用于电力管理的 Beckhoff 现场总线端子

• 关键词：电机,流量计,直流调速,步进电机
• 作者：Beckhoff

优化能源的使用，长久以来就是人们期望的目标。减少能源消耗可以通过使用新的KL3403总线端子实施能源管理来实现。测量和分析电流是监测和减少能源消耗的基础。

新型的KL3403总线端子的测量功能和紧凑结构使完成任何电力测量任务变得可度量而经济。
围绕监测功率、优化能耗和负载中断功能的特殊能源管理系统，可以由KL3403加以扩展。通讯接口的多样性允许这一端子被集成到各种不同的系统中。

■测量数据的传输独立于现场总线

用户从连接的负载获取能耗数据，并在应用项目中利用这些数据达到成本和收益的优化结合。例如：控制电气设备的开或关；对用电器能耗的统计监测；引导预防性维护的决策。最大的好处是，可以从一个局部的现场总线段到全局的运行状况进行广泛的电力管理。对KL3403的操作与其它总线端子一样，其测量值可通过总线耦合器传送到各种现场总线系统，或者通过以太网传送到上层控制系统。

电力管理功能在楼宇自动化领域里显得格外重要。例如，在一栋装有可控空调的大楼里，早晨上班时各房间正把空调和风扇打开用于散热，而此时大楼的供暖系统仍在运行，显然，用于空调和风扇的电能是一种浪费。此时，电能耗数据可以被用来对加热控制器进行 ”预调节”。这样，从供暖系统获取的热量不会导致因开启空调和风扇而增加不必要的电能消耗。在夜晚和周末，如果忘了关断用电器，也可以通过KL3403总线端子获知电能消耗情况，进而找到这些“隐蔽的电器”。此外，通过对生产数据、现场的人数、外部温度和电能损耗之间的相互关系可得出新的能源节约方案。

■全面的电网分析

新的KL3403总线端子使我们能够测量所有相关的三相交流电参数。电压通过直接连接L1，
L2，L3和N来测量。三相电L1，L2和L3的电流通过简单的电流互感器被变送。所有测得的电
流和电压值可变成均平方根的有效值。在KL3403总线端子中，每一相的有效攻率和功耗均被计算出来。所有其它信息，比如视在功率或COSФ(相位移角余弦值)可以通过电压乘以电流的均平方根值（有效值）与有效攻率P的关系导出。对每一种现场总线，KL3403可提供全面的电网分析和能源管理。

KL3403总线端子的基本技术原理是基于KL8001电力端子。 KL8001端子象一个标准的电机保护继电器，被连接到一个电流接触器上,其最大开关容量为5.5 KW. 电力端子用于通断电流接触器并接管电机保护继电器的所有功能。电力端子也可对电机进行各种诊断并且通过现场总线把信息传送到控制器。KL3403总线端子也同样具备这些功能。然而，不是任何应用场合都要求把开关和控制两种功能结合在一起。出于这个原因, KL3403总线端子仅集成了其中的测量功能。

■在端子中进行能源管理和分析

KL3403 总线端子类似于KL8001电力端子，可与”任何”现场总线连接，为电力管理提供必要的电气参数,KL8001电力端子则为电机管理提供必要的参数。 从KL3403端子获得的参数允许设备操作员以最优化的方式去控制特定的驱动器或机器部件,保护他们免于损坏或出现故障。

除了基于测量互感器的直接简单的测量之外, KL3403总线端子还具有广泛的诊断功能。除了电流测量功能外,主干路电压和相位角也可测定。KL3403计算出负载的视在功率和有效功率,而它们与电压和电流密切相关。这些值可以作为即时值被传输,对发生的变化可作出非常快的反应。对KL3403总线端子里的真实有效值的计算为过程映像区提供了有用的信息。这并不是因为在控制器上有很强的计算能力。甚至非正弦电压和电流曲线可以1% 到5%（取决于曲线的类型）的实际精度被读入。计算的截止频率达到了2KHz.因为计算数值的时间间隔是可调的,因而可以在很广阔的范围内实现最优化.

图1 基于功率测量端子的基本原理开发的KL8001电力
端子还具有开关功能

图2  可被测量的电流类型:KL3403可处理在相位控制(a)、脉冲宽度控制(b)和触发脉冲控制(c)下的电压和电流曲线。对于触发脉冲控制(c),KL3403的测量间隔被设定为与控制间隔相等,此时为2T. 于是KL3403总是提供最新的值而无需做进一步的计算.

对每一相的评定是独立进行的。与各种大、小电流的适配则通过外部电流互感器来实现。用KL3403端子不仅可探测到导线的故障或三相电流不对称,还可测出对地短路引起的故障电流。可使用的16位分辨率意味着当满量程为60A时,10 mA的变化差异可被可靠地测出。电流测量的精度主要取决于测量互感器。如果采用电子变换器，还可测量非正弦曲线电流和DC(直流电)。如果负载在相位控制下运行，也可以确定该负载的有效值和功耗。


■用作内部能源计量器

出于内部管理的需要，可以把 KL3403用作能源计量器。此计量器的数值可以在任何时间读取,尽管重新复位功能已被权限密码所保护。即使断电, KL3403总线端子中这些信息仍被保存。
KL3403总线端子被安装在主干电压一边，因此，即使某一负载因电力管理的需要被断电，它仍可连续测量主干电压。端子内集成的相序监测保护功能（避免设备严重损坏）、可设置关断功能和报警极限被用于监测电流和电压。采用这种方式可迅速察觉危险的条件和状态,从而避免受损。依靠互感器测量电流的做法允许把测量端子安装在车间的任何位置。KL3403要求四线连接. 33 mΩ的低内阻将传感器误差减至最小,并且意味着功耗很小。

图3 在线圈中的复杂电流曲线: KL3403随着功耗和视在功率的变化，从线圈的复杂电流曲线中测定电流的均平方根值,从中可以得出关于质量、负载或机械量值的结论.

图4 计算功率: 视在功率S 从u x i 的乘积中算出。这一计算一秒钟执行64,000次.
有效功率 P 是这些值的平均值,并且除了 u 和 i 的幅度之外还取决于相移角Φ.
计算有效功率时的间隔时间可以在5毫秒到几秒钟的范围内选择,取决于实际需求。
周期 5 ms,10 ms,20 ms 或 20 ms 的倍数可用于50 Hz主干路.