鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識資料

1、 注：注：G為大鉤負(fù)荷，單位噸；為大鉤負(fù)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(shí)際起升曲線盡量接近理想曲線，絞車對驅(qū)動傳動設(shè)備的要求是絞車對驅(qū)動傳動設(shè)備的要求是： 1）要有高度的柔特性，能實(shí)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(jī)短期過載能力強(qiáng)。 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(jī)要有足夠的過載能力； 2）動力機(jī)具有一定的柔特性。 注：注：P為排量，單

2、位升為排量，單位升/ 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(jī)的主電路部分，交流變頻直流電驅(qū)動鉆機(jī)的主電路部分，交流變頻 鉆機(jī)主電路整流部分，還有鉆機(jī)電控部分鉆機(jī)主電路整流部分，還有鉆機(jī)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 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 晶閘管俗稱可控硅，是一種功率半 導(dǎo)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(gè)PN結(jié)，有 陽極和陰極兩個(gè)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(gè)PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體 器件,一般由兩晶閘管反向連接而成。可控硅具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作 可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)

4、體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)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。 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(guān)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(shí)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(dǎo)體材料構(gòu)成，具有三個(gè)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。

5、散熱器 則是為了將管芯在工作時(shí)由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設(shè)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(gè)面?zhèn)鬟f熱量。 a）自冷 b）風(fēng)冷 c）水冷 晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng) 可以看出，兩個(gè)晶體管連接的特點(diǎn)是一個(gè)晶體管的集電 極電流就是另一個(gè)晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極 電流Ig流入時(shí)，兩個(gè)相互復(fù)合的晶體管電路就會形成強(qiáng) 烈的正反饋，導(dǎo)致兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的晶閘管的 導(dǎo)通。導(dǎo)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I

6、g，晶閘 管都不能導(dǎo)通。 晶閘管陽極伏安特性： 正向阻斷高阻區(qū)； 負(fù)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(gè)區(qū)域：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(guān)特性 （2）關(guān)斷特性 通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利 用電源、負(fù)載和輔助換流電路來提供。 要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶 閘管的關(guān)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(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存 在，晶

7、閘管陽極電流的下降會有一個(gè)過程，當(dāng)陽極電流過零，也 會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值IRM后，再朝反方向快 速衰減接近于零，此時(shí)晶閘管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。 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(dǎo)元件、N 溝道MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓電路結(jié)構(gòu)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(guān)斷由柵極電壓控制。柵極上加正向電壓時(shí)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(dǎo)電溝道消除，PNP型 晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷

8、。 2動態(tài)特性動態(tài)特性 IGBT的動態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖所示，其開通過程主要由其MOSFET結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)柵極電壓UG達(dá)開啟 電壓UG（th）后，集電極電流IC迅速增長，其中柵極電壓從負(fù)偏置值增大至開啟電壓所需時(shí)間td（on） 為開通延遲時(shí)間；集電極電流由10額定增長至90額定所需時(shí)間為電流上升時(shí)間tri，故總的開通時(shí)間 為tontd（on）tri。 IGBT的關(guān)斷過程較為復(fù)雜，其中UG由正常15V降至開啟電壓UT所需時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間td（off），自 此IC開始衰減。集電極電流由90額定值下降至10額定所需時(shí)間為下降時(shí)間tfitfi1tfi2，其中tfi1 對應(yīng)器件中MOSFET部分的關(guān)斷

9、過程，tfi2對應(yīng)器件中PNP晶體管中存貯電荷的消失過程。由于經(jīng)tfi1時(shí) 間后MOSFET結(jié)構(gòu)已關(guān)斷，IGBT又未承受反壓，器件內(nèi)存貯電荷難以被迅速消除，所以集電極電流需較 長時(shí)間下降，形成電流拖尾現(xiàn)象。由于此時(shí)集射極電壓Uce已建立，電流的過長拖尾將形成較大功耗使 結(jié)溫升高。總的關(guān)斷時(shí)間則為tofftd（off）tfi。 IGBT的開關(guān)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的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： 其一：是其一：是IGBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱5070 的器件發(fā)熱降低了的器件發(fā)熱降低了30。 其二：是高載波控制，使輸出電流

10、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(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了其三：是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了 電機(jī)運(yùn)行的靜音化；電機(jī)運(yùn)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 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 代號SCRIGBTIGCT 英文稱呼ThyristorIntegrated Gate Bipolar Transistor Integrated 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

12、閘管 關(guān)斷特性不是全控器件，不能自關(guān)斷。 需要有外圍電路關(guān)斷 全控器件，能自關(guān)斷。不需要外 圍電路。控制簡單。 全控器件，能自關(guān)斷。不需要 有外圍電路。控制簡單。 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(fù)雜。 工作頻率50500Hz，工作頻率低200050000Hz，工作頻率高501000Hz，工作頻率低 導(dǎo)通壓降0.6-1.2V。導(dǎo)通壓降低1.8-2.2V。導(dǎo)通壓降高0.6-1.2V。導(dǎo)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(diǎn)

13、 工作電流大，耐壓高，價(jià)格低， 壽命長。導(dǎo)通壓降低，效率高。 運(yùn)行穩(wěn)定 是全控器件，關(guān)斷容易。工作頻 率高。驅(qū)動功率小。無電磁噪音， 運(yùn)行穩(wěn)定 是全控器件，關(guān)斷容易。工作 電流大，耐壓高。導(dǎo)通壓降低， 效率高。 缺 點(diǎn) 不是全控器件，關(guān)斷困難。 工作頻率低。 工作電流小，耐壓低，價(jià)格高， 導(dǎo)通壓降大，發(fā)熱大，損耗大。 工作頻率低，電磁噪音大，價(jià) 格高，運(yùn)行不穩(wěn)定. 運(yùn)用場合有源逆變。靜態(tài)開關(guān)高頻斬波。高速開關(guān)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(dǎo)體器件 的通斷作用將工頻電源變換為

14、另一 頻率的電能控制裝置。 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 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 linkRectifier V1V3V5 V2V6V4 C L+ - U1 V1 W1 M 3 Ud Control Electronics control, monitoring and communication L1 L2 L3 InverterMotor Monitoring Control Supply 逆變器IGBT模塊檢測 將數(shù)字萬用表撥到二極管測試檔,測試IGBT模 塊C1.E1、C2.E2之間以及柵極G與

16、 E1、E2之間正 反向二極管特性,來判斷IGBT模塊是否完好。 將負(fù)載側(cè)U、V、W相的導(dǎo)線拆除,使用二極管測試 檔，紅表筆接P(集電極C1)，黑表筆依次測U、V、 W(發(fā)射極E1)，萬用表顯示數(shù)值為最大;將表筆反 過來，黑表筆接P，紅表筆測U、V、W，萬用表顯 示數(shù)值為400左右。再將紅表筆接N(發(fā)射極E2)， 黑表筆測U、V、W，萬用表顯示數(shù)值為400左右; 黑表筆接N，紅表筆測U、V、W(集電極C2)，萬 用表顯示數(shù)值為最大。各相之間的正反向特性應(yīng) 相同，若出現(xiàn)差別說明IGBT模塊性能變差，應(yīng)予 更換。IGBT模塊損壞時(shí),只有擊穿短路情況出現(xiàn)。 紅、黑兩表筆分別測柵極G與發(fā)射極E之間的

17、正反向特性,萬用表兩次所測的數(shù)值都為最大，這 時(shí)可判定IGBT模塊門極正常。如果有數(shù)值顯示,則 門極性能變差，此模塊應(yīng)更換。當(dāng)正反向測試結(jié) 果為零時(shí),說明所檢測的一相門極已被擊穿短路。 門極損壞時(shí)電路板保護(hù)門極的穩(wěn)壓管也將擊穿損 壞。 IGBT續(xù)流二極管：續(xù)流二極管： 為電動機(jī)繞組的無功電流返回直 流電路時(shí)提供通路 為電路的寄生電感在逆變管交替 導(dǎo)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(jī)氣隙的理想圓形該方法以三相波形的整體生成效果為前提

18、，以逼近電機(jī)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(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差。引入頻率補(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差。 3.基于電機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)定子電阻對性能的影響。 4.將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控

19、制，以提高動態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度 和穩(wěn)定度，同時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(shí)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(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控 制問題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基

20、本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場 定向原理分別對異步電動機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn) 矩的目的。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)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(shí)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(jī)等效為直流電機(jī)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(yīng)用在sieme

21、ns，AB，GE，F(xiàn)uji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(jī)相匹配，而且可以控 制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機(jī)的參數(shù)， 有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機(jī)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(jī)參數(shù)自動檢測、 自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前 可以自動地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)， 從而對普通的異步電動機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。 第二階段 ： 1985年

22、德國魯爾大學(xué)年德國魯爾大學(xué)D.B教授首先提出直接轉(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(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容

23、易子電阻外的所有電機(jī)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 估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，推出采用技術(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，推出采用DTC 技術(shù)的技術(shù)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(dá)到直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到5: R5 晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng) 可以看出，兩個(gè)晶體管連接的特點(diǎn)是一個(gè)晶體管的集電 極電流就是另一個(gè)晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極 電流Ig