機(jī)電一體化中的電機(jī)保護(hù)與控制技術(shù)分析

何繼賢

機(jī)電一體化中的電機(jī)保護(hù)與控制技術(shù)分析

何繼賢

(長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000)

近年來，隨著我國科技水平的提高，機(jī)電一體化技術(shù)日趨完善，在全面提升生產(chǎn)效率、機(jī)械系統(tǒng)性能和節(jié)能屬性方面效果顯著，逐漸成為機(jī)電領(lǐng)域發(fā)展的新潮流，也將成為振興我國機(jī)電工業(yè)的必然選擇。機(jī)電一體化系統(tǒng)在運(yùn)行期間，現(xiàn)場環(huán)境與作業(yè)條件一般較為復(fù)雜，同時受人為操作、設(shè)備自身老化、電磁干擾等因素的影響，容易出現(xiàn)運(yùn)行故障，影響設(shè)備運(yùn)行。以電機(jī)保護(hù)控制作為切入點(diǎn)，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述和分析了現(xiàn)代機(jī)電一體化項(xiàng)目中常用的電機(jī)保護(hù)技術(shù)和控制技術(shù)，旨在幫助企業(yè)開拓技術(shù)應(yīng)用思路，為制訂科學(xué)合理、符合實(shí)際生產(chǎn)需要的電機(jī)保護(hù)和控制方案提供參考，以保證電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)電一體化；電機(jī)；保護(hù)技術(shù)；控制技術(shù)

1　機(jī)電一體化中的電機(jī)保護(hù)技術(shù)

1.1　短路保護(hù)

短路保護(hù)技術(shù)是指在系統(tǒng)中安裝自動空氣斷路器或熔斷器，當(dāng)被測參數(shù)超過額定閥值后，自動執(zhí)行保護(hù)動作，切斷故障電流。自動空氣斷路器通過檢測線路電流的方式實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，當(dāng)線路中流通過載電流或是電流值大于瞬時脫扣整定值時，電磁脫扣裝置會產(chǎn)生較大吸力，在反力彈簧作用下控制鎖口分?jǐn)嘀饔|頭，執(zhí)行切斷電源的保護(hù)指令。熔斷器采取高溫條件下熔斷熔體來切斷電路的方式來實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，當(dāng)線路中流通過載電源或是電源短路時，部分電能會轉(zhuǎn)換為熱量，使線路與熔斷器工作溫度上升，當(dāng)溫度超過一定標(biāo)準(zhǔn)后熔體會自動熔斷，從而切斷電路。

1.2　欠壓保護(hù)

欠壓保護(hù)技術(shù)是指在系統(tǒng)中安裝電磁式或接觸式電壓繼電器，用于在系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)監(jiān)測電源電壓值，當(dāng)實(shí)時監(jiān)測值未達(dá)到額定運(yùn)行范圍的下限值時，電壓繼電器執(zhí)行斷開動合觸點(diǎn)與閉合動斷觸點(diǎn)的保護(hù)動作，切斷電源，避免電機(jī)在欠壓狀態(tài)下運(yùn)行。一般情況下，將電源電壓的額定下限值設(shè)定為0.8倍整定值即可，在電壓值低于該數(shù)值后，會對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與結(jié)構(gòu)性能造成明顯影響。

1.3　弱磁保護(hù)

弱磁保護(hù)技術(shù)適用于直流電機(jī)，通過在電機(jī)勵磁回路內(nèi)串入弱磁繼電器，對比電機(jī)運(yùn)行期間的實(shí)時勵磁電流值和裝置預(yù)設(shè)動作值，如果實(shí)時數(shù)值達(dá)到或超過動作值，弱磁繼電器將執(zhí)行吸合、閉合電路中串接常開觸頭的保護(hù)動作，維持電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)實(shí)時數(shù)值未達(dá)到動作值時，則弱磁繼電器執(zhí)行釋放、斷開常開觸頭、切斷控制電路的保護(hù)動作，電機(jī)在接觸器線圈失電情況下處于停機(jī)狀態(tài)，避免電機(jī)因磁場強(qiáng)度降低或消失而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常升高的情況。

1.4　過載保護(hù)

過載保護(hù)是指在系統(tǒng)中安裝熱繼電器等保護(hù)器件，當(dāng)電機(jī)處于過載運(yùn)行狀態(tài)或運(yùn)行時間過長時溫度會隨之升高，如果工作溫度超過額定允許值被熱繼電器實(shí)時檢測到，隨后執(zhí)行保護(hù)動作，切斷電源，避免電動機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行故障，縮短使用壽命。

1.5　失壓保護(hù)

在機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行期間，如果生產(chǎn)現(xiàn)場工作電源出現(xiàn)故障或發(fā)生停電，電動機(jī)在無人工干預(yù)情況下，來電后將會保持自行啟動運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，存在安全隱患，不但影響正常的生產(chǎn)計(jì)劃，嚴(yán)重時還會造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。失壓保護(hù)技術(shù)是指在系統(tǒng)中加裝接觸器與中間繼電器，當(dāng)保護(hù)裝置檢測到電路電壓值低于額定下限值或出現(xiàn)工作電源斷開情況時，接觸器兩端線圈的電壓下降、磁通減弱，拉動鐵芯將釋放主觸頭與分?jǐn)嘧枣i觸頭，執(zhí)行切斷電源、鎖定起重機(jī)、發(fā)送報警信號等保護(hù)性操作，控制電動機(jī)脫離電源停轉(zhuǎn)。當(dāng)后續(xù)停電問題得到解決時，需要工作人員對起重機(jī)執(zhí)行手工復(fù)位操作，方可重新啟動電機(jī)。

1.6　過電流保護(hù)

在系統(tǒng)運(yùn)行期間如果電動機(jī)制動電流或是啟動電流過大、超出安全電流值，容易導(dǎo)致電機(jī)損壞，過電故障與短路故障較為相似，但電機(jī)受損程度有所不同。在系統(tǒng)中應(yīng)用過電流保護(hù)技術(shù)，需在電機(jī)電樞回路或是轉(zhuǎn)子回路當(dāng)中串入過電流繼電器，當(dāng)裝置在電機(jī)工作期間檢測到流經(jīng)超過安全電流值的起動/制動電流時，裝置KA線圈執(zhí)行保護(hù)動作，主動吸動銜鐵、開啟常閉觸點(diǎn)、釋放接觸器KM，完成切斷電源的保護(hù)動作。也可選擇加裝斷路器，由裝置電流檢波線圈來持續(xù)檢測流經(jīng)電流值，當(dāng)檢測到電流值過大時，調(diào)節(jié)斷路器主觸點(diǎn)啟閉狀態(tài)來切斷過電流[1]。

1.7　智能保護(hù)

在機(jī)電一體化系統(tǒng)早期的應(yīng)用中，普遍采取短路、欠壓等保護(hù)措施，雖然效果較為可靠，但僅限于在被測參數(shù)超過額定限值的情況下方可執(zhí)行保護(hù)動作，無法提前預(yù)測和規(guī)避電機(jī)出現(xiàn)故障問題，這是傳統(tǒng)電機(jī)保護(hù)技術(shù)的主要局限。為改善電機(jī)的保護(hù)效果，在采取傳統(tǒng)保護(hù)措施的同時，需要組合應(yīng)用智能保護(hù)技術(shù)，可選擇安裝ZDB保護(hù)器與建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型。ZDB保護(hù)器是一種高性能單片機(jī)保護(hù)器，具備通信、自動檢測與控制等功能，通過R485串行通信接口，可持續(xù)接收傳感器采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電路電流電壓等現(xiàn)場監(jiān)測信號，通過對比實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)與額定值，當(dāng)實(shí)時監(jiān)測值超過上限值或低于下限值時，自動執(zhí)行發(fā)送報警信號和切斷電路等保護(hù)動作，當(dāng)故障未得到解決時，故障指示燈會處于常亮狀態(tài)，并在顯示器上顯示對應(yīng)的故障碼。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型屬于前饋反向傳播網(wǎng)絡(luò)，基于函數(shù)逼近理論將全部隱藏神經(jīng)元傳遞函數(shù)組成擬合平面基函數(shù)，在隨機(jī)函數(shù)基礎(chǔ)上形成多個離子來組成若干組神經(jīng)元權(quán)值與粒子群，搜索均反差指標(biāo)最小值的最優(yōu)位置，獲取最優(yōu)連接權(quán)值，輸出綜合診斷結(jié)論。簡單而言，兩種技術(shù)的應(yīng)用都是根據(jù)已掌握信息來預(yù)測未來一段時間的電機(jī)與機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障[2]。

2　機(jī)電一體化中的電機(jī)控制技術(shù)

2.1　直流電機(jī)控制

目前常用的直流電機(jī)控制技術(shù)為DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，一般通過在機(jī)電一體化系統(tǒng)安裝通用型號單片機(jī)設(shè)備作為控制器，使用C語言或是Fortran等軟件編寫計(jì)算機(jī)程序，采取數(shù)字形式采集系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生的現(xiàn)場信號，對信號執(zhí)行采集、變換、濾波、估值、識別等操作后，根據(jù)控制器運(yùn)算結(jié)果來下達(dá)控制指令，控制電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，完成生產(chǎn)任務(wù)。

直流電機(jī)控制過程可分解為檢測電路、控制電路、驅(qū)動電路三項(xiàng)步驟，檢測電路是指在電路中安裝完善的配套設(shè)施，通過霍爾傳感器等裝置持續(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號和運(yùn)行參數(shù)，將信號進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送至控制器，如檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，將轉(zhuǎn)子磁極信號轉(zhuǎn)換為換相信號。控制電路是指在系統(tǒng)中編寫觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，安裝開關(guān)器件，當(dāng)電路與電機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)過流、轉(zhuǎn)速過高、局部過壓等問題時，自動觸發(fā)保護(hù)程序，控制開關(guān)器件執(zhí)行切斷電路、電機(jī)停機(jī)等保護(hù)動作。驅(qū)動電路是指根據(jù)控制器運(yùn)算結(jié)果來刷新輸出電路，控制外接設(shè)備執(zhí)行所下達(dá)控制指令。驅(qū)動電路功能可通過安裝PLC可編程邏輯器來實(shí)現(xiàn)，邏輯器根據(jù)梯形圖掃描結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算分析，基于運(yùn)算結(jié)果選擇性執(zhí)行特殊功能指令，隨后進(jìn)入輸出刷新階段，按照I/O映像區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)來刷新輸出鎖存電路，驅(qū)動外接設(shè)備，完成輸出操作。

2.2　交流電機(jī)控制

(1)矢量控制。由于受到技術(shù)水平限制，在早期的交流電機(jī)控制方案中往往存在電機(jī)難以在整個頻率范圍內(nèi)輸出額定轉(zhuǎn)矩和加速加減速的問題。為解決以上問題，可選擇采取矢量控制的方法來控制交流電機(jī)，通過安裝VFD變頻器，在運(yùn)行期間持續(xù)測量電機(jī)定子電流矢量，并及時對變頻器輸出電壓與輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，基于磁場定向原理控制個別電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁場，從而實(shí)現(xiàn)高效控制交流電機(jī)的目的。以異步電動機(jī)矢量控制為例，加裝變頻器等裝置后，可根據(jù)電機(jī)等效電路來獲取磁鏈方程，如轉(zhuǎn)子磁鏈、定子磁鏈等，將氣隙磁鏈與轉(zhuǎn)子定子保持連接狀態(tài)，使用氣隙將轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)換為定子電流，隨后將部分坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為靜置坐標(biāo)，使用磁鏈方程單位矢量來獲取磁場電流分量以及轉(zhuǎn)矩電流分量，執(zhí)行解耦控制指令，再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換后形成三相交流電，控制異步電動機(jī)[3]。近年來，矢量控制技術(shù)日益完善，隨著調(diào)節(jié)器自整定以及電機(jī)磁通量快速控制等新型技術(shù)的推廣應(yīng)用，轉(zhuǎn)子磁場方向穩(wěn)定性、變頻器轉(zhuǎn)動矩、電機(jī)過載能力均得到明顯的提升，可根據(jù)電機(jī)控制需求選擇恰當(dāng)?shù)氖噶靠刂萍夹g(shù)。

(2)轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制是一項(xiàng)根據(jù)離散化轉(zhuǎn)矩理論提出的直接控制方法，按照電流值來控制電機(jī)力矩值，因而也被稱作為電流環(huán)控制技術(shù)，可以將電機(jī)運(yùn)行期間的位置、力矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)控制在額定范圍內(nèi)，起到消除滯環(huán)比較器脈動干擾、消除定子磁鏈膜值和轉(zhuǎn)矩差值、保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。隨著轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，新型智能技術(shù)逐漸與控制技術(shù)高度融合，模糊控制技術(shù)與魯棒控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。模糊控制技術(shù)是將控制器輸入量轉(zhuǎn)換為可識別模糊量后進(jìn)行推理分析，從而描述系統(tǒng)動態(tài)與輸出控制指令的一項(xiàng)方法，可以對復(fù)雜程度較高的系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)行簡化處理，達(dá)成控制目的。魯棒控制技術(shù)是按照時間域概念來假定工作動態(tài)特定與規(guī)劃變化范圍，多用于控制異步交流電機(jī)。

(3)PID控制技術(shù)。PID控制技術(shù)全稱為比例積分微分控制技術(shù)，是一項(xiàng)對比給定值與實(shí)際輸出值來形成控制偏差值，采取比例、微分與積分方式對偏差值進(jìn)行線性組合處理來獲取、輸出控制量的電機(jī)控制方法，也是當(dāng)前應(yīng)用中最為常見的控制方法，有著算法簡單、可靠性強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。PID的電機(jī)控制流程為：預(yù)先分析所選電機(jī)工作原理建立數(shù)學(xué)模型，選取電機(jī)電樞電壓與電流的傳遞函數(shù)，在輸入階躍信號時，經(jīng)過處理輸出階躍響應(yīng)波形，控制電機(jī)在一段時間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。早期PID技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間暴露出算法參數(shù)選擇困難、控制效果受外界因素影響、存在明顯超調(diào)現(xiàn)象等問題，因此，需要對常規(guī)PID算法進(jìn)行改進(jìn)，可采取數(shù)字PID控制方法、模糊PID控制方法和自尋優(yōu)PID控制方法。以自尋優(yōu)PID控制為例，該方法可憑借算法自學(xué)習(xí)能力，提前在程序中設(shè)定初始值，進(jìn)行逐次計(jì)算迭代操作，獲取符合系統(tǒng)運(yùn)行情況的最佳PID參數(shù)，無需工作人員人為不斷調(diào)整參數(shù)，即可自動匹配系統(tǒng)最優(yōu)性能的目標(biāo)函數(shù)與保存對應(yīng)參數(shù)[4]。

3　結(jié)語

隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)的日趨完善，其在全面提升機(jī)械生產(chǎn)效率、機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定性能和技能環(huán)保性能等方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境與條件一般較為復(fù)雜，受人為操作、設(shè)備自身老化、電磁干擾等因素的影響，容易出現(xiàn)運(yùn)行故障，影響設(shè)備運(yùn)行。相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)結(jié)市場中主流的電機(jī)實(shí)際控制需求，加大對電機(jī)保護(hù)與控制技術(shù)的研究力度，開拓技術(shù)應(yīng)用思路，制訂和選擇科學(xué)合理、符合實(shí)際生產(chǎn)需要的電機(jī)保護(hù)和控制方案，以保證電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 閆先偉.機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)分析[J].科教導(dǎo)刊(電子版)2015,(10):165.

[2] 崔海峰.闡述機(jī)電一體化中電機(jī)的保護(hù)與控制[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)(下旬刊),2015,34(5):93-94.

[3] 王容霞.機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)研究[J].科技與企業(yè),2016(7):103.

[4] 于建立,張占福.機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)探討[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016(11):71-72.

Analysis of motor protection and control technology in mechatronics

HE Jixian

(Changsha Vocational and Technical College, Changsha, Hunan 410000, China)

In recent years, with the improvement of China's scientific and technological level, electromechanical integration technology is becoming more and more perfect. Electromechanical integration is conducive to the overall improvement of production efficiency, mechanical system performance, and energy-saving properties. It is gradually becoming a new trend in the development of the electromechanical field. It will also become an inevitable choice for the revitalization of China's electromechanical industry. However, during the operation of a mechatronics system, the site environment, and operating conditions are generally complex, are affected by human operation, equipment aging, electromagnetic interference, and other factors are often easy to operate failures that affect equipment operation. Therefore, the paper takes motor protection and control as the starting point and combines its own working experience to elaborate and analyze the motor protection technology and control technology commonly used in modern electromechanical integration projects. The purpose is to help enterprises establish a clear idea of developing technology applications, provide a reference for formulating a scientific and reasonable motor protection and control scheme that meets the actual production needs, and ensure the safe and stable operation of the motor.

mechatronics; electric machinery; protection technology; control technology

TM307

A

2096–8736(2022)03–0024–03

何繼賢(1975—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍