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国内智能电器的现状与发展趋势
点击次数:1797 发布时间:2014-06-01

      1、智能电器

微处理机和计算机技术引入电器设备,一方面使电器设备具有智能化的功能,另一方面使开关电器,包括智能化断路器和智能化电动机控制器实现与中央控制计算机双向通讯。进入20世纪90年代,随着计算机信息网络的发展,配电系统和电动机控制中心已形成了智能化监控、保护与信息网络系统。 

智能化断路器与电动机控制器是开关柜和电动机控制中心实现智能化的主要电器元件。微处理器引入断路器,首先使断路器的保护功能大大增强。诸如:它的三段保护特性中的短延时可设置成I2t特性,以使与后一级保护更好地匹配;接地保护可实现选择性,对断续的电弧接地故障可带记忆功能。

目前自动化控制中使用大量的软起动器、电力电子调速装置和不间断电源等,这些装置都会使配电系统产生高次谐波,而模拟式电子脱扣器一般反映故障电流的峰值,因而电源的高次谐波会造成断路器的误动作。而带微处理器的智能化断路器的中央处理单元能准确反映负载电流真实的有效值(RMS值),它的采样和保持电路能消除输入信号中的高次谐波,因而能避免高次谐波造成的误动作。

智能化过载继电器与传统的双金属热继电器相比,具有一系列的优点,它能保护多种起动条件的电动机,具有很高的动作可靠性。它不但可保护电动机过载与断相,并可保护接地、三相不平衡、反相或低电流等。在智能化电动机保护继电器基础上进一步开发的智能电动机控制器,兼有监控、保护和通讯的功能。

由智能电器单元与中央控制计算机组成的网络系统与传统的配电系统与电动机控制中心相比有以下优点:实现中央计算机集中控制,提高了配电系统自动化程度;使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。由于采用数字化的新型监控元件,使配电系统和控制中心向上提供信息量大幅度增加;监控元件和传统的指示和指令电器相比较,接线简单、便于安装,提高了工作的可靠性;可以实现数据共享,减少信息重复和信息通道。

2、可通讯电器与信息电器

网络通讯的发展,要求用户和设备之间的开放性和兼容,因而制定一个统一的通行协议是亟待解决的一个关键问题。目前由智能化电器与中央计算机通过接口构成的自动化通讯网络正从集中式控制向分布式控制发展。现场总线技术的出现,不但为构造分布式计算机控制系统提供条件,并且它即插即用,扩充性好,维护方便,因而目前这种技术成为国内外关注的焦点。

现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字化、开放的双向的局部通信网络。现场总线种类很多,比较有影响的有:CAN、Lonworks和Profibus等。它们各有特点和优势,在不同领域有不同的应用价值。但也正是现场总线技术多种多样和通讯标准,给这种技术的发展带来不利的影响。目前国际电工委员会和现场总线基金会正致力于现场总线标准的统一,我国有些单位也在做这方面工作,我们把基于现场总线技术,具有通信功能的电器称为可通讯电器。

目前现场总线技术正向上下两端延伸,其上端和企业网络的主干Ethernet、Intranet和Internet等通讯,其下端延伸到工业控制现场区域。这方面有西门子公司的AS接口和罗克威尔公司的Devicenet两种总线系统,这两种总线应用于低层区域,是一种低成本的通信连接,它把工业控制用的传感器和执行器,包括限位开关,光电传感器,电动机起动器、按钮指示灯、多功能继电器等简单的控制元件作为从设备连接到网络,与作为主设备的控制计算机或可编程逻辑控制器(PLC)进行通信。传统的继电器、接触器控制系统的触点转换信息变成二进制数字信息通过串行接口和寻址进行通信,这使传统的控制元件也有了革命性的变革,例如西门子AS总线系统中应用的Logo多功能继电器实际上是一个小型的PLC,它能起延时、闩锁、记数器和脉冲继电器等功能。

使智能电器进一步实现信息化,是使智能电器在现场级实现Internet/Intranet功能,其技术核心是实现TCP/IP协议。把TCP/IP协议嵌入到智能电器的ROM中,使得信号的收发都以TCP/IP方式进行,进一步发展智能电器的信息化功能。利用Internet/In-tranet功能,对现场的智能电器进行远程在线控制、编程和组态等,这使智能化电器进入了信息电器的新时代。

3、智能脱扣器

脱扣器的定义是随其功能不断变化的。在早期,脱扣器可定义为在大于额定电流值的过电流(故障电流)流通时使操作机构脱扣跳闸,从而达到使断路器自动分闸的机构。而随着过电压、欠电压脱扣器、分励脱扣器的发展,特别是现在脱扣器智能化、可通讯化的发展,脱扣器的功能是越来越强,附加功能也越来越多。上面简单的定义显然已不符合实际情况。

现在,我们把能使断路器实现对电气设备免受过载、短路、欠电压、过电压等故障的危害的各种保护功能的机构统称为脱扣器。而具备电路参数检测和信号处理的则称为电子式脱扣器;配置微处理器系统,而且能实现通信化的称为智能型脱扣器。

3.1脱扣器的现状

脱扣器是随着断路器的发展而发展的。我国90年代前的脱扣器产品以电磁式和热式为主,有少量的电子式和智能化的脱扣器产品。而国外在脱扣器的电子化和智能化研究和制造方面则走在前面,现在大约领先我国5~10年。

智能化脱扣器能使断路器具有更强大的功能。我国新研制开发的DW45系列等产品的脱扣器已具有与工控机、PLC等通讯的功能,能提供开关状态、三相电流、电压、功率因数、有功功率等参数。在通信化方面,各国都比较重视采用比较成熟的现场总线技术。我国当前主要采用FCS现场总线系统。

智能化脱扣器可实现过电流,电压和分励等传统脱扣器的功能。在硬件上,微处理器模块、辅助功能模块和执行单元都可以是相同的,对电流和电信号处理、显示等的不同,可以在软件设计里实现。另外,过电流保护功能需要配置过电流信号检测单元,而电压保护则需配置电源、整波滤波、稳压、欠压延时等单元,分励功能只须增加一个开关即可。

3.2智能脱扣器的发展趋势

根据国内外电器厂商已推向市场的新产品和研究动态来看,智能脱扣器具有以下发展趋势:

3.2.1

智能化脱扣器的产品化:即将智能脱扣器做成相对断路器独立的通用性的产品,使其使用范围不仅限于某种断路器,而且脱扣器的检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路器整个设备装配完成后才能进行,而脱扣器产品化以后,其测试可以独立于断路器进行,这使得整个断路器的测试程序大为简化,而测试时间也大为减少。

3.2.2

脱扣器的电子化:随着半导体集成技术,微电子和计算机技术的迅猛发展,智能脱扣器控制的能力越来越强,将从常规的电压、电流、功率等电参数的智能化检测与控制,发展到对诸如触头材料磨损量,灭弧室温升等非电参数的检测与控制等方面。

智能化和可通信化:智能化与电子化最大区别就是其采用了微处理器。从而具有应用软件,这样在硬件不变的情况下具备较大的适用性和升级能力,可通信化是在脱扣器产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片或电路,使脱扣器的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质(如现场总线、串口线等)与线路上的其它电气设备进行信息交流,以适应当前电气设备智能化及网络化的发展趋势,而采用现场总线则使技术上有了较统一的标准,也使得脱扣器测试、检测和维修等有了更多的参考数据。电气产品检测、工作电路的集成化甚至芯片化也是当前的趋势。

在我国,脱扣器可通信化的具体要求可体现为“四遥”—遥测、遥控、遥讯和遥调,这距离网络化能力还有很大的差距,但比较符合我国科研水平和经济水平。

3.2.4

模块化,通用性:模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处,诸如降低产品设计、制造和新产品开发的复杂性,增强了功能扩展,使维护方便,产品的市场应变能力强等。模块化设计及尺寸、零件等具有通用性,无论在生产者的设计、制造和技术继承等方面,还是在用户使用、维修中的作用及重要性,当前都已为多数人所认识。

另外,提高脱扣器的高可靠性、高稳定性,操作方便与安全方面也是其发展的主流趋势。对我国的产品,在材料和加工工艺,产品的外观和整体布局也是值得注意的方面。

智能脱扣器具有以上的这些功能和特点,一方面可以在同一台断路器上实现多种功能,使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性;另一方面可使断路器实现与中央控制计算机双向通讯,构成智能化的监控、保护、信息网络系统,使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能。

4、智能电器的关键技术

4.1检测和传感技术

线路上的电参数测量时,电压通常用电压传感器(变压器),而电流常用电流传感器(电流互感器),后者有实心和空心之分,两者各有利弊。采用实心电流互感器在小电流时线性度虽好,但大电流时铁心易于饱和,线性度差,测量范围小;采用空心电流互感器,线性度好,测量范围广,但在小电流时,信号较小,测量误差大。要提高小电流的测量精度,必须改变互感器线圈匝数,增加互感副边输出信号。但是小电流时,若副边输出信号过大,大电流时则信号难以采样,甚至破坏电路的正常工作。因此,要提高小电流时的测量精度,同时兼顾电流的测量范围,实现全范围电流的精度测量。

另外,信号检测单元在采用适当的传感器后,还应采取各种信号放大器对电信号进行适当的放大,采取噪声滤波器进行噪声滤波等电路。此外,需要考虑的因素还有很多,如输入输出的特性、灵敏度、频率响应、时间常数、温度系数、测量范围等,是实现电器产品智能化的关键技术之一。

4.2微处理器及其接口技术

4.2.1

对微处理器的基本要求是具有硬件通用化、应用灵活化、记忆、计算、查表能力,指令系统适合实时控制、执行速度快等一系列优点,因为这是智能化电器的核心。目前微处理器已形成多系列、多品种局面,我国当前用得较多的是MCS—51系列,有10多种型号。

4.2.2

接口技术指微处理器与外围设备之间联系的技术,即包括硬件,也包括软件的技术。接口电路多种多样,常用的有微处理器通用接口,键盘、显示器接口、打印机接口,A/D、D/A接口等。

4.3应用软件设计技术

可以说软件是智能元件的灵魂,微处理器与数字电路的本质区别就在于它具有软件系统,很多硬件电路能实现的,软件也能做到,因此在硬件电路设计时,有时可以考虑用软件来部分或全部实现。

由于脱扣器的工作特点,快速反映对其工作性能的作用不言而喻,在加强传感器技术研究的前提下,采用先进的算法也是很有必要的。而且,为了能够早期检测增加的短路电流值,仅检测现在电流值是不够的,必须能够预测电流的变化趋势。可以通过观察相电流的一阶或多阶导数di(t)/dt获得,即对所预测情况的实际电流i(t)和它导数之间的联系进行跟踪。这也需要先进复杂的算法。

4.4抗干扰技术

智能化电器的发展,使电磁兼容性EMC变成越来越重要的问题。EMC要求包括两种含义:一方面要求智能电器在使用场合工作时,不受外界电磁干扰而引起误动作;而另一方面要求电器操作产生的电磁场不干扰附近的电子设备。目前国外对智能化电器和机电一体化产品的EMC问题非常重视,因为电磁干扰会引起这类系统失灵而误动作,会造成巨大的经济损失。智能化电器和其保护、监控系统把敏感的数字电器元件处于强电流及高电压电磁场中,使这些设备的电磁抗干扰能力在设备设计和运行中已成为不可忽视的因素,因而在国外智能化电器及其系统在设计初始阶段即制定严格的电磁兼容控制与管理计划。该计划主要包括产品或系统EMC分析,制定EMC设计技术指标、设计计划、标准、实施计划与测试方法等,并把这一计划作为产品或系统设计的重要一环,EMC分析和设计是为了达到EMC技术要求的关键工作,包括分析电子线路的辐射程度及抗干扰能力以及系统集成的电磁兼容性能;EMC设计包括电磁屏蔽、接地、导线间距的确定,以及考虑印刷电路板布线之间的电磁耦合等。目前随着高频电磁场数字分析和计算机硬件的发展,采用现代仿真技术取代传统的测试方法和经验分析方法,已在EMC分析中起到越来越大的作用。

电子电器的干扰来自各方面,有电气干扰,环境温度变化以及气压、振动、时间等各种因素,其中电气干扰是各类干扰中的主要因素。干扰通过各种线路侵入微处理器系统,也以场的形式从空间侵入微机系统,供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径。抗干扰有硬件抗干扰、软件抗干扰,也有软硬件相结合的措施。硬件抗干扰具有效率高的优点,但要增加系统的投资和设备的体积;软件抗干扰有投资低的优点,但要降低系统的效率,因此分析干扰源及干扰波的传播途径,合理选择抗干扰措施是智能化电器产品设计和应用的重要内容。

4.5可靠性技术

电子产品的可靠性涉及的范围很广,诸如元器件的可靠性、技术设计、工艺水平和技术管理等共同决定了电子产品的可靠性指标。提高产品的可靠性,必须掌握产品的失效规律,只有对产品的失效规律进行全面的了解,才能采取有效的措施来提高产品的可靠性。智能化电器产品在实现基本功能的基础上,还要实现很实用的辅助功能上。具体辅助功能如下:

1)电流电压显示功能;

2)对脱扣器各种参数的整定功能;

3)试验功能;自诊断功能;

4)通讯接口功能;

5)远端监控和诊断功能;

6)负载监控功能;

7)模拟功能等。

5、结论

综上所述,智能电器具有更强大的功能,而智能电器的发展趋势是依靠微处理器的运算能力,较好地实现智能电器功能,只要在参数检测和信号处理单元进行相应的参数设置,一个智能电器就可实现传统意义上的几个电器产品的功能。

多功能化是智能化产品的特点,而可通信化也是智能化电器的一个重要发展方向。具备通用的通讯接口,采用标准化的通信协议使其与其计算机联网构成监控、保护与信息网络,使智能电器在现场级实现In-ternet/Intranet功能。

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