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。

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。

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。

交流电动机变频调速控制方案（１）开环控制（2）无速度传感器的矢量控制（3）带速度传感器矢量控制（ 4）永磁同步电动机开环控制6-12、试分析三相SPWM的控制原理。

在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号U ru , U rv 和, U rw的相位依次相差1200。

U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例来说明。

当Uru > uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’= Ud/2。

当Uru < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUN’=Ud／2。

V1和V4的驱动信号始终是互补的。

当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况相同。

V相和W相的控制方式和U相相同。

UUN’、 UVN’和Uwn’的波形如图6-43b 所示。

可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。

像这种逆变电路相电压（uUN’、uVN’和uWN’）只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。

图中线电压UUV的波形可由UUN’― UVN’得出。

可以看出，当臂1和6导通时，UUV = Ud，当臂3和4导通时，UUV =―Ud，当臂1和3或4和6导通时，Uuv=0，因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。

负载相电压UUN可由下式求得（6-18）从图中可以看出，它由（±2/3）Ud，（±1/3）Ud和0共5种电平组成。

(a) (b)图6-43三相SPWM逆变电路及波形在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。

交流调速系统设计报告1. 引言交流调速系统是一种应用广泛的电力传动系统，可以实现电动机的无级调速和自动控制。

本文将对交流调速系统的设计进行详细的说明和分析，包括系统的组成、工作原理、设计步骤及成果展示。

2. 系统组成交流调速系统主要由电动机、变频器、传感器、控制器和用户界面组成。

其中，电动机是系统的执行机构，变频器是控制电机转速的核心设备，传感器用于获取电机运行状态的反馈信号，控制器用于对变频器进行指令控制，用户界面则是系统的操作界面，用于用户的交互操作。

3. 工作原理交流调速系统的工作原理基于变频器的调速技术。

其核心思想是通过控制变频器的输出电压和频率，来控制电动机的转速。

具体而言，系统通过传感器获取电动机转速和负载变化的反馈信号，并将信号传递给控制器。

控制器根据反馈信号及用户的设定值，计算出控制信号并发送给变频器。

变频器根据接收到的控制信号，改变输出电压和频率，从而实现对电动机转速的精确控制。

4. 设计步骤设计交流调速系统的步骤如下：4.1 确定系统需求根据用户的实际需求，确定系统的调速范围、精度要求、工作环境等参数。

4.2 选择电动机和传感器根据系统需求，选择合适的电动机和传感器。

电动机的功率和转速范围应满足系统的输出要求，传感器应能够准确获取电动机的转速和负载变化。

4.3 选择变频器和控制器根据电动机和传感器的特性，选择合适的变频器和控制器。

变频器的额定功率和频率范围应满足系统的要求，控制器应具备良好的信号处理和计算能力。

4.4 连接和调试系统将电动机、传感器、变频器和控制器按系统设计连接，并进行调试和测试。

确保系统能够正常工作并达到预期的调速效果。

4.5 用户界面设计根据用户需求，设计用户界面，实现用户与系统之间的交互操作。

用户界面应友好易懂，功能完善。

5. 成果展示经过上述设计步骤，我们成功实现了一套交流调速系统。

系统具备以下特点：- 调速范围广，可满足不同工况的调速需求；- 调速精度高，可实现电动机的无级调速；- 响应速度快，能够在瞬间完成转速调整；- 操作界面友好，操作简便，用户体验良好。