电动机专题论文3000字

电动机专题论文3000字

机电毕业论文-实现变频调速器多电机控制

[摘要]本文介绍了一种plc与变频调速器构成的多分支通讯网络，阐明了该网络控制调速系统与一般模拟量控制调速系统相比的优越性，给出了系统框图及plc程序。

[关键词]plc变频调速器多电机控制网络通讯协议

一、引言

以变频调速器为调速控制器

的同步控制系统、比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。

工作时操作人员通过控制机（可为plc或工业pc）设定比例运行参数，然后控制机通过d/a转换模件发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模生产自动线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界的干扰，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低；同时大量d/a转换模件使系统成本增加。为此我们提出了plc与变频调速器构成多分支通讯控制网络。该系统成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制。
二、系统硬件构成
系统硬件结构如图2所示，主要由下列组件构成；

1、fx0n—24mr为plc基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。
2、fx0n—485adp为fx0n系统plc的通讯适配器，该模块的主要作用是在计算机—plc通讯系统中作为子站接受计算机发给plc的信息或在多plc构成n:n网络时作为网络适配器，一般只作为规定协议的收信单元使用。本文作者在分析其结构的基础上，将其作为通讯主站使用，完成变频调速器控制信号的发送。
3、fr—cu03为fr—a044系列比例调速器的计算机连接单元，符合rs—422/rs—485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。
4、fr—a044变频调查器，实现电机调速。
在1:n（本文中为1:3）多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。工作过程中，plc通过fx0n—485adp发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。

三、软件设计
1、通讯协议
fr—cu03规定计算机与变频器的通讯过程如图3所示，

该过程最多分5个阶段。?、计算机发出通讯请求；?、变频器处理等待；?、变频器作出应答；?、计算机处理等待；?、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成?~?三个过程；监视变频器运行频率时完成?~?五个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。图4分别为写变频器控制命令和变频器运行频率的数据格式。

2、plc编程
要实现对变频器的控制，必须对plc进行编程，通过程序实现plc与变频器信息交换的控制。plc程序应完成fx0n—485adp通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。plc梯形图程序（部分程序）如图5所示。

程序中通讯发送缓冲区为d127~d149；接受缓冲区为d150~d160。电机1启动、停止分别由x0的上升、下降沿控制；电机2启动、停止分别由x1的上升、下降沿控制；电机3启动、停止分别由x2的上升、下降沿控制。程序由系统起始脉冲m8002初始化fx0n—485adp的通讯协议；然后进行启动、停止信号的处理。以电机1启动为例，x0的上升沿m50吸合，变频器1的站号送入d130，运行命令字送入d135，enq、写运行命令的控制字和等待时间等由编程器事先写入d131、d132、d133；接着求校验和并送入d136、d137；最后置m8122允许rs指令发送控制信息到。变频器受到信号后立刻返回应答信息，此信息fx0n—485adp收到后置m8132，plc根据情况作出相应处理后结束程序。
四、变频器制动的思路和新方法

在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能

对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该考虑考虑了。

在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态；(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，可以用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。

在书籍、刊物上有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于“能量回馈制动”方面的文章。今天，笔者提供一种新型的制动方法，它具有“回馈制动”的四象限运转、运行效率高等优点，也具有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高等好处。

1、能耗制动

利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能的方式称为能耗制动。

其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动作比较），成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。

一般在通用变频器中，小功率变频器（22kw以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻。大功率变频器（22kw以上）就需外置刹车单元、刹车电阻了。

2、回馈制动

实现能量回馈制动就要求电压同频同相控制、回馈电流控制等条件。它是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。

回馈制动的优点是能四象限运行,电能回馈提高了系统的效率。其缺点是：(1)、只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。(2)、在回馈时，对电网有谐波污染。(3)、控制复杂，成本较高。

3、新型制动方式（电容反馈制动）

3.1主回路原理

整流部分采用普通的不可控整流桥进行整流，滤波回路采用通用的电解电容，延时回路采用接触器或可控硅都行。充电、反馈回路由功率模块igbt、充电、反馈电抗器l及大电解电容c（容量约零点几法，可根据变频器所在的工况系统决定）组成。逆变部分由功率模块igbt组成。保护回路，由igbt、功率电阻组成。

(1)电动机发电运行状态

cpu对输入的交流电压和直流回路电压νd的实时监控，决定向vt1是否发出充电信号，一旦νd比输入交流电压所对应的直流电压值（如380vac—530vdc）高到一定值时，cpu关断vt3，通过对vt1的脉冲导通实现对电解电容c的充电过程。此时的电抗器l与电解电容c分压，从而确保电解电容c工作在安全范围内。当电解电容c上的电压快到危险值（比如说370v），而系统仍处于发电状态，电能不断通过逆变部分回送到直流回路中时，安全回路发挥作用，实现能耗制动（电阻制动），控制vt3的关断与开通，从而实现电阻r消耗多余的能量，一般这种情况是不会出现的。

(2)电动机电动运行状态

当cpu发现系统不再充电时，则对vt3进行脉冲导通，使得在电抗器l上行成了一个瞬时左正右负的电压，再加上电解电容c上的电压就能实现从电容到直流回路的能量反馈过程。cpu通过对电解电容c上的电压和直流回路的电压的检测，控制vt3的开关频率以及占空比,从而控制反馈电流，确保直流回路电压νd不出现过高。

3.2系统难点
(1)电抗器的选取

(a)、我们考虑到工况的特殊性，假设系统出现某种故障，导致电机所载的位能负载自由加速下落，这时电机处于一种发电运行状态，再生能量通过六个续流二极管回送至直流回路，致使νd升高，很快使变频器处于充电状态，这时的电流会很大。所以所选取电抗器线径要大到能通过此时的电流。

（b）、在反馈回路中，为了使电解电容在下次充电前把尽可能多的电能释放出来，选取普通的铁芯（硅钢片）是不能达到目的的，最好选用铁氧体材料制成的铁芯，再看看上述考虑的电流值如此大，可见这个铁芯有多大，素不知市面上有无这么大的铁氧体铁芯，即使有，其价格也肯定不会很低。

所以笔者建议充电、反馈回路各采用一个电抗器。

(2)控制上的难点

（a）、变频器的直流回路中，电压νd一般都高于500vdc，而电解电容c的耐压才400vdc，可见这种充电过程的控制就不像能量制动（电阻制动）的控制方式了。其在电抗器上所产生的瞬时电压降为，电解电容c的瞬时充电电压为νc=νd-νl，为了确保电解电容工作在安全范围内（≤400v），就得有效的控制电抗器上的电压降νl，而电压降νl又取决于电感量和电流的瞬时变化率。

（b）、在反馈过程中，还得防止电解电容c所放的电能通过电抗器造成直流回路电压过高，以致系统出现过压保护。

3.3主要应用场合及应用实例

正是由于变频器的这种新型制动方式（电容反馈制动）所具有的优越性，近些来，不少用户结合其设备的特点，纷纷提出了要配备这种系统。由于技术上有一定的难度，国外还不知有无此制动方式？国内目前只有山东风光电子公司由以前采用回馈制动方式的变频器（仍有2台在正常运行中）改用了这种电容反馈制动方式的新型矿用提升机系列，到目前为止，这种电容反馈制动的变频器正长期正常运行在山东宁阳保安煤矿及山西太原等地，填补了国内这一空白。

随着变频器应用领域的拓宽，这个应用技术将大有发展前途，具体来讲，主要用在矿井中的吊笼（载人或装料）、斜井矿车（单筒或双筒）、起重机械等行业。总之需要能量回馈装置的场合都可选用。

五、结语
1、实际使用表明，该方案能够实现plc通过网络对变频调速器的运行控制、参数设定和运行状态监控。

2、该系统最多可控制变频调速器32台，最大距离500m。

3、控制多台变频器，成本明显低于d/a控制方式。

4、随着变频器的增加，通讯延迟加大，系统响应速度低于d/a控制方式。

参考文献

1、韩安荣.通用变频器及其应用(第2版)[m].北京:机械工业出版社,

2、刘文兵（1981—）男从事过变频器的应用工作，现在台州富凌机电制造有限公司,从事变频器的设计与制造。

鸣谢

在论文完成之际，我真心地感谢在设计之中给予我帮助的荀延龙老师和各位同事，使我如期完成毕业论文，并使我终生受益。

在论文的完成过程中，系里的各位老师对我帮助很大。在此深表谢意！其他的同学也给予我许多关心和帮助，真诚地感谢他们。

电动机工作原理的论文

双相电动机原理
通电线圈在磁场中受力转动
就是说通电线圈会产生磁性，与原有磁场相斥，从而有力使其转动。
通电导线在磁场中受力运动的方向跟
电流
方向和
磁感线
（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受
力的作用
，使电动机转动。它是将电能转变为机械能的一种机器。
电动机使用了电流的磁效应原理，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机原理

直流线圈在磁场中受力只能转半圈，要转一圈须要换向器，使其转过平衡位置自动改变电流方向。

三相交流异步电动机转子转动的原理
当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力f，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。

有关电动机论文参考文献

《异步电动机的效率优化快速响应控制研究》崔纳新， 张承慧， 孙丰涛 - 中国电机工程学报, 2005

关于职高机电专业的职业规划论文3000字

我的未来我决策。每个人的未来都掌握在自己手中，别人无法替你设计未来，只有自己提早分析与作出决策，才能找准方向从而努力奋斗！以下是电工专业职业生涯规划范文，与君分享。 ... 因为缺少明确的职业生涯规划，所以盲目地成长和学习了近20年。上大学之前，确切地说是毫无目标与方向，当时的想法很简单：走一步算一步，父母总会帮我想办法的。大学伊始，便“被强制”地听了很多职业生涯规划的讲座及师兄师姐职业规划交流会，逐渐地感受到原来一切尽是如此艰难。如果没有明确的职业规划，如果依旧是盲目过活，我的青春将在这种浑浑噩噩中度过，而我的余生也将不尽如人意。有幸我们开设了职业生涯规划课，在听了老师一个学期的讲课后，我茅塞顿开，仿佛一直在黑暗中摸索突然出现了一盏明灯为我指明了前进的方向！老师让我知道了机会永远是留给有准备的人，也就是——我的未来我决策。每个人的未来都掌握在自己手中，别人无法替你设计未来，只有自己提早分析与作出决策，才能找准方向从而努力奋斗！以下是我的职业生涯规划：一、决策前分析决策前分析决策前分析决策前分析我是电工专业学生，基于我对本专业出路的理解，大致有以下几个方向： 1、专业前景：家庭电气化是现代家庭的重要标志，随着我国经济建设的飞速发展和城乡人民的生活水平日益提高，家庭中使用的各类用电设备越来越多。如何用好、管好这些用电设备，就成为每个家庭必须面临的问题。我们只有学习和掌握一定的电器知识和技术，才能适宜家庭电气化的需要，因此，电工专业的前景十分广阔。 2、专业课学习：主要的专业课有机械制图、电工基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电工内线与电气安全、电子测量、机与电气控制、电工识图、电子设计自动化、网页制作与设计、电力电子技术、单片机技术、可编程控制器、工厂供电、传感器原理及应用等课程。我的规划是理论和实践同时并重。在学习好工程制图的基本知识和方法、投影原理、视图、剖视、剖面、零件图、装配图、轴测图，熟练掌握绘制简单的零件图、装配图，并具有阅读视图和绘制控制工程图的能力的同时，能够熟练控制电器的结构、原理、规格、型号及用途，掌握继电器接触器控制线路的基本环节，一般控制线路的分析、设计并熟悉一般生产机械电力设备的用途和工作原理、安装、调试运行和维护的基本知识，掌握变压器、交、直流电机和控制电机的基本结构、工作原理及工作特性等实践知识。二、我的性格特点我的性格特点我的性格特点我的性格特点一直以来，我都生活得无忧无虑，家庭条件谈不上十分宽裕，但是也可以让我衣食无忧，过去的我几乎从不为自己的未来过于担忧，总是觉得就业距离自己太遥远，如今，我已是一个即将步入大二的学生，看到前辈们辛苦的求职经历后，我才知道，未来并非自己想象中的那么一片光明，我需要对自己来一次好好的分析。以便于更好的进行自己的职业生涯规划。通过仔细的自我分析，我发现自己爱好广泛，是一个活泼开朗的男生，性格乐观向上，责任心强，喜欢探索与创新，很多事情都有新奇的想法，喜欢动手操作，喜欢家电安装组合，电脑制图等，这些都是我的专业优势，并且我相信能够为我日后的就业提供砝码。但我明显的缺点就是做事恒心不够，往往喜欢三分钟热度，所以自己制定的计划往往完成地并不理想。
我深知人的性格一旦形成是很难改变的，但是如果想成为新世纪的人才我们就一定要克服重重困难，发扬自己的优势，改变自己的劣势，所以我下决心改掉自己做事恒心不足的缺点，我发现以前制定计划完不成还有一个问题就是自己的计划太宽泛，难度较大，我从现在开始要从简单的做起，制定计划时先从简单易行的做起，由小到大，慢慢把自己做事的恒心一点一点的积累起来！但是有时单凭自己的努力还是不够的，所以我也会时时注意别人的看法与评价，请老师与同学监督与配合。四四四四、、、、实习规划实习规划实习规划实习规划第一步，金工实习：学习钳工的基本操作，了解金工基础知识；通过制作小工件，学会使用钳工常用工具和量具，并了解机械加工的方法和过程。 第二步，内外线电工实习：学习常用灯具的选择、照明线路的安装与维修、电工仪器、仪表的正确使用。并进行万用表的设计、安装及调试。掌握电工安全技术，触电急救知识，掌握常用电工工具、电工测试仪器仪表的使用方法。学习内外线工程的安装、维修和电气设备的接线、调试等项工艺。掌握基本操作技能。学习灯具的安装，单相电度表和三相电度表的安装与接线。 第三步，电子实习：学习电子元器件的测试与选择，进行（锡）焊接技术的训练。进行小型电子设备的电子电路设计制作。绘制电路原理图、施工图，编制元件和材料表，编写设计说明书，初步掌握设计的步骤和方法。将自己设计的电子线路进行组装、调试，熟悉常用电子仪器设备的使用方法和维修常识。 第四步，电机维修实习：熟悉电机修理的常用工具、材料，并能对其进行正确的使用和选择；初步掌握小型鼠笼式异步电动机和小型变压器的拆装、重绕工艺及修复后的质量检验。 第五步，电子自动化设计实习：熟悉掌握计算机辅助电路设计软件PROTELD的命令、工具的使用。能使用计算机绘制电路图和设计相应的印刷电路板。 第六步，认识实习：了解化工产品的生产过程和化工生产的特点，并初步获得化工厂变配电系统及电力拖动方面的感性认识。 第七步，单片机实习：通过实践，自己动手设计一个小型单片机系统。以达到了解单片机技术在电子设备中的应用方法。 第八步，PLC实习：学习PLC及编程器的使用方法，根据工艺要求，绘制梯形图，编写出完整的程序并进行程序的调试。 第九步，电工技能强化训练及考证：进行中级电工所需的技术操作技能训练，全面掌握维修电工中等技术等级的技能、技巧和应知应会。具有安全用电并掌握触电急救方法。通过专业部门认可的上岗操作考核并颁发电工上岗操作证。 五五五五、、、、SWOT分析分析分析分析优势因素优势因素优势因素优势因素（（（（S）））） 1.乐观向上，热情大方 2.敢于动手，并且上手很快
3.创新意识强 4.吃苦耐劳 5.英语沟通能力较强 6愿意从基层干起 7.求职能力较强弱势因素弱势因素弱势因素弱势因素（（（（W）））） 1.恒心不够 2.组织领导能力有待提高 3.身体素质较差机会因素机会因素机会因素机会因素（（（（O）））） 1.所学专业很好与所感兴趣的职业对口 2.父亲曾从事电工相关职务，对我有言传身教的影响。 3.身处北京，机会大威胁因素威胁因素威胁因素威胁因素（（（（T）））） 1.同地区竞争力强（北大，清华等） 2.还有众多职业学校的人竞争此行业，他们要求普遍比大学生低 3.研究生扩招后以及研究生学年两年制改革后对本科生就业形成冲击六六六六、、、、行动计划行动计划行动计划行动计划 1、每天坚持锻炼身体至少1小时； 2、加强实践操作能力，多去实地实习； 3、每个寒暑假都去工厂实战工作； 4、每年争取保持成绩优秀并拿到奖学金； 5、大三通过英语6级考试并争取拿高分； 6、毕业之后即可找到一份相关工作。工作后继续考研深造。以上是我的职业生涯初步规划，由于思想不是特别成熟，很多问题都处在摸索阶段，所以规划存在缺陷，但是我相信只要我坚定信心一步一步走下去，总有一天我会实现心中的职业理想。

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机电一体化技术及其应用研究
摘 要 讨论了机电一体化技术对于改变整个机械制造业面貌所起的重要作用，并说明其在钢铁工业中的应用以及发展趋势。
关键词 机电一体化 技术 应用

1 机电一体化技术发展
机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。
1.1 数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。
1.2 智能化
即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
1.3 模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
1.4 网络化
由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。
1.5 人性化
机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
1.6 微型化
微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。
1.7 集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。
1.8 带源化
是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
1.9 绿色化
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。
2 机电一体化技术在钢铁企业中应用
在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：
2.1 智能化控制技术(IC)
由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢---连铸---轧钢综合调度系统、冷连轧等。
2.2 分布式控制系统(DCS)
分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。
2.3 开放式控制系统(OCS)
开放控制系统(Open Control System)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。
2.4 计算机集成制造系统(CIMS)
钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。
2.5 现场总线技术(FBT)
现场总线技术(Fied Bus Technology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。
2.6 交流传动技术
传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。
参考文献
1 杨自厚． 人工智能技术及其在钢铁工业中的应用[J]．冶金自动化，1994（5）
2 唐立新.钢铁工业CIMS特点和体系结构的研究[J]．冶金自动化，1996（4）
3 唐怀斌． 工业控制的进展与趋势 [J]．自动化与仪器仪表，1996（4）
4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，1996
5 林行辛． 钢铁工业自动化的进展与展望[J]．河北冶金，1998（1）
6 殷际英． 光机电一体化实用技术[M]．北京：化学工业出版社，2003
7 芮延年． 机电一体化系统设计[M]． 北京：机械工业出版社，2004．

电机功率转换的原理

引言：
电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。
本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。
一、功率控制与转矩控制
根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。
直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能独立，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。
根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。
从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为：
PM＝MΩ (1)
或 Ω＝PM／M （2）
公式（2）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。
1. 功率控制
功率控制是以轴功率PM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。
即 M＝Mfz (3)
当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。
电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。
设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为PM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为PM2。 由于电磁转矩：
M＝PM／Ω (4）
故调速时，电磁转矩变为：
M＝PM2／Ω
由于受惯性的作用，在t＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故
M＝PM2／Ω1
t=0
此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩M1＝PM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为：
Ω1＝（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2 （5）
电磁转矩则为：M＝PM2／（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2
随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即：
M＝PM2／Ω2＝Mfz，
转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图1的框图说明。

图1 功率控制的调速流程
功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。
2. 转矩控制
根据公式（2），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。
电磁转矩的独立控制方法主要依据转矩公式：
M＝CMΦmIS （直流机） (6)
或 M＝CMΦmI2COSφ2 （交流机） (7)
受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即：
M＝Mfz
由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。
转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。
二、功率控制的方法与性能
电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图2是其等效三端口网络。

图2.异步机的等效网络
其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压u2和电流i2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ps口。
如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ps口为封闭不可控的。反之为绕线型，Ps口则是开启可控的， 转子可以通过Ps口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ps口直接控制电枢轴功率。 前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。
1. 定子伪电枢功率控制。

图3.异步机定子功率控制调速
作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率：
Pem＝P1－△P1 （8）
电枢的轴功率则为：
PM＝Pem－△P2 (9)
故 PM＝P1－（△P1＋△P2） (10)
可见，控制伪电枢的输入功率P1或增大其损耗△P1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。
控制P1调速的唯一方法是调压━━变频， 即所谓的变频调速。由于：
P1＝m1U1I1COSφ1 (11)
故对于电压源供电调节端电压U1是控制功率P1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。
前已叙及，功率控制的要点有：
① 保持主磁通量不变
② 作用对象是电枢或伪电枢
③ 控制目标是轴功率
如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量：
Φm＝E／4.44W1kr1f1
＝KE1／f1
≈KU1／f1 (12)
恒频调压的结果，主磁通Φm将随U1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率P1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。
设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩：
M＝Mfz＝const
又 M＝CMΦmI1COSφ1
＝CMΦmI2COSφ2 (13)
设功率因数不变，定转子电流I1、I2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率P1不变，但定转子损耗：
△P1＝m1I 12 r1
△P2＝m2I 222 r1
将按电流的平方律增大。根据式（10），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。
为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。
于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证V／F（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。
2. 转子功率控制
对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ps口直接控制轴功率。方法是由Ps口移出或注入转差功率。需要指出：
① 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△P2。
② 转差功率有电能与热能之分，分别记以Pes和Prs，两者性质不同，对调速的影响也不同。

图4.异步机转子功率控制调速
当在转子的Ps口引入电转差功率Pes时，转子的轴功率：
PM＝（Pem±Pes）－△P2 （14）
式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ps口移出，正号表示从Ps口注入。Pes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率PM发生变化，电机转速得到相应调节。
电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。
当Ps口引入的是热转差功率Prs时， 转子的轴功率则为：
PM＝Pem－（△P2＋Prs） (15)
显然热转差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Prs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。
三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性
根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有：
Ω0＝Pem／M （16）
由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。
功率控制调速的电枢功率可以综合表达为：
PM＝∑Pem－∑p2 （17）
相应的转速：
PM／M＝∑Pem／M－∑p2／M （18）
Ω＝Ω0－△Ω (19)
其中Ω0＝∑Pem／M为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝∑p2／M 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。
电机调速的效率表达为：
η＝PM／（P1－∑pi）
＝PM／（Pem－△P2)
因此，在一定的轴功率PM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。
公式（18）同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率∑Pem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随∑Pem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图5给出了两种调速的定性曲线。

图5 a.电磁功率调速特性 b.转速降调速特性
综上所述，可以得出以下结论：
① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。
② 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。
四、异步机调速的分类与方法
与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：

性质/方案 控制点/变量 方法 要点
五、结论
1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。
2.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。
3. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。
4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。