第六讲：智能电器应用实例2015.4.30

智能电器与智能电网

厦门理工学院电气工程与自动化学院

研究生课程

(本讲内容主要源自福州大学张培铭教授课题组研究成果)

2、低压断路器智能化技术

短路故障是电力系统最常见也是危害最大的故障类型之一。在低压配电系统中，由于规模和容量的日益扩大，短路电流随之迅速增大，所造成的损失也越来越大。因此，在短路故障出现的早期对其进行预判并快速切断故障源就成为低压配电系统和电器领域重要的研究课题——显然这正是适应智能电网发展的要求。

目前，智能型低压保护电器存在共同问题，它们所提供的保护相对于故障发生时刻有一定的滞后，因此难以获得准确的良好的限流功能。对短路故障进行准确地早期检测的主要难题在于故

障特征的准确提取与抗干扰。

短路故障的早期检测与短路电流快速分断控制

—小波与数学形态学

小波分析作为信号处理方法的出现，给故障诊断技术带来了新的生机和活力，而小波与形态学滤波器相结合的短路故障早期检测模型从理论上解决了上述问题。

小波分解变换的细节分量既能体现信号变化率的大小，又剔除了噪声干扰的影响。这一特性可用来提取低压系统短路故障的故障特征以达到故障早期检测的目的。但是小波变换在脉冲噪声的滤波效果方面存在着不足。

因此，引入了一种基于数学形态学的形态滤波器，它可以有效剔除正负脉冲噪声的干扰。

建立了基于形态小波理论的故障早期预测模型。

利用短路故障早期检测模型构建适用于计算机的数学理论模型，形成比较完善和实用的短路电流快速分断控制系统软、硬件方案。

在DSP系列数字信号控制器上实时实现了短路电流的早期检测和快速分断。

低压断路器智能化技术

目前，智能控制器的瞬时脱扣信号触发时间最短在10ms 左右，而采用上述设计方案，瞬时脱扣信号触发时间在1ms 左右，说明短路电流快速分断控制系统正确地实现了早期检测和快速分断控制。因此，将形态小波算法作为短路电流的故障判定算法是可行的，并且具有其它算法无法比拟的优势。

3、电器智能动态测试技术(1)光机电交流接触器动态测试装置

（1）信号检测

1）励磁电压与电流采用高精度与快速响应的电压、电流传感器，以检测励磁电源电压与线圈电流。

2）通过动静触头之间的电信号，检测触头系统的动态状况。

3）衔铁的位移与加速度采用先进的传感技术，在不影响电磁系统原有运动规律的前提下，实现上述两个参数的动态检测。

位移

电磁系统往往封装在电器的外壳内，采用非接触、光电检测技术，应用高速线阵C C D，将移动的光束转换成受光像元沿线阵快速运动；利用电荷藕合原理，C C D将输出随衔铁运动变化的视频信号。

（2）信号调理电路

（3）软测量

在电磁系统动态测试中，存在一些难以直接检测或现有传感器不能满足动态过程机理的特性参数，如电磁吸力、气隙磁链与速度等，而这些参数却是电器设计与开发中，表征电器性能的重要参数。

本装置在高精度测量有关特性参数的基

础上，采用软测量技术，根据电器动态过程的机理性数学模型，推导出非直接测量参数，即实现难以直接测量参数的软测量。

吸合过程动态测试界面

3、电器智能动态测试技术（续）

(2)基于高速摄像机的电器动态测试技术

3、电器智能动态测试技术（续）

采用PCO1200S高速摄像机的智能交流接触器动态测试装置。利用该装置对智能交流接触器的机构运动形态进行测试，可以进行二维测试，并且可将触头与铁心的运动形态真实地反映。其摄取速率高达30167.73fps(相当于每毫秒30个采样点以上)。

（上述光机电电磁电器动态测试装置的采样速率只能达到每毫秒10个采样点左右）

显然，基于高速摄像机的电器动态测试技术（非接触测试）将在电器智能化研究与电器产品研发中发挥重要作用。

基于图像测量技术的智能交流接触器全过程动态优化设计技术的研究是智能电器设计的有效手段，是智能化电器虚拟样机动态优化设计的最新研究方向。

以上述智能交流接触器为例

电器智能动态测试技术

吸合过程动态特性测试波形

释放过程动态特性测试波形

本动态测试装置首次从电器测试的角度真实地反映了电器动态过程的复杂性。

根据上述动态过程的测试与分析，提出了电器动态测试与设计数据统计处理的观点。

只有采用动态测试与设计数据统计处理的方法，才能如实地反映其真实的动态特性与性能。这种思路将为今后的电器虚拟样机优化设计技术奠定基础。

4、电动机智能保护技术电动机三维热特性研究与保护

在工业企业中，大量的电动机保护器被用于保护电机以最大限度地减少电机烧毁以及由此引发的生产事故带来的经济损失。各种故障对电机的损害最终都体现为绕组温度超过允许值导致绝缘快速老化甚至击穿而引发电机烧毁等事故，电动机保护器的任务归根到底是保护电机不因温度过高而烧毁。

电动机保护器应该根据故障的危害程度采取不同的保护措施。对于短路、堵转以及接地等危害性大的故障，故障发生后应快速采取保护措施，避免危害扩大；对于过载、三相不平衡（包括断相）、过电压、欠电压等温度变化较缓慢、危害性较小的故障，为了最大限度发挥电机的作用，减少生产过程中断带来的损失，故障后不应该立即切断电源，可以先给出报警信号，只有绕组温度超过允许值才采取保护措施。

以实测的电机三维温度分布为基础，应用ANSYS有限元分析软件，建立了基于参数反计算的异步电动机定子全域三维温度场模型。

以全封闭外置风扇冷却电机为例

电动机智能保护技术

电动机智能保护技术

铁芯温度分布图

机座温度分布图

绕组温度分布图

从轴向看，端部导体温度高，槽内导体温度低；风扇侧的端部绕组温度低于传动侧端部绕组的温度；从周向看，接线盒区域的绕组温度高于其他区域；定子的最高温度区域位于接线盒区域传动侧绕组端部。

基于理论分析和实际测量相结合的参数确定方法，建立了全封闭外置风扇冷却电机定子全域三维温度模型。实验结果表明该电机定子全域三维温度场模型可以较准确地计算出定子各部位的温度值，其动态响应特性与实际电机特性相吻合。

全封闭外置风扇冷却电机定子的最高温度区域位于接线盒区域传动侧绕组端部。