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    機電一體化中的電機控制與保護研究

    來源:UC論文網2016-06-28 10:47

    摘要:

    本文簡要探討了機電一體化的主要應用領域,并在技術應用方面分析了對電機設備的控制保護問題。

      機電一體化的最初形態是機械裝置技術,隨后引進電子技術,形成了生產機構上的功能化豐富。它的主功能、動力功能與控制功能被強化,并最新增添了信息處理功能。從系統化的視角來看,機電一體化就是一種將群體技術、微電子技術、電力電子技術與機械技術合理配置布局的新技術。它根據系統功能優化來組織全新的生產操作目標,其目的就是為了達到最理想的生產狀態。
     
      一、機電一體化的主要應用領域
     
      當代機電一體化技術應用最為廣泛的技術領域就是自動生產線與數控機床。正是有了機電一體化技術,數控技術的功能操作性、結構精密性與控制精度才開始擁有質的飛躍。由于采用了開放式設計,所以機電一體化的硬件體系結構可以讓機械裝置與電子功能模塊接口相互兼容銜接,使得設備的性能最大化。另外,機電一體化也能實現多通道、多過程的同步控制,比如說一臺機床可以同時控制加工多個機床才能完成的生產任務。它主要以單板和單片機作為系統控制機,并利用芯片和模組來操控主控裝置,幫助系統達成多級網絡功能,強化系統組合的可能性與實現復雜系統生產加工能力。正是這些技術的出現才讓我國的工業生產與科學技術在進入21世紀以后擁有了突飛猛進的進步。
     
      二、機電一體化技術應用中所存在的電機控制與保護問腰
     
      (一)電機控制保護裝置問題
     
      機電一體化的電機控制與保護存在諸多問題,這也是其技術功能日益復雜多元化以后所帶來的技術故障困擾。就比如說在井下電機控制保護設備中,常常會用到的鼠籠式異步電機其故障率發生所占比率就非常之髙(約總故障比率的68%)。當進行井下電機控制時,其目的就是為了保證井下施工的安全。而從技術角度講,鼠籠式異步電機的故障發生就存在于電機的電磁電熱技術上,例如沒有充分合理利用培斷器實現短路保護、熱繼電器的過載保護不足等等,這些都是可能影響井下電機控制出現問題的主要因素。考慮到現如今的設備自動化操作越來越多,所以當機電設備的啟動時間、電壓、電流發生變化時,設備的損壞率就會受到一定影響,導致它的壽命也隨之被影響。
     
      (二)機電設備用電問題
     
      由于自動化用電所造成的機電設備短路、電機超負荷運行問題到目前為止相當常見。許多工業生產企業在選擇電機時僅僅只注重電機本身的運行性能及損壞狀況,而往往忽略了電機在電能方面的損耗,這主要是由于目前依然有許多工業生產企業對生產時電能的損耗不重視,嚴重忽略電能節約才造成用電問題的普遍出現氣
     
      三、機電一體化中電機應用的控制與保護對策
     
      電機應該是機電一體化設備中最為重要的組成部分,因為它主要涉及兩方面的執行操控功能。第一是驅動操控部分,第二是控制部分。執行操控也叫執行驅動,它主要由位置傳感器、三相伺服電機等設備組成。而控制部分則主要包括了傳統機械設備中所固有的單片機、輸入通道和變頻器。它們在電機設備中共同協調發揮功能作用。
     
      (一)電機閥位與速度控制研究
     
      上文提到,電機設備的控制部分包括了IPM逆變器、單片機、整流模塊、PWM波發生器、A/D和D/A轉換模塊、輸入輸出通道、故障檢測與報警電路等等。在電機設備處于正常運行狀態下,要將三相輸出電流通過電壓與閥門位置經A/D轉換后才能正常輸出至單片機中。此時再經過PWM波發生器控制,使PWM波處于光電耦合作用下并傳輸至逆變模塊IPM中。如上述過程就能夠實現電機設備的閥位控制與一些變頻調速控制功能。
     
      另外,對電機設備的閥位與速度控制還可以采用雙環控制方案。所謂雙環即內環與外環,它們還被稱為速度環與位置環。其中速度環的主要作用是將電機設備運行速度與給定發生器的預設速度進行橫向比較,并通過速度調節器的運行來改變PWM波發生器的載波頻率,進而實現對電機實際轉速的控制與調節作用。而外環則主要通過對電機設備的位置速度設定,并利用速度為PWM波發生器提供所需的速度預設值。考慮到電機設備中大流量閥的執行機構在運行狀態下會處于減速、勻速和加速三種階段,所以在各個階段的加速度、速度調節時間與速度實際給定位置都具備不確定性。如果想精確控制電機保護裝置中的閥位與速度,必須將實際閥位與給定閥位進行橫向對比,才有可能實現電機設備的恒定加速和減速,如果有需要,還應該對閥位實際值、閥位給定值與閥位速度進行計算。
     
      (二)電機保護裝置控制
     
      對電機保護裝置的控制是出于安全角度考慮的,因為電機設備經常會出現逆變模塊故障,在此時,變頻器的輸出電流與電壓頻率是不穩定的(在(T50HZ之間)。如果采用常規電壓電流互感器很難達到電機控制與保護要求。因此應該啟動電機控制保護功能,運用它來快速反應電機設備中電流的大小,例如霍爾型電流互感器就能對IPM輸出三相電流檢測,與此同時,IPM輸出電壓則會通過分壓電路對電機保護裝置進行檢測,從而達到對電機設備的電壓電流頻率控制目的01。
     
      進入21世紀以后,國內外的機電一體化技術都在不斷創造技術突破,已經形成了許多先進的技術成果。但如文中所述的各種電機設備控制保護問題也不可回避。目前包括我國在內的許多國家已經實現了對電機控制的在線監控保護,它可以根據裝置的輸出數據與信號來在線分析對比,明確電機設備所存在的故障類型與故障程度。這一技術也說明了在未來,機電一體化技術的研究與提升依然有較大的發展空間。
     
                                                                                                                      王容霞
                                                                                                       (廣州南洋理工職業學院)

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