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1、变 频 器,南车株洲电力机车研究所有限公司,技术服务部,Page 2,变频器,Page 3,一、变频器基础知识,变频器的基本结构 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 变频器分为控制电路、整流电路、直流电路、逆变电路 控 制 电 路：成对主电路的控制 整 流 电 路：将交流电变换成直流电 直流中间电路：对整流电路的输出进行平滑滤波 逆 变 电 路：将直流电再逆变成交流电 对于矢量控制的变频器，运算量很大，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 变频器本质上是一种通过频率变换方式来进行转矩(速度)和磁场调节的电机控制器。,Page 4,一、
2、变频器基础知识,电力电子器件定义 电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率电子器件 (通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上) 。又称功率电子器件。 IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor） IGBT是绝缘栅双极型晶体管，它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，为变频器内部常用器件。既有输入 阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。因此，IGBT的新技术、新工艺不断有
3、新的突破；应用频率硬开关5KHz40KHz，软开关40KHz150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦。,Page 5,一、变频器基础知识,晶闸管与IGBT的区别,晶体管类（晶闸管）都是不能被控制关断的器件。 电力电子中的电力二极管和电力晶闸管属于半控型器件，如果用于整流用六个二极管构成一个整流桥堆，由于导通相角不可以被控制，实际上是不可关断的。 但是IGBT是全控设备，可以任意控制导通角，控制关断和开通，这样输出特性可以被任意调整。 此外IGBT与晶闸管的原理、材料和工艺也不相同,工作原理、反应时间、能耗、寿命都不完全相同,Page 6,一、变频器基础知识,变频器硬件电路图 二极管整流谐波较大，整
4、流电压不可调，价格便宜。 IGBT整流谐波较小，整流电压可调，价格昂贵。,Page 7,一、变频器基础知识,Page 8,变频器,Page 9,二、变频器的分类,变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器,电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。 由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 电流型变频器
5、由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。,Page 10,二、变频器的分类,按照开关方式分类，可以分为PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频PWM控制变频器,PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写， 是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。,Page 11,二、变频器的
6、分类,PWM控制的基本原理,采样控制理论中有一个重要的结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，即输出相应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。 前3图的面积（即冲量）都等于一。那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出相应基本相同。脉冲越窄，其输出差异越小。,Page 12,二、变频器的分类,可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。 PWM是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。 -广泛的用于电动机调速和阀门控制， 比如我们现在的电动车
7、电机调 速就是 使用这种方式。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 -SPWM广泛的用于支流交流逆变器 等，比如高级一些的UPS就是一个例 子。,Page 13,二、变频器的分类,载波为三角波，决定了IGBT的开关频率。开关频率越高，输出谐波越少，开关损耗越大，温升越高。 三个参考波为输出控制的正弦波形。 通过SPWM控制IGBT的开关，即可输出频率和电压可调的正弦波。 SPWM是经典的IGBT控制方法，现在多采用更复杂的PWM控制方法，如SVPWM（空间矢量脉宽调
8、制Space Vector Pulse Width Modulation ）等。,Page 14,二、变频器的分类,按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等； 按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。,Page 15,二、变频器的分类,根据不同的电机模型，分别有不同的电机控制算法。 标量控制算法适合电机的静态模型。 标量控制通过控制电压和频率的恒定比值，从而在保持恒定力矩的条件下，输出不同的频率，从而控制电机的速度。,Page 16,二、变频器的分类,矢量控制算法适合电机的动态模型。 其原理本质是：通过对
9、交流电机进行解耦，模拟直流电机控制，从而分别控制电机的转矩和励磁磁场。当控制了转矩，也就控制了速度。,Page 17,二、变频器的分类,矢量控制 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 异步电动机的矢量控制： 它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转
10、子磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气隙来中转，把它变成定子电流 然后，有一些坐标变换，首先通过/变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度 最后再经过/变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能 综合以上：矢量控制包括四个知识：等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换（包括静止和旋转） 定性的来讲,矢量控制就是通过坐标变换,把原本相对于人来说静止的坐标系中的物理量(定子电流)转换成旋转坐标系中的物理量,从而实现类似于直
11、流电机的控制. 相对于标量控制，矢量控制控制的算法更复杂、控制精度更高。,Page 18,变频器,Page 19,三、WT1650中变频器功能介绍,变桨用变频器为伺服系统。 硬件上，变桨用变频器采用了一公共整流，三个变桨变频器通过逆变控制电机。 软件上，变桨用变频器采用矢量控制，并进行位置控制，从而对桨叶角度进行快速、准确的调节。,Page 20,三、WT1650中变频器功能介绍,偏航用变频器为开环系统。 硬件上，偏航用变频器采用了一拖多的控制拓扑结构：即一台变频器控制四台电机。 软件上，变桨用变频器采用开环控制，由PLC接受凸轮的位置反馈信号，并向变频器发出速度控制指令、启动时间等信息，从而
12、调节了偏航角度。,Page 21,三、WT1650中变频器功能介绍,发电机用变频器。 硬件上，发电机用变频器为IGBT整流变频器，SVPWM（空间矢量脉冲调制）技术。,Page 22,三、WT1650中变频器功能介绍,电网侧变频器 -控制DC母线 -预充电 -线路滤波同步处理 -电网监视 电机侧变频器 -发电机力矩控制 -功率因数调节 -发电机同步 -速度监视 -Crowbar触发,Page 23,三、WT1650中变频器功能介绍,Page 24,三、WT1650中变频器功能介绍,发电机侧变频器与发电机转子相连。 功率容量上，两倍于网侧变频器。,软件上，发电机侧变频器采用矢量控制，接受来自发电
13、机的速度反馈并进行解藕。 控制两个量： -发电机的力矩 -发电机的无功功率。,Page 25,三、WT1650中变频器功能介绍,网侧变频器与电网连接。 软件上，电网侧变频器控制两个量： -直流母线电压 -发电机无功功率,Page 26,三、WT1650中变频器功能介绍,变频器具有以下特点： 1、系统元件按20年使用寿命设计。系统可在恒定的转矩或功率下工作，突变转矩和作用在机械部件上的合力被有效地减到最小，因此使用寿命更长。 2、变频器可以通过控制柜上的按钮、PC机或者自动控制系统来操作。当发出启动信号时，变频器可在设定的速度范围内自动运行或者由PLC控制系统根据输入参数控制变频器自动运行。 3
14、、紧凑、体积小。 防护等级为IP55，有效的防尘防水。 4、冷却系统采用空水冷冷却方式。功率变频器内部通过位于柜侧的空气水换热器进行冷却。此外在功率变频器内有一套专门冷却功率半导体的空气水换热器。有效散热、防止变频器温度过高，保护器件和系统。,Page 27,三、WT1650中变频器功能介绍,变频器更换,变频器在更换前应断开所有连接的电源。由于变频器内部有一定的寄生电压，所以应该将直流端先短接，放电。以防发生危险。,Page 28,三、WT1650中变频器功能介绍,并网过程的描述,发电机,转子,定子,Page 29,三、WT1650中变频器功能介绍,预充电过程(S2),闭合预充电单元，直流电压
15、975V 网侧变频器接触器同步，直流电压900V 如果没有预充电环节，直接吸和网侧接触器，较大的电势差使接触器造成较大的冲击，形成瞬间过电流。,Page 30,三、WT1650中变频器功能介绍,闭合LSC(S6),启动LSC，直流电压1050VDC，断开预充电单元接触器,Page 31,三、WT1650中变频器功能介绍,电机侧变频器启动(S7),网侧变频器电流80A左右，电机侧变频器电流20A左右。,Page 32,三、WT1650中变频器功能介绍,同步(S7-syn),风机转速达到1200-1400rpm，电机侧变频器注入140A电流，电机定子侧电压达到690V。,Page 33,三、WT1
16、650中变频器功能介绍,发电(S8),定子接触器闭合。定子电压幅值、相位、频率与电网电压一致，定子接触器闭合，风机并网发电。,Page 34,三、WT1650中变频器功能介绍,CrowBar,Crowbar的主要作用是保护变频器，当直流母排电压高于软件限值1175DC、硬件限值1200DC时，crowbar动作，切断网侧变频器接触器-K340.4及定子接触器-K150.1，变频器菜单下Err104(crowbar触发)。,1. 电机侧变频器不停检测直流母线电压，当电压高于1175DC时，电机侧变频器通过光纤与crowbar通讯，此时光纤处有红光。,2. Crowbar接受到来自变频器的报警信号后，b点输出电压，触发-V312.4时图中箭头标识线路瞬间导通。,3. Crowbar通过a点检测电阻-R312.6.1的电压，线路导通后，电阻-R312.6.1产生压降，
