機電一體化中的電機控制與保護-職業(yè)學院畢業(yè)論文1

平頂山工業(yè)職業(yè)平頂山工業(yè)職業(yè) 技術(shù)學院畢業(yè)論文技術(shù)學院畢業(yè)論文 機電一體化中的 電機控制與保 護 系別：機電系機電系 專業(yè)：機電一體化機電一體化 學生姓名：XXX 指導老師：XXX 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 2 入學日期：2009 年 9 月論文完成日期：2011 年 X 月 內(nèi)內(nèi)容容 摘摘 要要 依據(jù)機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景，提出一種新型電動執(zhí)行機 構(gòu)的設(shè)計方案， 詳細介紹了該執(zhí)行機構(gòu)各功能元件的選型與設(shè)計、 閥位及速度控制原理以及各種關(guān)鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機構(gòu) 將閥門、伺服電機、控制器合為一體，采用 8031 單片機、變頻技 術(shù)實現(xiàn)了閥門的動作速度和位置控制，解決了閥門的精確定位、 閥門柔性開關(guān)、極限位置判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術(shù) 問題?，F(xiàn)場運行情況表明，該電動執(zhí)行機構(gòu)具有動作快、保護完 善以及便于和計算機通訊等優(yōu)點，充分利用了機電一體化技術(shù)帶 來的方便快捷。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電動機閥門電動機閥門 繼電器保護繼電器保護 機電一體化技術(shù)總結(jié)機電一體化技術(shù)總結(jié) 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 3 目目錄錄 內(nèi) 容 摘 要. 2 插 圖 索 引. 4 引 言. 5 第 1 章 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨向. 6 11 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程. 6 12 機電一體化發(fā)展趨向. 6 第 2 章 機電一體化中電動執(zhí)行機構(gòu)的硬件設(shè)計及工作原理11 2.1 系統(tǒng)工作原理11 第 3 章 機電一體化中閥位及速度控制原理. 15 第 4 章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決. 17 第 5 章 機電一體化中繼電器保護的現(xiàn)狀與發(fā)展. 19 5.1繼電保護發(fā)展現(xiàn)狀. 19 5.2繼電保護的未來發(fā)展. 21 5.2.1計算機化22 5.2.2網(wǎng)絡(luò)化23 5.2.3保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化25 5.2.4智能化26 結(jié)束語. 27 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 4 參考文獻. 28 插插 圖圖 索索 引引 圖圖 2-1 電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)框圖電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)框圖11 圖圖 2-2 IPM 輸出電流輸出電流、電壓檢測電壓檢測14 圖圖 2-3 程序出格自恢復電路程序出格自恢復電路15 圖圖 3-2 閥位及速度控制原理框圖閥位及速度控制原理框圖15 圖圖 3-3 執(zhí)行機構(gòu)的典型運行速度圖執(zhí)行機構(gòu)的典型運行速度圖 16 圖圖 4-1 線性隔離放大器線性隔離放大器 19 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 5 引引 言言 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機構(gòu)起著十分重要的作用，它 是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分?，F(xiàn)有的國產(chǎn)大流量電動 執(zhí)行機構(gòu)存在著控制手段落后、機械傳動機構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復雜、定 位精度低、可靠性差等問題。而且執(zhí)行機構(gòu)的全程運行速度取決 于其電機的輸出軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，一旦出廠， 這一速度固定不可調(diào)整，其通用性較弱。整個機構(gòu)缺乏完善的保 護和故障診斷措施以及必要的通信手段，系統(tǒng)的安全性較差，不 便與計算機聯(lián)網(wǎng)。鑒于以上原因，采用傳統(tǒng)的大流量電動執(zhí)行機 構(gòu)的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總 線等技術(shù)在工業(yè)過程中的應用，這種執(zhí)行機構(gòu)已遠遠不能滿足工 業(yè)生產(chǎn)的要求。筆者設(shè)計的大流量電動執(zhí)行機構(gòu)，采用機電一體 化技術(shù)，將閥門、伺服電機、控制器合為一體，利用異步電動機 直接驅(qū)動閥門的開與關(guān)。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)閥門的動作速度、 精確定位、 柔性開關(guān)以及電機轉(zhuǎn)矩等控制。 該電動執(zhí)行機構(gòu)省去了用于控制電機正、反轉(zhuǎn)的接觸器和可控硅 換向開關(guān)模件、機械傳動裝置和復雜、昂貴的控制柜和配電柜， 具有動作快、保護較完善、便于和計算機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。實際運行 表明，該執(zhí)行機構(gòu)工作穩(wěn)定，性能可靠 。自電子技術(shù)一問世,電 子技術(shù)和機械技術(shù)的結(jié)合就開始了,只是出現(xiàn)了半導體集成電路, 尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,“機電一 體化“技術(shù)之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注重. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 6 第第 1 1 章章 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨向機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨向 機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科 的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關(guān)技術(shù)的進步與發(fā)展，其主 要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、微型 化、集成化、帶源化和綠色化。 1 11 1 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程 1.數(shù)控機床的問世,寫下了“機電一體化“歷史的第一頁; 2.微電子技術(shù)為“機電一體化帶來勃勃生氣; 3.可編程序控制器、“電力電子“等的發(fā)展為“機電一體化“提供了 堅強基礎(chǔ); 4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機電一體化“躍上 新臺階. 1 12 2 機電一體化發(fā)展趨向機電一體化發(fā)展趨向 1 數(shù)字化 微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎(chǔ)，如不斷發(fā) 展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速崛起，為數(shù)字化設(shè) 計與制造鋪平了道路，如虛擬設(shè)計、計算機集成制造等。數(shù)字化 要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、 易操作性、 可維護性、 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 7 自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、 診斷和修復。 2 智能化 即要求機電產(chǎn)品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、 判斷推理、自主決策等能力。例如在 CNC 數(shù)控機床上增加人機對 話功能，設(shè)置智能 I/O 接口和智能工藝數(shù)據(jù)庫，會給使用、操作 和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、 小波理論、混沌與分岔等人工智能技術(shù)的進步與發(fā)展，為機電一 體化技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊天地。 3 模塊化 由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有 標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產(chǎn)品單元模塊 是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調(diào)速電機 一體的動力驅(qū)動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能 的電機一體控制單元等。這樣，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，可以利用這 些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產(chǎn)品。 4 網(wǎng)絡(luò)化 由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興 未艾。而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場總 線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化成為可能，利用家庭網(wǎng)絡(luò)把各 種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)， 使人們在家里可充分享受各種高技術(shù)帶來的好處，因此，機電一 體化產(chǎn)品無疑應朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 5 人性化 機電一體化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產(chǎn) 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 8 品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產(chǎn)品 除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調(diào)， 使用這些產(chǎn)品，對人來說還是一種藝術(shù)享受，如家用機器人的最 高境界就是人機一體化。 6 微型化 微型化是精細加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。 微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱 MEMS) 是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及 信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器 件或系統(tǒng)。自 1986 年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針， 1988 年美國加州大學 Berkeley 分校研制出第一個微電機以來， 國內(nèi)外在 MEMS 工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進 展，開發(fā)出各種 MEMS 器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感 器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、 微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人 等）。 7 集成化 集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不 同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復合， 又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、 裝配、 檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化 與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若 干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運轉(zhuǎn)，然 后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、 功能最強。 8 帶源化 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 9 是指機電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電 池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動 的機電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電 一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。 9 綠色化 科學技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的 同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保 護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲 中應運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié) 調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計、制造、使用和銷毀時應符合 環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其 使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利 用。 10.光機電一體化. 一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、 能源系統(tǒng)、 信息處理系統(tǒng)、 機械結(jié)構(gòu)等部件組成的.因此,引進光學技術(shù),實現(xiàn)光學技術(shù)的先 天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力) 系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨向. 11.自律分配系統(tǒng)化柔性化. 未來的機電一體化產(chǎn)品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有 較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設(shè)計成“自律分配 系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子 系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時具有本身的“自律性”，可根據(jù)不同的 環(huán)境條件作出不同反應。其特征是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附 加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣， 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 10 既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力(柔性)，又不因某一子系統(tǒng)的故 障而影響整個系統(tǒng)。 12.全息系統(tǒng)化智能化。 今后的機電一體化產(chǎn)品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越 來越高。 這主要收益于模糊技術(shù)、 信息技術(shù)(尤其是軟件及芯片技 術(shù))的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“從上到 下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。 13.“生物一軟件”化仿生物系統(tǒng)化。 今后的機電一體化裝置對信息的依靠性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上 是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有 點類似于活的生物摘要：當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便 “死亡”，而當控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生 學探究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構(gòu)可為機電一體化產(chǎn) 品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有 待于深入探究。這一探究領(lǐng)域稱為“生物軟件”或“生物系 統(tǒng)”，而生物的特征是硬 件(肌體)軟件(大腦)一體，不可分 割?？磥?，機電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一 段漫長的道路要走。 14.微型機電化微型化。 目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實驗室中已制 造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產(chǎn)品時，就沒 有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融 合”，機體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、CPU 等可集成在一起，體積很 小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要 發(fā)展方向。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 11 第第2 2章章 機電一體化中電動執(zhí)行機構(gòu)的硬件設(shè)計及工機電一體化中電動執(zhí)行機構(gòu)的硬件設(shè)計及工 作原理作原理 電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-1 所示。智能執(zhí)行機構(gòu)從 結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動部分。 控制部分主要由單片機、PWM 波發(fā)生器、IPM 逆變器、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組 成。執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。 2.12.1 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出 電流、電壓及閥門的位置信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片 機通過 8255 控制 PWM 波發(fā)生器， 產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng)光電耦合作用于 逆變模塊 IPM，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工 作時所需要的直流電壓信號由整流電路對 380V 電源進行全橋整 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 12 流得到。 2.22.2 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計 1)單片機選用 INTEL 公司生產(chǎn)的 8031 單片機， 它主要通過并行 8255 口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、 關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號，并提供三相 PWM 波發(fā)生器所需要的 控制信號；處理 IPM 發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬 輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行 機構(gòu)的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng) 反饋信號； 2)三相PWM波發(fā)生器PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。 模擬法電路復雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù) 字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點， 并存入內(nèi)存， 然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生 PWM 波，這種方法占用的內(nèi)存較 大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的 PWM 波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、 保護、 控制等功能， 文中選用 MITEL 公司生產(chǎn)的 SA8282 作為三相 PWM 發(fā)生器。SA8282 是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微 處理器接口，芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。 3)智能逆變模塊 IPM為了滿足執(zhí)行機構(gòu)體積小，可靠性高的要 求，電機電源采用智能功率模塊 IPM。該執(zhí)行機構(gòu)主要適用功率 小于 55kW 的三相異步電機，其額定電壓為 380V，功率因數(shù)為 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 13 075。經(jīng)計算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊 PM50RSA120 可 以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關(guān)和驅(qū)動電路、制動電路 于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出， 是一種高性能的功率開關(guān)器件。 4)位置檢測電路位置檢測電路是執(zhí)行機構(gòu)的重要組成部分，它 的功能是提供準確的位置信號。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。 在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電 塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性 區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為 流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者 采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器， 這種傳感器是無觸點的， 且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。 5)電壓、電流及檢測檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力 矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。 由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為 050Hz，采用常規(guī) 的電流、 電壓互感器無法滿足要求。 為了快速反映出電流的大小， 采用霍爾型電流互感器檢測 IPM 輸出的三相電流，對于 IPM 輸出 電壓的檢測采用分壓電路。如圖 2-2 所示。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 14 6)通訊接口為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)和遠程控制， 選用 MAX232 作為 系統(tǒng)的串行通訊接口， MAX232 內(nèi)部有兩個完全相同的電平轉(zhuǎn)換電 路， 可以把8031串行口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標準電平， 把其它微機送來的 RS232 標準電平轉(zhuǎn)換成 TTL 電平給 8031， 實 現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。 7)時鐘電路時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算 時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路 DS12887。DS12887 內(nèi)部有 114 字節(jié)的用戶非易失性 RAM，可用來存入需長期保存的 數(shù)據(jù)。 8)液晶顯示單元為了實現(xiàn)人機對話功能，選用 MGLS12832 液晶 顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可 分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數(shù)等信號進行設(shè)置或 調(diào)試。并采用文字和圖形相結(jié)合的方式，顯示直觀、清晰。 9)程序出格自恢復電路為了保證在強干擾下程序出格時系統(tǒng)能 夠自動地恢復正常， 選用 MAX705 組成程序出格自恢復電路， 監(jiān)視 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 15 程序運行。如圖 2-3 所示，該電路由 MAX705、與非門及微分電路 組成。 工作原理為：一旦程序出格，WDO 由高變低，由于微分電路的作 用，由“與非”門輸入引腳 2 變?yōu)楦唠娖?，引腳 2 電平的這種變 化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產(chǎn)生一次復位，復位 結(jié)束后，又由程序通過 P10 口向 MAX705 的 WDI 引腳發(fā)正脈沖， 使 WDO 引腳回到高電平， 程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。 第第 3 3 章章 機電一體化中閥位及速度控制原理機電一體化中閥位及速度控制原理 閥位及速度控制原理框圖如圖 3-1 所示。 采用雙環(huán)控制方案，其中內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán) 主要將當前速度與速度給定發(fā)生器送來的設(shè)定速度相比較，通過 速度調(diào)節(jié)器改變 PWM 波發(fā)生器載波頻率，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法(具體內(nèi)容另文敘述)。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 16 外環(huán)主要根據(jù)當前位置速度的設(shè)定，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán) 提供速度的設(shè)定值。由于大流量閥執(zhí)行機構(gòu)在運行過程中存在加 速、勻速、減速等階段。各階段的時間長短、加速度的大小、在 何位置開始勻速或減速均與給定位置、當前位置以及運行速度有 關(guān)。速度給定發(fā)生器的工作原理為：通過比較實際閥位與給定閥 位，當二者不相等時，以恒定加速度加速，減速點根據(jù)當前速度、 閥位值、閥位給定值的大小計算得來。 執(zhí)行機構(gòu)各階段運行速度的計算原理 圖 3-2 為執(zhí)行機構(gòu)的典型運行速度圖，它由若干段變化速率不同 的折線組成。 將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點稱為起始段點， 相應的時間稱為段起始時間，如圖 3-2 中的 t(i)(i0，1， 2， )， 相應的速度稱為段起始速度， 如圖 3-2 所示 vi)(i0， 1，2，)。 設(shè)第 i 段速度的變化速率為 ki，則有： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 17 式中：v 為兩段點之間的速度變化值，vvi1vi； t 為兩段之間的時間，tti1ti。 顯然，當 ki0 時為恒速段，ki0 時為升速段，ki0 時為減速 段。任意時刻的速度給定值為： Ts 為采樣周期。 變化速率 ki 的取值由給定位置、 當前位置以及運行速度的大小確 定。 第第 4 4 章章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決關(guān)鍵技術(shù)問題的解決 該電動執(zhí)行機構(gòu)采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機驅(qū)動功率小于 55kW。用戶可根據(jù)需要設(shè)定力矩特性，根據(jù)控制的閥設(shè)定速度， 速度分多轉(zhuǎn)式、直行程、角行程 3 種方式?？刂葡到y(tǒng)由閥位給定 和閥位反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式、速度而 定，并具有自動過流保護、過載保護、超壓、欠壓、過熱、缺相、 堵轉(zhuǎn)等保護功能。 該執(zhí)行機構(gòu)解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有： 1)閥門柔性開關(guān)柔性開關(guān)主要是為了當閥關(guān)閉或全開時，保證 閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測得的變頻器 輸出電壓和電流，通過精確計算，得出其輸出力矩。一旦輸出力 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 18 矩達到或大于設(shè)定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度 的撞擊，從而達到最優(yōu)關(guān)閉，實現(xiàn)過力矩保護。 2)閥位的極限位置判斷閥位的極限位置是指全開和全關(guān)位置。 在傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)中， 該位置的檢測是通過機械式限位開關(guān)獲得的。 機械式限位開關(guān)精度低，在運行中易松動，可靠性差。在文中， 電動執(zhí)行機構(gòu)極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。 其原理是， 單片機將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未 發(fā)生變化或變化較小，即認為己達到極限位置，立即切斷異步電 機的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。省去了機械式限位 開關(guān)，無需在調(diào)試時對其進行復雜的調(diào)整。 3)電機保護的實現(xiàn)為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫 度傳感器連續(xù)檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到 電機溫度過高， 自動切斷供電電源。 溫度傳感器內(nèi)置于電機內(nèi)部。 4)準確定位傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)在異步電機通電后會很快達到 其額定動作速度，當接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣 性，其閥門不可能立即停下來，會出現(xiàn)不同程度的超程，這一超 程通常采用控制電機反向轉(zhuǎn)動來校正。機電一體化的大流量電動 執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)當前位置與給定位置的差值以及運行速度的大小超 前確定減速點的位置及減速段變化速率 ki， 使閥門在較低的速度 下實現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。 5)模擬信號的隔離。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 19 對于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不 一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將 它們彼此相互隔離。 采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路。 如圖 4-1 所示， 采用15V 和12V 兩組獨立的正負電源。 若運放 A 的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運放 A 輸出端的電 位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強度將增強，則使其集射極電 壓減小，最后使運放 A 反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若 A 的反相端電位負向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強 了系統(tǒng)的抗干擾性。 第第 5 5 章章 機電一體化中繼電器保護的現(xiàn)狀與發(fā)展機電一體化中繼電器保護的現(xiàn)狀與發(fā)展 5.15.1繼電保護發(fā)展現(xiàn)狀繼電保護發(fā)展現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技 術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展 不斷地注入了新的活力，因此，繼電保護技術(shù)得天獨厚，在 40 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 20 余年的時間里完成了發(fā)展的 4 個歷史階段。 建國后，我國繼電保護學科、繼電保護設(shè)計、繼電器制造工 業(yè)和繼電保護技術(shù)隊伍從無到有， 在大約 10 年的時間里走過了先 進國家半個世紀走過的道路。50 年代，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造性 地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設(shè)備性能和運行技術(shù) 1 ， 建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經(jīng)驗的 繼電保護技術(shù)隊伍，對全國繼電保護技術(shù)隊伍的建立和成長起了 指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進的繼電器制造 技術(shù)， 建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。 因而在 60 年代中我國已 建成了繼電保護研究、設(shè)計、制造、運行和教學的完整體系。這 是機電式繼電保護繁榮的時代，為我國繼電保護技術(shù)的發(fā)展奠定 了堅實基礎(chǔ)。 自 50 年代末，晶體管繼電保護已在開始研究。60 年代中到 80 年代中是晶體管繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。 其中天 津大學與南京電力自動化設(shè)備廠合作研究的 500kV 晶體管方向高 頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保 護，運行于葛洲壩 500 kV 線路上2，結(jié)束了 500kV 線路保護 完全依靠從國外進口的時代。 在此期間， 從 70 年代中， 基于集成運算放大器的集成電路保 護已開始研究。 到 80 年代末集成電路保護已形成完整系列， 逐漸 取代晶體管保護。到 90 年代初集成電路保護的研制、生產(chǎn)、應用 仍處于主導地位，這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自 動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作 用3，天津大學與南京電力自動化設(shè)備廠合作研制的集成電路 相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 21 我國從 70 年代末即已開始了計算機繼電保護的研究4， 高等院校和科研院所起著先導的作用。 華中理工大學、 東南大學、 華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶 大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式 的微機保護裝置。 1984 年原華北電力學院研制的輸電線路微機保 護裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應用5，揭開了我國繼 電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主 設(shè)備保護方面， 東南大學和華中理工大學研制的發(fā)電機失磁保護、 發(fā)電機保護和發(fā)電機?變壓器組保護也相繼于 1989、1994 年通過 鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝 置也于 1991 年通過鑒定。 天津大學與南京電力自動化設(shè)備廠合作 研制的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼 電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護也相繼于 1993、 1996 年通過鑒定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和主設(shè) 備保護各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能 齊全、工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究，在 微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果?？梢哉f從 90 年代開始我國繼電保護技術(shù)已進入了微機保護的時代。 5.25.2繼電保護的未來發(fā)展繼電保護的未來發(fā)展 繼電保護技術(shù)未來趨勢是向計算機化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保 護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 22 5.2.15.2.1計算機化計算機化 隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷發(fā)展。 原華北電力學院研制的微機線路保護硬件已經(jīng)歷了 3 個發(fā)展階 段：從 8 位單 CPU 結(jié)構(gòu)的微機保護問世，不到 5 年時間就發(fā)展到 多 CPU 結(jié)構(gòu)，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結(jié)構(gòu)，性能大大 提高，得到了廣泛應用。華中理工大學研制的微機保護也是從 8 位 CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎(chǔ)的 32 位微機保護。 南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎(chǔ)的微 機線路保護， 已得到大面積推廣， 目前也在研究 32 位保護硬件系 統(tǒng)。東南大學研制的微機主設(shè)備保護的硬件也經(jīng)過了多次改進和 提高。 天津大學一開始即研制以 16 位多 CPU 為基礎(chǔ)的微機線路保 護， 1988 年即開始研究以 32 位數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎(chǔ)的保 護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設(shè)備 公司合作研制成一種功能齊全的 32 位大模塊， 一個模塊就是一個 小型計算機。 采用 32 位微機芯片并非只著眼于精度， 因為精度受 A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率的限制， 超過 16 位時在轉(zhuǎn)換速度和成本方面都 是難以接受的； 更重要的是 32 位微機芯片具有很高的集成度， 很 高的工作頻率和計算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和 較多的輸入輸出口。CPU 的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是 32 位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能， 并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)部件都集成在 CPU 內(nèi)。 電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能 外，還應具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù) 據(jù)處理功能，強大的通信能力，與其它保護、控制裝置和調(diào)度聯(lián) 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 23 網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、 信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力， 高級語言編程等。 這就要求微機保護裝置具有相當于一臺 PC 機的功能。 在計算機保 護發(fā)展初期，曾設(shè)想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。由 于當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設(shè)想是不現(xiàn)實的。 現(xiàn)在，同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容 量大大超過了當年的小型機，因此，用成套工控機作成繼電保護 的時機已經(jīng)成熟，這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學已 研制成用同微機保護裝置結(jié)構(gòu)完全相同的一種工控機加以改造作 成的繼電保護裝置。 這種裝置的優(yōu)點有： (1)具有 486PC 機的全部 功能， 能滿足對當前和未來微機保護的各種功能要求。 (2)尺寸和 結(jié)構(gòu)與目前的微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防 電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。 (3)采用 STD 總線或 PC 總線，硬件模塊化，對于不同的保護可任 意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。 繼電保護裝置的微機化、計算機化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。 但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進一步提高繼電保護的 可靠性，如何取得更大的經(jīng)濟效益和社會效益，尚須進行具體深 入的研究。 5.2.25.2.2網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化 計算機網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術(shù) 支柱，使人類生產(chǎn)和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影 響著各個工業(yè)領(lǐng)域， 也為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了強有力的通信手段。 到目前為止，除了差動保護和縱聯(lián)保護外，所有繼電保護裝置都 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 24 只能反應保護安裝處的電氣量。繼電保護的作用也只限于切除故 障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強有力的數(shù)據(jù)通 信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護的概念，這在當時主要指安全 自動裝置。因繼電保護的作用不只限于切除故障元件和限制事故 影響范圍(這是首要任務(wù))，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這 就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)， 各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào) 動作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護的基 本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護裝置用計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起 來，亦即實現(xiàn)微機保護裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這在當前的技術(shù)條件下是 完全可能的。 對于一般的非系統(tǒng)保護，實現(xiàn)保護裝置的計算機聯(lián)網(wǎng)也有很 大的好處。繼電保護裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對故 障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確。對自適應保 護原理的研究已經(jīng)過很長的時間，也取得了一定的成果，但要真 正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應，必須獲得更多 的系統(tǒng)運行和故障信息，只有實現(xiàn)保護的計算機網(wǎng)絡(luò)化，才能做 到這一點。 對于某些保護裝置實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)， 也能提高保護的可靠性。 天津大學1993年針對未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提 出了一種分布式母線保護的原理 6 ， 初步研制成功了這種裝置。 其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線 的回路數(shù)相同)母線保護單元， 分散裝設(shè)在各回路保護屏上， 各保 護單元用計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，每個保護單元只輸入本回路的電 流量，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳送給其它所有回 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 25 路的保護單元，各保護單元根據(jù)本回路的電流量和從計算機網(wǎng)絡(luò) 上獲得的其它所有回路的電流量，進行母線差動保護的計算，如 果計算結(jié)果證明是母線內(nèi)部故障則只跳開本回路斷路器，將故障 的母線隔離。在母線區(qū)外故障時，各保護單元都計算為外部故障 均不動作。這種用計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的分布式母線保護原理，比傳 統(tǒng)的集中式母線保護原理有較高的可靠性。因為如果一個保護單 元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤地跳開本回路，不會 造成使母線整個被切除的惡性事故，這對于象三峽電站具有超高 壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。 由上述可知，微機保護裝置網(wǎng)絡(luò)化可大大提高保護性能和可 靠性，這是微機保護發(fā)展的必然趨勢。 5.2.35.2.3保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化 在實現(xiàn)繼電保護的計算機化和網(wǎng)絡(luò)化的條件下，保護裝置實 際上就是一臺高性能、多功能的計算機，是整個電力系統(tǒng)計算機 網(wǎng)絡(luò)上的一個智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的 任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù) 據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝置不 但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成 測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù) 通信一體化。 目前，為了測量、保護和控制的需要，室外變電站的所有設(shè) 備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到 主控室。所敷設(shè)的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回 路非常復雜。但是如果將上述的保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 26 體化的計算機裝置，就地安裝在室外變電站的被保護設(shè)備旁，將 被保護設(shè)備的電壓、電流量在此裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計 算機網(wǎng)絡(luò)送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作 為網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)， 還可免除電磁干擾。 現(xiàn)在光電流互感器(OTA) 和光電壓互感器(OTV)已在研究試驗階段， 將來必然在電力系統(tǒng)中 得到應用。在采用 OTA 和 OTV 的情況下，保護裝置應放在距 OTA 和 OTV 最近的地方，亦即應放在被保護設(shè)備附近。OTA 和 OTV 的 光信號輸入到此一體化裝置中并轉(zhuǎn)換成電信號后，一方面用作保 護的計算判斷；另一方面作為測量量，通過網(wǎng)絡(luò)送到主控室。從 主控室通過網(wǎng)絡(luò)可將對被保護設(shè)備的操作控制命令送到此一體化 裝置，由此一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。1992 年天津大學提出 了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以 TMS320C25 數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎(chǔ)的一個保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信 一體化裝置。 5.2.45.2.4智能化智能化 近年來，人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進化規(guī)劃、 模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領(lǐng)