，价高， 维护不易。 交流电机调速方案一转 差 调 速调 S （转差调速）在变频器面市以前，是交流电机调速的主要方式。转差调速分能耗型和回馈型两类。能耗型如电机定子调压调速，滑差离合器调速，线绕转子电机转子回路串电阻调速等；回馈型：如串级调速。调S（转差调速）的优点是无级调速，产品成本较低，产品种类丰富。转差能耗型调速的缺点是：以耗能来达到调速目的，因属耗能产品，已基本退出市场。转差回馈型调速能将转差能量经逆变，回馈到电网，控制功率仅为定子控制的1
4、/3，但调速范围较窄。仅适用于泵和风机的控制，有较高性/价比。转 差 能 耗 型 调 速转差消耗型调速是通过加大转子与定子间的转差，使转子输出速度降低。而转差产生的功率则转变为热量耗散掉。所以，这类调速都伴有发热的现象。需要专门的冷却设计来散热，以保证电机的正常工作。 这类调速装置结构简单，成本较低。仅在调速要求不高，功率较小的设备中应用。一般已不采用。转差能耗型调速原理K1转差回馈型调速线绕转子电机的串级调速（广义）属于转差功率回馈型。它将转差功率经整流逆变后回馈到电网，由于电网对回馈电的谐波有较高的限制，因此装置成本较高。有一种改进方案：斩波内馈调速电机，是在电机定子中再嵌入一副绕组，来接
5、受回馈能量，用于补充电机的驱动。以降低逆变器的要求和成本。缺点是此方案比较复杂，效率低。仅适于新建设备，不适于旧设备改造。线绕转子电机串级调速K2TI电网K1能量单向流动变频器交流电机调速方案二 变 极 调 速 变极调速就是将多速电机定子极数通过改变线包连接方式，来改变其极数；或者，在同一定子和转子上安装两套不同极数的绕组切换运行，从而达到改变运行转速的方法。 其优点是调速效率高，技术简单，成本低。缺点是：只能做到有级调速，并且级数有限。如2/4，4/6等。多速电机的变极调速控制多速电机的变极调速控制交流电机调速方案三 变 频 调 速变频调速是通过调节电机电源频率来调节电机转速。变频调速集滑差
6、调速与变极调速的优点于一身，是一种高效，无级，易于自动控制的交流电机最优调速方案。变频调速有两种基本方式：定子侧全功率变频调速和定子侧工频，转子侧变频调速。变流器原理与变流器交流电机转矩与控制变频器控制模式： 1.V/F恒磁通控制 2. VC矢量控制 3.DTC转矩直接控制变频器的分类风电变流器与变频器的区别交流电机转矩与控制M = Cmm I2 COS 2 又：m = CU1/ f M ：电机转矩。N.m m：电机极磁通。 I 2 ：电机转子电流。 2： 转子电路功率因素 。 Cm ： 转矩系数。可见在电源电压不变时： f M 电机转矩变小，带不动负载而致堵转。 f I 导致磁路饱和，电流增
7、大而致电机烧损。 变频器（VVVF）控制原理从转矩公式可知，仅调频率f，电机是不能正常工作的。因为如果电源电压不变，f频率上升,电机阻抗将增大、电流降低、磁通变小、转矩/功率变小，电机将不能按额定值运行。反之，f降低，则阻抗变小，电流增大，磁通变大甚至饱和，将导致电机的烧毁。 从磁通等式可见，若要使磁通不变，仅须f与V的比值不变。也就是说，在f发生变化时，V须和f同时变，时时保持f/V之比不变即可。电机即可长期安全地变速驱动额定负载。这就是变频器工作的基本原理。 V（可变）V（电压）V（可变）F（频率）这个英语名词就是以其工作原理来命名变频器的。V/F=常数的控制模式V/F=常数控制，是恒磁通
8、控制即恒转矩控制，理论上可使变频器驱动的电机输出恒转矩，但是，由于定子压降几乎是恒定的，在低频（低速）时所占输出的比例已不可忽略，使得低频输出的转矩变小，启动困难，因此在低频段须提高电压，以满足启动要求，称之为转矩提升（或补偿）功能。但不能超过30%，因电机处于过励状态，不能长期在低频下运行，否则会烧毁电机。V/F控制以恒磁通为控制目标，是一种标量/平均值控制，对电机负载变化的响应较慢，动态性能较差。在轻载时易出现不稳定现象。它适合于负载惯量较大，负载较平稳的风机，水泵等控制要求不高的机械使用。它的特点是运行平稳，适应性很好，对所接电机的参数及台数均无限制，只要在其额定电流之下即可安全工作。是
9、应用最广泛的一种控制模式。V/F为常数的控制特点V/F协调变化的实现方法 V/F的协调变化的2种方法：PAM和PWMPAM，是分别在整流回路通过可控整流或直流斩波来调节电压V，在逆变回路调节频率f，再设一个VF控制电路来协调控制V和f。因中间回路有大电容，时间常数很大，使V的调节不灵敏，降低了输出的动态性能，目前已不常应用。 PWM是一种新技术，能在逆变回路中同时完成V和f的协调控制，控制简单，动态性能比PAM好。是最常用的技术。PAM 电 路 PAM（Pulse Amplitude Modulation） PAM 波 形PWM 电 路 PWM（Pulse Width Modulation）P
10、WM 波 形单 极 性 PWM双 极 性 PWM采用 PWM 的电压调节正弦波PWM（SPWM）V C( Vector Control) 矢量控制矢量控制的基本原理是将异步电机与直流电机类比，将定子电流分解出励磁电流和转矩电流，分别控制两分量的幅值即控制定子电流矢量，从而达到控制异步电动机转矩的目的。所以称这种控制方式为矢量控制。风电变流器 一般均使用高性能的VC矢量型或DTC直接转矩型。所以发电机都带有编码器。VC矢量控制模式的特点矢量控制在性能上与直流电机相当，在低速转矩和动态性能方面比V/F控制有很大的提高。但是这一性能是在电机装有测速装置（光电编码器）才能达到，并且必须向变流器提供电机
11、的实时准确的电磁参数。这些参数在变流器运行前通过变流器对发电机的在线测试得到。直接转矩控制技术，是利用开关的空间矢量，定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（BandBand 控制），直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。DTC型变流器同样需要发电机的电磁参数及实时温度等。一般不需要编码器，在较高精度控制时才需要编码器。 DTC(Direct Torque Control) 直接转矩控制DTC直接转矩控制的特点DTC控制模型较直观简单，对电机电磁参数的准确度要求不高，在不装速度检测装置的
12、情况下也能达到较高的性能。但输出转矩的波动较大，对波动大的负载控制不太稳定。几种控制模式性能的对比转矩阶跃时间精确的电机或速度控制零速时满转矩转矩的直接控制 没有误跳闸电网闪落的跨越不会引起不必要的生产中断快速控制- 更好的保护DTCFlux vectorOpen loop PWM 100 msec.变 频 器 的 分 类按变换形式分：交交；交直交。 按变频器输出阻抗分：电流型；电压型。 按结构形式分：单板OEM，壁挂，柜体。 按使用工况分：两象限，四象限。交交 变 频 器交交变频器没有整流电路，通过直接对交流电进行通断控制，使输出频率降低。常用于调速范围不超过1/3额定转速的大型风机水泵等设
13、备。 新型矩阵变频器有望使交-交变频器达到交直交变频器的性能。交交变频器能实现能量双向流动，是一种适用于变速恒频工作的可逆变频器。交交变频器原理图矩 阵 型 交-交 变 频 器 主 回 路 图RSTUVW交-交变频调速系统是一种不经过中间直流环节，直接将较高固定频率的电压变换为输出频率和输出电压较低而可变的变频调速系统。其每一相均由两组（正、负组）三相全波变流器反并联构成。输出的电压为： Ud = Ud0cosp = Ud0cosN (1) 式中：P正组整流器控制角；N负组整流器控制角；Ud0=0输出电压平均值。交交变频器的输出电压交交变频器波形图交直交 变频器交-直-交变频器有两个变换器，通常是一个整流器加一个逆变器。因为变换过程是交流转换为直流，再由直流转换为交流。如果由两个逆变器组成，则称为四象限变频器，可以工作在电动-发电的可逆状态。通常使用在有势能负载如电梯，吊车，起重设备的驱动。还有在风电双馈系统中应用的变流器就是这种变频器。下面就主要介绍这种变频器。 交-直-交 变流器原理框图 电 流 型 变 频 器 特 性中间回路中使用电感滤波，具有电流源输出特性，输出不怕短路，但 不能开路，保护简单可靠。输出与负载特性有关，变频器是
