第三章(2)风电控制系统电路基础

风力发电机组监测与控制华北电力大学可再生能源学院邓英第四节电气控制电路基础4.1、变流器（变频器）4.2、变压器原理4.3、交流异步电机介绍4.4、低压电器——接触器、控制开关4.5、电气线路图4.6、常见电气控制原理图举例

主要内容4.1、变频器简介4.1.1.什么是变频器？ （1）VVVF：改变电压、改变频率 （Variable

Voltage

and

Variable

Frequency）的缩写。（2）CVCF：恒电压、恒频率 （Constant

Voltage

and

Constant

Frequency）的缩写。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz），等等。

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC）。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即变频器。变频器也可用于家电等领域。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。

变频器：inverter

(日本常用)，AC

Drive

(欧美常用)，Frequency

Converter

(欧州常用)变流器

converters整流

rectifying-rectification

整流器

rectifier逆变

inverting-inversion

逆变器inverter

转矩脉动

torque

pulsation

脉宽调制

(PWM)

pulse

width

modulation

谐波

harmonic

矢量控制(VC)

vector

control

直接转矩控制(DTC)

direct

torque

control四象限运行

Four

quadrant

operation再生(制动)

Regeneration直流制动

d.c

braking漏电流

leak

current滤波器

filter电抗器

reactor电位器

potentiometer编码器encoder,

PLG

(pulse

generator)定子

stator转子rotor

4.1.3.

变频器和软启动器

变频器：变频变压。主要作用是调速，节能和软起动。软启动器：仅改变电压。主要作用是降低起动电流和冲击。

4.1.2.

部分常用术语中英文对照

4.1.4、变频器的基本运行原理1）.

电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

r/min——电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：2极电机

50Hz

3000

[r/min]

，4极电机

50Hz

1500

[r/min]

，电机的旋转速度同频率成比例。本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n

=

60f/p

n:

同步速度f:

电源频率p:

电机极对数可见，

改变频率和电压是最优的电机控制方法，如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出现过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

2）.

当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会发生变化

*1:

工频电源——由电网提供的动力电源（商用电源）。*2:

起动电流——当电机开始运转时，变频器的输出电流。（变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动）电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

4.1.4、变频器的基本运行原理3）.

-----当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-----

通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.

(T=Te,

P<=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速.

(P=Ue*Ie)

4.1.4、变频器的基本运行原理4）.

变频器50Hz以上的应用情况

对一个特定的电机来说,

其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是:

15kW/380V/30A,

电机可以工作在50Hz以上，当转速为50Hz时,

变频器的输出电压为380V,

电流为30A.

这时 如果增大输出频率到60Hz,

变频器的最大输出电压电流还只能380V/30A.

很显然输出功率不变.

所以我们称之为恒功率调速.这时的转矩情况怎样呢?因为P=wT

(w:角速度,

T:转矩).

因为P不变,

w增加了,

所以转矩会相应减小.我们还可以再换一个角度来看:电机的定子电压

U

=

E

+

I*R

(I为电流,

R为电子电阻,

E为感应电势)，可以看出,

U,I 不变时,

E也不变.而E

=

k*f*X,

(k:常数,

f:

频率,

X:磁通),

所以当f由50--> 60Hz时,

X会相应减小，对于电机来说,

T=K*I*X,

(K:常数,

I:电流,

X:磁通 ),

因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.同时,

小于50Hz时,

由于I*R很小,

所以U/f=E/f不变时,

磁通(X)为常数.

转矩T和电流成正比.

这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力.

并称为恒转矩调速 (额定电流不变-->最大转矩不变)。结论:

当变频器输出频率从50Hz以上 增加时,

电机的输出转矩会减小.5）.

其他和输出转矩有关的因素

发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。载波频率:

一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,

最高环境温度下能保证持续输出的数值.

降低载波频率,

电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。.环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.海拔高度:

海拔高度增加,

对散热和绝缘性能都有影响一般1000m以下可以不考虑.

以上每1000米降容5%就可以了.

4.1.4、变频器的基本运行原理6）变频器制动的情况1.

再生制动的概念

指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能.

动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。

对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程.

由制动产生的功率将返回到变频器侧，使直流侧的电压升高。这些能量可以通过变频器本身的发热消耗，如果不够的化，还需要用电阻发热消耗。 制动产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。

2.直流制动减速时，变频器对电机定子注入直流电，通过电机的发热来消耗能量，

改善制动效果。直流制动也可以用于使电机在零速时停的稳一点，防止受外力作用而使电机转动。要注意制动制动时间和电压不要设的太大，防止电机过热。3.

公用直流母线

一般用于工程型变频器，在钢铁、造纸等行业用的较多。多台逆变器使用一个公共的整流和直流环节。4.1.4、变频器的基本运行原理7）

在风力发电机组中是如何应用的？8）如何设计变频器问题提出 众所周知，变频器已经广泛应用各行各业。但变频控制系统如何设计，变频控制柜设计与制造对实际应用具体要求，是许多电气工程师及制造商，在实际设计及应用案例中，总结设计要点，具体的情况具体应用。变频器内部电路Vestas专用变流器驱动电路电机侧线侧根据实际及客户要求进行设计在变频控制系统设计前，一定要了解风力发电机组系统电气结构，工作方式，环境，控制方式，客户具体要求。应该确切知道如下技术参数及要求。

1．电机具体参数，2．出厂日期， 3．厂商（国产，进口）

5．电机的型号、额定电压，额定电流，驱动方式。6．发电机转速的运行范围。7．相数。

8．电机的负载特性类型，9．工作制式。10．电机起动方式。11．工作环境。如现场的温度12．防护等级，

13．电磁辐射等级，14．冷却等级。15．配电具体参数。16．变频柜安装位置到电机位置实际距离。（变频柜到电机距离是非常重要的参数）17．变流器驱动电机的数量及方式。

18．变频柜与主控电气系统的切换关系、通讯方式。19．一般为Δ-Y启动与变频工作互为备用

20.变频柜的外围传感变送器的选用参数及采样地点。

21.变频控制柜的控制方式，如手动/自动，本地/远程，控制信号的量程。是否通讯组网。

22.强电回路与弱电回路的隔离。采集及控制信号的隔离。

23．工作场合的供电质量，如防雷，浪涌，电磁辐射。

对新变频系统，电气工程师应该与机械工程师对传动机械负载特性，深入了解，才能确电机类型，容量。根据电机机械负载特性，容量，选用变频器的类型，容量。目前，风轮原动机与电机转矩特性有许多种类，常用有三种。

1．双馈电机方式。交-直-交，40-50%容量供电。 2．交流异步交-直-交100%全容量变流器3、永磁同步交-直-交100%全容量变流器公式表式为P=T*N/9550P-电机的功率kwT-电机转矩NMN-电机转速R/min

系统设计应注意：（1）电机应选变频器专用电机（2）变频柜应加装专用冷却风扇（3）增大电机容量，（4）降低负载特性（5）增大变频器的容量（6）变频器的容量与电机的容量关系应根据牌，（7）一般为1.1~1.5电机的容量。对于每个变频控制柜，设计是整个系统重点，最能体现产品质量关键环节。对于变频控制柜，电气设计工程师应在如下设计方面入手。1.变频控制系统的原理图设计

2.电路主路设计。

3.电路控制路设计。包括常规控制电路，4.PLC控制接口电路，5.变频器联网等。

6.变频控制柜的工艺设计。包括电气工艺设计，7.柜体结构板金工艺设计。变频柜配电设计

根据以上所述的原理规则，参照变频控制柜的原理图，根据实际需要，画出原理图。路主路设计。按如下顺序选择主回路电器件。

（1）确定发负载特性，（2）功率，（3）扭矩，（4）转速

（5）确定电机特性，（6）额定电压，（7）额定功率，（8）额定电流，

（10）根据以上条件，（11）和实际客户的需要，TR-变压器为可选项，根据电压等级标准，选配。

FU-熔断丝，一般要，选择为2.5-4倍额定变频器电流。注意熔断丝选速熔类。

QA-空开，一般要，选择为1.2倍额定变频器电流

KM-接触器，必须要，选择为额定变频器电流

LY-防雷浪涌器，最好要，特别雷暴多发区，以及交流电源尖峰浪涌多发场合，保护变频系统免遭意外破坏。一般配40KVA浪涌器。DK-电抗器

电抗器的作用是抑制变频器输入输出电流重高次谐波成份带来的不良影响，而滤波器的作用

是抑制由变频器带来的无线电电波干扰，即电波噪声。

有的变频器内置电抗器，有的场合也可不装电抗器。一般，多大功率变频器配多大电抗器，变频器厂商提供参数。选择电抗器的参数，可由下面公式计算

L=(2%~5%)V/6.18*F*I

V-额定电压V

I-额定电流A

F-最大频率HZLBI/LBO输入输出滤波器，一般应根据频率进行配置

R-制动电阻计算较复杂，应在变频器柜制造商指导下配置。电路控制回路设计，按电气工程师知识及变频器要求设计。但应注意

（1）输入/输出的弱电信号，（2）与PLC，（3）仪表，（4）传感变送器，（5）一定采取信号隔离，（6）否则，（7）控制系统信号混乱，（8）系统不（9）正常。

（10）与PLC，（11）常规控制系统接口，（12）一定加装浪涌吸收器。

（13）控制电源应采用隔离变压器，（14）进行电气隔离。

变频控制柜的工艺设计

电气工艺设计电气工程师变频电路设计出来，下一步就是电气工艺设计，包括：

1.多大功率变频器，2.配什么类型电缆，3.多大的线径，4.配多远。一般可以查表格或计算。

5.接地配线。

6.抗干扰布线。是非常重要的。一般强电电缆用带屏蔽电缆，7.电缆及屏蔽层用金属卡固定安装底板上，8.也有的加装屏蔽金属环，9.抗干扰。10.进出线的电缆管接头配置。柜体板金工艺设计应根据以下原则设计1．变频器的环境

温度：变频器环境温度为-10度-50度，一定要考虑通风散热。

湿度：震动：

气体：有无暴炸，腐蚀性气体

2．柜体承载重量。

3．运输方便性。加装吊装挂钩，4．搬运安全。

5．柜体的铭牌，6．制造商的CI标识。结论：一个质量较高的变频控制柜，从设计，工艺，制作制造，运输，包装，是实际要求较高的产品，要求各个环节质量保障，才能作出较高质量和水平的控制柜。4.2、变压器

变压器的标牌

4.3、发电机4.3.1交流异步发电机、永磁同步机异步电动机按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机下面是它主要部件的拆分图。三相异步电动机的结构右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。三相异步电动机的结构

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结三相异步电动机的结构

三相异步电动机的转子部分结构类型主要有两种：鼠笼型和绕线型。

鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图4.3.3双馈发电机概述这种电机的特点是：可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能或作转速调节用。下图是三相绕线型转子结构。绕组的三个出线端子接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。5）额定功率因数指电动机在额定负载时定子侧的功率因数；发电机概述三相异步电机的额定值1）额定功率（kW）指额定运行时转轴上的输出机械功率；2）额定电压（V）指加在绕组上的线电压；3）额定电流（A）指定子绕组中的线电流；4）额定频率（Hz）我国工业用频率为50Hz；发电机概述三相异步电动机的额定值6）额定转速（r/min）指电机额定运行时转轴的转速；（Nm）7）电动机的额定输出转矩计算式为.思考：如果转矩单位为kg

m，该如何计算？.发电机概述三相异步电动机的额定值

2）如铭牌上标有“380V、D联结”时，表示电机正常运行时只能采用“D”联结，但是在电动机起动过程中可接380V电源，绕组采用“Y”联结，起动完毕，恢复“D”联结。对高压电动机：

定子绕组只有三根出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值便可使用。对于中低压电动机：

1）如铭牌上标有“380/220V、Y/D联结”时，表示电源电压为380V时，电机绕组采用“Y”联结；电源电压为220V时，采用“D”联结。控制柜：变频控制柜、高低压开关柜、主控制CPU柜、电气柜、4.3.4、低压电器低压电器的分类按控制作用分类执行电器用来完成某种动作或传递功率。例如：电磁铁。控制电器用来控制电路的通断。例如：开关、继电器。主令电器用来控制其它自动电器的动作，以发出控制“指令”。例如：按钮、转换开关等。保护电器用来保护电源、电路及用电设备，使它们不致在短路、过载状态下运行，免遭损坏。例如：熔断器、热继电器等。按动作方式分自动切换电器按照信号或某个物理量的变化而自动动作的电器。例如：接触器、继电器等。非自动电器通过人力操作而动作的电器。例如：开关、按钮等。按动作原理分类电磁式电器它是根据电磁铁的原理工作的。例如：接触器、继电器等。非电磁式电器它是依靠外力（人力或机械力）或某种非电量的变化而动作的电器。例如：行程开关、按钮、速度继电器、热继电器等。

电器：是指能自动或手动接通和断开电路，以及对电路或非电路现象能进行切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件。低压电器：通常是指交流1200V及以下与直流1500V及以下电路中起通断、控制、保护和调节作用的电气设备低压电器的的定义低压电器——接触器接触器能频繁的接通或断开交直流主电路具有低压释放的功能分为交流接触器和直流接触器两种交流接触器结构：电磁机构(直动式、转动式)，触头系统（主、副），灭弧装置，其他部件主触点接线控制线圈接线~~~线圈M3~交流接触器结构图直流接触器结构：区别交流接触器

直流接触器接触器主要参数与常用系列主要参数额定电压：主触头（220、380、660…）额定电流：主触头（10~800）线圈电压（~/36、127、220、380/-24、48…）其他（操作频率、机械和电气寿命等）常用系列交流CJ10CJX1BLC1-D直流CZ0CZ18衔铁线圈常开触头延时闭合常闭触头延时打开常闭触头常开触头辅助触头动作T秒后通电延时线圈通电延时触头动作空气式时间继电器示意图断电式常闭断电后延时闭合常开断电后延时断开通电式瞬时动作延时动作常闭触点常开触点常开通电后延时闭合常闭通电后延时断开时间继电器触头类型热继电器

作用：利用电流的热效应制成的保护电器功能：过载保护外型a）外形b）结构图电流整定装置2—主电路接线柱3—复位按钮4—常闭触头5—动作机构6—热元件31—常闭触头接线柱32—公共动触头接线柱33—常开触头接线柱热继电器图形符号及文字符号：图形符号FRFR串联在主电路中串联在控制电路中热继电器选择

1、类型热继电器有单相、二相及三相式，其中三相式还分为有断相保护（用于电动机△连接情况）和无断相保护的。2、热元件额定电流和整定电流每一种热继电器可装不同额定电流的热元件，整定电流，发热元件不变形产生动作4.5、电气控制图绘制规则原理图一般分主电路和辅助电路两部分：主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器和接触器的线圈、继电器的触点、接触器的辅助触点、按钮、照明灯、信号灯、控制变压器等电器元件组成。控制系统内的全部电机、电器和其它器械的带电部件，都应在原理图中表示出来。原理图中各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准图形符号，文字符号也要符合国家标准规定。原理图中，各个电气元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一元器件的各个部件可以不画在一起。例如，接触器、继电器的线圈和触点可以不画在一起。图中元件、器件和设备的可动部分，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。例如，继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电状态画；主令控制器、万能转换开关按手柄处于零位时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画等。电气元件应按功能布置，并尽可能按水平顺序排列，其布局顺序应该是从上到下，从左到右。电路垂直布置时，类似项目宜横向对齐；水平布置时，类似项目应纵向对齐。电气原理图中，有直接联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示；无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。电气原理图图面区域的划分和符号位置的索引

符号位置的索引

·

图号

页次

图区号

见图上方：1、2、……13——图区号图区号下方：对应的元件或电路功能图1-84.6、控制线路举例

4.6.1三相笼型异步电动机全压启动控制线路

一

单相全压启动控制线路

1、起保停电路1）工作原理（自锁）起动（SB2）停止（SB1）2）保护环节短路过载欠电压保护与失电压保护C'B'KMSB控制电路M3~ABCKMFUQS主电路2、点动控制3、点动+连续控制SB3：点动SB2：连续运行控制关系QM3~ABCFU主电路FRKMKMSB1SB2FRSB3KM4.6.2、电动机正反转控制线路FUQM3~ABCFRKM正

KM反

KM反SB3

KM正SB1SB2FRKM正123KM反*必须保证两个接触器不能同时工作!互锁KM反KM正M3~ABCFUQFRSB1KM正SB2KM反KM反SB3ABKM正FRKM正KM反正转停止反转1、正-停-反SB3KM正KM反M3~ABCFUQFR机械互锁双保险机械互锁（复合按钮）电气互锁（互锁触头）KM正SB1KM正FRKM反KM反KM反KM正SB2电气互锁AC正转反转熔焊2、正-反-停（双重互琐）A小车SQ1SQ2CFR正转反转KM正SB1KM正KM反KM反KM正S