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(一)供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分,其設計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能,從而滿足網(wǎng)絡時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
(二)通信電源設備的更新?lián)Q代
近年來,隨著技術的進步,特別是功率器的更新?lián)Q代,新型電磁材料的不斷使用,功率變換技術的不斷改進,控制方法的不斷進步,以及相關學科的技術不斷融合,通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性,電磁兼容性,消除網(wǎng)側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進步。
(三)現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術
目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路,半橋電路和全橋電路,各有優(yōu)缺點。一般認為,在中、小功率場合,采用雙單端電路或半橋電路是適宜的;在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
(一)開關器件的發(fā)展趨勢
電源技術的精髓是電能變換,即利用電能變化技術將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中,開關電源在電源技術中占有重要地位,從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級,開關電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎,促進了現(xiàn)代電源技術的繁榮和發(fā)展。
(二)通信直流電源產品的技術發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術的共同推動下,通信直流電源產品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢:
體系架構相當長的一段時間內維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構;功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關模式,暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高,推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高,但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定,一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術、通信電源技術的成熟,以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入,通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律,一般而言,技術的生命周期包含四個階段:嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期,種種跡象表明,通信直流電源的核心技術,開關電源技術基本上開始步入成熟期:效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高,未來幾年甚至十幾年內,通信直流電源產品將進入一個緩慢發(fā)展的階段,直至有一天,一種新的電源變換技術出現(xiàn),通信直流電源產品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展,就像開關穩(wěn)壓技術替代線性穩(wěn)壓技術,給電源帶來了革命性的變化。
(三)通信用蓄電池技術研究的新進展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應手段,其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術的不斷進步,國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池,有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池,由于其材料、結構和技術上的先進性,在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池無可比擬的優(yōu)越性。
[論文關鍵詞]:通信電源通信網(wǎng)現(xiàn)狀發(fā)展趨勢
[論文摘要]:通信電源是向通信設備提供交直流電的電能源,是整個通信電信網(wǎng)的能量保證。通信電源系統(tǒng)由交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)和相應的保護系統(tǒng)構成。通信電源系統(tǒng)的設備多,分布廣,不僅單個電源設備的可靠性會影響系統(tǒng)的可靠性,電源系統(tǒng)的總體結構也會對自身的可靠性造成很大的影響。
一、通信電源的發(fā)展現(xiàn)狀
(一)供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分,其設計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能,從而滿足網(wǎng)絡時代的需求。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。
(二)通信電源設備的更新?lián)Q代
近年來,隨著技術的進步,特別是功率器的更新?lián)Q代,新型電磁材料的不斷使用,功率變換技術的不斷改進,控制方法的不斷進步,以及相關學科的技術不斷融合,通信電源在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性,電磁兼容性,消除網(wǎng)側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等等方面都取得長足的進步。
(三)現(xiàn)行通信電源的電路模型和控制技術
目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路,半橋電路和全橋電路,各有優(yōu)缺點。一般認為,在中、小功率場合,采用雙單端電路或半橋電路是適宜的;在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發(fā)展趨勢
(一)開關器件的發(fā)展趨勢
電源技術的精髓是電能變換,即利用電能變化技術將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中,開關電源在電源技術中占有重要地位,從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級,開關電源的發(fā)展為高頻變化提供了硬件基礎,促進了現(xiàn)代電源技術的繁榮和發(fā)展。
(二)通信直流電源產品的技術發(fā)展市場需求發(fā)展
在需求與技術的共同推動下,通信直流電源產品體現(xiàn)了如下的發(fā)展態(tài)勢:
體系架構相當長的一段時間內維持穩(wěn)定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現(xiàn)有的交流配電、整流器模塊(并聯(lián))、直流配電、監(jiān)控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構;功率變換模式也將維持現(xiàn)有的高頻開關模式,暫時不會出現(xiàn)類似從線性電源到開關電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高,推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高,但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定,一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術、通信電源技術的成熟,以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入,通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創(chuàng)造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律,一般而言,技術的生命周期包含四個階段:嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期,種種跡象表明,通信直流電源的核心技術,開關電源技術基本上開始步入成熟期:效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高,未來幾年甚至十幾年內,通信直流電源產品將進入一個緩慢發(fā)展的階段,直至有一天,一種新的電源變換技術出現(xiàn),通信直流電源產品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展,就像開關穩(wěn)壓技術替代線性穩(wěn)壓技術,給電源帶來了革命性的變化。
(三)通信用蓄電池技術研究的新進展
通信用蓄電池作為通信系統(tǒng)后備的能源供應手段,其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業(yè)的重視。隨著科技的發(fā)展和技術的不斷進步,國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池,有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池,由于其材料、結構和技術上的先進性,在性能上具有傳統(tǒng)的VRLA電池無可比擬的優(yōu)越性。
1.釩電池(VanadiumRedoxBattery)。釩電池(VRB)是一種電解值可以流動的電池,目前正在逐步進入商用化階段。
2.燃料電池。燃料電池是一種化學電池,也是一種新型的發(fā)電裝置,它所需的化學原料由外部供給,如氫氧燃料電池,只要外部供給氫和氧,經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用,就能產生0.9V電壓的直流電能,同時產生大量的熱能.
3.電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展,通信系統(tǒng)從以前的單機或小局域系統(tǒng)逐漸發(fā)展至大局域網(wǎng)系統(tǒng)或廣域網(wǎng)系統(tǒng),大量人力、物力被投入到網(wǎng)絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環(huán)境越來越復雜,人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度,這對電源設備的監(jiān)控管理提出了新的需求,保護通信互聯(lián)網(wǎng)終端的電源設備必須具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通信能力。此時,數(shù)字化技術就表現(xiàn)出了傳統(tǒng)模擬技術無法實現(xiàn)的優(yōu)勢,數(shù)字化技術的發(fā)展逐步表現(xiàn)出傳統(tǒng)模擬技術無法實現(xiàn)的優(yōu)勢.
4.通信電源的環(huán)保要求。環(huán)保問題,一方面的指標是通信電源的電流諧波要符合要求,降低電源的輸入諧波,不但可以改善電源對電網(wǎng)的負載特性,減少給電網(wǎng)帶來嚴重污染的情況,還可減少對其他網(wǎng)絡設備的諧波干擾。另一個重要方面,是材料的可循環(huán)利用和環(huán)境的無污染,這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。
在通信電源開發(fā)、生產早期,人們主要集中研究電源的輸出特性,較少考慮到電源的輸入特性。例如:傳統(tǒng)的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路,其輸入電流呈脈沖狀,導通角約為π/3,波峰因數(shù)大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網(wǎng)帶來了嚴重的污染,使電網(wǎng)波形失真,實際負荷能力降低,對于三相四線制的電網(wǎng)來說,還很有可能因中性線電流過大而出現(xiàn)不安全隱患。
參考文獻:
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[12]唐勇偉,《通信電源技術的發(fā)展》.
關鍵詞:DSP變頻;電源設計;變頻電源
中圖分類號:TN86 文獻標識碼:A 文章編號:1009-2374(2014)08-0048-03
1 概述
1.1 問題的提出
電動鑿巖機是建筑、水利、采礦等行業(yè)的重要設備。相對于傳統(tǒng)的鑿巖設備,電動鑿巖機所具有的突出優(yōu)點是節(jié)省能源,其電能利用率高達50%~60%,而常用氣動鑿巖機僅為10%,此外,電動鑿巖機還有噪聲低、工作面空氣新鮮、無廢氣污染等優(yōu)點,極大的改善了勞動條件。但目前使用的電動鑿巖機也有明顯缺點:對同樣硬度的巖石,它的轉速只有氣動鑿巖機的50%~60%。目前大多數(shù)電動設備直接使用交流工頻電源(50HZ),不能隨著工作環(huán)境(巖石硬度、鉆孔孔徑、深度)改變輸出轉矩、轉速,因此工作效率較低。為此,本文采用德州儀器公司的TMS320C2407DSP處理器設計一種新型的5KVA單相正弦波變頻電源,通過輸出可程控的交流電壓,改變電動設備的輸出轉矩和轉速。進而提高工作效率,改善電動設備的工作性能。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀
變頻技術是國內外研究的一個熱點。其原因一是由于市場需求。近年來,隨著自動化技術程度的發(fā)展成熟和能源短缺問題日益突出,變頻技術越來越得到重視,并廣泛地應用。二是功率器件的發(fā)展。近年來各種高電壓、大電流的功率器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術的發(fā)展應用,使先進變頻器的生產成為現(xiàn)實。三是現(xiàn)代控制理論和集成電子技術的發(fā)展。矢量控制、模糊控制等新的控制理論及神經網(wǎng)絡技術為高性能的變頻器研制提供了理論基礎,而高速微處理器以及專用集成電路技術的快速發(fā)展,為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件平臺。
目前國外的變頻技術研究,以法、意、德、日等國領先。在大功率變頻調速方面,法國的阿爾斯通公司、意大利的ABB公司分別研制出單機容量達數(shù)萬千瓦的電氣傳動設備。在中功率變頻調速技術方面,德國的西門子公司研制出的SimovertA電流型晶閘管變頻調速設備和SimovertPGTOPWM變頻調速設備,己實現(xiàn)全數(shù)字化控制;在小功率交流變頻調速技術方面,日本的富士BJT變頻器、IGBT變頻器已形成系列產品,其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。
國內研究方面,從總體上看我國變頻調速的技術水平較國際先進水平有較大差距。目前在大功率交——交、無換向器電機等變頻技術方面,國內雖有部分單位可研制生產,但在數(shù)字化程度及系統(tǒng)可靠性等方面還有待改進。對程控變頻電源的理論和實踐研究取得的成績,可查主要有:王小薇、程永華對于基于DSP雙環(huán)控制的逆變電源設計研究;余功軍、鐘彥儒、楊耕對IGBT變頻器死區(qū)時間的補償策略研究;程永華、楊成林、徐德鴻對于基于DSP變壓變頻電源設計研究;程曙、徐國卿、許哲雄對SPWM逆變器死區(qū)效應分析研究;趙勇對基于IGBT大功率變頻電源的研究;李鋒對基于DSP的SPWM變壓變頻電源的研究等。
同時由于目前我國采用的半導體功率器件和DSP等器件依然嚴重依賴進口,使得變頻器的制造成本居高不下,無法形成有競爭力的產業(yè),也是影響我國變頻技術發(fā)展的一個主要原因。
2 基于DSP的新型單相正弦波變頻電源設計
2.1 設計思路
本文以美國德州儀器公司的TMS320C2407DSP處理器為核心設計了一種新型的5KVA單相正弦波變頻電源。通過輸出不同頻率、電壓的電源信號,對異步電機的轉速、轉矩進行控制。從而實現(xiàn)了電動鑿巖設備針對不同巖體提高鉆孔效率的目的。該不安品電源的硬件部分主要由主電路、保護電路、控制電路等部分組成。主電路包括整流、濾波、逆變器、驅動電路等;保護電路包括過壓欠壓保護、限流啟動、IPM故障保護、過流保護等;控制電路則主要包括DSP控制電路、PWM信號發(fā)生電路、A/D、D/A轉換電路等。在軟件方面,考慮到SVPWM控制算法比較適合于數(shù)字控制系統(tǒng),本文編制了基于SVPWM控制算法的控制軟件。經過工作現(xiàn)場試驗結果表明,該系統(tǒng)可以在30—300Hz范圍內均勻調速,在不同的負載情況下,具有較好的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力。
2.2 硬件系統(tǒng)結構
本文設計變頻電源的硬件系統(tǒng)以Tl公司的TMS320LF2407A型DSP為控制芯片,由主電路、保護電路、控制電路等組成,其原理結構圖如圖1。
圖1 硬件系統(tǒng)原理結構圖
其中主電路包括整流、濾波、逆變器驅動電路等組成。其工作原理是把單相交流電通過整流模塊變?yōu)橹绷麟?,整流后的脈動電壓再經過濾波電容平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。再由逆變電路對該直流電壓進行斬波,形成電壓和頻率可調的單相交流電提供給異步電機。由于IPM是IGBT的功率集成電路,需要有專門的驅動電路,本文采用調壓電路把電壓抬高到15伏來進行驅動。系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、IPM故障保護、過流保護等??刂齐娐钒―SP控制電路、PWM信號發(fā)生電路、A/D、D/A轉換電路等。
2.3 整流和濾波電路
整流和濾波電路屬于主電路的一部分,其結構圖如圖2所示。工作時,220V的交流電源經過四個二極管的全波整流,變?yōu)橹绷鳎渲须娊怆娙軨1為整流濾波電容,電阻R1為放電電阻,在斷電情況下為C1提供放電回路,同時也為逆變器負載和直流電源之間的無功功率提供緩沖。
圖2 整流和濾波電路
2.4 逆變電路設計
(a)逆變電路結構原理圖(b)輸出方波信號波形圖
圖3
本文即采用的是電壓型逆變電路。因為本文設計變頻電源主要應用在電動鑿巖設備上的。所以我們采用的是單相全橋逆變電路。圖3為單相電壓橋式逆變電路的結構原理圖及輸出波形圖。全控型開關器件T1和T4構成一對橋臂,T2和T3構成一對橋臂,T1和T4同時通、斷;T2和T3同時通、斷。T1(T4)與T2(T3)的驅動信號互補,即T1和T4有驅動信號時,T2和T3無驅動信號,反之亦然,兩對橋臂各交替導通180°。從而得到需要的變頻電壓信號。
由于本變頻電源主要應用電動鑿巖設備方面,即一般情況下均是在在阻感負載下工作。因此在0≤θ≤ωt期間,T1和T4有驅動信號,由于電流i0為負值,T1和T4不導通,D1、D4導通起負載電流續(xù)流作用,u0=+Ud。θ≤ωt≤π期間,i0為正值,T1和T4才導通。π≤ωt≤π+θ期間,T2和T3有驅動信號,由于電流i0為負值,T2、T3不導通,D2、D3導通起負載電流續(xù)流作用,u0=-Ud。π+θ≤ωt≤2π期間,T2和T3才導通
2.5 電平轉換設計
由于DSPTMS320LF2407是低功耗芯片,必須采用3.3V供電,與驅動主電路的電平不匹配,易引起事故,損壞芯片。故本實用新型設計中包含了電平轉換設計。本文采用的驅動芯片M57959L本身具備隔離輸入作用,因此在電平轉換設計中不必要增設隔離電路。本實用新型采用I/O直接輸出轉換設計。
圖4 采用M57959L的電平轉換驅動電路
2.6 軟件部分設計
控制算法的軟件化為交流調速系統(tǒng)控制算法的選擇、復用提供了方便。本設計基于TMS320LF2407A事件管理器,采用DSP自帶的匯編語言編寫軟件CCS進行編寫,系統(tǒng)的軟件設計可簡單分為兩個部分:一個是系統(tǒng)的初始化模塊,另一個是控制算法模塊。其中初始化只在系統(tǒng)上電時執(zhí)行一次,而控制算法模塊包括SVPWM的生成,速度反饋信號的采樣和處理等。系統(tǒng)的整在程序初始化之后進入主循環(huán)程序,DSP產生SVPWM使電機開始運行。其調用的頻率與PWM的輸出頻率一致。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。
3 應用實驗及展望
本文所設計制作的5KVA單相正弦波變頻電源,可輸出30~300HZ交流電壓。所制作的樣品在湘西同力機械公司、武陵電化總廠金屬包裝廠經過多次實驗表明,應用本文設計變頻電源控制異步電動機工作時,在不同頻率、不同負載情況下,輸出轉速和轉矩可基本實現(xiàn)實時控制,具有較好的工作穩(wěn)定性和抗干擾能力。
未來,將從兩方面對本設計進行改進,一是將改進硬件結構設計,逐步增大電源容量;二是改進軟件算法設計,實現(xiàn)變頻電源的最優(yōu)實時控制。
圖5 系統(tǒng)軟件流程圖
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關鍵詞:機電一體化,發(fā)展方向,技術應用
機電一體化技術是面向應用的跨學科的技術,它是機械技術、微電子技術、信息技術和控制技術等有機融合、相互滲透的結果。
1機電一體化技術的發(fā)展狀況 1.1 數(shù)控機床的問世,為機電一體化技術的發(fā)展寫下了歷史的第一頁; 1.2 微電子技術為機電一體化技術的發(fā)展帶來了勃勃生機; 1.3 可編程序控制器、'電力電子'等的發(fā)展為機電一體化技術的發(fā)展提供了堅強基礎; 1.4 激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使機電一體化技術的發(fā)展躍上新臺階.
2機電一體化技術發(fā)展方向
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技術的進步與發(fā)展,其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。 2.1 數(shù)字化
微控制器及其發(fā)展奠定了機電產品數(shù)字化的基礎;而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起,為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路。數(shù)字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、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。 2.2 智能化
即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。論文參考網(wǎng)。隨著模糊控制、神經網(wǎng)絡、灰色理論 、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展,為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。 2.3 模塊化
由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,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品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。在產品開發(fā)設計時,可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產品。 2.4 網(wǎng)絡化
由于網(wǎng)絡的普及,基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品,現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術使家用電器網(wǎng)絡化成為可能,利用家庭網(wǎng)絡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帶來的好處,因此,機電一體化產品無疑應朝網(wǎng)絡化方向發(fā)展。 2.5 人性化
機電一體化產品的最終使用對象是人,如何給機電一體化產品賦予人的智能、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,使用這些產品,對人來說還是一種藝術享受。
2.6 微型化
微型化是精細加工技術發(fā)展的必然,也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(Micro ElectronicMechanical Systems,簡稱MEMS)是指可批量制作的,集微型機構、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)。
2.7 集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優(yōu)化與復合,又包含在生產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)調而又安全地運轉,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。 2.8 帶源化
是指機電一體化產品自身帶有能源,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品,自帶動力源具有獨特的好處。論文參考網(wǎng)。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。 2.9 綠色化
綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求,機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境,產品壽命結束時,產品可分解和再生利用。
3 典型的機電一體化產品 機電一體化產品分系統(tǒng)(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有:數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)等。典型的機電一體化基礎元、部件有:電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。論文參考網(wǎng)。這些典型的機電一體化產品的技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。
4 機電一體化的技術應用
在重工業(yè)企業(yè)中,機電一體化系統(tǒng)是以微處理機為核心,把微機、工控機、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結合起來,采用組裝合并方式,為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件,增強系統(tǒng)控制精度、質量和可靠性。
4.1 智能化控制技術(IC)
由于重工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點,傳統(tǒng)的控制技術遇到了難以克服的困難,因此非常有必要采用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經 網(wǎng)絡等,智能控制技術廣泛應用于重工業(yè)企業(yè)的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面,如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、冷連軋等。 4.2 分布式控制系統(tǒng)(DCS)
分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發(fā)展,分布式控制系統(tǒng)的功能將越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產過程控制,而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產過程實時調度、生產計劃統(tǒng)計管理功能,成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監(jiān)視集中控制分散,故障影響面小,而且系統(tǒng)具有連鎖保護功能,采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施,使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比,其功能更強,具有更高的安全性,是當前大型機電一體化系統(tǒng)的主要潮流。 4.3 開放式控制系統(tǒng)(OCS)
開放控制系統(tǒng)(Open Control System)是目前計算機技術發(fā)展所引出的新的結構體系概念。“開放”意味著對一種標準的信息交換規(guī)程的共識和支持,按此標準設計的系統(tǒng),可以實現(xiàn)不同廠家產品的兼容和互換,且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網(wǎng)絡使各種控制設備、管理計算機互聯(lián),實現(xiàn)控制與經營、管理、決策的集成,通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設備互聯(lián),實現(xiàn)測量與控制一體化。 4.4 計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)
重工業(yè)企業(yè)的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體,用以實現(xiàn)從原料進廠,生產加工到產品發(fā)貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。目前重工業(yè)企業(yè)已基本實現(xiàn)了過程自動化,但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統(tǒng)一管理,難以適應現(xiàn)代重工業(yè)生產的要求。未來重工業(yè)企業(yè)競爭的焦點是多品種、小批量生產,質優(yōu)價廉,及時交貨。為了提高生產率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫存,加速資金周轉,實現(xiàn)生產、經營、管理整體優(yōu)化,關鍵就是加強管理,獲取必須的經濟效益,提高了企業(yè)的競爭力。
4.5 現(xiàn)場總線技術(FBT)
現(xiàn)場總線技術(Fied Bus Technology)是連接設置在現(xiàn)場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的數(shù)字式、雙向、多站通信鏈路。采用現(xiàn)場總線技術取代現(xiàn)行的信號傳輸技術(如4~20mA,DC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現(xiàn)場儀表裝置與更高一級的控制系統(tǒng)之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現(xiàn)場總線連接可省去66%或更多的現(xiàn)場信號連接導線?,F(xiàn)場總線的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線化儀表,如智能變送器、智能執(zhí)行器和現(xiàn)場就地控制站等的發(fā)展。 4.6 交流傳動技術
傳動技術在重工業(yè)中起著至關重要的作用。隨著電力、電子、技術和微電子技術的發(fā)展,交流調速技術的發(fā)展非常迅速。由于交流傳動的優(yōu)越性,電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動,數(shù)字技術的發(fā)展,使復雜的矢量控制技術實用化得以實現(xiàn),交流調速系統(tǒng)的調速性能已達到和超過直流調速水平?,F(xiàn)在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用,同步電機或異步電機實現(xiàn)可逆平滑調速。交流傳動系統(tǒng)在軋鋼生產中一出現(xiàn)就受到用戶的歡迎,應用不斷擴大。
綜上,我們不難發(fā)現(xiàn)機電一體化技術在現(xiàn)在的社會生產中占據(jù)了越來越多的行業(yè)和領域,并且隨著科學技術的發(fā)展,各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯,機電一體化技術的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。
【參考文獻】
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關鍵詞:智能配變電;監(jiān)控系統(tǒng);監(jiān)控終端;設計應用
中圖分類號:TM421 文獻標識碼:A
0引言
配變電監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的32位ARM技術和新型電能測量集成芯片ADE7758,簡化了配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計難度,可以做到全電子或真正的固體化、靜止化,利于提高性能,降低成本。本論文主要針對配變電監(jiān)控體系的開發(fā)設計進行研究,以期實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能監(jiān)控與管理,并和同行分享。
1配變電安全盆控系統(tǒng)的硬件沒計
根據(jù)實際要求,采用模塊化設計,將系統(tǒng)劃分為電源模塊、信號采集、數(shù)據(jù)處理和存儲、通信模塊、人機接口模塊和系統(tǒng)調試模塊,具體內容參見本章后續(xù)小節(jié)。各功能模塊有機的結合,則構成了一個系統(tǒng),總體框圖如下圖所示:
電源模塊分為常用供電電源模塊、電源監(jiān)控模塊和備用電源模塊兩部分。當常用供電電源突然下降時,電源監(jiān)控模塊檢測一個低壓值,此時CPU立即啟動控制信號,啟用備用電源,為CPU和FLASH模塊提供電源,保障將CPU里面的數(shù)據(jù)全部轉移到FLASH中。
信號采集模塊采樣新型高精度3相電能測量集成芯片ADE7758將電流互感器(CT)和電壓互感器(VT)輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號并計算出三相電壓、電流值,有功功率,無功功率,視在功率,有功電能,無功電能,功率因素,以及過零檢測。
數(shù)據(jù)處理和存儲主要是擴展FLASH和SRAM電路。通訊模塊分為串口通訊(RS232和RS485)、無線模塊、GPRS模塊和USB模塊。人機接口電路分為鍵盤輸入指示燈和LCD顯示。
1.1ARM技術特點。ARM技術具有很高的性能和功效,容易被廠商接受。同時,合作伙伴的增多,可獲得更多的第三方工具、制造和軟件支持,又使整個系統(tǒng)成本降低,使產品進入市場的時間加快,從而具有更大的競爭優(yōu)勢。
1.2ARM內核。傳統(tǒng)的CISC結構有其固有的缺點,即隨著計算機技術的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集,為支持這些新增的指令,計算機的體系結構會越來越復雜,然而,在CISC指令集的各種指令中,其使用頻率卻相差懸殊,大約有20%的指令會被反復使用,占整個程序代碼的80%。而余下的8既的指令卻不經常使用,在程序設計中只占2既,顯然,這種結構是不太合理的?;谝陨系牟缓侠硇?,1979年美國加州大學伯克利分校提出了租RISC的概念,RISC并非只是簡單地去減少指令,而是把著眼點放在了如何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度上。RISC體系的一般特點有:
1)體積小、低功耗、低成本、高性能;2)絕大多數(shù)操作都在寄存器中進行,通過Load/Store的體系結構在內存和寄存器之間傳遞數(shù)據(jù);3)尋址方式簡單;4)采用固定長度的指令格式;5)具有大量的寄存器;6)支持Thumb16位/ARM32位雙指令集能很好的兼容8位/16位器件。
采用先進的32位ARM處理器LPC2214和新型高精度3相電能測量集成芯片ADE7758,研究出一種全周波交流采樣電路和信號處理電路。系統(tǒng)不僅擁有更高的工作頻率和數(shù)據(jù)處理能力,為諧波測量和FFT運算提供了保證,而且降低了設計難度,彌補了傳統(tǒng)設計方案中的不足。系統(tǒng)不僅能夠抵抗高強度的電磁干擾,而且為配變電安全監(jiān)控提供了保障。
2配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)軟件由匯編語言和C語言編寫。匯編語言編寫ARM啟動代碼,在芯片上電或復位時,完成系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化后,最重要的一個操作就是檢測系統(tǒng)供電電源是否正常。如果系統(tǒng)供電電源不正常,而進行運作,會導致非常嚴重的后果,不過,系統(tǒng)此時會立即啟動備用電源,將當前數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)都保存到FLASH里面。如果數(shù)據(jù)都保存完后,還未恢復正常供電,則關閉備用電源,系統(tǒng)自動光機。若系統(tǒng)恢復正常供電,則進入初始化程序,置供電正常標志。此時,其他程序都是以秒間隔為標志有序的循環(huán)運行。
配變電實時監(jiān)控。主站可以通過GPRS或無線模塊向配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“請求1類數(shù)據(jù)”命令,實時監(jiān)控配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)或電力系統(tǒng)當前運行狀況。以請求“FN25_當前三相及總有”無功功率、功率因數(shù),三相電壓、電流、零序電流”為例,敘述“請求1類數(shù)據(jù)”方法。
當前三相及總有無功功率、功率因數(shù),三相電壓、電流、零序電流菜單欄中的“負控命令”下拉選項中,選擇“請求1類數(shù)據(jù)”。彈出“測試1類數(shù)據(jù)”窗口,“選擇”欄內的信息類標識PN的下拉列表中,選擇“FN25_當前三相及總有”無功功率、功率因數(shù),三相電壓、電流、零序電流”;信息點標識PN的下拉列表中,選擇“PNI測量點號1”。然后點擊”召喚數(shù)據(jù)”按鍵,請求配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關信息。在”收發(fā)幀顯示”框中,將顯示“發(fā)送”和“接收”報文具體內容;在“響應顯示”框中,將顯示當前三相及總有無功功率、功率因數(shù),三相電壓、電流、零序電流相關信息。
3通信規(guī)約設計
主站和終端設備之間的遠程通訊媒介原則上可以采用多種方式,本系統(tǒng)支持電話、載波、光纖、無線電臺、以及目前流行的SMS短信、GPRS技術,用戶可以根據(jù)其實際情況和當?shù)鼐W(wǎng)絡情況綜合考慮、選擇??紤]到本系統(tǒng)針對對象是地域分布廣、數(shù)量大的專用和一些公用配電網(wǎng),綜合考慮電磁干擾、抗雷擊、實時性、可靠性、施工方便、投資成本以及通訊發(fā)展走向等因素,使用公用無線信道的 SMS、GPRS 通信方式無疑是一個比較好的選擇。下面簡單分析基于無線 GPRS 技術的配變電監(jiān)控終端通信方式。
當開關監(jiān)控單元 FTU 上的 GPRS 模塊上電之后,即通過移動公司的網(wǎng)絡連接到了互連網(wǎng)上,可以將其看作互連網(wǎng)上的一個客戶端,當服務器端的 IP 地址及端口號確定之后,該FTU 終端即可連接上服務器,而在互連網(wǎng)上端到端的連接采用 Socket 套接字通信是比較成熟的方式。
socket 實質上提供了進程通信的端點。進程通信之前,雙方首先必須各自創(chuàng)建一個端點,否則是沒有辦法建立聯(lián)系并相互通信的。正如打電話之前,雙方必須各自擁有一臺電話機一樣。在網(wǎng)間網(wǎng)內部,每一個 socket 用一個半相關描述:一個完整的 socket 有一個本地唯一的 socket 號,由操作系統(tǒng)分配。
在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的 GPRS 通信中,應用程序的網(wǎng)絡通信歸根結底是利用相同的通信協(xié)議來完成信息的傳輸,應用程序和 Winsock 都工作在 Windows 的用戶模式下,操作系統(tǒng)僅僅通過 Winsock 是不能完成網(wǎng)絡間的通信,還需要底層的支持,而套接字仿真器(套接字核心模式驅動程序)和傳輸驅動程序接口是負責操作系統(tǒng)核心態(tài)環(huán)境下的網(wǎng)絡通信,起到了 Winsock 和傳輸協(xié)議之間的通信橋梁作用,由于我們傳輸?shù)膶ο蠖酁榕潆娤到y(tǒng)的數(shù)據(jù)量文件,因此需要對系統(tǒng)的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)作相應的設定,以保障大數(shù)據(jù)量的文件數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,從而實現(xiàn)在窄帶環(huán)境下依然實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)的 GPRS 傳輸通信。
4總結
配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)具備計量電力參數(shù)、遠程自動化實時抄表、電力異常信息自動報警、電能質量檢測、用電檢查和配電房溫濕度調節(jié)等功能。系統(tǒng)能監(jiān)控電力運行狀況,自動進行無功補償,減小供電線路中的有功損耗,降低變送電設備、供電線路、用電設備發(fā)熱量,使得供電局工作人員迅速采取合理的措施,防止事故發(fā)生和遏止事故進一步擴大,防止災害的發(fā)生。
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[Abstract] With the progress of economics, cars in the city are more and more with the urbanization. What is the development trend of the future about the car is really needed to be studied and discussed.
關鍵字:汽車電器;組成;現(xiàn)狀與發(fā)展
[Keywords] vehicle electrical ; composition ; status and development
中圖分類號:F407.471 文獻標識碼: A
1、汽車電器的主要組成部分
1.1電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)包括蓄電池、發(fā)電機、調節(jié)器。其中發(fā)電機為主電源,發(fā)電機正常工作時,由發(fā)電機向全車用電設備供電,同時給蓄電池充電。調節(jié)器的作用是使發(fā)電機的輸出電壓保持恒定。蓄電池為可逆的直流電源。在汽車上使用最廣泛的是起動用鉛蓄電池,它與發(fā)動機并聯(lián),向用電設備供電。
發(fā)電機是汽車電系的主要電源,它在正常工作時,對除起動機以外的所有的用電設備供電,并向蓄電池充電,以補充蓄電池在使用中所消耗的電能。發(fā)電機可以說是歷史上獨一無二的最偉大的電學發(fā)明,現(xiàn)在汽車使用的發(fā)電機都是交流發(fā)電機。在汽車上,發(fā)電機既是用電器的電源,又是蓄電池的充電裝置。為了滿足用電器和蓄電池的要求對發(fā)電機的供電電壓和電流變化范圍也有一定的限制。直流發(fā)電機所匹配的調節(jié)器一般都是由電壓調節(jié)器、電流限制器、截斷繼電器三部分組成。
1.2啟動系統(tǒng)
美國物理學家亨利于1831年發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象后,發(fā)表了介紹電動機的論文。根據(jù)發(fā)電機原理,做成與發(fā)電機原理相反的電動機(馬達),這就是起動機。可以說,發(fā)電機技術進步的同時就有了起動機。起動機是用來起動發(fā)動機的,它主要由電機部分、傳動機構(或稱嚙合機構)和起動開關三部分組成。
1.3照明系統(tǒng)
包括汽車內、外各種照明燈及其控制裝置。用來保證夜間行車安全。主要有前照燈、霧燈、尾燈、制動燈、棚燈、電喇叭、轉向燈閃光器等。1898年“哥倫比亞”號電動汽車首先把電用于前燈和尾燈。最初的前大燈不能調光,所以汽車在會車時有些晃眼,后來采用了附加光度調節(jié)器,并由美國異航燈具公司推廣應用。這種前大燈可以在垂直方向上下移動,但駕駛員必須下車搬動夾具裝置,非常不方便。1925年,導航燈具公司推廣了雙絲燈泡,遠光和近光的調節(jié)通過開關來控制,才把這個問題徹底解決。
1.4儀表系統(tǒng)
包括各種電器儀表(電流表、充電指示燈或電壓表、機油壓力表、溫度表、燃油表、車速及里程表、發(fā)動機轉速表等)。用來顯示發(fā)動機和汽車行駛中有關裝置的工作狀況。 最早的汽車儀表與信號是由一排外視器組成的,隨后出現(xiàn)的儀表是精確計時儀。汽車儀表的作用是幫助駕駛員隨時掌握汽車主要部分的工作情況,及時發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障和不安全因素,以保證良好的行使狀態(tài)。汽車常用儀表有電流表、水溫表、發(fā)動機機油壓力表、燃油油量表及車速里程表,有的汽車還有發(fā)動機轉速表和制動系貯氣筒氣壓表等。 目前,汽車儀表總的發(fā)展趨勢正在向簡潔明了的模擬式儀表和模仿模擬式儀表方向發(fā)展。
1.5輔助電器系統(tǒng)
包括電動刮水器、空調器、低溫啟動預熱裝置、收錄機、點煙器、玻璃升降器等。 隨著汽車輔助工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術在汽車方面的應用,現(xiàn)代汽車裝用的輔助電氣設備很多,除了汽車用音響設備,通訊器材和汽車電視等服務性裝置外,都是一些與汽車本身使用性能有關的電氣設備。如電動刮水器,電動洗窗器,電動玻璃升降器,暖風通風裝置、電動座位移動機構,發(fā)動機冷卻系電動風扇、電動燃料泵,冷氣壓縮機用電磁離合等等。
2、汽車電器系統(tǒng)的特點
①低壓——汽油車多采用12V,柴油車多采用24V。②直流——主要從蓄電池的充電來考慮。③單線制——單線制即從電源到用電設備使用一根導線連接,而另一根導線則用汽車車體或發(fā)動機機體的金屬部分代替。單線制可節(jié)省導線,使線路簡化、清晰,便于安裝與檢修。④負極搭鐵——將蓄電池的負極與車體相連接,稱為負極搭鐵。
3、汽車傳感器的發(fā)展趨勢
根據(jù)現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢,主要闡述一下傳感器總的發(fā)展趨勢,它
的趨勢是向多功能化、集成化、智能化、微型化方向發(fā)展。
3.1發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象
利用物理現(xiàn)象、化學反應和生物效應等是各種傳感器的基本原理,所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎。
3.2開發(fā)新材料
功能材料是發(fā)展傳感器技術的另一個重要基礎。由于材料科學的進步,在制造各種材料時,人們可以任意控制他的成份,從而可以設計與制造出各種用于傳感器的功能材料。例如控制半導體氧化物的成份,可以制造出各種氣體傳感器;光導纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個重大發(fā)現(xiàn);有機材料作為功能材料,正引起國內外汽車電子化專家的極大關注。
3.3采用新工藝
傳感器的敏感元件性能除了由其功能材料決定外,還與其加工工藝有關。隨著半導體、陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件,許多現(xiàn)代先進制造技術也引入汽車傳感器制造技術,例如集成技術,微細加工技術,薄膜技術等,能制作出性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的微型化敏感元件。近年來從半導體集成電路技術發(fā)展而來的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術日漸成熟,利用這一技術可以制作各種能敏感和檢測力學量、磁學量、熱學量、化學量和生物量的微型傳感器,這些傳感器的體積和能耗小,可實現(xiàn)許多全新的功能,這些特點使得他們非常適合于汽車方面的應用。
3.4研究智能式傳感器
智能傳感器是一種帶微型計算機兼有檢測、判斷、信息處理等功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比,他具有很多特點。例如,他可以確定傳感器工作狀態(tài),對測量資料進行修正,以便減少環(huán)境因素如溫度引起的誤差;用軟件解決硬件難以解決的問題;世界各國都在車用傳感器硬件的基礎上,努力用軟件來解決汽車電氣干擾大、環(huán)境差(溫度高、溫度梯度大、污染厲害等)等問題造成的對汽車參數(shù)測量的影響。而且智能式傳感器精度高、量程覆蓋范圍大、輸出信號大、信噪比高、抗干擾性能好,有的還帶有自檢功能。不少汽車大公司在該方面進行研制與開發(fā),并取得了成就和應用。