機電一體化中的電機保護與控制技術分析

何繼賢

機電一體化中的電機保護與控制技術分析

何繼賢

(長沙職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410000)

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

機電一體化；電機；保護技術；控制技術

1　機電一體化中的電機保護技術

1.1　短路保護

短路保護技術是指在系統(tǒng)中安裝自動空氣斷路器或熔斷器，當被測參數(shù)超過額定閥值后，自動執(zhí)行保護動作，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現(xiàn)電路保護，當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斷主觸頭，執(zhí)行切斷電源的保護指令。熔斷器采取高溫條件下熔斷熔體來切斷電路的方式來實現(xiàn)電路保護，當線路中流通過載電源或是電源短路時，部分電能會轉換為熱量，使線路與熔斷器工作溫度上升，當溫度超過一定標準后熔體會自動熔斷，從而切斷電路。

1.2　欠壓保護

欠壓保護技術是指在系統(tǒng)中安裝電磁式或接觸式電壓繼電器，用于在系統(tǒng)運行期間持續(xù)監(jiān)測電源電壓值，當實時監(jiān)測值未達到額定運行范圍的下限值時，電壓繼電器執(zhí)行斷開動合觸點與閉合動斷觸點的保護動作，切斷電源，避免電機在欠壓狀態(tài)下運行。一般情況下，將電源電壓的額定下限值設定為0.8倍整定值即可，在電壓值低于該數(shù)值后，會對電機運行狀態(tài)與結構性能造成明顯影響。

1.3　弱磁保護

弱磁保護技術適用于直流電機，通過在電機勵磁回路內串入弱磁繼電器，對比電機運行期間的實時勵磁電流值和裝置預設動作值，如果實時數(shù)值達到或超過動作值，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動作，維持電機穩(wěn)定運行狀態(tài)。當實時數(shù)值未達到動作值時，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動作，電機在接觸器線圈失電情況下處于停機狀態(tài)，避免電機因磁場強度降低或消失而出現(xiàn)轉速異常升高的情況。

1.4　過載保護

過載保護是指在系統(tǒng)中安裝熱繼電器等保護器件，當電機處于過載運行狀態(tài)或運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時檢測到，隨后執(zhí)行保護動作，切斷電源，避免電動機出現(xiàn)運行故障，縮短使用壽命。

1.5　失壓保護

在機電一體化系統(tǒng)運行期間，如果生產(chǎn)現(xiàn)場工作電源出現(xiàn)故障或發(fā)生停電，電動機在無人工干預情況下，來電后將會保持自行啟動運轉的狀態(tài)，存在安全隱患，不但影響正常的生產(chǎn)計劃，嚴重時還會造成人員傷亡等嚴重后果。失壓保護技術是指在系統(tǒng)中加裝接觸器與中間繼電器，當保護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斷自鎖觸頭，執(zhí)行切斷電源、鎖定起重機、發(fā)送報警信號等保護性操作，控制電動機脫離電源停轉。當后續(xù)停電問題得到解決時，需要工作人員對起重機執(zhí)行手工復位操作，方可重新啟動電機。

1.6　過電流保護

在系統(tǒng)運行期間如果電動機制動電流或是啟動電流過大、超出安全電流值，容易導致電機損壞，過電故障與短路故障較為相似，但電機受損程度有所不同。在系統(tǒng)中應用過電流保護技術，需在電機電樞回路或是轉子回路當中串入過電流繼電器，當裝置在電機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)行保護動作，主動吸動銜鐵、開啟常閉觸點、釋放接觸器KM，完成切斷電源的保護動作。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，當檢測到電流值過大時，調節(jié)斷路器主觸點啟閉狀態(tài)來切斷過電流[1]。

1.7　智能保護

在機電一體化系統(tǒng)早期的應用中，普遍采取短路、欠壓等保護措施，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)行保護動作，無法提前預測和規(guī)避電機出現(xiàn)故障問題，這是傳統(tǒng)電機保護技術的主要局限。為改善電機的保護效果，在采取傳統(tǒng)保護措施的同時，需要組合應用智能保護技術，可選擇安裝ZDB保護器與建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法模型。ZDB保護器是一種高性能單片機保護器，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轉速、電路電流電壓等現(xiàn)場監(jiān)測信號，通過對比實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與額定值，當實時監(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動作，當故障未得到解決時，故障指示燈會處于常亮狀態(tài)，并在顯示器上顯示對應的故障碼。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法模型屬于前饋反向傳播網(wǎng)絡，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)，在隨機函數(shù)基礎上形成多個離子來組成若干組神經(jīng)元權值與粒子群，搜索均反差指標最小值的最優(yōu)位置，獲取最優(yōu)連接權值，輸出綜合診斷結論。簡單而言，兩種技術的應用都是根據(jù)已掌握信息來預測未來一段時間的電機與機電一體化系統(tǒng)運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障[2]。

2　機電一體化中的電機控制技術

2.1　直流電機控制

目前常用的直流電機控制技術為DSP數(shù)字信號處理技術，一般通過在機電一體化系統(tǒng)安裝通用型號單片機設備作為控制器，使用C語言或是Fortran等軟件編寫計算機程序，采取數(shù)字形式采集系統(tǒng)運行期間產(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)控制器運算結果來下達控制指令，控制電機的穩(wěn)定運行，完成生產(chǎn)任務。

直流電機控制過程可分解為檢測電路、控制電路、驅動電路三項步驟，檢測電路是指在電路中安裝完善的配套設施，通過霍爾傳感器等裝置持續(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號和運行參數(shù)，將信號進行預處理后發(fā)送至控制器，如檢測轉子磁極位置，將轉子磁極信號轉換為換相信號?？刂齐娐肥侵冈谙到y(tǒng)中編寫觸發(fā)保護機制，安裝開關器件，當電路與電機運行期間出現(xiàn)過流、轉速過高、局部過壓等問題時，自動觸發(fā)保護程序，控制開關器件執(zhí)行切斷電路、電機停機等保護動作。驅動電路是指根據(jù)控制器運算結果來刷新輸出電路，控制外接設備執(zhí)行所下達控制指令。驅動電路功能可通過安裝PLC可編程邏輯器來實現(xiàn)，邏輯器根據(jù)梯形圖掃描結果進行邏輯運算分析，基于運算結果選擇性執(zhí)行特殊功能指令，隨后進入輸出刷新階段，按照I/O映像區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)來刷新輸出鎖存電路，驅動外接設備，完成輸出操作。

2.2　交流電機控制

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

(2)轉矩控制。轉矩控制是一項根據(jù)離散化轉矩理論提出的直接控制方法，按照電流值來控制電機力矩值，因而也被稱作為電流環(huán)控制技術，可以將電機運行期間的位置、力矩、轉速等參數(shù)控制在額定范圍內，起到消除滯環(huán)比較器脈動干擾、消除定子磁鏈膜值和轉矩差值、保證電機穩(wěn)定運行的作用。隨著轉矩控制技術的發(fā)展，新型智能技術逐漸與控制技術高度融合，模糊控制技術與魯棒控制技術應運而生。模糊控制技術是將控制器輸入量轉換為可識別模糊量后進行推理分析，從而描述系統(tǒng)動態(tài)與輸出控制指令的一項方法，可以對復雜程度較高的系統(tǒng)動態(tài)進行簡化處理，達成控制目的。魯棒控制技術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。

(3)PID控制技術。PID控制技術全稱為比例積分微分控制技術，是一項對比給定值與實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行線性組合處理來獲取、輸出控制量的電機控制方法，也是當前應用中最為常見的控制方法，有著算法簡單、可靠性強、魯棒性好等優(yōu)點。PID的電機控制流程為：預先分析所選電機工作原理建立數(shù)學模型，選取電機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波形，控制電機在一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)。早期PID技術在實際應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、存在明顯超調現(xiàn)象等問題，因此，需要對常規(guī)PID算法進行改進，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習能力，提前在程序中設定初始值，進行逐次計算迭代操作，獲取符合系統(tǒng)運行情況的最佳PID參數(shù)，無需工作人員人為不斷調整參數(shù)，即可自動匹配系統(tǒng)最優(yōu)性能的目標函數(shù)與保存對應參數(shù)[4]。

3　結語

隨著機電一體化系統(tǒng)的日趨完善，其在全面提升機械生產(chǎn)效率、機械系統(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。機電一體化系統(tǒng)運行的環(huán)境與條件一般較為復雜，受人為操作、設備自身老化、電磁干擾等因素的影響，容易出現(xiàn)運行故障，影響設備運行。相關高校、研究機構、生產(chǎn)企業(yè)應結市場中主流的電機實際控制需求，加大對電機保護與控制技術的研究力度，開拓技術應用思路，制訂和選擇科學合理、符合實際生產(chǎn)需要的電機保護和控制方案，以保證電機的安全、穩(wěn)定運行。

[1] 閆先偉.機電一體化中的電機控制與保護分析[J].科教導刊(電子版)2015,(10):165.

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

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

[4] 于建立,張占福.機電一體化中的電機控制與保護探討[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,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，主要研究方向為機電一體化。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍