电力拖动基础知识

电力拖动基础知识

维修电工技师考证复习之三一、电力拖动和电力拖动系统

1. 电力拖动——用电能来驱动和控制生产机械

拖动——驱动、控制

电力拖动设施由三个部分组成：

1）电动机

2）电动机的控制设备和保护设备

3）电动机与生产机械的传动装置

在电力拖动的运动环节中生产机械对电动机运转的要求：

1）启动.

2）改变运动的速度（调速）

3）改变运动的方向（正反转）

4）制动

电能是现代工业生产的主要能源和动力，

电动机是将电能转换为机械能来拖动生产机械的驱动元件。

电动机与其他原动力（如燃机、蒸汽机等）相比，电动机的控制方法更为简便并可实现遥控和自动控制。

2. 电力拖动系统——用电动机拖动生产机械运动的系统

电力拖动系统主要由：电动机

传动机构

控制设备这三个基本环节组成。

电动机与传动机构以及控制设备三者之间的关系如下图所示：

由于开环的电力拖动系统无反馈装置，只有闭环系统中使用反馈装置，上图中反馈装置及反馈控制方向用虚线表示。图中点划线框为电力拖动系统。

二、电力拖动系统的控制方式

1. 继电——接触器式有触点断续控制

电力拖动的控制方式是由手动控制逐步向自动控制方向发展的。

最初的自动控制是用数量不多的继电器、接触器及简单的保护元件组成的继电——接触器系统，由于继电器、接触器均为有触点的控制电器，所以又称为有触点控制系统。这种控制具有使用的单一性，即一台（套）控制装置只适用于某一固定控制程序的设备，如果控制程序要发生变化，必须重新接线。

而且这种控制的输入、输出信号只有通和断两种状态，所以这种控制是断续的，又称为断续控制。

2. 连续控制

为了使控制系统具有良好的静态特性和动态特性，常采用反馈控制系统。

反馈控制系统由连续控制元件作为反馈装置，它不仅能反映信号的通、断状态，还能反映信号的大小和强弱的变化。

这种由连续控制元件组成的反馈控制系统成为闭环控制系统，又称为连续控制系统。

3. 可编程无触点断续控制

20世纪60年代出现了顺序控制器，它能根据生产的需要灵活的改变程序，使控制系统具有较大的灵活性和通用性。

但是，顺序控制器仍然采用的是硬件手段（有触点），而且体积大，功能也受到了一定的限制。

1968年，美国通用汽车公司（GM）为了适用生产工艺不断更新的需要，希望用电子化的新型控制器代替继电器控制装置，并对新型控制器提出了“编程简单方便、可现场修改程序、维护方便、采用插件式结构、可靠性要高于继电器控制装置”等10项具体要求。

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出了世界上第一台可编程控制器，并成功运用到美国通用汽车公司的生产线上。其后日本、德国等国家相继研制出可编程控制器。

早期的可编程控制器是为了取代继电器控制系统，仅有逻辑运算、顺序控制、计时、计数等功能, 因而称为可编程逻辑控制器（PLC）。

20世纪80年代，随着大规模集成电路和微机技术的发展, 在PLC中采用微处理器, 使可编程逻辑控制器的功能大大加强, 远远超出了逻辑控制、顺序控制的围, 具有计算机功能, 故称为可编程控制器（PC）。

为了与个人计算机PC区别开来, 我们将可编程控制器仍称为PLC。

PLC的存储器的发展过程：

ROM —只读存储器，生产厂家将程序固化到ROM芯片。

RAM —随机读取存储器, 用户可随时修改应用程序，但当芯片的供电电源断电后, 其所存储的信息就会丢失。

CMOS－RAM —加入后备电池（锂电池）以保证这种低功耗的芯片电源断电后能完整保存程序而不丢失。

EPROM —紫外线可擦除、电可改写的只读存储器。

EEPROM —电可擦除、电可改写的只读存储器。

国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器的标准对PLC作了如下定义：

可编程控制器是一种数字运算的电子系统, 专为工业环境应用而设计。它采用可编程的存储器, 用来在部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令, 并通过数字式、模拟式的输入和输出来控制各类机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备都应易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的特点：

1) 可靠性高、抗干扰能力强。

2) 通用性强、容易扩充功能。

3) 指令简单、编程易学、使用方便。

4) 体积小、重量轻、能耗低。

5) 系统的设计、施工和调试周期短，具有在线修改功能，且维护方便。

4. 计算机自动控制

计算机自动控制就是在整个自动控制系统中的比较器和控制器这两个很重要的环节运用计算机来代替，使之成为一个完整的计算机自动控制系统。

计算机自动控制在整个自动控制系统中的位置与关系如下图：

在计算机控制的系统中充分利用了计算机的运算、逻辑判断和记忆功能。在系统中的给定值和反馈量都是二进制数字信号，因而从被控量取样的信号要经过将摸拟量转换为数字量的A/D转换器。

当计算机接收了给定值和反馈量后，运用计算机中微处理器的各种指令，就能将两者的偏差进行运算（如PID运算），再经过将数字信号转换成模拟信号的D/A转换器输出到执行器，便完成了对被控量的控制作用。

如果要改变控制规律，只要改变计算机的程序就可以了，这就是计算机控制的最大优点。

从本质上分析，计算机控制过程可以归纳为三个方面：

1）实时数据采集

对被控量的瞬时值进行检测并即时输入。

2）实时决策

对实时的给定值与被控量的数据进行已确定的控制规律的因素来决定控制过程。

3）实时控制

根据决策适时地对执行器发出控制信号。

所谓实时是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间（采样间隙）完成。

采样—决策—控制这三个过程不断重复，使整个系统能按一定的动态（过渡过程）指标进行工作，而且可对被控量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做作出处理。这就是计算机控制系统最基本的功能。

三、自动控制的基础知识

1. 自动控制系统的基本概念

自动控制系统的功能及其组成是多种多样的，其结构也是有简有繁，它可以是一个具体的工程系统，也可以是一个抽象的社会系统、生态系统、经济系统，我们研究的是工业机电自动控制系统。

控制—通过控制装置使生产设备或生产过程的某些物理量按特定的规律变化。

自动控制—在没有人直接参与的情况下完成的控制称为自动控制，相反，在有人直接参与的情况下完成的控制称为人工控制。

自动控制系统—在没有人直接参与的情况下，能使生产设备或生产过程的某些物理量按特定的规律变化的控制系统。

2. 自动控制理论

自动控制理论是研究自动控制的共同规律的技术科学。自动控制理论的发展过程其初期是以反馈控制理论为基础的自动调节原理。

自动控制理论按其发展过程可分为经典控制理论和现代控制理论。

经典控制理论是20世纪50年代以前的控制理论，它是以反馈理论为基础

的自动调节原理。

经典控制理论是以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出的反馈控制理论，采用的研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。

现代控制理论是60年代随着自动控制技术的发展出现的新的控制理论。

现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度、高性能等各种复杂的控制系统。

目前，现代控制理论正在大系统工程、人工智能控制等方向纵深发展。经典控制理论和现代控制理论，两者相辅相成，各有其应用场所。

3.自动控制技术常用术语

1）被控对象

自动控制系统中需要进行控制的设备或生产过程，自动控制系统中需要进行控制的设备或生产过程，它接受控制量，输出被控量，这个输出的被控量通常是系统最终输出的目标。

2）系统

系统是由一些部件（环节）组成，用以完成一定的任务。

3）环节

环节是系统的某一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。

4）扰动

扰动是一种对系统输出量产生反作用的信号或因素，若扰动产生于系统部，则称为扰；若产生于系统外部，则称为外扰。

5）反馈与反馈系统

将被控对象输出的被控量采样后的信号回送到系统的输入端，并叠加

到输入信号中。反馈分为正反馈和负反馈

由于反馈的存在，使得系统的输出信号单调地朝着某一方向变化，并趋于极限；或者说系统的被控量与给定值之间的偏差不断增大的反馈。这种反馈称为正反馈。这种系统称为正反馈系统。

如果由于反馈的存在，使得系统的输出信号趋向于使被控对象的输出量稳定在期望水平上；或者说输出量与给定值之间的偏差趋于减少，这种反馈称为负反馈。这种系统称为负反馈系统。

6）反馈控制

在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定输入量之间偏差的作用，而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的，反馈控制仅仅是针对无法预料的扰动而设计的，可以预料的或者已知的扰动，可以采用补偿的方法来解决。

4. 自动控制系统的基本组成

一个控制系统由若干个环节组成，每个环节有其特定的功能。一般将自动控制系统的每一个组成部分（环节）用一个方框来表示，环节与环节之间用箭头线相连接，表示信号的传递方向。

自动控制系统的基本组成如下图所示：

反馈环节—对系统的输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。

比较器—将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。

控制器—根据输入的偏差信号，按一定的控制规律产生相应的控制信号。

执行器—将控制信号进行功率放大，并带动执行机构动作。

调节机构—直接改变控制系统的输入量，使被控量恢复到给定量期望值。

被控对象—控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量就是被控量。

被控量—控制对象的某个变量，控制系统的目的通常就是要使该变量与给定值或设定值相符。控制系统也用该变量的名称来称呼。如：温度控制系统、压力控制系统、速度控制系统等。

干扰—被控对象中除了调节量以外，能对被控量具有影响作用的所有变量。也称扰动。

调节量—对被控装置的被控量具有较强的直接影响，而且是便于调节的变量。

偏差—给定值与反馈量之差。

给定值—也称设定值，是与被控量的期望值相对应的，它可以是恒定值，也可以按程序变化。

例题：某贮槽的液位控制系统的反馈控制工作原理

图中：Q1为进入贮槽的液体流量

Q2为流出贮槽的液体流量

控制目的：使贮槽中的液位以一定的精度稳定于某一高度H。

动态过程：

（1）.当外部负荷（负载）改变，即Q2改变时，这时Q1≠Q2，液位将上升或下降。

（2）.液位变送器（差压变送器）将自动检测液位的变化，并把液位高低的变化转换为与之成比例的电气信号（此信号称为测量信号）。

（3）.将测量信号送入控制器，并与控制器中的液位给定值进行比较，得出两者的差值，称为偏差信号。

（4）.控制器根据偏差信号的大小，按某种运算规律计算出控制器应输出的控制信号，并将此信号送入执行器。

（5）.执行器根据信号对调节阀的开度进行调整，使Q1（流入量）发生变化，从而使液位保持在期望值Ho（液位给定值）上，实现了贮槽的液位自动控制。

分析：

（1）以上自动控制系统中，包括了被控对象（贮槽储量）、检测元件（液位变送器）、控制器、执行器、调节器（阀）等五个环节。

（2）当被控对象（贮槽储量）受到扰动时，被控量（液位）就发生变化，检测元件（液位变送器）将变化的值输入控制器与给定值进行比较，产生偏差值。

（3）控制器根据输入的偏差值按一定规律进行计算后，输出控制信号。

（4）输出的控制信号经执行器控制调节器（阀），用调节阀的开度来改变

Q1的流量，使被控量恢复到原有的值Ho。