電工實訓臺-電工儀器儀表在節(jié)能減排中的作用

摘要：

電工儀器儀表廣泛應用于電能量采集與管理、電能質(zhì)量測量與分析、諧波測量、無功功率測量與補償以及自動抄表系統(tǒng)中。節(jié)約電能和控制電能質(zhì)量是節(jié)能減排的一個重要方面，而電量及電能質(zhì)量的測量技術(shù)是這些工作的基礎。通過對電量及電能質(zhì)量的測量、分析和管理，為能源的準確計量、公平交易和質(zhì)量控制提供可靠的技術(shù)支撐。本文著重論述有關電能量測量、電能質(zhì)量測量分析、諧波測量、無功功率測量和自動抄表系統(tǒng)等技術(shù)進展及其在節(jié)能減排工作中的作用。

一、引言：
隨著世界各國對能源和環(huán)境問題的高度重視，特別是我國提出建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型"社會，明確節(jié)能減排的要求，更加需要研究高效利用能源、節(jié)約能源的技術(shù)方法和措施。要實現(xiàn)這些目的，就必須對能源的主要組成部分——電力能源進行精確的測量、細致的分析，并提出相應有效的管理方法。電工儀器儀表技術(shù)領域重點研究開發(fā)電力系統(tǒng)及工業(yè)自動化測控系統(tǒng)的電磁參量測量,技術(shù)方法、儀器儀表和測試系統(tǒng)。為了達到節(jié)能減排的目的, 在電工儀器儀表的設計階段,就應充分考慮其節(jié)能特性;另外,節(jié)約電能和控制電能質(zhì)量是節(jié)能減排的一個重要方面,而在電力系統(tǒng)中,電能的損耗主要是由無功功率引起,電能質(zhì)量則主要取決于諧波的含量, 因此開發(fā)諧波抑制和無功補償裝置對于節(jié)能減排具有重要意義?？傊?在節(jié)能減排的工作中,電工儀器儀表正在發(fā)揮著非常重要的作用。在風能、太陽能等可再生資源的利用中,風力發(fā)電和光伏發(fā)電的工業(yè)化和并網(wǎng)緊密依靠著電工儀器儀表和測控技術(shù)。
二、 電工儀器儀表的節(jié)能設計：電工儀器儀表設計中, 充分利用新技術(shù)、新理論、新器件、新電路、新材料,綜合考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝、功能，使產(chǎn)品在使用過程中消耗能量最少。電工儀器儀表的節(jié)能設計應遵循以下原則。
1.選用低功耗傳感器：近年來,因為傳感器發(fā)展,新型低功耗傳感器不斷問世。在選用傳感器敏感元件時,應選擇價格、性能符合使用設計要求的微功耗、低功耗傳感器。
2.簡化儀器功能：多功能勢必增加儀器硬、軟件的復雜性, 增加電流消耗，降低產(chǎn)品的可靠性，所以不能片面追求多功能模式。在滿足儀器必要功能的基礎上, 盡量利用軟件實現(xiàn)儀器的功能,簡化硬件電路設計,是降低儀器功耗的有效方法。
3.設計低功耗電路,采用低功耗器件：降低儀器功耗的主要設計原則是采用低功耗器件。設計中模擬數(shù)字電路可采用CMOS 器件,放大電路采用低(微)功耗運算放大器;并采用可編程器件FPGA從而取代分立元件,實現(xiàn)數(shù)字電路功能,降低電路功耗;顯示可采用IXTD 顯示器。
4.單電源、低電壓供電：單電源供電能夠降低功耗，提升電源的使用效率。在單電源供電狀態(tài)下, 應降低供電電壓。大部分模擬電路電路正常工作的動態(tài)范圍較廣, 在允許犧牲電路增益時,降低電源電壓可降低降低功耗。低電壓供電對于減低器件電流消耗的作用十分明顯。以低功耗集成運算放大器LM324 為例, 功耗約為15mW;當電源電壓為15V 時,功耗約為220mW；其單電源電壓工作范圍為5-30V,當電源電壓為5V 時,。
5.降低信息處理單元的時鐘頻率：在權(quán)衡信息處理單元的運算速度后,選用較低的時鐘頻率可以降低電流消耗。因為儀器中的信息處理單元的功耗與振蕩頻率有關。此外, 睡眠方式可以減少儀器的工作時間,從而降低功耗。
三、電能量采集及電能質(zhì)量測量分析：電能量采集和電能質(zhì)量測量與分析是電工儀器儀表的一個重要構(gòu)成部分，也是電力工業(yè)中發(fā)電、輸電、配電環(huán)節(jié)電能交易計量和貿(mào)易結(jié)算的基礎，同時還是電力需求側(cè)管理的基本數(shù)據(jù)來源。目前電能量計量技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)水平主要表現(xiàn)在高準確度（0.1級）、高穩(wěn)定性、高可靠性、長壽命（10 年-30 年）、寬量程（5A-120A）、低功耗。通過不斷采用新技術(shù)和新器件，電能表的種類也日益增加，從電磁感應式電能表逐漸發(fā)展到電子式電能表，一直到采用 DSP 數(shù)字信號處理的多功能電能表。針對一些竊電現(xiàn)象，在電能表設計上考慮了各種反竊電措施和方法，最大限度地降低因技術(shù)手段進行竊電而造成的損失。
電能質(zhì)量測量與分析是解決電力系統(tǒng)中各種諧波污染，提高供電電能質(zhì)量的重要基礎，其核心是諧波測量。電力系統(tǒng)中各種擾動引起的電能質(zhì)量問題分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩大類：穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)樘卣鳎饕ㄖC波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)電能質(zhì)量問題則以頻譜和持續(xù)時間為特征，包括脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)，表現(xiàn)為瞬時電壓上升或下降，出現(xiàn)瞬時諧波、振蕩。
目前國內(nèi)外電能質(zhì)量測量技術(shù)主要有 FFT 算法、基于 MALLAT 算法、小波包變換、連續(xù)小波變換、復小波變換、自適應小波和基于神經(jīng)網(wǎng)絡測量方法等。應用小波變換等快速、準確的測量方法和可靠的測量儀器對電能質(zhì)量進行長期的監(jiān)測，對檢測出的擾動數(shù)據(jù)進行分類和分析，應用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡方法確定有效信息的傳輸、存儲，找到影響電能質(zhì)量的原因，采取相應的解決辦法，消除諧波污染并提高功率因數(shù)。
影響電能質(zhì)量的主要因素是各種非線性用電設備、變壓器和各類鐵心電抗器，可分為以下幾類：
1.電力電子裝置，特別是變頻器，這是最嚴重的諧波源，一般用于電動機的變頻調(diào)速，如電力機車、水泵、風機、中央空調(diào)、鍋爐等，這些裝置在整流、逆變、調(diào)壓及變頻可程中產(chǎn)生大量的諧波；
2.電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
3.家用電器，如日光燈、電視機、空調(diào)、電冰箱等；4.有開關電源的設備，如計算機等。必須對這些設備進行電磁兼容性設計和檢測，以符合國家標準的要求，減少和消除對電網(wǎng)的污染。
4. 上海茂育科教設備有限公司生產(chǎn)的維修電工實訓設備是根據(jù)實訓線路進行元器件的合理布局，安裝、接線全部由學生自行完成，接近工業(yè)現(xiàn)場。能完成機床線路，電機控制線路，照明配電的模擬操作、安裝調(diào)試的綜合實訓，訓練學生動手能力和實操技能。該設備已符合國家標準的要求，減少和消除對電網(wǎng)的污染。
四、結(jié)束語：
電工儀器儀表在工業(yè)和民用領域的應用都非常廣泛,涉及工業(yè)生產(chǎn)、人身健康、財產(chǎn)安全、節(jié)約能源、環(huán)境保護等諸多方面。電工儀器儀表的技術(shù)進步為電力能源管理提供了至關重要的基礎,不斷發(fā)展和提高電工儀器儀表技術(shù)對提倡節(jié)能減排,建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。