电气工程中电力拖动系统自动控制与安全保护研究

张海建

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

电气工程中的电力拖动系统泛指以电动机作为原动机，拖动生产机组运转，完成各项生产任务的系统。按照电动机的供电方式，电力拖动系统可分为直流和交流两种类型。如直流系统可进一步分为可控硅励磁系统及可控硅直接供电系统；交流系统可分为交流双速电动机、交流调压调速系统和变频变压调速系统。相较之下，直流电动机调速机械特性强、范围大，但换向器耗能高，需频繁维护。

1 电气工程中的电力拖动系统自动控制原理解析

电气工程中的电力拖动系统自动控制模式主要分为三大部分：

第一，电动机。时至今日，电能已经成为人类社会不断发展最不可或缺的能源，所有机械设备、电子设备的正常运转完全离不开电动机。电动机的工作原理为，将电能转化为机械能。电动机的构造为，利用通电线圈（定子绕组）产生旋转的磁场，作用于转子（比如常见的鼠笼式闭合铝框），创造出磁电动力旋转扭矩，进而带动齿轮等物体旋转，从而产生机械动能。将此种动能施加于各种类型的机械设备上，带动其转动，即可完成各项生产及生活作业。比如高层建筑中的曳引式电梯，升降的基本原理为：①当乘客进入轿厢，按动前往楼层的按钮后，后台系统会即时接收指令；②由于外接电源，使得系统整体具备充足的动力；当运转指令下达，电动机从静止状态（相对静止，并非完全关机）转变为运行状态，带动控制齿轮旋转；③由电能转化而成的机械能主机带动，通过曳引系统，使牵引轿厢的齿轮、绳索等运转，进而将轿厢移动至乘客希望前往的楼层[1]。

第二，自动控制系统。如果没有自动控制系统，则整个电力及机械系统的运行必须时刻处于人力的动态监督及控制之下，否则，系统将会出现严重的滞后性。比如上文提到的曳引式电梯，如果没有自控系统，则乘客进入电梯后，需通过多种方式向人工后台传递楼层前往信息，后台收到指令后，启动电动机，带动齿轮旋转，带动轿厢移动。但是否能够准确移动至相应的楼层，且并未出现“卡在楼层中间”的事故，仅仅依靠人工监控，难度极大且费时费力。基于此，从轿厢的按钮、后台计算机自动监控程序、发布控制指令（前往哪个楼层，轿厢门、楼层安全门何时开启等）、对系统整体运行情况的不间断监控，均纳入自动控制系统的范畴。

第三，机械设备。研制机械设备的最终目的在于解放体力劳动者，能够极大地提高生产效率。对于电力拖动系统而言，机械设备可以是单一的，也能够以“机组”的形式出现。比如最简单的电力拖动系统——电动自行车的工作原理，其中，蓄电池作为动力来源，与后车轮相连的小型电动机（马达）负责将电池提供的电能转变为机械能，后车轮的机械带动齿轮即为机械设备。当骑车人转动手柄的按钮，即向系统传递启动信号；根据转动的程度，决定供电强度，最终影响自动行车的速度。而上文所述的电梯由多个机械设备组成，缺少任何一项，均可能造成安全隐患[2]。

综上所述，电力拖动系统自动控制模式是一个整体，电动机（实际上还包含外接电源）、自动控制系统、机械设备三者缺一不可。

2 电力拖动系统自动控制设计要点简述

2.1 电力拖动系统自动控制机制的布线原则

上文提到，电力拖动自动控制系统必须具备三大要素，但各项要素之间如何连接，直接决定系统整体的运行质量。实际上，设备之间的连接必须通过线路完成。因此，按照何种方式完成布线，考验技术人员的综合能力。一般而言，布线需遵循如下原则。

第一，有效性原则。顾名思义，线路连接不能随意进行，必须能够实现系统的正常运转。以初中物理课本上的电源、电阻、电灯连接方式为例，无论电阻与电灯之间采用串联还是并联，最终目的均为“使电灯发亮”，如果电灯无法发亮，则表明布线失败。转换为大型电力拖动自控系统，技术人员必须深入了解机组设备（如生产机床等）的性能，特别是各项参数表示的具体情况，完成调试后，还需模拟线路的实际运行情况，确保线路连接完成后，设备可以正常运转。

第二，经济原则。物理课本中的“电阻”显示在明面上，在保证机组设备正常运转的情况下，尽量调低电阻，降低通电过程中产生的损耗，提高电能运用率。但在大型电力拖动自控系统中，电阻存在于各项设备的内部。基于此，通过科学布线，降低安装及运营成本，尽量提高利润空间。

第三，安全性。任何电力系统均需重视短路等风险。如果布线出现错误，比如某条线路的异常搭接将设备或电源置入危险境地，轻则损坏设备，重则引发大型安全事故。因此，行之有效的安全布线原则为：①布线完成后，对每一个电气的触头进行电力检测，确保无任何异常；②每个设备的连接线都必须设置紧急断开装置，在危险状况发生时及时切断电源；③严禁出现一个开关能够同时控制多个设备的布线方式。

2.2 方案设计整体把控

设计电力拖动自动控制系统时，需对方案进行整体把控，重点如下：

（1）方案总体必须具备较强的合理性。首先，机组设备的排布方式、生产加工的零部件需要达到何种精度要求、电动机的运转效率为何、自动控制系统是否能够承受工作强度等，均需设计人员进行系统性的考量；其次，方案初步形成后，应该与一线操作及监控人员沟通，找出方案中需要调整之处，加以改进之后，制定出二稿方案；再次，通过BIM虚拟模型控制软件对电力拖动自动控制系统的运行情况进行模拟监控，确认可行性后，再次进行调整；最后，按照最终方案完成电动机、控制系统、机组设备的安装及连接线路的布设。

（2）设备的选择。①电动机、额定工作电压、结构组成形式、具体类型、是否能够满足机组设备的运行需求、生产效率能够达到何种程度，均需整体考虑。此外，电动机的发热性能是否良好，当生产车间的环境发生多种形式的变化时，电动机能否正常启动或根据需要自动停止，经过一段时间的运行后，是否依然能够维持额定功率等，均为考察的重点。当电动机自身的性能无任何问题后，技术人员还需考虑机组设备更适用直流模式还是交流模式，以此作为电动机最终选择的关键条件。②设备调节器的设置。大型工厂生产车间的电力拖动自动控制系统，其复杂程度远远高于上文提到的曳引式电梯。如转速调节器、电流调节器等，必须按照串联的方式进行连接，目的在于充分发挥转速及电流的负反馈作用。简言之，转速调节器的输出即为电流调节器的输入，二者各自产生的数据信号是否能够紧密衔接且未发生任何差错，对于系统能否稳定运行起着决定性的作用[3]。因此，在安装及投入使用之前，技术人员可通过构建数学模型的方式，完成测评。

2.3 电气设备的安装与调试

电力拖动自动控制系统各项电气设备的安装与调试应注重以下要点。

（1）建立完善的安装与调试工作质量管理机制。安装前的测评工作毕竟具备“虚拟”性质，不能完全代表实际情况。因此，设置科学的预警管理机制，目的在于及时发现安装过程中出现的差错，即刻纠正，避免扩大错误的影响范围。

（2）健全工程分段调试机制。简言之，根据设计方案，完成一部分设备、线路的安装后，即需立刻进行调试。按照传统的经验来看，如果待所有设备均完成安装后进行统一调试，很可能掩盖诸多问题；或是为了解决一些问题，必须拆除部分已经完成安装且无故障的设备。如此一来，前期投入的各项成本（除了资金之外，还包含人力及物力）必然加大。而完成一部分安装后立刻调试，及时发现并改进问题，可有效避免故障堆积。

（3）加强对技术人员的管理质量。过往经验显示，导致电力拖动自动控制系统调适异常的主要原因在于，部分技术人员的技术水平相对不足且缺乏创新意识，无法针对系统整体进行良好的优化控制。因此，加强对人员技术水平的管理，提高专业能力，尽量保证安装及调试的准确性。

3 电力拖动系统的安全保护要点简析

针对电力拖动自动控制系统的安全保护主要集中在下列两个方面。

3.1 电气保护

有关电气设备的保护要点为：短路及过流保护。任何电气设备均应避免出现短路及过流故障。一旦发生短路，导致设备的绝缘体温度迅速升高，过热的温度会严重损坏设备，情况严重时甚至引发爆炸。因此，如上文所述，在布线阶段，需在每一个电器设备的近端连接线路处设置强制断开装置。内中的主要元器件为温度传感器和开关，当出现短路或过流故障，且温度达到危险临界值时，传感器会发布预警，由计算机控制系统下达关闭开关的指令，及时切断该设备的电路，避免故障扩大[4]。

3.2 计算机控制系统保护

有关计算机控制系统的保护要点为：应设置计算机运行和启动的连锁保护安全链。采用此种方式的目的在于：当计算机控制端接收到相关的信号时，电力拖动系统会在预设程序下（比如运用基于PLC的可编程逻辑控制装置），实现自动控制，防止异常指令导致系统整体运行偏离正常运转轨道[5]。

4 结语

电力拖动系统主要由电动机和自动控制装置作为原动力和控制指令发布来源，带动各项电力机械设备运转，完成相应的生产、生活任务。采用“电力拖动”不仅可以将劳动者从繁重的体力劳动中解放出来，还无需时刻关注更加复杂的电力信息变化情况，只需借助计算机控制端，按照预先编制成功的控制程序，实现对整个系统的自动化控制。如此，可同时改善设备的控制性能，提高生产效率。