在電機控制系統中 電機保護控制器的應用和選型

 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用智能控制是自動控制理論的新發展，它實質上是一個仿照人腦思維功能進行控制的方法，如專家系統、神經元控制、模糊控制等被人們統稱為智能控制。探討了智能電機保護和控制裝置在電機控制系統中的應用。
關鍵詞：智能控制；電機控制；裝置；保護
1前言
      無論是由三相感應電動機還是由三相永磁同步電動機構成的伺服系統，都是非線性的時變系統。盡管采用了矢量控制，仍然不能從根本上改變系統的非線性特性，而直接轉矩控 制自身就是一種非線性控制方式。矢量控制嚴重依賴于電動機的數學模型，其參數在電動機運行中會發生較大變化。事實上，這些與實際電動機是不*相符的。其結果之一是在電磁轉矩中一定還包含有諧波轉矩，這些諧波轉矩是未知的，在實際控制系統中，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控制質量的瓶頸。所以，需要真正改變高性能伺服系統中的非線性、參數變化、擾動和噪聲等控制問題，才能進一步提高系統的控制性能。
2智能控制及其控制目的
      智能控制是自動控制領域內的一門新興學科，模糊控制與神經網絡是其中的兩項關鍵技術，可以用來解決一些傳統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學模型，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、規則推理，還是反模糊化，從本質上來說都是一種映射，這種映射反映了系統的非線性，而這種非線性很難用數學來表達。神經網絡在理論上就具有任意逼近非線性有理函數的能力，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。應著重指出的是，雖然將智能控制應用于伺服驅動的研究已取得了不少成果，但是還有許多理論和技術問題尚待解決。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智能電機控制系統的組成及應用
3.1逆變器
(1)主要電路形式選擇與功率開關管的應用
      現階段，很多生產加工行業常用的是以星形三相三狀態和兩相導通星形三相六狀態兩種方式。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 與晶閘管的復合器件，具有高電壓、大電流、工作頻次高、控制功率小、易驅動、使用低成本集 成驅動電路控制等優點。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展的功率集成電路(PIC)。PIC 將多個功率開關管及其快恢復二極管集成為一體。
（2）驅動電路的構成
      在電機使用中，首先由驅動電路將控制器的輸出信號進行功率放大后，才能向各功率開關管送去使其能飽和導通和可靠關斷的驅動信號。隨著集成電路技術的發展，現在已經把驅動電路制成有一定輸出功率的專用集成電路，并且已經開始漸漸在無刷直流電動機上得到推廣應用。
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。就現在的市場環境來講，國內很多生產廠家推出了不同規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，對于特定環境下完成特定功能、并具有規模化生產的無刷直流電動機來說，是推薦方案。但其應用范圍局限性大，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為核心的數?；旌峡刂葡到y與全數字化控制系統。隨著無刷直流電動機應用領域的應用范圍越來越廣，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，轉向采用數字電路、單片機以及數字信號處理器方向發展，實現半數字化的數?；旌峡刂坪腿珨底只刂?，控制規律由硬件實現轉向以軟件實現。
3.3 智能電機控制系統在實際生產中的應用
       智能電機的出現大大提高了各行業的勞動生產率，為社會的進步和經濟的發展做出了巨大貢獻。其應用范圍已經非常廣泛，而且更多應用在了高、精、尖的設備層面，例如船用空 調設備、大型吊裝設備、礦山開采設備、大型通風控制系統、資源探測等大型設備。在現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管理控制和漏電保護，大到路邊 隨處可見的變壓器、通信網絡控制及信號接收設備，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。在當今社會房地產和城市公共服務建設如火如荼之際，放眼城市各處，遍地都是塔吊林立，大型施工設備經?？梢?。自工業革命以來，就逐漸掀起了機器設備帶動人力勞動的一頁，發展到今天，機器設備也不再需要過多人去機械的控制，已經可以走向智能化，而越來越多的研究人員和電機設備生產廠家也都開始瞄準了更高的科研要求。
4智能控制在電機控制系統的應用
      智能控制目的是控制那些難以建模的復雜過程或對象。在以電機為控制對象的交直流傳動系統中，雖然直流電機數學模型很簡單，交流電機經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。
傳感器參數化表示參數的調整，通過這種參數的調整，可以使傳感器系統適應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。參數必須由外部調整，然后主要通 過通信功能對傳感器系統的工作狀態進行設置。最后必須對傳感器系統的信號處理程序算法進行編程。為了進行的軟件開發，集散控制結構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的復雜性及功能的不同而變化。在制成的多傳感器系統里包含基本傳感器和 信號處 理兩大部分。因此參數限制了已有了算法的調整。
       雖然智能控制在電機控制系統中得到了廣泛應用。但是作為技術人員，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、轉子電阻和電感，這些物理數值隨溫度、頻率等變化產生變化將使控制指標達不到最佳狀態，嚴重的還會失去高性能控制的價值。負載轉動的慣量數值在某些應用中還會隨施工情況產生細微改變，加上非線性因素的影響，盡管解耦控制可以將電機參量調整為*獨立的通道，但是由于拖動系統含有彈性耦合及間隙等非線性因素，使系統的魯棒性變差，如果把智能控制與P1調節、矢量控制、直接轉矩控制等方法相結合，將可獲得更加優良的傳動性能。在布局上應采用多環控制結構，依靠智能控制環決定系統的最終控制性能。在電機控制中應用時，首先應根據先驗系統確立模糊變量和模型集；其次要確立模糊規則和模型推理的操作算子。與這種控制方法相適應的小型生成方法主要側重于空間電壓矢量 SPWM 方法。在控制中要針對低速特性和電機參數特性采取相應的專家系統或在線狀態觀測。這樣做的效果表明，它不但適應于一般變頻調速特性和電機參數特性，更適應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、堵轉等保護功能?？膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業的配電領域。
5.2產品選型
產品功能