通信學(xué)論文-面向21世紀(jì)的低壓電器新技術(shù).doc

通信學(xué)論文-面向21世紀(jì)的低壓電器新技術(shù)摘要：隨著WTO的加入，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn)，為了加速我國(guó)低壓電器的發(fā)展，以適應(yīng)新的形勢(shì)需要，及時(shí)分析國(guó)內(nèi)外低壓電器發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器；仿真技術(shù)與虛擬電器；環(huán)保電器；電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：低壓電器智能電器可通訊電器信息電器隨著WTO的加入，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn)，為了加速我國(guó)低壓電器的發(fā)展，以適應(yīng)新的形勢(shì)需要，及時(shí)分析國(guó)內(nèi)外低壓電器發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器；仿真技術(shù)與虛擬電器；環(huán)保電器；電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。一、智能電器、可通訊電器與信息電器微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引進(jìn)低壓電器，一方面使低壓電器具有智能化的功能，另一方面使低壓開關(guān)電器，包括智能化斷路器和智能化電動(dòng)機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制中心已統(tǒng)一形成了智能化監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。智能化低壓斷路器與電動(dòng)機(jī)控制器是低壓開關(guān)柜和電動(dòng)機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)智能化的主要電器元件。微處理器引入低壓斷路器，首先使斷路器的保護(hù)功能大大增強(qiáng)。諸如：它的三斷保護(hù)特性中的短延時(shí)可設(shè)置成I2t特性，以便與后一級(jí)保護(hù)更好地匹配；接地保護(hù)可實(shí)現(xiàn)選擇性，對(duì)斷續(xù)的電弧接地故障可帶記憶功能。目前工業(yè)用電的電網(wǎng)絡(luò)中使用大量的軟起動(dòng)器、電力電子調(diào)速裝置和不間斷電源等，這些裝置都會(huì)使配電系統(tǒng)產(chǎn)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(huì)造成斷路器的誤動(dòng)作。帶微處理的智能化斷路器反映負(fù)載電流真實(shí)的有效值（RMS值），它的采樣和保持電路能消除輸入信號(hào)中的高次諧波，因而能避免高次諧波造成的誤動(dòng)作，它的中央處理單元能保證斷路器的正確動(dòng)作。與傳統(tǒng)的雙金屬熱繼電器相比，智能化過(guò)載繼電器有一系列的優(yōu)點(diǎn)。它能保護(hù)多種起動(dòng)條件的電動(dòng)機(jī)，具有很高的動(dòng)作可靠性。它不但可保護(hù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載與斷相，并可保護(hù)接地、三相不平衡、反相或低電流等。由智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步開發(fā)的智能電動(dòng)機(jī)控制器，兼有監(jiān)控、保護(hù)和通訊的功能，它的保護(hù)功能也較智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步增強(qiáng)。由新型低壓電器元件與中央控制計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)控制中心相比有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)中央計(jì)算機(jī)集中控制，提高了低壓配電系統(tǒng)自動(dòng)化程度。低壓開關(guān)設(shè)備與中央控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信息雙向傳輸是指：一方面智能化斷路器或其它開關(guān)設(shè)備向中央控制計(jì)算機(jī)傳送線路和保護(hù)對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)，保護(hù)整定值和故障信息；另一方面中央控制計(jì)算機(jī)向智能化斷路器或其它開關(guān)設(shè)備發(fā)出操作指令，改變和調(diào)節(jié)保護(hù)整定值。使低壓配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護(hù)達(dá)到新的水平。通過(guò)信息傳輸，中央控制計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)線路和被保護(hù)設(shè)備過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)及前10次甚至前50次故障情況。這些信息加上計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的綜合計(jì)算能力，有助于操作者事先預(yù)測(cè)故障的產(chǎn)生和作出相應(yīng)的決策，使線路和設(shè)備的停機(jī)維修時(shí)間大大減少；信息傳輸也提高了對(duì)配電系統(tǒng)的電能調(diào)度能力，能保證在用電高峰階段，對(duì)重要用戶安全可靠地供電；信息傳輸可實(shí)現(xiàn)區(qū)域間連鎖保護(hù)，使前后級(jí)智能化斷路器的選擇性保護(hù)獲得合理的匹配。由于采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使開關(guān)柜平面上提供信息大幅度增加。通過(guò)液晶顯示板可測(cè)量并顯示相和線的電流、電壓、功率因數(shù)、功率等各種參數(shù)，也能顯示被保護(hù)對(duì)象和線路過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)和故障情況，它還可以以圖形方式顯示被整定的斷路器保護(hù)特性。監(jiān)控元件和傳統(tǒng)的指示和指令電器相比較，接線簡(jiǎn)單、便于安裝，提高了工作的可靠性?？梢詫?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少信息重復(fù)和信息通道網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展，日益要求用戶和設(shè)備之間的開放性和兼容性，因而制定一個(gè)統(tǒng)一的通訊協(xié)議是急待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前由智能化電器與中央計(jì)算機(jī)通過(guò)接口構(gòu)成的自動(dòng)化通訊網(wǎng)絡(luò)正從集中式控制向分布式控制發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，不但為構(gòu)造分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供條件，并且它即插即用，擴(kuò)充性好，維護(hù)方便，因而目前這種技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開放的雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線種類很多，比較有影響的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價(jià)值。但也正是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)多種多樣和通訊標(biāo)準(zhǔn)的各自為政，給這種技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)不利的影響。目前國(guó)際電工委員會(huì)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)正致力于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，我國(guó)有些單位也在做這方面工作，我們把基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有通信功能的電器稱為可通訊電器。目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正向上下兩端延伸，其上端和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊，其下端延伸到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)區(qū)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(tǒng)，這兩種總線應(yīng)用于低層區(qū)域，是一種低成本的通信連接，它把工業(yè)控制用的傳感器和執(zhí)行器，包括：限位開關(guān)、光電傳感器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡(jiǎn)單的控制元件作為從設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，與作為主設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行通信，傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換信息變成二進(jìn)制數(shù)字信息通過(guò)串行接口和尋址進(jìn)行通信，這使傳統(tǒng)的低壓控制元件也有了革命性的變革，例如西門子AS總線系統(tǒng)中應(yīng)用的Logo多功能繼電器實(shí)際上是一個(gè)小型的PLC，它能起延時(shí)、閂鎖、記數(shù)器和脈沖繼電器等功能。使智能電器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息化，是使智能電器在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)Internet/Intranet功能，其技術(shù)核心是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。把TCP/IP協(xié)議嵌入到智能電器的ROM中，使得信號(hào)的收發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，進(jìn)一步發(fā)展智能電器的信息化功能。利用Internet/intranet功能，不但使企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶，并且在任何開通了Internet的地區(qū)都可以通過(guò)瀏覽共享現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能電器進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制、編程、和組態(tài)等，這使智能化電器進(jìn)入了信息電器的新時(shí)代。低壓電器的一個(gè)重要功能是通斷能力，近年來(lái)智能電器發(fā)展的另一途徑是通過(guò)微處理器的智能控制來(lái)提高電器的通斷性能。一個(gè)令人關(guān)注的新動(dòng)向是金鐘默勒公司開發(fā)的新一代DIL-M系列接觸器，在它185A以上電流等級(jí)中采用了智能控制技術(shù)。接觸器閉合時(shí)觸頭的磨損主要是由于觸頭彈跳造成的斷續(xù)電弧而引起的，在AC-3工作任務(wù)下接觸器要在額定電壓下閉合6倍額定電流，因而它是影響觸頭電氣壽命的主要因素。DIL-M系列智能控制接觸器的電磁鐵線圈由一脈沖整流電壓供電，可以按照存儲(chǔ)在微處理器中的一個(gè)與反力特性配合最佳的吸力特性曲線來(lái)調(diào)節(jié)線圈電流，在接觸器吸合階段輸入寬脈沖電壓，使主觸頭安全可靠地吸合，在保持階段將輸入窄脈沖電壓，在足夠保持觸頭閉合條件下節(jié)能。由于采用了智能控制，這種接觸器在節(jié)省觸頭材料條件下，電氣壽命可達(dá)到1.3X106次，采用了智能控制，不同規(guī)格的接觸器，其電磁系統(tǒng)的截面等幾何尺寸一致，給生產(chǎn)上帶來(lái)了方便和節(jié)約，從而補(bǔ)償了由于電子控制帶來(lái)的額外支出。智能化電器的發(fā)展，使電磁兼容性EMC變成越來(lái)越重要的問(wèn)題。EMC要求包括兩種含義，一方面要求低壓電器在使用場(chǎng)合工作時(shí)，不受外界電磁干擾而引起誤動(dòng)作，而另一方面要求電器的操作產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不干擾附近的電子設(shè)備。目前國(guó)外對(duì)智能化電器和機(jī)電一起化產(chǎn)品的EMC問(wèn)題非常重視，因?yàn)殡姶鸥蓴_會(huì)引起這類系統(tǒng)失靈而誤動(dòng)作，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能化電器和其保護(hù)、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強(qiáng)電流及高電壓電磁場(chǎng)中，使這些設(shè)備的電磁抗干擾能力在設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行中已成為不可忽視的因素，因而在國(guó)外智能化電器和其系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初始階段即制定嚴(yán)格的電磁兼容控制與管理計(jì)劃，該計(jì)劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施計(jì)劃與測(cè)試方法等，并把這一計(jì)劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。EMC分析和設(shè)計(jì)是為了達(dá)到EMC技術(shù)要求的關(guān)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(tǒng)集成的電磁兼容性能，EMC設(shè)計(jì)包括電磁屏蔽，接地，導(dǎo)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(chǎng)數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)硬年的發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)的測(cè)試方法和經(jīng)驗(yàn)分析方法，已在EMC分析中起越來(lái)越大的作用。二、仿真技術(shù)與虛擬電器近年來(lái)國(guó)內(nèi)工廠和設(shè)計(jì)院所紛紛引進(jìn)如UGH、Pro/E等三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，這類軟件能實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)零部件和實(shí)體造型、裝配和自動(dòng)生成工程圖紙，并且按照設(shè)計(jì)的零部件自動(dòng)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和生成數(shù)控編碼。這些軟件使國(guó)內(nèi)低壓電器設(shè)計(jì)工作上了一個(gè)新的臺(tái)階，但進(jìn)一步要使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足原始技術(shù)條件的要求，達(dá)到預(yù)定的電氣和機(jī)械性能，則需要采用仿真技術(shù)。進(jìn)行一個(gè)低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，當(dāng)根據(jù)給定的技術(shù)條件，確定了產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)方案和尺寸后，必須進(jìn)行工程分析或樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否附合原訂技術(shù)要求。長(zhǎng)期以來(lái)人們用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法進(jìn)行特性分析，精度很差，特別是作為低壓開關(guān)電器的主要特性，即開斷特性無(wú)法計(jì)算，因而人們不得不依靠樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性，這樣做法要花費(fèi)大量人力和物力，并使得產(chǎn)品開發(fā)周期拉長(zhǎng)，影響新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)計(jì)算機(jī)摸擬和仿真技術(shù)得到快速發(fā)展，依靠這種新技術(shù)，人們可以在樣機(jī)制作以前就能精確掌握設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，減少了重復(fù)樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，加快了產(chǎn)品開發(fā)周期，并提高了產(chǎn)品性能，這是當(dāng)前低壓電器產(chǎn)品開發(fā)手段現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。低壓電器的基本特性包括開斷能力、溫升、零部件的強(qiáng)度、電動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定、絕緣性能及其它電氣性能等。這就需要對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理場(chǎng)域進(jìn)行仿真和分析。計(jì)算機(jī)模仿和仿真技術(shù)的進(jìn)展和商品有限元分析軟件性能的不斷提高為這種新技術(shù)在低壓電器的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。70-80年代的有限元分析軟件，前后處理工作十分繁鎖，例如進(jìn)行一臺(tái)大型變壓器的電場(chǎng)分析、輸入各零部件的三維尺寸等原始數(shù)據(jù)，一般是幾天甚至幾個(gè)星期的艱苦勞動(dòng)。進(jìn)入90年代商品化的有限元分析軟件都和可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用特征造型方式輸入三維圖形代替每鎖的數(shù)據(jù)輸入，使輸入工作十分簡(jiǎn)便而直觀，并且后處理部分使輸出的數(shù)據(jù)或三維圖形，方便地進(jìn)行觀察和分析。與此同時(shí)，隨著解決復(fù)雜工程問(wèn)題的需要，這種仿真和分析軟件更擴(kuò)展到流體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等方面。目前，市場(chǎng)上已能提供各種精確的計(jì)算機(jī)仿真與分析軟件，這類軟件分成二種類型，一種是通用軟件，另一種是專用軟件，例如ANSYS（ANSYS公司）和NISA（EMRC公司）有限元通用仿真和分析軟件屬于第一類，這種軟件都包括應(yīng)力，溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)等分析模塊，可以進(jìn)行單種場(chǎng)域分析，也可進(jìn)行綜合場(chǎng)分析，例如計(jì)算熔斷器的保護(hù)特性，首先要計(jì)算熔片中電流場(chǎng)的分布，然后是熱特性的計(jì)算，這是電流場(chǎng)和瞬態(tài)熱場(chǎng)計(jì)算的綜合，專用軟件是指用于專門的場(chǎng)合，如ADAMS軟件用于機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析，VACTORFIELDS軟件專門用于各種電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析。這兩種軟件都有可視化的前后處理摸塊，并且都有工作站和微機(jī)兩種版本。近年來(lái)國(guó)外著名公司更是把特性的計(jì)算機(jī)仿真和分析看作是產(chǎn)品開發(fā)手段現(xiàn)代化的一個(gè)重要措施，如日本的富士公司在開發(fā)SC新系列接觸器中，認(rèn)為計(jì)算機(jī)仿真和采用新材料，是使新系列接觸器性能達(dá)到高水平的關(guān)鍵，他們開發(fā)了一套對(duì)接觸器可動(dòng)部分動(dòng)態(tài)仿真的軟件系統(tǒng)，對(duì)接觸器可動(dòng)部分，包括鐵心和觸頭系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，分析了各種參數(shù)對(duì)鐵心及觸頭碰撞后的彈跳的影響，從而選擇了最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，日本的三菱公司和德國(guó)金鐘默勒公司都以商品計(jì)算機(jī)分析軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)二次開發(fā)建立自己的低壓斷路器設(shè)計(jì)和開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性方案，即保證設(shè)計(jì)方案滿足所制定技術(shù)條件的要求，但尚不是經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最佳的方案，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的最佳，這就需要把仿真技術(shù)和最優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)。一些商品仿真軟件，如上面提到的ANSYS軟件就提供一系列優(yōu)化工具，能自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀，使規(guī)定的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。如德國(guó)著名的低壓電器專家Lindmayer教授利用ANSYS軟件，把磁場(chǎng)仿真和優(yōu)化結(jié)合起來(lái)，改變鐵心尺寸和線圈位置，實(shí)現(xiàn)了電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，一種新的三維機(jī)交互式圖形技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtualreality）技術(shù)的出現(xiàn)，給計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，開辟了新的天地，虛擬現(xiàn)實(shí)與傳統(tǒng)的交互式三維圖形技術(shù)不同，后者操作者是在計(jì)算機(jī)外的現(xiàn)實(shí)世界操作計(jì)算機(jī)的圖形，而前者則可讓操作者進(jìn)入計(jì)算機(jī)里的虛擬世界親臨其境地進(jìn)行操作，把這種技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合就可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種產(chǎn)品我們稱為虛擬產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者可以在“虛擬”環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真和優(yōu)化，這是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展方向。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)低壓電器產(chǎn)品往往