電氣工程中電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制與安全保護(hù)研究

張海建

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

電氣工程中的電力拖動(dòng)系統(tǒng)泛指以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，完成各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)的系統(tǒng)。按照電動(dòng)機(jī)的供電方式，電力拖動(dòng)系統(tǒng)可分為直流和交流兩種類型。如直流系統(tǒng)可進(jìn)一步分為可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)及可控硅直接供電系統(tǒng)；交流系統(tǒng)可分為交流雙速電動(dòng)機(jī)、交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)。相較之下，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速機(jī)械特性強(qiáng)、范圍大，但換向器耗能高，需頻繁維護(hù)。

1 電氣工程中的電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理解析

電氣工程中的電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制模式主要分為三大部分：

第一，電動(dòng)機(jī)。時(shí)至今日，電能已經(jīng)成為人類社會(huì)不斷發(fā)展最不可或缺的能源，所有機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)完全離不開電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的工作原理為，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造為，利用通電線圈（定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，作用于轉(zhuǎn)子（比如常見的鼠籠式閉合鋁框），創(chuàng)造出磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪等物體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)能。將此種動(dòng)能施加于各種類型的機(jī)械設(shè)備上，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，即可完成各項(xiàng)生產(chǎn)及生活作業(yè)。比如高層建筑中的曳引式電梯，升降的基本原理為：①當(dāng)乘客進(jìn)入轎廂，按動(dòng)前往樓層的按鈕后，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)即時(shí)接收指令；②由于外接電源，使得系統(tǒng)整體具備充足的動(dòng)力；當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)指令下達(dá)，電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)（相對(duì)靜止，并非完全關(guān)機(jī)）轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)，帶動(dòng)控制齒輪旋轉(zhuǎn)；③由電能轉(zhuǎn)化而成的機(jī)械能主機(jī)帶動(dòng)，通過曳引系統(tǒng)，使?fàn)恳I廂的齒輪、繩索等運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而將轎廂移動(dòng)至乘客希望前往的樓層[1]。

第二，自動(dòng)控制系統(tǒng)。如果沒有自動(dòng)控制系統(tǒng)，則整個(gè)電力及機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行必須時(shí)刻處于人力的動(dòng)態(tài)監(jiān)督及控制之下，否則，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的滯后性。比如上文提到的曳引式電梯，如果沒有自控系統(tǒng)，則乘客進(jìn)入電梯后，需通過多種方式向人工后臺(tái)傳遞樓層前往信息，后臺(tái)收到指令后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轎廂移動(dòng)。但是否能夠準(zhǔn)確移動(dòng)至相應(yīng)的樓層，且并未出現(xiàn)“卡在樓層中間”的事故，僅僅依靠人工監(jiān)控，難度極大且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。基于此，從轎廂的按鈕、后臺(tái)計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控程序、發(fā)布控制指令（前往哪個(gè)樓層，轎廂門、樓層安全門何時(shí)開啟等）、對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況的不間斷監(jiān)控，均納入自動(dòng)控制系統(tǒng)的范疇。

第三，機(jī)械設(shè)備。研制機(jī)械設(shè)備的最終目的在于解放體力勞動(dòng)者，能夠極大地提高生產(chǎn)效率。對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)而言，機(jī)械設(shè)備可以是單一的，也能夠以“機(jī)組”的形式出現(xiàn)。比如最簡(jiǎn)單的電力拖動(dòng)系統(tǒng)——電動(dòng)自行車的工作原理，其中，蓄電池作為動(dòng)力來(lái)源，與后車輪相連的小型電動(dòng)機(jī)（馬達(dá)）負(fù)責(zé)將電池提供的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，后車輪的機(jī)械帶動(dòng)齒輪即為機(jī)械設(shè)備。當(dāng)騎車人轉(zhuǎn)動(dòng)手柄的按鈕，即向系統(tǒng)傳遞啟動(dòng)信號(hào)；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的程度，決定供電強(qiáng)度，最終影響自動(dòng)行車的速度。而上文所述的電梯由多個(gè)機(jī)械設(shè)備組成，缺少任何一項(xiàng)，均可能造成安全隱患[2]。

綜上所述，電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制模式是一個(gè)整體，電動(dòng)機(jī)（實(shí)際上還包含外接電源）、自動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備三者缺一不可。

2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡(jiǎn)述

2.1 電力拖動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)制的布線原則

上文提到，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)必須具備三大要素，但各項(xiàng)要素之間如何連接，直接決定系統(tǒng)整體的運(yùn)行質(zhì)量。實(shí)際上，設(shè)備之間的連接必須通過線路完成。因此，按照何種方式完成布線，考驗(yàn)技術(shù)人員的綜合能力。一般而言，布線需遵循如下原則。

第一，有效性原則。顧名思義，線路連接不能隨意進(jìn)行，必須能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。以初中物理課本上的電源、電阻、電燈連接方式為例，無(wú)論電阻與電燈之間采用串聯(lián)還是并聯(lián)，最終目的均為“使電燈發(fā)亮”，如果電燈無(wú)法發(fā)亮，則表明布線失敗。轉(zhuǎn)換為大型電力拖動(dòng)自控系統(tǒng)，技術(shù)人員必須深入了解機(jī)組設(shè)備（如生產(chǎn)機(jī)床等）的性能，特別是各項(xiàng)參數(shù)表示的具體情況，完成調(diào)試后，還需模擬線路的實(shí)際運(yùn)行情況，確保線路連接完成后，設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二，經(jīng)濟(jì)原則。物理課本中的“電阻”顯示在明面上，在保證機(jī)組設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，盡量調(diào)低電阻，降低通電過程中產(chǎn)生的損耗，提高電能運(yùn)用率。但在大型電力拖動(dòng)自控系統(tǒng)中，電阻存在于各項(xiàng)設(shè)備的內(nèi)部。基于此，通過科學(xué)布線，降低安裝及運(yùn)營(yíng)成本，盡量提高利潤(rùn)空間。

第三，安全性。任何電力系統(tǒng)均需重視短路等風(fēng)險(xiǎn)。如果布線出現(xiàn)錯(cuò)誤，比如某條線路的異常搭接將設(shè)備或電源置入危險(xiǎn)境地，輕則損壞設(shè)備，重則引發(fā)大型安全事故。因此，行之有效的安全布線原則為：①布線完成后，對(duì)每一個(gè)電氣的觸頭進(jìn)行電力檢測(cè)，確保無(wú)任何異常；②每個(gè)設(shè)備的連接線都必須設(shè)置緊急斷開裝置，在危險(xiǎn)狀況發(fā)生時(shí)及時(shí)切斷電源；③嚴(yán)禁出現(xiàn)一個(gè)開關(guān)能夠同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備的布線方式。

2.2 方案設(shè)計(jì)整體把控

設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需對(duì)方案進(jìn)行整體把控，重點(diǎn)如下：

（1）方案總體必須具備較強(qiáng)的合理性。首先，機(jī)組設(shè)備的排布方式、生產(chǎn)加工的零部件需要達(dá)到何種精度要求、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率為何、自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能夠承受工作強(qiáng)度等，均需設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)性的考量；其次，方案初步形成后，應(yīng)該與一線操作及監(jiān)控人員溝通，找出方案中需要調(diào)整之處，加以改進(jìn)之后，制定出二稿方案；再次，通過BIM虛擬模型控制軟件對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬監(jiān)控，確認(rèn)可行性后，再次進(jìn)行調(diào)整；最后，按照最終方案完成電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)、機(jī)組設(shè)備的安裝及連接線路的布設(shè)。

（2）設(shè)備的選擇。①電動(dòng)機(jī)、額定工作電壓、結(jié)構(gòu)組成形式、具體類型、是否能夠滿足機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行需求、生產(chǎn)效率能夠達(dá)到何種程度，均需整體考慮。此外，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱性能是否良好，當(dāng)生產(chǎn)車間的環(huán)境發(fā)生多種形式的變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)能否正常啟動(dòng)或根據(jù)需要自動(dòng)停止，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，是否依然能夠維持額定功率等，均為考察的重點(diǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)自身的性能無(wú)任何問題后，技術(shù)人員還需考慮機(jī)組設(shè)備更適用直流模式還是交流模式，以此作為電動(dòng)機(jī)最終選擇的關(guān)鍵條件。②設(shè)備調(diào)節(jié)器的設(shè)置。大型工廠生產(chǎn)車間的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上文提到的曳引式電梯。如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器等，必須按照串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，目的在于充分發(fā)揮轉(zhuǎn)速及電流的負(fù)反饋?zhàn)饔谩：?jiǎn)言之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出即為電流調(diào)節(jié)器的輸入，二者各自產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)是否能夠緊密銜接且未發(fā)生任何差錯(cuò)，對(duì)于系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性的作用[3]。因此，在安裝及投入使用之前，技術(shù)人員可通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式，完成測(cè)評(píng)。

2.3 電氣設(shè)備的安裝與調(diào)試

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)各項(xiàng)電氣設(shè)備的安裝與調(diào)試應(yīng)注重以下要點(diǎn)。

（1）建立完善的安裝與調(diào)試工作質(zhì)量管理機(jī)制。安裝前的測(cè)評(píng)工作畢竟具備“虛擬”性質(zhì)，不能完全代表實(shí)際情況。因此，設(shè)置科學(xué)的預(yù)警管理機(jī)制，目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝過程中出現(xiàn)的差錯(cuò)，即刻糾正，避免擴(kuò)大錯(cuò)誤的影響范圍。

（2）健全工程分段調(diào)試機(jī)制。簡(jiǎn)言之，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，完成一部分設(shè)備、線路的安裝后，即需立刻進(jìn)行調(diào)試。按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，如果待所有設(shè)備均完成安裝后進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試，很可能掩蓋諸多問題；或是為了解決一些問題，必須拆除部分已經(jīng)完成安裝且無(wú)故障的設(shè)備。如此一來(lái)，前期投入的各項(xiàng)成本（除了資金之外，還包含人力及物力）必然加大。而完成一部分安裝后立刻調(diào)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)問題，可有效避免故障堆積。

（3）加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的管理質(zhì)量。過往經(jīng)驗(yàn)顯示，導(dǎo)致電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)適異常的主要原因在于，部分技術(shù)人員的技術(shù)水平相對(duì)不足且缺乏創(chuàng)新意識(shí)，無(wú)法針對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行良好的優(yōu)化控制。因此，加強(qiáng)對(duì)人員技術(shù)水平的管理，提高專業(yè)能力，盡量保證安裝及調(diào)試的準(zhǔn)確性。

3 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的安全保護(hù)要點(diǎn)簡(jiǎn)析

針對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全保護(hù)主要集中在下列兩個(gè)方面。

3.1 電氣保護(hù)

有關(guān)電氣設(shè)備的保護(hù)要點(diǎn)為：短路及過流保護(hù)。任何電氣設(shè)備均應(yīng)避免出現(xiàn)短路及過流故障。一旦發(fā)生短路，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣體溫度迅速升高，過熱的溫度會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備，情況嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)爆炸。因此，如上文所述，在布線階段，需在每一個(gè)電器設(shè)備的近端連接線路處設(shè)置強(qiáng)制斷開裝置。內(nèi)中的主要元器件為溫度傳感器和開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)短路或過流故障，且溫度達(dá)到危險(xiǎn)臨界值時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)布預(yù)警，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)下達(dá)關(guān)閉開關(guān)的指令，及時(shí)切斷該設(shè)備的電路，避免故障擴(kuò)大[4]。

3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)保護(hù)

有關(guān)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的保護(hù)要點(diǎn)為：應(yīng)設(shè)置計(jì)算機(jī)運(yùn)行和啟動(dòng)的連鎖保護(hù)安全鏈。采用此種方式的目的在于：當(dāng)計(jì)算機(jī)控制端接收到相關(guān)的信號(hào)時(shí)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在預(yù)設(shè)程序下（比如運(yùn)用基于PLC的可編程邏輯控制裝置），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，防止異常指令導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行偏離正常運(yùn)轉(zhuǎn)軌道[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

電力拖動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制裝置作為原動(dòng)力和控制指令發(fā)布來(lái)源，帶動(dòng)各項(xiàng)電力機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，完成相應(yīng)的生產(chǎn)、生活任務(wù)。采用“電力拖動(dòng)”不僅可以將勞動(dòng)者從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，還無(wú)需時(shí)刻關(guān)注更加復(fù)雜的電力信息變化情況，只需借助計(jì)算機(jī)控制端，按照預(yù)先編制成功的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。如此，可同時(shí)改善設(shè)備的控制性能，提高生產(chǎn)效率。