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我們說到“電機(jī)控制”指的是什么?

內(nèi)容簡介:由于電力電子技術(shù)的進(jìn)步而開拓的領(lǐng)域。電力電子器件的發(fā)展使得電機(jī)電源的控制非常容易,進(jìn)而促進(jìn)了電機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展。控制不再是單一的調(diào)速,其主要被控量是轉(zhuǎn)矩。
      當(dāng)我們說到電機(jī)控制的時(shí)到底指的是什么呢?今天在這里和大家探討一下。

      以異步電機(jī)來說,比如給你一個(gè)三相異步電機(jī),我們能如何控制它呢?要想控制它按照你的要求工作,我們需要學(xué)習(xí)和掌握哪些知識(shí)呢?
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第一步:“動(dòng)起來”——啟動(dòng)

      相信大家的第一感覺都一樣,甭管后續(xù)怎么控制,先讓它轉(zhuǎn)起來再說。那要想讓他轉(zhuǎn)起來,該怎么做呢?

      想到咱們電氣工程專業(yè)有本“天書”叫做《電機(jī)學(xué)》。(http://vdisk.weibo.com/s/djwq4HeGfFzEJ),那里頭講過三相異步電機(jī)的知識(shí)。首要任務(wù)是接線問題,你要確定是用星形接法還是三角形接法。
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上圖中的U1,V1,W1表示三相電源接線端。

      至于說兩種解法選哪個(gè),請考:http://www.ad.siemens.com.cn/service/answer/solution.aspx?Q_ID=74681&cid=1157

      假設(shè)我們這里選用了星型接法,然后你就需要把三相電源線依次接到你的電機(jī)接線盒的三個(gè)接線端子上。為了安全和容易操作(防觸電),我們在三相電源線和電機(jī)之間接上一個(gè)空氣開關(guān),這里的開關(guān)具體型號(hào)需要根據(jù)你的電機(jī)參數(shù)(電壓,功率)來定。接好線后,當(dāng)你把空氣開關(guān)由OFF打到ON的時(shí)候,電機(jī)此時(shí)就轉(zhuǎn)了起來。


第二步:“正反轉(zhuǎn)”——換向

      OK,電機(jī)雖然轉(zhuǎn)了起來,但此時(shí)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都是隨機(jī)的,當(dāng)你把三相電源線接好以后,電機(jī)的轉(zhuǎn)向也就確定了。但是就電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向這個(gè)參數(shù)來說,我們此時(shí)并沒有沒有控制到。那我們就要想辦法讓它按照你的要求方向轉(zhuǎn)!

還是回到《電機(jī)學(xué)》課本,我們知道:

      三相交流異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向就是改變電機(jī)繞組的相序。具體的方法是:
      1.把電源或者總空開處的三根電源線A、B、C中的任意兩根對(duì)調(diào)。例如:A與B對(duì)調(diào);或者A與C對(duì)調(diào)或者B與C對(duì)調(diào)。
      2.還可以在主回路的熱繼電器出線端(或者啟動(dòng)柜端子排上),把進(jìn)電機(jī)的三根線中的兩根對(duì)調(diào)。
      3.還可以在電機(jī)接線盒中把三根線中的兩根對(duì)調(diào)。
以上介紹的方法,你可以選擇一種最方便的來改動(dòng)。
      好的,按照第三條的方法,我們驗(yàn)證一下,將電機(jī)接線盒的三個(gè)接線端任意兩個(gè)換一下試試效果,方法有效,可以改變方向。但是,這樣的操作方式是一個(gè)手工操作的笨辦法,工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中不可能讓你停下來去改接線,那就要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
      好了,有了這個(gè)目標(biāo),加上我們知道改變轉(zhuǎn)向就是改變電機(jī)繞組的相序。那我們就用控制器來實(shí)現(xiàn)。我們電氣專業(yè)還有一門可編程邏輯器件或者說類似的課程,就教過用PLC如何控制電機(jī)。其實(shí)現(xiàn)在大多數(shù)工廠里控制電機(jī)主要也是用PLC控制,因?yàn)镻LC皮實(shí),扛揍。那我們就用它來實(shí)現(xiàn),控制原理圖如下:
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      基本原理就是換相序,當(dāng)KM1常開觸點(diǎn)閉合的時(shí)候,電機(jī)的繞組相序是:A,B,C。當(dāng)KM2常開觸點(diǎn)的時(shí)候,電機(jī)的繞組相序是:C,B,A。然后在PLC的編程軟件里寫上兩三條語句就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)自動(dòng)控制,也就不用人為去改接線了。

第三步:“快轉(zhuǎn)or慢轉(zhuǎn)?”——調(diào)速

      解決了前面兩步,接下來就要解決電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢的問題,也就是電機(jī)的調(diào)速問題。由《電機(jī)學(xué)》我們知道,三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n_{s}=\frac{60f}{p} ,p是電機(jī)極對(duì)數(shù)。50Hz電源下,4極電機(jī)應(yīng)該是1500轉(zhuǎn),2極電機(jī)是3000轉(zhuǎn)。由于異步電機(jī)有轉(zhuǎn)差率,電機(jī)實(shí)際速度都是小于同步轉(zhuǎn)速的,如下圖:
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      三相異步電機(jī)調(diào)速方法有很多,各自也有各自的適用場合和優(yōu)缺點(diǎn)。
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      現(xiàn)在用的最多的是交直交變頻調(diào)速。什么是交直交變頻調(diào)速呢?這就得說到另一門課程《電力電子技術(shù)》了。

      交流電轉(zhuǎn)成直流電叫做整流,直流電變成交流電叫逆變,一般常用電壓源型交直交變頻器。交直交變頻原理何在呢?
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      總之就是根據(jù)上面那個(gè)公式而來,至于這個(gè)式子怎么來的可能你還需要復(fù)習(xí)一下《電路原理》。至于說電機(jī)在額定頻率以下恒轉(zhuǎn)矩控制,額定頻率以上恒功率控制等等這些也都是老生常談的問題了,這里我也不多說了。目前市面上賣的三相交流電機(jī)的變頻器也很多,調(diào)速已經(jīng)不是問題。?

第四步: 調(diào)速進(jìn)階——大新聞

      人的欲望是無限的,電機(jī)控制行業(yè)也是。變頻交流調(diào)速雖然一定程度上實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)無級(jí)高效的調(diào)速,但是我們這些個(gè)同行是不滿足的。一想到看看別人家的孩子怎么怎么樣好,當(dāng)然這里別人家的孩子指的是直流電機(jī)。就覺得不行,我們要追(模)趕(仿)它們,我們要超越他們!

      我們要用高大上的自動(dòng)控制理論!我們要用單片機(jī),要用DSP!我們要用傳感器!我們要仿真!我們要整流和逆變!我們要上天。。。。。!

      就這樣,時(shí)間悄然來到了1973年,“異步派”的代表人物德國的F.Blaschke搞了個(gè)大新聞。提出了矢量變換控制(西門子)。他參照直流電機(jī)中勵(lì)磁磁場(磁化電流)、電樞磁場(電樞電流)空間相互垂直、沒有耦合、可分別控制的原理,將之遷移到異步電機(jī)上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)(瞬時(shí))控制機(jī)理,完成了一次逆襲。從此異步電機(jī)的地位蒸蒸日上,直流電機(jī)岌岌可危。

      就這樣矢量控制實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)的解耦控制,獲得了如同直流機(jī)的良好靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速性能,開創(chuàng)了交流電機(jī)高性能控制的新時(shí)代。大家歡欣雀躍。

      時(shí)間匆匆流逝,在西門子靠著矢量控制統(tǒng)治的這十幾年里,別的一些電氣巨頭們也都默默的憋著一口氣。終于在1985年又是德國人Depenbrock搞了第二個(gè)大新聞。提出了直接轉(zhuǎn)矩控制(被ABB買去專利)。也不知道廣大記者同志們當(dāng)時(shí)有沒有跟上。。。

      他將電機(jī)與逆變器作為整體考慮,采用電壓空間矢量方法在定子坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和控制,通過電壓空間矢量PWM逆變器的開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)磁鏈自控制和轉(zhuǎn)矩自控制,獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。無需進(jìn)行定子電流解耦的復(fù)雜坐標(biāo)變換,直接采用電壓矢量控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩,控制系統(tǒng)簡單。

      隨話說得好,一山容不得二虎,兩家的矛盾打開始就產(chǎn)生了,你看:

      你矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場定向,那我就基于定子磁場定向;

      你矢量控制用坐標(biāo)變換,那我就不用那些玩意。

      你矢量控制用連續(xù)PI控制器,那我就用離散滯環(huán)控制器;

      你矢量控制用。。。。。,那我就用。。。。

      從此西門子和ABB在變頻器這塊算是杠上了。

      直到今天。。。。。。


總結(jié):

      至此,可以說異步電機(jī)的控制大廈基本完成,后來者主要開始著眼于:

      以前測速要傳感器,現(xiàn)在不要傳感器!

      以前推導(dǎo)公式用模型,現(xiàn)在不要模型!

      以前控制用PID,現(xiàn)在控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模糊控制。。。。。等等


      歷史浪花一朵朵,而我們的電機(jī)控制也走過了從古典控制到現(xiàn)代控制的百年歷程。最后用首歌詞做結(jié)尾:

      暗淡了刀光劍影;遠(yuǎn)去了鼓角錚鳴;眼前飛揚(yáng)著一個(gè)個(gè)鮮活的面容;

      湮沒了黃塵古道;荒蕪了烽火邊城;歲月啊你帶不走那一串串熟悉的姓名;

      歷史的天空閃爍幾顆星;

      人間一股英雄氣在馳騁縱橫;  《歷史的天空》——毛阿敏

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