XX职业技术学院毕业文
机电体化中电机控制保护
专 业： 机电体化
学生姓名：
指导老师：
入学日期：2008年9月 文完成日期：2011年4月
容 摘
机电体化技术发展前景提出种新型电动执行机构设计方案详细介绍该执行机构功元件选型设计阀位速度控制原理种关键问题解决方法该执行机构阀门伺服电机控制器合体采8031单片机变频技术实现阀门动作速度位置控制解决阀门精确定位阀门柔性开关极限位置判断电机保护模拟信号隔离等技术问题现场运行情况表明该电动执行机构具动作快保护完善便计算机通讯等优点充分利机电体化技术带方便快捷
关键词：电动机阀门 继电器保护 机电体化技术总结
目 录
容 摘 2
插 图 索 引 4
引 言 5
第1章 机电体化技术发展历程趋 6
1．1 机电体化技术发展历程 6
1．2 机电体化发展趋 6
第2章 机电体化中电动执行机构硬件设计工作原理 10
21 系统工作原理 11
第3章 机电体化中阀位速度控制原理 15
第4章 关键技术问题解决 17
第5章 机电体化中继电器保护现状发展 19
51 继电保护发展现状 19
52 继电保护未发展 21
521 计算机化 22
522 网络化 23
523 保护控制测量数通信体化 24
524 智化 25
结束语 26
参考文献 27
插 图 索 引
图21 电动执行机构控制系统框图……………………………………11
图22 IPM输出电流电压检测 ……………………………………14
图23 程序出格恢复电路 ……………………………………15
图32 阀位速度控制原理框图 ……………………………………15
图33 执行机构典型运行速度图 …………………………………16
图41 线性隔离放器 ………………………………………………19
引 言
现代化生产程控制中执行机构起着十分重作动控制系统中缺少组成部分现国产流量电动执行机构存着控制手段落机械传动机构结构复杂定位精度低性差等问题执行机构全程运行速度取决电机输出轴转速部减速齿轮减速旦出厂速度固定调整通性较弱整机构缺乏完善保护障诊断措施必通信手段系统安全性较差便计算机联网鉴原采传统流量电动执行机构控制系统性稳定性较差着计算机网络现场总线等技术工业程中应种执行机构已远远满足工业生产求笔者设计流量电动执行机构采机电体化技术阀门伺服电机控制器合体利异步电动机直接驱动阀门开关通置变频器采模糊神网络实现阀门动作速度精确定位柔性开关电机转矩等控制该电动执行机构省控制电机正反转接触器控硅换开关模件机械传动装置复杂昂贵控制柜配电柜具动作快保护较完善便计算机联网等优点实际运行表明该执行机构工作稳定性 电子技术问世电子技术机械技术结合开始出现半导体集成电路尤出现微处理器代表规模集成电路机电体化技术明显进展引起广泛注重
第1章 机电体化技术发展历程趋
机电体化机械微电子控制计算机信息处理等学科交叉融合发展进步赖相关技术进步发展发展方数字化智化模块化网络化性化微型化集成化带源化绿色化
1．1 机电体化技术发展历程
1数控机床问世写机电体化历史第页
2微电子技术机电体化＇＇带勃勃生气
3编程序控制器电力电子等发展机电体化提供坚强基础
4激光技术模糊技术信息技术等新技术机电体化跃新台阶
1．2 机电体化发展趋
1 数字化
微控制器发展奠定机电产品数字化基础断发展数控机床机器计算机网络迅速崛起数字化设计制造铺道路虚拟设计计算机集成制造等数字化求机电体化产品软件具高性易操作性维护性诊断力友机界面数字化实现便远程操作诊断修复
2智化
求机电产品定智具类似逻辑思考判断推理决策等力例CNC数控机床增加机话功设置智IO接口智工艺数库会操作维护带极方便着模糊控制神网络灰色理波理混沌分岔等工智技术进步发展机电体化技术发展开辟广阔天
3 模块化
机电体化产品种类生产厂家繁研制开发具标准机械接口动力接口环境接口机电体化产品单元模块项复杂前途工作研制具集减速变频调速电机体动力驱动单元具视觉图处理识测距等功电机体控制单元等样产品开发设计时利标准模块化单元迅速开发出新产品
4 网络化
网络普基网络种远程控制监视技术方兴未艾远程控制终端设备身机电体化产品现场总线局域网技术家电器网络化成利家庭网络种家电器连接成计算机中心计算机集成家电器系统家里充分享受种高技术带处机电体化产品疑应网络化方发展
5 性化
机电体化产品终象机电体化产品赋予智情感性显愈愈重机电体化产品完善性外求色彩造型等方面环境相协调产品说种艺术享受家机器高境界机体化
6 微型化
微型化精细加工技术发展必然提高效率需微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems简称MEMS)指批量制作集微型机构微型传感器微型执行器信号处理控制电路直接口通信电源等体微型器件系统1986年美国斯坦福学研制出第医微探针1988年美国加州学Berkeley分校研制出第微电机国外MEMS工艺材料微观机理研究方面取进展开发出种MEMS器件系统种微型传感器（压力传感器微加速度计微触觉传感器）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微机器等）
7 集成化
集成化包含种技术相互渗透相互融合种产品结构优化复合包含生产程中时处理加工装配检测理等种工序实现品种批量生产动化高效率应系统具更广泛柔性首先系统分解干层次系统功分散部分协调安全运转然通软硬件层次机联系起性优功强
8 带源化
指机电体化产品身带源太阳电池燃料电池容量电池许场合法电运动机电体化产品带动力源具独特处带源化机电体化产品发展方
9 绿色化
科学技术发展生活带巨变化物质丰富时带资源减少生态环境恶化果呼唤保护环境回然实现持续发展绿色产品概念种呼声中应运生绿色产品指低耗低材耗低污染舒适协调生利产品设计制造销毁时应符合环保类健康求机电体化产品绿色化指时污染生态环境产品寿命结束时产品分解生利
10光机电体化
般机电体化系统传感系统源系统信息处理系统机械结构等部件组成引进光学技术实现光学技术先天优点效改进机电体化系统传感系统源(动力)系统信息处理系统光机电体化机电产品发展重趋
11律分配系统化——柔性化
未机电体化产品控制执行系统足够冗余度较强柔性较应付突发事件设计成律分配系统律分配系统中子系统相互独立工作子系统总系统服务时具身律性根环境条件作出反应特征子系统产生身信息附加信息总前提具体行动改变样明显增加系统适应力(柔性)某子系统障影响整系统
12全息系统化——智化
机电体化产品全息特征越越明显智化水越越高收益模糊技术信息技术(尤软件芯片技术)发展外系统层次结构变简单形势复杂较冗余度双联系
13生物软件化—仿生物系统化
机电体化装置信息性结构处静态时稳定动态(工作)时稳定点类似活生物摘：控制系统(脑)停止工作时生物便死亡控制系统(脑)工作时生物活力仿生学探究领域中已发现生物体优良机构机电体化产品提供新型机体新型机体具活生命深入探究探究领域称生物——软件生物系统生物特征硬 件(肌体)——软件(脑)体分割机电体化产品然生物系统化发展趋段漫长道路走
14微型机电化——微型化
目前利半导体器件制造程中蚀刻技术实验室中已制造出亚微米级机械元件成果实际产品时没必区分机械部分控制器届时机械电子完全融合机体执行机构传感器CPU等集成起体积组成种律元件种微型机械学机电体化重发展方
第2章 机电体化中电动执行机构硬件设计工作原理
电动执行机构控制系统原理框图图21示智执行机构结构分控制部分执行驱动部分
控制部分单片机PWM波发生器IPM逆变器ADDA转换模块整流模块输入输出通道障检测报警电路等组成执行驱动部分包括三相伺报电机位置传感器
21 系统工作原理
霍尔电流电压传感器位置传感器检测逆变模块三相输出电流电压阀门位置信号AD转换送入单片机单片机通8255控制PWM波发生器产生PWM波光电耦合作逆变模块IPM实现电机变频调速阀位控制逆变模块工作时需直流电压信号整流电路380V电源进行全桥整流
22 控制系统功元件选型设计
1)单片机 选INTEL公司生产8031单片机通行8255口担负控制系统信号处理：接收系统转矩阀门开启关闭阀门开度等设定信号提供三相PWM波发生器需控制信号处理IPM发出障信号报警信号处理通模拟输入口接收电流电压位置等检测信号提供显示电动执行机构工作状态信号执行控制系统控制信号控制系统反馈信号
2)三相PWM波发生器 PWM波产生通常模拟数字两种方法模拟法电路复杂温漂现象精度低限制系统性数字法数字模型计算机算出切换点存入存然通查表必计算产生PWM波种方法占存较保证系统精度满足智功率模块需PWM波控制信号保证微处理器足够时间进行整系统检测保护控制等功文中选MITEL公司生产SA8282作三相PWM发生器SA8282专规模集成电路具独立标准微处理器接口芯片部包含波形频率幅值等控制信息
3)智逆变模块IPM 满足执行机构体积性高求电机电源采智功率模块IPM该执行机构适功率5．5kW三相异步电机额定电压380V功率数0．75计算知选日产智功率模块PM50RSA120满足系统求该功率模块集功率开关驱动电路制动电路体置电流短路欠电压热保护报警输出种高性功率开关器件
4)位置检测电路 位置检测电路执行机构重组成部分功提供准确位置信号关键问题位置传感器选型传统电动执行机构中采绕线电位器差动变压器导电塑料电位器等绕线电位器寿命短淘汰差动变压器线性区太短温度特性理想受限制导电塑料电位器目前较流行触点寿命长精度高笔者采位置传感器脉数字式传感器种传感器触点具精度高线性区限制稳定性高温度限制等特点
5)电压电流检测 检测电压电流计算电机力矩变频器输出回路短路断相保护逆变模块障诊断变频器输出电流电压频率范围0～50Hz采常规电流电压互感器法满足求快速反映出电流采霍尔型电流互感器检测IPM输出三相电流IPM输出电压检测采分压电路图22示
6)通讯接口 实现计算机联网远程控制选MAX232作系统串行通讯接口MAX232部两完全相电转换电路8031串行口输出TTL电转换RS－232标准电微机送RS－232标准电转换成TTL电8031实现单片机微机间通讯
7)时钟电路 时钟电路提供采样控制周期速度计算时需时间日历文中选时钟电路DS12887DS12887部114字节户非易失性RAM存入需长期保存数
8)液晶显示单元 实现机话功选MGLS12832液晶显示模块组成显示电路采组态显示方式通菜单选择分阀门力矩限位电机通讯参数等信号进行设置调试采文字图形相结合方式显示直观清晰
9)程序出格恢复电路 保证强干扰程序出格时系统够动恢复正常选MAX705组成程序出格恢复电路监视程序运行图23示该电路MAX705非门微分电路组成
工作原理：旦程序出格WDO高变低微分电路作非门输入引脚2变高电引脚2电种变化非门输出正脉单片机产生次复位复位结束程序通P1．0口MAX705WDI引脚发正脉WDO引脚回高电程序出格恢复电路继续监视程序运行
第3章 机电体化中阀位速度控制原理
阀位速度控制原理框图图31示
采双环控制方案中环速度环外环位置环速度环前速度速度定发生器送设定速度相较通速度调节器改变PWM波发生器载波频率实现电机转速调节速度调节器采模糊神网络控制算法(具体容文叙述)
外环根前位置速度设定通速度定发生器环提供速度设定值流量阀执行机构运行程中存加速匀速减速等阶段阶段时间长短加速度位置开始匀速减速均定位置前位置运行速度关速度定发生器工作原理：通较实际阀位定阀位二者相等时恒定加速度加速减速点根前速度阀位值阀位定值计算
执行机构阶段运行速度计算原理
图32执行机构典型运行速度图干段变化速率折线组成曲线速率开始发生改变点称起始段点相应时间称段起始时间图32中t(i)(i＝012……)相应速度称段起始速度图32示vi)(i＝012…)
设第i段速度变化速率ki：
式中：Δv两段点间速度变化值Δv＝vi＋1－vi
Δt两段间时间Δt＝ti＋1－ti
显然ki＝0时恒速段ki＞0时升速段ki＜0时减速段意时刻速度定值：
Ts采样周期
变化速率ki取值定位置前位置运行速度确定
第4章 关键技术问题解决
该电动执行机构采新变频调速技术电机驱动功率5．5kW户根需设定力矩特性根控制阀设定速度速度分转式直行程角行程3种方式控制系统阀位定阀位反馈信号构成闭环系统控制特性视运行方式速度定具动流保护载保护超压欠压热缺相堵转等保护功
该执行机构解决关键性技术问题：
1)阀门柔性开关 柔性开关阀关闭全开时保证阀门卡死损伤执行机构部微处理器根测变频器输出电压电流通精确计算出输出力矩旦输出力矩达设定力矩动降低速度避免阀门部度撞击达优关闭实现力矩保护
2)阀位极限位置判断 阀位极限位置指全开全关位置传统执行机构中该位置检测通机械式限位开关获机械式限位开关精度低运行中易松动性差文中电动执行机构极限位置通检测位置信号增量获原理单片机次检测位置信号次检测信号相较果未发生变化变化较认达极限位置立切断异步电机供电电源保证阀门安全关闭全开省机械式限位开关需调试时进行复杂调整
3)电机保护实现 防止电机热烧毁单片机通温度传感器连续检测电机实际运行温度果温度传感器检测电机温度高动切断供电电源温度传感器置电机部
4)准确定位 传统电动执行机构异步电机通电会快达额定动作速度接停止位置时电机断电机械惯性阀门立停会出现程度超程超程通常采控制电机反转动校正机电体化流量电动执行机构根前位置定位置差值运行速度超前确定减速点位置减速段变化速率ki阀门较低速度实现精确微调定位超程降低
5)模拟信号隔离
变频器直流电压输出三相电压间址致存着较高模电压保证系统安全性必须彼相互隔离采LM3584N25组成隔离线性放电路图41示采±15V±12V两组独立正负电源运放A反相端电位扰动正偏离虚运放A输出端电位降低光电耦合器发光强度增强集射极电压减运放A反相端电位降低回正常状态A反相端电位负偏离虚重回正常状态增强系统抗干扰性
第5章 机电体化中继电器保护现状发展
51 继电保护发展现状
电力系统飞速发展继电保护断提出新求电子技术计算机技术通信技术飞速发展继电保护技术发展断注入新活力继电保护技术天独厚40余年时间里完成发展4历史阶段
建国国继电保护学科继电保护设计继电器制造工业继电保护技术队伍约10年时间里走先进国家半世纪走道路50年代国工程技术员创造性吸收消化掌握国外先进继电保护设备性运行技术［1］建成支具深厚继电保护理造诣丰富运行验继电保护技术队伍全国继电保护技术队伍建立成长起指导作阿城继电器厂引进消化时国外先进继电器制造技术建立国继电器制造业60年代中国已建成继电保护研究设计制造运行教学完整体系机电式继电保护繁荣时代国继电保护技术发展奠定坚实基础
50年代末晶体继电保护已开始研究60年代中80年代中晶体继电保护蓬勃发展广泛采时代中天津学南京电力动化设备厂合作研究500kV晶体方高频保护南京电力动化研究院研制晶体高频闭锁距离保护运行葛洲坝500 kV线路［2］结束500kV线路保护完全国外进口时代
期间70年代中基集成运算放器集成电路保护已开始研究80年代末集成电路保护已形成完整系列逐渐取代晶体保护90年代初集成电路保护研制生产应处导位集成电路保护时代方面南京电力动化研究院研制集成电路工频变化量方高频保护起重作［3］天津学南京电力动化设备厂合作研制集成电路相电压补偿式方高频保护条220kV500kV线路运行
国70年代末已开始计算机继电保护研究［4］高等院校科研院起着先导作华中理工学东南学华北电力学院西安交通学天津学海交通学重庆学南京电力动化研究院相继研制原理型式微机保护装置1984年原华北电力学院研制输电线路微机保护装置首先通鉴定系统中获应［5］揭开国继电保护发展史新页微机保护推广开辟道路设备保护方面东南学华中理工学研制发电机失磁保护发电机保护发电机变压器组保护相继19891994年通鉴定投入运行南京电力动化研究院研制微机线路保护装置1991年通鉴定天津学南京电力动化设备厂合作研制微机相电压补偿式方高频保护西安交通学许昌继电器厂合作研制正序障分量方高频保护相继19931996年通鉴定原理机型微机线路设备保护具特色电力系统提供批新代性优良功齐全工作继电保护装置着微机保护装置研究微机保护软件算法等方面取理成果说90年代开始国继电保护技术已进入微机保护时代
52 继电保护未发展
继电保护技术未趋势计算机化网络化智化保护控制测量数通信体化发展
521 计算机化
着计算机硬件迅猛发展微机保护硬件断发展原华北电力学院研制微机线路保护硬件已历3发展阶段：8位单CPU结构微机保护问世5年时间发展CPU结构发展总线出模块模块结构性提高广泛应华中理工学研制微机保护8位CPU发展工控机核心部分基础32位微机保护
南京电力动化研究院开始研制16位CPU基础微机线路保护已面积推广目前研究32位保护硬件系统东南学研制微机设备保护硬件次改进提高天津学开始研制16位CPU基础微机线路保护1988年开始研究32位数字信号处理器(DSP)基础保护控制测量体化微机装置目前已珠海晋电动化设备公司合作研制成种功齐全32位模块模块型计算机采32位微机芯片非着眼精度精度受AD转换器分辨率限制超16位时转换速度成方面难接受更重32位微机芯片具高集成度高工作频率计算速度寻址空间丰富指令系统较输入输出口CPU寄存器数总线址总线32位具存储器理功存储器保护功务转换功高速缓存(Cache)浮点数部件集成CPU
电力系统微机保护求断提高保护基功外应具容量障信息数长期存放空间快速数处理功强通信力保护控制装置调度联网享全系统数信息网络资源力高级语言编程等求微机保护装置具相台PC机功计算机保护发展初期设想台型计算机作成继电保护装置时型机体积成高性差设想现实现微机保护装置相似工控机功速度存储容量超年型机成套工控机作成继电保护时机已成熟微机保护发展方天津学已研制成微机保护装置结构完全相种工控机加改造作成继电保护装置种装置优点：(1)具486PC机全部功满足前未微机保护种功求(2)尺寸结构目前微机保护装置相似工艺精良防震防热防电磁干扰力强运行非常恶劣工作环境成接受(3)采STD总线PC总线硬件模块化保护意选模块配置灵活容易扩展
继电保护装置微机化计算机化逆转发展趋势更满足电力系统求进步提高继电保护性取更济效益社会效益尚须进行具体深入研究＼
522 网络化
计算机网络作信息数通信工具已成信息时代技术支柱类生产社会生活面貌发生根变化深刻影响着工业领域工业领域提供强力通信手段目前止差动保护联保护外继电保护装置反应保护安装处电气量继电保护作限切障元件缩事影响范围缺乏强力数通信手段国外早已提出系统保护概念时指安全动装置继电保护作限切障元件限制事影响范围(首务)保证全系统安全稳定运行求保护单元享全系统运行障信息数保护单元重合闸装置分析信息数基础协调动作确保系统安全稳定运行显然实现种系统保护基条件全系统设备保护装置计算机网络联接起实现微机保护装置网络化前技术条件完全
般非系统保护实现保护装置计算机联网处继电保护装置够系统障信息愈障性质障位置判断障距离检测愈准确适应保护原理研究已长时间取定成果真正实现保护系统运行方式障状态适应必须获更系统运行障信息实现保护计算机网络化做点
某保护装置实现计算机联网提高保护性天津学1993年针未三峡水电站500kV超高压回路母线提出种分布式母线保护原理［6］初步研制成功种装置原理传统集中式母线保护分散成干(保护母线回路数相)母线保护单元分散装设回路保护屏保护单元计算机网络联接起保护单元输入回路电流量转换成数字量通计算机网络传送回路保护单元保护单元根回路电流量计算机网络获回路电流量进行母线差动保护计算果计算结果证明母线部障跳开回路断路器障母线隔离母线区外障时保护单元计算外部障均动作种计算机网络实现分布式母线保护原理传统集中式母线保护原理较高性果保护单元受干扰计算错误误动时错误跳开回路会造成母线整切恶性事象三峡电站具超高压母线系统枢纽非常重
述知微机保护装置网络化提高保护性性微机保护发展必然趋势
523 保护控制测量数通信体化
实现继电保护计算机化网络化条件保护装置实际台高性功计算机整电力系统计算机网络智终端网获取电力系统运行障信息数获保护元件信息数传送网络控制中心终端微机保护装置完成继电保护功障正常运行情况完成测量控制数通信功实现保护控制测量数通信体化
目前测量保护控制需室外变电站设备变压器线路等二次电压电流必须控制电缆引控室敷设量控制电缆量投资二次回路非常复杂果述保护控制测量数通信体化计算机装置安装室外变电站保护设备旁保护设备电压电流量装置转换成数字量通计算机网络送控室免量控制电缆果光纤作网络传输介质免电磁干扰现光电流互感器(OTA)光电压互感器(OTV)已研究试验阶段必然电力系统中应采OTAOTV情况保护装置应放距OTAOTV方应放保护设备附OTAOTV光信号输入体化装置中转换成电信号方面作保护计算判断方面作测量量通网络送控室控室通网络保护设备操作控制命令送体化装置体化装置执行断路器操作1992年天津学提出保护控制测量通信体化问题研制TMS320C25数字信号处理器(DSP)基础保护控制测量数通信体化装置
524 智化
年工智技术神网络遗传算法进化规划模糊逻辑等电力系统领域应继电保护领域应研究已开始［7］神网络种非线性映射方法难列出方程式难求解复杂非线性问题应神网络方法迎刃解例输电线两侧系统电势角度摆开情况发生渡电阻短路非线性问题距离保护难正确作出障位置判造成误动拒动果神网络方法量障样训练样集中充分考虑种情况发生障时正确判遗传算法进化规划等独特求解复杂问题力工智方法适结合求解速度更快天津学1996年起进行神网络式继电保护研究已取初步成果［8］预见工智技术继电保护领域必会应解决常规方法难解决问题
结束语
机电体化控制中该执行机构集微机技术执行器技术体种新型终端控制单元电机通部集成体化变频器控制台智执行机构定范围具运行速度关断力矩该智执行机构采液晶显示技术利置液晶显示板仅显示阀门开关状态正常运行时阀门开度通菜单选择运行参数设定系统出现障时显示出障信息总该执行机构集测量决断执行3种功体应电动执行机构发展趋势研制成功电动执行机构研究开发提供新思路建国国电力系统继电保护技术历4时代着电力系统高速发展计算机技术通信技术进步继电保护技术面着进步发展趋势国外继电保护技术发展趋势：计算机化网络化保护控制测量数通信体化工智化继电保护工作者提出艰巨务开辟活动广阔天发展机电体化开发生产关机电体化产品机电体化产品功强性质量高成低具柔性根市场需户反映时产品结构生产程做必调整改革须改换设备时传统机械工业注入新鲜血液带新活力机械生产繁重体力劳动中解脱出实现文明生产
参考文献
1 杨厚． 工智技术钢铁工业中应[Ｊ]．冶金动化1994（5）
2 唐立新钢铁工业CIMS特点体系结构研究[Ｊ]．冶金动化1996（4）
3 唐怀斌． 工业控制进展趋势 [Ｊ]．动化仪器仪表1996（4）
4 王俊普． 智控制[M]． 合肥：中国科学技术学出版社1996
5 林行辛． 钢铁工业动化进展展[Ｊ]．河北冶金1998（1）
6 殷际英． 光机电体化实技术[Ｍ]．北京：化学工业出版社2003
7 芮延年． 机电体化系统设计[Ｍ]． 北京：机械工业出版社2004．
8 邓 兵等．数字阀门电动执行机构［J］．动化仪表2001(1)．
9 王福瑞等．单片机微机测控系统设计全［M］．北京航空航天学出版社19999－249．
10 陈玉红．种简单实线性光隔离放器［J］．漳州师范学院学报(然科学版)1999(4)．
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机电体化中电机控制保护
专 业： 机电体化
学生姓名：
指导老师：
入学日期：2008年9月 文完成日期：2011年4月
容 摘
机电体化技术发展前景提出种新型电动执行机构设计方案详细介绍该执行机构功元件选型设计阀位速度控制原理种关键问题解决方法该执行机构阀门伺服电机控制器合体采8031单片机变频技术实现阀门动作速度位置控制解决阀门精确定位阀门柔性开关极限位置判断电机保护模拟信号隔离等技术问题现场运行情况表明该电动执行机构具动作快保护完善便计算机通讯等优点充分利机电体化技术带方便快捷
关键词：电动机阀门 继电器保护 机电体化技术总结
目 录
容 摘 2
插 图 索 引 4
引 言 5
第1章 机电体化技术发展历程趋 6
1．1 机电体化技术发展历程 6
1．2 机电体化发展趋 6
第2章 机电体化中电动执行机构硬件设计工作原理 10
21 系统工作原理 11
第3章 机电体化中阀位速度控制原理 15
第4章 关键技术问题解决 17
第5章 机电体化中继电器保护现状发展 19
51 继电保护发展现状 19
52 继电保护未发展 21
521 计算机化 22
522 网络化 23
523 保护控制测量数通信体化 24
524 智化 25
结束语 26
参考文献 27
插 图 索 引
图21 电动执行机构控制系统框图……………………………………11
图22 IPM输出电流电压检测 ……………………………………14
图23 程序出格恢复电路 ……………………………………15
图32 阀位速度控制原理框图 ……………………………………15
图33 执行机构典型运行速度图 …………………………………16
图41 线性隔离放器 ………………………………………………19
引 言
现代化生产程控制中执行机构起着十分重作动控制系统中缺少组成部分现国产流量电动执行机构存着控制手段落机械传动机构结构复杂定位精度低性差等问题执行机构全程运行速度取决电机输出轴转速部减速齿轮减速旦出厂速度固定调整通性较弱整机构缺乏完善保护障诊断措施必通信手段系统安全性较差便计算机联网鉴原采传统流量电动执行机构控制系统性稳定性较差着计算机网络现场总线等技术工业程中应种执行机构已远远满足工业生产求笔者设计流量电动执行机构采机电体化技术阀门伺服电机控制器合体利异步电动机直接驱动阀门开关通置变频器采模糊神网络实现阀门动作速度精确定位柔性开关电机转矩等控制该电动执行机构省控制电机正反转接触器控硅换开关模件机械传动装置复杂昂贵控制柜配电柜具动作快保护较完善便计算机联网等优点实际运行表明该执行机构工作稳定性 电子技术问世电子技术机械技术结合开始出现半导体集成电路尤出现微处理器代表规模集成电路机电体化技术明显进展引起广泛注重
第1章 机电体化技术发展历程趋
机电体化机械微电子控制计算机信息处理等学科交叉融合发展进步赖相关技术进步发展发展方数字化智化模块化网络化性化微型化集成化带源化绿色化
1．1 机电体化技术发展历程
1数控机床问世写机电体化历史第页
2微电子技术机电体化＇＇带勃勃生气
3编程序控制器电力电子等发展机电体化提供坚强基础
4激光技术模糊技术信息技术等新技术机电体化跃新台阶
1．2 机电体化发展趋
1 数字化
微控制器发展奠定机电产品数字化基础断发展数控机床机器计算机网络迅速崛起数字化设计制造铺道路虚拟设计计算机集成制造等数字化求机电体化产品软件具高性易操作性维护性诊断力友机界面数字化实现便远程操作诊断修复
2智化
求机电产品定智具类似逻辑思考判断推理决策等力例CNC数控机床增加机话功设置智IO接口智工艺数库会操作维护带极方便着模糊控制神网络灰色理波理混沌分岔等工智技术进步发展机电体化技术发展开辟广阔天
3 模块化
机电体化产品种类生产厂家繁研制开发具标准机械接口动力接口环境接口机电体化产品单元模块项复杂前途工作研制具集减速变频调速电机体动力驱动单元具视觉图处理识测距等功电机体控制单元等样产品开发设计时利标准模块化单元迅速开发出新产品
4 网络化
网络普基网络种远程控制监视技术方兴未艾远程控制终端设备身机电体化产品现场总线局域网技术家电器网络化成利家庭网络种家电器连接成计算机中心计算机集成家电器系统家里充分享受种高技术带处机电体化产品疑应网络化方发展
5 性化
机电体化产品终象机电体化产品赋予智情感性显愈愈重机电体化产品完善性外求色彩造型等方面环境相协调产品说种艺术享受家机器高境界机体化
6 微型化
微型化精细加工技术发展必然提高效率需微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems简称MEMS)指批量制作集微型机构微型传感器微型执行器信号处理控制电路直接口通信电源等体微型器件系统1986年美国斯坦福学研制出第医微探针1988年美国加州学Berkeley分校研制出第微电机国外MEMS工艺材料微观机理研究方面取进展开发出种MEMS器件系统种微型传感器（压力传感器微加速度计微触觉传感器）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微机器等）
7 集成化
集成化包含种技术相互渗透相互融合种产品结构优化复合包含生产程中时处理加工装配检测理等种工序实现品种批量生产动化高效率应系统具更广泛柔性首先系统分解干层次系统功分散部分协调安全运转然通软硬件层次机联系起性优功强
8 带源化
指机电体化产品身带源太阳电池燃料电池容量电池许场合法电运动机电体化产品带动力源具独特处带源化机电体化产品发展方
9 绿色化
科学技术发展生活带巨变化物质丰富时带资源减少生态环境恶化果呼唤保护环境回然实现持续发展绿色产品概念种呼声中应运生绿色产品指低耗低材耗低污染舒适协调生利产品设计制造销毁时应符合环保类健康求机电体化产品绿色化指时污染生态环境产品寿命结束时产品分解生利
10光机电体化
般机电体化系统传感系统源系统信息处理系统机械结构等部件组成引进光学技术实现光学技术先天优点效改进机电体化系统传感系统源(动力)系统信息处理系统光机电体化机电产品发展重趋
11律分配系统化——柔性化
未机电体化产品控制执行系统足够冗余度较强柔性较应付突发事件设计成律分配系统律分配系统中子系统相互独立工作子系统总系统服务时具身律性根环境条件作出反应特征子系统产生身信息附加信息总前提具体行动改变样明显增加系统适应力(柔性)某子系统障影响整系统
12全息系统化——智化
机电体化产品全息特征越越明显智化水越越高收益模糊技术信息技术(尤软件芯片技术)发展外系统层次结构变简单形势复杂较冗余度双联系
13生物软件化—仿生物系统化
机电体化装置信息性结构处静态时稳定动态(工作)时稳定点类似活生物摘：控制系统(脑)停止工作时生物便死亡控制系统(脑)工作时生物活力仿生学探究领域中已发现生物体优良机构机电体化产品提供新型机体新型机体具活生命深入探究探究领域称生物——软件生物系统生物特征硬 件(肌体)——软件(脑)体分割机电体化产品然生物系统化发展趋段漫长道路走
14微型机电化——微型化
目前利半导体器件制造程中蚀刻技术实验室中已制造出亚微米级机械元件成果实际产品时没必区分机械部分控制器届时机械电子完全融合机体执行机构传感器CPU等集成起体积组成种律元件种微型机械学机电体化重发展方
第2章 机电体化中电动执行机构硬件设计工作原理
电动执行机构控制系统原理框图图21示智执行机构结构分控制部分执行驱动部分
控制部分单片机PWM波发生器IPM逆变器ADDA转换模块整流模块输入输出通道障检测报警电路等组成执行驱动部分包括三相伺报电机位置传感器
21 系统工作原理
霍尔电流电压传感器位置传感器检测逆变模块三相输出电流电压阀门位置信号AD转换送入单片机单片机通8255控制PWM波发生器产生PWM波光电耦合作逆变模块IPM实现电机变频调速阀位控制逆变模块工作时需直流电压信号整流电路380V电源进行全桥整流
22 控制系统功元件选型设计
1)单片机 选INTEL公司生产8031单片机通行8255口担负控制系统信号处理：接收系统转矩阀门开启关闭阀门开度等设定信号提供三相PWM波发生器需控制信号处理IPM发出障信号报警信号处理通模拟输入口接收电流电压位置等检测信号提供显示电动执行机构工作状态信号执行控制系统控制信号控制系统反馈信号
2)三相PWM波发生器 PWM波产生通常模拟数字两种方法模拟法电路复杂温漂现象精度低限制系统性数字法数字模型计算机算出切换点存入存然通查表必计算产生PWM波种方法占存较保证系统精度满足智功率模块需PWM波控制信号保证微处理器足够时间进行整系统检测保护控制等功文中选MITEL公司生产SA8282作三相PWM发生器SA8282专规模集成电路具独立标准微处理器接口芯片部包含波形频率幅值等控制信息
3)智逆变模块IPM 满足执行机构体积性高求电机电源采智功率模块IPM该执行机构适功率5．5kW三相异步电机额定电压380V功率数0．75计算知选日产智功率模块PM50RSA120满足系统求该功率模块集功率开关驱动电路制动电路体置电流短路欠电压热保护报警输出种高性功率开关器件
4)位置检测电路 位置检测电路执行机构重组成部分功提供准确位置信号关键问题位置传感器选型传统电动执行机构中采绕线电位器差动变压器导电塑料电位器等绕线电位器寿命短淘汰差动变压器线性区太短温度特性理想受限制导电塑料电位器目前较流行触点寿命长精度高笔者采位置传感器脉数字式传感器种传感器触点具精度高线性区限制稳定性高温度限制等特点
5)电压电流检测 检测电压电流计算电机力矩变频器输出回路短路断相保护逆变模块障诊断变频器输出电流电压频率范围0～50Hz采常规电流电压互感器法满足求快速反映出电流采霍尔型电流互感器检测IPM输出三相电流IPM输出电压检测采分压电路图22示
6)通讯接口 实现计算机联网远程控制选MAX232作系统串行通讯接口MAX232部两完全相电转换电路8031串行口输出TTL电转换RS－232标准电微机送RS－232标准电转换成TTL电8031实现单片机微机间通讯
7)时钟电路 时钟电路提供采样控制周期速度计算时需时间日历文中选时钟电路DS12887DS12887部114字节户非易失性RAM存入需长期保存数
8)液晶显示单元 实现机话功选MGLS12832液晶显示模块组成显示电路采组态显示方式通菜单选择分阀门力矩限位电机通讯参数等信号进行设置调试采文字图形相结合方式显示直观清晰
9)程序出格恢复电路 保证强干扰程序出格时系统够动恢复正常选MAX705组成程序出格恢复电路监视程序运行图23示该电路MAX705非门微分电路组成
工作原理：旦程序出格WDO高变低微分电路作非门输入引脚2变高电引脚2电种变化非门输出正脉单片机产生次复位复位结束程序通P1．0口MAX705WDI引脚发正脉WDO引脚回高电程序出格恢复电路继续监视程序运行
第3章 机电体化中阀位速度控制原理
阀位速度控制原理框图图31示
采双环控制方案中环速度环外环位置环速度环前速度速度定发生器送设定速度相较通速度调节器改变PWM波发生器载波频率实现电机转速调节速度调节器采模糊神网络控制算法(具体容文叙述)
外环根前位置速度设定通速度定发生器环提供速度设定值流量阀执行机构运行程中存加速匀速减速等阶段阶段时间长短加速度位置开始匀速减速均定位置前位置运行速度关速度定发生器工作原理：通较实际阀位定阀位二者相等时恒定加速度加速减速点根前速度阀位值阀位定值计算
执行机构阶段运行速度计算原理
图32执行机构典型运行速度图干段变化速率折线组成曲线速率开始发生改变点称起始段点相应时间称段起始时间图32中t(i)(i＝012……)相应速度称段起始速度图32示vi)(i＝012…)
设第i段速度变化速率ki：
式中：Δv两段点间速度变化值Δv＝vi＋1－vi
Δt两段间时间Δt＝ti＋1－ti
显然ki＝0时恒速段ki＞0时升速段ki＜0时减速段意时刻速度定值：
Ts采样周期
变化速率ki取值定位置前位置运行速度确定
第4章 关键技术问题解决
该电动执行机构采新变频调速技术电机驱动功率5．5kW户根需设定力矩特性根控制阀设定速度速度分转式直行程角行程3种方式控制系统阀位定阀位反馈信号构成闭环系统控制特性视运行方式速度定具动流保护载保护超压欠压热缺相堵转等保护功
该执行机构解决关键性技术问题：
1)阀门柔性开关 柔性开关阀关闭全开时保证阀门卡死损伤执行机构部微处理器根测变频器输出电压电流通精确计算出输出力矩旦输出力矩达设定力矩动降低速度避免阀门部度撞击达优关闭实现力矩保护
2)阀位极限位置判断 阀位极限位置指全开全关位置传统执行机构中该位置检测通机械式限位开关获机械式限位开关精度低运行中易松动性差文中电动执行机构极限位置通检测位置信号增量获原理单片机次检测位置信号次检测信号相较果未发生变化变化较认达极限位置立切断异步电机供电电源保证阀门安全关闭全开省机械式限位开关需调试时进行复杂调整
3)电机保护实现 防止电机热烧毁单片机通温度传感器连续检测电机实际运行温度果温度传感器检测电机温度高动切断供电电源温度传感器置电机部
4)准确定位 传统电动执行机构异步电机通电会快达额定动作速度接停止位置时电机断电机械惯性阀门立停会出现程度超程超程通常采控制电机反转动校正机电体化流量电动执行机构根前位置定位置差值运行速度超前确定减速点位置减速段变化速率ki阀门较低速度实现精确微调定位超程降低
5)模拟信号隔离
变频器直流电压输出三相电压间址致存着较高模电压保证系统安全性必须彼相互隔离采LM3584N25组成隔离线性放电路图41示采±15V±12V两组独立正负电源运放A反相端电位扰动正偏离虚运放A输出端电位降低光电耦合器发光强度增强集射极电压减运放A反相端电位降低回正常状态A反相端电位负偏离虚重回正常状态增强系统抗干扰性
第5章 机电体化中继电器保护现状发展
51 继电保护发展现状
电力系统飞速发展继电保护断提出新求电子技术计算机技术通信技术飞速发展继电保护技术发展断注入新活力继电保护技术天独厚40余年时间里完成发展4历史阶段
建国国继电保护学科继电保护设计继电器制造工业继电保护技术队伍约10年时间里走先进国家半世纪走道路50年代国工程技术员创造性吸收消化掌握国外先进继电保护设备性运行技术［1］建成支具深厚继电保护理造诣丰富运行验继电保护技术队伍全国继电保护技术队伍建立成长起指导作阿城继电器厂引进消化时国外先进继电器制造技术建立国继电器制造业60年代中国已建成继电保护研究设计制造运行教学完整体系机电式继电保护繁荣时代国继电保护技术发展奠定坚实基础
50年代末晶体继电保护已开始研究60年代中80年代中晶体继电保护蓬勃发展广泛采时代中天津学南京电力动化设备厂合作研究500kV晶体方高频保护南京电力动化研究院研制晶体高频闭锁距离保护运行葛洲坝500 kV线路［2］结束500kV线路保护完全国外进口时代
期间70年代中基集成运算放器集成电路保护已开始研究80年代末集成电路保护已形成完整系列逐渐取代晶体保护90年代初集成电路保护研制生产应处导位集成电路保护时代方面南京电力动化研究院研制集成电路工频变化量方高频保护起重作［3］天津学南京电力动化设备厂合作研制集成电路相电压补偿式方高频保护条220kV500kV线路运行
国70年代末已开始计算机继电保护研究［4］高等院校科研院起着先导作华中理工学东南学华北电力学院西安交通学天津学海交通学重庆学南京电力动化研究院相继研制原理型式微机保护装置1984年原华北电力学院研制输电线路微机保护装置首先通鉴定系统中获应［5］揭开国继电保护发展史新页微机保护推广开辟道路设备保护方面东南学华中理工学研制发电机失磁保护发电机保护发电机变压器组保护相继19891994年通鉴定投入运行南京电力动化研究院研制微机线路保护装置1991年通鉴定天津学南京电力动化设备厂合作研制微机相电压补偿式方高频保护西安交通学许昌继电器厂合作研制正序障分量方高频保护相继19931996年通鉴定原理机型微机线路设备保护具特色电力系统提供批新代性优良功齐全工作继电保护装置着微机保护装置研究微机保护软件算法等方面取理成果说90年代开始国继电保护技术已进入微机保护时代
52 继电保护未发展
继电保护技术未趋势计算机化网络化智化保护控制测量数通信体化发展
521 计算机化
着计算机硬件迅猛发展微机保护硬件断发展原华北电力学院研制微机线路保护硬件已历3发展阶段：8位单CPU结构微机保护问世5年时间发展CPU结构发展总线出模块模块结构性提高广泛应华中理工学研制微机保护8位CPU发展工控机核心部分基础32位微机保护
南京电力动化研究院开始研制16位CPU基础微机线路保护已面积推广目前研究32位保护硬件系统东南学研制微机设备保护硬件次改进提高天津学开始研制16位CPU基础微机线路保护1988年开始研究32位数字信号处理器(DSP)基础保护控制测量体化微机装置目前已珠海晋电动化设备公司合作研制成种功齐全32位模块模块型计算机采32位微机芯片非着眼精度精度受AD转换器分辨率限制超16位时转换速度成方面难接受更重32位微机芯片具高集成度高工作频率计算速度寻址空间丰富指令系统较输入输出口CPU寄存器数总线址总线32位具存储器理功存储器保护功务转换功高速缓存(Cache)浮点数部件集成CPU
电力系统微机保护求断提高保护基功外应具容量障信息数长期存放空间快速数处理功强通信力保护控制装置调度联网享全系统数信息网络资源力高级语言编程等求微机保护装置具相台PC机功计算机保护发展初期设想台型计算机作成继电保护装置时型机体积成高性差设想现实现微机保护装置相似工控机功速度存储容量超年型机成套工控机作成继电保护时机已成熟微机保护发展方天津学已研制成微机保护装置结构完全相种工控机加改造作成继电保护装置种装置优点：(1)具486PC机全部功满足前未微机保护种功求(2)尺寸结构目前微机保护装置相似工艺精良防震防热防电磁干扰力强运行非常恶劣工作环境成接受(3)采STD总线PC总线硬件模块化保护意选模块配置灵活容易扩展
继电保护装置微机化计算机化逆转发展趋势更满足电力系统求进步提高继电保护性取更济效益社会效益尚须进行具体深入研究＼
522 网络化
计算机网络作信息数通信工具已成信息时代技术支柱类生产社会生活面貌发生根变化深刻影响着工业领域工业领域提供强力通信手段目前止差动保护联保护外继电保护装置反应保护安装处电气量继电保护作限切障元件缩事影响范围缺乏强力数通信手段国外早已提出系统保护概念时指安全动装置继电保护作限切障元件限制事影响范围(首务)保证全系统安全稳定运行求保护单元享全系统运行障信息数保护单元重合闸装置分析信息数基础协调动作确保系统安全稳定运行显然实现种系统保护基条件全系统设备保护装置计算机网络联接起实现微机保护装置网络化前技术条件完全
般非系统保护实现保护装置计算机联网处继电保护装置够系统障信息愈障性质障位置判断障距离检测愈准确适应保护原理研究已长时间取定成果真正实现保护系统运行方式障状态适应必须获更系统运行障信息实现保护计算机网络化做点
某保护装置实现计算机联网提高保护性天津学1993年针未三峡水电站500kV超高压回路母线提出种分布式母线保护原理［6］初步研制成功种装置原理传统集中式母线保护分散成干(保护母线回路数相)母线保护单元分散装设回路保护屏保护单元计算机网络联接起保护单元输入回路电流量转换成数字量通计算机网络传送回路保护单元保护单元根回路电流量计算机网络获回路电流量进行母线差动保护计算果计算结果证明母线部障跳开回路断路器障母线隔离母线区外障时保护单元计算外部障均动作种计算机网络实现分布式母线保护原理传统集中式母线保护原理较高性果保护单元受干扰计算错误误动时错误跳开回路会造成母线整切恶性事象三峡电站具超高压母线系统枢纽非常重
述知微机保护装置网络化提高保护性性微机保护发展必然趋势
523 保护控制测量数通信体化
实现继电保护计算机化网络化条件保护装置实际台高性功计算机整电力系统计算机网络智终端网获取电力系统运行障信息数获保护元件信息数传送网络控制中心终端微机保护装置完成继电保护功障正常运行情况完成测量控制数通信功实现保护控制测量数通信体化
目前测量保护控制需室外变电站设备变压器线路等二次电压电流必须控制电缆引控室敷设量控制电缆量投资二次回路非常复杂果述保护控制测量数通信体化计算机装置安装室外变电站保护设备旁保护设备电压电流量装置转换成数字量通计算机网络送控室免量控制电缆果光纤作网络传输介质免电磁干扰现光电流互感器(OTA)光电压互感器(OTV)已研究试验阶段必然电力系统中应采OTAOTV情况保护装置应放距OTAOTV方应放保护设备附OTAOTV光信号输入体化装置中转换成电信号方面作保护计算判断方面作测量量通网络送控室控室通网络保护设备操作控制命令送体化装置体化装置执行断路器操作1992年天津学提出保护控制测量通信体化问题研制TMS320C25数字信号处理器(DSP)基础保护控制测量数通信体化装置
524 智化
年工智技术神网络遗传算法进化规划模糊逻辑等电力系统领域应继电保护领域应研究已开始［7］神网络种非线性映射方法难列出方程式难求解复杂非线性问题应神网络方法迎刃解例输电线两侧系统电势角度摆开情况发生渡电阻短路非线性问题距离保护难正确作出障位置判造成误动拒动果神网络方法量障样训练样集中充分考虑种情况发生障时正确判遗传算法进化规划等独特求解复杂问题力工智方法适结合求解速度更快天津学1996年起进行神网络式继电保护研究已取初步成果［8］预见工智技术继电保护领域必会应解决常规方法难解决问题
结束语
机电体化控制中该执行机构集微机技术执行器技术体种新型终端控制单元电机通部集成体化变频器控制台智执行机构定范围具运行速度关断力矩该智执行机构采液晶显示技术利置液晶显示板仅显示阀门开关状态正常运行时阀门开度通菜单选择运行参数设定系统出现障时显示出障信息总该执行机构集测量决断执行3种功体应电动执行机构发展趋势研制成功电动执行机构研究开发提供新思路建国国电力系统继电保护技术历4时代着电力系统高速发展计算机技术通信技术进步继电保护技术面着进步发展趋势国外继电保护技术发展趋势：计算机化网络化保护控制测量数通信体化工智化继电保护工作者提出艰巨务开辟活动广阔天发展机电体化开发生产关机电体化产品机电体化产品功强性质量高成低具柔性根市场需户反映时产品结构生产程做必调整改革须改换设备时传统机械工业注入新鲜血液带新活力机械生产繁重体力劳动中解脱出实现文明生产
参考文献
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