在電機控制系統(tǒng)中 電機保護控制器的應(yīng)用和選型

 劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘 要：智能控制在電機控制中的應(yīng)用智能控制是自動控制理論的新發(fā)展，它實質(zhì)上是一個仿照人腦思維功能進行控制的方法，如專家系統(tǒng)、神經(jīng)元控制、模糊控制等被人們統(tǒng)稱為智能控制。探討了智能電機保護和控制裝置在電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能控制；電機控制；裝置；保護
1前言
      無論是由三相感應(yīng)電動機還是由三相永磁同步電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，都是非線性的時變系統(tǒng)。盡管采用了矢量控制，仍然不能從根本上改變系統(tǒng)的非線性特性，而直接轉(zhuǎn)矩控 制自身就是一種非線性控制方式。矢量控制嚴(yán)重依賴于電動機的數(shù)學(xué)模型，其參數(shù)在電動機運行中會發(fā)生較大變化。事實上，這些與實際電動機是不*相符的。其結(jié)果之一是在電磁轉(zhuǎn)矩中一定還包含有諧波轉(zhuǎn)矩，這些諧波轉(zhuǎn)矩是未知的，在實際控制系統(tǒng)中，通常將其作為一種擾動來處理。此外，還會有多種原因增加系統(tǒng)的非線性和不確定因素。在不同條件下，這些都會成為制約伺服系統(tǒng)控制質(zhì)量的瓶頸。所以，需要真正改變高性能伺服系統(tǒng)中的非線性、參數(shù)變化、擾動和噪聲等控制問題，才能進一步提高系統(tǒng)的控制性能。
2智能控制及其控制目的
      智能控制是自動控制領(lǐng)域內(nèi)的一門新興學(xué)科，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中的兩項關(guān)鍵技術(shù)，可以用來解決一些傳統(tǒng)控制方法難以解決的問題。首先，智能控制不依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，只按實際效果進行控制，在控制中有能力并可以充分考慮系統(tǒng)的不精確性和不確定性。其次，智能控制具有明顯的非線性特征。就模糊控制而言，無論是模糊化、規(guī)則推理，還是反模糊化，從本質(zhì)上來說都是一種映射，這種映射反映了系統(tǒng)的非線性，而這種非線性很難用數(shù)學(xué)來表達。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在理論上就具有任意逼近非線性有理函數(shù)的能力，還能比其他逼近方法得到更加易得的模型。近些年來，已提出了各種基于智能控制的控制策略和控制方法，已逐步形成了一種新的控制技術(shù)。應(yīng)著重指出的是，雖然將智能控制應(yīng)用于伺服驅(qū)動的研究已取得了不少成果，但是還有許多理論和技術(shù)問題尚待解決。由于智能控制涉及面廣，不可能具體介紹很多內(nèi)容，好在這方面已有很多文獻可供參考，這里希望通過舉例來介紹它們的控制思想和控制方式。
3智能電機控制系統(tǒng)的組成及應(yīng)用
3.1逆變器
(1)主要電路形式選擇與功率開關(guān)管的應(yīng)用
      現(xiàn)階段，很多生產(chǎn)加工行業(yè)常用的是以星形三相三狀態(tài)和兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)兩種方式。主電路的核心部分是作用各異的逆變器功率開關(guān)管。在大功率電機的控制中，也可選擇 MCT，它是 MOSFET 與晶閘管的復(fù)合器件，具有高電壓、大電流、工作頻次高、控制功率小、易驅(qū)動、使用低成本集 成驅(qū)動電路控制等優(yōu)點。為了提高逆變器的可靠性、縮小體 積，也可以采用近年來迅速發(fā)展的功率集成電路(PIC)。PIC 將多個功率開關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。
（2）驅(qū)動電路的構(gòu)成
      在電機使用中，首先由驅(qū)動電路將控制器的輸出信號進行功率放大后，才能向各功率開關(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)把驅(qū)動電路制成有一定輸出功率的專用集成電路，并且已經(jīng)開始漸漸在無刷直流電動機上得到推廣應(yīng)用。
3.2 控制器
      智能電機中的控制器主要有兩個概念。一個是基于專用集成電路的控制系統(tǒng)。就現(xiàn)在的市場環(huán)境來講，國內(nèi)很多生產(chǎn)廠家推出了不同規(guī)格和用途的無刷直流電動機控制專用集 成電路。這些具有一定的電機配用的集成控制電路克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小、可靠性高，對于特定環(huán)境下完成特定功能、并具有規(guī)?；a(chǎn)的無刷直流電動機來說，是推薦方案。但其應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴展。種智能電機中的控制器主要是指以微型計算機技術(shù)為核心的數(shù)模混合控制系統(tǒng)與全數(shù)字化控制系統(tǒng)。隨著無刷直流電動機應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，對它的實用性能也提出了更高的要求，因而其控制器由以硬件模擬電子器件為主，轉(zhuǎn)向采用數(shù)字電路、單片機以及數(shù)字信號處理器方向發(fā)展，實現(xiàn)半數(shù)字化的數(shù)模混合控制和全數(shù)字化控制，控制規(guī)律由硬件實現(xiàn)轉(zhuǎn)向以軟件實現(xiàn)。
3.3 智能電機控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用
       智能電機的出現(xiàn)大大提高了各行業(yè)的勞動生產(chǎn)率，為社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻。其應(yīng)用范圍已經(jīng)非常廣泛，而且更多應(yīng)用在了高、精、尖的設(shè)備層面，例如船用空 調(diào)設(shè)備、大型吊裝設(shè)備、礦山開采設(shè)備、大型通風(fēng)控制系統(tǒng)、資源探測等大型設(shè)備。在現(xiàn)實生活微觀方面更是舉不勝舉，小到任何一件家用電器的系統(tǒng)管理控制和漏電保護，大到路邊 隨處可見的變壓器、通信網(wǎng)絡(luò)控制及信號接收設(shè)備，汽車、摩托車等交通工具，無處不見智能電機控制和保護裝置的影子。在當(dāng)今社會房地產(chǎn)和城市公共服務(wù)建設(shè)如火如荼之際，放眼城市各處，遍地都是塔吊林立，大型施工設(shè)備經(jīng)?？梢姟Ｗ怨I(yè)革命以來，就逐漸掀起了機器設(shè)備帶動人力勞動的一頁，發(fā)展到今天，機器設(shè)備也不再需要過多人去機械的控制，已經(jīng)可以走向智能化，而越來越多的研究人員和電機設(shè)備生產(chǎn)廠家也都開始瞄準(zhǔn)了更高的科研要求。
4智能控制在電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用
      智能控制目的是控制那些難以建模的復(fù)雜過程或?qū)ο?。在以電機為控制對象的交直流傳動系統(tǒng)中，雖然直流電機數(shù)學(xué)模型很簡單，交流電機經(jīng)前面研究過的矢量變換也可等效 為直流電機模型，同時也有比較成熟的控制方案。
傳感器參數(shù)化表示參數(shù)的調(diào)整，通過這種參數(shù)的調(diào)整，可以使傳感器系統(tǒng)適應(yīng)于在一個確定的裝置中工作以及在工作中能進行信號處理的操作。參數(shù)必須由外部調(diào)整，然后主要通 過通信功能對傳感器系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行設(shè)置。最后必須對傳感器系統(tǒng)的信號處理程序算法進行編程。為了進行的軟件開發(fā)，集散控制結(jié)構(gòu)對傳感器的編程控制提出了新的要求。 傳感器配置的形式和范圍大小隨傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜性及功能的不同而變化。在制成的多傳感器系統(tǒng)里包含基本傳感器和 信號處 理兩大部分。因此參數(shù)限制了已有了算法的調(diào)整。
       雖然智能控制在電機控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是作為技術(shù)人員，必須清醒地意識到，交流電機各種控制方法中大多要涉及定、轉(zhuǎn)子電阻和電感，這些物理數(shù)值隨溫度、頻率等變化產(chǎn)生變化將使控制指標(biāo)達不到最佳狀態(tài)，嚴(yán)重的還會失去高性能控制的價值。負(fù)載轉(zhuǎn)動的慣量數(shù)值在某些應(yīng)用中還會隨施工情況產(chǎn)生細(xì)微改變，加上非線性因素的影響，盡管解耦控制可以將電機參量調(diào)整為*獨立的通道，但是由于拖動系統(tǒng)含有彈性耦合及間隙等非線性因素，使系統(tǒng)的魯棒性變差，如果把智能控制與P1調(diào)節(jié)、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方法相結(jié)合，將可獲得更加優(yōu)良的傳動性能。在布局上應(yīng)采用多環(huán)控制結(jié)構(gòu)，依靠智能控制環(huán)決定系統(tǒng)的最終控制性能。在電機控制中應(yīng)用時，首先應(yīng)根據(jù)先驗系統(tǒng)確立模糊變量和模型集；其次要確立模糊規(guī)則和模型推理的操作算子。與這種控制方法相適應(yīng)的小型生成方法主要側(cè)重于空間電壓矢量 SPWM 方法。在控制中要針對低速特性和電機參數(shù)特性采取相應(yīng)的專家系統(tǒng)或在線狀態(tài)觀測。這樣做的效果表明，它不但適應(yīng)于一般變頻調(diào)速特性和電機參數(shù)特性，更適應(yīng)于伺服控制和機器人控制。
5 安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型
5.1產(chǎn)品簡介
       ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護功能?？膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護單元，具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。
5.2產(chǎn)品選型
產(chǎn)品功能