交流电动机控制系统项目设计方案
石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用
石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用摘要：随着中国对石油能源需求的增加，石油开采的环境变得越来越复杂，增加了石油开采的难度。
在石油开采过程中，交流变频电机的应用可以使石油开采更加简单高效，因此有必要加强对交流变频电机的分析。
关键词：石油钻机；交流变频电机；控制设备；被广泛应用于现代工业的交流变频电机，拥有无法被替代的优势，以该电机为研究对象，以石油钻机为切入点，围绕电机和控制系统的应用，展开了系统而深入的分析，内容涉及交流变频电机驱动的优点分析，交流变频电机控制系统分析等方面，望能够给有关人员以启发，使交流变频电机所具有的积极作用在钻井作业中得到充分发挥。
一、交流变频电动机交流变频电动机是一种特殊的变频电动机，交流变频电动机在具体应用中与一般变频电动机相比具有以下特点：（1）在设计中所使用的绝缘材料采用的为抵抗变频器谐波突破的特殊材料，提高交变频电动机的性能。
（2）结构设计和电磁设计与一般变频电机相比较特殊。
在石油钻井中应用交流变频电动机与直流钻机和机械钻机相比，在钻井过程中，对交流变频调速技术进行合理应用，可以很好的适应石油钻井在工艺上的具体要求，并且使钻机的机械结构得到了进简化，减少了对钻井机械的保养，使设备的可靠性和安全性得到进一步提高。
此外，交流变频电动机还具有质量轻、体积小、故障少等诸多优点，因此在石油钻井中需要加强对其的应用，提高石油钻井的工作效率。
二、交流变频电动机及其控制系统的应用1.交流变频石油钻机。
（1）石油钻机钻进原理。
石油钻机用于石油或天然气资源的钻采过程，运行过程中钻机带动钻具击碎岩石向下钻进，辅助完成地下资源的开采。
现阶段，国内外石油开采中常用的钻井方式为旋转钻井，即将钻头旋转击碎岩石，形成钻井结构。
然后利用钻杆将钻头探入到钻井底部，通过转盘或驱动装置带动钻头及钻杆旋转，钻井泵向井内输送钻井液，并将井底碎石带回到地面，再利用吊车等大型设备完成钻具安置。
（2）交流变频石油钻机。
基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计
基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计学院：信息与电气工程学院专业：电气工程及其自动化班级：08电气三班学号：姓名：基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计一、设计目的1、应用所学的交流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
2、应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
二、设计任务基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计。
三、交流电动机控制系统设计参数额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流12A;定子绕组每相电阻0.5欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3欧姆；转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数2S;电枢允许过载系数1.5；环境条件:电网额定电压:380/220V;电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%.控制系统性能指标:转差率：3%；调速范围：D＝20；电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.四、设计步骤1、异步电动机的数学模型交流异步电机的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性，强祸合的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型。
在讨论交流异步电机的数学模型前假设电机有如下特性:(l)电动机三相定、转子绕组完全对称。
(2)电动机定、转子表面光滑，无齿槽效应。
(3)电动机气隙磁动势在空间正弦分布。
(4)铁心涡流、饱和及磁滞损耗忽略不计。
在满足上述理想电动机假设条件下，经推导可得异步电动机在静止坐标系下的数学模型。
第四章 交流电动机调速控制系统
r12
(X1
c1 X
' 20
)2
]
（4-8）
因 r12
(X1
c1
X
' 20
)
2
，近似得：
Mm
1 2c1
2f1[r1
m1PU12
(X1
c1 X
' 20
)]
（4-9）
2. 生产机械的转矩特性
摩擦类 特性曲线见图（a） 负载： ，位于1、3象限。
生产机械
恒转矩负载：它的负载转矩是一 个恒值，不随转速 而改变。
——定子极对数
（4-3）
4)．传给转子的功率（又称电磁功率）与机械功率、转子铜耗之间有如下
关系式 ： PMX PM PM 2 (1 S)PM
（4-4）
式中：
PM ——传给转子的功率（又称电磁功率）
PMX ——机械功率
PM 2 ——转子铜耗
5)．电机的平均转矩为：
M CP
PMX
M0 Mn 否则电机无法进入正常运转工作区。
交流机的起动电流一般为额定电流的4~6倍 ,起动时 一般要考虑以下几个问题：
图4-7 机械特性曲线
1. 应有足够大的起动力矩和适当的机械特性曲线。 2. 尽可能小的起动电流。 3．起动的操作应尽可能简单、经济。 4．起动过程中的功率损耗应尽可能小。
普通交流电机在起动过程中为了限制起动电流，常用的起动方法有三种。即：
图6-1的等效电路，经化简后得到能耗制动的等效电路如图4-10所示。
图4-10 能耗制动的等效电路
图中：
•
I1 ——直流励磁电流的等效交流电流
电机控制与调速项目一
目录
CONTENTS
任务二 交流电动机常用调速电路
【任务目标】
1.了解电动机的启动、制动、调速原理。
2.掌握交流电动机调速控制线路的安装与调试。
【知识准备】 一、低压用电器的相关知识 （一）自动空气开关
自动空气开关又称低压断路器，是一种既有手动开关作用， 又能自动进行失压、欠压过载和短路保护的电器。可用来分配 电能，不频繁地启动异步电机，对电源线路及电动机等实行保 护，当它们发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切 断电路。 1.基本结构及动作原理
3.绕线式电动机转子串电阻调速方法
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电 动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。
绕线式电动机转子串电阻调速的特点： 设备简单，控制方便，但转差功率以发 热的形式消耗在电阻上，属有级调速， 机械特性较软。
4. 串级调速方法 串级调速是指在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变 电动机的转差。
职业教育“工程实践创新项目”应用课程系列教材 “十三五”职业教育规划教材
项目一 交流电动机的控制与调速
【项目描述】 机械对电动机的运行要求不同，常用的有启动、正反转、调速、制动和互锁等。
为了实现这些要求，需要用各种电气元件组成电力拖动控制系统。本项目主要让学 生熟悉交流电动机的调速技术，能根据工程需要，正确选用调速方法，通过训练学 会安装并实现交流电动机的控制与调速。
【相关知识和技能】 1.旋转磁场旋转速度：在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为
同步转速，用n0表示。
2.极对数（p）：
交流电机VF协调控制变频调速系统的设计
第一章绪论第一节电力电子技术概述一、电力电子技术的形成与发展电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。
具体来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术的诞生是以20世纪50年代美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是20世纪后半叶诞生并发展起来的一门崭新的技术。
可以预见，在21世纪电力电子技术将以更迅猛的速度发展。
其实，早在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。
晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。
后来，出现了水银整流器，在30年代到五十年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。
它广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。
1947年，美国著名的贝尔实验发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。
最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。
电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。
二、电力电子器件的分类按照电力电子器件能被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类：(一) 不可控器件不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，这类器件不需要驱动电路，如电力二极管。
这类器件只有两个端子，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
(二) 半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
(三) 全控型器件通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件称为全控型器件，由于和半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称自关断器件。
交流异步电动机矢量控制调速系统设计
目录摘要I1绪论11.1交流调速技术概况11。
2异步电动机矢量控制原理22矢量控制理论42.1矢量控制42.2异步电机的动态数学模型52.3坐标变换73矢量控制系统硬件设计93。
1矢量控制结构框图93.2矢量控制系统的电流闭环控制方式思想9 3。
3各个子系统模块103.4矢量控制的异步电动机调速系统模块124 SIMULINK仿真134.1MATLAB/S IMULINK概述134。
2仿真参数134。
3仿真结果145总结16参考文献17摘要异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。
本设计把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。
综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景,并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。
直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果.本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。
并用MATLAB最终得到了仿真结果。
关键词：坐标变换；矢量控制;MATLAB/simulink1绪论1.1交流调速技术概况工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动,其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗,节约电能也需要调速。
过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。
但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修,使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在,直流电机无法做成高速大容量的机组,如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦,远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求.交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机.交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同,通过适当调节电压和频率之间的关系,可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。
基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计
运动控制课程设计班级：电气三班学号：姓名：基于交流电动机动态模型的直接转矩控制系统的仿真与设计设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
1直接转矩控制的基本原理及规律直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另外一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。
在它的转速环里面利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因此而得名为直接转矩控制。
1.1直接转矩控制系统原理与特点如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号*T，T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得在*转速和磁链系统实现解耦。
因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。
图1-1直接转矩控制系统图的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链s保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。
在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。
从以上介绍我们可以了解到DTC系统在具体控制方法上的一些特点：⑴转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM的逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的姐结构。
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计
基于交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的仿真与设计姓名：班级：电气三班学号：专业：电气工程及其自动化1.引言异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。
需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。
经过人们的多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是矢量控制系统。
直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。
本文研究了交流电动机动态模型的直接矢量控制系统的设计方法。
并用MATLAB 最终得到出仿真结果。
2. 矢量控制系统结构异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。
由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就称为矢量控制系统(VectorControlSystem)，简称VC 系统。
VC 系统的原理结构如图1所示。
图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号*m i 和电枢电流的给定信号*t i ，经过反旋转变换1-VR 一得到*αi 和*βi ，再经过2／3变换得到*A i 、*B i 和*C i 。
把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号1ω加到电流控制的变频器上，所输出的是异步电动机调速所需的三相变频电流。
图1 矢量控制系统原理结构图在设计VC 系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器1-VR 与电机内部的旋转变换环节VR 相抵消，2／3变换器与电机内部的3／2变换环节相抵消，则图1中虚线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。
可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。
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随着人们对交流电动机特性了解的日益深入，交流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对交流电动机作了全面系统的总结，指出了交流电动机的研究领域，成为交流电动机的经典文献，标志着交流电动机在理论上走向成熟。
项目
交流电动机
有刷直流电动机
换向
借助转自子位置传感器实现电子换向
由电刷和换向器进行机械换向
维护
由于没有电刷和换向器，很少需要维护
需要周期性维护
寿命
比较长
比较短
机械（速度/力矩）
特性
平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行
中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小
效率
由于没有电刷压降，所以效率高
中等
输出功率/外形尺寸之比高
由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高
中等/低。电枢产生的热量消散在气隙，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比
转自惯量
低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应
转自惯量高，限制了动态特性
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。交流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是交流电动机最常用的一种工作方式。
我国对交流电动机的研究起步较晚。1987年，在举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国有关学者的广泛注意，自此国掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国已有交流电动机的系列
产品，形成了一定的生产规模。
1.2
表1-1交流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
1.3 交流电动机的结构及基本工作原理
1．交流电动机转矩分析
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔
离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-1 交流电动机工作原理示意图
如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。
速度围
比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制
比较低，存在电刷给予的机械限制
电气噪声
低
电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰
制造价格
比较高
低
控制
复杂和价格贵
简单和价格不贵
控制要求
为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制
对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器
交流电动机控制系统项目设计方案
第1章 概 述
1.1 交流电动机的发展概况
交流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了交流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代交流电动机的诞生。
交流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在交流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得交流电动机自发明以后的一个相当长的时间，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为交流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，