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论述了机电一体化技术在改变机械制造业整体面貌中的重要作用，说明了其在钢铁工业中的应用和发展趋势。
关键词机电一体化技术应用
1机电一体化技术的发展
机电一体化是力学、微电子学、控制、计算机、信息处理等学科的交叉融合。它的发展和进步依赖于相关技术的进步和发展。其主要发展方向是数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、小型化、集成化、集成化和绿色化。
1.1数字化
微控制器及其发展为机电产品的数字化奠定了基础，如数控机床和机器人的不断发展；计算机网络的迅速兴起为数字化设计和制造铺平了道路，如虚拟设计和计算机集成制造。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、自诊断能力和友好的人机界面。数字化的实现将有利于远程操作、诊断和维修。
1.2智能
也就是说，要求机电产品具有一定的智能，使其具有逻辑思维、判断推理、独立决策等能力。如在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，将会给使用、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，为机电一体化技术的发展开辟了广阔的天地。
1.3模块化
由于机电一体化产品种类繁多，生产厂家众多，研究开发具有标准机械接口、电源接口和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。比如开发集减速和变频电机于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集成控制单元。这样，在产品开发和设计中，可以使用这些标准模块化单元来快速开发新产品。
1.4联网
由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监控技术方兴未艾。遥控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。利用家庭网络将各种家用电器连接成一个以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，人们可以在家里充分享受各种高科技带来的好处。所以机电一体化产品无疑应该向网络化发展。
1.5人性化
机电一体化产品的最终使用者是人。如何赋予机电一体化产品以人类的智能、情感和人性变得越来越重要。机电一体化产品除了完美的性能外，在色彩和造型上也要求与环境的和谐。使用这些产品对人们来说仍然是一种艺术享受。比如家用机器人的最高境界就是人机一体化。
1.6小型化
小型化是精细加工技术发展的必然，是提高效率的需要。微电子机械系统(micro-electronic mechanical systems，简称MEMS)是指可以批量制造，集成微机构、微传感器、微致动器、信号处理和控制电路，直到接口、通信和电源相等的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一台医用微探针和1988年美国加州大学伯克利分校研制出第一台微电机以来，国内外在MEMS技术、材料和微机械方面的研究取得了很大进展，开发出了各种MEMS器件和系统，如各种微传感器(压力传感器、微加速度计和微触觉传感器)和各种微元件(微元件)
1.7集成
集成不仅包括各种技术的相互渗透和集成以及各种产品不同结构的优化和复合，还包括生产过程中加工、装配、测试和管理的同步处理。为了实现多品种小批量生产的自动化和高效率，系统应该更加灵活。首先，系统可以分解成几个层次，使系统功能分散，各部分可以协调安全地运行。然后，通过软件和硬件把各个层次有机地联系起来，使其具有最好的性能和最强的功能。
1.8波段源
指自带能源的机电一体化产品，如太阳能电池、燃料电池、大容量电池等。因为电能在很多场合是用不到的，所以给运动中的机电一体化产品自带动力源有着独特的好处。带光源是机电一体化产品的发展方向之一。
1.9绿化
科技的发展给人们的生活带来了巨大的变化。在物质丰富的同时，也带来了资源减少、生态环境恶化的后果。因此，人们呼吁保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品的概念应运而生。绿色产品是指低能耗、低物耗、低污染、舒适、协调、可再生利用的产品。机电一体化产品的设计、制造、使用和销毁应当符合环境保护和人体健康的要求。机电一体化产品的绿色化主要是指在使用时不污染生态环境，产品在生命末期可以分解回收。
2机电一体化技术在钢铁企业中的应用
在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理器为基础，将微型计算机、工业计算机、数据通信、显示装置、仪表等技术有机地结合起来，采用组装合并的方法，为大型工程系统的综合集成创造了有力的条件，增强了系统的控制精度、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智能控制技术(集成电路)
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，因此采用智能控制技术是非常必要的。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、设备和产品质量诊断等方面，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)
分布式控制系统使用一台中央计算机来指挥多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、三级或更多级。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。它不仅可以实现生产过程的控制，还可以实现生产过程的在线优化、实时调度和生产计划的统计管理等功能，成为一个集测量、控制和管理于一体的系统。DCS具有控制功能多样化、操作简单、系统可扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS集中监视，分散控制，故障影响区域小。此外，系统具有联锁保护功能，并采用系统故障控制的手动操作措施，使系统具有高可靠性。与集中控制系统相比，分布式控制系统具有更强的功能和更高的安全性。是目前大型机电一体化系统的主要趋势。
2.3开放式控制系统(OCS)
开放式控制系统是随着计算机技术的发展而引入的结构系统新概念。“开放性”是指对标准信息交换规则的了解和支持。按照该标准设计的系统可以实现不同厂商产品的兼容和互换，资源可以共享。开放式控制系统通过工业通信网络将各种控制设备和管理计算机互联，实现控制与管理、管理与决策的一体化，通过现场总线将控制室中的现场仪表和控制设备互联，实现测控一体化。
2.4计算机集成制造系统(CIMS)
钢铁企业的CIMS将人与生产管理、生产管理和过程控制融为一体，实现从原料进厂、生产加工到产品交付的整个生产过程的全面集成控制。目前，钢铁企业基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”的单机自动化缺乏信息资源的享用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将是多品种小批量生产、质优价廉、交货及时。为了提高生产率，节能降耗，减少人员和现有库存，加速资金周转，实现生产经营管理的整体优化，关键是要加强管理，获得必要的经济效益，提高企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已经普遍实现了CIMS。
2.5现场总线技术(FBT)
现场总线技术是一种数字、双向、多站通信链路，连接现场的仪表组和控制室的控制设备组。用现场总线技术代替目前的信号传输技术(如4 ~ 20 mA、DC传输)，可以使更多的信息在同一通信介质上，在智能现场仪表装置和上级控制系统之间双向传输。通过现场总线连接，可以省略66%或更多的现场信号连接线。现场总线的引入导致了DCS的变革，围绕开放式自动化系统发展出新一代的现场总线仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线检测仪表、现场总线PLC(可编程逻辑控制器)和现场就地控制站。
2.6交流驱动技术
传动技术在钢铁工业中起着至关重要的作用。随着电力电子和微电子技术的发展，交流调速技术发展非常迅速。由于交流传动的优越性，DC传动将在不久的将来被交流传动完全取代。随着数字技术的发展，复合矢量控制技术已经实现了实际应用，交流调速系统的调速性能已经达到或超过了DC调速的水平。目前无论是大容量电机还是中小容量电机，都可以采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，应用范围不断扩大。
参考
1杨子厚。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的特色与建筑研究[J].冶金自动化，1996(4)
3唐淮滨。工业控制的进展与趋势[J].自动化和仪器仪表，1996(4)
4王。智能控制[M]。合肥:中国科学技术大学出版社，1996。
5林杏欣。钢铁工业自动化的进展与展望[J].河北冶金，1998(1)
6阴。光机电一体化实用技术[M]。北京化学工业出版社2003
7瑞延年。机电一体化系统设计[M]。北京:机械工业出版社，2004。
电机功率转换原理
简介:
关于电机调速本质的讨论是关系到现代交流调速发展的重要理论问题。随着变频调速矢量控制、直接转矩控制等现代调速理论的引入和实践，许多相关文献和著作已经认识到调速转矩控制是调速的普遍规律，并提出调速的本质和关键在于电磁转矩控制。但是，这种观点仍然缺乏理论和实践的证明，值得商榷。
根据电机功率转换的一般原理，提出并证明了恒转矩调速的本质在于电机的轴功率控制，调速是功率控制的响应，其关键是如何通过电功率控制轴功率。
一、功率控制和扭矩控制
根据机电能量转换原理，所有电机都可以分为两个功能部分:主磁极和电枢。主磁极的作用是建立主磁场，电枢与磁场相互作用，将电磁功率转化为轴功率。
DC电机的主极和电枢不仅结构鲜明，而且功能独立，无疑符合上述定义。交流(异步)电机通常由定子和转子组成，需要说明。
根据电枢的定义，异步电机的轴功率是由转子产生的，所以异步电机真正的电枢是转子。问题出在定子上。一方面，定子励磁产生主磁场，所以定子是主磁极。另一方面，定子通过电磁感应向电枢(转子)输送电磁功率，但不产生轴向功率，所以定子具有电枢的一些特性，我们这里称之为伪电枢。定子的这种复合功能是异步电机区别于DC电机的主要特征。
从电枢输出的角度来看，电机轴功率与电磁转矩机械转速的关系如下:
PM = mω(1)
或者ω = pm/m (2)
公式(2)不仅给出了电机转速与轴功率和电磁转矩之间的大小关系，还表明电机转速只能通过轴功率或电磁转矩的两种控制来调节，前者称为功率控制，后者称为转矩控制。
1.电源控制
功率控制以轴功率PM作为调速的主要控制变量，作用对象必须是电枢或伪电枢。当电磁转矩处于稳态时，它取决于负载转矩。
即m = mfz (3)
负载转矩一旦由客观工况确定，电磁转矩就唯一确定，因此电磁转矩不仅与速度控制无关，而且不能随意改变。
电磁转矩对速度的影响表现在调速的过渡过程中，转矩的变化是速度响应滞后的结果。此时功率控制引起电磁转矩响应。
设电机调速前的稳态转速为ω 1，轴功率为PM1，调速后的稳态转速为ω 2，对应的轴功率为PM2。由于电磁转矩:
m = PM/ω(4)
因此，当调节速度时，电磁转矩变成:
m = PM2/ω
由于惯性，t = 0时调速瞬间ω = ω 1，所以
m = PM2/ω1
t=0
此时电磁转矩会与原来的电磁转矩m 1 = pm 1/ω1不同，转矩平衡被破坏，产生动态转矩。在动态转矩的作用下，电机转速将开始从ω1过渡到ω2，其变化规律如下:
ω1 =(ω1-ω2)e-T/T+ω2(5)
电磁转矩为:m = PM2/(ω 1-ω 2) e-t/t+ω 2。
随着时间的增加，动态转矩降低，直到电磁转矩与新的负载转矩平衡，即:
m = PM2/ω2 = Mfz，
转速稳定在ω 2，电机调速结束。以上调速过程可以用1的框图来说明。
图1功率控制调速过程
功率控制作用于电枢，主磁场或磁通量保持不变。根据电机理论，电机的额定电磁转矩与主磁通成正比，受电枢最大载流能力的限制。所以功率控制调速时电机的额定电磁转矩输出能力保持不变，属于恒转矩调速。
2.扭矩控制
根据公式(2)，在轴输出功率不变的前提下，电机转速与电磁转矩成反比。由于电磁转矩受额定转矩的限制，只有在额定转矩以下才能实现转矩控制，所以属于恒功率调速。
电磁转矩的独立控制方法主要基于转矩公式:
M = cm φ MIS (DC机器)(6)
或m = cm φ mi2cosφ 2(交流电机)(7)
被控制的物理量是主磁通φ m，由于主磁通φ m产生于主磁极，所以转矩控制实际上就是磁场控制，作用对象是主磁极。转矩控制和速度调节还应确保稳态下的转矩平衡，即:
M=Mfz
因为调速平稳时电磁转矩是变化的，所以要求负载转矩适应电磁转矩的变化，即要求负载跟踪电机。
转矩控制其实就是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。由于本文重点是功率控制，我就不赘述了。
二、功率控制的方法和性能
电机调速的轴功率控制只能通过间接控制电功率来实现。以异步电机为例，图2所示为其等效三端口网络。
图二。异步电机的等效网络
其中，电枢(转子)不仅产生轴功率输出，还产生以感应电压u2和电流i2为参数的电功率响应。因为这个功率与转差率成正比，所以称为转差功率，其端口简称Ps端口。
如果电机转子为笼形，其绕组短路，Ps口闭合不可控。反之则是绕线，Ps口可控，转子可以通过Ps口输出或输入电功率。可以看出，控制异步电机的速度有两种方法。一种是通过伪电枢间接控制电枢的轴功率；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电机，后者适用于绕线式异步电机。
1.定子伪电枢功率控制。
图3。异步电机的定子功率控制和速度调节
作为伪电枢，从定子传递到电枢(转子)的电磁功率；
Pem=P1-△P1 (8)
电枢的轴功率为:
PM=Pem-△P2 (9)
所以pm = p 1-(△p 1+△p2)(10)。
可以看出，可以通过控制伪电枢P1的输入功率或增加其损耗△P1来控制电枢的轴功率，这显然是一种低效高损耗的调速方式，不应推荐。
P1的调速控制方式只有调压变频，也就是所谓的变频调速。由于:
p 1 = m 1u 1i 1 cosφ1(11)
因此，调节端电压U1进行电压供应是控制电源P1的必要手段。问题的关键是，为什么不单纯调压，而必须辅以变频？这是因为定子不仅具有伪电枢的功能，而且还作为主磁极。
如前所述，电源控制的要点是:
①保持主磁通不变。
②作用对象是甲胄或伪甲胄。
③控制目标是轴功率。
如果单纯调压而不改变频率，定子主磁极功能会受到严重影响。根据电机理论，作为主磁极，定子的主磁通:
φm = E/4.44 w 1kr 1f 1
=KE1/f1
≈KU1/f1 (12)
恒频调压的结果是主磁通φ m会随着U1的减小而减小，形成前面提到的转矩控制。更重要的是，此时功率P1没有得到控制，反而增加了电机损耗，完全违背了目的。
假设负载为恒转矩，则由转矩平衡方程可知，电磁转矩:
M = Mfz =常量
M = cm φ mi1cosφ 1。
= cmφmi 2 cosφ2(13)
假设功率因数不变，定子和转子电流I1和I2将随着主磁通φ m的减小而成正比增加，由此产生的功率P1保持不变，但定子和转子损耗为:
△p 1 = m 1I 12 r 1
△P2=m2I 222 r1
会按照电流的平方定律增加。根据公式(10)，虽然可以实现轴功率控制，但属于低效率、低损耗的调速。
因此，异步电机定子的功率控制和调速必须将定子的主磁极和伪电枢分开。对于同一个定子绕组，一方面保持主磁极产生的磁场稳定，同时控制传输到电枢的电磁功率。
因此建立了变频调速的一个重要原理，即调压变频，保证V/F(压频比)恒定，从而保证上述控制要求的实现。对了，现代变频调速的矢量控制其实也是遵循这个原理的。矢量控制的核心思想是分别控制磁场和转矩。认为调速的根本在于转矩，但实际上是磁场和电磁功率是自由的。虽然结果是正确的，但必须在理论上予以澄清。
2.转子功率控制
对于绕线转子异步电机的调速，可采用转差功率口-PS口直接控制轴功率。方法是从Ps端口移除或注入滑差功率。应该指出的是:
①所说的转差功率应该不同于经典电工学中的转子损耗转差功率。因此，后者称为转子损耗功率，记为△P2。
②滑差功率可分为电能和热能，分别记为Pes和Prs。它们的性质不同，对调速的影响也不同。
图4。异步电机的转子功率控制和速度调节
当转子Ps口引入电转差功率Pes时，转子轴功率为:
PM=(Pem Pes)-△P2 (14)
公式中，Pem是从定子传输到转子的电磁功率，电滑差功率负号表示从Ps口取出，正号表示从Ps口注入。Pes属于电力，所以和电磁动力结合在一起。结果，轴功率PM改变，并且相应地调节电机速度。
电转差功率调速的典型例子有串级调速和双馈调速。前者电转差功率为负，流向远离转子，实现额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，可以切除和注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。
当Ps端口引入热滑差功率Prs时，转子的轴功率为:
PM=Pem-(△P2+Prs) (15)
显然，热滑差功率的引入增加了电枢(转子)的损耗，轴功率随着Prs的增大而减小。典型的例子是异步电机转子的串联电阻调速。
第三，理想的空载速度、效率和机械功率控制特性
根据电机力学，电机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因为:
ω0 = Pem/M(16)
因为电磁转矩是由负载决定的，所以理想空载转速ω 0取决于一定负载条件下的电磁功率。
功率控制和速度调节的电枢功率可以综合表示为:
PM=∑Pem-∑p2 (17)
相应速度:
PM/M=∑Pem/M-∑p2/M (18)
Ω=Ω0-△Ω (19)
其中ω 0 = ∑ PEM/m是功率控制调速的理想空载转速，所以调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换句话说，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。△ω=∑p2/m为电机的速度降。这表明增加电枢损耗会增加电机的速度下降。
电机调速的效率表示为:
η=PM/(P1-∑pi)
=PM/(Pem-△P2)
所以在轴功率PM一定的输出条件下，电磁功率的调速是高效节能的调速，而损耗功率的调速必然是低效耗能的调速。
公式(18)还描述了功率控制和速度调节的机械特性。当电磁功率∑Pem连续变化时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随∑Pem连续变化，其机械特性为一系列平行曲线。当损耗增加，电磁功率不变时，电机的理想空载转速不变，只是速度降发生变化，其机械特性是一系列相交曲线。图5显示了两种速度调节的定性曲线。
图5 a .电磁功率调速特性b .降速调速特性
综上所述，我们可以得出以下结论:
①电磁功率控制调节理想空载转速，损耗功率控制调节转速下降。
②电磁功率控制是一种高效节能的调速方式，其机械特性必须是平行曲线族。损耗功率控制属于低效率能耗调速，其力学特性必然是一系列相交曲线。
四、异步电机调速的分类和方法
与n = 60F1/p (1-s)的表达式不同，根据本文所述的电机调速的功率控制理论，异步电机的调速可分为以下几种:
属性/方案控制点/变量法要点
动词 （verb的缩写）结论
1.电机调速的基本原理有两个，一个是轴功率控制，一个是转矩控制。转矩控制其实就是磁场控制，适合恒功率调节。
2.轴功率控制的对象是电枢或伪电枢，只能通过电功率控制来实现。其中电磁功率调节理想空载转速，损耗功率改变转速降。前者高效节能，后者低效耗能，因此决定了它们的力学特性。
3.轴功率控制的调速具有恒转矩的特点，电磁转矩的变化是由速度响应的滞后引起的。调速平稳时，电磁转矩只取决于负载，与控制无关。
4.变频调速和电转差功率控制调速都属于电磁功率控制调速，性能是一样的，没有本质区别。