變頻器原理介紹

1變頻器原理介紹國(guó)電風(fēng)電設(shè)備調(diào)試所2012.04目錄1.交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電原理介紹2.雙饋風(fēng)力發(fā)電變頻器ACS800－672

1.交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電原理介紹1.1雙饋異步電機(jī)基本原理雙饋電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步感應(yīng)電機(jī)，定子與一般的交流發(fā)電機(jī)一樣，布有三相分布式繞組；轉(zhuǎn)子與一般發(fā)電機(jī)不同，它也布有三相分布式繞組。運(yùn)行時(shí)，定子側(cè)直接接入三相工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變頻器接入所需低頻電流。因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子兩側(cè)都有能量的饋送，所以稱為雙饋電機(jī)。Ps=Pmech±Pr31.2交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電原理介紹1.2.1原理介紹：

交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)原理性示意圖如圖Ⅰ—1所示，發(fā)電機(jī)一般為三相繞線式異步發(fā)電機(jī)，定子繞組并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組外接三相轉(zhuǎn)差頻率的變頻器，實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁。圖Ⅰ—1交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)4根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止的原理，可以得出變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定轉(zhuǎn)子繞組電流頻率關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率f2，保證f1恒定不變，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。5當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，應(yīng)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f2使定子輸出頻率f1恒定。根據(jù)關(guān)系（I-1），當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1時(shí)，發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行，此時(shí)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供正相序勵(lì)磁，式（Ⅰ-1）取正號(hào)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n高于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1時(shí)，發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行，式（Ⅰ-1）取負(fù)號(hào)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n等于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n2時(shí)，發(fā)電機(jī)處于同步速運(yùn)行，f2=0，變頻器應(yīng)向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。

p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f2為轉(zhuǎn)子電流頻率；f1為定子電流頻率。6在不計(jì)鐵耗和機(jī)械損耗的情況下，可以得到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的能量流動(dòng)關(guān)系：（Ⅰ—2）式中Pmech為轉(zhuǎn)子軸上輸入的機(jī)械功率，p2為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變頻器輸入的電功率，p1為定子輸出的電功率，pcu1為定子繞組銅耗，pcu2為轉(zhuǎn)子繞組銅耗，s為轉(zhuǎn)差率。7由式（Ⅰ—3）可知，當(dāng)電機(jī)處于亞同步狀態(tài)時(shí)，s>0，P2>0，變頻器向轉(zhuǎn)子繞組輸入電功率；當(dāng)電機(jī)處于超同步狀態(tài)時(shí)，s<0，P2<0，變頻器從轉(zhuǎn)子繞組輸出電功率。綜上可知，在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性和追蹤最大風(fēng)能的要求，電機(jī)轉(zhuǎn)速在不斷地變化，而且經(jīng)常在同步速上、下波動(dòng)，這就使得轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電源不僅有要良好的變頻輸入﹑輸出特性，而且有能量雙向流動(dòng)的能力。

（Ⅰ—3）等號(hào)左側(cè)以輸入功率為正，右側(cè)以輸出功率為正，在忽略定、轉(zhuǎn)子繞組銅耗條件下，可近似為（I-3）式8當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)，即n<n1（同步轉(zhuǎn)速），f2取正號(hào)，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器從電網(wǎng)吸取功率P2（轉(zhuǎn)子功率），為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的正向勵(lì)磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，從而將風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械能Pmech轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)定子輸出的功率為P1=Pmech+P2。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于超同步速運(yùn)行時(shí)，即n>n1（同步轉(zhuǎn)速），f2取負(fù)號(hào)，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器將吸收的機(jī)械能反饋回電網(wǎng)P2，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供頻率為f2的負(fù)向勵(lì)磁電流，保證定子繞組產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同幅的電壓矢量，同時(shí)將風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械能Pmech轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)定子輸出的電能為P1=Pmech-|P2|即P1=Pmech+P2，P2此時(shí)為負(fù)值，P2從電網(wǎng)吸收功率取正，向電網(wǎng)輸出功率取負(fù)。9

2.雙饋風(fēng)力發(fā)電變頻器ACS800－67

ACS800－67風(fēng)力發(fā)電變頻器主要和帶有轉(zhuǎn)子繞組和滑環(huán)的感應(yīng)式發(fā)電機(jī)一起使用，連接于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間，電路圖如圖3-1所示。該變頻器安裝在塔底處。10

變壓器10...24kV,f=50Hz

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電網(wǎng)側(cè)變流器齒輪箱抱閘變槳傳動(dòng)轉(zhuǎn)子軸承主斷路器變頻器控制風(fēng)機(jī)控制異步電機(jī)帶滑環(huán)中壓開(kāi)關(guān)變頻器

圖3-1帶滑差能量回饋的雙饋式發(fā)電機(jī)11

變頻器工作原理與上節(jié)所述一致，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，ACS800－67通過(guò)內(nèi)部控制快速增加或降低轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，保證發(fā)電機(jī)獲得最優(yōu)滑差，達(dá)到獲得最大發(fā)電量的目的。該傳動(dòng)單元也可以完成在將定子輸出接入電網(wǎng)之前使定子輸出電壓和電網(wǎng)電壓同步的目的。在脫離電網(wǎng)時(shí)，傳動(dòng)單元通過(guò)將轉(zhuǎn)矩給定調(diào)整為零，使定子電流減少至零，以便將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)脫離。傳動(dòng)單元包括一個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器ISU和兩個(gè)并聯(lián)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器INU。圖2-1公共直流母線系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器是一個(gè)基于IGBT模塊的變流器，將輸入的三相交流電整流為所需的直流電，為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器供電。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器包含一個(gè)或兩個(gè)基于IGBT的逆變器模塊，將直流電逆變?yōu)楫a(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所需頻率和幅值的三相交流電，向轉(zhuǎn)子繞組供電。12

網(wǎng)側(cè)變流器是一個(gè)基于IGBT模塊的變流器(ISU)，它帶有AC或DC熔斷器及可選設(shè)備。它帶有一個(gè)裝有IGBT供電控制程序的RDCU-02控制單元。網(wǎng)側(cè)變流器由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制單元通過(guò)光纖進(jìn)行控制。網(wǎng)側(cè)變流器將輸入的三相交流電整流為傳動(dòng)單元中間直流電路所需要的直流電。中間直流電流向轉(zhuǎn)子側(cè)變流器供電。網(wǎng)側(cè)濾波器用來(lái)抑制交流電壓和電流諧波。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器包含一個(gè)或兩個(gè)基于IGBT的逆變器模塊(INU)，還包括NDCU-33控制單元。該變流器裝有繞線電機(jī)控制應(yīng)用程序，該程序還通過(guò)光纖對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器模塊進(jìn)行控制。13

圖2-1公共直流母線系統(tǒng)1415雙饋風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)投入電網(wǎng)前首先要進(jìn)行同步運(yùn)行，即使發(fā)電機(jī)的定子電壓在幅值、頻率和相位上與電網(wǎng)電壓達(dá)到一致。同步運(yùn)行步驟如下：將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到設(shè)定的正常工作范圍內(nèi)，即同步轉(zhuǎn)速的70％~130％，啟動(dòng)變頻器；充電回路開(kāi)關(guān)閉合，網(wǎng)側(cè)變流器啟動(dòng)為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器建立直流電壓，充電回路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，主接觸器閉合