許陽(yáng)陽(yáng)
摘 ?要:隨著科技的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)電器產(chǎn)品已無(wú)法滿足人們的需求,與此同時(shí),我國(guó)智能電器控制技術(shù)取得了進(jìn)步和發(fā)展。該文將對(duì)智能化控制技術(shù)進(jìn)行介紹,并深入探究低壓電器智能化技術(shù)的設(shè)計(jì)方案,以此來(lái)更好地推動(dòng)智能電器控制技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:智能化;智能控制器;控制技術(shù);微處理器
中圖分類(lèi)號(hào):TP273 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引言
科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展催生了一大批先進(jìn)技術(shù),在該背景下,智能電器研發(fā)行業(yè)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能電器控制技術(shù)融合的越來(lái)越緊密,同時(shí)受到大眾的廣泛關(guān)注。人們對(duì)“智能化”一詞已不再陌生,無(wú)論是生活還是工作,均向著“智能化”的方向發(fā)展。由此可見(jiàn),智能化電器控制技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)智能化電器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
1 智能化控制技術(shù)
智能化控制技術(shù)主要借助微處理器控制電器產(chǎn)品、各個(gè)元件以及電器電路系統(tǒng),將智能控制技術(shù)應(yīng)用于低壓電器產(chǎn)品中,可發(fā)揮良好的監(jiān)督與控制作用,在遵循傳統(tǒng)的電器基本工作原理的基礎(chǔ)上,融入電子的處理方式,從而實(shí)現(xiàn)智能化控制目的、保證電器良好的工作狀態(tài)。將智能化控制技術(shù)與電器行業(yè)相融合已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
2 智能化控制技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案
為更加深入地了解智能電器控制技術(shù),該文將對(duì)一種低壓電器產(chǎn)品ACB框架斷路器的智能控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行介紹與分析。
2.1 智能控制器的功能
早期萬(wàn)能式斷路器的功能主要是過(guò)電流保護(hù)功能,其并不具備智能化特點(diǎn)。但隨著技術(shù)的發(fā)展,為了能更好地滿足當(dāng)前配電系統(tǒng)的智能化要求,該文提出的智能控制器具有全面的電網(wǎng)參數(shù)量與保護(hù)、友好的人機(jī)交互界面、通信及在線升級(jí)等功能[1]。
2.2 智能控制器硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)如圖1所示,由微處理器(MCU)與信號(hào)處理電路、電源電路、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)交互模塊及通信模塊等組成。其中人機(jī)交互模塊由旋鈕及按鍵、LED指示燈、LCD顯示組成,在方便客戶(hù)設(shè)定整定電流及動(dòng)作時(shí)間的同時(shí),具有查看記錄信息、完成整定值的實(shí)時(shí)輸入和運(yùn)行狀態(tài)的簡(jiǎn)單指示的功能。
工作原理:電網(wǎng)信號(hào)通過(guò)互感器的變換轉(zhuǎn)換成二次側(cè)信號(hào),將主回路大信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱信號(hào),再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后進(jìn)入微處理器的ADC模塊,MCU根據(jù)采樣的AD離散值進(jìn)行計(jì)算處理與分析,并且通過(guò)保護(hù)算法來(lái)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài),一旦檢測(cè)到故障,MCU便會(huì)發(fā)出脫扣信號(hào),驅(qū)動(dòng)脫扣部件動(dòng)作,使斷路器分?jǐn)唷;谶@一原理設(shè)計(jì)的智能控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的搜集和測(cè)控,可對(duì)電器運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理[2]。
2.3 智能控制器軟件設(shè)計(jì)
控制器軟件方面采用NXP的ARM Cortex-M0+微處理器,基于MCUXpresso IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)編程及仿真,并加入白盒、黑盒測(cè)試,可進(jìn)一步保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。
程序建立在周期20 ms/50 Hz(16.67 ms/60 Hz)的基礎(chǔ)上,使電子控制單元對(duì)于電網(wǎng)參量的監(jiān)測(cè)具備較高的實(shí)時(shí)性,實(shí)現(xiàn)的主要功能任務(wù)包括系統(tǒng)初始化、電網(wǎng)參數(shù)信號(hào)處理、保護(hù)處理、輸出控制、人機(jī)交互處理、通信處理、在線升級(jí)模塊等。
3 關(guān)鍵技術(shù)分析
3.1 信號(hào)處理技術(shù)
市場(chǎng)對(duì)電力量測(cè)的要求越來(lái)越高,要求實(shí)現(xiàn)電流及電壓、功率、電能、諧波等量測(cè)功能。
信號(hào)處理技術(shù)始終是智能低壓電器控制的關(guān)鍵之一。主回路電流信號(hào)由空心電流互感器(CT)負(fù)責(zé)采集,空心CT通過(guò)di/dt的變化量,將大電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。由于電感的相位超前效應(yīng),還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理復(fù)原。電路采用積分回路(低通濾波器)來(lái)滯后信號(hào),起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩?yīng)選取適當(dāng)?shù)慕刂诡l率,使其衰減系數(shù)與電流諧波次數(shù)近似成正比。主回路電壓信號(hào)由電壓互感器(PT)負(fù)責(zé)采集,同理需要在后端電路追加相位補(bǔ)償。主回路剩余電流信號(hào)采用零序電流互感器(ZCT)來(lái)檢測(cè)[3]。
以上信號(hào)采集回路均需要經(jīng)過(guò)放大、電位提升后,再進(jìn)入MCU的ADC單元,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,MCU每周期采樣64個(gè)AD值,捕捉信號(hào)的波形,再基于均方根的算法實(shí)現(xiàn)電流電壓有效值的計(jì)算。基于三瓦計(jì)/二瓦計(jì)法來(lái)計(jì)算三相功率、電能,基于離散傅立葉變換來(lái)分析奇次諧波的振幅成分。協(xié)助用電設(shè)備分配,改善用電質(zhì)量,協(xié)助分析用電設(shè)備或保護(hù)設(shè)備的故障原因。
3.2 保護(hù)處理技術(shù)
在智能控制器保護(hù)方面,智能控制器具有電流保護(hù)、過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻、逆功率等保護(hù)功能。
電流保護(hù)主要為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)及短路瞬時(shí)保護(hù)、接地故障保護(hù),其是保證智能電器正常使用的關(guān)鍵。過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)采用的是反時(shí)限動(dòng)作特性的保護(hù)方式,其原理是模擬雙金屬片過(guò)電流時(shí)熱效應(yīng)的積累,動(dòng)作時(shí)間隨故障電流的增大而自動(dòng)減小。如果能量積累到一定程度,發(fā)現(xiàn)主回路電流將對(duì)設(shè)備造成損壞,MCU發(fā)出脫扣指令。短路短延時(shí)和接地故障保護(hù)采用反時(shí)限特性和定時(shí)限特性的保護(hù)方式,短路瞬時(shí)保護(hù)是當(dāng)監(jiān)測(cè)到相電流大于瞬時(shí)保護(hù)值時(shí),不需延時(shí)立即發(fā)出脫扣指令,可盡可能避免短路對(duì)電器或是智能控制器造成的影響,在一定程度上可以保障使用者的使用安全。
其他保護(hù)如電壓、頻率、功率的保護(hù)均采用定時(shí)限動(dòng)作特性的保護(hù)方式。當(dāng)對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)參數(shù)超過(guò)對(duì)應(yīng)的保護(hù)設(shè)定門(mén)限時(shí),延時(shí)時(shí)間T進(jìn)行累加,如果達(dá)到延時(shí)T,則發(fā)出脫扣指令或報(bào)警信號(hào)。
3.3 通信技術(shù)
眾所周知,計(jì)算機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中,無(wú)疑成為人們生活的重要組成部分?,F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他多種高科技技術(shù)融合,以此來(lái)打造具有良好數(shù)字化性能的通信系統(tǒng)。在國(guó)家大力倡導(dǎo)“節(jié)能減排”的大環(huán)境下,以科學(xué)的手段對(duì)各種電力參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)收集并分析,智能化的電能管理,掌握相應(yīng)的變化規(guī)律,將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
控制器采用的通信技術(shù)基于MCU的UART模塊,搭配控制轉(zhuǎn)換芯片MAX485將TTL電平轉(zhuǎn)為RS-485電平,以此來(lái)作為連接外部設(shè)備的接口。由主站(上位機(jī))發(fā)起詢(xún)問(wèn)(發(fā)起通信),從站(智能控制器)在UART中斷接收到主站發(fā)出的請(qǐng)求,對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷解析后,作相應(yīng)的應(yīng)答。通信數(shù)據(jù)幀格式可設(shè)置奇偶校驗(yàn)、停止位,波特率范圍1 200 bit/s~38 400 bit/s。集“四遙”(遙信、遙測(cè)、遙調(diào)及遙控)功能于一體,基于Modbus、TCP/IP協(xié)議建立的低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),既可通過(guò)PC端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,也可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備端(手機(jī)App)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,在實(shí)踐過(guò)程中不斷提高對(duì)電器的診斷能力,提高智能系統(tǒng)的自動(dòng)化程度與可靠性,實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的智能化管理。
3.4 在線升級(jí)技術(shù)
框架斷路器一般都安裝在電力盤(pán)柜上,用戶(hù)功能升級(jí)或有功能客制需求時(shí),需要更新控制器程序,這樣就不可避免地需要拆裝更換開(kāi)關(guān),這樣的操作非常麻煩,甚至有可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)。因此,加入了在線升級(jí)技術(shù),引入BootLoader處理程序,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序的引導(dǎo)啟動(dòng)和固件自更新2個(gè)功能。在不需要拆裝更換開(kāi)關(guān)的情況下,直接通過(guò)通信接口將更新的程序燒錄到產(chǎn)品中,減少了公司售后服務(wù)的難度及售后成本,也提升了產(chǎn)品性能。
4 結(jié)語(yǔ)
智能化的應(yīng)用方便了人們的生活和工作,在一定程度上提高了人們的生活質(zhì)量、為相關(guān)企業(yè)謀求了更多的經(jīng)濟(jì)效益。為了推動(dòng)智能化電器行業(yè)的發(fā)展,需要加強(qiáng)對(duì)通信技術(shù)、智能化控制技術(shù)以及信息技術(shù)的研究,在實(shí)踐應(yīng)用的過(guò)程中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),推動(dòng)智能化電器進(jìn)入全新的時(shí)代。
參考文獻(xiàn)
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