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國內智能電器的現狀與發展趨勢
欄目:行業動態 發布時間:2018-06-05

  1、智能電器

微處理機和計算機技術引入電器設備,一方面使電器設備具有智能化的功能,另一方面使開關電器,包括智能化斷路器和智能化電動機控制器實現與中央控制計算機雙向通訊。進入20世紀90年代,隨著計算機信息網絡的發展,配電系統和電動機控制中心已形成了智能化監控、保護與信息網絡系統。 

智能化斷路器與電動機控制器是開關柜和電動機控制中心實現智能化的主要電器元件。微處理器引入斷路器,首先使斷路器的保護功能大大增強。諸如:它的三段保護特性中的短延時可設置成I2t特性,以使與后一級保護更好地匹配;接地保護可實現選擇性,對斷續的電弧接地故障可帶記憶功能。

目前自動化控制中使用大量的軟啟動器、電力電子調速裝置和不間斷電源等,這些裝置都會使配電系統產生高次諧波,而模擬式電子脫扣器一般反映故障電流的峰值,因而電源的高次諧波會造成斷路器的誤動作。而帶微處理器的智能化斷路器的中央處理單元能準確反映負載電流真實的有效值(RMS值),它的采樣和保持電路能消除輸入信號中的高次諧波,因而能避免高次諧波造成的誤動作。

智能化過載繼電器與傳統的雙金屬熱繼電器相比,具有一系列的優點,它能保護多種起動條件的電動機,具有很高的動作可靠性。它不但可保護電動機過載與斷相,并可保護接地、三相不平衡、反相或低電流等。在智能化電動機保護繼電器基礎上進一步開發的智能電動機控制器,兼有監控、保護和通訊的功能。

由智能電器單元與中央控制計算機組成的網絡系統與傳統的配電系統與電動機控制中心相比有以下優點:實現中央計算機集中控制,提高了配電系統自動化程度;使配電、控制系統的調度和維護達到新的水平。由于采用數字化的新型監控元件,使配電系統和控制中心向上提供信息量大幅度增加;監控元件和傳統的指示和指令電器相比較,接線簡單、便于安裝,提高了工作的可靠性;可以實現數據共享,減少信息重復和信息通道。

2、可通訊電器與信息電器

網絡通訊的發展,要求用戶和設備之間的開放性和兼容,因而制定一個統一的通行協議是亟待解決的一個關鍵問題。目前由智能化電器與中央計算機通過接口構成的自動化通訊網絡正從集中式控制向分布式控制發展。現場總線技術的出現,不但為構造分布式計算機控制系統提供條件,并且它即插即用,擴充性好,維護方便,因而目前這種技術成為國內外關注的焦點。

現場總線是連接智能化現場設備和控制室之間全數字化、開放的雙向的局部通信網絡。現場總線種類很多,比較有影響的有:CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點和優勢,在不同領域有不同的應用價值。但也正是現場總線技術多種多樣和通訊標準,給這種技術的發展帶來不利的影響。目前國際電工委員會和現場總線基金會正致力于現場總線標準的統一,我國有些單位也在做這方面工作,我們把基于現場總線技術,具有通信功能的電器稱為可通訊電器。

目前現場總線技術正向上下兩端延伸,其上端和企業網絡的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊,其下端延伸到工業控制現場區域。這方面有西門子公司的AS接口和羅克威爾公司的Devicenet兩種總線系統,這兩種總線應用于低層區域,是一種低成本的通信連接,它把工業控制用的傳感器和執行器,包括限位開關,光電傳感器,電動機起動器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡單的控制元件作為從設備連接到網絡,與作為主設備的控制計算機或可編程邏輯控制器(PLC)進行通信。傳統的繼電器、接觸器控制系統的觸點轉換信息變成二進制數字信息通過串行接口和尋址進行通信,這使傳統的控制元件也有了革命性的變革,例如西門子AS總線系統中應用的Logo多功能繼電器實際上是一個小型的PLC,它能起延時、閂鎖、記數器和脈沖繼電器等功能。

使智能電器進一步實現信息化,是使智能電器在現場級實現Internet/Intranet功能,其技術核心是實現TCP/IP協議。把TCP/IP協議嵌入到智能電器的ROM中,使得信號的收發都以TCP/IP方式進行,進一步發展智能電器的信息化功能。利用Internet/In-tranet功能,對現場的智能電器進行遠程在線控制、編程和組態等,這使智能化電器進入了信息電器的新時代。

3、智能脫扣器

脫扣器的定義是隨其功能不斷變化的。在早期,脫扣器可定義為在大于額定電流值的過電流(故障電流)流通時使操作機構脫扣跳閘,從而達到使斷路器自動分閘的機構。而隨著過電壓、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器的發展,特別是現在脫扣器智能化、可通訊化的發展,脫扣器的功能是越來越強,附加功能也越來越多。上面簡單的定義顯然已不符合實際情況。

現在,我們把能使斷路器實現對電氣設備免受過載、短路、欠電壓、過電壓等故障的危害的各種保護功能的機構統稱為脫扣器。而具備電路參數檢測和信號處理的則稱為電子式脫扣器;配置微處理器系統,而且能實現通信化的稱為智能型脫扣器。

3.1脫扣器的現狀

脫扣器是隨著斷路器的發展而發展的。我國90年代前的脫扣器產品以電磁式和熱式為主,有少量的電子式和智能化的脫扣器產品。而國外在脫扣器的電子化和智能化研究和制造方面則走在前面,現在大約領先我國5~10年。

智能化脫扣器能使斷路器具有更強大的功能。我國新研制開發的DW45系列等產品的脫扣器已具有與工控機、PLC等通訊的功能,能提供開關狀態、三相電流、電壓、功率因數、有功功率等參數。在通信化方面,各國都比較重視采用比較成熟的現場總線技術。我國當前主要采用FCS現場總線系統。

智能化脫扣器可實現過電流,電壓和分勵等傳統脫扣器的功能。在硬件上,微處理器模塊、輔助功能模塊和執行單元都可以是相同的,對電流和電信號處理、顯示等的不同,可以在軟件設計里實現。另外,過電流保護功能需要配置過電流信號檢測單元,而電壓保護則需配置電源、整波濾波、穩壓、欠壓延時等單元,分勵功能只須增加一個開關即可。

3.2智能脫扣器的發展趨勢

根據國內外電器廠商已推向市場的新產品和研究動態來看,智能脫扣器具有以下發展趨勢:

3.2.1

智能化脫扣器的產品化:即將智能脫扣器做成相對斷路器獨立的通用性的產品,使其使用范圍不僅限于某種斷路器,而且脫扣器的檢測和維修也會相對簡單。以前斷路器產品的測試必須在斷路器整個設備裝配完成后才能進行,而脫扣器產品化以后,其測試可以獨立于斷路器進行,這使得整個斷路器的測試程序大為簡化,而測試時間也大為減少。

3.2.2

脫扣器的電子化:隨著半導體集成技術,微電子和計算機技術的迅猛發展,智能脫扣器控制的能力越來越強,將從常規的電壓、電流、功率等電參數的智能化檢測與控制,發展到對諸如觸頭材料磨損量,滅弧室溫升等非電參數的檢測與控制等方面。

智能化和可通信化:智能化與電子化最大區別就是其采用了微處理器。從而具有應用軟件,這樣在硬件不變的情況下具備較大的適用性和升級能力,可通信化是在脫扣器產品中加入相關的檢測、判斷和通信等芯片或電路,使脫扣器的各種狀態和工作參數能較好地通過傳輸媒質(如現場總線、串口線等)與線路上的其它電氣設備進行信息交流,以適應當前電氣設備智能化及網絡化的發展趨勢,而采用現場總線則使技術上有了較統一的標準,也使得脫扣器測試、檢測和維修等有了更多的參考數據。電氣產品檢測、工作電路的集成化甚至芯片化也是當前的趨勢。

在我國,脫扣器可通信化的具體要求可體現為“四遙”—遙測、遙控、遙訊和遙調,這距離網絡化能力還有很大的差距,但比較符合我國科研水平和經濟水平。

3.2.4

模塊化,通用性:模塊結構給產品設計、制造及市場適應能力帶來了許多好處,諸如降低產品設計、制造和新產品開發的復雜性,增強了功能擴展,使維護方便,產品的市場應變能力強等。模塊化設計及尺寸、零件等具有通用性,無論在生產者的設計、制造和技術繼承等方面,還是在用戶使用、維修中的作用及重要性,當前都已為多數人所認識。

另外,提高脫扣器的高可靠性、高穩定性,操作方便與安全方面也是其發展的主流趨勢。對我國的產品,在材料和加工工藝,產品的外觀和整體布局也是值得注意的方面。

智能脫扣器具有以上的這些功能和特點,一方面可以在同一臺斷路器上實現多種功能,使單一的動作特性有可能做到一種保護功能多種動作特性;另一方面可使斷路器實現與中央控制計算機雙向通訊,構成智能化的監控、保護、信息網絡系統,使斷路器從基本保護功能發展到智能化的保護功能。

4、智能電器的關鍵技術

4.1檢測和傳感技術

線路上的電參數測量時,電壓通常用電壓傳感器(變壓器),而電流常用電流傳感器(電流互感器),后者有實心和空心之分,兩者各有利弊。采用實心電流互感器在小電流時線性度雖好,但大電流時鐵心易于飽和,線性度差,測量范圍小;采用空心電流互感器,線性度好,測量范圍廣,但在小電流時,信號較小,測量誤差大。要提高小電流的測量精度,必須改變互感器線圈匝數,增加互感副邊輸出信號。但是小電流時,若副邊輸出信號過大,大電流時則信號難以采樣,甚至破壞電路的正常工作。因此,要提高小電流時的測量精度,同時兼顧電流的測量范圍,實現全范圍電流的精度測量。

另外,信號檢測單元在采用適當的傳感器后,還應采取各種信號放大器對電信號進行適當的放大,采取噪聲濾波器進行噪聲濾波等電路。此外,需要考慮的因素還有很多,如輸入輸出的特性、靈敏度、頻率響應、時間常數、溫度系數、測量范圍等,是實現電器產品智能化的關鍵技術之一。

4.2微處理器及其接口技術

4.2.1

對微處理器的基本要求是具有硬件通用化、應用靈活化、記憶、計算、查表能力,指令系統適合實時控制、執行速度快等一系列優點,因為這是智能化電器的核心。目前微處理器已形成多系列、多品種局面,我國當前用得較多的是MCS—51系列,有10多種型號。

4.2.2

接口技術指微處理器與外圍設備之間聯系的技術,即包括硬件,也包括軟件的技術。接口電路多種多樣,常用的有微處理器通用接口,鍵盤、顯示器接口、打印機接口,A/D、D/A接口等。

4.3應用軟件設計技術

可以說軟件是智能元件的靈魂,微處理器與數字電路的本質區別就在于它具有軟件系統,很多硬件電路能實現的,軟件也能做到,因此在硬件電路設計時,有時可以考慮用軟件來部分或全部實現。

由于脫扣器的工作特點,快速反映對其工作性能的作用不言而喻,在加強傳感器技術研究的前提下,采用先進的算法也是很有必要的。而且,為了能夠早期檢測增加的短路電流值,僅檢測現在電流值是不夠的,必須能夠預測電流的變化趨勢。可以通過觀察相電流的一階或多階導數di(t)/dt獲得,即對所預測情況的實際電流i(t)和它導數之間的聯系進行跟蹤。這也需要先進復雜的算法。

4.4抗干擾技術

智能化電器的發展,使電磁兼容性EMC變成越來越重要的問題。EMC要求包括兩種含義:一方面要求智能電器在使用場合工作時,不受外界電磁干擾而引起誤動作;而另一方面要求電器操作產生的電磁場不干擾附近的電子設備。目前國外對智能化電器和機電一體化產品的EMC問題非常重視,因為電磁干擾會引起這類系統失靈而誤動作,會造成巨大的經濟損失。智能化電器和其保護、監控系統把敏感的數字電器元件處于強電流及高電壓電磁場中,使這些設備的電磁抗干擾能力在設備設計和運行中已成為不可忽視的因素,因而在國外智能化電器及其系統在設計初始階段即制定嚴格的電磁兼容控制與管理計劃。該計劃主要包括產品或系統EMC分析,制定EMC設計技術指標、設計計劃、標準、實施計劃與測試方法等,并把這一計劃作為產品或系統設計的重要一環,EMC分析和設計是為了達到EMC技術要求的關鍵工作,包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統集成的電磁兼容性能;EMC設計包括電磁屏蔽、接地、導線間距的確定,以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等。目前隨著高頻電磁場數字分析和計算機硬件的發展,采用現代仿真技術取代傳統的測試方法和經驗分析方法,已在EMC分析中起到越來越大的作用。

電子電器的干擾來自各方面,有電氣干擾,環境溫度變化以及氣壓、振動、時間等各種因素,其中電氣干擾是各類干擾中的主要因素。干擾通過各種線路侵入微處理器系統,也以場的形式從空間侵入微機系統,供電線路是電網中各種浪涌電壓入侵的主要途徑。抗干擾有硬件抗干擾、軟件抗干擾,也有軟硬件相結合的措施。硬件抗干擾具有效率高的優點,但要增加系統的投資和設備的體積;軟件抗干擾有投資低的優點,但要降低系統的效率,因此分析干擾源及干擾波的傳播途徑,合理選擇抗干擾措施是智能化電器產品設計和應用的重要內容。

4.5可靠性技術

電子產品的可靠性涉及的范圍很廣,諸如元器件的可靠性、技術設計、工藝水平和技術管理等共同決定了電子產品的可靠性指標。提高產品的可靠性,必須掌握產品的失效規律,只有對產品的失效規律進行全面的了解,才能采取有效的措施來提高產品的可靠性。智能化電器產品在實現基本功能的基礎上,還要實現很實用的輔助功能上。具體輔助功能如下:

1)電流電壓顯示功能;

2)對脫扣器各種參數的整定功能;

3)試驗功能;自診斷功能;

4)通訊接口功能;

5)遠端監控和診斷功能;

6)負載監控功能;

7)模擬功能等。

5、結論

綜上所述,智能電器具有更強大的功能,而智能電器的發展趨勢是依靠微處理器的運算能力,較好地實現智能電器功能,只要在參數檢測和信號處理單元進行相應的參數設置,一個智能電器就可實現傳統意義上的幾個電器產品的功能。

多功能化是智能化產品的特點,而可通信化也是智能化電器的一個重要發展方向。具備通用的通訊接口,采用標準化的通信協議使其與其計算機聯網構成監控、保護與信息網絡,使智能電器在現場級實現In-ternet/Intranet功能。

 


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