电力拖动自动化控制控制系统的设计原理及安全防护措施
电力拖动是指以电动机作为原动机拖动机械设备运动的一种拖动方式。又称电机传动。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
一、电力拖动系统自动控制原理
1.电力拖动系统的组成
拖动系统是指以为原动机的机械拖动系统。电动机将电能转换为机械能，并以旋转或直线的工作方式输出能量，带动各种机械负载。
电力拖动系统主要由电动机、传动机构、生产机械、控制设备和等几个部分组成。
在电力拖动系统中，电源主要是向电动机以及控制设备提供电能；电动机的作用是将电能转换为机械能，通过传动机构变速或变换运动方式后，拖动生产机械工作；控制设备由各种控制电路、驱动电路以及控制计箅机等组成，其作用是控制电动机的运行状态，以实现对生产机械运动的自动控制；传动机构是将高速运转的电动机轴与工作较慢的生产机械相连接并使两者能够很好地配合的必不可少的变速机械；生产机械是执行某一生产任务的机械设备，是电动机拖动的对象。
2.电力拖动系统自动控制运行原理及运用
电力拖动是指在电动机作用下驱动机械设备，而电力拖动系统自动控制是指在某技术作用下实现驱动机械设备。就电力拖动系统而言，电动机自身具有多种反馈，比如，速度反馈、频率反馈，其中的控制部分便是电气保护，体现在多个方面，比如，电流保护、短路保护、热保护，启动连锁、安全保护等顺利实现离不开计算机系统。在计算机系统作用下，电力拖动系统自动控制需要经过多个步骤才能顺利实现，比如，编程、逻辑计算，使用者可以将相关仪器、测试系统相互连接，利于进行一系列操作。在不同工艺条件作用下，电力拖动系统的控制要求并不相同，但并没有实质上的区别，在信号输入输出作用下，借助计算机系统，便能实现集中控制，输入计算机系统的信号并不单一，比如，电动机运行信号、热故障信号，而输出信号也体现在多个方面，比如，变频调节信号。简单来说，电力拖动系统自动控制原理就是在电力拖动系统运行中，计算机是其集中控制中心，输入、输出信号基础上，下达或者执行一系列指令，实现自动化控制。
电力拖动控制线路图及原理分析 自动控制原理图
二、电力拖动系统自动控制设计
1.电力拖动系统自动控制设计原则。在设计过程中，设计人员必须根据电力拖动系统特点、功能等，客观分析一系列影响因素，坚持相关设计原则，科学设计电力拖动系统，最大化提高电力拖动系统性能。设计人员要坚持经济简单化原则，对比、分析电力拖动系统设计方案，选出最佳设计方案，确保设计的电力拖动系统具有较好的经济性，系统结构简单化。设计人员要坚持“安全、稳定、可靠”原则，准确把握电器、触头具体数量，采取针对性措施优化设计线路，科学选择系统构件，最大化提高电力拖动系统整体性能。
2.明确设计方案。从某种角度来说，电力拖动系统自动控制设计离不开合理化的设计方案，要具有较好的可行性、正确性。设计人员必须坚持具体问题具体分析的原则，从实际出发，结合各方面情况，运动要求、零部件具体加工精密度等，制定“科学、合理”的设计方案，科学选择电动机，明确传动方式、运行形式等，科学设计电力拖动系统硬软件。同时，设计人员还要多层次优化拖动形式，巧妙利用直流以及集中拖动形式，准确把握应用其中的电动机总数量、各方面参数。
3.科学选择电动机。在确定好设计方案之后，设计人员需要根据具体要求，科学选择应用其中的电动机，比如，类型、结构形式、额定电压。所选择的电动机要符合机械生产具体要求，设计人员要客观分析电动机发热情况、启动能力等，明确电动机功率，进行相关试验校验，明确电动机额定功率、容量。设计人员要综合考虑电动机在机械生产方面的具体要求，明确电动机类型，如果生产机械功率以及调度范围都比较大，则要采用直流电动机，如果想要结构简单化，维护难度和造价较低，则要采用交流电动机。所选择的电动机电压的“等级、频率、相数”要和供电电网电压相同，确保所选择的电动机能够满足各方面条件。
4.电器控制线设计。在设计过程中，设计人员要根据具体生产要求，比如，生产机械要求、电器控制线路要求，准确把握电力拖动系统设计经济性，尽可能选择常见线路，把握好电器数量，科学缩短连接导线长度，最大化减少电力拖动系统中的通电线路，采用适宜的连接方法，科学连接线路，避免出现“短路、电压过高”等问题。同时，设计人员要坚持简单化原则，确保设计的控制结构操作简便，也为日后检修维护电力拖动系统提供有利的保障，科学设计电路控制单元构件，最大化提高电路控制系统整体性能。
5.调节器设计，构建数学模型。在设计中，设计人员要根据电力拖动系统特点，科学设计调节器，即转速调节器、电流调节器，串联的基础上，发挥二者反馈作用，即转速负反馈、电流负反馈。简单来说，转速调节器输出就是电流调节器输入，电流调节器输出的一系列信号受到晶闸管整流器触发装置自动化控制。应用其中的转速以及电流调节器大都采用的是PI 调节器。此外，在设计电力拖动系统中，设计人员需要根据系统各组成部件特征、性能等，构建合理化的数学模型，列出对应的空间方程，进行相关计算，按照相关规定，进行合理化调整，确保设计的电力拖动系统具有较高的精准度，顺利实现自动控制，更好地应用到生产实践中，有效提高生产效益。
三、电力拖动系统安全保护
就电力拖动系统而言，其安全保护大致体现在两个方面，即电气保护、计算机系统保护，计算机系统保护和电气保护紧密相连，属于以此为基点的上层保护。欠压保护、热保护等属于电气保护，而安全链保护、启动联锁保护等属于计算机系统保护。
1.电气保护: ①短路保护、过流保护。在电力拖动系统安全保护方面，短路是指电力拖动系统运行过程中发生短路故障，在电流短路作用下，电力拖动系统部分设备绝缘体温度迅速升高，出现过热现象，严重损坏绝缘体结构，降低了绝缘性能。同时，在较大电流作用下，大电磁脉冲顺利产生，对电力拖动系统设备造成不同程度的影响。过流是指操作人员不规范使用电动机，导致电动机超负荷运行，极易产生过电流，远远超过电动机正常运行情况下的电流，会严重损坏电动机系统设备。针对这种情况，相关人员需要对电力拖动系统进行必要的“短路、过流”保护; ②欠压保护、热保护。欠压是指在电力拖动系统运行中，电源电压无法有效满足运行中电动机具体要求，出现欠压问题，电动机速率不断降低，直到停止运行。在欠压作用下，电力拖动系统电器设备也会受到影响，极易出现故障问题。相关人员可以采用加压方法或者切断电源，动态控制电压数值，避免超出电动机规定范围，有效解决欠压问题，实现欠压保护。此外，由于长时间处于高效运行中，电力拖动系统设备过热问题频繁出现，随着绕组时间不断延长，电动机温度大幅度升高，远远超过规定的额定数值，出现各类问题，无法正常运行。针对这种情况，相关人员要借助电力拖动系统安全保护，即热保护，让多台电动机交替工作，最大化降低过热故障发生率。
2.计算机系统保护: ①运行和启动连锁保护、安全链。一旦计算机接收到相关信号后，电力拖动系统会在模块、程序作用下顺利实现自动控制，进而，实现运行和启动连锁保护。安全链体现在多个方面，比如，油压保护、过流保护，作为串行条件，安全链如果无法满足电力拖动系统某要求，计算机系统便会在自动控制系统作用下，关闭运行中的电动机; ②信息处理安全保护。在处理海量数据信息方面，计算机系统的安全性、可靠性特别高，电力拖动系统硬软件也不例外。一旦电力拖动系统运行中出现问题，计算机系统会第一时间实现自动化操作，停止运行的设备，便于相关人员及时进行合理化处理，避免引发严重的故障问题。
四、教学设备的推荐与介绍
本装置综合了目前我国各类高校所开设的电机学、电机与拖动、控制微电机、继电接触控制、工厂电气控制、可编程控制器技术、电力电子技术、半导体变流技术、电机控制(直流电机调速、交流电机调速及变频调速)、电力拖动自动控制系统及控制理论等课程实验大纲的要求精心研制而成。适用于高等院校现有的电机、电气技术实验设备的更新改造，同时也为中等专业学校、职业技术学院等新建或扩建实验室，迅速开设实验课提供了理想的实验设备。
二 、电力拖动自动化控制实验装置,电力拖动自动化控制实验设备,电力拖动自动化控制实验台装置特点：
1.综合性强：实训装置综合了目前各类院校电机学、电机与拖动、控制微电机、继电接触控制、工厂电气控制、可编程控制器技术、电力电子技术、半导体变流技术、电机控制(直流电机调速、交流电机调速及变频调速)、"电力拖动自动控制系统"及"控制理论"等课程实验项目。
2.适应性强：能满足各类学校相应课程的实验教学，深度和广度可根据需要作灵活调整，普及与提高可根据教学的进程作有机的结合，装置采用积木式结构，更换便捷，如需要扩展功能或开发新实验，只需添加部件即可，永不淘汰。
3.整套性强：从专用电源、电机及其它实验部件到实验连接专用导线配套齐全，配套部件的性能、规格等均密切结合实验的需要进行配套。
4.直观性强：各实验挂件采用分隔结构形式，组件面板示意、图线分明，各挂件任务明确，操作、维护方便。
5.科学性强：装置占地面积少，节约实验用房，减少基建投资；配套的小电机均经特殊设计，可模拟中小型电机的特性和参数；小电机耗电省，节约能源，实验噪声小，整齐美观，改善实验环境；实验内容丰富，设计合理，除了加深理论知识外还可结合实际开设设计性实验。
6.开放性强：控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，并设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，确保操作者的安全；各电源输出均有监示及短路保护等功能，各测量仪表均有可靠的保护功能，使用安全可靠；控制屏还设有定时器兼报警记录仪，为学生实验技能的考核提供一个统一的标准。由于整套装置经过精心设计，加上可靠的元器件质量及可靠的工艺作为保障，产品性能优良，所有这些均为开放性实验室，创造了条件。
7.先进性强：本装置着重从新器件高度来考虑，在保留了晶闸管实验的基础上，加入了新器件的特性、新器件的驱动以及典型的新器件应用的大量现代电力电子技术实验，让学生对新器件有足够的认识和了解，紧跟时代步伐。
三 、电力拖动自动化控制实验装置,电力拖动自动化控制实验设备,电力拖动自动化控制实验台技术性能：
1.DQ01电源控制屏(铁质喷塑结构，铝质面板)
(1) 交流电源：提供三相0～450V可调交流电源，同时可得到单相0～250V可调电源(配有一台三相同轴联动自耦调压器（规格1.5KVA、0～450V），克服了三只单相调压器采用链条结构或齿轮结构组成的许多缺点)。可调交流电源输出处设有过流保护技术，相间、线间过电流及直接短路均能自动保护，克服了调换保险丝带来的麻烦。配有三只指针式交流电压表，通过切换开关指示三相电网电压和三相调压电压。
(2) 高压直流电源两路：提供220V(0.5A)励磁电源及0～250V(3A)连续可调稳压电枢电源(具有过压、过流、过热及短路软截止自动恢复保护功能)各一组，并设有直流数显电压表及切换开关。
(3) 人身安全保护体系：设有三相隔离变压器一组(三相电源经钥匙开关、接触器后，到隔离变压器，再经三相调压器输出)，使输出与电网隔离，对人身安全起到一定的保护作用。
设有电压，电流型漏电保护器，控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。强电连接线及插座，采用全封闭结构，使用安全、可靠、防触电。
(4) 仪表保护体系：设有多只信号插座，与仪表相连，仪表超量程，即能告警并切断电源，对仪表起到良好的保护作用。
(5) 定时器兼报警记录仪（服务管理器）：具有设定时间、到时报警、切断电源及记录各种告警次数等功能。
(6) 控制屏正面大凹槽内，设有两根不锈钢钢管，可挂仪表及实验部件。凹槽底部设有多个小圆形单相三芯220V电源插座，供仪表等部件供电用。控制屏两侧设有三极220V电源插座及三相四极380V电源插座。设有实验台照明用的220V、40W日光灯一盏。
2.DQ02实验桌：实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，形状似长方体封闭式结构，造形美观大方；设有两个大抽屉、柜门，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个万向轮和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室的布局。
3.DQ03-1不锈钢电机导轨、1024光码盘测速系统及智能数显转速表：
包括1024光码盘测速系统及固定电机的不锈钢导轨等。不锈钢导轨平整度好，无应力变形，加工精细，同心度好，互换性好，能保证电机与电机、电机与测功机之间连接的同心度不超过±5丝，电机运行噪声小，实验参数典型，能较好满足实验要求。
4.DQ07直流复励发电机
5.DQ09直流并励电动机
6.DQ10三相鼠笼式异步电动机
7.DQ11三相线绕式异步电动机
8.DQ12线绕式异步电机起动与调速电阻箱
9.DQ19校正直流测功机
10.DQ22直流数字电压、毫安、安培表(三只)
(1) 直流数显电压表一只，采用ICL公司高性能A/D转换器配以高速MPU单元设计尔成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。具有自动与手动量程，测量范围：0-300V。手动量程为：2V、20V、300V。测量精度为0.5级。具有数据存储与查询功能。
(2) 直流数显毫安表一只，采用ICL公司高性能A/D转换器配以高速MPU单元设计尔成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。具有自动与手动量程，测量范围：0-2000mA。手动量程为：20mA、200mA、2000mA。测量精度为0.5级。具有数据存储与查询功能。
(3) 直流数显电流表一只，测量范围0～5A，三位半数显，精度为0.5级，具有超量程报警、指示等功能。
11.DQ25单三相智能型功率、功率因数表：由24位专用DSP、16位高精度AD转换器和高速MPU单元设计尔成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。软件上采用RTOS设计思路，同时配有PC监控软件来加强分析能力。能同时测量两路单相功率P1、P2（两表法测量三相总功率）。功率测量精度为1.0级，功率因数测量范围0.3-1.0，电压电流量程为450V和5A，能自动判别负载性质（感性显示"L"，容性显示"C"，纯电阻不显示），并可存储测量数据，供随时查阅。
12.DQ26三相可调电阻器(三组90Ω×2/1.3A瓷盘电阻)
13.DQ27三相可调电阻器(三组900Ω×2/0.41A瓷盘电阻)
14.DQ29可调电阻器、电容器
提供90Ω×2/1.3A及900Ω×2/0.41A瓷盘电阻各一组，35μF/450V、4μF/450V电力电容各1只，10KΩ/8W、20KΩ/8W功率电阻各一个。
15.DQ31波形测试及开关板
由变压器的波形测试部分和两个三刀双掷开关、一个双刀双掷开关组成。
16.DQ44数/模交流电流表（四只）：由三只数字交流电流表和一只指针式精密交流电流组成。 测量范围0～5A，量程自动判断、自动切换，精度0.5级，四位数码显示。指针式精密交流电流表一只，采用带镜面、双刻度线（红、黑）表头（不同的量程读取相应的刻度线），测量范围0～5A，分0.3A、1A、3A、5A四档，精度1.0级，直键开关切换，设有超量程指示，告警等功能。
17.DQ45数/模交流电压表（四只）
由三只数字交流电压表和一只指针式精密交流电流组成。 测量范围0～450V，量程自动判断、自动切换，精度0.5级，四位数码显示。指针式精密交流电压表一只，采用带镜面、双刻度线（红、黑）表头（不同的量程读取相应的刻度线），测量范围0～500V，分10V、30V、100V、300V，500V五档，精度1.0级，直键开关切换，设有超量程指示、告警等功能。
18.DQ23-1交流真有效值电压表电流表：
(1) 真有效值交流数字电流表，测量范围0～5A。
(2) 真有效值交流数字电压表，测量范围0～500V。
19.DK03晶闸管主电路：:提供12只5A/1000V的晶闸管，每只晶闸管均设有RC吸收和保险丝保护装置，晶闸管可通过外加触发信号进行触发（留有触发脉冲输入接口），可更好的完成设计性实验。设有带镜面精密指针式直流电压表±300V，精度1.0级带镜面直流电流表±2A，精度1.0级各一只和平波电抗器一组。
20.DK04三相晶闸管触发电路：提供三相触发电路、功放电路等，与"DK03"配套使用。
21.DK05晶闸管触发电路实验：提供单结晶体管触发电路、正弦波同步移相触发电路、锯齿波同步移相触发电路、单相交流调压触发电路、TCA785集成触发电路共五个触发电路实验。
22.DK06电机调速控制实验：
提供以下模块：电流反馈与过流保护（FBC+FA）、给定器（G）、转速变换器（FBS）、速度调节器（ASR）、反号器（AR）、电流调节器（ACR）、电压隔离器（TVD）。其中调节器I和调节器II的反馈电阻、电容均外接(从DK10上获得)，实验时可以灵活改变系统的参数，观测不同的参数对系统稳定性及相应时间等影响；更可以让学生从调速系统的各种参数(如电机的机电时间常数等)出发对调节器的放大倍数及积分时间的参数分别设计，同时进行实际结果的验证，从而完成设计性实验。
23.DK06-1电机调速控制电路（II）提供以下模块：零电平检测（DPZ）、转矩极性鉴别（DPT）、逻辑控制（DLC）。
24.DK07直流斩波实验：根据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第四版)中相关的直流斩波内容而设计的；提供组成直流斩波电路所需的元器件和采用专用的PWM控制集成电路SG3525。可完成教材中降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper）、升降压斩波电路（Boost -Buck Chopper）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路六种典型实验。
25.DK08给定及实验器件：提供给定（±15V可调电压输出）、压敏电阻（作为过压保护元件，内部已连成三角形接法）、二极管、24V电源及电感。
26.DK09新器件特性实验：提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，可完成电力电子新器件特性实验。
27.DK10可调电阻、电容箱：提供耐压AC63V的可调电容三组，调节范围为0.1～11.37uF，0～999KΩ十进制可调电阻两组。
28.DK11单相调压与隔离变压器：提供一只0～250V/0.5kVA单相交流自耦调压器，一个单相整流滤波电路，为相应的实验提供可调电源；提供一个三相整流滤波电路，为相应实验提供直流电源。
29.DK12变压器实验：提供三相芯式变压器一个（该变压器有2套副边绕组，原、副边绕组的电压为127V/63.6V/31.8V），用于异步电机串级调速实验和三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验；还设有三相不控整流电路一组。
30.MY06实验连接线及配件:实验连接线：根据不同实验项目的特点，配备两种不同的实验联接线，强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触安全可靠；弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线，两种导线都只能配合相应内孔的插座，这样大大提高了实验的安全及合理性。
五 、电力拖动自动化控制实验装置,电力拖动自动化控制实验设备,电力拖动自动化控制实验台完成的教学项目：
一）直流电机实验：
1.直流电机认识实验；
2.直流发电机实验；
3.直流并励电动机实验；
4.直流电动机转动惯量测试；
二）变压器实验：
1.三相变压器实验；
2.三相变压器的联接组和不对称短路实验；
3.三相三绕组变压器实验
4.三相变压器的并联运行实验；
三）异步电机实验：
1.三相鼠笼异步电动机的工作特性实验
2.三相异步电动机的起动与调速实验；
3.三相鼠笼异步电动机的不对称运行实验；
4.三相鼠笼式异步电动机转子转动惯量的测试实验；
四）电机机械特性实验：
1.直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性实验；
2.三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性实验；
3.三相异步电机M-S曲线的测绘实验；
五）电力电子技术实验
1.单结晶体管触发电路实验；
2.正弦波同步移相触发电路实验；
3.锯齿波同步移相触发电路实验；
4.西门子TCA785集成触发电路实验；
5.KC05集成触发电路实验；
6.KC04三相闸管触发电路实验；
7.单相半波可控整流电路实验；
8.单相桥式半控整流电路实验；
9.单相桥式全控整流及有源逆变电路实验；
10.三相半波可控整流电路实验；
11.三相桥式半控整流电路实验；
12.三相半波有源逆变电路实验；
13.三相桥式全控整流及有源逆变电路实验；
14.单相交流调压电路实验；
15.三相交流调压电路实验；
16.单向晶闸管(SCR)特性实验；
17.可关断晶闸管(GTO)特性实验；
18.功率场效应管(MOSFET)特性实验；
19.电力晶体管(GTR)特性实验；
20.绝缘双极型晶体管(IGBT)特性实验(IGBT)；
21.直流斩波电路的性能研究降压斩波电路(IGBT)；
22.直流斩波电路的性能研究升压斩波电路(IGBT)；
23.直流斩波电路的性能研究升降压斩波电路(IGBT)；
24.直流斩波电路的性能研究Cuｋ斩波电路(IGBT)；
25.直流斩波电路的性能研究Sepic斩波电路(IGBT)；
26.直流斩波电路的性能研究Zeta斩波电路(IGBT)；
六）交直流调速实验：
1.晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验(SCR)；
晶闸管直流调速系统主要单元的
2.调试(SCR)；
3.单闭环不可逆直流调速系统实验(SCR)；
4.双闭环不可逆直流调速系统实验(SCR)；
5.逻辑无环流可逆直流调速系统实验(SCR)；
6.双闭环三相异步电机调压调速系统实验(SCR)；
7.双闭环三相异步电机串极调速系统实验(SCR)。
五、电力拖动系统自动控制结语
总而言之，在经济发展的过程中，电力拖动系统发挥着不可替代的作用。设计人员应准确把握电力拖动系统自动控制原理，坚持相关设计原则，明确设计方案，科学选择电动机，合理设计电器控制线路、调节器等，优化电力拖动系统设计，顺利实现自动控制，实现安全保护，电气保护以及计算机系统保护。以此，最大化降低电力拖动系统故障发生率，有效提高生产效率与质量，提高整体经济效益。
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