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交流变频电机自动送钻系统的原理和应用

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电机发布时间： 2008-06-27

1自动送钻系统的发展及原理

1.1 变频电机自动送钻系统的发展

中国的石油钻机技术由仿制前苏联的机械皮带传动钻机到自行研制的大庆 I 型,II 型钻机经历了几十年的时间。在这个时期，工人的劳动强度特别大，工作

危险性高。 20 世纪 80 年代开始出现电动钻机，特别是变频技术、 PLC技术、微

电脑技术、工业自动化等先进技术的发展，大大提高了石油钻机的自动化水

平。在这种环境下，通过许多钻机技术人员、电控技术人员、钻机操作人员的

共同努力，自动送钻机技术得到了长足的进步，为钻机实现自动化、智能化打

下了坚实的基础。纵观世界各国的自动送钻系统，按控制系统主传动方式可以

分为机械式、气动式、液动式、电动式和计算机式，其中计算机式由于具有软

件编程的灵活性，控制算法可优化选择，能不断提高控制品质特点，成为自动

送钻技术发展的新热点。按控制钻进参数可分为恒钻压控制、恒钻速控制、恒

扭矩控制、钻压与钻速乘积值控制，其中以恒钻压控制应用最为广泛。

1.2 原理

1.2.1 主电机自动送钻系统

主电机自动送钻系统组成如图1131。在钻井过程中，钻压变化信号通过死

绳作用于压力变送器转换成电压信号，经过A/D 采样后，膜式传感器输出液压

变化信号，液压变化信号再通过选择单元进行判断，正常范围内压力信号的采

样值与钻压给定值进行比较运算，输出控制量通过D/A 转换，将数字信号转换

成模拟信号，再用该信号控制变频调速单元，输出可变的频率电压信号来控制

绞车主电动机的转速。主电动机转速的变化通过减速机构和纹车筒等传动装置

最终控制大钩下放快慢，完成恒钻压闭环控制。如果由A/D 采样后的钻压信号

经选择单元后为异常钻压信号，则由选择单元自动给定一个下放速度，直接输

人到速度控制单元进行恒转速控制，直到钻压重新恢复正常。该系统增设了测

速码器构成的局部反馈回路，将反映绞车主电动机转速的脉冲信号反馈到速度

控制单元的输人端因为钻压控制单元 (或速度给定单元 )信号与速度反馈信号极性相反，故此回路为负反馈回路。速度反馈回路有助于增加系统稳定性，改善系

统非线性，提高变频电动机转速的控制精度。此外，该系统具有上位工控机监

控功能。同时通过对钻具转速、扭矩、大钩钩载、钻井泵泵压和游车位置的监

控，实现报警及紧急刹车制动功能。

1.2.2 小电机自动送钻系统

在实际工况中，虽然主电机在进行自动送钻过程中，结构简单，操作方

便。但是主电机在速度很低的时候，尤其是长时间在低于额定功率、额定转速

下运行是很不稳定的，尤其是该系统主电动机运行的频率较低，较容易受其他

谐波信号的干扰，使系统控制性能变差，控制精度下降，而且对电机影响比较

大。所以在目前国内大多采用小电机自动送钻系统，其工作原理与图 1 相似，是在绞车的后部或者是前部加装一个小电机。由于在自动送钻过程中需要低转速、大转矩，所以需给小电机加装 1 台大减速比的减速箱。

2自动送钻系统的硬件构成川

自动送钻系统的硬件部分主要由信号检测变送单元、控制单元、变频器及

执行机构单元和上位机监控单元等构成，如图 1,

2.1 信号检测变送单元

该单元由指重钻压、钻具扭矩、钻井泵泵压、钻具转速和游车位置传感变

送器组成。其中指重钻压、钻具扭矩、钻井泵泵压变送器输出信号为4-20mA，而钻具转速和游车位置变送器输出，号为0 或 5V 的电平信号。

2.2 控制单元

该单元的控制器是整个系统的核心，负责钻机的各种运行数据和状态的采

集和显示，并把采集的数据进行处理来控制钻机的运行。

2.3 变频器及执行机构单元

由微机输出 4-20m A 的电流信号进人变频器，控制输出电压为。 0-600 V,频率为。 0-200 Hz的信号对钻机绞车主电动机 (小电机 )进行调速控制，输出一定的转速来控制钻井速度。同时，数字编码器将反映主电动机的脉冲信号反馈到速度控制单元的输人端，随后脉冲信号直接进入计算机参与被控对象的控制。

2.4 上位机监控单元

上位机是整个自动送钻系统的重要组成部分，上位机监控单元硬件基本配

置为 :

CPU为奔腾三处理器，内存256 M，硬盘 40 G以上 ;上位机操作系统采用Windows98 或 Windows2000 以及各种监控辅助软件等。这种操作系统主要功能

为显示钻机工作所需要的各种运行参数及工作状态，对钻机运行数据进行运行

参数记录、参数设置、资料查询和打印等操作。

3自动送钻系统在变频钻机中的应用

3.1 交流变频电动钻机

交流变频电动钻机是国外 20 世纪 90 年代新发展起来的一种先进的电动钻机。 90 年代后期，我国的科技人员和有关单位将交流变频调速技术应用于石油

钻采设备，尤其是电驱动钻机，成为当今最受青睐的钻机。交流变频电动钻机与

机械钻机和直流钻机相比，它采用了交流变频调速技术能够适应钻井工艺的要

求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性

和移运性。交流变频绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便 ;调速范围宽，可实现无级调速 ;能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。新型司钻控制系统控

制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井

参数的优选。

3.2 交流变频电动钻机中的自动送钻系统

在交流变频电动钻机发展中最重要的是对绞车的改进和发展。交流变频电

动钻机的绞车通常都会配置 1 套数控恒钻压自动送钻装置 (有少数纹车也采用主电机自动送钻 )。该装置由 1 台小功率的交流变频电机通过大传动比减速后驱动

滚筒轴。送钻时由数字化变频拖动系统设定恒力矩反拖滚筒，自动调速和保

护，达到恒压稳速送钻的目的，送钻钻压误差 <40-500N。

4存在的问题及措施

a）利用软件实现自动送钻，需与转盘扭矩的自适应控制相结合，以便在自

动送钻情况下，井下突然出现憋卡等复杂工况时，自动改变转盘变频器的电

压、电流、频率等电参数，释放钻杆扭矩，自动适应井下扭矩变化。

b)为实现纹车自动送钻和转盘自适应控制功能，需要在 2 台纹车电机和转盘电机自由端分别安装编码器。根据目前的情况，存在 2 个问题，首先，国产变频电机自由端是封闭的，没有伸出安装轴 ;其次，我国设计的绞车配置的 2 台永济电机，背对式安装，电机自由端间隔很小，安装 2 只编码器有困难，尤其

在转盘电机中。同功率的 ABB变频电机，体积要小于永济电机，标准配置带有

编码器，适合于这种应用场合。

c)在应用过程中，小电机自动送钻装置从性价比上更能适应目前变频钻机的要求。但是，自动送钻装置一般安装在纹车的后部或者前部，其结构属于绞车

的一部分。所以造成纹车结构比较复杂，体积比较大等诸多不利因素。这方面

问题与自动送钻装置生产厂家有关系，需与他们协商，共同将自动送钻装置的

体积减小，更加简单可靠。

5结论

论述了交流变频电机自动送钻系统在变频钻机中的出现、各种存在形式、

原理、结构以及发展。应根据结构简单、安全可靠、安装方便、控制准确的原

则推广应用。小电机自动送钻在解决结构复杂、体积大等缺点的前提下，应是

变频钻机采用自动送钻系统首先选择的方案。

交流异步电动机变频调速原理

在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。 交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 交-直部分 整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。（二）变频器元件作用 电容C1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。

基于PLC的交流电机变频调速系统

目录 1 绪论 (1) 1.1课题的背景 (1) 1.1.1 电机的起源和发展............................. 错误！未定义书签。 1.1.2 变频调速技术的发展和应用..................... 错误！未定义书签。 1.2本文设计的主要内容............................... 错误！未定义书签。 2 变频调速系统的方案确定 (4) 2.1变频调速系统 (4) 2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 (4) 2.1.2 变频调速原理 (4) 2.1.3 变频调速的基本控制方式 (5) 2.2系统的控制要求 (6) 2.3方案的确定 (6) 2.3.1 电动机的选择 (6) 2.3.2 开环控制的选择 (7) 2.3.3 变频器的选择 (7) 4 变频调速系统的硬件设计 (8) 4.1S7-200PLC (8) 4.2M ICRO M ASTER420变频器 (8) 4.3外部电路设计 (9) 4.3.1 变频开环调速 (9) 4.3.2 数字量方式多段速控制 (11) 4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制 (12) 5 变频调速系统的软件设计 (14) 5.1编程软件的介绍 (14)

5.2变频调速系统程序设计 (15) 6 触摸屏的设计 (23) 6.1触摸屏的介绍 (23) 6.2MT500系列触摸屏 (25) 6.3触摸屏的设计过程 (26) 6.3.1 计算机和触摸屏的通信 (26) 6.3.2 窗口界面的设计 (27) 6.3.3 触摸屏工程的下载 (31) 7 PLC系统的抗干扰设计 (33) 7.1 变频器的干扰源 (33) 7.2干扰信号的传播方式 (33) 7.3 主要抗干扰措施 (34) 7.3.1 电源抗干扰措施 (34) 7.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (34) 7.3.3 接地抗干扰措施 (34) 结论 (36) 致谢 ................................................ 错误！未定义书签。参考文献 .. (37)

基于MATLAB交流电机变频调速系统仿真

摘要 异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。 本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。 关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真

ABSTRACT With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed. This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective． Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation

交流异步电动机变频调速系统设计样本

中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月

交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f

目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)

变频调速的基本原理

变频器多段速度控制 1．变频调速的原理 异步电机的转速n可以表示为 式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。 频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。 2．电机调速的分类 按变换的环节分类 （1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。

（2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器 按直流电源性质分类 （1）电压型变频器 电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 （2）电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 按主电路工作方法 电压型变频器、电流型变频器 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 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。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。 按变频器调压方法 PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。 PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。

第一节 交流异步电动机变频调速原理

第一节 交流异步电动机变频调速原理 根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为： )1(**60s p f n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ； p 一 电动机磁极对数； f 一 电源频率，单位：Hz ； s 一 转差率，10<

I 一 定子绕组的相电流； r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。 交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其 有效值计算如下： E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数； ｆ 一 电源频率； Φ 一 磁通量 。 由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部 分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定 子绕组的相电流 I 由两部分构成： 21I I I += （2-1-4） 电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负 载的电磁力。 由式 （2-1-1）知，调整电源频率f 时，可以调节速度n 。 当电源频率f 下降时，由 式 （2-1-3）知，感应电动势随之比例减小；在相电压U 保持不变的情况下，由式（2-1-2） 知，定子绕组的相电流I 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒定的，因此用于产 生电磁力的电流2I 是基本不变的，于是1I 将增大；1I 的增大将直接导致主磁通的增大。由 式 （2-1-3），主磁通的增大，将引起感应电动势Ｅ比例增大；由式（2-1-2），感应电动势 Ｅ的增大将使定子电流I 减小。不难理解，通过这样的负反馈，电机将最终稳定在一个新的 工作点。 这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的铁芯有 关。电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。对于电机设计来 说，设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接近容量上限。上述的变频 调速方法工作在额定频率以下时，将会导致铁心磁饱和，引起电流波形畸变，有效力矩下降； 严重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状 态，电磁力矩不足，电机的机械特性变软（转差率s 变大），带载能力下降。 结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。

三相异步电动机变频调速

一、三相异步电动机变频调速原理 由于电机转速n 与旋转磁场转速1n 接近，磁场转速1n 改变后，电机转速n 也就随之变化，由公式1 160f n p =可知，改变电源频率1f ，可以调节磁场旋转，从而改变电机转速，这种方法称为变频 调速。 根据三相异步电动机的转速公式为 ()()1 16011f n s n s p = -=- 式中1f 为异步电动机的定子电压供电频率；p 为异步电动机的极对数；s 为异步电动机的转差率。 所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。 改变异步电动机定子绕组供电电源的频率1f ，可以改变同步转速n ，从而改变转速。如果频率1f 连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。 三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为 1111m 4.44m U E f N k φ≈= 式中1E 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；1f 为定子电源频率；1N 为定子每相绕组匝数； m k 为基波绕组系数，m φ为每极气隙磁通量。 如果改变频率1f ，且保持定子电源电压1U 不变，则气隙每极磁通m φ将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率1f 时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通m φ的目的。 .1、基频以下变频调速 为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率1f 时，保持 1 1 U f 为常数，使气每极磁通m φ为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转 矩为 ()()2 22 2 11 1 111 2 12222111211222p r r m pU f m U s s T f r r f r x x r x x s s ππ?? ?? ?? ??? ??? ?? ??? ''??= = ?''????'+++'+++ ? ? ? [1][8]

(交流电机变频调速系统设计)

机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。

图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。

交流异步电动机变频调速系统

摘要 现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本设计采用恒压变频调速并在MTALAB运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。 关键词:交流调速系统, 异步电动机, PWM技术MATLAB.....

目录 摘要................................ 错误！未定义书签。第一章前言.......................... 错误！未定义书签。 1.1 设计的目的和意义................. 错误！未定义书签。 1.2变频器调速运行的节能原理......... 错误！未定义书签。第二章交流异步电动机............... 错误！未定义书签。 2.1交流异步电动机变频调速基本原理 ... 错误！未定义书签。 2.2变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 (6) 2.3变压变频运行时机械特性分折 (7) 第三章变频技术简介和控制方法 (11) 3.1 变频调速技术简介 (11) 3.2变频器工作原理及分类 (12) 3.3 交流调速的基本控制方法 (18) 3.4脉冲宽度调制（PWM）技术 (21) 第四章异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现 (24) 4.1 MATLAB的编程环境 (24) 4.2仿真结果 (29) 结论 (30) 致谢.............................. 错误！未定义书签。参考文献............................ 错误！未定义书签。

交流异步电动机变频调速系统设计

湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书 目：题 专业班级：号：学学生姓名： 完成日期： 指导教师： 评阅教师：

2011 年 6 月

院术学学院应用技湖南工程务任书（论文）毕业设计 设计（论文）题目：交流异步电机的调速控制系统设计 姓名专业班级学号 指导老师职称教研室主任 一、基本任务及要求： 主要设计完成可控硅交流调压调速系统的设计，主要完成： （1）交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析； （2）系统组成与工作原理； （3）主电路与控制电路设计； （4）元器件选型及参数计算； （5）软件设计； （6）系统应用与调试说明。 二、进度安排及完成时间： （1）第一至第三周：查阅资料,撰写文献综述和开题报告。 （2）第四周至第五周：毕业实习。 （3）第六周至第七周：交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析。 （4）第八周至第九周：系统组成与工作原理；主电路与控制电路设计。

（5）第十周至第十二周：元器件选型及参数计算；软件设计；系统应用与调试说明。 （6）第十三周至第十五周：撰写毕业设计论文。 （7）第十六周：毕业设计答辩 目录 摘 要 .................................................................. .... I ABSTRACT ............................................................ ..... II 第1章绪 论 (1) 1.1 变频调速技术简介 ................................................. 1 1.2 变频器的发展现状和趋 势 (2) 1.2.1 变频器的发展现状 ............................................. 2 1.2.2 变频器技术的发展趋势 ......................................... 2 1.2 研究的目的与意义 ................................................. 3 1.3 本次设计方案简 介 (4) 1.3.1 变频器主电路方案的选定 ....................................... 4 1.3.2 系统原理框图及各部分简介 ..................................... 5 1.3.3 选用电动机原始参数 ........................................... 6 第2章交流异步电动机变频调速原理及方 法 (7)

交流变频调速电机原理

交流变频调速基本原理 一．异步电动机概述 1．异步电动机旋转原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 ⑴磁场以n0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流 ⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 ⑶电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同 2．旋转磁场的产生 旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足： ⑴在空间位置上互差2π/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕 组的布置来保证

⑵在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通 入的三相交变电流来保证 3．电动机转速 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差： Δn＝n0－n 转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn / n0 同步转速n0由下式决定： n0＝60 f / p 式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 n＝60 f（1－s）/ p 二．异步电动机调速 由转速n＝60 f（1－s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法： 1．改变磁极对数p （变极调速） 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。 通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。 变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、

效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。2．改变转差率s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。 ⑴定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。 分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的，其调速电路如下图。 根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管SCR导通的相角，从而控制风机定子的输入电压，以控制风机的风速。 前面讲在空间位置上互差2π/3 rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）三相交变电流可产生旋转磁场，同样，在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电

永磁同步电动机PWM变频调速系统的建模与仿真

永磁同步电动机PW M变频调速系统 的建模与仿真 夏玲(黄石建筑设计研究院第4所,湖北黄石435001) 摘　要:介绍了PW M控制技术的特点,并在MAT LAB环境下,构造永磁同步电动机PW M控制的仿真模型。通过对永磁同步电动机的动态过程进行仿真,分析永磁同步电动机采用PW M控制技术的瞬态运行特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。同时,也验证了仿真模型的正确性。 关键词:永磁同步电动机;仿真;PW M Modeling and Simulating of PWM Frequency I nverter System for I nterior Permanent Magnet Synchronous Motor XI A Ling(Huangshi Institute of Architectural Design&Research,Huangshi Huibei,435001,China) Abstract:T his paper introduces the characteristics of PW M control technology,and it found the simulating m od2 el for interior permanent magnet synchron ous m otor PW M control in M A T LA B environment.Via the simulation of dynamic process for interior permanent magnet synchronous m otor,it analyzes the instan2 taneous characteristics and change law of PW M control technology for interior permanent magnet syn2 chron ous m otor.And the validity of the simulation m odel is tested and verified via the simulations. K ey w ords:interior permanent magnet synchronous m otor;simulation;PW M 1　前言 永磁同步电动机转子使用永磁材料励磁,使电动机的体积和重量大大减小,电机结构简单、维护方便、运行可靠、损耗较小,效率和功率因数都比较高。然而,永磁同步电机存在启动困难、失步等缺点,变频调速技术的应用能很好地解决这些问题。同步电机控制系统常见有如下几种: (1)无换向器电机控制系统　采用交-直-交电流型逆变器给普通同步电机供电,整流及逆变部分均由晶闸管构成,利用同步电机电流可以超前电压的特点,使逆变器的晶闸管工作在自然换相状态。同时检测转子磁极的位置,用以选通逆变器的晶闸管,使电机工作在自同步状态,故又称自控式同步电机控制系统。其特点是直接采用普通同步电机和普通晶闸管构成的系统,容量可以做得很大,电机转速也可做得很高,如法国地中海高速列车即采用此方案,技术比较成熟。其缺点是由于电流采用方波供电,而电机绕组为正弦分布,低速时转矩脉动较大。 (2)交—交变频供电同步电机控制系统　逆变器采用交—交循环变流电路,由普通晶闸管组成,提供三相正弦电流给普通同步电机。采用矢量控制后可对励磁电流进行瞬态补偿,因此系统动态性能优良,已广泛应用在轧机主传动控制系统中。其特点是容量可以很大,但调速范围有一定限制,只能从同步速往下调。 (3)正弦波永磁同步电机控制系统　电机转子采用永磁材料,定子绕组仍为正弦分布绕组。如通以三相正弦交流电,可获得较理想的旋转磁场,并产生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技术使d轴电流分量为零,用q轴电流直接控制转矩,系统控制性能可以达到很高水平。缺点是需要使用昂贵的绝对位置编码器,采用普通增量式码盘实现上述要求虽有一些限制,但采取一定措施后仍是可能的。目前研究的重点放在如何消除齿谐波及PW M控制等造成的转矩脉动。 (4)方波永磁同步电机控制系统　又称为无刷 74 2004年第4期 电机电器技术 计算机与自动控制

7、交流电动机调速及变频原理

交流电动机调速及变频原理 一、交流异步电动机调速的基本类型 交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又 有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。 1、交流异步电动机调速的基本类型 由异步电动机的转速公式：min)/)(1(60r s p f n -= 可知，异步电动机有下列三种基本调速方法： （1）改变定子极对数p 调速。 （2）改变电源频率1f 调速。 （3）改变转差率s 调速。 异步电动机的调速方式： 1.1 变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频50Hz 的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。

它与直流调速系统相比具有以下显著优点： （1）变频调速装置的大容量化。 （2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。 （3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。 （4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC 联机，便于实现自动控制。 （5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60％。 1.2变极调速 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。 1.3 变转差率调速 1.3.1、改变定子电压调速 ??交流调压调速 异步电动机的机械特性方程式: ])()/[(/32'21212' 211' 221l l e L L s R R s R pU T +++=ωω

三相永磁同步电动机变频调速系统设计

三相永磁同步电动机变频调速系统设计

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运动控制系统 课程设计 题目：三相永磁同步电动机变频调速系统设计专业班级：自动化 姓名： 学号： 指导教师： 评阅意见： 指导老师签名：

本论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统。永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，因此自从上个世纪80年代，随着永磁材料性能价格比的不断提高，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。本文就是应用电压矢量控制SVPWM实现对永磁同步电机的转矩控制，使其拥有直流电机的性能。 关键词：永磁同步电机矢量控制dq变换DSP

1 绪论 (1) 1.1 研究背景与意义 (1) 1.2 研究现状及应用前景 (1) 2 永磁同步电机的矢量控制方法 (3) 3 硬件电路设计 (4) 3.1 电流检测电路 (4) 3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路 (5) 3.3 PWM发生电路 (6) 3.4 IPM智能功率模块驱动电路 (7) 3.5 系统保护电路 (8) 3.6 人机接口电路 (9) 4 软件设计 (9) 设计心得 (12) 参考文献 (13)

交流电动机变频调速

第一变频调速技术的发展及应用 近十年来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 一、我国变频调速技术的发展概况 在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、解速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低能的目的。近几年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性等方面优良的特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。 我国关于变频器的研究开始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调速技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛的应用。 目前国内变频调速方面主要的产品状况如下。 （1）在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的U/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前U/f控制占主体，矢量控制数量还较少。 （2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。 （3）交-交变频器供电的交流变频调速设备。 二、国外变频调速技术的现状 当前国外交流变频调速技术高速发展，主要有以下几个特点： （1）近几年来不断涌现出SCR，GTO，IGBT，IGCT等高电压、大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联、串联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产及应用得到很大的发展。 （2）矢量控制、磁链控制、直接转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速处理微处理器，数字信号处理器（DSP），精简指令集计算机（RISC）和高级专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，使得变频器朝高精度、多功能化方向发展。国外产品已实现控制全数字化、产品系列化、功能多样化，产品已进入很成熟的阶段。 （3）由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展，已经使变频调速装置相关配套件的生产社会化、专业化，产品可靠性更高。 二、变频调速技术未来发展趋势 交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性技术。它分为功率级和控制级两大部分。功率级部分是要解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点： （1）各种控制方法的深入研究与实现，进一步提高变频调速性能。 （2）进一步提高变频器的功率因数，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉冲。

第六章 交流异步电动机变压变频调速系统精讲

第六章 交流异步电动机变压变频调速系统 本章主要问题： 1． 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？ 2． 交-直-交电压源型变频器调压、调频的有哪几种电路结构,并说明各种电压结构的优缺点。 3． SPWM 控制的思想是什么? 4． 什么是1800导通型变频器？什么是1200导通型变频器？ 5． 电压、频率协调控制有几种控制方式，各有哪些特点？ 6． 在转速开环恒压频比控制系统中，绝对值单元GAB 的作用？函数发生器GFC 的作用？如 何控制转速正反转。 7． 总结恒11 ωU 、恒1ωg E 、恒1ωr E 三种控制方式的特点。 ———————————————————————————————————————— §6-1 交流调速的基本类型 要求：掌握交流调速哪几种基本类型有以及各种调速方法的特点。 目的：能根据不同应用场合选择出相应的调速方式。 重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（交流调速的基本类型、变频调速的基本要求） 思考： 1. 交流异步电动机调速的方式有哪几种？并写出各方式的优缺点？ 2. 在变频调速中变频时为什么要保持压频比恒定？ 教学设计：交流调速的基本类型采用多媒体课件讲授，用大量的实例，说明几种类型的应用场合。 复习感应电动机转速表达式： )1(60)1(1 0s n f s n n p -= -= 异步电动机调速方法：?? ?? ??? ?????? ? ??型变频调速：绕线式、笼：绕线式串级调速（转差电压）电磁转差离合器调转子电阻：绕线式、调压（定子电压）变转差率调速变极调速：笼型异步机异步电动机 §6-2 变频调速的构成及基本要求 目的、教学要求：掌握变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 重点、难点：变频调速时基频以下和基频以上调速的特点 主要内容（变频调速的基本要求）