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PAFC技术开发的现状与动向:
日本自实施月光计划以来,作为国家级项目,正在实施5000千瓦级加压型和1000千瓦级常压型电厂实证运行。目前,磷酸型燃料电池的发电效率为30%~40%,如果将热利用考虑进去,综合效率可高达60%~80%。
除日本外,目前世界约有60台PAFC发电设备在运转,总输出功率约为4.1万千瓦。按国别和地区划分日本为2.9万千瓦,美国8000千瓦,欧洲3000千瓦,亚洲900千瓦。运转中的发电设备除3台(日本2台,意大利1台)为加压型外,其他均为常压型。磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国,设备主要销往欧、亚。
美国已完成基础研究,200千瓦级电厂用电池近期有望商品化,但大容量电厂用电池处于停滞状态。德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。另外,瑞典、意大利、瑞士等国也引进日、美的电池进行试运行。
2.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划,该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。该开发研究进展顺利,从1984年开始,进而对10千瓦级发电机组进行研究开发。1986年,日立、东芝、富士电机、三菱电机、IHI分别对5台10千瓦级机组进行发电试验,其结果是输出功率为10千瓦,初期性能为电池电压0.75伏,电流密度150毫安/平方厘米。
1987年起,日本在对1000千瓦级实验电场(外部改质型)进行主要开发的同时,对100千瓦级发电机组以及1000千瓦级机组的设备的开发研究也取得了进展。1993年度,日立、IHI的2台100千瓦级外部改质型机组和三菱电机的1台30千瓦级内部改质型机组开始试验发电运行。其试验结果以及1994年度进行的5-25千瓦级机组的试验结果表明,电池电压0.8伏,电流密度达15毫安/平方厘米,单位时间内的劣化率小于1%。
在此基础上,1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。1995年10月在中部电力(株)川越发电所开始建厂,确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统,对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价,计划1999年开始试验运行,其目标为:燃料利用率为80%,千小时电池的劣化率小于1%,初期性能为:电池电压大于0.8伏,电流密度1500毫安/平方厘米,计划试验运行5000小时。
为使电池实用化,在上述研究开发的基础上,还进行了机组长寿命化研究,计划连续实验运行4万小时,每千小时单位劣化率小于0.25%。除此之外,还在开发200千瓦级内部改质型燃料电池发电系统。
美国能源部和美国电力研究所,正在积极开发MCFC。美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。MC-power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统,1997年2月起在圣迭戈开始试运行。
在欧洲,MCFC作为共同项目正在研究开发,取得了一些进展,其主要项目如下:
①高级DIC-MCFC发展计划(1996-1998年)。荷兰、英、法、瑞典等国参加研究,欧洲在市场分析、系统开发以及内部改质型机组的开发等方面取得进展。
②ARGE项目(1990年起计划10年内完成)。德、丹麦参加,并在内部改质型发电系统的开发上取得进展。
③MOLCARE。由意、西班牙参加,并在外部改质型发电系统开发上取得进展。
韩国从1993年起开始开发MCFC,1997年以开发100千瓦外部改质型发电系统为目标,开始了第二阶段研究开发工作。
3.固体电解质型燃料电池(SOFC)
作为SOFC开发的基础科学离子学,其开发历史很长,日、美、德等国已有30多年的开发史。日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC,1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC,1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块,在国内外掀起了开发SOFC的。
日本新阳光计划中,以产业技术综合开发机构(NEDO),为首,从1989年起开始开发基础制造技术,对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年起,富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上,还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。
除此之外,三菱重工神户造船所与中部电力合作,共同开发平板型SOFC,1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。同时,在圆筒横缟型电池领域中,1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中,采用圆筒横缟型电池,开发出10千瓦级模块,成功地进行了500小时试运行,之后又于1996年开发了2.5千瓦模块,并试运行1000小时。TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池,1996年起,开始开发1千瓦级模块。同时,在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。
美国西屋公司在能源部的支持下,开始开发圆筒纵缟型电池。东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明,截至1997年3月,已成功运行了约1.3万小时,其间已经过11次启动与停机,千小时单位电池的劣化率小于0.1%,可见其技术已非常成熟。西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外,为降低制造成本,还在研究开发湿式电池制造技术。美国Allied-signal、SOFCo、Z-tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展,目前正对1千瓦级模块进行试运行。
在欧洲,德国西门子公司在开发采用合金系列分离器的平板型SOFC,1995年开发出10千瓦(利用氧化剂中的氧,若在空气中则为5千瓦)模块,1996年开发出7.2千瓦模块(利用氧化剂中的空气)。
奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展,1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC,目前已开发出1千瓦级模块。今后,德国还计划在特蒙德市进行7千瓦级发电及余热供暖系统现场测试。
在此基础研究上,以英、法、荷等国的大学和国立研究所为中心的研究机构,正在积极研究开发低温型(小于800℃)SOFC材料。
4.固体高分子型燃料电池(PEFC)
日本开发固体高分子膜的单位有旭化成、旭哨子、Japangore-tex等,开发改质器以及电极催化媒体的机构有田中贵金属、大阪煤气等。在开发汽车燃料电池方面,丰田制造出甲醇改质型燃料电池汽车(1997年),同时三菱电机、马自达也在着手开发汽车燃料电池。
在供电及余热供暖系统方面,PEFC排热温度较低,为70℃左右,在热利用上有所限制,与其他类型燃料电池相比,目前只开发小型系统。东芝(30千瓦)、三洋电机(数千瓦)、三菱重工和东京煤气(5千瓦)、富士电机和关西电力(5千瓦)等公司在开发以天然气和甲醇为燃料的电池系统,同时,三洋电机在开发1千瓦级氢燃料便携式商品化电源,三菱重工在开发特殊用途(无人潜水艇用)燃料电池。
PEFC主要作为汽车动力电源在开发。但在汽车上燃料的搭载方式各种各样,有高压氢、液化氢和甲醇等。这些燃料各具长短,目前还未能确定最适方式。
德国奔驰与加拿大BPS在进行共同开发,它们开发的搭载氢燃料、小底盘汽车在试运行。除此之外它们还共同开发甲醇燃料电池汽车。若在降低成本、提高运行性能等方面再取得一些进展,电池汽车就有望走向市场。
美国克莱斯勒、通用、福特三公司协力合作,计划到2000年开发出输出50千瓦、输出密度1千瓦/公斤的燃料电池。另外,BMW、Rover和西门子三家公司也在开展共同开发。
我国的电子信息技术起步于二十世纪中期,近年来随着科学技术的不断发展,电子信息技术日新月异,我国在电子信息技术方面也有了明显进步,应用范围明显增加,在国际范围内具有了一定的影响力。我国电子信息技术产业主要经过了四次阶段性的转型,树立了强大的产业动力,产品结构方面发生了较大的变化,技术与开发水平有了明显提高,产品出口额有了明显增加,基本上实现在满足我国部分电子信息市场需求的基础上,走出国门的愿景。但随着应用的日渐广泛,使得我国在电子信息技术的发展过程中,也出现了一些问题,例如企业研发能力弱、电子信息技术方面知识产权缺乏、信息化程度低等等,这些问题严重限制了我国电子信息技术的长远发展,拉大了我国与世界信息技术发达国家之间的差距,目前而言我国电子信息技术发展中存在的问题主要有以下三个方面:
1.1环境资源匮乏环境资源匮乏是限制我国电子信息技术发展的一个重要问题,目前而言我国电子信息产业混乱,假冒伪劣、知识侵权现象猖獗,盗版产品走私贩卖以及企业间的不良竞争的现象屡见不鲜,这些均严重危害了我国信息产业的发展,使得我国电子信息技术研发缓慢,这在很大程度上降低了我国电子信息技术在国际市场的竞争力,遏制了我国电子信息技术的发展潜力。除了产业内部环境存在很大问题,我国法律对电子信息技术的保护力量薄弱也是很大原因造成盗版猖獗的一个原因,因为缺乏保护使得电子信息技术的科研成果很容易被不法分子窃取,科研工作者呕心沥血研究而得新技术在随后的盗版中被大量侵占,很大程度上降低了科研工作者的信心,再加上国内市场电子产品的走私、贩卖现象猖獗,导致国内电子信息技术开发企业缺乏竞争优势。所以缺乏有效严格的法律环境也是我国致使我国电子信息技术问题频发的又一原因。
1.2电子信息技术产业结构不合理我国电子信息技术产业起步于20世纪80年代的“863”计划,经过30多年的发展,产业规模迅速扩大,但也因为产业界限模糊,使得产业结构问题凸显,技术创新体系并不明显,使得我国的电子产品不能与国外顶尖电子产品相提并论。产业结构不合理,投入产出差距明显,使得我国电子信息技术产业创新力薄弱,所以只有改变传统产业结构,重构科学合理的产业结构,才能改变目前我国进步缓慢的电子信息产业的现状。
1.3科研能力不足、从业人员素质不高作为以技术为首要驱动力的电子信息产业,科研能力的强弱决定了技术进步快慢,而产业内从业人员的素质又在很大程度上决定了技术创新能力的强弱。随着我国教育普及程度的增加,不可否认的是,我国信息技术方面的人才不少,可以说还在不断增加中,各方面的技术人员也很完备,但是很多人才都是单一型,他们或许是某一方面可以登峰造极,但是却缺乏其他方面的知识储备,甚至可以说毫无了解。现在社会越来越需要复合型人才,而我国电子信息产业方面更需要这方面的复合型人才,也正是因为人才的缺乏,也严重的制约了电子信息技术的创新,目前我国仍有许多技术需要购买国外的先进专利,这种强依赖性,也是因为复合型人才的严重欠缺。
2我国电子信息技术的发展趋势
人类进步永无止境,技术发展更需分秒必争,每天有无数的新型技术诞生,所以我国的电子信息技术更不能满足现状,更应正确分析局势,不断优化和升级产业结构,逐步完善我国的电子信息技术。凭借高技术含量、高市场附加值、强大竞争力与明朗的市场前景,电子信息产业具有其他产业都无法比拟的优势,所以电子信息产业是世界各国都大力争夺的技术产业,目前很多西方国家已经将注意力集中与电子信息技术产业,大量投入人力、物力、财力,旨在通过电子信息产业的迅速发展带动国家经济发展。总体来说,我国的电子信息产业的发展的总体态势是:产业总体发展的速度比较快,产业内总体的经济效益比较好以及产业的发展后劲还是比较强的。综上所诉,我国应努力追赶世界潮流,加大对电子信息产业的投入,不断完善电子信息产业,未来我国电子信息技术将呈现出如下三方面的发展趋势:
2.1阶梯化、多元化发展任何事情的发展都不是一蹴而就,而是一个不断发展的过程,所以在未来我国电子信息技术的发展也必然呈现处阶梯化、多元化的多元发展。目前,我国的电子信息技术远不如西方发达国家,他们凭借其雄厚的资金、技术以及品牌优势,进行有目标地系统的研究、管理和销售工作。前文已提到,我国电子信息产业结构混乱,从业人员素质不高,所以我国电子信息产业未来还有很长一段路要走,必须遵循阶梯化网络化的发展道路,首先需加大资金投入,加强立法保护,不仅仅是急于复制他国的先进产品,而是培养先进技术人才,在学习西方先进技术的基础上,师夷长技以制夷,一步步稳扎稳打,才能逐步加快电子信息技术的发展。目前,电子信息技术已渗入生活的各个领域,正逐步实现着与机械、能源、交通、建筑等其他技术的有机结合,所以电子信息技术必然不能独善其身,片面发展,只有将电子信息技术多元化发展,更多的应用于实际生活,才能真正使电子信息产业做到为人类服务。
2.2个性化、规模化发展众所周知,每个产品都具有显著得到规模效应,电子产品当然也不能例外。电子信息技术产业很多是精密技术产业,所以其生产规模才能得以生存和发展,否则很难在激烈的市场竞争中立足,很快就会被淘汰出局。我国电子信息技术产品的生产规模越来越大,很多大型跨国公司凭借其大规模的产量和严格的质量控制,有效的利用了规模经济,取得了很大的经济收益,所以规模化发展必然是未来电子信息技术的发展趋势。随着人们生活水平的提高,消费眼光越来越独到,消费者逐渐成为市场主导,个性化消费已经成为必然趋势,再加上电子信息市场更新换代速度惊人,人们对电子信息技术产品的需求日益呈现出多元化发展,所以如何在浩如烟海的电子信息市场独占鳌头,个性化必不可少。
2.3国际化、全球化发展电子信息技术的发展不是一国闭门造车的过程,而是国际性的发展过程,其采购、生产、加工、销售都具有全球化的特征,很多技术不是仅靠一国之力便可完成,再加上我国电子信息技术起步晚,所以必须加强国际化交流,学习世界先进技术,才能遵循全球化发展。随着经济全球化的发展和信息网络化的发展过程中,我国电子信息技术产业的发展必然要遵循国际化的发展趋势。目前我国已经有不少电子信息技术产品已经开始走出国门,海尔、华为在世界已经有了很大的知名度,但是依旧有很多电子产品走山寨、翻版的低端路线,所以加快电子信息技术国际化发展必然是未来发展趋势。
3结语
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力,因此,继电保护技术得天独厚,在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。
建国后,我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有,在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。50年代,我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术[1],建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍,对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术,建立了我国自己的继电器制造业。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代,为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。
自50年代末,晶体管继电保护已在开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护,运行于葛洲坝500kV线路上[2],结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。
在此期间,从70年代中,基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列,逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位,这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用[3],天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条220kV和500kV线路上运行。
我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究[4],高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定,并在系统中获得应用[5],揭开了我国继电保护发展史上新的一页,为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面,东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机?变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定,投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护,西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。至此,不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色,为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究,在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。
2继电保护的未来发展
继电保护技术未来趋势是向计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。
2.1计算机化
随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经历了3个发展阶段:从8位单CPU结构的微机保护问世,不到5年时间就发展到多CPU结构,后又发展到总线不出模块的大模块结构,性能大大提高,得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从8位CPU,发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。
南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础的微机线路保护,已得到大面积推广,目前也在研究32位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护,1988年即开始研究以32位数字信号处理器(DSP)为基础的保护、控制、测量一体化微机装置,目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块,一个模块就是一个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度,因为精度受A/D转换器分辨率的限制,超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的;更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度,很高的工作频率和计算速度,很大的寻址空间,丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的,具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能,并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。
电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。在计算机保护发展初期,曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差,这个设想是不现实的。现在,同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之一。天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。这种装置的优点有:(1)具有486PC机的全部功能,能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。(2)尺寸和结构与目前的微机保护装置相似,工艺精良、防震、防过热、防电磁干扰能力强,可运行于非常恶劣的工作环境,成本可接受。(3)采用STD总线或PC总线,硬件模块化,对于不同的保护可任意选用不同模块,配置灵活、容易扩展。
继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求,如何进一步提高继电保护的可靠性,如何取得更大的经济效益和社会效益,尚须进行具体深入的研究。\
2.2网络化
计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱,使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域,也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止,除了差动保护和纵联保护外,所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件,缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念,这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务),还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据,各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行。显然,实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来,亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。
对于一般的非系统保护,实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多,则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间,也取得了一定的成果,但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应,必须获得更多的系统运行和故障信息,只有实现保护的计算机网络化,才能做到这一点。
对于某些保护装置实现计算机联网,也能提高保护的可靠性。天津大学1993年针对未来三峡水电站500kV超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理[6],初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个(与被保护母线的回路数相同)母线保护单元,分散装设在各回路保护屏上,各保护单元用计算机网络联接起来,每个保护单元只输入本回路的电流量,将其转换成数字量后,通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元,各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量,进行母线差动保护的计算,如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器,将故障的母线隔离。在母线区外故障时,各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理,比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时,只能错误地跳开本回路,不会造成使母线整个被切除的恶性事故,这对于象三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。
由上述可知,微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性,这是微机保护发展的必然趋势。
2.3保护、控制、测量、数据通信一体化
在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机,是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据,也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此,每个微机保护装置不但可完成继电保护功能,而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能,亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。
目前,为了测量、保护和控制的需要,室外变电站的所有设备,如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资,而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置,就地安装在室外变电站的被保护设备旁,将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后,通过计算机网络送到主控室,则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质,还可免除电磁干扰。现在光电流互感器(OTA)和光电压互感器(OTV)已在研究试验阶段,将来必然在电力系统中得到应用。在采用OTA和OTV的情况下,保护装置应放在距OTA和OTV最近的地方,亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后,一方面用作保护的计算判断;另一方面作为测量量,通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置,由此一体化装置执行断路器的操作。1992年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题,并研制了以TMS320C25数字信号处理器(DSP)为基础的一个保护、控制、测量、数据通信一体化装置。
2.4智能化
近年来,人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用,在继电保护领域应用的研究也已开始[7]。神经网络是一种非线性映射的方法,很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题,应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题,距离保护很难正确作出故障位置的判别,从而造成误动或拒动;如果用神经网络方法,经过大量故障样本的训练,只要样本集中充分考虑了各种情况,则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从1996年起进行神经网络式继电保护的研究,已取得初步成果[8]。可以预见,人工智能技术在继电保护领域必会得到应用,以解决用常规方法难以解决的问题。
3结束语
建国以来,我国电力系统继电保护技术经历了4个时代。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步,继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为:计算机化,网络化,保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化,这对继电保护工作者提出了艰巨的任务,也开辟了活动的广阔天地。
作者单位:天津市电力学会(天津300072)
参考文献
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2HeJiali,ZhangYuanhui,YangNianci.NewTypePowerLineCarrierRelayingSystemwithDirectionalComparisonforEHVTransmissionLines.IEEETransactionsPAS-103,1984(2)
3沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究.电力系统自动化,1983(1)
4葛耀中.数字计算机在继电保护中的应用.继电器,1978(3)
5杨奇逊.微型机继电保护基础.北京:水利电力出版社,1988
6HeJiali,Luoshanshan,WangGang,etal.ImplementationofaDigitalDistributedBusProtection.IEEETransactionsonPowerDelivery,1997,12(4)
1.1提高效率
我国总体用电量随着居民生活水平的提高,呈现日益上升趋势。根据近几年的发电效率而言,发电量明显无法满足居民用电量,特别是夏天分时段的供电,严重影响了居民的正常生活。随着家用电器的增加,居民用电量也日益攀升,电力厂相应的发电要求也随之提高。传统发电系统存在的问题,严重影响发电量和发电效益的提高,致使居民用电要求无法得到满足。而电气自动化技术在火力发电中的应用,有效提高了发电效率,解决了这一问题[2]。电气自动化技术通过收集有用数据进行分析,制定出具体可行的实施方案,在运行时间的强度方面做好有效规划,在满足居民用电的同时,减少发电过程中产生的资源浪费。
1.2降低成本
煤和石油是传统的发电材料,发电技术落后,很难完成发电强度的准确分析,对发电量的控制也存在问题,容易出现发电过多或不足现象。另外,由于人工操作的原因,也存在资源燃烧不充分所造成的浪费问题。而电气自动化技术可以使用计算机软件,准确算出资源充分燃烧所需的时间,大大提高资源的使用效率。在火力发电中使用电气自动化技术,既能提高发电厂的发电效率,也能满足居民在用电量方面的需求。在降低发电成本的同时,更好地实现了电量供应目标。
1.3优化配置
合理分配资源是火力发电过程中的重要内容,需要重点注意。发电厂内设备比较多,为达到供电要求,通常需要长时间的同时运转。而发电设备作为机械,有一定的运作限度,运转时间过长或进行超负荷运转,都会影响设备的运作效率,严重情况下会损坏设备。而电气自动化技术可以准确计算出设备所需运转时间,在出现超负荷情况下可自动停止,待设备冷却后再进行运转。因此,发电设备在电气自动化技术下可以进行轮流休养,设备的运转效率得到提升,使用年限也得到有效保障。另外,电气自动化技术可以对设备故障进行报警,及时提醒管理人员发现并解决问题。以往数据的输入可以实现对设备的人工模拟操作,最大程度提高设备的使用效率。
2应用现状
在设备保护方面的应用。电气自动化技术在设备保护方面的应用包括联锁保护、装置保护、继电保护和防雷保护。电气自动化技术在设备出现异常情况时,会及时关闭闸门,使故障设备停止生产运行,对设备进行有效的联锁保护。电气自动化技术能够协调搭配火力发电厂中的危机保安器、安全门等保护装置,在排除外因干扰的前提下,完成电气操作运行指令。继电保护是通过连接计算机和继电器,构建自动化的控制模式,实现继电器在火力发电厂运行过程中的有效调控。电气自动化技术对电力设备的保护控制,通过使用防雷器,减少雷击对电机设备产生的干扰。在常规控制方面的应用。电气自动化技术在常规控制方面的应用有集中控制、就地控制、自动控制和故障控制。在集中控制中,电气自动化技术有效组合了发电机组、炉锅和汽轮机,实现了控制操作的集中化,设备运行效率得到明显提高。就地控制是针对规模相对比较小的火力发电厂采用的控制方式,通过连接重要设备及装置,实现设备的整体运行[3]。自动控制即自动化的电能生产,在减少设备运行错误的同时,电能生产的难度也相应降低,电能产量与经济效益也得到提高。在故障控制中,技术人员只需通过计算机监控运行设备,可以及时发现设备故障并解决。对于比较小的设备故障,系统可根据操作指令自动进行处理。
3系统配置
3.1I/O监控
I/O监控是一种集中监控方式,设备中电器的所有馈线都需要设置对应的I/O接口,通过电缆连接各个I/O通道,设备在进行A/D处理后进入DCS状态,由此使整个发电工厂的设备处于DCS的监控之下。I/O监控在运行过程中,方便进行维护,问题发现和解决速度快,优势明显。相对比较低的监控防护等级,降低了DCS的造价,也有效降低了发电所需的成本。而I/O监控所涉及范围包括所有电气设备,工程量大且比较复杂。电气设备的增加,无疑会加大监控范围,致使监控运行压力增加。监控范围以及空间跨度的扩大,也相应增加了电缆的距离,DCS的可靠性受到一定程度的干扰。
3.2远程智能I/O控制
远程智能I/O控制,作为一种监控技术,在生产中的应用领域比较广泛。远程智能I/O控制的采用,相对减少了人力资源的使用,操作人员可在远程接触中实现对电气设备的智能控制,有效缓解了操作人员的工作压力,降低了工作强度。火力发电过程中,I/O信号通过电缆连接加采集柜,利用光纤或者双绞线实现加采集柜与DCS控制器的连接,从而进行数据传输。远程智能I/O控制不需要操作人员进行近距离接触,在电缆铺设方面节省了部分安装费用。另外,I/O控制可以自动对所收集数据进行检查、处理和校正。而在电量变送器、卡件和模拟量卡件方面,I/O控制也无法减少。
3.3总线控制
总线控制技术在电气设备上的应用,通常需要利用3G技术来实现,通信技术、计算机技术和控制技术三者的配合和促进,是信息技术和网络技术在设备控制领域有效发展的重要基础。总线控制技术通过避开DCS控制站中的输入、输出单元,改变了传统DCS控制中的集中和分散相结合控制体系。传统集散结合的控制模式,在部分电气设备的管理上是统一进行的,缺乏针对性和及时性。而总线控制技术,有效解决了这一问题,对电气设备进行高度的分散管理和分散控制。
4创新手段
4.1单元炉机组的统一
电气自动化技术在火力发电应用中的创新,需要实现发电厂电、机、炉的一体化,形成单元制的监控运行方式。火力发电厂中的DCS控制可通过这种监控方式,分析和总结火电机组整体的运行参数以及状态信息,发掘火电机组的最大潜力,其自身独具的控制功能在得到发挥的同时,也在一定程度上缩小了控制范围,对监控系统进行了相应的简化,有效降低了造价成本[4]。另外,在采集火力发电中有关电厂信息管理系统的信息方面,统一单元炉机组有重要的促进作用,实现了火电电网运行管理的统一和加强,中调AGC的相关要求和指令也逐一完成,电网工作效率提高,整个运行处于最佳、最经济状态。单元炉机组的统一,有效提高了火电机组的自动化水平,其监控水平也得到相应提升。
4.2控制保护手段的创新
在传统火力发电中,系统控制方式是报警,联锁是其采用的保护手段,而这种控制保护手段,仅仅适用于带有波动性的超限报警和联锁跳机。电气自动化技术的创新应用,通过计算机技术实现控制和保护目的,在检测电气自动化系统运营、诊断出现故障的过程中,火电设备系统的隐患能够提前被发现,控制保护策略也可以及时进行改善,如主动性的控制和保护措施的采用,可以自动调整系统故障的控制范围,实现有效的防范,从而保证电气自动化系统的正常运转。此外,控制保护手段的创新,也使电气自动化系统在设备维护上处于主动防患状态,设备出现的故障能够及时发现和处理。
4.3电气的全通信控制
就目前情况来看,电气自动化系统在火力发电中的应用,还无法达到DCS控制系统的要求,在DCS控制系统基础上实现的电气全通信控制方式也无法得到满足。通信的速度以及系统的可靠性都需要有一定的提升,而DCS控制系统与电气自动化系统之间所存留的部分硬接线,也是需要解决的问题[5]。电气全通信控制模式的形成,需要解决好热工工艺连锁方面的问题,在实际应用上提高电气后台系统的水平,对于初期阶段的基础运转监控功能,还需要不断丰富,在实际操作过程中,提高电气自动化系统控制的逻辑性,在控制水平、运行管理水平以及自动化水平方面不断提升。
4.4通用网络结构的构建
在电气自动化系统成功生产运营过程中,通用网络结构的构建有重要的推动作用。电气自动化技术在火力发电中的创新应用,需要选择合适的网络通讯产品,能够在扩展自动化办公环境的基础上,实现元件甚至电气自动化系统整体范围内的使用,以电厂管理层为基础,发挥对现场设备的监控功能,保证计算机控制系统、管理系统以及控制设备之间信息传输的畅通性,实现整体集中运行的自动化。
5结语
1.1PID控制原理[1,2]
常规PID控制系统原理框图如图1所示。
PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出构成控制偏差:
将此偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。其控制规律为:
式中,Kp为比例系数,T1为积分时间常数,TD为微分时间常数。
在PID控制中,比例项用于纠正偏差,积分项用于消除系统的稳态误差,微分项用于减小系统的超调量,增加系统稳定性。PID控制器的性能就决定于Kp、T1和TD这3个系数。如何选用这3个系数是PID控制的核心。
1.2数字PID控制算法选择
设计和调整数字PID控制器的任务就是根据被控对象和系统要求,选择合适的PID模型,将其进行离散化处理,编出计算机程序由微处理器实现,最后确定KP、T1、TD、和T,T为采样周期。微处理器控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此,必须对PID模型进行离散化处理。
用矩形方法数值积分代替式(3)中的积分项,对式(3)中的导数项用后向差分逼近,经推理可得到基本PID控制的位置式算法:
式中k——采样序号,k=0,1,2,……
U(k)——第k次采样时刻输出值
E(k)——第k次采样时输入的偏差值
E(k-1)——第(k-1)次采样时刻输入的偏差值
K1——积分系数,K1=KpT/T1
KD——微分数系,KD=KpTD/T1
在数字控制系统中,PID控制规律是用程序来实现的,因而具有更大的灵活性。由于基本PID控制中引入了积分环节,其目的主要是为了消除静差,提高精度。但在柴油机调速过程中,突加突减负载时,会引起转速的较大波动,导致短时间内转速出现较大偏差,通过PID积分运算积累,超调量过大,系统产生振荡,严重影响发电机组输出电能的品质。为避免PID控制中积分项引起的超调,提高其调节品质,拟采用积分分离法对基本PID控制进行改进,简称变速积分PID。变速积分PID的基本思路是设法改变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对应,偏差越大,积分越慢;反之,则越快。
式中,A、B为积分区间。
变速积分PID算法为:
式中,U1(k)为第k次采样时刻PID运算的积分部分输出值。
采用变速积分PID控制,系统具有以下特点:用比例消除大偏差,用积分消除小偏差,可完全消除积分饱和现象;各参数容易整定,易实现系统稳定,而且对A、B两参数不要求十分精确;超调量大大减小,改善了调节品质,适应性较强。
2柴油发电机组数字调速系统中PID控制参数整定[3,4]
数字PID控制参数整定的任务主要是确定数字PID的参数KP、T1、TD和T。
对于简单控制系统,可采用理论计算方法确定这些参数。但由于柴油机调速系统的工况较为复杂,其数学模型并非十分精确,在此,采用工程整定常用的扩充临界比例带法,结合经验法再对参数进行调整,得到最终的PID参数。
(1)采样周期T的选择
在数字控制系统中,采样周期T是一个比较重要的因素,采样周期的选取,应与PID参数的整定综合考虑。
首先,采样周期T的选取应满足以下要求:远小于对象扰动周期;比对象时间常数小得多;尽量缩短采样周期,以改善调节品质。
该系统中,PID调节控制过程是在定时中断状态下完成的,因此,采样周期T的大小必须保证中断服务程序的正常运行。在不影响中断程序运行的情况下,可取采样周期T=0.1τ(τ为柴油机的纯滞后时间)。当中断程序运行时间Tz大于0.1τ时,则取T=Tz,
(2)临界振荡周期Ts的确定
初始确定数字PID参数时,在用上述方法确定采样周期T的条件下,从调速系统的PID调节回路中,去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用,只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期Ts和临界比例系数Ks。由单片机系统自动控制比例系数KP,并逐渐增大Kp,直到系统出现持续的等幅振荡,然后由单片机系统自动记录并显示调速系统发生等幅振荡时的临界比例度δ和相应的临界振荡周期Ts。
控制度就是以模拟调节器为基础,定量衡量数字控制系统与模拟调节器对同一对象的控制效果。控制效果就是采用某一积分准则,根据系统在规定的输入下的输出响应,使用该准则取最小值时的最
如前所述,采样周期T的长短会影响系统的控制品质,同样是最佳整定,数字控制系统的品质要低于模拟系统的控制品质。即控制度总是大于1的,且控制度越大,相应的数字控制系统品质越差。
为获得与模拟控制器相当的品质,控制度选为1.05。不同控制度时,扩充临界比例带法PID参数计算公式
(4)KP、K1、KD、T的求取
根据实验所得Ks和Ts及选定的控制度,按表1计算出数字PID参数Kp、T1、TD和T。
(5)控制效果的调节
按求得的参数值在调速控制系统中运行,并观察控制效果。如控制效果达不到控制要求,可基于以下原则,根据经验法对参数做适当调整。
①增大比例系数Kp,将加快系统的响应速度,但过大会使系统产生较大超调,甚至产生振荡。
②增大积分时间T1,有利于减小超调,减少振荡,使系统更加稳定,但会增加系统过渡过程时间。
③增大微分时间常数TD有利于加快系统的响应,使超调减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱,对扰动有较敏感的响应。
基于上述原则,调整PID参数时,应先比例、后积分、再微分进行调整。
参考文献:
[1]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社,1998.
[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学出版社,1998.
【关键词】机电一体化技术;信息技术;发展趋势
机电一体化技术是面向应用的跨学科的技术,它是机械技术、微电子技术、信息技术和控制技术等有机融合、相互渗透的结果。今天机电一体化技术发展飞速,机电一体化产品更新日新月异。
一、机电一体化技术的发展历程
“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时及70年代,人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期将“机电一体化技术”与“机械电子学”并用,近年来“机电一体化”更流行使用。
80年代,信息技术崭露头角。微处理机的性能提高,为更高级的机电一体化产品所采用,典型的机电一体化产品如数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后,使机械—电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。
信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库,连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样,对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外,光学也进入了机电一体化,产生了“光机电一体化”的新领域。
进入90年代,通信技术进入了机电一体化,机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微传感器和执行器技术的发展,和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合,开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟,但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后,机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展,稳步进入了21世纪。
二、典型机电一体化产品的发展趋势
(一)数控机床
目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近320万台),但数控机床只占约5%且大多数是普通数控(发达国家数控机床占10%)。近些年来数控机床为适应加工技术的发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。
1.高速化。由于高速加工技术普及,机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速有3000~4000r/min提高到8000~10000r/min;铣床和加工中心主轴转速由4000~8000r/min提高到12000~40000r/min以上;快速移动速度由过去的10~20m/min提高到48m/min,60m/mni,80m/min,120m/min;在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5G~2G,最高可达15G;直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。
2.高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008左右;亚微米级机床达到0.0005mm左右;纳米级机床达到0.005~0.01um;最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已问世。
数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度,插补前多程序预读,大大提高了插补质量,并可进行自动拐角处理等。
3.复合加工,新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联绞链机床等,采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。
4.使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑,在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min,加工铝件能达5000m/min。
5.数控机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
(二)自动机与自动生产线
在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备,是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如:2000~80000瓶/h的啤酒自动生产线;18000~120000瓶/h的易拉罐灌装生产线;各种高速香烟生产线;各种印刷包装生产线;邮政信函自动分捡处理生产线;易拉罐自动生产线;FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等,这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器,变频调速器,人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自动机与生产线产品的水平,比10多年前跃升了一大步,其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多,对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。
三、机电一体化技术的发展趋势
以微电子技术、软件技术、计算机技术及通信技术为核心而引发的数字化、网络化、综合化、个性化信息技术革命,不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展,而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。专家预测,机电一体化技术将向以下几个方向发展:
(一)光机电一体化方向
一般机电一体化系统是由传感系统、能源(下转第80页)(上接第81页)(动力)系统、信息处理系统、机械结构等部件组成。引进光学技术,利用光学技术的先天特点,就能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。
(二)柔性化方向
未来机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”,有较强的“柔性”,能较好地应付突发事件,被设计成“自律分配系统”。在这系统中,各子系统是相互独立工作的,子系统为总系统服务,同时具有本身的“自律性”,可根据不同环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息,在总的前提下,具有“行动”是可以改变的。这样,既明显地增加了系统的能力(柔性),又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
(三)智能化方向
今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显,智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术与信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。
四、仿生物系统化方向
今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上处于“静态”时不稳定,但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物:当控制系统(大脑)停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统(大脑)工作时,生物就很有活力。就目前情况看,机电一体化产品虽然有仿生物系统化方向发展的趋势,但还有一段很漫长的道路要走。
五、微型化方向
目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当这一成果用于实际产品时,就没有必要再区分机械部分和控制器部分了。那时,机械和电子完全可以“融合”机体,执行结构、传感器、CPU等可集成在一起,体积很小,并组成一种自律元件。这种微型化是机电一体化的重要发展方向。
【参考文献】
定桨距空气动力制动的控制
对于定桨距机组,空气动力制动装置安装在叶片上。它通过叶片形状的改变使风轮的阻力加大。如叶片的叶尖部分旋转80°~90°以产生阻力。叶尖的旋转部分称为叶尖扰流器,使叶尖扰流器复位的动力是风力机组中的液压系统,液压系统提供的压力油通过旋转接头进入叶片根部的液压缸。叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳(图中未画出)与液压缸的活塞杆相联接。当机组处于正常运行状态时,在液压系统的作用下,叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体,组成完整的叶片,起着吸收风能的作用;当风力机需要制动时,液压系统按控制指令将扰流器释放,该叶尖部分旋转,形成阻尼板。由于叶尖部分(约为叶片半径的15%)在风轮产生功率时出力最大,所以作为扰流器时,叶尖产生的气动阻力也相当高,足以使风力机很快减速。一种定桨距机组液压系统。
变桨距、偏航驱动与制动
液压变桨距系统风电机组变桨距的目的主要是功率调节。液压变桨距系统的组成如图7所示。从图7可见,液压变桨距系统是一个自动控制系统。由桨距控制器、数码转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器等组成。在液压变距型机组中根据驱动形式的差异可分为叶片单独变距和统一变距两种类型,单独变距用的三个液压缸布置在轮毂内,以曲柄滑块的运动方式分别给三个叶片提供变距驱动力(图略)。统一变距类型通过一个液压缸驱动三个叶片同步变桨距,液压缸放置在机舱里,活塞杆穿过主轴与轮毂内部的同步盘连接,动力部分由电动机7、液压泵5、油箱1及其附件组成。变距机构的控制风力机叶片的“开桨”和“顺桨”,在机组运行和暂停的工作状态实现位置控制。在机组关机和紧急关机时实现速度控制。还有一种电液结合的变桨距系统。电-液变桨距机构原理图。由图可见,本系统用交流伺服电动机驱动可双向转动的定量泵,定量泵直接驱动液压缸。通过改变电动机的旋转方向、速度和运行时间来控制液压缸的运动。偏航的驱动与制动液压系统还可以用于偏航的驱动与制动。由于风向经常改变,如果风轮扫掠面和风向不垂直,不但功率输出减少,而且承受的载荷更加恶劣。偏航系统的功能就是跟踪风向的变化,驱动机舱围绕塔架中心线旋转,使风轮扫掠面与风向保持垂直。机舱在反复调整方向的过程中,有可能发生沿着同一方向累计转了许多圈,造成机舱与塔底之间的电缆扭绞,因此偏航系统应具备解缆功能。也有的风力发电机组利用偏航进行功率调节。偏航驱动系统与变桨距驱动系统类似,是一个自动控制系统,其组成和工作原理。由图可见偏航系统由控制器、功率放大器、执行机构、偏航计数器、传感器等部分组成。偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。偏航制动控制的功能是控制偏航制动器松开或锁紧;为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振,偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。此阻尼力矩由液压系统提供。
绪论,是学生入门的第一课,如何利用这第一节课,将对以后的教学起着关键性的作用,轻松有创意的课程引入,可以带动学生对学科的兴趣并引发其学习动力,这样可以将学生的主观能动性全面发挥出来,学生也会主动的去接受学习。所以引发学生对学科的兴趣及动力就成为了这第一课的首要任务。首先要结合社会现行引领大趋势的电子产品———计算机的发明与制造过程,简介电子技术的发展史,使学生充分的了解到电子技术是一门在不断革新、不断探索的科学技术,其在以惊人的速度发展。其次,我们应举例介绍同我们生活息息相关的电子产品,如液晶电视、激光唱片、交通指示灯等,使学生知道我们现在的生活处处离不开电子技术的应用,使他们的思想在潜移默化之中由被动的接受变成主动的汲取。还有可以简介与电子技术相关的专业,使其明了电子技术在其中的重要性,让学生的思想对其产生向往。
2采用多种教学方法和教学手段,调动积极性
针对《模拟电子技术基础》不同章节的不同内容,在教学过程中,通常会选用以下几种教学方式:①多种方式的问答。问答法主要是根据学生已掌握的知识或者是实践经验,有目的性的引导提问,提出问题让学生讨论作答,有的则是为了抛砖引玉带出之后的新课程,不回答,同时根据教学进度适时的进行相关知识点的补充。②诱发求知欲,进行实体演示,演示教学是我们在教学工程中运用教学用具或者做相应的示范性试验等方式,将学生引入角色,使学生通过近距离的观摩实践将所习得的知识加深理解的一种方式,还能让学生体会到理论与实际更为贴近。③不断地练习,进行章节测验。④运用类比法教学。我们在日常的教学是将内容相近的知识点同时进行讲解,这可以培养学生的举一反三能力,同时也提高了教学质量及学习效率。⑤不断总结,巩固知识。每一章授课完毕后,要对此章的内容进行归纳总结。总结的过程同时也是一个思考过程,这对知识的梳理与加工有很好的效果。⑥提升教师的个人魅力使得学生信任、尊重老师,这对于教师的教学会起到很大的作用,个人的良好人品与修养,会得到人们的欣赏与向往,作为育人者,教师应该更为注重个人素养及人格魅力,只有拥有了渊博的才识,具备极强的综合处理事务能力,通过努力不断完善自己的行为品质。学高为师,道高为范。在学生们眼中会起到放大的效果,教师的优缺点都会被放大。⑦讲解二极管的整流功能时,就和学生说,大家听说过“整容”吧,整流和整容是一个道理。这样的话,可以激发学生的兴趣。⑧在教授新课时,避免一次讲的太多,讲一点,练习一到两节复习巩固,千万不要讲的太多,避免学生害怕学习该门课程。
3注重实验教学,提高学生的实践应用能力及创新能力
模拟电路实践教学可分为以下三个部分,基础实验、提高实验与职业技能,电工电子基础试验中心拥有创新实验室,可以让学生综合全面的掌握电工电子的综合技术,提高学生的实践操作能力。具体在实验的内容教学中,增强综合性、设计性、开放性试验比例。充分利用实验教学对枯燥无趣的理论教学进行补充,将抽象难懂的内容利用实验课中的器具实验用品进行模仿验证,加深学生对知识的吸收与理解。引发调动学生的学习积极性及兴趣。模拟电路实践课可以给学生提供丰富的实验课目,学生能够根据自身的知识积累,来选择安排实验学习。例如,放大器的Q点和动态特性的图解法是非常抽象的教学内容,经过相关程序的仿真,学生可以直观地观察到电路设置Q点的必要性,动态参数的变化规律,直流负载线与交流负载线的不同之处。根据黑龙江大学电工电子基础实验中心为不同专业安排的1周~2周的模拟电路实训,设计培训、制作电路与电源,一阶滤波器电路,基本共射放大电路,学生首先进行理论设计及计算,然后利用计算机的相关软件进行仿真,最后到动手操作、调试、焊接、制作。整个过程提高了学生的动手实践能力,并同时提高了分析问题解决问题的能力。
4总结学习方法,培养学生良好的学习习惯
《模拟电子技术基础》与其他科目有所不同,它不但需要扎实的理论基础,还要学会财务分析电子电路。首先,要让学生可以更快的适应模拟电子技术的学习。在教授知识的同时,还要培养学生正确的学习方法,提升他们的自学能力,培养良好的学习习惯。引导学生在听课前先预习的习惯,然后在课前自学过程中将教材的重点、难点、惑点等都找出来。其次,督促要求学生做好随堂笔记。指导学生如何做好笔记,使其更好地掌握知识。笔记重点记录教师讲课的,主题、重点、难点、概念,关键词,对难点进行重点标注,以方便课后的复习。督促学生复习可以防止遗忘。课后学生自主的温习课程及笔记,可以将所学知识进一步巩固同时加深理解。
5教学应有侧重点,以应用为目的
高职要重点着手于理论知识的应用及实践动手能力的培养等方面。因此,教学内容上要彰显高职教育的特点,主动适应社会需要,侧重于应用性、针对性。将知识与能力相互结合,重点培养学生的工程应用能力及处理问题的能力。基础理论的的初衷是对其的灵活运用,以必须、够用为度,以掌握概念、强化应用为侧重点。目前电子技术基础具有很浅的实用性,其技术更新的速度是无法想象的。因此授课时不可再生搬硬套之前的教学方式:首先讲解元器件的原理、特征、性能,然后对其进行分析对内部结构进行讲解,再举例说明它的具体应用。曾经对模拟电子技术基础偏重于细节,忽略了整体概念的讲解,这对培养学生的应用能力起到了副作用。因此授课时应有所侧重,重点讲解新思想、方法及应用,重点讲解所谓粗线条分析。需要与实际电路相结合,使学生对电路的应用更加了解。
6设计特色引入,激发学生兴趣
1优化35kV输电线路设计法分析
1.1线路设计法走向
为了优化设计35kV输电线路走向,在开展设计工作的过程中应注意以下问题。A:尽量避免将线路走向设计为之字形或大转角的路径形式,尽可能缩短线路距离,并尽量使线路走向与公路路线走向相吻合,以便能够利用交通优势。在设计时要避免输电线路跨越河流或通信线路,如通信线路与输电线路距离较小,则应控制好交叉角度:如通信线路为I级,则交叉角度应≥45°,如通信线路为II级,则应≥30°。如在35kV输电线路中设计有防雷保护措施,则通信线路与输电线路之间的距离应≥3m,在没有设计防雷保护措施的情况下,两种线路之间的距离应≥5m。B:在设计线路走向时还应注意避免穿越以下区域,即迷信或风水地带(庙宇、龙脉等)、高危险及高污染区域、自然灾害多发区、建筑物、风景区、开发区及林区等,同时还应避开铁路电线。C:在设计线路走向时应做好相应的测量工作,标记线路测量点时应采用木桩,同时利用红油漆将转角桩、桩号高程标示出来。桩位与公路的距离应>15m,与通信线的距离应>20m,与建筑物的距离应>10m,同时避免在风景区、开发区及林区等高赔偿区域设置桩位。
1.2杆型选择与杆塔设计
在杆型选择与杆塔设计方面,可以采用以下优化措施:A:在选择输电线路中的杆型时,应根据施工图纸要求、交桩及定桩等情况,尽量选择成熟杆型,如需要使用新式杆型,则应进行科学试验及论证。在35kV输电线路中使用的直线杆通常为15m,在特殊的情况下可采用18m的直线杆,输电线路中的铁塔高度通常设计为9m、15m或18m。B:目前输电线路中常见的杆型包括双杆及单杆,在选择杆型时主要依据导线情况;设计线杆高度时可借鉴35kV输电线路运行经验。对于加拉线直线杆的设计,应在了解地质条件后合理选择浅埋式或深埋式,以保证线杆的稳定性。确定直线杆尺寸与杆型后,便可以依据直线杆设计方案设计终端杆及转角杆,如输电线路中存在立杆困难的地段或特殊跨越地段,则在该地段设计铁塔,完成以上设计工作后,便可以计算档距。C:在设计杆塔时应控制好数量,以降低土地的占有率及建设支出,在控制杆塔数量的同时要采取有效的措施提高杆塔所具有的柔度、强度,以保证35kV输电线路运行的安全性及可靠性。
1.3排杆及基础设计
选择好输电线路中的杆型后,应在综合考虑经济因素及技术因素的基础上优化排杆设计。第一,优先排定转角杆型,并同时使转角耐张段的长度<2000m,如耐张段的长度>2000m,则将部分直线型耐张杆排定到转角耐张段当中。如直线杆段线路中存在吊档现象,则可将耐张杆布设到吊档地段中。第二,如发现在测量阶段设定的直线桩位不能有效满足设计及施工需要,则可以在不改变原线路走向的前提下适当迁移部分直线杆,注意尽量保留转角桩。第三,尽量避免将转角杆安排在大档距位置,如需要在耕地中排直线杆,则避免使用拉线。如条件允许,则尽量减少线路中的耐张杆、三连杆或双杆,多排直线杆或单杆,以节省开支。对于一档跨过地段,可适当放大塔杆的档距,无须将线杆布设在跨中位置。如35kV输电线路需要跨越同等级输电线路或低电压输电线路,则应将线杆布设为水平排列形式。在设计35kV输电线路的基础时应综合考虑多种条件,如基础受力情况、水文情况及地质地形情况等,对于线杆,可以选择倾覆类、下压类及上拔类基础;对于铁塔,则可以选择混凝土灌注桩或装配预制基础。
2设计35kV输电线路时应注意的问题
为了提高35kV输电线路的运行质量,在开展设计工作的过程中还应注意处理好以下问题。第一,确保架空线路中的终端引线与变电站中35kV进出线实现相互配合,以便为架设进出线的施工工作提供有利条件;确保架空线路的防雷保护措施、保护范围能够与所在区域电气防雷保护措施、范围实现有效衔接。线路设计人员应亲自参与放线测量工作,以便能够了解工程实际情况,并在进行线路设计法的过程中做到实践与理论有效结合,从而保证杆型设计及杆位选择的合理性。第二,如需要设计T接输电线路,则应将T接点线杆布设方法明确标示出来,同时注明杆型。应在设计方案中清楚说明线路的具体路径,并保证设计方案的严谨性、简明性及准确性。此外,在设计线路前应做好相应的勘察工作,设计工作完成后才能开始施工。
3结语