1、电气传动控制系统内容摘要随着自动化技术的飞速开展 ，电气传动控制系统也日新月异，电气传动控制系统的概念从出现以来，电气传动控制系统又有了新的开展。电气传动控制系统是近年来引起人们很大兴趣的一个领域：它的研究目标是用机器，通常为传动控制系统、电脑等，尽可能地代替人的体力活动，并且争取在这些方面最终改善并超出人的能力；其研究领域及应用范围十分广泛、例如，自动控制、人工智能、PLC控制系统、智能机器人等等。电气传动控制系统的研究是通过他的原理及其应用而为人类社会的进步作出奉献。关键词：传动控制，自动控制，PLC控制，智能控制，信息化，电气传动，数字控制。内容摘要 2前言 41 电气传动控制系统的研究
2、与应用 61.1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述 61.2 信息化时代的电气传动技术 81.3 交流传动在我国的应用和展望 122 电气传动控制与PLC控制系统的应用 142.1 利用PLC控制的自动配料系统 142.3 PLC控制系统与智能化中央空调 193 电气传动控制系统在具体实际生活的应用 23 233.1 起重机电气传动的设计 24 电梯传动控制系统 274 电气传动控制系统的结论 325 参考文献 33前 言电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3局部组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能-机械能的转
3、换，到达优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的开展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。近年来交流调速中最活泼、开展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的根底和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的
4、资源。我国电气传动产业始建于1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来的天津电气传动设计研究所的前身。我国电气传动与变频调速技术的开展简史见表1。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。当前世界上正处于信息化的时代，而我国工业化尚未完成，以信息化带开工业化是我们的重要任务。电气传动是工业化的重要根底。正如人体，信息技术好比大脑和神经，生产机械好比四肢，电气传动那么是牵动四肢运动的肌肉与骨骼，大脑再聪明，如果肌肉与骨骼不灵，人体也只能瘫痪。当然电气传动也要适合信息化时代的需要而开展。信息化
5、时代的电气传动技术包含三方面的主要内容：1数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段，2电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口，3可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实。1 电气传动控制系统1.1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述电气传动系统又称电力拖动系统,是以电动机作为原动机的机械系统的总称。其目的是为了通过对电动机合理的控制,实现生产机械的起动,停止,速度、位置调节以及各种生产工艺的要求。随着技术的进步及社会对环保、节能要求的日渐严格,电气传动系统在社会各方面的使用越来越广泛。如何优化、设计电气传动系统,以实现更低廉的本钱、更好的性能就具有十分重要的意义
6、。 近年来许多新理论新策略应用于电气传动系统中,并获得了良好的效果。但对大局部系统而言,其根本的闭环控制结构、利用调节器对控制对象进行校正以使系统符合要求的方法根本未变。所以,我国电气传动系统设计领域的权威专家陈伯时教授总结出的调节器的“工程设计方法,目前在实际设计中仍然是主流设计方法。如何设计出优秀的调节器依然是电气传动系统优化设计的主要内容。因此借鉴了“工程设计方法的根本思想,以电气传动系统的优化设计为目的,在现有的调节器“工程设计方法根底上,采用其采用少量典型系统、分步设计的根本设计思路,以系统闭环幅频特性峰值、调节时间最小为最优化原那么,分别针对典型、型系统研究出一套更能满足实际工程需
7、要的设计方法。并总结出了便于设计者使用的参数、性能指标值计算公式及图表。针对交流电机矢量控制系统鲁棒性差的问题那么进行了研究并提出了优化方案。 利用MATLAB编程和SIMULINK仿真对所设计的系统进行验证,结果说明针对典型、型系统的设计方法所设计出的系统性能指标及设计灵活性均好于“工程设计方法;针对典型型系统的设计方法那么是“工程设计方法所未涉及而又实际需要的,故填补了“工程设计方法的空白;在交流电机矢量控制系统中引入复合磁链观测器及双层模糊控制器后,系统的鲁棒性及性能得到了提高。1.2 信息化时代的电气传动技术 当前世界上正处于信息化的时代，而我国工业化尚未完成，以信息化带开工业化是我们
8、的重要任务。电气传动是工业化的重要根底。正如人体，信息技术好比大脑和神经，生产机械好比四肢，电气传动那么是牵动四肢运动的肌肉与骨骼，大脑再聪明，如果肌肉与骨骼不灵，人体也只能瘫痪。当然电气传动也要适合信息化时代的需要而开展。信息化时代的电气传动技术包含三方面的主要内容：1数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段，2电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口，3可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实。 当前，世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中，信息技术已成为推动生产力开展的重要动力。我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比拟落后，但在党中央的英明领导下，正迎头赶上信息
9、化的浪潮，信息产业及其应用正在蓬勃开展，成为覆盖现代化建设全局的战略举措。然而，许多先进的工业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的，他们开发信息产业具有雄厚的根底。而我国还是以农业为主的国家，根据去年第5次人口普查的统计，乡村人口还占总人口的63.91%,我国的工业化尚未完成，根底工业还比拟薄弱。所以必须在开展信息化的同时，特别强调“以信息化带开工业化，才能“发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式开展?中共中央十五届五中全会公报?。 所谓电气传动，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。自从人类创造并掌握各种机械帮助自己劳动以来
10、，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又创造了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才创造电动机。由于1电机的效率高，运转比拟经济，2电能的传输和分配比拟方便，3电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大局部机械的传动方式，成为工业化的重要根底。 在信息化浪潮中，信息技术带动着先进生产力的开展，这是无可争辩的事实。因此，人们多热中于通信、计算机以及软件等行业，电气传动技术多少有些受到冷淡。但必须注意的是，电气传动是工业化的重要根底，信息本身并不能直接让机器转动，信息技术必须通过电气传动才能带开工业化。正如在人体中，信息技术好比是大脑和神经，生产机械好比是四肢，电
11、气传动那么是牵动四肢运动的肌肉与骨骼。大脑再聪明，如果肌肉和骨骼不灵，人体也只能是瘫痪的。当然，电气传动技术也必须在信息技术的推动下，适应信息化时代的需要而向前开展，才能真正成为以信息化带开工业化的关键环节。 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 最早的自动控制手段是机械控制，后来逐步让位于电气控制和电子控制。近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两种：模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来，体积小、耗电少、本钱低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制简称微机数字控制成为现代
12、电气传动系统控制器的主要形式。目前，常用的微处理器有：单片机SCP、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。 由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判断和数值运算的能力，因此数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点：1数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比拟复杂的控制策略，2数字控制系统能够完成故障的自诊断，提高诊断过程的智能化。 2 电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口 电力电子技术是信息流与物质/能量流之间的重要纽带，如果没有电力电子变换，没有弱电控制强电的接口，那么信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质生产。
13、现在，电力电子技术的开展正处于壮年期，新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。 电力电子器件的开展已经经历过三个平台：1晶闸管SCR,2GTR和GTO，3IGBT。目前，市场上能够广泛供给的IGBT其电压和电流容量有限，一般只够中、小容量的低压电气传动使用。容量再大时，还得采用GTO，而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，已经问世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步开展方向是；模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料如SiC等。 在电力电子变换器
14、中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器，其中中、小容量的多为PWM变换器。常用的交流PWM控制技术有： 1基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制； 2基于消除指定次数谐波的HEPWM控制； 3基于电流滞环跟踪的CHPWM控制； 4电压空间矢量控制SVPWM控制，或称磁链轨迹跟踪控制。 在以上4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种那么以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。显然第4种的效果最好，而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，故应用最广
15、。 随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害越来越值得重视。解决这个问题的方法有二：1采用有源滤波和无功补偿装置，2开发“绿色电力电子变换器。后者要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这是一种治本的方法。 目前已经应用的绿色变换器有：双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有：交-交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点，但主电路略嫌复杂，如果能成功地开发出双向IGBT模块，那么结构可大为简化。 3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经
16、成为不争的事实 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪大局部年代里，鉴于直流传动具有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动那么采用交流电机，这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到20世纪70年代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功，结构简单、本钱低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域，一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速传动主要沿着下述三个方向开展和应用：1一般性能的节能调速和工艺调速，2高性能交流调速系统，3特大容量、极高转速的交流传动
17、。 交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。异步电机调速传动种类繁多，以其转差功率的去向来区分有三大类：1转差功率消耗型调速如降电压调速、绕线电机转子串电阻调速；2转差功率回馈型调速如绕线电机串级调速、内馈斩波调速、双馈调速；3转差功率不变型调速如变压变频调速、变极对数调速。各种调速方法各有其用途，目前应用最普遍的是笼型转子电机变压变频调速。同步电机没有转差功率，故其调速只能是转差功率不变恒等于0型的，只能靠变压变频调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比拟简单的调速方法。1.3 交流传动在我国的应用和展望一 我国变频技术应用现状国内变频调速技术经过十多年的应用推广 , 得到了
18、飞速开展 。变频器己广泛应用于国民经济的各个行业。 促进了节能改造, 极大地提高了我国工业电气传动水平。但推进的力度 还不够 , 变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来 。1997 年统计全国需进行调速改造的变频器市 场大约有1500亿元人民币 ( 不包括后来新增的需调速设备 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效节能电机的使用在内 ) 。距离国家 电机系统节能方案 投资500 亿元进行开展 的要求相距甚远。这里有我国电网结构问题, 耗能大, 浪费多的电机设备多集中在大型企业, 主要是那些高压电风机与水泵上 , 据有关资料统计报道 , 我国风机、水泵、空气压缩机总数 大约 42
19、00 万台 , 装机容量约 1.1 亿万千瓦。然而实际情况大多是大马拉小车、无论轻载重 载都以一种恒速的方式运行。实际工作效率只有 60-40%, 损耗电能占总发电量的 40% 。多数 情况 , 设备不能跟随工作状况的变化及时调整运行设备的速度, 造成电能浪费 , 生产本钱提高, 效益降低, 甚至造成环境污染。其原因包括技术，电网，资金和认识等问题。变频调速技术的应用和推广，在工业生产中无非是解决两大问题：一是节能，二是改善生产过程。与此相对应的更多的是低压供电变频器的需求。除去低压供电的小功率风机泵类以外，还有许多行业要求变频器不仅具有很好的速度控制精度，还要有快速的，精确的力矩控制性能。比
20、方金属加工行业中的带材轧制过程，线材轧机，拉丝机械，铣面，纵剪，复合加工，连铸连轧，酸洗，矫直，剪切等等。这些工艺过常常要求多台电机之间要有精确的速度配合，或是要求力矩能快速的跟随负载的变化而变化。这些特性同时也是造纸行业，纺织印染行业，化纤行业，橡塑行业，印刷，包装，胶片制备和涂布等等行业所需要的。上述各类加工过程，其产品的质量和产量除和加工机械有关外，还依赖于电气传动设备以及电气系统的构成水平。还有一些对控制要求特殊的应用，比方提升机应用。提升机广泛的用于沿海沿江的港口码头，集装箱集散地，工矿企业，电站航天造船等大型设备的安装场合。他不仅要有精确的速度控制特性，还要有极好的力矩控制特性。力
21、矩控制的精确度和响应快慢是衡量电气传动技术的重要指标。因为这一类纯位势负载的特性是被提升物一旦离开地面便没有了依托，物体在悬空状态下的升降或停住完全靠电气传动进行控制，起平安保护作用的抱闸的开闭必须精确控制，且传动必须能记忆提升力矩，以配合抱闸的开闭实现无跳变的速度控制过程，防止溜车造成的损害。有与此类似要求的应用场合还有电梯，立体仓库的物料运输机，高炉的卷扬机等设备。满足这类应用场合要求的传动设备就不是简单的通用变频器能完成的了。除要求电气设备的硬件有过硬的可靠性外，还要有特殊的专用软件，专门适合这类负载的全部控制需要：提升过程中的速度力矩控制要求，力矩记忆，抱闸控制，全程的速度力矩跟踪，校
22、验，监视。岸机的稳定性监视和限制。在这类应用中，ABB公司具有标准的产品系列和专用软件。在世界各国的海港，集装箱码头，应用极其普遍。小容量的应用场合也有其他品牌在使用，比方安川公司的产品。特殊应用中的另一大类是张力控制。张力控制的只要应用对象是卷取机，卷取机是卷取各种成品或半成品的生产机械设备 , 一般都是处于生产线最后一道工序 , 卷取设备的机械和电气性能 , 直接影响着成品或半成品的质量 , 因之是关键性设备之一 。 同时卷取的过程还与前几道工序之间 有密切的联系 , 例如速度的同步性 , 速度的精度、速度的稳定性等 。而卷取的工艺过程又有它的特殊性 。 为此无论机械设备、电气控制、传动系
23、统等都是比拟复杂的 。卷取的失误，在最后一道工序中产生废品，肯定会造成前功尽弃的局面 , 所以他也是关键性设备 , 卷取设备投资较贵的是电气传动控制系统 , 他必须结合被卷取的物料特性 , 厚薄程度 , 物料强度 , 延伸率弹性变形量 , 物料的允许公差 , 卷取物料的直径变动量、重量、卷取速度等诸多因素综合考虑。对不同行业，不同物料的卷取有各种不同的控制方法和于段 , 既要保证卷取的质量又要尽可能减少设备的投资。二 交流变频调速器的类型采用变频的方法，作为交流异步机的供电电源，实现对电机的转速控制，到达节能或改善工艺的目的，大约已有40年的历史了。随着电力电子技术和微电子技术的展，变频器的理
24、论和产品水平也在飞快的开展。从60年代末到90年代，变频器的控制方法经历了几次大的开展变化。大概经历了三个阶段，每一个阶段，技术上都有一个突破性的进展，推出一个更先进的控制原理。每一类都有很大的应用市场，延续至今，形成三类控制原理并存的局面。第一类是70年代以恒压频比控制方式为理论根底的变频调速。它可以做成转速开环变频调速方式，也可以做成转速闭环调速方式。转速开环变频调速系统在恒压频比控制的根底上，为了改善电机的低速力矩特性，增加了变频器低频段的电压补偿的协调控制 , 为了改善电机的速度特性的硬度，增加了转差补偿控制。虽然其结构简单 , 本钱较低 , 但调速系统静、动态性能不高 。为了改善性能
25、，继开环系统的根底上，软件里参加了 PI 型转速调节器 , 力图使转速无静差 , 改善稳态性能。在动态过程中 , 转速调节器饱和 , 系统能以最大转矩 Tm 加减速 , 保证了在允许条件下的快速性、加减速的平滑性 , 系统也容易稳定。然而这类根本型转差频率控制是从异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式出发的 , 保持磁通恒定 的结论只在稳态情况下成立。电流调节器只控制了定子 电流的幅值 , 并未控制其相位 , 其动态性与理想的闭环控制指标仍存在一定的差距。这类变频器常用于风机、水泵类节能型调速系统或对速度的动态指标要求不高的简单机械传动上。第二类矢量控制型变频器出现于80年代它是基于“ 感应电机磁
26、场定向控制原理, 和矢量系的 坐标变换 原理, 经过不断改良和完善 , 形成的一类高性能的矢量控制变频调速系统。其根本思想是通过矢量变换和磁场定向 , 实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦 , 得到类似直流电机的动态数学模型 , 然后模拟直流电机进行控制 , 获得良好的静、动态性能。 继而出现的转差型矢量控制 , 进一步简化系统结构 , 使之进一步实用化。虽然理论上采用直接转子磁链定向最为理想，但是由于转子磁链直接检测相当困难 , 只能利用转子磁链模型进行磁场定向 , 而电机运行状态的变化以及参数的变化势必会影响转子磁链模型的精确性 , 进而影响系统的静、动态性能。为了使磁场定向准确且对电机参
27、数变化不敏感 , 可以通过参数辨识、参数自适应等方法，提高系统的鲁棒性。由于这类变频器采用了矢量控制技术，依靠计算机的快速数据处理能力，将一个连续的电流量经过坐标变换分解成无数对离散的、空间上互相垂直的两个电流分量 , 按 照磁场和其正交的电流乘积就是转矩这一原理 , 将定子电流分解成建立磁场的励磁分量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量 , 然后分别进行各自的闭环控制 , 就象直流电动机可以分别对励磁和电枢电流进行控制一样 , 从而使得普通的交流电动机得到如同直流电动机的控制规律和动态性能。矢量控制变频器已广泛的应用到工业领域的各个行业中了。从控制角度看，矢量控制的变换机理需要用测速元件，以测量
28、转子的瞬时状态来确定转子磁链的位置。从应用角度看，要提高传动系统的控制精度，就需要精确测量转子的转速，构成速度闭环控制 。但速度传感器安装要求高 , 机械调试工作量大 , 由于场地及空间的限制 , 有些装置不允许安装速度传感器 , 于是近些年，许多公司纷纷推出无速度传感器的高性能交流调速系统。它正能弥补这些缺乏之处。无速度传感器的初始方法是实时检测定子电压和电流 , 再依据电机模型对转速直接进行估算 , 用估算的值作为内部速度反应量，完成高精度的速度控制。因此提高转速估算精度是该系统的关键。第三类是采用目前最先进的变频控制理论DTC构成的交流传动。DTC变频器由ABB公司于上世纪90年代推出。
29、它的控制思路简单明了，控制性能卓越，几乎到达了交流异步电机调速的完美程度。很快深入到工业应用的各个领域。它摈弃了大量的矢量控制中坐标系变换的计算，直接以电机的磁场和力矩为目标进行控制，系统原理简单明确。理论和实践都证明了异步电动机接受了变频器馈入的 SPWM 电压后 , 在定子绕组中得到的是连续的正弦电流 , 且三相正弦电流在三相定子绕组中会产生圆形的旋转磁场 , 从而产生恒定的电磁转矩。反过来 , 如果用跟踪圆形旋转磁场的方法来控制定子绕组输入端的脉宽调制电压 , 形成反应、闭环控制 , 那么效果会比输入 SPWM 电压更好。这就是“ 电压空间矢量控制 思想，亦称 “ 磁链跟踪控制 。DTC
30、控制着眼于定子侧的磁链为被控对象，极大的简化了矢量控制中的坐标变换计算。某一时刻的电压空间矢量决定了该时刻的磁链空间矢量，每一个磁链空间矢量都要根据前一个矢量的位置单独计算，由此形成的PWM输出，就时时刻刻反映着电机的实际力矩。因为数据从采集到运算完输出，仅经过25微妙，所以变频器的力矩可以快速的跟随负载的变化而变化，始终保持转速为给定值。PWM脉冲经过优化后在取控制逆变桥，进一步改善了速度控制过程中的指标。精确的电机模型直接输出电机速度值，作为反应量，使交流异步机调速系统也具有象直流机一样的双闭环调节过程，使交流调速到达了目前的最高控制水平。现在各厂商为了适应市场的需求，都在不断完善产品的控
31、制性能和规格容量。其中ABB公司的变频调速产品在控制原理方面涵盖了上面提到的三个类别。有性能最好的DTC控制的，有现在市场大量存在的无传感器磁通矢量控制的，还有恒压频比控制的。他们被分别定义为工业应用级，标准应用级，OEM应用级和一般机械配套级。根据不同的系列，功率可以从0.12KW，大到2.7MW。电压可以从220V三相到4160V三相。其性能几乎可以满足当前工业应用中绝大多数的需求。此外，还有一些国外知名品牌，虽然没有DTC变频器，但矢量控制型变频器应用的范围也是很大的。2 电气传动控制与PLC控制系统的应用2.1 利用PLC控制的自动配料系统基于PLC控制的自动配料系统通过在配料系统中引
32、入数据自动采集、监控以及变频、组态技术，建立以PLC为控制核心的自动配料系统，能够实现对配料成分进行精确计量的同时，为最终产品的生产效率与质量提供了保障。 作为精细化工生产过程中最为重要的工业环节，配料工序的效率直接决定了产品的品质与质量。传统工艺下的配料工序不仅效率低下，且通过人工配料的操作方式精度极其有限，因而严重制约了最终产品的质量。可编程控制器PLC的核心微处理器，通过将计算机技术与传统的继电器控制系统有机结合起来，能够实现高度灵活、高可靠性的工业控制。为了进一步提高设备的自动化程度，越来越多的企业将PLC技术应用于其工厂设备中。通过对原有配料系统的技术改造，引入配料系统的数据自动采集、监控以及变频、组态技术完善并改良自动配料系统机构1。在此根底上，实现了称重、配比、流量控制以及故障检测与报警的自动化，结合友好人机
