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1、CNYD Wind Power Ltd 电力电子变频器介绍 沈阳远大科机电工有限公司 CNYD Wind Power Ltd 变频器产生原因 变频器结构原理 变频器对电机的损伤 变频器工作原理 风电变频器原理 CNYD Wind Power Ltd 一、变频器的产生 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。 在20世纪上半叶的年代里， 鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流 电机 而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电 机 这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流 调速系统的多种方案
2、虽然早已问世，并已获得实际应用， 但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 早期电力拖动系统 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 直流电机的缺陷 这时，直流电机具有电刷和换向器因而必须经常检查维 修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向 能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来。 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难 了。 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 交流调速 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量 的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及
3、极 高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流 调速为宜。 用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈， 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发 展方向。 人们开始对交流调速进行研究 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 常见的交流调速方法 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速等 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 变频器产生原因 到20世纪6070年代， 随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流 拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的
4、出现，高性能交流调速系统便应运而生， 电力电子变频器的出现打破了以前交直流拖动按调速 性能分工的格局。 变频器产生原因 CNYD Wind Power Ltd 变压变频器如何调速 变频器产生原因 交流电机同步转速 利用变频器，通过改变电机的电源频率来对交 流电机的转速进行调节 CNYD Wind Power Ltd 二、变频器结构原理 变频器产结构原理 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 交直交变频 器 交交变频器 变频器按结构分类 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 交直交变压变频器 变压变频 (VVVF) 中间直流环节 恒压恒频 (CVCF) 逆变 DC
5、 AC AC 50Hz 整流 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直 流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所 示。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 交交变压变频器 基本结构：如图所示，只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电 源直接变换成VVVF输出，又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频 功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。 交-交（直接）变压变频器 交交变频 AC 50Hz AC CVCFVVVF CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 电压源变频 器 VSI 电流源变频 器 CSI 变频器按直流
6、环节直流电源类型分类 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 电压源型和电流源型逆变器 15 Ld Id Cd Ud Ud + - a) 电压源逆变器VSIb) 电流源逆变器CSI 电压源型和电流源型逆变器示意图 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器 可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采 用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 电压源型和电流源型逆变器 电压源型逆变器（Voltage Source InverterVSI ），直流环节采用大 电容
7、滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零 的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。 电流源型逆变器（Current Source Inverter CSI），直流环节采用大 电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流 是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明 显的差异，主要表现如下： CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 性能比较 （1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负 载电机之间，除了有功功率的传送外，还
8、存在无功功率的交换。滤波器除滤 波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类 逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能 量。 （2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特 征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动 和经常正、反转的生产机械。 （3）动态响应 交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应 比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 18 (4)输出波形 VSI输出的电压波形为
9、方波，CSI输出 的电流波形为方波（见表6-1 ）。 (5)应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以 适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要 求快速起制动和快速减速的场合。 采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但 可以满足快速起制动和可逆运行的要求。 19 PWM变压变频器及其基本结构、优点 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管 组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（PWM） 逆变器，简称PWM变压变频器。 图6-10 交-直-交PWM变压变频器 变压变频 (VVVF) 中间直流环节恒压恒频 (CVCF) PW
10、M 逆变器 DC AC AC 50Hz 调压调频 C nPWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO 的电压控制器件如IGCT、IEGT等。 1）在主电路整流和逆变两个单元中 ，只有逆变单元可控，通过它同时 调节电压和频率，结构简单。采用 全控型的功率开关器件，只通过驱 动电压脉冲进行控制，电路也简单 ，效率高。 2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采 用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大， 影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转 矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 3）逆变器同时实现调压和调 频，动态响应不受中间直流 环节
11、滤波器参数的影响，系 统的动态性能也得以提高。 4）采用不可控的二极管整 流器，电源侧功率因数较高 ，且不受逆变输出电压大小 的影响。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 变频器整流部分 共阴极组阴极连接在一起 的3个晶闸管（VT1，VT3， VT5） 共阳极组阳极连接在一起 的3个晶闸管（VT4，VT6， VT2） 编号：1、3、5，4、6、2 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 变频器整流部分 带电阻负载时的工作情况 a =0时的情况 对于共阴极阻的3个晶闸管， 阳极所接交流电压值最大 的一个导通。 对于共阳极组的3个晶闸管， 阴极所接交流电压值最低 （
12、或者说负得最多）的导通。 任意时刻共阳极组和共阴 极组中各有1个晶闸管处于 导通状态。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 变频器逆变部分 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交 流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 VT6 组成的三相逆变器 主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。 VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 Ud M 3 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 变频器逆变部分 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u AO u
13、 AO uAB iA id u BO uCO u OO U d Ud 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 Ud M 3 电压型逆变电路的波形 A C B CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 按照波形面积相等的 原则，每一个矩形波 的面积与相应位置的 正弦波面积相等，因 而这个序列的矩形波 与期望的正弦波等 效。 PWM调制原理 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的 期望波形，以频率比期望波 高得多的等腰三角波作为载 波（Carrier wave），并用频 率和期望波相同的
14、正弦波作 为调制波（Modulation wave ）， 当调制波与载波相交时，由 它们的交点确定逆变器开关 器件的通断时刻，从而获得 在正弦调制波的半个周期内 呈两边窄中间宽的一系列等 幅不等宽的矩形波。 CNYD Wind Power Ltd变频器结构原理 调制 电路 V1 V2 V3 V4 VD1 VD2 VD3 VD4 uc V6 VD6 V5 VD5 V U W NN C + C + urU urV urW 2 Ud 2 Ud PWM逆变器主电路及输出波形 CNYD Wind Power Ltd 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 1 t O O O O Ud 2 -Ud 2
15、1 t 1 t 1 t 1 t uraurburcut uAO -Ud 2 Ud 2 -Ud 2 -Ud Ud 2 Ud uCO uBO uAB 28 系统组成 (主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集 与综合电路、开关器件的吸收电路、其他辅助电路) M 3 电压 检测 泵升 限制 电流 检测 温度 检测 电流 检测 单 片 机 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 URUIR 0 R 1 R 2 Rb VTb K R0 R1Rb R2 转速开环 限流电阻R0(或电抗)-避免大电容C在通 电瞬间产生过大的充电电流. 电源接通时 ，先限制充电电流，再延时用开关K将短 路，以免长期接
16、入时影响变频器的正常工 作，并产生附加损耗。 泵升限制电路-二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流 的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻Rb吸收制动能 量。 减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向 电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限 制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在 制动电阻上。 为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。 进线电抗器Lin 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入 电流呈脉冲波形。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗 器。 有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可抑制电源电压不平衡对 变频器的
