電氣工程中電力拖動系統自動控制與安全保護研究

張海建

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

電氣工程中的電力拖動系統泛指以電動機作為原動機，拖動生產機組運轉，完成各項生產任務的系統。按照電動機的供電方式，電力拖動系統可分為直流和交流兩種類型。如直流系統可進一步分為可控硅勵磁系統及可控硅直接供電系統；交流系統可分為交流雙速電動機、交流調壓調速系統和變頻變壓調速系統。相較之下，直流電動機調速機械特性強、范圍大，但換向器耗能高，需頻繁維護。

1 電氣工程中的電力拖動系統自動控制原理解析

電氣工程中的電力拖動系統自動控制模式主要分為三大部分：

第一，電動機。時至今日，電能已經成為人類社會不斷發展最不可或缺的能源，所有機械設備、電子設備的正常運轉完全離不開電動機。電動機的工作原理為，將電能轉化為機械能。電動機的構造為，利用通電線圈（定子繞組）產生旋轉的磁場，作用于轉子（比如常見的鼠籠式閉合鋁框），創造出磁電動力旋轉扭矩，進而帶動齒輪等物體旋轉，從而產生機械動能。將此種動能施加于各種類型的機械設備上，帶動其轉動，即可完成各項生產及生活作業。比如高層建筑中的曳引式電梯，升降的基本原理為：①當乘客進入轎廂，按動前往樓層的按鈕后，后臺系統會即時接收指令；②由于外接電源，使得系統整體具備充足的動力；當運轉指令下達，電動機從靜止狀態（相對靜止，并非完全關機）轉變為運行狀態，帶動控制齒輪旋轉；③由電能轉化而成的機械能主機帶動，通過曳引系統，使牽引轎廂的齒輪、繩索等運轉，進而將轎廂移動至乘客希望前往的樓層[1]。

第二，自動控制系統。如果沒有自動控制系統，則整個電力及機械系統的運行必須時刻處于人力的動態監督及控制之下，否則，系統將會出現嚴重的滯后性。比如上文提到的曳引式電梯，如果沒有自控系統，則乘客進入電梯后，需通過多種方式向人工后臺傳遞樓層前往信息，后臺收到指令后，啟動電動機，帶動齒輪旋轉，帶動轎廂移動。但是否能夠準確移動至相應的樓層，且并未出現“卡在樓層中間”的事故，僅僅依靠人工監控，難度極大且費時費力。基于此，從轎廂的按鈕、后臺計算機自動監控程序、發布控制指令（前往哪個樓層，轎廂門、樓層安全門何時開啟等）、對系統整體運行情況的不間斷監控，均納入自動控制系統的范疇。

第三，機械設備。研制機械設備的最終目的在于解放體力勞動者，能夠極大地提高生產效率。對于電力拖動系統而言，機械設備可以是單一的，也能夠以“機組”的形式出現。比如最簡單的電力拖動系統——電動自行車的工作原理，其中，蓄電池作為動力來源，與后車輪相連的小型電動機（馬達）負責將電池提供的電能轉變為機械能，后車輪的機械帶動齒輪即為機械設備。當騎車人轉動手柄的按鈕，即向系統傳遞啟動信號；根據轉動的程度，決定供電強度，最終影響自動行車的速度。而上文所述的電梯由多個機械設備組成，缺少任何一項，均可能造成安全隱患[2]。

綜上所述，電力拖動系統自動控制模式是一個整體，電動機（實際上還包含外接電源）、自動控制系統、機械設備三者缺一不可。

2 電力拖動系統自動控制設計要點簡述

2.1 電力拖動系統自動控制機制的布線原則

上文提到，電力拖動自動控制系統必須具備三大要素，但各項要素之間如何連接，直接決定系統整體的運行質量。實際上，設備之間的連接必須通過線路完成。因此，按照何種方式完成布線，考驗技術人員的綜合能力。一般而言，布線需遵循如下原則。

第一，有效性原則。顧名思義，線路連接不能隨意進行，必須能夠實現系統的正常運轉。以初中物理課本上的電源、電阻、電燈連接方式為例，無論電阻與電燈之間采用串聯還是并聯，最終目的均為“使電燈發亮”，如果電燈無法發亮，則表明布線失敗。轉換為大型電力拖動自控系統，技術人員必須深入了解機組設備（如生產機床等）的性能，特別是各項參數表示的具體情況，完成調試后，還需模擬線路的實際運行情況，確保線路連接完成后，設備可以正常運轉。

第二，經濟原則。物理課本中的“電阻”顯示在明面上，在保證機組設備正常運轉的情況下，盡量調低電阻，降低通電過程中產生的損耗，提高電能運用率。但在大型電力拖動自控系統中，電阻存在于各項設備的內部。基于此，通過科學布線，降低安裝及運營成本，盡量提高利潤空間。

第三，安全性。任何電力系統均需重視短路等風險。如果布線出現錯誤，比如某條線路的異常搭接將設備或電源置入危險境地，輕則損壞設備，重則引發大型安全事故。因此，行之有效的安全布線原則為：①布線完成后，對每一個電氣的觸頭進行電力檢測，確保無任何異常；②每個設備的連接線都必須設置緊急斷開裝置，在危險狀況發生時及時切斷電源；③嚴禁出現一個開關能夠同時控制多個設備的布線方式。

2.2 方案設計整體把控

設計電力拖動自動控制系統時，需對方案進行整體把控，重點如下：

（1）方案總體必須具備較強的合理性。首先，機組設備的排布方式、生產加工的零部件需要達到何種精度要求、電動機的運轉效率為何、自動控制系統是否能夠承受工作強度等，均需設計人員進行系統性的考量；其次，方案初步形成后，應該與一線操作及監控人員溝通，找出方案中需要調整之處，加以改進之后，制定出二稿方案；再次，通過BIM虛擬模型控制軟件對電力拖動自動控制系統的運行情況進行模擬監控，確認可行性后，再次進行調整；最后，按照最終方案完成電動機、控制系統、機組設備的安裝及連接線路的布設。

（2）設備的選擇。①電動機、額定工作電壓、結構組成形式、具體類型、是否能夠滿足機組設備的運行需求、生產效率能夠達到何種程度，均需整體考慮。此外，電動機的發熱性能是否良好，當生產車間的環境發生多種形式的變化時，電動機能否正常啟動或根據需要自動停止，經過一段時間的運行后，是否依然能夠維持額定功率等，均為考察的重點。當電動機自身的性能無任何問題后，技術人員還需考慮機組設備更適用直流模式還是交流模式，以此作為電動機最終選擇的關鍵條件。②設備調節器的設置。大型工廠生產車間的電力拖動自動控制系統，其復雜程度遠遠高于上文提到的曳引式電梯。如轉速調節器、電流調節器等，必須按照串聯的方式進行連接，目的在于充分發揮轉速及電流的負反饋作用。簡言之，轉速調節器的輸出即為電流調節器的輸入，二者各自產生的數據信號是否能夠緊密銜接且未發生任何差錯，對于系統能否穩定運行起著決定性的作用[3]。因此，在安裝及投入使用之前，技術人員可通過構建數學模型的方式，完成測評。

2.3 電氣設備的安裝與調試

電力拖動自動控制系統各項電氣設備的安裝與調試應注重以下要點。

（1）建立完善的安裝與調試工作質量管理機制。安裝前的測評工作畢竟具備“虛擬”性質，不能完全代表實際情況。因此，設置科學的預警管理機制，目的在于及時發現安裝過程中出現的差錯，即刻糾正，避免擴大錯誤的影響范圍。

（2）健全工程分段調試機制。簡言之，根據設計方案，完成一部分設備、線路的安裝后，即需立刻進行調試。按照傳統的經驗來看，如果待所有設備均完成安裝后進行統一調試，很可能掩蓋諸多問題；或是為了解決一些問題，必須拆除部分已經完成安裝且無故障的設備。如此一來，前期投入的各項成本（除了資金之外，還包含人力及物力）必然加大。而完成一部分安裝后立刻調試，及時發現并改進問題，可有效避免故障堆積。

（3）加強對技術人員的管理質量。過往經驗顯示，導致電力拖動自動控制系統調適異常的主要原因在于，部分技術人員的技術水平相對不足且缺乏創新意識，無法針對系統整體進行良好的優化控制。因此，加強對人員技術水平的管理，提高專業能力，盡量保證安裝及調試的準確性。

3 電力拖動系統的安全保護要點簡析

針對電力拖動自動控制系統的安全保護主要集中在下列兩個方面。

3.1 電氣保護

有關電氣設備的保護要點為：短路及過流保護。任何電氣設備均應避免出現短路及過流故障。一旦發生短路，導致設備的絕緣體溫度迅速升高，過熱的溫度會嚴重損壞設備，情況嚴重時甚至引發爆炸。因此，如上文所述，在布線階段，需在每一個電器設備的近端連接線路處設置強制斷開裝置。內中的主要元器件為溫度傳感器和開關，當出現短路或過流故障，且溫度達到危險臨界值時，傳感器會發布預警，由計算機控制系統下達關閉開關的指令，及時切斷該設備的電路，避免故障擴大[4]。

3.2 計算機控制系統保護

有關計算機控制系統的保護要點為：應設置計算機運行和啟動的連鎖保護安全鏈。采用此種方式的目的在于：當計算機控制端接收到相關的信號時，電力拖動系統會在預設程序下（比如運用基于PLC的可編程邏輯控制裝置），實現自動控制，防止異常指令導致系統整體運行偏離正常運轉軌道[5]。

4 結語

電力拖動系統主要由電動機和自動控制裝置作為原動力和控制指令發布來源，帶動各項電力機械設備運轉，完成相應的生產、生活任務。采用“電力拖動”不僅可以將勞動者從繁重的體力勞動中解放出來，還無需時刻關注更加復雜的電力信息變化情況，只需借助計算機控制端，按照預先編制成功的控制程序，實現對整個系統的自動化控制。如此，可同時改善設備的控制性能，提高生產效率。