东汽FD70,FD77风机变频器系统原理和应用

东汽FD70/FD77风机变频器系统原理和应用

东汽风电事业部高级工程师-杨雄杰

摘要：

本文详细分析了1.5MW风力发电机变速恒频发电系统的工作原理，对东

汽FD70/FD77风机变频器系统的主要电路特性给出重点分析，变频器运行中的典

型故障给出处理案例。对风机变频器系统的实际应用具有指导意义。

关键词：旋转磁场 变速恒频发电 变频器 风机控制器

1．变速恒频发电系统的工作原理

1.1交流电机的旋转磁场

以单相交流电机为例，我们知道单相交流电机有2个绕组。 它们在空间上相差90度正交分布，分别给2个绕组加入时间上相差90度的交流电。如图1所示：发电机定子上正交分布有2个绕组，一个是AX；另一个是BY。2个绕组加上的电流波形如图1所示。我们规定从A流进X流出或从B 流进Y 流出为正方向；从A流出X流入或从B 流出Y 流入为负方向。

在t0时刻，A 绕组上通过的电流为零；B绕组上通过的电流为负的最大值。

根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→

在t1时刻，A 绕组上通过的电流为正的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t0时刻，两个绕组合成的磁场方向为从上至下方向↓。

在t2时刻，A 绕组上通过的电流为零，B绕组上通过的电流为正的最大值，根据电磁定律，t2时刻，两个绕组合成的磁场方向为从右至左方向←。

在t3时刻，A 绕组上通过的电流为负的最大值，B绕组上通过的电流为零，根据电磁定律，t3时刻，两个绕组合成的磁场方向为从下至上方向↑。

在t4时刻，正好回到t0时刻的状态，两个绕组合成的磁场方向为从左至右方向→ 。电流变化一个周期，两个绕组合成的磁场旋转一周。

旋转磁场的转速n = 60 f / p 。

同理，如果三相绕组在空间上按120度对称分布，三相绕组在时间上分别加上相位相差120度的三相交流电。同样要在转子铁芯周围形成一个旋转磁场。

旋转磁场的转速n = 60 f / p 。

f : 三相交流电频率。

P: 磁极对数。

若定子或转子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1)，即只有两个磁极，对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是50转/秒或3000转/分。

如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2)，即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180度，由此可以推广得出：p 对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。

当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。1.5MW风力发电机的同步转速是1500 rpm , 所以双馈发电机的定子/转子绕组磁极对数是 2 ，即旋转磁场每分钟的转速为n=30 f 。也即频率f=50HZ，同步转速n0=30×50=1500 rpm。

1.2 变速恒频发电机结构和原理

双馈发电机的定子通过开关和电网连接。转子通过碳刷引出和变频器输出连接。 如图所示，观察方向从左至右，转子旋转方向为顺时针旋转；相对定子不动，转子转速为n 。

风机转速小于同步转速1500rpm 时， 在转子绕组上加上低频交流电，相对于转子（轴）线圈，在转子线圈周围要形成旋转磁场。这个旋转磁场的转速，相对于转子轴（相当于转子不动）来定义，转速为n1 ，方向与转子旋转方向n 相同。n和n1方向相同，两者同向相加 ，合成为转子旋转磁场n0 。

转子绕组旋转磁场，相对于转子轴而旋转；转子旋转磁场，相对于定子绕组而旋转。

风机转速大于同步转速1500rpm 时，改变转子电流的相序 ，可以改变转子绕组旋转磁场的方向，使得转子绕组旋转磁场的方向n2 与与转子旋转方向n 相反。改变转子电流的频率可以改变转子绕组旋转磁场的速度，n和n2方向相反，两者反向相减 ，合成为转子旋转磁场n0=1500rpm 。

例如：当风机转速为1200rpm 时，在转子绕组上加上一个正向旋转的三相交流电，频率为10 HZ。

则转子旋转磁场的转速n0 = n + n1 =1200+30*10 = 1500rpm

以1500rpm的旋转磁场切割定子绕组， 则在定子绕组上感应出50HZ 的交流电。 当风机转速为1800rpm 时，在转子绕组上加上一个反向旋转的三相交流电，频率为‐10 HZ。

则转子旋转磁场的转速n0 = n + n2 =1200 ‐ 30*10 = 1500rpm 。

变频器通过实时跟踪发电机转子的转速，从而实时调整变频器输出的转子电流频率和相序，可以保证转子旋转磁场的转速始终保持为同步转速1500 rpm ，从而保证发电机发出的电压频率为工频50HZ， 无论发电机的转速是多少（1100~1800rpm），发电机输出电压频率都是50HZ ，实现变速恒频发电。

变频器主要完成电源频率的变换，网侧NPR IGBT 负责将690V电源电压整流成1000多伏的直流母线电压或者将直流母线电压逆变成工频50HZ的690V电源电压反馈回电网；机侧MPR IGBT 负责将直流母线电压逆变成频率（0~40HZ）可调；幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上，或者将发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再由网侧IGBT将直流母线电压逆变成工频50HZ的690V电源电压反馈回电网。

当风速较小，发电机的转速小于同步转速时，转子绕组需要励磁。能量从电网到变频器再到转子绕组线圈， 通过网侧IGBT‐‐‐直流母线电压‐‐‐机侧IGBT变换成频率；幅值和相位可调的交流电压加到转子绕组上。

当风速较大，发电机的转速大于同步转速时，转子绕组要对外发电，首先经过机侧IGBT把发电机转子绕组发出的变频交流电压整流成直流母线电压，再通过网侧IGBT将直流母线电压逆变成工频50HZ的690V电源电压反馈回电网。因为发电机的定子绕组和转子绕组都在同时发电，所以称为双馈发电机。

2．FD70/FD77 风机变频器电路分析

2.1 变频器主电路

箱变低压侧3 / PE AC 690V 电源电压，通过4*240mm 电缆 （其中一根作为变压器中性点接地线）进入塔筒底部，3相电缆与变频器交流母线排联接，变压器中性点PE线电缆与塔筒等电位板连接。

发电机定子输出电压经过并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5 再联接到变频器交流母排上，反馈回电网。也即在发电机定子输出端与变频器交流母排之间串联了并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5 。当并网接触器E007K2以及并网断路器D002Q5处于合闸状态时，发电机处于并网发电状态。 在发电机定子输出端与变频器交流母排之间串接了并网接触器E007K2 和并网断路器D002Q5。断路器D002Q5 在主电路中起事故跳闸保护作用，接触器E007K2在主电路中起风机并网/脱网的开关作用。

2.2变频器励磁电路

变频器正常运行时，并网断路器D002Q5 处于合闸状态。给发电机转子回路提供励磁支持。来自电网的690V 电源电压通过并网断路器D002Q5到快速熔断器D010F2 经过滤波环节D010K2 到主励磁接触器 E014K4 。再经过电抗器D012R2 到NPR 网侧IGBT变流模块。

690V ‐‐‐D002Q5‐‐‐D010F2‐‐‐D010K2‐‐‐E014K4‐‐‐D012R2‐‐‐NPR IGBT。这条回路称为主励磁回路。

因为交直交变流系统，直流母线电压含有大容量的滤波电容。在变频器启动过程中，如果直接闭合励磁接触器E014K4 。刚开始时直流母线上的电压为零，直接合闸相当于690V 直接对地短路，将对电网或网侧IGBT整流模块造成很大冲击。

所以变频器设置了一条对直流母线的预充电回路。

690v 电源电压经过开关熔断器E001Q2 到 开关熔断器D010Q5 再到继电器E010Q3，经过加热限流电阻R 到继电器K016K3 再到开关熔断器E011Q2 ，最后连接到电抗器D012R2 再到网侧IGBT 。如图红色路径所示。

690V‐‐‐E001Q2‐‐‐D010Q5‐‐‐E010Q3‐‐‐R‐‐‐K016K3‐‐‐E011Q2‐‐‐D012R2‐‐‐NPR IGBT 。这条回路与励磁接触器E014K4 是并联的。因为回路中串联了加热电阻R ，当中间继电器K016K3 合上时通过网侧IGBT 给直流母线电容进行限流预充电。当直流母线电压达到额定电压的80%左右时，K016K3与主励磁接触器E014K4 相互切换，实现预充电和主励磁电路的切换过渡。限流电阻安装在IGBT 内部，当环境温度小于 5度时， 为了保护IGBT模块，需要加热保温。 K116K3合上时，三相限流电阻自动结成三角形连接负载，IGBT 开始加热。

2.3 变频器与风机主控制器的通信控制

以MITA风机控制器和Alstom变频器为例:

变频器‐发电机系统的启动与停止，需要主控制器的指令控制。变频器与风机主控制器的通信用于实现变频器‐发电机系统的启动与停止控制过程。

当变频器系统正常无故障时，变频器错误信号 conv errer X9：33置1 ，由变频器发送给风机控制器MITA。

变频器加热完成，控制板和 IGBT功率模块温度在5度以上，变频器给出“运行准备好”信号 X9：18置1 。

如果环境温度低，变频器正在加热，变频器给出“加热激活”信号 X9：19置1。

当风机控制器系统正常时，风机控制器给出“风机控制器OK信号”conv

wp3100 ok X9：11置1 ，由风机控制器MITA发送给变频器。

当系统正常，风速达到启动风速时，风机开始启动，变频器实时在线监测发电机转速，当发电机转速趋近1200 rpm ，变频器监测到发电机转速进入1200±10％范围时，变频器给出“进入操作范围”信号，operation range X9：30置 1 ,MITA输入端子M120=1 。

风机控制器MITA 收到M120 信号后，向变频器发出开始励磁信号 conv start excit X9：12置 1 M517=1 ;变频器开始直流母线充电；励磁；同步操作。

当变频器完成同步操作后，变频器给出“并网准备好”信号，conv ready for connection X9：34置 1 MITA输入端子M121=1 反馈给风机控制器。

风机控制器MITA 收到M121信号后，向变频器发出“变频器加载要求”conv start prod X9：13置 1 , MITA输出端子M519=1 ，变频器并网接触器合闸，风机并网。

并网完成后，变频器向风机控制器MITA 报告“电网联接”信号，grid connection X9：35置1 ，M123=1 。风机控制器MITA 开始放开叶片，风机转速提高，力矩加大，发电机发出的功率提高，直到与叶片吸收的能量到达一个动平恒，风机稳定运行。

变频器出现故障时，变频器要向风机控制器MITA发出“变频器错误信号”conv error X9：33置 1 M122=1。

风机控制器MITA 收到M122 信号后，以刹车程序75开始停机。5分钟后，风机控制器MITA 给变频器发出“变频器复位”信号conv reset error X9:14置1 ；M516=1 。连续3次自动复位不能成功后，风机停机。报变频器错误故障。

变频器与风机主控制器的通信控制可以归纳总结如下:

变频器端子号 定义 MITA端子号 x9:11 主控OK OUT/M518

X9:18 变频器运行准备好 IN/M119

X9:19 变频器加热激活 IN/M132

X9:30 进入操作范围 IN/M120

X9:12 变频器励磁 OUT/M517

X9:34 变频器并网准备好 IN/M121

X9:13 加载请求 OUT/M519

X9:35 并网OK IN/M123

X9:33 变频器故障 IN/M122

X9:14 变频器复位 OUT/M516

3．FD70/FD77 风机变频器典型故障案例

3.1 故障现象：直流母线充电失败。

· 进入NPR 按 F5 读取网侧变量数据。查看4F06H 直流母线电压从890~1016v 之间来回跳动，不能稳定在1005v 。

· 用示波器读4F25，4F26电压波形，发现4F26的幅值只有4F25的60~70% 左右。

·更换网侧电压检测板A301A60 后，4F25，4F26波形正常，直流母线充电正常。

故障消除。

3.2 故障现象：变频器报NTC 故障。

· 变频器手动加热。进入MPR 按 F5 读取机侧变量数据。查看343E（H），IGBT温度最高22度；最低‐10度，最低温度一直不变。估计加热器回路有故障。

· 用手触摸IGBT散热器，中间2组IGBT 散热器冰冷，说明没有加热；其余旁边2相略有温度，说明加热器已经工作。

· 用万用表电压档， 测IGBT加热线插头处，正常的2相有256V左右，中间这一相的电压为零。

· 断开E010Q3 ，设置变频器手动加热， K116K3 自动吸合。用万用表电阻档测得K116K3的③④脚开路，其他2 相是到通的。说明K116K3 硬件故障。 · 更换K116K3 后，NTC故障消除。

3.3 故障现象：4~20m A 信号中断。

· 更换 WP3035，4~20m A 信号转换板后，故障不变。

· 更换 WP3100后，故障不变。

· 重新压接 WP3100 接线端711；713，MITA接线端 X1：214；X1：215及联接线后，故障消除。

3.4 故障现象： 变频器反馈的4~20m A 电流不正常。给定变频器力矩9030；‐970

时，MITA 显示正常；给定4030时，MITA显示2182。

· 检查变频器A311A10：15.33；15.36 输出电压为5V ，正常。

· 断开N112T2 输出脚⑤⑥， 串接ma 表，测得结果为11.97 ma , 接上负载后只有10.89 ma 。

· 在MITA 柜上 ， 断开731；733 插头，直接串接ma 表，测出结果也是11.97ma 初步判断为电流转换板WP3034 故障。

· 在MITA 柜上，更换 WP3034，4~20m A 信号转换板后，故障消除。

3.4 故障现象：一投励磁，D010Q5保险烧断。

· 经检查，有人把D010Q5的保险盒误插到D014Q2保险的位置上。

· D010Q5保险是10A的，D014Q2保险是160 A的，将它们更换到正常位置。

· 更换D010Q5保险熔断器后，故障消除，恢复正常。

3.5 故障现象：变频器励磁调试时，一投励磁就跳闸，没有励磁电流输出。 · MITA柜屏蔽了变频器故障1409

· MITA柜变频器超速信号intup 118 要求取反 ，实际未取反。因为MITA柜屏蔽了变频器故障1409，虽然intup 118未取反，也不报变频器故障。所以一投励即报变频器超速。

· 将MITA柜变频器超速信号intup 118取反后，故障消除。

4．参考资料

· WP3100 MANUAL

· CONVERTEAM PROWIND DONGFANG MANUAL