機電一體化中電機控制與保護的相關思考

上海船舶研究設計院 潘俊宇

隨著國家科學技術水平的日益發展，機電一體化科學技術的水平將會得到進一步的提升，而發電機則作為國家制造業現代化工程中的關鍵角色起著非常重要的作用，對于機電一體化中的電動機控制與維護技術也因此變得特別關鍵，而電機的高效運轉同時也是目前電器產業發展的趨勢。

1 機電一體化的發展狀況

在整個機電一體化系統中，除上述各項關鍵技術，另外一項非常關鍵的技術方面便是生產機電一體化產品。DSP 是機電一體化中的一個設備，可以借助與機電一體化完全融合的各類高新技術，對機電一體化中的電機產品發揮著保護監控的功能。因此。機電一體化主要包括“科技”和“生產”兩方面。而且值得一提的是，機電一體科學技術并非指微電子科學技術、機器科學技術和其他新科學技術的單純結合，而是建立將這些群體科學技術有機融合的一門綜合科學技術。也正是由于有了這些綜合科學技術為保證，才可以使機電設備對整個電器控制系統具有很好地保護與控制能力。機電一體化的發展可以分為三個階段。

第一階段是在20世紀60時代之前。這時的電氣科學技術的進展還不能到達相當的水準，機器科學技術和電氣技術之間的融合也還沒有普遍和深度的進展。不過，在這一時期已經開始運用電子科學技術的初步研究成果，來進一步完善機器生產的性能，為機電合一的發展趨勢奠定了前提。

第二階段則是在20世紀70～80年間，成為經濟蓬勃發展階段。之所以取得了如此快速的進展，主要是因為電子計算機等先進科學技術為機電一體化的蓬勃發展創造了重要科技物質，而大規模、超大規模集成電路以及微型計算機系統的迅猛發展，為機電一體化的蓬勃發展創造了充分的科技物質。

第三階段則是在20世紀90年代后期，在這個時候機電一體化科技也開始向高度自動化方面發展，也可以說機電一體化已經進入了深入發展時期，并且機電一體化開始逐步形成了完善的技術基礎，并且也逐步建立了完善的科學系統[1]。

2 電動機的控制系統和保護裝置所存在的問題

對現階段的電動機的控制與保護裝置而言，還存在著不少的問題，并不能從根源上進行有效途徑的解決，比如：在井下電動機的控制與保護裝置中，鼠籠式的同步電動機在失效率方面也相對較多，所占用電動機裝置的整體失效率50%以上。所以，就井下電動機的控制系統而言，有一套安全可靠的防護和監控設備是保證井下安全作業的首要原因所在。

常見的電器防護和監控設備，在基本原理上都是電氣基本原理和電熱基本原理，比如：使用熔斷器來實現對電源短路的防護，甚至是使用熱繼電器來實現對超載電壓的防護等，而其中所使用的基本原理也都源自于典型的技術。

隨著工業現代化技術的進展，發電機在設計和生產技術上也取得了極大程度的提高，電動機的輸出功率與傳遞扭矩愈來愈大，但是質量和容積卻愈來愈小；在智能化的水平上更是進一步的完善和提升，由于電動機在工作狀態方面也同樣有了一些改變，包括在制動和起步等方面的工作頻率都比較高，因此其工作負載在變化上也就成為較為普遍的一個現象，對電動機在控制方面也產生了一定意義上的消極影響。

電動機的監控和維護技術的重要核心，首先，必須是電動機設計時需要考慮的后期維護以及管理等問題，無論工程設計還是管理、維護，都必須實現統一。

其次，必須提高自身的保護裝置具有個性化和全面化的特性，對數據的管理能力要有相應程度的提高。

最后，還必須完善對其檢測的具體手段，而這點從具體的操作過程當中也可以做出相應改變。因此唯有進行全數字的處理系統，才能夠實現這樣的測試效果，而針對發電機的控制系統和保護裝置，實現數字化模式也是未來的趨勢。

3 在機電一體化中的電器控制和維護

電器控制系統和維護針對的是機電相關設備的控制系統，作為機電事業發展有力的后盾和不可忽視的一部分，它的發展與使用既是國家現代發展的必然要求，也是世界各國政府大力提倡和推廣的一種舉措。它節約能源的優勢，使它在全國經濟各項事業中均能發揮重要作用。作為國民經濟發展中必須考慮也必須重視的重要環節，它的倡導與規劃必須符合國情與人民需求，它也是我國事業現代化的一個重大推動方面。

3.1 電機閥位及速度控制

實現電氣運行部門的閥位與轉速的控制，系統所必須克服的重要性問題大致有五方面，依次為閥門柔性開關的限制、閥位的極限位移的確定、電氣保護的實施、精確位置和輸出信息的隔離。針對機電一體化中電動機閥門位置與轉速的限制，微處理器通過所測得的變頻器輸出電壓與電流，并通過運算確定輸出扭矩，而一旦輸出扭矩達到或超過規定的最大扭矩，那么系統就會自動減小運轉轉速。在傳統電器的執行機構中，對閥位的極限位移的測量通常是利用機械式限位開關獲得的。電動執行機構極限位移通過測量后定位信息的增量獲得，當單片機把這次測量的位移信息和上次測量的信息相對進行比較后，如未發生或變化較小，則將會自動電機的供電電源。

發動機的運動控制與加速度的高低、持續時間長度、當前方位、速度的給定方式和運動速率相關。在機電一體化中發電機系統使用的是雙循環控制方法，外圈為定位環、內環為轉速循環。外圈是利用當前位置轉速的設置，將當前轉速給定發生器向內環輸出轉速的設定值。內環則是把當前轉速和速度給定與發生器的設計轉速加以對比，再通過轉速調節器改變PWM 波發生器載波頻率，以完成發電機的速度調整。

3.2 機電一體化中電機的運行維護

機器制造業的蓬勃發展對電動機運行保護能力不斷提出了新的需求，而現代科技技術的飛速發展，也為電動機維護能力的進一步增強創造了新的發展空間。但是再高級的技術也必須通過人的操作，所以進行電機的操作維修，才是實現電機的機電一體化技術優越性發揮的關鍵前提。在這里可以把電動機的保養包括為三方面，一個是在電動機工作前的準備、一個是在電動機工作中的監管，還一種是對電動機的日常維護。

在電機起動之前必須檢測電源中是否有電，并觀察啟輝器電流是否正常、熔管尺寸是否正確，以檢測傳動電動機轉子和負荷機器的轉軸、電機和起動電器機殼上有無接地、負荷機器上有無妥善地做好了起動準備。接上開關電源后，在開機時應小心檢查發電機、傳動設備、負荷機器等的工作狀況，一旦發現異常應立即斷開供電。對電機工作中的監視人員，應隨時關注電動機的電壓和電流，關注電機的震動、聲音和氣體，并注重對傳動裝置的檢測，才能盡早發現問題，從而減輕或防止故障的出現。而對電動機的保護，除工作過程中注意監測與保護之外，還應該進行定期檢查。

3.3 電機保護控制裝置發展趨勢

電機控制安全保護工作急需尋求新的重大突破。因此隨著電機保護控制系統基礎理論研究與新技術的進展，必須采用模擬運算與故障模型，并引進了突破矢量、相位量、諧波矢量、電阻量、序矢量等幾種對電機故障狀態最靈敏的測試量進行統計分析，并作出了相關評估與分析，將上述工作量提前做好的話，不僅能夠大幅度提高保護控制系統裝置的準確度與靈敏程度，還能夠為今后的基礎理論研究工作提供重要依據，并為今后的技術突破及發展提供理論基礎。而新技術的應用和研究（包括現場檢測防護控制系統設備的運用等），就是發展計算機控制系統與安全保護器的一項重點方面。

運用最新的科學技術產物（包括高頻電磁波信號、定位、震動、紅外線、機械、電、熱、光、聲等）技術和理論，對發電機的正常工作狀態進行了現場檢測，然后再通過對各種設備所輸出的信號利用電子計算機做出診斷，并將反射的數據加以分析，再經過科學的分類和比對判斷故障狀態發生種類和嚴重程度，最后再實施相應的補救措施等，這不但可以完成上述各種發電機防護控制系統功能，更關鍵的還是可以在出現故障狀態前后產生警示，從而達到及時避免出現故障狀態的產生，防患于未然。

4 電機保護控制系統的裝置未來前途及其發展

就現在來說，電機的控制系統、保護裝置都急需尋求一種新的技術突破。隨著對電動機保護這一重要控制基礎理論的深入研究，以及最新科學技術的進一步發展，通過運用故障模型和仿真計算，合理地引入了相位分量、突破量、阻抗分量、諧波分量、序分量等多種多樣的電動機故障類型的靈敏度量來完成對具體數據的分類，以及進行相關的評估以及數據分析，將所有這樣的工作量都提前做好，既可以在一定程度維持和提升電動機等設備的靈敏度和精度，還能對以后在理論研發方面提出相應的依據，對以后突破性的技術發展提出了一些直接的理論基礎。

新技術的研究和運用，對電動機的控制系統和維護設備而言，更是一項很關鍵的技術側重心。如：實現監控性保護、監控在設備上的具體應用。利用這種高新技術產品和理論知識，針對發電機的具體運動來實時檢測，并通過與其不同的設備實現對信號的傳遞和判斷，將那些從反射而回的有關數據進行系統的分析，再運用科學的比較和大數據分析來判斷故障的嚴重程度及其類型，最后再根據提示信息作出采取相應措施的補救。采用這種的方法，不只可以實現發電機的監控和防護功能貫穿在現實當中，而且對于發生故障之前更能夠產生相應的警示，進而達到了及早發現故障，并真正達到防患于未然的目的。

電動機的保護和控制設備也同時具有相當重要的發展空間，通過積極的配套，生產出廠了一些電動機保護、控制系統方面的設備，并按照我國制造的有關規范，通過不斷的試驗實現了產品質量和等級的提升，進一步發展適用于一個國家特色的、關于機電一體化之中電動機的控制系統和保護方面的設備，可以在一定程度上推動中國電氣事業的穩定發展。

對一些國家來說，將電動機的控制系統、維護設備等與電動機來配合生產是一個司空見慣的現狀，而且都是在不斷地被使用著，而在中國卻是逐一制造，這對制造商而言也是一個巨大成本的浪費。根據這樣的狀況和實際發展需要，必須堅持國內外先進經驗的引導，推動中國機電一體化的電源控制系統和環境保護的相關發展。

由于機械行業對現代化計算機技術和互聯網信息技術的廣泛應用，再加上現代電力電子等科學技術的高速發展，使得當前機電一體化技術的廣泛應用達到了良好的成效。但在機電控制與保護領域中尚存在的不少問題仍亟需克服。因此，為推動中國機電一體化事業的發展，并降低電氣控制系統和保護故障的出現，要將其中的重大故障問題予以關注，并進一步研究補救措施加以解決。

5 結語

在機電一體化科學技術創新和經濟蓬勃發展的大歷史背景下，對電動機的管理和維護主要是通過專門的電力電子裝置，其主要目的就是為了保證電動機正常運行的節電性、安全性和高效率。但在電動機控制與保護領域中，因為受不同科技、人力、外部等各種因素的影響與制約，尚存在著許多實際問題不能克服。所以，在今后的機電一體化科學技術研究和實踐應用中，還需要進一步針對電動機控制與保護方面的有關問題展開更廣泛的研究，同時對其發展作出更科學合理的預測。