智能电器1教材.ppt

智能电器,Intelligent Apparatus,一 概述 Introductions,1.1 电器的定义与分类 1.2 电器的典型结构 1.3 电器智能化的内涵与主要内容 1.4 智能电器的教学任务,1.1 电器的定义与分类,电器---用于控制电路或实现电能转换及检测电参数的硬件设备或装置凡是根据外部指令或预定的功能，自动或手动、连续或断续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、检测和能量变换的电气设备都属电器的范畴 ----我们一般把强电领域的技术问题称之电气工程，而把弱电领域的技术问题称之电子工程，电器是强电领域的概念，因此可以说电气工程领域的硬件都属电器的范畴，电器是电气工程的物质基础电机、变压器、输电线、电光电热等单列) ----我们把用于功率控制的电力电子装置作为广义的电器对待，因为电器的智能化将越来越依赖电力电子技术来实现电器的分类一般按工作职能和使用领域分类：,高压电器----额定工作电压在1kV以上，主要用于电力系统，少量用于脉冲功率技术和特种电源中一般包括：断路器、负荷开关、熔断器、避雷器、互感器与电抗器等 低压与家用电器----额定工作电压在1kV以下，主要用于电力拖动和家庭电气设施，包括：断路器、接触器、组合（自动）开关、低压熔断器、低压避雷器、磁力启动器，家用电热、制冷、电动工具和照明等。

测量电器----电量传感器（包括电流互感/传感器，电压互感/传感器），非电量（输出为电量的）传感器 能量转换电器----高压电容器、电抗器、电磁铁，电热、电声、电光电机等 特种电器----矿用电器、航空、舰船与铁道电器等我们可用执行通断任务时的转换深度 h来描述：,---- h =Ro/Rc； 电器开路阻抗/闭合阻抗 有触点电器: h=1010-14 无触点电器:h=104-7 电力系统中的高、低压电器以开关电器为主； 开关电器中又以断路器为主要的和典型的研究对象，工作条件最苛刻，以三相交流电源为主 ----从产业分工和结构方面，我们还可以把电器分为电器元件和成套电器，后者一般要结合纯电子控制装置组成一个功能系统，实际上已成为广义的电器了1.2 电器的典型结构,1）高压开关电器 高压断路器是最典型的高压开关电器，作为短路保护可以分断几万安培的短路电流典型的真空断路器由灭弧室、操动机构、框架和辅助开关等组成灭弧室由弹簧储能操动机构驱动，其动作指令由开关柜上的继电保护系统给出，开关上的若干组辅助触点可反映开关的状态，并可供外部电路使用 真空灭弧室是开关的核心，当操动机构接到指令开始分闸操作时，处于闭合状态的真空灭弧室触头分离拉出电弧，在交变电流零点时电弧熄灭，完成电路分断功能。

真空断路器 ----12kV系列,1）高压开关电器（续）,真空开关对其操动机构的要求严格，随时准备动作，决不允许拒动或误动，一般采用储能的方式排除其能源故障带来的隐患目前中压领域最新进展是永磁操动机构，可以与电子计算机控制匹配达到很高的时间控制精度，实现开关的动作相位控制，因之也称作 电子操动 开关的框架主要 应有绝缘方面的保证， 固定处于高电位的灭 弧室此外还附加有 进行自诊断装置，有 的高压开关整体封闭 在一个绝缘气体柜内2）低压开关电器,塑壳空气开关是典型的低压电器，一般由灭弧室、操动机构、骨架和外壳以及过流脱扣装置等组成以前低压系统大量使用各种熔断器，塑壳开关中有过流保护脱扣装置，各分支可以省去熔断器，从而简化了系统 塑壳断路器采用了先进的灭弧系统，使开关利用电弧自身能量分割成许多小段，很容易在短路电流达到峰值前将其熄灭，从而使实际电弧的电流峰值和能量远没达到预期值，我们称之限流开断 限流的最大意义在于，降低了整个系统可能承受的电流极限，在系统电动力和热稳定方面有了更好的保证此外由于实际承受的电弧能量较小，灭弧室的体积也可以做的较小，这是限流断路器的又一优越性低压断路器,3) 测量与能量转换电器,目前电力系统中最典型的测量电器是各种电流互感器和电压互感器。

功率计量主要的计算测得的电流和电压 电力系统用的电流互感器也称Ct，其一般结构是在环型铁心上绕一定匝数的二次线圈，主电流穿过环型线圈视作单匝的一次线圈低压互感器与高压互感器的结构基本一致，只是一次和二次线圈之间的绝缘水平的差异 电压互感器实际上就是小功率降压变压器，也称Pt 新型测量电器也在向智能化方向发展，称之智能检测，所用硬件有本质上的改变：能量需求大大降低，数字输出，本身自诊断等3) 测量与能量转换电器,能量转换电器范围很广，实际上电机是应用最广的机电能量转换系统，但它的研究已自成体系，成为专门的学科 除电机以外的电磁（机械）、电热、电光、电声等虽然都有自己专门领域，但都仍属于电器范畴这部分器件直接与人们的日常生活相关，与电能的使用相关，是我们电气工程的边界，是我们必须掌握的知识 如电热器：直接欧姆热、涡流效应（电磁灶）、中频加热、微波加热、电弧炉、等离子体焚烧等等开关柜,1）Pt、Ct，二次计量、 显示仪表 2）断路器（手车）或 负荷开关+熔断器 3）保护控制装置（继保） 4）其他,4）家用电器,随着经济和社会的发展，家用电器的用电量在电能消耗中的比例越来越大，反映了家用电器的使用量的急剧增加。

虽然其内涵主要是上述能量转换电器，但更多的结合了电子技术，技术含量越来越高因此，有必要把它们单列一类，进行分析研究当然，现代高档的音像设备和太阳能设备、电动车等，主要是相关领域的研究对象，只在家电中归类 5）成套电器和电力系统自动化装置 现代成套电器是电气工程与电子工程结合的产物，它不但的电器元件的集成，更主要的是其功能的完备，作为一个系统直接完成用户的服务功能1.3电器智能化的内涵与主要内容,1）智能化----电力系统的需求牵引 在开关电器领域，智能化开关发展迅速，其动力首先来自电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化程度现代配电和用电系统包括供电小区或智能大厦的电气设备都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化，作为电力系统的硬件, 其智能化则是上述用电体系自动化与智能化的基础 为满足电力系统日益提高的可靠性要求，电力设备的状态检修技术得到了飞速发展，这一技术要求设备能自诊断、运行状态可控，能及时发现故障的前兆，这与电器智能化的基本要求也是一致的2）电器智能化的内涵,----电器的智能化主要指开关电器实现人工智能的过程按人工智能的定义，智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。

感知功能包括设备的自诊断，各种运行参数和系统参数的检测，可依靠各种传感器来完成 思维和判断功能可依靠计算机或数字信号处理器（DSP）来完成，这方面即有硬件问题，又有软件问题，软件发展的空间更大些 -----对开关电器的智能化而言，目前的“瓶径”问题是“行之有效的执行功能”,智能电器：在某一方面或整体上具有人工智能的功能的电器元件或系统早在30年前，人们就开始有开关智能化的概念并在配电系统实践，即在配电开关外附加以智能控制器，用以自动判别线路故障，切除与隔离故障并恢复健康区段的供电，人们称之为自动重合器与自动分段器 随着计算机技术的发展，越来越多的电站实现了微机化控制与管理，这使得开关智能化沿两条路线发展在电力系统方面，希望开关实现所谓“四遥”，把设备状态反映到电站主控微机，由它实现开关乃至整个系统的智能化 国内外大多制造厂家来说，则更侧重另一条发展路线，他们首先追求的是开关本体智能化，因为元件智能化才是最根本和最可靠的智能化进一步再组成智能化系统3）国外典型智能高压电器,在中压领域较典型的有富士公司的智能式真空断路器及ABB公司的VM1型真空断路器前者包括三种功能：自动保护功能，早期维护功能和信息传递功能。

其中保护功能指开关本体可对过电流和短路故障进行检测与判断并发出指令，使开关可靠分闸；早期维护功能指开关在真空度降低时，电接触部位温升异常以及脱扣线圈断线时均能发出报警，提示操作人员把开关退出运行进行维修；信息传递功能则指除正常外部加入的控制信号外开关状态的信号输出 该开关比较有特色的是其光/温度继电器温度传感元件为双金属片，当受热板的温升达到给定值时，就会带动光路开关动作由于没有电的联系，受热板可安装在要监视的电接触部位3）国外典型智能高压电器（续）,ABB的VM1型真空开关是该公司的最新产品，除了新颖的一体化绝缘结构，最显著的特色是采用了永磁操动机构外就是它的二次控制无触点化和采用新型传感器开关的位置传感器和辅助接点均为无触点的接近开关或光开关，新型电量传感器信号可以直接变换成数字信号，取代了传统的电磁式电压和电流互感器 在高压SF6开关智能化方面，有智能操作的概念，即开关的操作性能可根据电网中发出的不同工况，自动选择和调整操动机构或/和灭弧室合理的预定工作条件变速操作打破了传统断路器单一分闸特性的概念，实际上是上述执行功能的智能化，是对高电压等级开关操动机构改造的尝试1.4 智能电器的理论任务,智能电器理论研究范围： ----在电力系统中不能取代微机保护，应以电器本身的智能化为主要研究内容；不试图改变已有的电站自动化微机系统。

----对已经比较完备的电子计算机技术成块引入，主要研究应用技术与特色和界面；数字信号处理借用现有技术 ----网络技术主要研究接口和与之相关的通讯规约，以应用为目的，而不钻研其连网技术和网络结构 在传感器方面，要研究它们的灵敏度与准确度，以及新的检测机理如光电、红外、超声波，新的检测方法如无传感器虚拟法，综合评估法等的应用，指纹数据以及扰动误差校正法等1.4 智能电器的理论任务（续）,信号处理研究，包括强电磁场下的实用总线技术、以太网和基于互联网的信号传输技术，以及与之配套的基于小波分析、模糊逻辑分析等数据处理技术，电磁兼容技术； 控制策略研究，除了常规控制系统及其可靠性与冗余等外，还要包括各种仿真分析，如EMPT、ANSYS、MATLAB等仿真软件的应用等 新的执行功能研究，包括各种新的电弧或电路控制机理研究；同步开关技术等电子操动引起了新一轮相控开关研究，多断口断路器的复兴，以及高可靠性系统的实现等，均体现了革命性的技术进步本课程的主要任务和内容,本课程作为电气工程及其自动化专业课之一，旨在引导学生接近现代电气工程硬件的前沿，熟悉已有的智能电器产品，掌握电器智能化的基本理论和技术。

包括以下主要内容： 1.电器学概论，包括电流的热效应和力效应，电弧电接触，磁路计算等； 2.信号处理基础，包括采样，数字滤波，数字化非线性补偿，常用信号分析方法等； 3.智能电器的信号检测系统，包括电量传感器，非电量传感器，信号的提取与传输，下位机系统等； 4.智能电器的控制系统，包括控制器的组成，控制策略与算法，常用CPU及其软件，上位机与主站等； 5.智能电器的执行系统，包括电子操动的组成与设计原则，操动机构的寿命与可靠性，智能操作，相控开关等；,本课程的任务与内容（续）,6.智能电器的网络化与通讯，包括网络电器与电器网络，通讯规约，强电磁场下的总线与网络技术，接口技术等； 7.智能电器的应用之一 ----配电自动化，包括配电自动化的基本概念与模式，重合器与分段器，FTU与主站，配电自动化的通讯等； 8.智能电器的应用之二 ----FACTS电器，包括电力电子技术在输电系统的应用，典型FACTS电器，超高压开关的智能化等； 9.智能电器的可靠性与电磁兼容，包括可靠性指标，智能电器的电磁兼容，智能电器的试验与标准等； 10.智能电器的发展---统一电能质量管理系统，包括供电质量与供电可靠性，动态无功补偿，有源滤波，不间断电源，统一电能质量管理系统等。

本章思考题：,1.归纳电器的定义、分类 2.根据人工智能的定义分析电器智能化与智能电器的内涵 3.描述两种现有智能电器 4.简述电器智能化的发展趋势 参考文献： 《。