1鉆機電氣控制系統(tǒng)的基礎知識

1、注：注：G為大鉤負荷，單位噸；為大鉤負荷，單位噸；V為提升速度，單位米為提升速度，單位米/秒。秒。 為了使實際起升曲線盡量接近理想曲線，絞車對驅(qū)動傳動設備的要求是絞車對驅(qū)動傳動設備的要求是：1）要有高度的柔特性，能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)無級調(diào)速正反轉(zhuǎn)無級調(diào)速，且調(diào)速范圍寬；2）動力機短期過載能力強。 按恒功率原則變矩變速按恒功率原則變矩變速調(diào)速范圍調(diào)速范圍 : R10: R10 要有轉(zhuǎn)矩限制功能要有轉(zhuǎn)矩限制功能按恒轉(zhuǎn)矩原則變矩變速按恒轉(zhuǎn)矩原則變矩變速調(diào)速范圍調(diào)速范圍 : R5: R5泥漿泵對驅(qū)動傳動的要求是：1）動力機要有足夠的過載能力；2）動力機具有一定的柔特性。 注：注：P為排量，單位升為排量，單位升

2、/ 秒；秒；Q為泵壓，單位公斤力為泵壓，單位公斤力/ 厘米厘米 按恒功率原則變矩變速按恒功率原則變矩變速調(diào)速范圍調(diào)速范圍 : R3: R3位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩 直流電驅(qū)動鉆機的主電路部分，交流變頻直流電驅(qū)動鉆機的主電路部分，交流變頻鉆機主電路整流部分，還有鉆機電控部分鉆機主電路整流部分，還有鉆機電控部分許多直流電源都是通過可控整流而得到的。許多直流電源都是通過可控整流而得到的。DC linkRectifierV1V3V5V2V6V4C L+-U1V1W1M 3 UdControl Electronicscontrol, monitoring and communicationL1L2L3Inverte

3、rMotorMonitoringControlSupply可控整流：可控硅、IGBT MOSFET等晶閘管俗稱可控硅，是一種功率半導體器件。晶閘管的原文是“Silicon Controlled Rectifier”(硅可控整流)，縮寫字母“SCR”。它包含一個PN結(jié)，有陽極和陰極兩個端子。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴?可控硅是可控硅整流元件的簡稱,是一種具有三個PN 結(jié)的四層結(jié)構的大功率半導體器件,一般由兩晶閘管反向連接而成?？煽毓杈哂畜w積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點。它的出現(xiàn)，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域。 可控整流是指在交流電壓不變的情況下，可以控制直流輸出電壓的大小。

4、 a） 符號 b） 螺旋式 c） 平板式 1大功率二極管的伏安特性大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia間的關系稱為伏安特性，如圖所示。第象限為正向特性區(qū)，表現(xiàn)為正向?qū)顟B(tài)。第象限為反向特性區(qū)，表現(xiàn)為反向阻斷狀態(tài)。 a）實際特性 b）理想特性 大功率二極管的伏安特性 a） 螺栓型螺栓型 b）平板型）平板型 c）符號）符號管芯是晶閘管的本體部分，由半導體材料構成，具有三個與外電路可以連接的電極：陽極，陰極和門極（或稱控制極），其電路圖中符號表示如圖c）所示。散熱器則是為了將管芯在工作時由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設置的冷卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安裝方式，晶閘管可分

5、為螺栓型與平板型兩種。螺栓型（圖a）依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。 a）自冷 b）風冷 c）水冷 晶閘管的等效復合三極管效應 可以看出，兩個晶體管連接的特點是一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當有足夠的門極電流Ig流入時，兩個相互復合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導致兩個晶體管飽和導通，也即晶閘管的晶閘管的導通。導通。如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，無論有無門極電流Ig，晶閘管都不能導通。晶閘管陽極伏安特性： 正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向?qū)ǖ妥鑵^(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域

6、：第象限為正向特性區(qū)，第象限為反向特性區(qū)。第象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。 晶閘管門極伏安特性 晶閘管的開關特性（2）關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復電流，反向電流達最大值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能

7、力。2工作原理工作原理IGBT的等效電路如圖b）所示，是以PNP型厚基區(qū)GTR（大功率晶體管）為主導元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動元件的達林頓電路結(jié)構器件，Rdr為GTR基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖c）則是IGBT的電路符號。IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。柵極上加正向電壓時MOSFET內(nèi)部形成溝道，使IGBT高阻斷態(tài)轉(zhuǎn)入低阻通態(tài)。在柵極加上反向電壓后，MOSFET中的導電溝道消除，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的開關特性新一代新一代IGBT的特點：的特點：其一：是其一：是IGBT開關器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱開關器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱5070的器件發(fā)熱降低了

8、的器件發(fā)熱降低了30。其二：是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其二：是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三：是開關頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了其三：是開關頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了電機運行的靜音化；電機運行的靜音化；其四：是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。其四：是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。 DC linkRectifierV1V3V5V2V6V4CL+-U1V1W1M 3 UdControl Electronicscontrol, monitoring and communicationL1L2L3InverterMotorMonitoringContr

9、olSupply VFD detailed electronics, including the IGBT and IGCT Gate drive circuit and the GCT gate commutated thyristor devices have been integrated as a whole 代號SCRIGBTIGCT英文稱呼ThyristorIntegrated Gate Bipolar TransistorIntegrated Gate Commutated Thyristor中文稱呼大功率可控硅或晶閘管絕緣柵雙極型晶體管集成門極換流晶閘管 關斷特性不是全控器件，

10、不能自關斷。需要有外圍電路關斷全控器件，能自關斷。不需要外圍電路?？刂坪唵巍Ｈ仄骷?，能自關斷。不需要有外圍電路?？刂坪唵?。最高電壓最高耐壓10kV最高耐壓4.5kV最高耐壓10kV最大電流10kA2kA10kA驅(qū)動信號電流驅(qū)動。驅(qū)動電流大，頻率很低。電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小，頻率高電壓驅(qū)動。驅(qū)動復雜。工作頻率50500Hz，工作頻率低200050000Hz，工作頻率高501000Hz，工作頻率低導通壓降0.6-1.2V。導通壓降低1.8-2.2V。導通壓降高0.6-1.2V。導通壓降低電磁噪聲電磁噪聲很大基本無電磁噪聲電磁噪聲很大結(jié)論優(yōu)點工作電流大，耐壓高，價格低，壽命長。導通壓降低，效率高。運

11、行穩(wěn)定是全控器件，關斷容易。工作頻率高。驅(qū)動功率小。無電磁噪音，運行穩(wěn)定是全控器件，關斷容易。工作電流大，耐壓高。導通壓降低，效率高。缺點不是全控器件，關斷困難。工作頻率低。工作電流小，耐壓低，價格高，導通壓降大，發(fā)熱大，損耗大。工作頻率低，電磁噪音大，價格高，運行不穩(wěn)定.運用場合有源逆變。靜態(tài)開關高頻斬波。高速開關大功率低頻無源逆變 什么是變頻器？通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。 變頻器原理是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 DC linkRectifierV1V3V5V2V6V4C L+-U1V1W

12、1M 3 UdControl Electronicscontrol, monitoring and communicationL1L2L3InverterMotorMonitoringControlSupplyDC linkRectifierV1V3V5V2V6V4C L+-U1V1W1M 3 UdControl Electronicscontrol, monitoring and communicationL1L2L3InverterMotorMonitoringControlSupply 電壓型變頻器原理圖電壓型變頻器原理圖 電流型變頻器原理圖電流型變頻器原理圖 DC linkRectif

13、ierV1V3V5V2V6V4C L+-U1V1W1M 3 UdControl Electronicscontrol, monitoring and communicationL1L2L3InverterMotorMonitoringControlSupplyIGBT續(xù)流二極管：續(xù)流二極管：為電動機繞組的無功電流返回直流電路時提供通路為電路的寄生電感在逆變管交替導通過程中釋放能量提供通路。 1.八十年代初提出的基本磁通軌跡的電壓空間矢量八十年代初提出的基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形該方法以三相波形的整體

14、生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。間矢量控制。2.引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差。引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差。3.基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，由此估算出磁鏈基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。 4.將輸出電壓、電流進行閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度將輸出電壓、電流進行閉

15、環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另和穩(wěn)定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現(xiàn)一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現(xiàn)快速的加減速?？焖俚募訙p速。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善根本性的改善. 第一階段 ： 70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是

16、通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在siemens，AB，GE，F(xiàn)u

17、ji等國際化大公司變頻器上。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。 第二階段 ： 1985年德國魯爾大學年德國魯爾大學D.B教授

18、首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡稱簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所

19、引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。很快的轉(zhuǎn)矩響應速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。 1995年瑞士年瑞士ABB公司第一次將公司第一次將DTC技術應用到通用變頻器上，推出采用技術應用到通用變頻器上，推出采用DTC技術的技術的IGBT脈寬調(diào)制變頻器脈寬調(diào)制變頻器ACS600，直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達到直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達到2ms的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩響應速度在帶速度傳感器時的靜態(tài)速度精度達土響應速度在帶速度傳感器時的靜態(tài)速度精度達土0.

20、01%，在不帶速度傳感器的情，在不帶速度傳感器的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，同樣可以達到正負況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，同樣可以達到正負0.1的速的速度控制精度。在度控制精度。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號處理器與先進的電機軟件模型相結(jié)合使電機的狀態(tài)每秒鐘被更新號處理器與先進的電機軟件模型相結(jié)合使電機的狀態(tài)每秒鐘被更新40,000次。由次。由于電機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關于電機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關狀態(tài)都

21、是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關組合并對負載擾動和狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應。瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應。第三階段 ：u但DTC這種快速的轉(zhuǎn)矩響應是有條件的，如果在額定電壓條件下，特別是弱磁運行區(qū)，電壓將沒有過沖的余度空間。此外，大型的交流傳動必須對電機電流加以限制，這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應就不會達到12ms那么高的指標水平。 uDTC的轉(zhuǎn)矩響應還取決于PWM的開關頻率。對于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來講，高的開關頻率將導致變頻器的損耗加大，效率降低，故變頻器的脈寬調(diào)制開關頻率不能太高。 PWM

22、的開關控制頻率的降低會影響DTC的轉(zhuǎn)矩響應指標。 u由于DTC 的PWM的開關控制使其輸出電壓有較大的du/dt，故DTC變頻器輸出都加裝濾波器，以減少du/dt對電機絕緣的影響，而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時，也降低了轉(zhuǎn)矩響應。 直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線圈線圈FFU+NS電刷電刷換向片換向片II機座機座磁極磁極勵磁勵磁繞組繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子串勵式電機： Ia IIf aTIKT nKEEKE：與電機結(jié)構有關的常數(shù)n：電動機轉(zhuǎn)速 ：磁通KT：與線圈的結(jié)構有關的常數(shù) （與線圈大小，磁極的對數(shù)等有關） ：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流（a）兩極 （b）四極(a)磁

23、通分布(b)磁密分布曲線（a）電樞磁場 （b）電樞磁動勢和磁場的分布 直流電機負載時的合成磁場n0nNTNTn nTCCRRCUnNTeaNeN2電樞加額定電壓UN，勵磁磁通N，電樞回路串入電阻R后的人為機械特性方程式為電樞串入不同電阻R時的人為機械特性曲線如圖所示 電樞回路串電阻的人為機械特性有下列特點：1）理想空載轉(zhuǎn)速n0與固有機械特性的相同，即電樞回路串入的電阻R改變時，n0不變。2）特性斜率與電樞回路串入的電阻有關，R增大，也增大。故電樞回路串電阻的人為機械特性是通過理想空載點的一簇放射形直線。nn00RaRa+R2TRa+R1TCCRCUnNTeaNe2nn01n02n00UNU1T

24、U2TCCRCUnTeaeN2N21nn00Tn02n01nn0n0n0電電壓壓降降低低T（ 減小減?。?n 0n0nTLRf增增加加Tn MUUfIf+R運行運行制動制動K異步電機屬于感應式電動機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）。異步交流電動機又有兩大類：繞線式繞線式轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌有線圈繞組，通過滑環(huán)和電刷與外界相通，可以在外部給轉(zhuǎn)子繞組串入電阻，實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)。鼠籠式鼠籠式轉(zhuǎn)子為銅制的或鑄鋁的金屬短路環(huán)。上面是鼠籠電機的拆散結(jié)構圖。 石油鉆機上常用的是鼠籠式交流電機，其特點：過載能力較大，結(jié)構簡單、壽命長、維護方便、便宜，可適合各種場合。變頻專用電機配合變頻調(diào)速實現(xiàn)對更高性能的工作機的驅(qū)動。

25、 2、結(jié)構設計方面在結(jié)構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響。1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。2）對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。3）冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅(qū)動。4）防止軸電流措施，對容量超過160kW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。5）對恒功率變頻電動機，當轉(zhuǎn)速超過3000/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。 變頻專用電機改進措施： 1、電磁設計方面對普通異步電動機來說，設計時主要考慮的性能參數(shù)是過載