时间：2023-05-30 10:27:36
关键词：风光互补发电 应用 探讨
中图分类号：TK8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-036-02
在我们国家，风能资源巨大，但由于资源的不平衡性，纯粹的风力发电不能大范围普及已成事实。为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。这种系统采用了我国自主研制的新型小型风力发电机和太阳能发电根据地理条件不同进行合理地结合，形成了相对稳定的电力输出。这是在短期内加速改变我国能源结构最有效的办法。
1 风光互补应用市场机会
风光互补离网型供电系统，主要是以小型风机（100W-1KW）、太阳能电池组件、储能蓄电池、控制器（逆变器），LED光源为主组成离网供电系统，在路灯、景观、广告牌、高整公路、偏远地区无电户供电、哨所、基站等小功率离网供电用户广泛应用。其市场机会巨大，椐专相关资料统计：市政建设的新建路灯照系统：保守估计我国每年新增6万公里的市政路灯工程、按每公里80-100万计算，达600亿；无电户照明：我国目前有近800万山区户、渔民无电户按每户8000-10000元计算，800亿市场。但需要国家政策补贴；船用风力发电机（有预测报告全世界近60亿美元；其他的海岛基地、通信基站、城市景观建设，高档小区景观建设、新农村建设“镇镇亮”路灯工程用户现在已有应用实例，其潜在的市场规模不可估量。专家保守估计国内市场也在几千亿以上的份额，并将形成一个庞大的产业链。
2 风光互补供电系统的优势
(1)节能减排：风光互补新能源为“节能，减排”开辟了一片新天地，清洁能源，没有污染。
(2)方便使用：光互补受自然环境因素限制比大型风力发电小，可以像种树一样在全球各个应用角落遍地开花，受环境限制较小，资源可再生，没有后续能源费用。
(3)技术成熟：风光互补技术比大型风力发电技术成熟，可靠，风光互补新能源为新能源为分布式独立供电独辟蹊径。使用寿命长（太阳能电池和风力发电机均在15年以上的设计寿命），维护方便。
下面通过二个风光互补路灯项目的应用和传统路灯相比的性价比说明：
(1)海南省海口市滨江西路风光互补路灯与常规市电路灯工程总造价比较。
位于海口市南渡江西岸滨江西路，北起长堤路与白龙路的交叉口，向南沿南渡江经过国兴大桥、海瑞大桥，终点在府灵路（南渡江大桥），是海口市一条重要的规划城市主干道，全长12.5km，道路宽50m。通过计算，得出15年时间里，使用风光互补路灯与常规市电路灯所需费用，见表1。
(2)湖南浏阳3公里次干道风光互补路灯与常规市电路灯工程总造价比较。
通过专业技术人员的计算，得出10年时间里湖南省济阳市3公里次干道风光互补路灯与常规市电路灯所需费用，见表2。
由以上2个案例的对比分析可以得出：在综合成本上，风光互补路灯与常规市电路灯相比具备明显的综合价格优势，次干道达到了同等投资，零电费、零排放，且道路越长，价格优势越明显。
3 风光互补供电系统的市场风险
3.1 市场引导机制缺乏造形成销售风险
风光互补系统的最大及户就是市政建设和离网用电户。目前，通过风光互补路灯的试点应用，虽然能增强市民对高新技术新能源产品应用的意识，更能无形中提高市民对新能源利用的意识。其中直观的科普教育性为带动地区的经济发展提供了诸多无形的价值。为当地政府在提倡“节能、减徘、绿色照明、循环经济、生态文明、科普教育、宣传”等工作上直观的肯定。但大部份是政府投资或是获得财政资金补助项目。项目投资金额相对较大，投资后企业回款期长。一些没有资金实力的企业通过关系营销即使做成项目，资金压力非常大，甚至有的企业被无力继续发展。因此大面积推广使用风光互补供电系统，只能是通过政策机制引导建立政策营销。
3.2 政策引导不力 造成的小风机企业成本压力风险
按单位输出功率测算，风机价格是太阳能电池的价格的1/4左右。这是因长期以来，微小风力发电机的应用是以偏远贫困地区的农牧民为主要对象，因此价格定位很低，加上现在国家送电下乡工程，大量采用光伏电池补贴方式，忽略了小风机的成本。而近几年来，政府对大型风力发电的政策相继出台，但对“中小型风力发电机组及新出现的风光互补新能源发电系统还是一个“被政策遗忘的角落”。致使微小风机产品没有利润，行业恶性竞争加剧，技术研发投入不够，企业没有发展后劲，不利于风机生产企业的有利健康成长，从而影响风光互补市场的发展。
3.3 监督机制不全带来的行业产品质量风险
风光互补系统是一个产品集成体，目前市场对其单一产品虽然都有标准和检测手段，监管力度也不够，加上对风光互补系统还是没有整体完善的检测监管手段，以至于市场上的产品没有国家权威机构的检测和认证，导致劣质产品充斥市场，由于小风机是高位安装，风机掉落伤人事故时有发生。行业没有形成有效的监管机制，使有的企业不注重售后服务，致使小风机失去了用户信心，影响风光互补系统的全面推广。
4 行业发展趋势
风光互补系统是近8年才兴起的集成企业，技术门坎不高。技术含量是表现在系统集成+单项产品核心技术，目前小型风机的知识产权完全自主，各企业都已申请部件的发明专利和外观专利。
(1)噪声：我国的小型风机,通过制造工艺的改进,噪声技术已得到改善,基本满足用户需要。
(2)低风速：传统的小型风机起动风速都是在4米/秒左右。这样一来，很多地方看不到小风机的转动。所以应用推广受地域局限。中科恒源科技股份有限公司的全永磁悬风力发电机，以“全永磁悬浮技术”已获得国际PCT专利保护。其发电能效比普通风力发电机提高20%以上，启动风速更低至1.5米/秒。是目前600W以下小型风机领域低风速的一个重大突破，是内业最具优势的产品之一。
(3)控制技术：大部份风光互补供电系统的控制器，大多处于一种充放电保护和风机过风保护。而有些地方用户要求需要集中控制和远程监视，但成本随之上来。所以很多企业在控制器上创新，满足人性化需要，模块化设计在满足及户需求的同时又要保证新产品与传动产品相比较有合理性价比，如：用户可以根据自己的需要通过远程控制和设定光照时间和照明功率。
(4)成本：更为用户关注的是小风机的成本优势,目前,小风机的成本已经是同等功率大阳能成本的的1/4-1/5,但风力必须在4米以上的阔旷区才能获取,为保证安全，传统的立杆成本不可少。目前这种成本对于国内比较贫穷的无电户家庭用户也是过高。需要进一步采用新材料、新工艺不断改进。
(5)集成技术：风光互补更主要体现在集成技术，根据地理条件和用户要求，风光互补系统必须形成风能、光能、蓄电池容量的合理配置。系统组成合理，可以达到要求，系统达到最优性价比。否则，资源浪费，系统成本增加。这种技术更主要是应用经验的累积，因此，应用范围的扩大成了行业发展的关键。
5 结束语
(1)本产业市场及潜在市场巨大，在国家政策提倡，地方政府支持下，可形成巨大产业链。随着能源日益紧张，新能源利用方式不断拓展，新技术、新材料的不断出现，作为争布式供电方案的风光互补系统将是普及风能、光能随时随地应用的一种手段，前景广阔。
(2)风光互补系统的关键技术急须突破，涉及到高效低风速的小型风机技术、太阳能光电技术、储能蓄电池技术、LED淘汰技术等，国家应对小型风机甚至专门对风光互补供电系统的供应商进行政策支持，通过行业内的制造企业的不断推广引导，形成产业政策，同时需要鼓励企业通过技术创新和新材料的应用创新降低使用成本，风光互补技术的全面推广是完全可以实现的。
参考文献：
[1] 徐泽玮.关于我国发展太阳能发电技术产业的思考[J].电源技术应用,2006(12).
[2] 孟克其劳,贾大江,王利平.风光互补控制器智能化设计[J].太阳能学报,2005(02).
关键词：微型直流电机；空载电流；堵转电流；ATmeager48
一、引言
微型直流电机应用广泛，在电动玩具、电动工具、汽车电器等领域应用广泛。近年来，微电机行业取得了迅猛的发展，从原来的手工作坊升级到了几乎完全自动化的生产模式，产量大增。然而对于一个微电机生产厂来说，产品的质量是最为总要的，这就使得最后的质量检测环节成为重中之重。如果能合理地应用到生产实践中，解决生产的实际问题，那么非常具有研究价值。
（一）目前工厂中微电机检测存在的问题
电机厂每天生产的电机数量少则几万，多则几十万不等，微电机质量检测对于很多电机厂都是一件头疼的事情，传统的微电机检测是通过万用表或示波器的波形图来判断电机是否合格，测试麻烦，效率低。只有具有多年检测经验的专业人员才能从细微的波形变化中看出电机的问题，随着产量的增大就会带来检测工作量的增加，那么工人的成本也会随之增加。同时因节假日导致工人的短缺现象也不可忽视。由此可见，不便之处是显而易见的。
（二）课题的主要工作和要达到的目的
通过对微电机检测的了解，我们知道对于一个微电机厂而言，产品的合格率是一个工厂赖以生存的生命线。本文的目的就是既要调高微电机检测的效率，更要提高微电机检测的准确率，从而提高产品合格率。如果微电机检测实现智能化将会大大提高检测效率和准确率，降低人工成本，具有较高的实用性和可观的市场前景。
本论文的主要工作：
1.微型直流电机的工作原理
2.微型直流电机不良原因的分析
3.设计整机电路框图
4.模块化介绍电路，实现单片机ATmeage48对整个电路的控制
二、微型直流电机原理及不良原因
（一）微型直流电机的工作原理
微型直流电机是指输出或输入为直流电能的旋转电机。在电动玩具、电动工具、汽车电器等领域应用广泛。直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成，定子用来固定磁极和作为电机的机械支撑。转子用来感应电动垫而实现能量转换，内置换向器和电刷结构实现交流电变成直流电的换向。直流电机的定子由主磁极、电刷装置、机座等组成；转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。电枢铁芯是主磁路的组成部分，为了减少电枢旋转时铁芯中磁通方向不断变化，而产生的涡流和磁滞损耗，电枢铁芯通常用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，叠片间有一层绝缘漆； 电枢绕组有绝缘导体绕成线圈嵌放在电枢铁芯槽内，每一线圈有两个端头，按一定规律连接相应的换向片上，全部线圈组成一个闭合的电枢绕组；换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成。它的作用是将电枢绕组中的交流电动势用机械换向的方法转变为电刷间的直流电动势。
（二）微型直流电机不良原因的分析
电机的不良原因很多，下面主要介绍以下几种情况：
1.断线：掉线头和内部断线
2.电流高：机壳轴承、端盖孔径偏小或不同心；铜线轻微沾锡；三极圈数不一样；机壳内有丝、小粒等异物；换向器插偏；间隙小；磁石高低
3.漏电：漆包线对铁芯漏电和换向器对铁芯漏电
4.卡死：机壳内有磁渣、卡簧、轴承垫片等异物；卡簧变形、磁铁未打到位、高低不一；铁轴受伤、变形等；磁石凸起；机壳轴承、反孔变形；磁石同性或没磁性
5.短路：电刷针插变形短路；换向器铜片短路油少；机芯外挂线；铜线沾锡；换向器焊锡处多头；风沙片错位；匝间短路；磁铁没磁性
根据前面介绍电机的不良原因，我们不难发现，无论电机是什么不良原因，都会使空载电流或堵转电流发生变化。如卡磁、机壳轴承与端盖不同心、机壳内小粒异物都会使电机电流偏高，磁铁没磁性、铜线沾锡、电刷针变形短路都会使电机短路，空载电流无穷大。至于为什么要测堵转电流，是因为电机转子在断线或虚焊时，电机空载电流和合格电机电流没有区别，但是其负载能力会大大降低，所以检测堵转电流相当于加了一个无穷大的负载。电机在虚焊或是断线时，其堵转电流会偏小。即当电机被堵住，内部转子，3个绕组首尾相接呈三角形，连接方式如图1。
当电机堵转时，电刷针接触换向器中任意两点（ab或ac或bc），电路等效如图2所示。
1.如果转子完好，电阻值为R//2R，等于2/3R，I=U/（2/3R）=1.5U/R；
2.如果R1断线，电阻为2R，I=U/（2R）=0.5U/R；
3.如果R2或R3断线，电阻值为R，I=U/R。
由此我们不难得出结论，电机转子有断线现象，会使其堵转电流偏小。
（三）方案的确定
由上述分析，确定测试系统的实现方法。选择一个大功率电源给电机供电，待空载电流稳定后，采集其空载电流，然后堵住电机，采集堵D电流，将两次采集的信号经运算放大后进行处理、比较、判断。
方案一：控制器选用AT89s51，信号的采集部分选用AD0809，显示部分由数码管显示。
方案二：控制器选用AT89s51，信号的采集部分选用AD0809，显示部分由LCD显示。
考虑到LED只能显示数字，不能显示文字单，无法实现智能检测后的全部测试信息。AT89S51单片机功能强大，但是片内没有AD转换，这就需要AD模块电路，选择AD0809为AD转换器，8位的AD转换精度有点偏低，若要求高精度的测试，不容易实现。
方案三：选择Atmeage48作为核心控制器，其自带AD性能，减少实际电路中AD转换部分电路的设计。显示部分选用LCD，可以实现文字和数字信息的显示，实现微处理器控制及人机交互。
三、系统原理及总体设计
（一）系统原理
本系统采用单片机Atmeage48为控制核心，充分利用单片机内部资源，减少外部组件达到简化电路，尤其体现在处理器自带AD性能，减少实际电路中AD转换部分电路的设计。整机电路包括电源模块、信号采样模块，信号保持模块，单片机处理模块，漏电模块，键盘模块和LCD显示模块，如图3所示。
（二）模块电路原理及设计
1.单片机ATmega48原理
ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，ATmega48的数据吞吐率高达1MIPS/MHz。
（1）先进的RISC结构
（2）非易失性的程序和数据存储器
（3）外设特点
两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器
一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器 /计数器
具有独立振荡器的实时计数器RTC
六通道PWM
6路 10 位ADC（ PDIP 封装）
可编程的串行USART 接口
可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口
面向字的两线串行接口
具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
片内模拟比较器
引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU
（4）微控制器的特点
上电复位以及可编程的掉电检测
经过标定的片内振荡器
片内/外中断源
五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和 Standby模式
（5）I/O口与封装如图4所示
23 个可编程的I/O 口线
28 引脚PDIP， 32引脚TQFP与 32 引脚MLF封装
2.电源电路
整机电路采用的是5V直流电和正负12V直流电。直流稳压电源一般是由电源变压器，整流滤波电路和稳压电路构成。本电路的电压变压器是把较大的交流电变成较小的交流电。整流电路作用是把交流电变成直流电。最后经过滤波电路和稳压电路输出稳定的直流电。本设计中直流电电路主要采用变压，整流，滤波，稳压过程将220V的交流电转换为稳定的直流电。（如图5）
3.采样放大电路
采样放大电路如图六所示：P1为外接电源接口，用于给电机供电，一般选择30W可调电源， P5为测试针接口，第2脚接电机外壳，用于检测是否漏电，3、4脚接电机两个引脚，R4为采样电阻，阻值越小对测试影响越小，后面接同向放大电路， 电压的放大倍数由R17和R8决定。放大后的信号接入单片机.由于LM324具有四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此本设计中运算放大器的核心器件选为LM324。（如图6）
4.漏电检测模块
如电机漏电，外壳为高电平，三极管导通，信号交由单片机处理。如图7所示：
5.LCD显示电路
考虑到实用性和通用型的结合，本系统设计选用汉字型液晶模块，它是一种用中文图形控制芯片，内置128×64汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。该芯片共内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2MB的中文字型CGROM和64×256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可编程控制的16×16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。（如图8所示）
四、程序设计
五、总结
经过大量的测试验证，该系统能高效准确的检测微型直流电机的好坏，提高了检测效率，而且操作简单易用，不用专业检测人员进行操作，普通工人就能完成，对于电机生产厂家，降低了劳动成本。但是，本设计只是重点说明了会影响电机电流变化的不良原因，对于电机的不良原因还会有其他一些情况，如：电刷针变形或油少会产生噪音；搭配不好 或磁石移位或绕线三槽不对称、打结会使电机振动量变大；这些因素在电机出厂前也是也是要检测的。可我们只要理解了前面对电机电流的检测方法，后面的问题也就迎刃而解了，我们只需要加装相应的传感器，再将传感器的信号传递给微处理器，优良产品和不良产品的参数就一目了然了。
参考文献
吉安841台有一部上海明珠产TS―01B和一台哈广产GZ―G1K中波发射机，属于早期的PDM固态机，只要增加合适的通信接口电路，采用RS-485总线建立多机通信系统，就可实现通过控制室微型计算机观看、监测并记录发射机的工作状态。
一、发射机通信网络原理。
利用RS-485总线建立多台发射机通信网原理如图（1）所示。
微型计算机与发射机的通信采用异步串行通信，利用RS-232/RS-485转换接口进行数据电平转换。
二、RS-485接口电路设计。
RS-485总线驱动芯片可以用SN75176BP或SN65HVD21P等。SN75176BP芯片很适合做RS―485总线驱动；发射机取样后数据处理用AT89S51单片机，硬件组成简单，功能强大；发射机控制板采样的数据经放大、光电耦合，送入单片机AT89S51；SN75176BP芯片的R、D通过光电耦合器6N136分别与AT89S51单片机的异步通信口RXD（P3.0）和TXD（P3.1）相连接，转换成RS-485总线，原理如图（2）。
系统上电复位时，SN75176BP的DE端应是低电平，这样才能保证微型计算机与各发射机的通信口正常通信。因此，在单片机P1.X加一个高速CMOS反相器74HC04连接到SN75176BP的RE、DE端，当单片机加电复位时，P1口输出FFH，经反相器74HC04，DE为低电平。
三、通信协议。
开始时所有发射机通信口复位，处于等待微型计算机呼叫状态，RS-485总线是异步半双工通信总线，在任何时刻，总线上有一部发射机通信口被微型计算机巡视呼叫，这样就必需设计一套合理的通信协议来协调总线的分时使用。给每一部发射机设置一个唯一的地址号，以便微型计算机识别后作出相应的处理。微型计算机向发射机接口发数据时要带目的发射机地址，格式如下：发射机地址号（地址字节）（1）+命令/数据字节（1―7）+Enter
机身镜头同进化
2011年年初的E-PL2，根据奥林巴斯的官方说法，并非简单的E-PL1替代品，而是定位稍稍高出一些的并列产品。虽然传感器规格相同、机身体积和重量相仿，但这并不妨碍E-PL2进化成为另一款相机：当你一拿起E-PL2，你就会发现其操控按键布局、外壳做工和屏幕与E-PL1明显不同。E-PL2所配备的3英寸46万像素LCD屏幕，规格甚至超过了定位更高的E-P2。E-PL2的感光度范围提升到了ISO200-6400，比E-PL1向上平移了一档。在实际拍摄时，我们发现其实际的曝光数据与标称的ISO非常吻合，并非虚标。
E-PL2还继承了多项过去只有E-P2甚至E5才有的功能，例如USB遥控快门控制、“戏剧效果”艺术滤镜（首先出现在E5上）、蓝牙无线照片传送功能等，其中蓝牙功能最为有趣，通过一个外接的PENPAL PP-1蓝牙通信单元，就可以把相机中缩小尺寸的照片通过蓝牙传送到智能手机上，经过测试可以与Windows、Android、黑莓系统的手机配合使用，但与iPhone系统暂时无法配合使用。MAL-1微距臂灯同样是一个有趣的E-PL2附件，通过它可以方便地在微距拍摄时提供充足且均匀的照明。
进化的不仅仅是机身，PEN系列的镜头也在进化。E-PL2套机所搭配的镜头虽然焦距范围和光圈没有变化，但是镜头结构和驱动马达却完全不同。新的M.ZUIKO DIGITAL 14-42mm/F3.5-5.6Ⅱ MSC镜头，在型号标识上有两处不同：首先这是第2代的套机镜头，比起前代产品，镜片总数减少了1个，同时非球面镜的数目增加了1个，新的镜头比旧款轻了21g，变焦时伸缩也由两节变成了一节。“MSC”则是新采用的“高速静音自动对焦马达”，在对焦时悄无声息，并且速度更快。在我们的测试中，新款镜头的自动对焦速度比旧款要快25%以上，而安静的自动对焦对于视频拍摄来说是非常实用的，它可以大大降低视频中的噪音。
拍摄娱乐两相宜
从E-P1起，艺术滤镜拍摄模式就成为了PEN系列微型单电相机的特色功能。借助这一功能，用户可以快速赋予影像个性化的表达方式。E-PL2共拥有6种各具特色的艺术滤镜模式，包括“浓郁色调效果”、“柔焦效果”、“照片怀旧颗粒效果”、“针孔相机效果”、“立体效果”和“戏剧效果”。“戏剧效果”是在奥林巴斯E系统旗舰机型E5上首次应用的艺术滤镜，该效果可以基于对比度的局部变化向画面施加光线和阴影的戏剧色调，以更富有想像力的方式重新表达真实的空间。
为了让艺术滤镜效果更加符合用户的喜好，提升用户的拍摄创作空间，还可以对默认的艺术滤镜效果进行变换调节，包括换用不同的基调、对比度调整以及边框的取舍。更为有趣的是，E-PL2允许用户在视频拍摄时运用这六种艺术滤镜，只要你在“ART”拨盘模式下随时按红色的视频录制快捷按键即可。
为了让初级用户更好地熟悉相机的功能，提升他们的拍摄效果，E-PL2的操作方式也针对初学者进行了一些优化。“新型实时向导（New Live Guide）”的新用户界面是在E-PL1的实时向导（Live Guide）界面上改进而来的增强版本。在“iAuto”智能拍摄模式下，按下“Ok”按键，就可以在系统的提示下对影像的色彩、亮度、背景虚化、动感效果等做出调节，拍摄出与期望值相符的照片。在这一界面下，E-PL2还提供了“拍摄小提示”功能，以图文并茂的方式给出了一些最常见场景下的拍摄技巧。
照片视频皆出色
作为一款1230万像素、4/3画幅的可换镜头相机，E-PL2的成像品质尤其是高感光度下的表现令人关注。通过标版和实际场景的大量拍摄，我们发现E-PL2的成像品质超出我们的想像。
在最低感光度下（ISO200），E-PL2的分辨率良好，自动曝光精准，色彩平实而又不单薄。2300线左右的清晰分辨率，而保留部分细节的分辨率可达2800线左右，与同像素数的其他机型相比毫不逊色，甚至略高一点。在高感光度下，E-PL2的噪点水平与APS-C画幅的机型非常接近，只有ISO6400下才能看出一些区别，而整体噪声水平与同画幅的机型相比（例如松下Lumix GF1\GF2），则明显占优。
视频拍摄是E-PL2的另一个主要应用之一。位于机身背面右上方的视频快捷按键，极大地方便了用户随时随地拍摄视频。无论相机的拍摄模式拨盘位于什么位置，你都可以快速地启动视频拍摄，哪怕是在艺术滤镜模式下也毫不犹豫。而相机模式拨盘上也为视频单独预留了位置，如果你打算拍摄一段精心准备的视频，则最好将模式拨盘切换至“视频”位置，以便对感光度、对焦模式、防抖模式、白平衡、视频品质、麦克风拾音等项目进行预设。
【关键词】无接触充电；高磁导率铁芯；机器人
一、引言
相较于传统的接触式充电方法，非接触式的能量传输方法有几大优点：一是避免了插座和线缆的束缚；二是节省了更换电池的时间；三是可工作在恶劣的环境下。当使用可充电电池时，用完的电池需要从机器人身上拆卸下来，充电后重新装配，才可再次投入使用，这就造成了机器人工作的中断。正是由于传统充电方式具有工作中断和充电不便等问题，迫使人们探寻无中断和更加简便的充电方法。
无接触电能传输的工作原理基于法拉第电磁感应定律[1]。对于无接触能量传输的研究早在几十年前就开始了，特别是对于一些采用传统充电方式具有电击、火花和磨损等缺陷的应用场合。无接触电能传输技术已经被FUJITSU在文献[2]中使用，在该文中，机器人可以通过电磁感应借助无接触充电方式为自身充电。无接触能量传输的原理和变压器的工作原理非常相似，最主要的不同在于低磁化电感和漏电感。通常采用电磁感应原理实现能量传输的装置效率低，电压不稳[3]，尽管如此无接触电能传输技术依然在许多领域都有很高的使用率[4]。无接触电能传输技术非常适合用于为移动负载（例如电动汽车）供电。无接触电能传输还可以用于对植入式医疗器械的充电电池进行充电。
本文主要研究了无接触电池充电器的工作原理、磁性分析理论，即可对充电器的设计和运行产生影响的理论和实际因素。
二、无接触充电器的工作原理
作为一台无接触充电器，最基本的组成模块主要包括两部分：一是供电电源和开关电路（用来产生一个高频电流）；二是拾音电路（用来产生感应电压，整流和充电），此部分安装在可充电电池所在的部件上。如图1所示，主边电路是一个工作在几十千赫兹的高频逆变器，其工作频率的选取主要基于电源电路的损耗，传输功率及对邻近电路的干扰等因素。
图2所示为传载高频电流的导体和缠绕着拾音线圈的铁芯。
由励磁电流I产生的磁场强度H，在导线与铁芯距离为r的情况下，可由如下等式计算得到：
（1）
而磁通密度B由下式给出：
（2）
由于气隙很大，磁芯的磁通密度由磁场的边界条件决定，并且非常接近磁通密度B。拾音线圈上产生的感应电压的幅值E因而也可得出：
（3）
在等式3中，A为铁芯截面积，N为拾音线圈的匝数，f为工作频率，T为周期，Ipeak为励磁电流的峰值，Bm为铁芯磁通密度的峰值。假设磁通密度在半个开关周期T/2内从+Bm变化到–Bm。如拾音线圈匝数为100匝，铁芯的截面积为5mm*5mm，工作频率为20kHz，峰值电流为5A，产生的感应电压为0.628V。
设计一个高效的电池充电系统，各参数间的相互影响以及每个参数的设计都需要采用有限元分析进行研究。其中磁通密度是决定感应电压数值的主要参数。
三、足球机器人电池充电器的磁性分析
由于无接触充电器具有无接触工作的特点，有许多因素会影响充电器的性能。通过有限元分析可以研究磁性设计参数对系统性能的影响。
1.励磁电流的影响
励磁电流是产生磁场的源头。由等式（2）和等式（3）可以看出，磁通密度和励磁电流成比例。增加励磁电流可以增加感应电压，但这种方法增加了导线线径，并且没有使铁芯得到充分的利用。更好的方法是采用多股导线。基于这种想法，对导线从2-7根不等构造下的磁场分布进行了有限元分析。图3所示为7根流经相同电流的导线构造的磁场分布。当相同的电流流过导线，磁通密度随导线数目的变化几乎是呈线性的。
2.铁芯磁导率的影响
铁芯对于充电器来说是一个非常重要的元素，不仅因为它为拾音线圈的绕制提供支持，还因为它为提供了一条低磁阻的路径。图4所示为磁通密度随铁芯相对磁导率变化的函数曲线，从图中可以看出，磁通密度随磁导率增加而增加的幅值并不明显。
3.工作频率的影响
工作频率对于设计一个高效的电池充电器是非常重要的。等式（3）表示拾音线圈的感应电压和工作频率是成比例的。图5所示为磁通密度随工作频率变化的函数曲线。由图可知当工作频率高于20kHz的时候磁通密度开始下降。
四、总结
本文介绍了一种无接触充电器的设计和工作性能，将一种新颖的充电技术应用于足球机器人的电池充电，克服了传统充电方式的种种不足。主要研究了无接触电池充电器的工作原理、磁性分析理论，确定了影响充电性能的理论因素和实际因素。
参考文献
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[2]G.A.Covic,J.T.Boys.Inductively Coupled Power Transfer-A Technological Review[J].JSAEM Studies in Applied Electromagnetics and Mechanic,2005:9-17.
[3]Hiroshi Sakamoto and Koosuke Harada. A non-contact charger using resonant convertor with parallel capacitor of the secondary coil[J].APEC,1998(1):136-141.
[4]C.S.Wang,O.H.Stielau and G.A.Covic,“Design Consideration for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger”[C].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2005:1308-1314.
作者简介：
陈姝（1983—），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：电路与系统。
刘景夏（1963—），男，硕士研究生，教授。
张静（1984—），女，硕士研究生，讲师。
关键词：综合自动化 PLC LCU 数据共享
1、前言
二十一世纪是信息时代，随着科学持术的不断进步和自动化程度的日益提高，微机综合自动化在电力生产中得了广泛的应用。但在我们广西由于种种原因，经济还比较落后，科技不甚发达，微机综合自动化技术只在几个大型水电站得到应用，而在中小型水电站的应用受到了制约。1996年，随着国家西部大开发政策的实施，桂林龙胜县兴隆水电站于2008年动工兴建，于2010年6月建成投运并网发电，而该电站微机综合自动化的应用，也是我县中小水电站的第一家，经过两年多时间的运行，已显现出了优越性，结合该电站的实际情况，现就微机综合自动化在中小型水电站的应用问题作一浅析探讨。
2、电站概况
兴隆电站水库位于桂林龙胜县桑江上游，距桂林市106km，库容473万m3，主要功能是发电，坝高32.5m，其坝后引水式电站——兴隆水电站，设计水头18.5m，最大水头21m，装机容量为3×3600kw，通过110KV输电线路并入中国南方电网。
3、计算机监控系统的配置
3.1电站控制层配置
电站控制层设备在中央控制室，由主机操作员工作站，通讯工作站、主控制台、汉字打印机、GPS时钟同步装置、语音报警装置、UPS电源等组成。
电站控制层负责协调和管理各项地控制层的工作；收集有关信息并作相应处理和存储；迅速、准确、有效地完成对本站被控对象的安全监视和控制。操作员可以在主控制室通过人机接口对数据库和画面在线修改，进行人工设定、设置监控状态、修改限值、事故处理指导和恢复操作指导等功能，并可下传至LCU。监控命令输出只有监控主机取得控制权的工作执行，作为另一台工作站只作监测、数据通信而无控制输出，两机可互相跟踪，系统软件根据监控主机的运行和通信、硬件、软件等状态，进行跟踪判别，一旦出现异常，系统自动给出切换信号，由另一台工作站代替主机的工作，同时给出主机故障提示，主机修复启动后，自动监测转到主机并将数据输入，并重新处于监控状态。
3.2现地控制层（LCU）配置
现地控制层分机组LCU和公共LCU两部分，由人机界面终端、智能I/O控制器、I/O模块、输出继电器、准同期装置、温度测量装置、转速信号测量装置、数字式测量仪表和交直流双供电源等设备组成。
机组LCU监控范围包括水轮机、发电机、进水口主闸和机组附属设备。现地控制层负责对水轮发电机组、电气一次设备及公用设备等实时监控，通过工业以太网络实现各现地控制层与全站控制层连续交换信息，实现现地设备的监控及数据共享。当电站控制层因故退出运行时，现地控制层可以独立运行而不受影响。微机保护装置、转速、温度巡检、调速器、励磁系统等设备通过现地LCU与以太网联接，实现相应参数的监视和控制。部分没有通讯接口的设备则通过现地控制单元的I/O模块实现设备的控制和状态检测。
3.3通讯网络及设备装置
网络结构形式采用工业以太网、网络通信介质为多模光纤和屏蔽双交电缆线。网络传输采用Modbus协议，网络传输速率为100Mbit/s,，节点数可达340个，网络上的任一节点可以实时向网络上其它节点和网络上发送信息，某一节点故障，自动从网络上退出，不影响网络上的其它节点传输信息。
网络系统完成电站控制层各工作站之间和来自现地控制层（LCU）的全部数据的传输和各种访问请求。其网络具有良好的开放性。计算机监控系统不会因任何一个元器件发生故障而引起系统的误操作。网络成熟可靠，符合国际标准。
3.4系统软件配置
（1）系统软件：采用中文版Windows NT软件，具有良好的实时性、稳定性、可靠性、NT系统管理保密性好，它管理整个计算机系统的所有资源，包括CPU、存储器、外部设备等，提供其它软件与系统资源的接口，是其它软件运行的环境。
（2）应用软件：长沙华能自控开发的MTC4.5监控软件和PLC编程软件， 具有良好的人机界面和全开放特性。它是可以运行多种通讯协议的监控软件，与网上有不同通讯协议的设备交换数据，其数据库生存、监控画面、控制流程、报表等配置灵活，使用和维护方便。
3.5继电保护系统的配置
采用长沙华能自控开发的DMP300B型微机综合继电保护装置。发电机、变压器和线路保护装置均有8个开关量输入和7个开关量输出，一个用于变化自检的转换接电输出。输入与输出可以逻辑编程用于控制断路器的分合闸或者发信号。
有多种通过协议可供选择，DMP300B型微机保护选用Modbus Pius通讯协议，可以通过该协议向系统传送和存储保护内测量记录的数据。
保护的配置整定：对于保护装置的使用，首先要进行配置整定，输入相关参数，保护装置通过这些参数进行保护功能和测量功能的计算，配置整定可以通过前面板的MMI或者ECP软件进行操作。
微机保护装置还有故障录波，故障、运行和操作记录、测量等功能。接入保护装置的输入信号和保护装置内所有数据都有数据可能通过网络接口传送网络上的其它设备内。
4、计算机监控的功能
4.1监控画面功能
（1）电气主接线状态画面
画面显示电气主接线所有开关的状态，发电机出口的电气和励磁参数，主变压器、低压侧的电气参数、110KV线路出口的电气参数、6KV和110KV母线的电气参数，厂用变压器的电气参数，电气主接线上所有开关的分、合闸操作按钮等各种状态。
关键词:微机综合自动化 系统配置 监控功能
1 前言
二十一世纪是信息时代,随着科学技术的不断进步和自动化程度的日益提高,微机综合自动化在电力生产中得到了广泛的应用。但在我们青海,由于种种原因,经济还比较落后,科技不甚发达,微机综合自动化技术只在几个大型水电站得到应用,而在中小型水电站的应用受到了制约。1996年,随着国家西部大开发政策的实施,青海省有史以来最大的水利工程黑泉水库开工建设,其附属工程――黑泉水电站(宝库河一级站)也于2002年建成投运并网发电,而该电站微机综合自动化的应用,也是我省中小水电站的第一家,经过三年多的运行,已显现出了其优越性,结合该电站的实际情况,现就微机综合自动化在中小型水电站的应用问题作一浅析探讨。
2 电站概况
黑泉水库位于青海省大通县宝库河上,距省会西宁市75KM,是一座大(Ⅱ)型综合水利枢纽工程,库容1.82亿M 3,,主要功能为灌溉和城市供水,兼顾防洪和发电,大坝为混凝土面板砂砾石坝,坝高123.5M,其坝后引水式电站――黑泉水电站,是宝库河梯级电站的第一级电站,设计水头80M,最大水头100M,装机容量为3×4000KW+1×2500KW,计14500KW(二级电站为3×3200KW,三级电站为3×5000KW,宝库河梯级电站总装机容量为39100KW),通过两回35KV输电线路并入西宁电网。
3 计算机监控系统的配置
3.1 电站控制层配置
电站控制层设备设在中央控制室,由主机操作员工作站、通讯工作站、主控制台、汉字打印机、GPS时钟同步装置、语音报警装置、UPS电源等组成。
电站控制层负责协调和管理各现地控制层的工作;收集有关信息并作相应处理和存储;迅速、准确、有效地完成对本站被控对象的安全监视和控制。操作员可以在主控制室通过人机接口对数据库和画面在线修改,进行人工设定、设置监控状态、修改限值、事故处理指导和恢复操作指导等功能,并可下传至LCU。监控命令输出只有监控主机取得控制权的工作执行,作为另一台工作站只作监测、数据通信而无控制输出,两机可互相跟踪,系统软件根据监控主机的运行和通信、硬件、软件等状态,进行跟踪判别,一旦出现异常,系统自动给出切换信号,由另一台工作站代替主机的工作,同时给出主机故障提示,主机修复启动后,自动监测转到主机并将数据输入,并重新处于监控状态。
3.2 现地控制层(LCU)配置
现地控制层分机组LCU和公共LCU两部分,由人机界面终端(液晶触摸屏)、智能I/O控制器、I/O模块、输出继电器、准同期装置、温度测量装置、转速信号测量装置、数字式测量仪表和交直流双供电源等设备组成。
机组LCU监控范围包括水轮机、发电机、进水口主阀和机组附属设备。现地控制层负责对水轮发电机组、电气一次设备及公用设备等实时监控,通过工业以太网络实现各现地控制层与全站控制层连接交换信息,实现现地设备的监控及数据共享。当电站控制层因故退出运行时,现地控制层可以独立运行而不受影响。
微机保护装置、转速、温度巡检、调速器、励磁系统等设备通过现地LCU与以太网联接,实现相应参数的监视和控制。部分没有通讯接口的设备则通过现地控制单元的I/0模块实现设备的控制和状态检测。
3.3 通讯网络及设备配置
网络结构形式采用工业以太网,网络通信介质为多模光纤和屏蔽双交电缆线。网络传输采用Modbus协议,网络传输速率为100Mbit/s,节点数可达340个,网络上的任一节点可以实时向网络上其它节点和网络上发送信息,某一节点故障,自动从网络上退出,不影响网络上的其它节点传输信息。
网络系统完成电站控制层各工作站之间和来自现地控制层(LCU)的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议符合国际标准化组织OSI模型。具有良好的开放性。计算机监控系统不会因任何一个元器件发生故障而引起系统的误操作。网络成熟可靠,符合国际标准。
3.4 系统软件配置
(1) 系统软件:采用中文版的美国微软Windows NT 软件,具有良好的实时性、稳定性、可靠性,NT系统管理保密性好。用于操作系统,它管理整个计算机系统的所有资源,包括CPU、存储器、外部设备等,提供其它软件与系统资源的接口,是其它软件运行的环境。
(2) 应用软件:采用FIX7.0开发软件、3D图形软件和PLC编程软件,用于程序的编辑、编译、软件连接等。具有良好的人机界面和全开放特性。它是可以运行多种通讯协议的监控软件,与网上有不同通讯协议的设备交换数据,其数据库生成、监控画面、控制流程、报表等配置灵活,使用和维护方便。
3.5 继电保护系统的配置
采用美国ABB公司生产的微机综合继电保护装置。发电机、变压器和线路保护装置均有8个开关量输入和7个开关量输出,一个用于变化自检的转换接点输出。输入与输出可以逻辑编程用于控制断路器的分合闸或者发信号。
有多种通讯协议可供选择,ABB2000R型微机保护选用Modbus Plus通讯协议,可以通过该协议向系统传送和存储保护内测量记录的数据。
保护的配置整定:对于保护装置的使用,首先要进行配置整定,输入相关参数,保护装置通过这些参数进行保护功能和测量功能的计算,配置整定可以通过前面板的MMI或者ECP软件进行操作。
微机保护装置还有故障录波,故障、运行和操作记录,测量等功能。接入保护装置的输入信号和保护装置内所有数据都有数据可能通过网络接口传送到网络上的其它设备内。
4 计算机监控的功能
4.1 监控画面功能
(1)电气主接线状态画面
画面显示电气主接线所有开关的状态,发电机出口的电气和励磁参数,主变压器高、低压侧的电气参数,35KV线路出口的电气参数,6KV 和35KV母线的电气参数,厂用变压器的电气参数,电气主接线上所有开关的分、合闸操作按钮状态。主接线的运行状态和操作均在该画面上进行。当运行参数超出正常范围或开关跳闸时,相应的数值和开关颜色变化,语音设备报警。
(2)机组工艺系统状态画面
画面显示机组及其气、水、油等主要设备的状态参数,主要设备的操作按钮。当气、水、油等参数超出正常范围或设备故障时,相应的数值和设备图形颜色变化,语音设备报警。
(3)监控系统运行状态画面
画面显示监控系统继电保护、PLC和测量装置的工作状态和参数。
(4)电站所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。
(5)各种运行和管理报表及表格画面。
(6)电站的平面图、动画等显示。
4.2 远动功能
由监控系统的主工作站实现,并留有扩展能力。需要向电力系统调度机关传送和接收数据,实现调度机关对本电站的遥测、遥信、遥控和遥调,实时接收调度命令,向调度机关发送水电站实时运行工况、运行参数等信息。
4.3 数据采集和处理功能
(1)电站控制层:自动实时采集和处理来自各现地控制层及调度系统的数据。主要包括:机组、主变、母线、35KV线路、厂用电、调压井闸门及全厂公用系统的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集,对这些数据进行处理,包括越限处理、报警处理及事故追忆处理,处理后的数据以一定的格式存入实时数据库,形成实时数据库和历史数据库,以备系统调用和随时查询,并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算(含变位、越限等)作为历史数据存入历史数据库,并作为报表输出的主要数据来源。当出现异常事件记录和出现事故时,计算机监控系统根据目前的情况自动作出处理。
(2)机组现地层LCU:自动实时采集和处理发电机、水轮机、励磁及调速装置、机组附属设备的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量,主要设备运行工况诊断处理,并以一定的格式存入实时数据库,对各类信息进行数据封装后存放在现地控制单元的存储单元中,并上传电站控制层。
①直接采集的信号有:
电气量:发电机定子电压、电流,励磁电流、电压、频率、有功功率、无功功率和功率因数等。
非电量:机组油、气、水系统的压力、压差、流量、液位、温度。
开关量:发电机断路器位置、继电保护电气事故信号、故障分类信号;励磁系统工作方式设置、灭磁开关位置、故障信号;调速器工作方式设置、故障信号;油压装置压力、油位信号;油泵运行方式、设置信号、运行状态信号;机组各温度信号、转速位置信号、导叶开度位置信号、接力器锁锭投切信号、制动闸块位置信号、制动气压位置信号、剪断销剪断信号、油槽油位信号;进水口阀门位置信号、机组冷却水信号;水机保护动作信号等。
脉冲量:发电机有功电能、无功电能等。
②通信采集的信号数据有:
机组各部位温度、测温电阻断线及装置故障,以及有关机组轴温温度信号和交换控制、状态和报警信息。励磁系统、调速器系统、同期系统、发电机及主变和线路微机保护装置的通讯。
4.4 综合参数统计、计算与分析功能
计算机监控系统根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算与分析,形成计算数据库与历史数据库,帮助运行人员对电厂设备的运行进行全面监视与综合管理,可及时发现故障征兆,提高机组运行的安全性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理,存入相应的实时数据库和历史数据库,进行越限报警、启动相关处理程序等操作。
(1)温度量分析计算
LCU周期获得温度测量装置采集的温度数据,进行预处理,并作计算后将数据存入LCU数据库,实现全系统数据共享,可显示、制表打印。
①温度最高值、最低值:温度画面的实时值现示和历史曲线现示。②温度变化趋势分析:实时和历史变化曲线。③温度越限追忆记录:历史变化曲线。④正常值与实测值的比较分析:温度画面中温度现示值变色,正常温度为白色、报警温度为黄色、停机温度为红色。
(2)电量累积计算
计算机监控系统对全厂有功电度量、无功电度量进行周期分项分时累加,并存入数据库,供显示并制表打印。
①单台发电机的发电有功、无功电量累加。②单回送电线路的送电有、无功电量累加。③全厂发电机总发电量累加,全厂线路总送电量累加。④全厂总厂用电量累加。
(3)设备运行统计计算
对机组、断路器、机组油压装置等重要动力设备,以及间歇运行的辅助设备的运行工况(包括启动次数据、运行时间、间歇时间等)进行统计,对继电保护及自动装置动作情况进行统计。
4.5 定值管理功能
计算机监控系统对所有定值作统计,定值修改、变更情况统计,并存入数据库,以备查询。
4.6 生产报表功能
计算机监控系统进行电气量参数报表,非电气化量参数报表,温度、日发电量、厂用电量统计报表,生产综合统计报表等。
4.7 安全运行监视及事件报警功能
(1)主要设备安全运行实时监视
计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视,包括状态变化监视、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异常监视。
①越限检查:主要针对主机定子电流、油温、冷却水压力、定子线圈和铁心的温度计及其它被监视参数,检查设备异常状态并发出报警。
②过程监视:监视机组开停机条件、开停机进程、状态转换过程的顺序及转换时间等,并上送至电站控制层。监视机组各种运行工况的转换过程所需要的操作步骤,在发生过程阻滞时,显示阻滞原因,并由机组现地控制单元将机组转换到安全状态。(如开机、停机、冷却水状况等)
③趋势分析:分析机组运行参数的变化。(如机组轴承温度趋势监视、发电机温度变化趋势监视、机组电压和负荷变化、励磁电压和电流变化等)
④监控系统异常监视:对机组现地控制单元硬件、软件故障自动监视,报警并上送数据信息给电站控制层。实时监视监控系统本身的工作状况,通信状态等。
(2)事件报警
①故障报警记录
计算机监控系统周期性扫描故障信号,故障发生时,立即响应并处理,同时记录故障发生时间(时、分、秒)、动作设备器件名称、事故内容等信息,并显示、打印故障报警语句,发出声光报警信号,按故障发生的先后次序排列,形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表,可供值班人员查寻,并定时打印,也可召唤打印或显示。
②参数越限、复限报警记录
计算机 监控系统在设备运行参数超越其限值时,立即报警,越限值恢复正常值时,进行复限提示。参数越、复限时,记录发生时间(时、分、秒)、参数名称、参数值勤等信息,并显示打印故障报警语句,发出音响报警信号,形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。
③事件顺序检测
机组现地LCU自动检测本单元所监视的设备、继电保护和自动装置的动作情况,当发生状态变换时,对于事故信号自动产生中断,检测事件性质、发生时间,并顺序记录,上送电站控制层,计算机监控系统立即响应中为信号,同时记录事故发生时标(时、分、秒、)、动作设备器件名称、事故内容等信息,并显示、打印事故报警语句,发出声光报警信号,按事故发生的先后次序排列,形成事件记录并存入数据,可按设备进行搜索记录。
(3)事故追忆及相关量记录
电站发生事故时,需对事故发生前后的某些重要参数进行追忆记录,以供运行人员事故分析。事故发生时,计算机将按顺序将事故报警信息、事故的名称及这些追忆数据保存于磁盘中,形成历史数据。并自动显示、打印这些数据。事故追忆的重要参数有:线路三相电流和电压(正常值和故障值);主变的电流和温度(正常值和故障值);发电机定子三相电流和电压(正常值和故障值)、机组推力轴瓦最高温度等。
(4)机组开、停机过程监视
机组开、停机时(命令发出),计算机监控系统自动推出相应机组的开、停机过程监视画面。画面包括:机组编号、自动/手动标记、开(停)机条件、用流程图表示的开(停)机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况,并按设备实际动作状态自动改变步序框的颜色,以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻的受阻部位的原因,进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。
4.8 控制、操作与调节功能
根据电厂设备运行的情况和有关计算结果,按预定步骤远方及现地的控制命令对全厂设备的运行进行控制与调节。运行设备控制方式设置,自动/手动控制、远方/现地操作,均可在操作画面中点击实现,有功功率、无功功率调节以及机组开停机的控制操作也可在操作画面中点击实现。控制优先权为:现地控制层单元、电站控制层单元。
可实现设备运行方式设置与转换;机组有功、无功的调节操作;断路器、隔离开关投、切操作;机组开、停机操作及紧急停机操作;机组压油装置和公用设备电动机启停操作;闸门开/闭操作;各种整定值、限制修改操作;报警信号复归。
(1)电站主接线图上的断路器和开关的控制。
主接线图上的断路器和开关的控制通过微机保护的开关量输入和输出实现。在出现故障时,由相应的保护装置动作于跳闸;正常的分合闸操作,既可以在控制屏上通过控制开关操作,也可以通过上位微机用鼠标操作来实现。
(2)机组顺序控制
机组通过各自的现地LCU实现开停机过程顺序控制及水轮机事故保护。机组开停机指令由电站级操作员工作站自动或手动发出,也可在现地触摸屏上执行。
运行人员通过专用操作控制画面,以人机对话方式选择机组号,设置有功功率或无功功率给定值,当运行人员确认后,上位机发出命令,机组LCU执行。可实现机组转速及有功功率调节;机组电压及无功功率调节。
(3)机组开停机过程的控制
机组开机、停机和故障停机过程的自动和手动控制,通过每台发电机组自动屏内的PLC来实现,在机组自动屏上可以通过模拟屏上的操作显示接口进行手动和自动开机,也可以由上位微机进行手动和自动开机,二处均在软件上设置切换功能,不能同时操作。开机和运行过程的控制包括投入、关闭冷却水,打开、关闭制动闸和碟阀,调节导水叶的开度,控制水轮机的转速,投入、断开励磁和调节励磁电压和电流、发电机出口开关合闸、分闸等操作。水机故障跳开发电机出口开关,通过软件由发电机保护跳闸执行。
(4)公共系统的控制
电站公共系统辅机由一台PLC控制,控制对象包括:高、低压压缩空气、供水泵、排水泵、潜水泵、调速油泵和碟阀的打开、关闭。厂用电备用电源自动投入监视、调速器油压力高低、冷却水压力等信号。
公用系统设备既可以在公用系统屏上的按钮进行控制,也可以由上位微机进行控制。
(5)发电机励磁系统的控制
控制每台发电机励磁系统的开关量以及励磁电压和电流增加或减少,通过每台机组的PLC开关时接点来实现,某台发电机出口开关故障跳闸后,PLC自动跳开相应的发电机灭磁开关。机组自动起机正常运行过程中,执行投励磁电压和励磁电流的调节工作。对于励磁系统的控制和调节可以通过机组自动屏上操作显示接口和上位微机来实现,两处均在软件上设置切换功能,与励磁屏也有相互切换功能,两处不能同时操作。
(6)AGC和AVC调节
①AGC调节
自动发电控制还能完成对各机组运行工况转换时的协调工作,以保证机组和电力系统所受的扰动最小。自动发电控制能进行开环和闭环控制,开环运行时计算机监控系统在监视屏幕上给出提示信息,闭环控制则将操作调节信号直接作用到机组调速器和各机组辅助设备,机组是否参与自动发电控制功能可由运行人员预先设定并在系统中给出标志。
②AVC调节
计算机监控系统根据电力系统要求自动将电压维持在给定的变化范围内,在此基础上实现对各机组间无功功率的合理分配。无功功率的分配躲过系统故障或系统负荷变动所引起的暂态过程,保证计算机监控系统在对机组进行无功功率调节时所引起的扰动最小,机组是否参与自动电压控制功能可由运行人员预先设定并在系统中给出标志。
4.9 人机联系功能
(1)本系统提供丰富多样的人机联系手段,允许运行操作人员通过各显示器,鼠标器、键盘及打印机以各种方式实现对全厂设备运行监视、控制、调节、定值修改、画面调用、数据打印要求,并易于对应用程序开发及修改。
(2)在操作台上的运行人员只允许完成对电站设备进行监视、控制调节和参数设置等操作,特权操作权供调试人员调用。
①人机联系采用汉字WINDOWS NT平台监控,画面美观,调用和操作简便、灵活、可靠,响应速度快,对话提示说明清楚准确,在整个系统对话运用中保持一致;②人机联系为汉字显示打印,汉字符合国家一级字库标准;③有关操作的人机联系,充分利用具有被控对象显示画面、键盘(或鼠标)及画面对话区提示三结合方式,操作过程中有必要的可靠性校核及闭锁功能。④不同职责的运行管理人员提供不同的安全等级操作权限。
4.10 人机界面功能
(1)画面显示、画面实时刷新(包括设备运行状态,运行参数及时钟)、报警与操作信息创新或标志提示、人机对话提示及操作命令信息提示、光标显示与控制、画面窗口变换与局部放大、画面的平移、滚动和漫游、多窗窗口显示、比例缩放。
(2)人机界面显示内容
画面显示是电站计算机监控系统的重要功能,画面是实时状态的并采用多窗口技术以提供更多的信息。画面调用具有程序自动调用和键盘菜单召唤调用形式。画面的种类包括接线图类、棒形图类、曲线类、表格类、信息类、运行指导类等。
①线图类画面
包括电气主接线图、厂用电系统接线图、直流系统接线图及电气参数、水力机械系统图、机组及公用油、水、气系统实时状态参数模拟图、计算机系统设备运行状态图、运行监视图、各类运行方式状态图。在这些画面上能显示出运行设备的实时状态及运行参数(实时电流、电压、有功、无功、功率因数、频率、电度量、主变温度等)。
②形图类画面
包括机组有功无功功率、运行参数的限值和实时值对比以及部分运行指标的显示等。
③曲线图类画面
包括给定负荷曲线、实际负荷曲线、历史趋势曲线以及各类运行图实时曲线等。
④表格类画面
包括各种运行报表、操作记录统计表、事故故障报警统计表、定值变更统计表、I/0点定义表、各类记录本、运行报告等。
⑤信息类画面
包括状态变位信息、事故、故障报警信息(光子牌)、模拟量参数越复限信息、相关量记录以及监控系统自诊断报警。
⑥文字说明:包括使用帮助、操作说明、公司介绍。
4.11 数据通信功能
完成与本单元机组控制PLC设备、微机温度巡检装置、微机调速器、微机励磁装置及保护设备之间数据变换。完成机组现地控制层的数据变换,实时上送电站控制层所需的过程信息,接受电站控制层的控制和调整命令。
数据通信传送的上行内容:机组温度测量装置传送的温度量;发电机三相定子电流;发电机定子相电压和线电压;发电机有功功率和无功功率;发电机有功电能及无功电能;发电机功率因数;发变组各种事故信号和故障信号;机组压油装置PLC、机组技术供水PLC各种事故,故障信号以及被控设备运行状态信号等。
4.12 系统诊断功能
机组现地LCU能在线或离线自检硬件和软件故障,并能确定故障到输入、输出模板,能在离线自检各种应用软件。能实现自检故障的本地显示及上送故障信息给主控级,以便在主控制台显示和打印。
4.13 时钟同步功能
机组现地LCU实现与电站控制层时钟同步,保证全系统与卫星始终同步。数据通信传送的上行内容为微机电量采集的电流、电压、频率、有功、无功、线路的有功、无功电度、保护等各种事故和故障信号。
5 本电站综合自动化系统的主要特点
(1)本电站自动化系统采用典型的分层分布式结构,即电站控制层和现地控制层。现地控制层设备在站内相互独立且分布式布置,仅通过站内以太网互联。系统功能齐全、配置灵活、具有极高的可靠性,符合综合自动化技术的发展趋势。
(2)开放式、易扩展性的设计。通过采用国际国内公认的标准规范及接口方式(如:Modbus Plus、RS232、RS485等),方便的与其它相关的智能设备相联,并进行信息交换;另充分考虑到水电站扩建、改造等因素,间隔层设备基于模块式标准化设计,可根据要求随意配置,电站控制层设备配置组态非常灵活。
(3)灵活多变的网络化结构设计,可支持局域网、以太网、现地总线等。网络介质采用的是光纤、同轴电缆、屏蔽双绞线等。网络规约:TCP/IP、Modbus Plus 、RS232、RS485、等,适用于不同的系统结构,其结构灵活多样。
(4)远程访问服务,系统可以通过通信服务器将实时数据传送到远程计算机或调度端,支持远动调度通信规约。
(5)开放的硬件环镜,计算机可以采用各种符合开放标准的RISC工作站、各种工业用计算机、施耐德、西门子、OMRON等公司的可编程控制器,并保持对其它设备的接入开放。
(6)系统软件采用当前最先进的面向对象的设计理念、原则和技术,这种设计将带来使用和维护上的极大方便。运行在WINDOWS NT环镜下,图形化编程、简单易学,数据库采用面向网络的实时数据库。
(7)系统设计有标准的SCADA功能,同时可以配置自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、防误操作、设备维护管理、电话语音报警、GPS等多种高级功能。
[关键词]变电站；备自投装置；动作逻辑；内桥接线；改进方案
近年来，随着国民经济的快速发展，电网规模在日益扩大，安全稳定运行的要求也在不断提高，作为自动装置的微机型备用电源自动投入装置得到了广泛的应用，其动作可靠性和适应性要求也越来越高。由于变电站主接线和运行方式灵活多变，目前微机型备自投装置所具备的自适应功能普遍需要完善，特别是在内桥接线变电站表现的比较突出。所谓自适应功能即自动根据一次运行方式切换动作逻辑的功能，一般是在装置的两个动作逻辑之间自动切换，动作逻辑本身考虑不周，决定了自适应功能适应性必然不会强。实际上，对应一种电气主接线，可能出现的运行方式往往有多种，自适应功能常常不能满足现场需要；在运行方式发生变化的时候，有时装置能自动识别，有时需要人工操作，我们通过对内桥主接线下的备自投装置动作规律进行总结探索，提出了适应于各种内桥主接线形式的具有自适应功能动作逻辑，运行方式变化时不再需要人工操作来改变装置的工作状态。
1、常规微机型备自投装置动作逻辑在内桥式接线变电站应用中的不足
微机型备自投装置较之传统的电磁型备自投装置具有维护简单，可靠性高，适应性强等优势。但随着来自不同厂家，不同型号的微机型备自投装置大量投入运行，这类设备的局限性也显露出来。经常发生装置不能满足需要现场运行方式的需要，必须为现场专门设计动作逻辑的情况，而且面对同一个要求，不同厂家处理的方法往往不同，众多厂家的特殊产品(相对于标准设备)带着各自不同的操作要求在电网中运行的时候，确实为运行人员、检修人员和装置管理带来了许多额外的负担，这种情况也为电网的安全运行带来了隐患。
使用备用电源自动投入装置的110kV内桥接线变电站，其可能的合理的运行方式通常也有好几种。目前微机型备自投装置厂家通常都是依附主接线形式，预设多种运行方式，一旦出现未想到的方式装置就不能工作。生产厂家毕竟不是电网运行单位，实际上很难把应用的各种主接线方式全部收集到；更主要的是微机型备自投装置普遍没有把内桥主接线可能的运行方式研究透彻。各厂家标准的装置中往往内置了好多套方案。经常出现的情况是动作逻辑多而不精，真正在现场需要的只是两、三个，而往往在装置的标准版本里又没有相应的动作逻辑，专门为现场临时开发的方案在标准的说明书里找不到，很不便于现场使用。
目前的装置，应用在单母分段接线的方式下基本上都没有问题，对于比较灵活的内桥式接线则往往不能很好的适应，比如对于内桥式接线：许多厂家的产品能满足图1、图2两种运行方式下，并能实现自适应功能(图中长方柜表示断路器在合闸位置，实心表示断路器在分闸位置)。
考虑运行经济性，内桥式接线还有一种非常合理的运行方式，见图3。此时一个电源断路器通过一台主变带全站的负荷，当电源发生故障时，投入另一台处在热备用状态的电源断路器，以另外一台主变带全站的负荷。对于内桥式接线图3的运行方式，许多微机型的备自投装置未考虑，自然谈不上自动适应这种方式。
2、改进方案
针对微机型备自投装置无法适应内桥式接线(图3)的运行方式，我们先后采取了如下两种改进方案。
2.1改进方案一
当一次设备在运行方式三(如图3)时，在不改变微机备自投装置内部动作逻辑的前提之下，通过改接二次回路线的方式，使备投动作逻辑符合预设的运行方式二(如图2)。具体原理为：此时通过电源断路器1带全站负荷时，当电源发生故障时，投入另一台处在热备用状态的电源断路器，以另外一台主变带全站的负荷。由于微机备自投装置无此对应的动作逻辑，因而采用满足运行方式二(如图2)的备投逻辑，此时必须要求有桥断路器的“合位”开入。针对这种情况我们采取的措施为(如图4所示，虚线内为新增二次回路)：
即在二次回路上增加一个压板，给出一个桥断路器位置开入，在如图3所示运行方式下时，人工操作投入此压板，满足桥断路在合位的动作逻辑，这样虽然一次设备如图3所示的方式三，而微机型备自投装置在动作逻辑上满足图2的运行方式二，使备自投装置在人工操作下符合了预设的标准动作逻辑。如一次设备运行方式为图1、2时，打开此压板不用。
这就是备用电源自动投入装置的自适应性的局限性，灵活性不足，动作逻辑往往需要人工操作，增加运行人员的操作负担，同时也为电网安全运行带来了隐患。
2.2改进方案二
我们本着降低设备运行、维护、管理的负担，提高可靠性；突出微机型保护简单可靠、灵活性高、维护方便；统一不同厂家的不同型号装置的操作方法的原则，向厂方研发人员提出改进备自投逻辑的三点建议：
(1)只要一个电源断路器工作，另一个电源断路器断开，则备自投装置只需要实现两个电源断路器之间的备投功能，完全没有必要判断桥断路器的位置。
(2)如果两个电源断路器均处于合闸位置时再考虑备自投桥断路器。
(3)备自投逻辑不要过于拘泥于主接线形式和运行方式，实现多种运行方式中切换的自适应功能。
各厂家依据我们的建议设计出了在桥断路器断开时电源断路器互为备自投的动作逻辑，满满足了图3内桥接线形式三的经济运行方式需要，装置具备了自适应功能，避免运行人员对装置本身进行操作，这样不管使用的是哪个厂家什么型号的装置，对运行、检修、装置管理来讲，都是一样的。在对相应变电站进行了程序升级后，微机型备自授装置满足了内桥主接线下可能出现的运行方式。
3、微机型备自投装置动作逻辑改进后，二次回路中存在的不足及改进措施
虽然备自投装置的逻辑功能已经满足内桥主接线各种运行方式的变化，但我们发现110kV内桥式主接线变电站10kV备自投装置的二次交流外回路上存在无法和高压侧配合的问题，即存在不能适应如图5所示运行方式要求的问题(图中长方柜表示断路器在合闸位置，实心表示断路器在分闸位置)。
传统的设计思路10kV备自投交流有压判据取自110kVI、电压。当在如图5所示的运行方式中，备用电源断路器所在的1lOkV母线无电压，这时10kV备自投不满足允许条件(即无法正常充电)，为了让二次回路和微机型备自投装置同样具有自适应性，我们只能向传统设计思路挑战，把10kV备自投交流有压判据取为110kV线路电压，即取用110kV线路电压互感器的二次电压。此方案的优点能满足内桥接线方式中各种运行方式的需要，缺点是：如果110kV备自投未能成功投入110kV备用电源，即使10kV备自投装置成功地投入10kV备用断路器，但是10kV母线仍无电源，对于用户供电没有实际意义，不过此种极端情况发生几率极小，可以不予考虑。
在整改结束后，模拟此种运行方式，备自投装置正确动作。
4、结束语
[关键词]继电保护 现场调试 电力系统
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0046-01
随着电力系统的调整发展和计算机技术、通信技术进步，微机型继电保护装置的应用越来越广泛，施工企业面临着此类系统装置的调试问题。通过对微机型继电保护装置回路和系统的现场调试，提出现场调试的注意事项以及常见问题的解决方法。该装置具备以下特点：
（1）强大的存储和运算能力、软件功能的可扩充性；
（2）设备抗干扰、自检和自适应能力；
（3）适应标准规约通信能力。
1 回路调试
回路调试即结合设计要求和系统功能进行全面细致的试验，以满足变电所的试运行条件。回路高度包括一次、二次系统的接线、保护、监控、打印等功能的全面校验和调试。
1.1 一次、二次系统的接线检查
1.1.1 开关控制回路的调试。
送出直流屏控制电源、合闸电源，检查一次开关侧储能电或合闸电源保险是否合上，手动逐一合上装置电源开关和控制回路开关，检查控制回路、断路器位置指示灯是否对应，分合闸是否正常；如不正常要立即关闭控制电源，查找原因。
1.1.2 开关状态在后台机上的反应。
手动逐一分合一次侧断路器、隔离开关、接地刀等，查看后台机上的显示名称、时间是否正确对应，断路器、隔离开关、接地刀状态显示是否正确。若与实际相反，检查断路器、隔离开关、接地刀辅助触电常开闭点是否接反，或检查后台机遥信量组态改正。
1.1.3 变压器等设备信号的检查。
变压器本体瓦斯、稳定、压力等信号在后台上的显示名称、时间是否正确国；重瓦斯、压力信号应跳主变各侧断路器，轻瓦斯、温度高信号应报警。变压器测温电阻有3根出线，一根接测温电阻一端，另两根共同接测温电阻另一端，用以补偿从主变到主控室电缆本身的电阻，提高测温的精度。
1.1.4 二次交流部分的检查。
用升流器在一次侧分别对A、B、C三相加单相电流，对二次电流回路进行完整性检查，不应出现开路或者串到其他回路的现象，在保护装置面板查看保护和测量回路电流的数值、相别，用钳流表在电度表测量计度电流，最后在后台查看电流显示是否正确。用升压器在TV二次侧分别对A、B、C三相加单相电压，检查对应母线上所有保护、测量、计量电压回应有电压，其他母线上应无电压，保护装置面板、后台机电压显示值对应正确，用万用表测量计量柜电压也应该正确。加三相电压，用相序表测量保护、测量、计量电压相序与所加电压相序对应，如保护装置有TV切换功能，模拟运行实际条件，满足PT柜工作、试验位置逐一进行切换。
1.2 装置保护功能的调试
装置保护功能的调试一般根据线路、变压器、电动机等继电保护装置类型，依据设计定值，用专用继电保护测试仪在保护装置上加电流或者电压，检查装置动作精度并传动断路器，在后台机上应正确显示保护动作信息，开关变位信息和动作时间数据。
1.3 装置监控功能的调试
装置遥控功能的检查：后台应能可靠准确地遥控断路器分合闸。如遥控失败，查找原因。测控装置或控制回路是否上电；直流屏合闸叫源或者一次开关处保险是否投入；测控装置通讯是示波器已通；装置远方、就地切换开关是否切到远方位置；断路器健全中位置、工作试验位置是否在后台上正确反映；控制回路接线是否正确。
按最终版一次系统图纸做好后台监控一次系统图，详细核对断路器、隔离开关编号，TV、TA变比，将模拟量、脉冲量系数设置正确。系统图、网络图、棒图、实时报表、历史报表等图表按实际进行设计、组态，做到完整准确。
1.4 装置打印、声音报警功能的调试
要求打印机设置正确，打印图形、报表完整美观、大小合适。能够实现自动打印和手动打印。对断路器、隔离开关等开关量加声响报警功能，对保护动作信息加声响报警功能。与智能直流屏、智能电度表、五防等装置的通讯应正确。
在最后阶段还应对整个综自系统完善，确保综自系统防雷抗干扰，检查各屏上标签框上应做好正确标识。
2 系统调试
系统调试要求详细观察系统的运行状态，以便及时发现隐患。
2.1 差动保护极性校验
主变压器带上一定的负荷后，才能判断出主变压器差动极性。在监控后台机上查看某一时刻主变电流采样，根据差流相浸透据的大小判断差动极性，也可通过对各相电流的波形分析差动极性。正常状态下，对于两圈变压器在同一时刻，主变压器高低压侧A-a，B-b，C-c相电流波形应正好相反，即高压侧为正半数据，低压侧为负半波沼气，且最大值相加应为0。对于三圈变压器，送点侧与受电侧各侧电流波形相反，且最大值相加应为0，如相反，则需等停电以后在TA二次侧更改极性接线。
2.2 带方向保护的方向校验
线路带上一定的负荷后，在监控后台机上查看某一时刻同相电流电压数据进行分析。例如：线路输送功率为从变电让向线路送电，则A相电压正半波最大值应超前A相电流正半波最大值一定角度（最大不超过180度），即同半波数据内电流最大值落后电压最大值几个采样点；否则，线路保护方向错误。根据装置采样频率可以算出两点之间的角度，如12点采样，则两点之间为360度/12=30度。同理，可校验B、G两项。
3 常见问题及解决方法
3.1 后台机显示电流、电压不准确
应查看后台机TV、TA变比设置是否正确，再查看二次接线是否有误，TA二次侧是否被短接。
3.2 后台机显示线路、主变各侧功率不准确
功率方向应沿袭流出母线为正、流入母线为负的规定，若现场有功率测量装置，可直接通过测量二次电流、电压、相位即可算出功率。若现场无功率测量装置可采用两表法或三表法根据公式P=3Ulcosφ计算功率，如算出的功率与显示 不一致，则用相序表测量装置电压相序；电流相序电流极性是否正确，可以在开关柜端子排依次短接A、B、C三相电流，并拆掉端子排至主控室或柜上装置电流线，在后台上机上观察三相电流数据显示是否正确变化，由此可排查电流相序的正确性；若电流相序正确，应查电流极性性是否不正确，名电压电流等级母线上进出有功功率应平衡，各母线上所有受电间隔有功功率之和与送电间隔有功功率之和应相等。如不相等，可根据变电所实际运行状态判断哪个功率方向不正确，功率反的功率点将TA极性对调即可，
多大的飞行器才算微型飞行器呢?1996年,美国国防部预先研究计划局在开始执行微型飞行器计划时所下的定义是:飞行器外形的长、宽、高都小于15.24厘米,起飞重量低于100克的称为微型飞行器。现在,人们普遍采用这个定义。
微型飞行器的用途
微型飞行器由于体积小、隐蔽性好、性能稳定,因而在军事方面能执行多项任务,甚至可完成其他飞行器无法完成的任务。例如:
可用作侦察和监视。微型飞行器携带能全天候工作的图像传感器后,非常适宜于在50米左右的空中执行侦察任务。它可以贴近目标实施侦察,尤其是对侦察卫星和军用侦察机监视不到的死角,或人员无法到达的险要地区进行侦察,还可以部署到适当位置,充当固定的、不被注意的地面传感器,并能实时准确地把侦察到的信息传送回来。
可实施突袭。微型飞行器虽然尺寸小、有效载荷量有限,但如果装上一些高效能弹药或者一些其它武器,就能趁敌不备实施各种突袭和打击任务。
可用于通信中继。微型飞行器装上摄像机和传送机后,可执行一些危险的拍摄任务,并能实时传输给作战指挥中心,或前线士兵手中的微型计算机。它不必担心有人员伤亡,若被击落,损失也不大,可及时再发送新机继续执行任务。
可执行电子干扰任务。微型飞行器可以充分发挥隐身性能好的长处,携带微型电子干扰机,飞抵距敌雷达、通信设施工作区足够近的地方,实施有效的干扰。如果干扰效果不理想,可增加飞行器的数量,实行“集群干扰”的战术。
可用于生化探测。在遭敌核武器、生物武器和化学武器袭击后,携带特殊设备的微型飞行器可以飞入污染区的上空,进行仔细周密的探测,而不必考虑人员伤亡问题。
此外,微型飞行器还可以执行目标指示,为被击落的飞行员提供信息,或给搜索救援人员发射求救信号等多种任务。
在民用方面,微型飞行器可用于生物和化学物质检测、交通监视、城市情报搜集、大气探测和行星探测等。微型飞行器在行星探测中具有很大优势,因为把每一克重量送上行星的费用都很高,而它的重量却极轻。
微型直升机的优点
微型飞行器许多任务的一个共同要求是要能悬停和巡逻。对于执行这些任务,微型直升机与微型固定翼飞机相比有很多优点,特别是在很有限的空间环境下,需要飞行器保持静止不动的悬停或做机动飞行时更是这样。例如,在建筑物周围和内部搜集情报,就需要具有先进自主导航系统的能悬停的飞行器。因为微型直升机结构紧凑,悬停时保持位置的能力强,所以微型直升机用于执行这些任务是较理想的。在许多摄像任务中,不能使用速度较高的微型固定翼飞机,却能使用四旋翼微型直升机。
在微型尺寸条件下,直升机通常具有效率低的缺点并不明显,而固定翼飞机较高的升阻比和升力系数优势却有明显减小,所以使用微型直升机就更有利。
四旋翼微型直升机
微型直升机与普通直升机一样有各种构型,如单旋翼带尾桨式、双旋翼共轴式和多旋翼式等。下面介绍的是美国斯坦福大学研制的一种四旋翼微型直升机。
该机的4副旋翼成正方形布置,分别由4个直流电机直接驱动。全机的最大尺寸小于5厘米,总重小于15克。从题图可以看出该机的基本布局和结构:机体为四方形框架结构,中间对称装有8个微型电池,由它们为驱动直流电机提供能源;微型旋翼布置在机体的四角,每个旋翼下面则是直流电机。
在研制四旋翼微型直升机的过程中,斯坦福大学的研究者们主要遇到以下3个难题:
低雷诺数空气动力学问题 微型直升机旋翼的雷诺数在1000至6000范围内。在这个范围内,气流的粘性问题十分明显,以前用于螺旋桨和旋翼设计的一些简单工具已不适用了,甚至一些基本设计规则也不适用。
微型制造技术 为了达到要求的升阻比,必须制造小尺寸的光滑旋翼。传统的微型制造技术已不能满足要求,它一般不用于制造50微米的薄零件,必须重新考虑加工工艺和加工步骤。
动力与控制系统 虽然可以使用高能电池的种类越来越多但要找到具有高能量、大电流,适合于微型直升机使用的特小电池仍不容易。而且,这些小装置的控制也是一个问题。由于它们的尺寸小,所以持续稳定工作的时间也非常短。此外,电机、飞行控制传感器的加工工艺和质量也有些问题需要解决。
美国斯坦福大学的研制者们经过努力,基本上解决了上述问题,制造出了四旋翼直升机的原型机,并进行了系留飞行试验。
经优化设计的微型直升机旋翼桨叶,是一种非常薄的三维结构。考虑到桨毂的连接强度可能不够,同时也为了避免应力集中,又对桨毂部分进行了加强。由于旋翼的设计直径为1.5厘米,厚度不能超过50微米,超过50微米其空气动力性能就会大大下降,因此它的强度和刚度极小,选择材料和制造都十分困难。
斯坦福大学的研制者们考虑了用于制造旋翼的3种材料,即聚合物、金属和陶瓷,摸索了使用这3种材料的各种制造工艺,并最终选择了一种特殊的制造方法。这种制造方法由制造复杂形状石蜡模型工艺发展而来,适合用于对聚合物和陶瓷材料进行成形加工。
制造微型旋翼的步骤如下:
将旋翼设计参数输入计算机,通过计算机辅助设计给出旋翼桨叶各点的弦长、扭转角和翼型形状,最后设计出旋翼的计算机模型;
根据旋翼的计算机模型,编制计算机数字控制加工程序,并加工出旋翼铸造模具;
用聚合物填充模具铸造出旋翼;
脱模,对旋翼表面进行打磨加工,以保证表面光滑洁净。
四旋翼微型直升机最初的原型机,采用从市场上购买来的无刷直流电机。这些电机虽从市场购得,但效率却很高,可达到60%至67%。为控制电机的功率和转速,斯坦福大学的研制者们采用了总重量小于1克的电子控制设备,即电机控制器。由于需要4至9伏的电压才能驱动电机,所以微型直升机采用了8个小电池。
通过电机控制器对电机功率和转速的控制,不仅可以控制整个直升机升力的大小,而且还能调节操纵力矩,使直升机实现横滚、俯仰和偏航等飞行。虽然飞行的稳定性问题已得到解决,但控制这种飞行器的通信系统还在研制之中。
微电子技术的发展为信息处理、自动化办公、通信以及生产等方面带来了极大的进步空间。在微电子技术发展的过程中，人们的思维习惯、生活方式和社会的生产都在一定程度上发生了变化，随着微电子技术的发展，人类从此以后进入了信息化时代。伴随着微电子技术的发展，微电子机械技术随之产生。微电子机械技术是一项全新的技术，其在技术发展的空间内具有广袤的前景。在其不断发展的过程中，不断的减小了发展的成本，改进现有的技术功能。微电子机械技术成为微电子技术发展的一项技术性革命。
一、微电子机械技术发展的概况
微电子机械技术具有体积小、可靠性强、重量轻以及工作速度快等特点。微电子机械技术是根据集成电路为核心的半导体器件发展起来的一项新型技术。微电子机械技术的发展推动了电子信息时代的进步以及社会工业化的革新。微电子机械技术是微电子技术和微加工技术的结合体。在认识微电子机械技术的过程中还应当要对微加工技术和微电子技术有相应的了解。在微电子机械技术发展之前就已经有科学家从事了相应的电子元器件制造、设备维护、质量控制和半导体芯片等工作。这些工作的进行对探索集成电路为核心的电子技术发展中具有促进作用。微型机械系统可以完成其他电子技术所不能完成的任务。微型技术与微型机械相互结合使得种类繁多的微型器件相继问世。这些器件的批量生产广泛的运用于生活的各个方面。微电子机械技术的产生为各行各业发展带来了巨大的前景。微电子机械技术在电子技术发展的领域中具有极强的灵活性。其发展不仅带动了科学技术的进步，还在一定程度上促进了国民经济的增长。微电子机械技术为技术和工艺提供了一个全新的发展空间。
二、微电子机械技术发展面临的问题
1965年GordonE.Moore作为Intel公司创始人之一，他根据1C芯片发展的规律曾预言了摩尔定律。该定律的预言使得半导体技术发展成为一种可能。当前，集成电路的主要技术为8英寸的0.25um,同时12英寸的0.18um技术发展也已经渐渐成熟，随着科学技术的发展0.15um、0.13um产品己开始投产，正在向0.10pm前进，按照微电子技术这种发展速度，微电子技术发展的速度比预期的还要快。随着微电子技术的发展，使得微加工技术发展的进程加快。微型加工技术是微电机械技术发展的一个关键性技术。LIGA加工、准LIGA加工和硅加工在随着微电子技术的发展朝着更复杂和更高深度的方向发展。微加工技术的发展使得加工技术对材料的要求进一步提髙。我国微型加工技术分别在航空、环境、生物学等领域中广泛运用。如今，微电子机械技术的发展能力在进步的过程中实现了产品非常小的愿望。采用微电子机械技术生产的产品较其他方式产生的产品具有一定的优越性。但是，在我国微电子机械技术不断发展的过程中，微电子机械技术在发展的过程中同样存在一定的问题。其呈现的问题主要有以下几点：首先，由于微电子机械技术并不是传统的机械，其无论是在概念上还是在尺度上远远超出了传统机械运用。导致其在设计和制造方面存在一定的问题。其次；微型机械技术生产的产品具有微小化的特征，使得在生产中存在较大的难度，导致微电子机械技术的产品需要经过专业化的处理才能够被理解和运用。最后，微电子机械技术的发展是在微型电子的发展基础上发展起来的。因此，微电子机械技术的发展始终以微电子技术的发展为前提。
三、微电子机械技术在我国发展的现状和对策
我国在微电子技术发展方面较其他国家落后。但是，在我国微电子机械技术不断发展的过程中，太细的微电子机械并不影响我国电子机械的发展。当前，我国半导体工艺加工水平已经完全满足微电子机械技术发展的要求。同时，根据原有硅基压力传感器和相应的石英加速器，使得我国在微电子机械技术发展的过程中，把握微电子技术发展的方向，结合国外发展的经验，将我国微电子机械技术发展的更为先进。当前，我国科学技术与国外相比存在一定的差距。差距的产生不仅仅是科学技术水平的原因，还存在一定的原因就是国家应当加大相应的资金投入，鼓励我国微电子机械技术的发展。微电机械技术的发展对我国科学技术的发展具有重要的促进作用。为能够保证其他科学技术能够获得更好的发展，微电子机械技术的发展必不可少。唯有加大资金的投入，培养更多更优秀的人才，促进微电机械技术的发展，才能够更好的促进我国各方面的发展。
四、结束语
微电机械技术的发展给我们的生活带来了翻天覆地变化。无论是从科研成果方面还是科技创造方面都已经取得了较为满意的成绩。
朱光霞
(铜陵市中等职业技术教育中心，安徽铜陵244000)
1典型单机深度拆解实验
每批次中随机选取10台尽量同时具备电源、硬盘、光驱3个部件的台式微型计算机主机，由各企业另外选定2~4名固定拆解人员单独拆解并称重，填写统计数据，包括台式机品牌、CPU型号、拆解产物完整性等信息数据，并将所产生的部分拆解产物（电源、硬盘、光驱）进行进一步拆解，要求拆除所有电路板，并尽量拆分金属与非金属部分，分别收集、称重所产生的塑料、电路板、金属、导线等物料，将该部件（电源、硬盘或光驱）拆解之后的所有物料用塑料袋密封并标识，放回到原来批次的拆解产物料箱，等待技术人员最终称重。
2数据分析
2014年7月21—28日为拆解工作周。北京市固管中心和中国家用电器研究院项目组成员全程跟踪、指导，配合拆解工作。通过3家处理企业7天的拆解工作，共拆解台式微型计算机主机10013台，得到100批次批量拆解数据和1000台典型产品深度拆解数据，项目组通过对100个批次的数据进行统计整理，分析台式微型计算机主机的部件组成情况、平均重量分布，并提出不同关键拆解产物的计算公式及相关物料系数建议。
2.1台式微型计算机主机部件组成情况根据100个批次的拆解产物统计整理，项目组将台式微型计算机主机的部件组成进行分析。根据表1可以看出各处理企业拆解的微型计算机主机的部件组成情况。其中，B公司准备的主机部件组成情况最差，各种产品均小于其他公司平均水平。另外，相对于不同的部件，主板的数量最多，平均每批次主机含有98.9块主板；其次为电源，除了B公司之外，其他公司每批次均超过96块电源。
2.2台式微型计算机主机平均质量项目组将100批次式微型计算机主机单台平均质量进行汇总统计，见表2。根据表2可以看出，C公司的平均质量最高，达到9.06kg，但仅有20个批次，而B公司的30个批次主机平均质量最低，仅为7.34kg。A公司的50个批次产品平均质量跨度较大，为5.2kg，其中最低为6.02kg，最高为11.22kg；而C公司的20个批次产品平均质量跨度较小，为3.86kg，最低7.60kg，最高11.46kg。本次实验中的100个批次，平均质量分布极为分散。这种分散是由不同回收渠道的台式微型计算机主机的部件组成不同造成的。A公司提供的主机有很大部分为企事业单位交投，完整性相对较好，平均质量也较高；而在第37~50批中，为社会源回收的主机，完整性较差。对于B公司，只有20%左右产品来自企事业单位报废固定资产交投，而且由于原因绝大部分被拆除了硬盘，而来自社会源的产品缺件现象严重（图1），因此，B公司的台式微型计算机主机平均质量远低于其他两家公司。C公司提供的产品全部来自社会源回收商，但该公司对回收商提出明确要求，对缺件的主机配齐光驱、硬盘、软驱、电源等组件，因此平均质量高于其他两家公司。
2.3台式微型计算机主机电路板系数计算方法研究由于电路板系数的算法尚未统一，项目组通过对台式微型计算机主机的结构分析，对电路板系数的计算方法进行了研究（见图2）。在台式微型计算机主板、扩展卡（如显卡）上含有一块或多块散热片，其中一般只有CPU外散热片可以轻易拆除，该散热片也是主板中体积质量最大的一块散热片，平均质量占整块主板的30%左右，材质多为铝质，少部分CPU散热片含铜管或纯铜构造，则质量更重。电路板系数是否包含散热片差别较大。另外，光驱、电源、硬盘等部件中均含有电路板，是否计入对电路板系数影响也比较大。由于电源中线路板含有电容、变压器等大型组件，质量将近电源总质量的一半，且覆铜板品质较低，所以在计算台式微型计算机包含部件中电路板的电路板系数时,将是否含有电源电路板分别计算（见图3）。通过上述分析，项目组将是否包含CPU散热片、是否包括光驱、硬盘、电源中的电路板等不同情况分别进行计算，提出4种电路板系数计算方法（具体计算公式见Q1，Q2，Q3，Q4）。由于在处理企业实际生产实践中，拆解产物中的光驱、硬盘、软驱、电源、散热片、风扇等部件均在未进行进一步处理的情况下，被直接转卖给下游处理企业进行资源化利用，所以建议采用不包含部件中电路板及CPU散热片的电路板计算方法Q1作为台式微型计算机电路板系数计算公式。
2.4台式微型计算机主机电路板系数测算根据北京市3家处理企业共100批次总计10013台台式微型计算机拆解数据统计结果可以得到，台式微型计算机电路板的电路板系数（Q1）为7.8%。为了对比其他地区物料系数情况的复杂性，适应多种电路板系数计算方法，本项目对其他计算方法下的电路板系数（Q2，Q3，Q4）也同时进行了测算。根据1000台典型产品对该3部件的精细拆解数据（其中在电源的电路板计算当中，由于部分变压器固定于电路板上，无法分离，故将所有变压器计入电路板中），可以得到3家公司原料中光驱、电源、硬盘的电路板平均比例（见表3）。将该光驱、电源、硬盘中电路板比例与各批次3种部件总重量相乘，可以得到该批次部件电路板质量。从而，可以算出电路板系数Q2，Q3，Q4分别为10.0%，10.9%和18.1%。
3结论
