钻机电气控制系统的基础知识资料

1、 注：注：G为大钩负荷，单位吨；为大钩负荷，单位吨；V为提升速度，单位米为提升速度，单位米/秒。秒。 为了使实际起升曲线尽量接近理想曲线，绞车对驱动传动设备的要求是绞车对驱动传动设备的要求是： 1）要有高度的柔特性，能实现正反转无级调速正反转无级调速，且调速范围宽； 2）动力机短期过载能力强。 按恒功率原则变矩变速按恒功率原则变矩变速 调速范围调速范围 : R10: R10 要有转矩限制功能要有转矩限制功能 按恒转矩原则变矩变速按恒转矩原则变矩变速 调速范围调速范围 : R5: R5 泥浆泵对驱动传动的要求是： 1）动力机要有足够的过载能力； 2）动力机具有一定的柔特性。 注：注：P为排量，单

2、位升为排量，单位升/ 秒；秒；Q为泵压，单位公斤力为泵压，单位公斤力/ 厘米厘米 按恒功率原则变矩变速按恒功率原则变矩变速 调速范围调速范围 : R3: R3 位置 转速转矩 直流电驱动钻机的主电路部分，交流变频直流电驱动钻机的主电路部分，交流变频 钻机主电路整流部分，还有钻机电控部分钻机主电路整流部分，还有钻机电控部分 许多直流电源都是通过可控整流而得到的。许多直流电源都是通过可控整流而得到的。 DC link Rectifier V1V3V5 V2V6V4 C L+ - U1 V1 W1 M 3 U d Control Electronics control, monitoring and

3、 communication L 1 L 2 L 3 InverterMotor Monitoring Control Supply 可控整流：可控硅、 IGBT MOSFET等 晶闸管俗称可控硅，是一种功率半 导体器件。晶闸管的原文是 “Silicon Controlled Rectifier”(硅 可控整流)，缩写字母“SCR”。 它包含一个PN结，有 阳极和阴极两个端子。 整流二极管具有明显的 单向导电性。 可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体 器件,一般由两晶闸管反向连接而成。可控硅具有体积小、效率高、稳定性好、工作 可靠等优点。它的出现，使半导

4、体技术从弱电领域进入了强电领域。 可控整流是指在交流电压不变的情况下， 可以控制直流输出电压的大小。 a） 符号 b） 螺旋式 c） 平板式 1大功率二极管的伏安特性大功率二极管的伏安特性 二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图 所示。第象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第象限为反向特性 区，表现为反向阻断状态。 a）实际特性 b）理想特性 大功率二极管的伏安特性 a） 螺栓型螺栓型 b）平板型）平板型 c）符号）符号 管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极： 阳极，阴极和门极（或称控制极），其电路图中符号表示如图c）所示。

5、散热器 则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与 散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图a）依靠螺栓将 管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。 a）自冷 b）风冷 c）水冷 晶闸管的等效复合三极管效应 可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电 极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极 电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强 烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的晶闸管的 导通。导通。 如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管 VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流I

6、g，晶闸 管都不能导通。 晶闸管阳极伏安特性： 正向阻断高阻区； 负阻区； 正向导通低阻区； 反向阻断高阻区 阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。 第象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。 晶闸管门极伏安特性 晶闸管的开关特性 （2）关断特性 通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利 用电源、负载和辅助换流电路来提供。 要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶 闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极 电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存 在，晶

7、闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也 会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快 速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。 2工作原理工作原理 IGBT的等效电路如图b）所示，是以PNP型厚基区GTR（大功率晶体管）为主导元件、N 沟道MOSFET为驱动元件的达林顿电路结构器件，Rdr为GTR基区内的调制电阻。图c）则是 IGBT的电路符号。 IGBT的开通与关断由栅极电压控制。栅极上加正向电压时MOSFET内部形成沟道，使 IGBT高阻断态转入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET中的导电沟道消除，PNP型 晶体管的基极电流被切断，IGBT关断

8、。 2动态特性动态特性 IGBT的动态特性即开关特性，如图所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅极电压UG达开启 电压UG（th）后，集电极电流IC迅速增长，其中栅极电压从负偏置值增大至开启电压所需时间td（on） 为开通延迟时间；集电极电流由10额定增长至90额定所需时间为电流上升时间tri，故总的开通时间 为tontd（on）tri。 IGBT的关断过程较为复杂，其中UG由正常15V降至开启电压UT所需时间为关断延迟时间td（off），自 此IC开始衰减。集电极电流由90额定值下降至10额定所需时间为下降时间tfitfi1tfi2，其中tfi1 对应器件中MOSFET部分的关断

9、过程，tfi2对应器件中PNP晶体管中存贮电荷的消失过程。由于经tfi1时 间后MOSFET结构已关断，IGBT又未承受反压，器件内存贮电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较 长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压Uce已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使 结温升高。总的关断时间则为tofftd（off）tfi。 IGBT的开关特性 新代新代IGBT功率器件性能功率器件性能 新一代新一代IGBT的特点：的特点： 其一：是其一：是IGBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热开关器件发热减少，将曾占主回路发热5070 的器件发热降低了的器件发热降低了30。 其二：是高载波控制，使输出电流

10、波形有明显改善；其二：是高载波控制，使输出电流波形有明显改善； 其三：是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了其三：是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了 电机运行的静音化；电机运行的静音化； 其四：是驱动功率减少，体积趋于更小。其四：是驱动功率减少，体积趋于更小。 DC link Rectifier V1V3V 5 V 2 V 6 V 4 C L + - U1 V1 W 1 M 3 Ud Control Electronics control, monitoring and communication L 1 L 2 L 3 Inverte r Motor Monitori

11、n g Control Suppl y VFD detailed electronics, including the IGBT and IGCT Gate drive circuit and the GCT gate commutated thyristor devices have been integrated as a whole 代号SCRIGBTIGCT 英文称呼ThyristorIntegrated Gate Bipolar Transistor Integrated Gate Commutated Thyristor 中文称呼大功率可控硅或晶闸管绝缘栅双极型晶体管集成门极换流晶

12、闸管 关断特性不是全控器件，不能自关断。 需要有外围电路关断 全控器件，能自关断。不需要外 围电路。控制简单。 全控器件，能自关断。不需要 有外围电路。控制简单。 最高电压最高耐压10kV最高耐压4.5kV最高耐压10kV 最大电流10kA2kA10kA 驱动信号电流驱动。驱动电流大，频率 很低。 电压驱动，驱动功率小，频率高电压驱动。驱动复杂。 工作频率50500Hz，工作频率低200050000Hz，工作频率高501000Hz，工作频率低 导通压降0.6-1.2V。导通压降低1.8-2.2V。导通压降高0.6-1.2V。导通压降低 电磁噪声电磁噪声很大基本无电磁噪声电磁噪声很大 结论优 点

13、 工作电流大，耐压高，价格低， 寿命长。导通压降低，效率高。 运行稳定 是全控器件，关断容易。工作频 率高。驱动功率小。无电磁噪音， 运行稳定 是全控器件，关断容易。工作 电流大，耐压高。导通压降低， 效率高。 缺 点 不是全控器件，关断困难。 工作频率低。 工作电流小，耐压低，价格高， 导通压降大，发热大，损耗大。 工作频率低，电磁噪音大，价 格高，运行不稳定. 运用场合有源逆变。静态开关高频斩波。高速开关大功率低频无源逆变 什么是变频器？ 通常，把电压和频率固定不变的工 频交流电变换为电压或频率可变的 交流电的装置称作“变频器”。 变频器原理是利用电力半导体器件 的通断作用将工频电源变换为

14、另一 频率的电能控制装置。 DC link Rectifie r V1V3V5 V2V6V4 C L+ - U1 V1 W1 M 3 U d Control Electronics control, monitoring and communication L 1 L 2 L 3 Inverte r Moto r Monitoring Control Suppl y DC linkRectifier V1V3V5 V2V6V4 C L+ - U1 V1 W1 M 3 Ud Control Electronics control, monitoring and communication L1

15、L2 L3 InverterMotor Monitoring Control Supply 电压型变频器原理图电压型变频器原理图 电流型变频器原理图电流型变频器原理图 DC linkRectifier V1V3V5 V2V6V4 C L+ - U1 V1 W1 M 3 Ud Control Electronics control, monitoring and communication L1 L2 L3 InverterMotor Monitoring Control Supply 逆变器IGBT模块检测 将数字万用表拨到二极管测试档,测试IGBT模 块C1.E1、C2.E2之间以及栅极G与

16、 E1、E2之间正 反向二极管特性,来判断IGBT模块是否完好。 将负载侧U、V、W相的导线拆除,使用二极管测试 档，红表笔接P(集电极C1)，黑表笔依次測U、V、 W(发射极E1)，万用表显示数值为最大;将表笔反 过来，黑表笔接P，红表笔測U、V、W，万用表显 示数值为400左右。再将红表笔接N(发射极E2)， 黑表笔測U、V、W，万用表显示数值为400左右; 黑表笔接N，红表笔測U、V、W(集电极C2)，万 用表显示数值为最大。各相之间的正反向特性应 相同，若出现差别说明IGBT模块性能变差，应予 更换。IGBT模块损坏时,只有击穿短路情况出现。 红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的

17、正反向特性,万用表两次所测的数值都为最大，这 时可判定IGBT模块门极正常。如果有数值显示,则 门极性能变差，此模块应更换。当正反向测试结 果为零时,说明所检测的一相门极已被击穿短路。 门极损坏时电路板保护门极的稳压管也将击穿损 坏。 IGBT续流二极管：续流二极管： 为电动机绕组的无功电流返回直 流电路时提供通路 为电路的寄生电感在逆变管交替 导通过程中释放能量提供通路。 1.八十年代初提出的基本磁通轨迹的电压空间矢量八十年代初提出的基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法或称磁通轨迹法)。 该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形该方法以三相波形的整体生成效果为前提

18、，以逼近电机气隙的理想圆形 旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空 间矢量控制。间矢量控制。 2.引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。 3.基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链 幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。 4.将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度将输出电压、电流进行闭环控

19、制，以提高动态负载下的电压控制精度 和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另 一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现 快速的加减速。快速的加减速。 然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到 根本性的改善根本性的改善. 第一阶段 ： 70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控 制问题。矢量控制实现的基

20、本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场 定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转 矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和 产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控 制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频 率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的 静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在sieme

21、ns，AB，GE，Fuji等国际化大公司 变频器上。 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控 制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数， 有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速 度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、 自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前 可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数， 从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 第二阶段 ： 1985年

22、德国鲁尔大学年德国鲁尔大学D.B教授首先提出直接转矩控制理论教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链 等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性等量来间接控制转矩，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；所引入的定子磁键观测器能很容

23、易子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易 估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种系统可以实现估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种系统可以实现 很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。 1995年瑞士年瑞士ABB公司第一次将公司第一次将DTC技术应用到通用变频器上，推出采用技术应用到通用变频器上，推出采用DTC 技术的技术的IGBT脉宽调制变频器脉宽调制变频器ACS600，直接转矩控制系列，已达到直接转矩控制系列，已达到5: R5 晶闸管的等效复合三极管效应 可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电 极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极 电流Ig