（机械电子工程专业论文）现场总线的变频调速自动送钻控制系统设计.pdf

摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，石油勘探开发激烈地竞争和勘探难度的不断增加，要求石油 钻井装备能够节省钻井成本、降低开发费用、提高钻井速度、加速钻井速度和缩短产油 周期。现代石油钻井设备要满足上述的生产要求，必须应用新的自动化控制技术，开发 新的钻井自动化控制系统。变频调速自动送钻系统的产生和发展j 下是由于石油钻井工艺 的要求和相关新技术的发展而出现的。 自1 9 6 6 年世界上的首台自动送钻系统的诞生开始，自动送钻系统不论是应用最初 的微控制器还是应用今天的计算机控制或p l c 控制器，都是控制钻机的刹车机构来实 现，这种形式的自动送钻其刹车机构磨损剧烈，而且在系统启动之初，动静摩擦力的转 换使得控制过程很难稳定。总线技术的变频调速自动送钻系统，应用变频调速技术对电 动机的四象限的精确控制，直接控制电动机的出力，使钻压达到基本恒定，提高了钻进 速度和稳定性，减少了钻头的磨损；应用总线技术使控制器、变频器、刹车机构、数据 采集和监控系统形成网络控制，有效地提高了钻机自动送钻的稳定性和安全性。 本论文首先对原有自动送钻系统进行理论分析，指出其存在的问题和不足，提出了 利用总线技术和变频调速技术实现自动送的必要性；然后，根据电动机四象限变频调速 控制原理，设计出总线技术的变频调速的原理图、硬件组成、控制电路和p l c 程序。 关键词：自动送钻总线技术变频调速钻压控制p l c d e s i g no f a u t o m a t i o nd r i l l i n gb a s e do np r o f i b u sa n d f r e q u e n c y - i n v e r t e rr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y z h e n gy u n - z h e ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q im i n g x i a a b s t r a c t s i n c e19 9 0 s ，t h ef i e r c ec o m p e t i t i o nf r o mt h ed e v e l o p m e n to f p e t r o l e u me x p l o r a t i o na n d e x p l o i t a t i o na n do i l g a se x p l o r a t i o nb e c o m i n gd i f f i c u l ta tp r e s e n t ，t h ed r i l l i n gc o n t r a c t o r s r e q u i r ee q u i p m e n t st or e d u c et h ed r i l l i n gc o s ta n de x p l o i t a t i o nc o s t a n dt oi n c r e a s es p e e da n d t oc u td o w no i l p r o d u c i n gc y c l e t om e e ta b o v e m e n t i o n e dr e q u i r e m e n t s ，m o d e md r i l l i n g e q u i p m e n t sm u s te m p l o yt h en e wc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p et h en e wd r i l l i n gc o n t r o l s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd r i l l i n gt e c h n o l o g yr e q i r i n ga n dr e l e v a n tn e wt e c h n o l o g i e s ， a u t o m a t i cd r i l l i n gb a s e do nf r e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o r s p e e da p p e a r e d i n19 9 6 s ，a f t e rt h ef i r s ta u t o m a t i cd r i l l i n gd e v i c ei nt h ew o r l dw a sb o m ，a u t o m a t i cd r i l l i n g s y s t e ma l lc o n t r o l e dt h eb r a k em e c h a n i s mt od r i l l ，n e i t h e ru s i n gi n i t i a lc o n t r o l l e ro rc o m p u t e r o rp l cc o n t r o l l e r s ot h eb r a k em e c h a n i s mw a sw o r na n dt o mi ni n t e n s i t y a n db e f o r et h e s y s t e ms t a r tu p ，t h ec o n v e r s i o no fk i n e t i cf r i c t i o na n db r e a k o u tf r i c t i o nw o u l db eh a v i n g d i f f i c u l t i e sh o l d i n gi ts t e a d y t h ea u t o m a t i cd r i l l i n gs y s t e mb a s e do np r o f i b u sa n df r e q u e n c y c o n t r o lo fm o t o r s p e e dc o u l dc o n t r o lt h em o t o v o u t p u t ，k e e pw o b i n v a r i b l e a n di te n h a n c e d t h es p e e do fd r i l l i n ga n ds t a b i l i t y , r e d u c e dt h ed r i l lb i tw e a r t h en c s s ( n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ) u s i n gp r o f i b u st e c h n o l o g i e sc o n s i s to f t h eb r a k em e c h a n i s m ，f r e q u e n c y c o n v e r t e r s ，c o n t r o l l e r , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，i tr a i s es e c u r i t y a n ds t e a d yo ft h ea u t o m a t i cd r i l l i n gs y s t e m f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tat h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht h eo l da u t o m a t i cd r i l l i n g s y s t e ma n dp o i n t e do u tt h ep r e s e n tp r o b l e m sa n dt h ep r e s c r i p t i o nw a sl i s t e do u t f r o m m e a n t i m ei tp u tf o r w a r dt h en e c e s s i t yo fa u t o m a t i cd r i l l i n gb a s e do np r o f i b u sa n d f r e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o rs p e e dt e c h n o l o g ya n dt h e na c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l i n gp r i n c i p l e s o ft h em o t o ro fq u a d r a n tl o g i cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，i tw o r k e do u tt h es c h e m a t i cd i a g r a m o ff r e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o rs p e e d ，h a r d w a r es e t u pa n dp l c p r o g r a m k e yw o r d s ：a u t o m a t i o nd r i l l i n g ，p r o f i b u s d p ，v e c t o rc o n t r o l ，w o b ，p l c 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位敝作者繇警蔓盟一日期：知吩，月刁同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 学位做作者躲塑墨翌 指导教师签名：主避 日期：弦d ，年f 月7b 日期：砌。7 年，月刁日 中困石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 第一章前言 1 1 自动送钻技术目前的发展现状 1 1 1 自动送钻系统在国外的发展 自动送钻技术按其控制不同的刹车方式区分，经历了用于带式刹车的自动送钻技术 和用于盘式刹车的自动送钻技术两个阶段。美国在1 9 6 6 年就已经开始研制用于带式刹 车的自动送钻装置，主要有“熊牌”和“6 1 3 ”型自动送钻装置。其主要特征是机械控 制，而且必须有绞车置于钻台上时方可使用，常常会产生8 1 8 5 1 3 1 3 4 n 的钻压波动。 1 9 9 8 年丌始使用基于盘式刹车装置的自动送钻装置，将钻压波动缩小到了1 1 2 7 1 1 7 8 n 。2 0 0 0 年以后，美国v a r c om d t o t c o 公司在现有自动送钴装置的技术基础上开发 创新，试验成功新型电子自动送钻装置，实现了连续均匀自动送钻，大大地提高了钻井 质量、效率和速度，成为目前世界上较先进的新型自动送钻装置f 1 1 。 1 1 2 自动送钻系统在国内的研制和应用情况 国内兰州石油机械厂与吴忠仪表厂于1 9 8 6 年研制出了用于带式刹车的a d e i 型自 动送钻装置。其主要特点是气动控制，可以安装在绝大多数钻机上，而且无须对钻机进 行改装。这种自动送钻装置在四川、胜利、中原、大港和江苏等油f 日投入了使用。目前 这种自动送钻技术在中深井钻井中仍有较大市场。 1 9 9 6 年国内丌始研制用于盘式刹车的自动送钻装置，石油大学( 北京) 研制的第一 台p s z 1 型盘式刹车自动送钻装置已于1 9 9 8 年进行了现场工业性试验，试验中，获得 了稳定的钻压，钻速明显提高。但也暴露出一些诸如通用型数字p i d 测控仪的面板操作 较为复杂，并难以实现直接钻压控制与显示，国产电液比例元件寿命较短，系统匹配不 尽人意及可靠性、安全性不足等问题，加之盘式刹车本身存在的一些问题，因此，用于 盘式刹车的自动送钻装置在国内应用的还不多，有关的研究工作正在进行之中，目日仃在 自动送钻的安全监控方面己取得了一些成果。 南阳石油机械厂与石油大学( 北京) 合作研制用于e a t o n 气动水冷盘式刹车的自 动送钻装置。随着盘式刹车装置的不断改进及逐步推广使用，以及电液、电气一体化控 制元件和电子控制技术不断完善，机电一体化的盘式刹车自动送钻装置将成为自动送钻 装置的发展方向。特别是在深井、超深井、定向井钻井中将有广阔的市场。由于在中深 第一章前言 井钻井中，盘式刹车有取代带刹车的趋势，在这一领域，盘式刹车自动送钻装置也有一 定市场。 1 2 选题的背景和意义 不论是机械钻机还是电动钻机，国内外的钻机生产厂商都在朝着全自动钻机的方向 不断进行探索和努力，而全自动钻机及钻井自动化的实现依赖于钻机自动送钻技术的实 现。自从上世纪6 0 年代开始，国内外的许多科研院所及钻井装备制造商就自动送钻技 术不断进行技术攻关，虽然每一次研制过程中都取得了一定的进步，但自动送钻的整体 效果还存在不足之处，比如送钻过程中钻压波动较大、对于不同地层所整定的参数的适 应性较差、没有安全监控系统及控制元件不过关等问题。所以，为了实现全自动化钻井、 提高钻井生产的安全性、减少司钻的疲劳强度，提高钻井效率，我们有必要对钻机的 自动送钻技术从变频调速电力拖动的角度进行深入研究，为解决钻井现场存在的问题提 供一条途径。 变频调速技术具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展 6 仃途的调速方式。当今科学的发展趋势是各学科之间相互影响，相互渗透，从发展的角 度来看，神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论将用干变频调速技术， 这也将是变频调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其它新技术如现场总线、自 适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给变频调速的控制技术带来重大的 影响。现场总线技术和变频调速技术是2 0 世纪9 0 年代推出的自控新技术，它主要应用 于生产现场和电力拖动系统。现场总线技术在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、 多节点数字通信。它将受到数字计算和数字通讯工业界和学术界的高度重视。 因此，把其他学科新的科学成果、技术理论和方法，应用到交流传动领域中即是交 流调速技术的发展方向，也是一个十分迫切的问题。 1 3 本论文所做的工作 本论文主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 对盘式刹车自动送钻系统控制器的原理进行分析 对原有盘式刹车的自动送钻系统作详细的理论分析，指出原有系统存在的缺点和不 足，提出利用总线技术和变频调速技术替代原有模拟系统的必要性，并指出本论文所选 2 中国石油大学( 华东) 硕i ? 学位论文 用的网络控制为p r o f i b u s d p 现场总线，控制器为西门子的s 7 3 0 0 系列p l c t 2 1 。 ( 2 ) 对中深井石油钻机( 以z j 7 0 为例) 负载的机械特性以及电动机的四象限运行 的机械特性进行分析，确定如下内容： a 通过计算确定电动机和变频器的容量，选择电动机和变频器： b 计算能耗电阻的容量和制动单元： c 确定变频调速的控制算法。 ( 3 ) 总线技术的变频调速自动送钻系统的硬件设计； ( 4 ) 变频调速自动送钻控制系统的软件设计； ( 5 ) 变频调速自动送钻控制系统的人机界面的设计。 3 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论基础 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论基础 2 1 异步电动机的工作原理 2 1 1 旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组，如果将定子绕组接到三相交流电源上，由于发电机输 出的是三相对称交流电压，那么，在定子上终究会产生对称的三相交流电流，该电流在 定子绕组中产生的磁场是一种旋转磁场。下面以两极三相异步电动机为例来分析下旋转 磁场的产生f 3 1 。 三相对称绕组就是在空间布置上各相中心互隔1 2 0 。空f n j 电度角的绕组。为了简化 分析，可以用互隔1 2 0 。电度角的三个线圈来代表，线圈的首端分别为u l 、v 1 、w 1 ， 术端分别为u 2 、v 2 、w 2 。三相电流在相位上互成1 2 0 。，其解析式为： i v l = lc o sw t i v l = lc o s ( w t 一1 2 0 。) i w i = lc o s ( w t 一2 4 0 ) 我们规定：电流从线圈的首端( u 2 、v 2 、w 2 ) 流入，由线圈的末端( u l 、v l 、 w 1 ) 流出，为正值；反之为负值。用符号。表示电流流入，o 表示电流流出。 图2 - 1c o t = 0 0c o t = 1 2 0 0c o t = 2 4 0 0c o t = 3 6 0 0 时电流及磁通的方向 f i g 2 - 1 d i r e c t i o no fc u r r e n ta n dm a g n e t i cf l u xa t c o t = 0 0c o t = 1 2 0 0 c o t = 2 4 0 0 c o t = 3 6 0 0 选择刎= o oc o t = 1 2 0 0c o t = 2 4 0 0c o t = 3 6 0 0 等几个特定时刻。首先以州= o 。这一 时刻为例，此时f f ，= l ，电流从u 2 端流入，用 表示，电流从u 1 端流出，用o 表示： l v i = 。= 一1 2 1 。，电流分别从v 1 和w 1 流出，用o 表示；而从v 2 w 2 流a ，用。表 示；根据右手螺旋法则可知，三相线圈中电流产生的磁场方向是从上向下。用同样的方 4 中国石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 法可以画出c o t = 0 0c o t = 1 2 0 0o g t = 2 4 0 0c o t = 3 6 0 0 的电流及磁通的方向，分别如图 2 1 a 、b 、c 、d 所示。 比较图2 1 中的四个时刻，可以看出：磁场方向就在空间按逆时针方向旋转1 2 0 。， 当叭变化3 6 0 。，磁场方向就轮回到起始位置，也就是说在两极电机中，电流在时间上 变化一个周期，磁场在空间也正好转过3 6 0 。( 即一转) ，电流每秒变化f ) 吾- j ，磁场在空 i 白j 也旋转f 转。在我们国家交流电的频率为每秒变化5 0 周，故两极异步电动机的定子 旋转磁场的转速n a 为 ，z l = 厂= 5 0 r s 或 啊= 6 0 f = 3 0 0 0 r m i n 如果将三相定子绕组安排成四极，如图2 2 所示，同样取 o t = 0 06 0 t = 1 2 0 0o g t = 2 4 0 0 c o t = 3 6 0 0 这几个特定时刻，观察电流变化时电机磁场的 变化，可以看出：当叭经过1 2 0 。时，磁场只在空间按逆时针方向转过6 0 。，电流变 化一个周期( 即w 转过3 6 0 。) ，磁场只在空间旋转了半转，即4 极电机旋转磁场的转 速为 = | 2 = 2 5 r | s 或 = 6 0 f 2 = 1 5 0 0 r m i n 它是两极旋转磁场转速的一半。只要适当的安排绕组，则可以得到6 极、8 极或2 p 个磁极的旋转磁场，用上述的作图方法，同样可以求得他们的转速。 6 极时： 惕= 6 0 f 3 = 1 0 0 0 r m i n 8 极时： n = 6 0 f 4 = 7 5 0 r m i n 2 p 极时：n l = 6 0 f p 式中，p 为磁极对数。 2 1 2 电磁感应 ( 1 ) 、定子的电压关系1 4 1 定子绕组固定在定子铁心内，它相对于旋转磁场运动而切割磁力线，产生感应电动 5 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论皋础 势。有电磁学原理知，e = b l v ，其中磁感应强度b 正比于主磁通。，导体切割磁力线 的速度v 正比于同步转速，因此也正比于电源频率彳。导体在磁场中的有效长度及匝数 与转子的有效长度成正比，加上磁感应强度和磁通量的系数、导体线速度与电源频率的 系数，这些对于一台具体的电动机而言都是一个常数。我们把全部场常系数合并成一个 与制造参数有关的系数，称之为定子电动势系数。按照交流电原理这是一个矢量关系， 感应电动势落后主磁通9 0 。电度角，把这些关系写成复数表示的矢量形式，就得到了定 子感应电动势公式 e l = - j c e l 彳。 ( 2 1 ) 式中，e 是定子电动势系数。 定子电路的电压是电动机的端电压与定子感应电动势的合成矢量，两者的方向相 反。定子的交流阻抗是电阻和漏电抗两部分组成，根据欧姆定律，可写出定子电压的平 衡关系 u l = i i ( 1 + 瞄) 一巨 ( 2 - 2 ) 式中，是定子电阻；x 是定子漏抗，它是随频率变化的。 ( 2 ) 、转子的电压关系 转子电动势的形成原理与定子的电动势相似，而转子绕组切割磁力线的速度是与旋 转磁场和转子之间的差速度成正比的，因此可以得到转子电动势 易= 一j c , 2 六。= 一j c , 2 斩。 ( 2 3 ) 式中，e ：是定子电动势系数。 在转子回路中没有外部电源，回路电动势就是感应电动势，而转子回路阻抗也是由 转子回路电阻和漏电抗组成，根据欧姆定律，可写出转子电压平衡关系式 易= 1 2 ( r 2 + j s x 2 0 ) ( 2 - 4 ) 式中，r 2 是定子电阻；x 2 。是转差率为1 的转子漏抗。 2 1 3 三相异步电动机的工作原理 由上面的分析可知，当三相异步电动机接到三相电源上，定子绕组就能够产生一个 旋转磁场，该磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势。如果转子绕组闭合， 6 中国石油人学( 华东) 硕一i j 学位论义 则会产生转子电流，该电流与定子旋转磁场相互作用，使转子绕组导体受到电磁力的作 用，从而使转子跟着定子旋转磁场同方向旋转，异步电动机就能拖动机械负载。转子电 流是由定子旋转磁场感应产生这一原理来考虑，异步电动机也称为感应电动机，异步电 动机转子的转速是否与旋转磁场的转速同步呢? 如果相同，则转子绕组的导体不切割旋 转磁场的磁力线，导体中就没有感应电动势和电流，也就不会产生电磁力使转子转动， 所以，转子的转速n 总是略小于定子旋转磁场的转速强，这两种转速的差异是电动机能 够工作的必要条件，故这种电动机也称为异步电动机。f 和刀之差称为转差或转差速度， 用胛表示，即a n = n 。一n ，转差与之比称为转差率s ，则 s = ( 一刀) 强 ( 2 5 ) 异步电动机转子的转速是随着负载的变化而变化的，转差率s 也就随着负载的变化 而变化，一般在空载时，s 约在o 5 以下；额定负载时，s 约在2 - - 一5 。 2 2 三相交流异步电动机的调速 三相交流异步电动机的调速，就是人为的改变电动机的转速，以满足生产机械的需 要。电动机调速的方法很多，从转速的表达式： 甩：啊( 1 - s ) ：盟( 1 一s ) p ( 2 6 ) 上式可以归纳出- - 十f l 交流异步电动机的三类调速方法：变极对数p 的调速，变转差 率s 调速和变电源频率调速。为此，常见的交流调速系统分类有5 1 ： ( 1 ) 变极调速： ( 2 ) 调压调速： ( 3 ) 绕线式异步电动机转子电路串电阻调速； ( 4 ) 绕线式异步电动机串极调速： ( 5 ) 电磁转速离合器调速； ( 6 ) 变频器调速。 其中( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 属于变转差率s 调速。 从上式看来，只要改变定子电压的频率石就可以调节电动机的转速甩大小了，这种 7 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论基础 调速方法叫做变频调速。变频调速时是以电源频率彳：5 0 h z 为基本频率。但在实际上， 仅改变定子电源频率彳并不能对电动机进行正常调速。由电机学知道， m = 石丽e g 再丽u 1 瓦= g 。，2c o s2 ( 2 - 7 ) 式中，m 为每极气隙主磁通，单位为w b ： & 为定子每相中气隙磁通感应电动势有效值，单位为v ； n 为定子每相绕组串联匝数； k 为基波绕组系数； u 。为定子相电压，单位为v 。 若材，不变，则彳上升时，m 将下降，于是电磁转矩瓦下降，这样电动机的拖动能 力会降低；若降低彳则m 上升，当石小于额定频率时，主磁通m 将超过额定值。f ：h 于在设计电动机时，主磁通m 的额定值一般选择在定子铁心的临界饱和点附近，所以 当在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流将大大增加，使定子铁 心损耗急剧增加，电动机将无法正常运行。所以实际调速常用下列变频控制方式 4 1 ： ( 1 ) 基频5 0 h z 以下恒转矩变频调速 在降低定子电源频率z 的同时，必须降低定子电源的电压，使得 粤4 4 4 n l k l m = 常数 ( 2 8 ) j i 这样才能保持磁通m 在调速过程中不变，电磁转矩不变，属于恒转矩调速。 ( 2 ) 基频5 0 h z 以上恒功率变频调速 从基频5 0 h z 往上变频调速时，如果也按比例升高电压，则电压会超过电动机的额 定电压，这是不允许的，只能迫使磁通与频率反比地降低。因此保持电压不变，频率越 往上调磁通m 就越小，是一种弱磁调速的方法，属于恒功率调速。 8 中因石油人学( 华东) 硕i j 学位论文 因此，在实际设计变频调速系统中，是在调节定子电源频率彳的同时调节定子电压 u 。，通过石和“的协调控制实现不同类型的变频调速。如下图2 - 2 所示。 图2 2鼠笼式交流异步电动机变频调速控制特性 f i g 2 - 2 c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co f a ca s y n c h r o n o u sm o t o rf r e q u e n c yc o n t r o l 2 3 变频调速的控制方式 变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，对电动机提 供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器 件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控 制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为 甜f 恒定控制；转差频率控制：矢量控制；直接转矩控制；非线性控制；自适应控制； 滑模变结构控制；智能控制。前四种已获得成功应用，并有商品化产品。本文只讨论前 四种控制方式【6 1 。 ( 1 ) “f 恒定控制 “f 控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保 持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压 ( v o l t a g e ) 与频率( f r e q u e n c y ) 之比，称为u f 控制。恒定u f 控制存在的主要问题是 低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动 机的转矩补偿和适应负载转矩的变化；其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于 恒“f 变频器是转速丌环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也 就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以甜f 恒定控制方式存在 9 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论基础 的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 ( 2 ) 转差频率控制 转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机 稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为 直线。 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电 动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差 频率之和作为变频器的给定频率。与“f 控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力 得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。 然而要达到自动控制系统稳念控制，还达不到良好的动态性能。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是7 0 年代初由西德f b l a s s c h k e 等人首先提出， 以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。矢量控制技术模拟直流电动机的控 制特点对交流电动机进行控制。通过作变换，把交流电动机的定子电流分解成励磁电流 分量和转矩电流分量，并分别控制磁通和转矩，从而使交流电动机获得和直流电动机一 样的高动态性能。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里 全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提 高参数的准确性是一直研究的话题。 ( 4 ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术 在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩， 而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链， 在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好； 所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感 器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。 2 4 交流异步电动机的矢量控制模式 虽然u f ( 恒压频比) 控制模式简单，附加条件少，但其适合多数的二次方转矩负 载以及对动态性能要求不高的反抗性恒转矩负载应用，所以，对于高动态性能的调速系 统须采用变频调速的矢量控制模式。而异步电动机的动态数学模型和矢量变换关系又是 1 0 中国石油大学( 华东) 硕- j ：学位论文 矢量控制的理论基础”1 8 1 。 2 4 1 交流异步电动机的动态数学模型 在异步电动机的定子电压平衡方程式( 2 2 ) 中，左边是定子电压，右边分别是定 子电流在定子电阻上的电压降、定子电流在漏电抗上的电压降以及定子感应电动势三 项。但是式( 2 1 ) 是以磁通恒定为前提推导的，式( 2 2 ) 是以电流乘以电抗计算电压 降，又是以频率恒定的交流电励磁为前提的。当磁通和频率处于动态的变化过程中，式 ( 2 2 ) 右边的两项都会存在误差。 按照法拉第电磁感应定律，感应电动势与环路内磁通的变换率成正比，且总是与磁 感应磁场的方向相反，而对一个绕组而言，其中环路的数量即为匝数，而磁通乘以匝数 即为磁链，因此有 e ：一o n o( 2 9 ) = 一一 i - yj a ( 1 ) 电压方程 定子电动势由主磁链产生，定子电压降由定子漏磁链产生因此可以把式( 2 - 2 ) 的 右边第二、三项合并为定子磁链的感应电动势，那么，定子a 、b 、c - - * h 的电压平衡 方程可改写为 甜一= _ + 百d g a 铲魄+ 警 叫c + 等 与此相同，三项转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 驴啊+ 誓 铲巩+ 警 驴嚏+ 等 式中，玑、“8 、纵、敞、为定子和转子相电压的瞬时值； 0 、k 、0 、r 、b 、为定子和转子电流的瞬时值： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第二章异步电动机交流变频调速技术的理论基础 、虬为各项绕组的全磁链； 、0 为定子和转子的绕组电阻。 将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p 代替微分符号d 出 r0 0 0 0 0 0 足00 0 0 0 0r0 0 0 0 0 0 r ，0 0 0 0 0 0 r ，0 0 0 0 0 0 r r j rp y 一 | i f ，口 中c 。 叩b v c ( 2 1 2 ) 或写成 = r i + p 甲 ( 2 - 13 ) ( 2 ) 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个 绕组的磁链可表达为 爿 8 虮 y 。 。 l 蛆l a b l 强l 鸭 k al l l 曲 l b al b 8 l al c b l 山cl dl 山bl a c l b cl 8 0l b bl 钯 l c cl c 。k bl c c l 。cl 。l 曲l o c l _ cl b ，l b bl b c l 。cl c dl c bl c c ( 2 1 4 ) 甲= 三f ( 2 15 ) 如果把磁链方程( 2 1 5 ) 代入电压方程( 2 1 3 ) 得到展开后的电压方程 式中，l d i l d t 项属于电磁感应电动势中的脉变电动势，( 比d p ) 缈f 项属于电磁感应 电动势中与转速国成正比的旋转电动势。 ( 3 ) 转矩方程 根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能与磁 共能为1 1 2 咖砌纵如蜥阮 6厶 以万 + 讲一出 +“ 缈 尺 已一9 础 比一抬 d + 讲一出 p l + + 彤 融 = = 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 “= 叱= 三m = f l i ( 2 - 1 7 ) 而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率。因此，根据这一原理可以求出 异步电动机电磁转矩的表达式： t e ：pn l m x t i o + i i b 七i a i c ) s i n 0 + ( i a i b + i4 i c + i a i 。) s i n ( o + 1 2 0 ) + ( i a i c + i i o + i4 i b ) s i n ( 0 1 2 0 ) ( 2 - 1 8 ) 应该指出，上式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下得出来的， 但对定子、转子电流对时间的波形未作任何假定，式中i 都是瞬时值。 ( 4 ) 电气传动系统的运动方程 忽略电气传动系统传动轴的扭转弹性，传动系统的运动方程式为 瓦= 瓦+ 去鲁( 2 - 1 9 ) 式中，r 为负载转矩( n m ) ； 为机组的转动惯量( k g r n ) 。 ( 5 ) 三相异步电动机的数学模型 将式( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 综合起来，再加上转速与转角的微分关系 缈：塑 ( 2 一、z u ，、) 缈= lz 。， 加 便构成三相异步电动机的多变量非线性数学模型，用结构图表示如图2 3 所示。 图2 - 3 异步电动机的多变量非线性动态结构图 f i g 2 - 3 n o n l i n e a rd y n a m i cc o n s t r u c t i o nd r a w i n go f a ca s y n c h r o n o u sm o t o r 图2 3 的动态结构图表明，异步电动机机的数学模型具有下列性质： 1 3 第二章异步i 乜动机交流变频调速技术的理论皋础 除负载转矩输入外，异步电动机可以看成是一个双输入双输出系统，输入量是电 压相量u 和定子输入角频率国，输出是磁链相量甲和转子角速度彩。电流相量f 可以看 作状态变量，它和磁链相量之间有式( 2 1 4 ) 的确定关系。 非线性因素存在于死( ) 和矽：( ) 中，即存在于产生旋转电动势p ，和t 两个环节上， 还包含在电感矩阵中。 多余变量之间的耦合关系主要也体现在办( ) 和欢( ) 两个环节上，特别是产生旋 转电动势氟( ) 对系统内部的影响最大。 2 4 2 矢量控制的基本思想 由交流异步电动机的电磁转矩公式( 2 7 ) 可知，异步电动机的气隙磁通、转子电 流与转子功率因数都影响其电磁转矩；另外，也从2 4 1 的分析中，可知交流异步电动 机的动态模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此，交流异步电动机的转 矩控制问题就变得相当复杂 9 1 。 交流异步电动机的矢量控制思想采用类似于直流调速的思想。直流电动机之所以具 有良好的静、动态性能，是因为其两个参数：励磁电流，。及电枢电流是两个独立的控 制变量，只要分别控制这两个变量，就可以独立地控制直流电动机的气隙磁通和电磁转 矩。直流电机通过电刷作用，可使电枢磁动势获得固定的空间位置，且与定子磁动势f 交。只要控制定子励磁电流使主磁通恒定，则电磁转矩正比与电枢电流。 由三相异步电动机的原理知，当定子三相绕组在空间上互差1 2 0 。且通以时间上互 差1 2 0 。的三相f 弦交流电时，在空间上会建立一个角速度为缈的旋转磁场，如图2 5 所示，事实上，空间上互相垂直的两相绕组口、p ，且在口、绕组中通以互差9 0 。的 两相平衡交流电0 、_ 时，也能建立一个旋转磁场，如图2 4 ( b ) 所示。当该旋转磁场 的大小和转向与三相绕组产生的合成磁场相同时，则认为口、绕组与三相绕组等效。 再假如有两个互相垂直的绕组m 、t ，在m 绕组中通以直流电l ，在t 绕组中通以直 流电，并将此固定磁场以同样的角速度国旋转起来，则m 、t 两相旋转绕组产生的合 成磁场也是一个旋转磁场。再进一步使m 绕组的轴线与两相绕组的旋转磁场方向相 1 4 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 同，如图2 - 4 ( c ) 所示，则，。相当于直流电动机的励磁电流分量，由它来产生直流电动 机的磁场，而与磁场垂直的分量相当于直流电动机的电枢电流即转矩电流分量。调 节，。即可调节磁场的强弱，调节，即可在调节磁场恒定情况下调节转矩的大小。 矢量变换控制就是基于上述设想，借用直流调速的系统设计中所使用的一些经典理 论束进行交流调速系统的设计。矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换方 法，把交流三相绕组a 、b 、c 中的电流l 、k 、七变换到两相静止绕组口、中的电 ： ： 流l 、；再数学变换把l a 、卢变换到m 、t 中的直流电j 。和，实质上就是通过数学 变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁场的励磁分 量，。，另一个使用来产生电磁转矩的转矩分量，如图2 4 所示。 b ) 图2 - 4 等效交流电动机绕组和直流电动机绕组 a ) 三相交流绕组b ) 两相交流绕组c ) 旋转的直流绕组 f i g 2 4e q u a l i t yo ft h ea cm o t o ra n dd cm o t o rw i n d i n g a ) t h r e e - p h a s ea cw i n d i n g b ) t w o p h a s ea cw i n d i n gc ) r e v o l v i n gd c m o t o rw i n d i n g i 1 a 一，z 变换 坐标旋转变换 r _ l 图2 5 三相电动机坐标变换结构图 f i g 2 - 5 t r a n s f o r m a t i o no fc o o r d i n a t e sd r a w i n go ft h r e e - p h a s ea cm o t o r 在图2 5 的基础上加上直流电动机的数学模型就可以找出矢量变换控制的三相电动 机的数学模型。通过调节三相交流电的电流、i 厅、f c 即可控制输出转矩瓦与角速度缈， 1 5 第一二章异步l 乜动机交流变频调速技术的理论皋础 如图2 - 6 所示。 图2 - 6 矢量控制的三相异步电动机的数学模型 f i g 2 - 6 m a t h e m a t i c a lm o d e lo fv e c t o rc o n t r o lt h r e e p h a s ea cm o t o r 2 4 3 矢量变换关系式 ( 1 ) 三相- - 相坐标变换【8 】 在三相静止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组a 、b 之间的变换，或称从三相静止坐 标系到两相静止坐标系上的变换，简称3 2 变换。 图2 7 给出了a 、b 、c 和q 、b 两个坐标系。为了方便期间，取a 轴和q 轴重合。 设三相绕组每一相的匝数为j v ，两相绕组每一相的匝数为，各项磁动势为有效匝数 与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时问变 化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。 c 图2 7 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 f i g 2 7s p a c ev e c t o ro ft h r e e p h a s e - t w o p h a s ec o o r d i n a t es y s t e ma n dw i n d i n gm a g n e t o m o t i v e f o r c e 设磁动势的波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组 瞬时磁动势在q 、1 3 上的投影是相等的，因此， 1 6 中国油大学( 华东) 硕士学位论文 2 f 口= 3 f ，4 一3 c o s 6 0 。一3 f cc o s 6 0 。= n 3 ( f 爿一去- i c ) 2 如= 3 f 占c o s 6 0 。一n 3 f c c o s 6 0 。= 。三n 3 ( 一t ? ) 气 写成矩阵形式，得 1 i一 2 o 鱼 2 ( 2 2 1 ) 考虑变换前后总功率不变，在此前提下，可以证