電力拖動自動化控制控制系統的設計原理及安全防護措施
電力拖動是指以電動機作為原動機拖動機械設備運動的一種拖動方式。又稱電機傳動。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。
一、電力拖動系統自動控制原理
1.電力拖動系統的組成
拖動系統是指以為原動機的機械拖動系統。電動機將電能轉換為機械能，并以旋轉或直線的工作方式輸出能量，帶動各種機械負載。
電力拖動系統主要由電動機、傳動機構、生產機械、控制設備和等幾個部分組成。
在電力拖動系統中，電源主要是向電動機以及控制設備提供電能；電動機的作用是將電能轉換為機械能，通過傳動機構變速或變換運動方式后，拖動生產機械工作；控制設備由各種控制電路、驅動電路以及控制計箅機等組成，其作用是控制電動機的運行狀態，以實現對生產機械運動的自動控制；傳動機構是將高速運轉的電動機軸與工作較慢的生產機械相連接并使兩者能夠很好地配合的必不可少的變速機械；生產機械是執行某一生產任務的機械設備，是電動機拖動的對象。
2.電力拖動系統自動控制運行原理及運用
電力拖動是指在電動機作用下驅動機械設備，而電力拖動系統自動控制是指在某技術作用下實現驅動機械設備。就電力拖動系統而言，電動機自身具有多種反饋，比如，速度反饋、頻率反饋，其中的控制部分便是電氣保護，體現在多個方面，比如，電流保護、短路保護、熱保護，啟動連鎖、安全保護等順利實現離不開計算機系統。在計算機系統作用下，電力拖動系統自動控制需要經過多個步驟才能順利實現，比如，編程、邏輯計算，使用者可以將相關儀器、測試系統相互連接，利于進行一系列操作。在不同工藝條件作用下，電力拖動系統的控制要求并不相同，但并沒有實質上的區別，在信號輸入輸出作用下，借助計算機系統，便能實現集中控制，輸入計算機系統的信號并不單一，比如，電動機運行信號、熱故障信號，而輸出信號也體現在多個方面，比如，變頻調節信號。簡單來說，電力拖動系統自動控制原理就是在電力拖動系統運行中，計算機是其集中控制中心，輸入、輸出信號基礎上，下達或者執行一系列指令，實現自動化控制。
電力拖動控制線路圖及原理分析 ; 自動控制原理圖
二、電力拖動系統自動控制設計
1.電力拖動系統自動控制設計原則。在設計過程中，設計人員必須根據電力拖動系統特點、功能等，客觀分析一系列影響因素，堅持相關設計原則，科學設計電力拖動系統，最大化提高電力拖動系統性能。設計人員要堅持經濟簡單化原則，對比、分析電力拖動系統設計方案，選出最佳設計方案，確保設計的電力拖動系統具有較好的經濟性，系統結構簡單化。設計人員要堅持“安全、穩定、可靠”原則，準確把握電器、觸頭具體數量，采取針對性措施優化設計線路，科學選擇系統構件，最大化提高電力拖動系統整體性能。
2.明確設計方案。從某種角度來說，電力拖動系統自動控制設計離不開合理化的設計方案，要具有較好的可行性、正確性。設計人員必須堅持具體問題具體分析的原則，從實際出發，結合各方面情況，運動要求、零部件具體加工精密度等，制定“科學、合理”的設計方案，科學選擇電動機，明確傳動方式、運行形式等，科學設計電力拖動系統硬軟件。同時，設計人員還要多層次優化拖動形式，巧妙利用直流以及集中拖動形式，準確把握應用其中的電動機總數量、各方面參數。
3.科學選擇電動機。在確定好設計方案之后，設計人員需要根據具體要求，科學選擇應用其中的電動機，比如，類型、結構形式、額定電壓。所選擇的電動機要符合機械生產具體要求，設計人員要客觀分析電動機發熱情況、啟動能力等，明確電動機功率，進行相關試驗校驗，明確電動機額定功率、容量。設計人員要綜合考慮電動機在機械生產方面的具體要求，明確電動機類型，如果生產機械功率以及調度范圍都比較大，則要采用直流電動機，如果想要結構簡單化，維護難度和造價較低，則要采用交流電動機。所選擇的電動機電壓的“等級、頻率、相數”要和供電電網電壓相同，確保所選擇的電動機能夠滿足各方面條件。
4.電器控制線設計。在設計過程中，設計人員要根據具體生產要求，比如，生產機械要求、電器控制線路要求，準確把握電力拖動系統設計經濟性，盡可能選擇常見線路，把握好電器數量，科學縮短連接導線長度，最大化減少電力拖動系統中的通電線路，采用適宜的連接方法，科學連接線路，避免出現“短路、電壓過高”等問題。同時，設計人員要堅持簡單化原則，確保設計的控制結構操作簡便，也為日后檢修維護電力拖動系統提供有利的保障，科學設計電路控制單元構件，最大化提高電路控制系統整體性能。
5.調節器設計，構建數學模型。在設計中，設計人員要根據電力拖動系統特點，科學設計調節器，即轉速調節器、電流調節器，串聯的基礎上，發揮二者反饋作用，即轉速負反饋、電流負反饋。簡單來說，轉速調節器輸出就是電流調節器輸入，電流調節器輸出的一系列信號受到晶閘管整流器觸發裝置自動化控制。應用其中的轉速以及電流調節器大都采用的是PI 調節器。此外，在設計電力拖動系統中，設計人員需要根據系統各組成部件特征、性能等，構建合理化的數學模型，列出對應的空間方程，進行相關計算，按照相關規定，進行合理化調整，確保設計的電力拖動系統具有較高的精準度，順利實現自動控制，更好地應用到生產實踐中，有效提高生產效益。
三、電力拖動系統安全保護
就電力拖動系統而言，其安全保護大致體現在兩個方面，即電氣保護、計算機系統保護，計算機系統保護和電氣保護緊密相連，屬于以此為基點的上層保護。欠壓保護、熱保護等屬于電氣保護，而安全鏈保護、啟動聯鎖保護等屬于計算機系統保護。
1.電氣保護: ①短路保護、過流保護。在電力拖動系統安全保護方面，短路是指電力拖動系統運行過程中發生短路故障，在電流短路作用下，電力拖動系統部分設備絕緣體溫度迅速升高，出現過熱現象，嚴重損壞絕緣體結構，降低了絕緣性能。同時，在較大電流作用下，大電磁脈沖順利產生，對電力拖動系統設備造成不同程度的影響。過流是指操作人員不規范使用電動機，導致電動機超負荷運行，極易產生過電流，遠遠超過電動機正常運行情況下的電流，會嚴重損壞電動機系統設備。針對這種情況，相關人員需要對電力拖動系統進行必要的“短路、過流”保護; ②欠壓保護、熱保護。欠壓是指在電力拖動系統運行中，電源電壓無法有效滿足運行中電動機具體要求，出現欠壓問題，電動機速率不斷降低，直到停止運行。在欠壓作用下，電力拖動系統電器設備也會受到影響，極易出現故障問題。相關人員可以采用加壓方法或者切斷電源，動態控制電壓數值，避免超出電動機規定范圍，有效解決欠壓問題，實現欠壓保護。此外，由于長時間處于高效運行中，電力拖動系統設備過熱問題頻繁出現，隨著繞組時間不斷延長，電動機溫度大幅度升高，遠遠超過規定的額定數值，出現各類問題，無法正常運行。針對這種情況，相關人員要借助電力拖動系統安全保護，即熱保護，讓多臺電動機交替工作，最大化降低過熱故障發生率。
2.計算機系統保護: ①運行和啟動連鎖保護、安全鏈。一旦計算機接收到相關信號后，電力拖動系統會在模塊、程序作用下順利實現自動控制，進而，實現運行和啟動連鎖保護。安全鏈體現在多個方面，比如，油壓保護、過流保護，作為串行條件，安全鏈如果無法滿足電力拖動系統某要求，計算機系統便會在自動控制系統作用下，關閉運行中的電動機; ②信息處理安全保護。在處理海量數據信息方面，計算機系統的安全性、可靠性特別高，電力拖動系統硬軟件也不例外。一旦電力拖動系統運行中出現問題，計算機系統會第一時間實現自動化操作，停止運行的設備，便于相關人員及時進行合理化處理，避免引發嚴重的故障問題。
四、教學設備的推薦與介紹
本裝置綜合了目前我國各類高校所開設的電機學、電機與拖動、控制微電機、繼電接觸控制、工廠電氣控制、可編程控制器技術、電力電子技術、半導體變流技術、電機控制(直流電機調速、交流電機調速及變頻調速)、電力拖動自動控制系統及控制理論等課程實驗大綱的要求精心研制而成。適用于高等院校現有的電機、電氣技術實驗設備的更新改造，同時也為中等專業學校、職業技術學院等新建或擴建實驗室，迅速開設實驗課提供了理想的實驗設備。
二 、電力拖動自動化控制實驗裝置,電力拖動自動化控制實驗設備,電力拖動自動化控制實驗臺裝置特點：
1.綜合性強：實訓裝置綜合了目前各類院校電機學、電機與拖動、控制微電機、繼電接觸控制、工廠電氣控制、可編程控制器技術、電力電子技術、半導體變流技術、電機控制(直流電機調速、交流電機調速及變頻調速)、"電力拖動自動控制系統"及"控制理論"等課程實驗項目。
2.適應性強：能滿足各類學校相應課程的實驗教學，深度和廣度可根據需要作靈活調整，普及與提高可根據教學的進程作有機的結合，裝置采用積木式結構，更換便捷，如需要擴展功能或開發新實驗，只需添加部件即可，永不淘汰。
3.整套性強：從專用電源、電機及其它實驗部件到實驗連接專用導線配套齊全，配套部件的性能、規格等均密切結合實驗的需要進行配套。
4.直觀性強：各實驗掛件采用分隔結構形式，組件面板示意、圖線分明，各掛件任務明確，操作、維護方便。
5.科學性強：裝置占地面積少，節約實驗用房，減少基建投資；配套的小電機均經特殊設計，可模擬中小型電機的特性和參數；小電機耗電省，節約能源，實驗噪聲小，整齊美觀，改善實驗環境；實驗內容豐富，設計合理，除了加深理論知識外還可結合實際開設設計性實驗。
6.開放性強：控制屏供電采用三相隔離變壓器隔離，并設有電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保護裝置，確保操作者的安全；各電源輸出均有監示及短路保護等功能，各測量儀表均有可靠的保護功能，使用安全可靠；控制屏還設有定時器兼報警記錄儀，為學生實驗技能的考核提供一個統一的標準。由于整套裝置經過精心設計，加上可靠的元器件質量及可靠的工藝作為保障，產品性能優良，所有這些均為開放性實驗室，創造了條件。
7.先進性強：本裝置著重從新器件高度來考慮，在保留了晶閘管實驗的基礎上，加入了新器件的特性、新器件的驅動以及典型的新器件應用的大量現代電力電子技術實驗，讓學生對新器件有足夠的認識和了解，緊跟時代步伐。
三 、電力拖動自動化控制實驗裝置,電力拖動自動化控制實驗設備,電力拖動自動化控制實驗臺技術性能：
1.DQ01電源控制屏(鐵質噴塑結構，鋁質面板)
(1) 交流電源：提供三相0～450V可調交流電源，同時可得到單相0～250V可調電源(配有一臺三相同軸聯動自耦調壓器（規格1.5KVA、0～450V），克服了三只單相調壓器采用鏈條結構或齒輪結構組成的許多缺點)。可調交流電源輸出處設有過流保護技術，相間、線間過電流及直接短路均能自動保護，克服了調換保險絲帶來的麻煩。配有三只指針式交流電壓表，通過切換開關指示三相電網電壓和三相調壓電壓。
(2) 高壓直流電源兩路：提供220V(0.5A)勵磁電源及0～250V(3A)連續可調穩壓電樞電源(具有過壓、過流、過熱及短路軟截止自動恢復保護功能)各一組，并設有直流數顯電壓表及切換開關。
(3) 人身安全保護體系：設有三相隔離變壓器一組(三相電源經鑰匙開關、接觸器后，到隔離變壓器，再經三相調壓器輸出)，使輸出與電網隔離，對人身安全起到一定的保護作用。
設有電壓，電流型漏電保護器，控制屏若有漏電現象，漏電流超過一定值，即切斷電源。強電連接線及插座，采用全封閉結構，使用安全、可靠、防觸電。
(4) 儀表保護體系：設有多只信號插座，與儀表相連，儀表超量程，即能告警并切斷電源，對儀表起到良好的保護作用。
(5) 定時器兼報警記錄儀（服務管理器）：具有設定時間、到時報警、切斷電源及記錄各種告警次數等功能。
(6) 控制屏正面大凹槽內，設有兩根不銹鋼鋼管，可掛儀表及實驗部件。凹槽底部設有多個小圓形單相三芯220V電源插座，供儀表等部件供電用。控制屏兩側設有三極220V電源插座及三相四極380V電源插座。設有實驗臺照明用的220V、40W日光燈一盞。
2.DQ02實驗桌：實驗桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面為防火、防水、耐磨高密度板,結構堅固，形狀似長方體封閉式結構，造形美觀大方；設有兩個大抽屜、柜門，用于放置工具、存放掛件及資料等。桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面。實驗桌還設有四個萬向輪和四個固定調節機構，便于移動和固定，有利于實驗室的布局。
3.DQ03-1不銹鋼電機導軌、1024光碼盤測速系統及智能數顯轉速表：
包括1024光碼盤測速系統及固定電機的不銹鋼導軌等。不銹鋼導軌平整度好，無應力變形，加工精細，同心度好，互換性好，能保證電機與電機、電機與測功機之間連接的同心度不超過±5絲，電機運行噪聲小，實驗參數典型，能較好滿足實驗要求。
4.DQ07直流復勵發電機
5.DQ09直流并勵電動機
6.DQ10三相鼠籠式異步電動機
7.DQ11三相線繞式異步電動機
8.DQ12線繞式異步電機起動與調速電阻箱
9.DQ19校正直流測功機
10.DQ22直流數字電壓、毫安、安培表(三只)
(1) 直流數顯電壓表一只，采用ICL公司高性能A/D轉換器配以高速MPU單元設計爾成，通過鍵控、數顯窗口實現人機對話功能控制模式。具有自動與手動量程，測量范圍：0-300V。手動量程為：2V、20V、300V。測量精度為0.5級。具有數據存儲與查詢功能。
(2) 直流數顯毫安表一只，采用ICL公司高性能A/D轉換器配以高速MPU單元設計爾成，通過鍵控、數顯窗口實現人機對話功能控制模式。具有自動與手動量程，測量范圍：0-2000mA。手動量程為：20mA、200mA、2000mA。測量精度為0.5級。具有數據存儲與查詢功能。
(3) 直流數顯電流表一只，測量范圍0～5A，三位半數顯，精度為0.5級，具有超量程報警、指示等功能。
11.DQ25單三相智能型功率、功率因數表：由24位專用DSP、16位高精度AD轉換器和高速MPU單元設計爾成，通過鍵控、數顯窗口實現人機對話功能控制模式。軟件上采用RTOS設計思路，同時配有PC監控軟件來加強分析能力。能同時測量兩路單相功率P1、P2（兩表法測量三相總功率）。功率測量精度為1.0級，功率因數測量范圍0.3-1.0，電壓電流量程為450V和5A，能自動判別負載性質（感性顯示"L"，容性顯示"C"，純電阻不顯示），并可存儲測量數據，供隨時查閱。
12.DQ26三相可調電阻器(三組90Ω×2/1.3A瓷盤電阻)
13.DQ27三相可調電阻器(三組900Ω×2/0.41A瓷盤電阻)
14.DQ29可調電阻器、電容器
提供90Ω×2/1.3A及900Ω×2/0.41A瓷盤電阻各一組，35μF/450V、4μF/450V電力電容各1只，10KΩ/8W、20KΩ/8W功率電阻各一個。
15.DQ31波形測試及開關板
由變壓器的波形測試部分和兩個三刀雙擲開關、一個雙刀雙擲開關組成。
16.DQ44數/模交流電流表（四只）：由三只數字交流電流表和一只指針式精密交流電流組成。 測量范圍0～5A，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，四位數碼顯示。指針式精密交流電流表一只，采用帶鏡面、雙刻度線（紅、黑）表頭（不同的量程讀取相應的刻度線），測量范圍0～5A，分0.3A、1A、3A、5A四檔，精度1.0級，直鍵開關切換，設有超量程指示，告警等功能。
17.DQ45數/模交流電壓表（四只）
由三只數字交流電壓表和一只指針式精密交流電流組成。 測量范圍0～450V，量程自動判斷、自動切換，精度0.5級，四位數碼顯示。指針式精密交流電壓表一只，采用帶鏡面、雙刻度線（紅、黑）表頭（不同的量程讀取相應的刻度線），測量范圍0～500V，分10V、30V、100V、300V，500V五檔，精度1.0級，直鍵開關切換，設有超量程指示、告警等功能。
18.DQ23-1交流真有效值電壓表電流表：
(1) 真有效值交流數字電流表，測量范圍0～5A。
(2) 真有效值交流數字電壓表，測量范圍0～500V。
19.DK03晶閘管主電路：:提供12只5A/1000V的晶閘管，每只晶閘管均設有RC吸收和保險絲保護裝置，晶閘管可通過外加觸發信號進行觸發（留有觸發脈沖輸入接口），可更好的完成設計性實驗。設有帶鏡面精密指針式直流電壓表±300V，精度1.0級帶鏡面直流電流表±2A，精度1.0級各一只和平波電抗器一組。
20.DK04三相晶閘管觸發電路：提供三相觸發電路、功放電路等，與"DK03"配套使用。
21.DK05晶閘管觸發電路實驗：提供單結晶體管觸發電路、正弦波同步移相觸發電路、鋸齒波同步移相觸發電路、單相交流調壓觸發電路、TCA785集成觸發電路共五個觸發電路實驗。
22.DK06電機調速控制實驗：
提供以下模塊：電流反饋與過流保護（FBC+FA）、給定器（G）、轉速變換器（FBS）、速度調節器（ASR）、反號器（AR）、電流調節器（ACR）、電壓隔離器（TVD）。其中調節器I和調節器II的反饋電阻、電容均外接(從DK10上獲得)，實驗時可以靈活改變系統的參數，觀測不同的參數對系統穩定性及相應時間等影響；更可以讓學生從調速系統的各種參數(如電機的機電時間常數等)出發對調節器的放大倍數及積分時間的參數分別設計，同時進行實際結果的驗證，從而完成設計性實驗。
23.DK06-1電機調速控制電路（II）提供以下模塊：零電平檢測（DPZ）、轉矩極性鑒別（DPT）、邏輯控制（DLC）。
24.DK07直流斬波實驗：根據西安交通大學王兆安教授和黃俊教授主編的《電力電子技術》(第四版)中相關的直流斬波內容而設計的；提供組成直流斬波電路所需的元器件和采用專用的PWM控制集成電路SG3525。可完成教材中降壓斬波電路（Buck Chopper）、升壓斬波電路（Boost Chopper）、升降壓斬波電路（Boost -Buck Chopper）、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路六種典型實驗。
25.DK08給定及實驗器件：提供給定（±15V可調電壓輸出）、壓敏電阻（作為過壓保護元件，內部已連成三角形接法）、二極管、24V電源及電感。
26.DK09新器件特性實驗：提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，可完成電力電子新器件特性實驗。
27.DK10可調電阻、電容箱：提供耐壓AC63V的可調電容三組，調節范圍為0.1～11.37uF，0～999KΩ十進制可調電阻兩組。
28.DK11單相調壓與隔離變壓器：提供一只0～250V/0.5kVA單相交流自耦調壓器，一個單相整流濾波電路，為相應的實驗提供可調電源；提供一個三相整流濾波電路，為相應實驗提供直流電源。
29.DK12變壓器實驗：提供三相芯式變壓器一個（該變壓器有2套副邊繞組，原、副邊繞組的電壓為127V/63.6V/31.8V），用于異步電機串級調速實驗和三相橋式、單相橋式有源逆變電路實驗；還設有三相不控整流電路一組。
30.MY06實驗連接線及配件:實驗連接線：根據不同實驗項目的特點，配備兩種不同的實驗聯接線，強電部分采用高可靠護套結構手槍插連接線（不存在任何觸電的可能），里面采用無氧銅抽絲而成頭發絲般細的多股線，達到超軟目的，外包丁晴聚氯乙烯絕緣層，具有柔軟、耐壓高、強度大、防硬化、韌性好等優點，插頭采用實芯銅質件外套鈹輕銅彈片，接觸安全可靠；弱電部分采用彈性鈹輕銅裸露結構聯接線，兩種導線都只能配合相應內孔的插座，這樣大大提高了實驗的安全及合理性。
五 、電力拖動自動化控制實驗裝置,電力拖動自動化控制實驗設備,電力拖動自動化控制實驗臺完成的教學項目：
一）直流電機實驗：
1.直流電機認識實驗；
2.直流發電機實驗；
3.直流并勵電動機實驗；
4.直流電動機轉動慣量測試；
二）變壓器實驗：
1.三相變壓器實驗；
2.三相變壓器的聯接組和不對稱短路實驗；
3.三相三繞組變壓器實驗
4.三相變壓器的并聯運行實驗；
三）異步電機實驗：
1.三相鼠籠異步電動機的工作特性實驗
2.三相異步電動機的起動與調速實驗；
3.三相鼠籠異步電動機的不對稱運行實驗；
4.三相鼠籠式異步電動機轉子轉動慣量的測試實驗；
四）電機機械特性實驗：
1.直流他勵電動機在各種運轉狀態下的機械特性實驗；
2.三相異步電動機在各種運行狀態下的機械特性實驗；
3.三相異步電機M-S曲線的測繪實驗；
五）電力電子技術實驗
1.單結晶體管觸發電路實驗；
2.正弦波同步移相觸發電路實驗；
3.鋸齒波同步移相觸發電路實驗；
4.西門子TCA785集成觸發電路實驗；
5.KC05集成觸發電路實驗；
6.KC04三相閘管觸發電路實驗；
7.單相半波可控整流電路實驗；
8.單相橋式半控整流電路實驗；
9.單相橋式全控整流及有源逆變電路實驗；
10.三相半波可控整流電路實驗；
11.三相橋式半控整流電路實驗；
12.三相半波有源逆變電路實驗；
13.三相橋式全控整流及有源逆變電路實驗；
14.單相交流調壓電路實驗；
15.三相交流調壓電路實驗；
16.單向晶閘管(SCR)特性實驗；
17.可關斷晶閘管(GTO)特性實驗；
18.功率場效應管(MOSFET)特性實驗；
19.電力晶體管(GTR)特性實驗；
20.絕緣雙極型晶體管(IGBT)特性實驗(IGBT)；
21.直流斬波電路的性能研究降壓斬波電路(IGBT)；
22.直流斬波電路的性能研究升壓斬波電路(IGBT)；
23.直流斬波電路的性能研究升降壓斬波電路(IGBT)；
24.直流斬波電路的性能研究Cuｋ斬波電路(IGBT)；
25.直流斬波電路的性能研究Sepic斬波電路(IGBT)；
26.直流斬波電路的性能研究Zeta斬波電路(IGBT)；
六）交直流調速實驗：
1.晶閘管直流調速系統參數和環節特性的測定實驗(SCR)；
晶閘管直流調速系統主要單元的
2.調試(SCR)；
3.單閉環不可逆直流調速系統實驗(SCR)；
4.雙閉環不可逆直流調速系統實驗(SCR)；
5.邏輯無環流可逆直流調速系統實驗(SCR)；
6.雙閉環三相異步電機調壓調速系統實驗(SCR)；
7.雙閉環三相異步電機串極調速系統實驗(SCR)。
五、電力拖動系統自動控制結語
總而言之，在經濟發展的過程中，電力拖動系統發揮著不可替代的作用。設計人員應準確把握電力拖動系統自動控制原理，堅持相關設計原則，明確設計方案，科學選擇電動機，合理設計電器控制線路、調節器等，優化電力拖動系統設計，順利實現自動控制，實現安全保護，電氣保護以及計算機系統保護。以此，最大化降低電力拖動系統故障發生率，有效提高生產效率與質量，提高整體經濟效益。
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