在電機(jī)控制系統(tǒng)中 電機(jī)保護(hù)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(jī)控制中的應(yīng)用智能控制是自動(dòng)控制理論的新發(fā)展，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)仿照人腦思維功能進(jìn)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(jī)保護(hù)和控制裝置在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能控制；電機(jī)控制；裝置；保護(hù)
1前言
      無(wú)論是由三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還是由三相永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，都是非線性的時(shí)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，其參數(shù)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)發(fā)生較大變化。事實(shí)上，這些與實(shí)際電動(dòng)機(jī)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(shí)際控制系統(tǒng)中，通常將其作為一種擾動(dòng)來(lái)處理。此外，還會(huì)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(huì)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(dòng)和噪聲等控制問(wèn)題，才能進(jìn)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(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)的一門(mén)新興學(xué)科，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以用來(lái)解決一些傳統(tǒng)控制方法難以解決的問(wèn)題。首先，智能控制不依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只按實(shí)際效果進(jìn)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(wú)論是模糊化、規(guī)則推理，還是反模糊化，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)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(lái)表達(dá)。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(lái)，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(dòng)的研究已取得了不少成果，但是還有許多理論和技術(shù)問(wèn)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(xiàn)可供參考，這里希望通過(guò)舉例來(lái)介紹它們的控制思想和控制方式。
3智能電機(jī)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(kāi)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(kāi)關(guān)管。在大功率電機(jī)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(dòng)、使用低成本集 成驅(qū)動(dòng)電路控制等優(yōu)點(diǎn)。為了提高逆變器的可靠性、縮小體 積，也可以采用近年來(lái)迅速發(fā)展的功率集成電路(PIC)。PIC 將多個(gè)功率開(kāi)關(guān)管及其快恢復(fù)二極管集成為一體。
（2）驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成
      在電機(jī)使用中，首先由驅(qū)動(dòng)電路將控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大后，才能向各功率開(kāi)關(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)把驅(qū)動(dòng)電路制成有一定輸出功率的專用集成電路，并且已經(jīng)開(kāi)始漸漸在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上得到推廣應(yīng)用。
3.2 控制器
      智能電機(jī)中的控制器主要有兩個(gè)概念。一個(gè)是基于專用集成電路的控制系統(tǒng)。就現(xiàn)在的市場(chǎng)環(huán)境來(lái)講，國(guó)內(nèi)很多生產(chǎn)廠家推出了不同規(guī)格和用途的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制專用集 成電路。這些具有一定的電機(jī)配用的集成控制電路克服了分立元件帶來(lái)的弊端，使控制電路體積小、可靠性高，對(duì)于特定環(huán)境下完成特定功能、并具有規(guī)模化生產(chǎn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是推薦方案。但其應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴(kuò)展。種智能電機(jī)中的控制器主要是指以微型計(jì)算機(jī)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)它的實(shí)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(jī)以及數(shù)字信號(hào)處理器方向發(fā)展，實(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以軟件實(shí)現(xiàn)。
3.3 智能電機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用
       智能電機(jī)的出現(xiàn)大大提高了各行業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，為社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。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(kāi)采設(shè)備、大型通風(fēng)控制系統(tǒng)、資源探測(cè)等大型設(shè)備。在現(xiàn)實(shí)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(hù)，大到路邊 隨處可見(jiàn)的變壓器、通信網(wǎng)絡(luò)控制及信號(hào)接收設(shè)備，汽車、摩托車等交通工具，無(wú)處不見(jiàn)智能電機(jī)控制和保護(hù)裝置的影子。在當(dāng)今社會(huì)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)常可見(jiàn)。自工業(yè)革命以來(lái)，就逐漸掀起了機(jī)器設(shè)備帶動(dòng)人力勞動(dòng)的一頁(yè)，發(fā)展到今天，機(jī)器設(shè)備也不再需要過(guò)多人去機(jī)械的控制，已經(jīng)可以走向智能化，而越來(lái)越多的研究人員和電機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家也都開(kāi)始瞄準(zhǔn)了更高的科研要求。
4智能控制在電機(jī)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(guò)程或?qū)ο蟆Ｔ谝噪姍C(jī)為控制對(duì)象的交直流傳動(dòng)系統(tǒng)中，雖然直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型很簡(jiǎn)單，交流電機(jī)經(jīng)前面研究過(guò)的矢量變換也可等效 為直流電機(jī)模型，同時(shí)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(guò)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(gè)確定的裝置中工作以及在工作中能進(jìn)行信號(hào)處理的操作。參數(shù)必須由外部調(diào)整，然后主要通 過(guò)通信功能對(duì)傳感器系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。最后必須對(duì)傳感器系統(tǒng)的信號(hào)處理程序算法進(jìn)行編程。為了進(jìn)行的軟件開(kāi)發(fā)，集散控制結(jié)構(gòu)對(duì)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(hào)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(jī)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(shí)到，交流電機(jī)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(dá)不到最佳狀態(tài)，嚴(yán)重的還會(huì)失去高性能控制的價(jià)值。負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量數(shù)值在某些應(yīng)用中還會(huì)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(jī)參量調(diào)整為*獨(dú)立的通道，但是由于拖動(dòng)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(dòng)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(jī)控制中應(yīng)用時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)先驗(yàn)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(duì)低速特性和電機(jī)參數(shù)特性采取相應(yīng)的專家系統(tǒng)或在線狀態(tài)觀測(cè)。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(jī)參數(shù)特性，更適應(yīng)于伺服控制和機(jī)器人控制。
5 安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
5.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介
       ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。可與接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)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