激励电流（精选3篇）
激励电流 篇1
电阻、电感和电容是电子电路中的三个常用元件, 一般电路有这三个常用元件, 但在直流电和交流电路中所产生的现象迥然不同。在直流电路中, 电流和电路中电子元件参数不变时, 电流和功率及电场和磁场中所储蓄的能量都不变, 电感元件可视作短路, 电容元件可视为开路。在交流电路中, 所加电压随着时间的变化而变化, 电路中的电流和功率及电场和磁场的变化所存储的能量也都随着时间变化而变化。所以, 在交流电路中, 电感元件中的感应电动式和电容中的电流均不等于零, 并且电感元件的端电压超前电流, 电容元件的端电压滞后其电流, 即在交流电路中电感、电容上的电压电流的相位关系、大小关系不同于直流电路, 而交流电通常采用正弦波交流电。
一电阻元件的电压电流关系
纯电阻电路:如图1所示:
电阻元件相量图如图2所示:
结论1:输入信号为正弦波时, 对于纯电阻电路, 其电压电流角频率相同;相位相同。
二电感元件的电压电流关系
纯电感电路:如图3所示:
电感元件相量图如图4所示:
结论2:输入信号为正弦波时, 对于纯电感电路, 其电压电流角频率相同;电压相位超前电流90°。
三电容元件的电压电流关系
纯电容电路:如图5所示,
电容元件相量图如图6所示:
结论3:输入信号为正弦波时, 对于纯电容电路, 其电压电流角频率相同;电压相位滞后电流90°。
总结:输入信号为正弦波时, 电阻、电感、电容电路的相同点:其电压与相应的电流角频率都相同。不同点:纯电阻电路, 电压电流相位相同;纯电感电路, 电压相位超前电流90°;纯电感电路, 电压相位滞后电流90°。
四实例分析
求:总电压有效值U, 及其瞬时电压u。
参考文献
[1]王殿宾.电工技术[M].北京:机械工业出版社, 2012
[2]张巍山.电工基础[M].北京:中国电力出版社, 2010
激励电流 篇2
转子系统是旋转机械的核心部件, 工程中的绝大部分转子系统都以交流电机作为动力源, 机电耦合是转子系统在受到扭矩作用时表现出的基本特征。电动机驱动的机械转子是一个机电藕合系统, 机械负载的突然变动、电网的波动和机械故障等都会引起电磁力矩的波动, 激发起严重的扭振[1,2]。
国内外学者研究了扭矩激励对转子系统的影响, 曲大庄等研究了定扭矩对转子系统稳定性的影响[3], 何衍宗进一步讨论了转子受简谐扭矩激励以及受轴向扭矩作用时柔性转子的涡动频率及稳定性[4,5], 孙虎儿建立突变扭矩下的转子动力学模型, 研究了扭矩激励与转子系统横振的关系[6], 王飞鹏建立了基于扭矩激励的转子数学模型, 对比线性扭矩激励和无扭矩作用轴心轨迹的变化[7]。
20世纪90年代, 国内外学者在研究断条等电机本身故障的基础上利用电流分析法 (MCSA) , 对电机拖动系统的故障, 如转子失衡与偏心、齿轮故障、滚动轴承故障、转子扭转振动等进行了广泛地研究[8], 目前就转子系统通过电机电流识别扭矩方面的研究, 国内外文献未见相关报道。
本文以拉格朗日方程及经典电机理论为基础, 以电磁转矩为纽带建立了机电系统耦合数学模型, 研究了外加正余弦扭矩激励作用下的电机定子电流的特性。
1 模型建立
转子系统的物理模型如图1所示, 转子系统的机电耦合模型可分为两部分, 即电磁系统模型和机械系统模型, 由此转子系统机电耦合数学模型则包括电磁方程和机械方程[9]两部分。
1.1 机械系统模型
将质量连续分布的实际转子简化成刚性盘, 且各刚性盘之间用无质量但有弹性和阻尼的弹性轴连接, 利用拉格朗日方程建立机械转子——电机转子两质体动力学模型[10], 机械系统动能:
其中, Je为电动机转子转动惯量, 为电动机转子旋转角速度;Jm为机械转子转动惯量;为机械转子旋转角速度。机械系统的位能:
其中, kt为机械转子轴的弹性扭转系数。综合式 (1) 和 (2) , 可求得拉格朗日函数:
损耗函数:
其中, c为机械转子轴的阻尼系数。
广义力:
将式 (3) (4) (5) 带入非保守动力系统的拉格朗日方程中, 得到如下的机械方程:
1.2 电磁系统模型
异步电机是一个多变量系统, 并且电机电流、频率、磁通、转速之间相互影响, 因此异步电机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为建模方便, 利用三相静止/两相静止变换矩阵对电机解耦。经过三相静止/两相静止坐标变换及两相旋转/两相静止坐标变换, 可得异步电机在两相静止坐标系上的数学模型[11]。
电压方程:
电磁转矩方程:
其中, Lm为两相静止坐标系上定子与转子绕组间的等效互感, Ls为两相静止坐标系上两相定子绕组的等效自感, Lr为两相静止坐标系上两相转子绕组的等效自感, RS、Rr为定、转子等效电阻, np为电机极对数, ωr为电机转子的旋转角速度。
综合式 (6) (7) (8) 得到转子系统的机电耦合数学模型。由于数学模型复杂, 本文运用MATLAB软件对耦合系统进行计算。
2 MATLAB仿真模型
本文利用MATLAB/Simulink模块建立转子系统的机电耦合仿真模型, 避免复杂繁琐的编程工作, 实现动态系统建模与仿真。根据所建立的数学模型在Simulink环境中建立三相电源模块、电机解耦模块、两相静止坐标系下电机的电磁模块、二质体转子动力学模块、电机定子电流处理模块以及转子系统的仿真参数设置模块等, 分别将其分装成相应的子系统, 连接各子系统生成完整的机电耦合仿真模型。仿真模型利用Goto模块传输数据, 避免复杂的连线, 使系统模型更简洁、可读性更高, 便于模型的研究[12], 如图2所示。
仿真模型中, Rs—定子电阻, Rr—转子电阻, Ls—定子自感, Lr—转子自感, Lm—定转互感, Ira 、Irb 、Isa 、Isb—转子定子两相电流, Jr—电机转子转动惯量, Jm—机械转子转动惯量, Wm—机械转子转速, Wr—电机转子转速, W—两转子转速差, TL—扭矩激励, Te—电磁转矩。
3 仿真分析
研究转子系统在某一频率正弦扭矩激励下电机电流的时域和频域的特性。传统的Fourier变换在信号分析方面一直占有重要的地位, 但是很少有学者对电流信号的幅值频谱和相位频谱进行综合研究, 所以本文采用FFT变换分析研究电流信号的幅值频谱和相位频谱。仿真工况是在转子系统平稳运行时突加Tf=Asin (2πfΩt) + B周期扭矩激励, 研究电机电流的时域、频域特性。
3.1 时域分析
设置仿真时间为8s, 电网频率为fc=50Hz, 扭矩激励为频率fΩ=10Hz的Tf=20sin (20πt) +20周期信号, 利用变步长类的四/五阶Rung-Kutt算法解算模型。
电机在0~3s内是启动阶段, 由于机械转子的转动惯量大, 启动时速度为零 (如图3所示) , 转差率s=1, 气隙旋转磁场与转子相对速度最大, 电流达到最大, 近似是平稳运行电流的5倍, 如图4所示, 因此启动后电磁转矩增大, 电机转子和机械转子的扭转振动增强, 如图5、6所示;随着速度上升转差率的降低, 定子电流逐渐减小, 电磁转矩下降, 扭振减弱;3s~5s是无负载的平稳运行阶段, 此时转子系统的只受到较小恒定的摩擦力矩作用, 定子电流较小且幅值不变;电磁转矩和扭振几乎为零。在5s时突加正弦扭矩激励, 此时转子转速下降电机电流的幅值明显的增大, 电磁转矩和扭转振动增强且按正余弦规律波动。仿真结果与理论分析完全相符, 表明机电耦合模型的实用性。
3.2 频域分析
研究表明, 电机电流的波形是以电网信号为载波信号, 电磁转矩信号为调制信号的已调制波。与波形时域调制相对应的是在频域范围内的频谱的“搬移”。根据信号调制的数学公式分析:
载波信号:
调制波信号:
已调制波:
, 即已调制波的频谱包含主频uf和vuff±边频, 其中uf为载波频率, vf为调制波频率。
转子系统在机电耦合作用下电磁转矩的频谱图如图7所示, 主要频率成分是为10Hz、20Hz、50Hz, 其中fc=50Hz是电网频率, fΩ=10Hz是扭矩激励频率, 20Hz是由系统机电耦合产生的2fΩ所以理论上定子电流的频谱图应该有一个主频50Hz和四个边频, 分别是 (50±10) Hz、 (50±20) Hz。从仿真结果的频谱图图8上看, 仿真结果与理论计算值完全相符。
理论上当定子电流存在频率为f的电流时, f频率对应的相位曲线发生突变。对定子电流仿真信号进行FFT相位频谱图如图9所示, 从图上很容易看出频率在50Hz, (50±10) Hz, (50±20) Hz处有明显的突变。与幅值频谱图相比, 定子电流相位对扭矩激励变化的敏感度大于幅值, 即使幅值很小的频率成分, 其相位有明显的突变, 因此可以用相位频谱图检测微弱的正余弦扭矩激励。
4 结论
利用拉格朗日方程建立二质体转子系统模型的机械方程并建立异步电机在两相静止坐标系上的电磁方程, 综合机械方程和电气方程得出的转子系统数学模型, 运用MATLAB建模和仿真分析, 证实该转子系统的数学模型具有实际应用价值。
通过仿真计算和FFT数据处理可以得出:转子系统在正弦扭矩激励下, 机电耦合作用下电磁转矩的频率成分包含负载扭矩激励频率fΩ及其2倍频且电机定子电流频率成分包含有fc± fΩ和fc±2 fΩ上下边频。在频谱图上, 特征频率的相位变化较幅值变化明显, 可以用相位频谱图监测幅值较小的正余弦扭矩激励。
摘要：为了通过监测电机电流以实现转子系统扭矩激励的辨识与有关故障的诊断, 建立了三相异步电动机——机械转子系统机电耦合模型, 在mATLAB/Simulink环境下进行仿真分析, 并运用Fourier变换对电机电流信号进行处理, 研究了转子系统的正弦扭矩激励与其拖动电机电流的耦合特性。研究结果表明:所建立的机电耦合模型可以研究转子系统在正弦扭矩激励下电机电流的特性, 并实现某一频率的正弦扭矩激励的辨识, 为研究转子系统动力学设计和故障诊断提供理论依据。
关键词：转子系统,扭矩激励,机电耦合,频谱分析
参考文献
[1]杜极生, 汽轮发电机的扭振测试研究[J].中国电力, 1989 (11) :6-10.
[2]Tetsuro Kakinoki, Ryuichi Yokoyama, Goro Fujita, Shaft torque observer and excitation control for turbine–generator torsional oscillation[J].2004, 68 (3) :248-257.
[3]曲大庄, 定常扭矩对柔性转子运动稳定性的影响[J].大机电技术, 1999 (1) :24-28.
[4]何衍宗, 柔性转子受简谐扭矩激励时的涡动[J].振动工程学报, 1991, 4 (3) :1-9.
[5]何衍宗, 受轴向扭矩作用时柔性转子的涡动频率及稳定性分析[J].振动与冲击, 1990, 4:1-9.
[6]孙虎儿, 杨兆建, 梁群龙, 突变扭矩激励下转子系统横振响应[J].振动、测试与诊断, 2011, 31 (5) :622-625.
[7]王飞鹏, 杨兆建, 宋高峰, 等.线性扭矩激励下单跨转子的弯振特性[J].机械设计与制造, 2013 (4) :103-106.
[8]Chinmaya Kar, A.IL Mohanty.Monitoring gear vibrations through motor current signature analysis and wavelet transform[J].Mechanical Systems and Signal Processing20 (2006) 158-187.
[9]冯峥宇.桥式起重机运行系统非平稳状态机电耦合仿真的研究[D].武汉科技大学, 2007.
[10]张业宽.轧机主传动系统冲击扭振及机电耦合振动特性研究[D].燕山大学, 2009.
[11]陈亚爱.周京华.电机与电力拖动基础及MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社, 2011.
激励电流 篇3
生物电阻抗测量是一种利用生物组织与器官的电学特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物信息检测技术[1]。激励信号的导入有多种方式,频率较低时常采用接触式[2]电极测量方式,主要有:电桥法、双电极法、四电极法和四环电极法。电桥测量法利用电桥平衡的原理来测量生物组织的阻抗,但由于其调节难度大等原因在现代的阻抗测量系统中已不多见;双电极测量技术采用一对电极,这对电极既是激励电极又是测量电极,这对电极附近组织的电流密度分布不均匀;四环电极测量系统常用于生物组织的离体测量,极少用在活体生物阻抗测量中;四电极测量系统共有两对电极:一对是激励电极,用于将激励信号灌入到人体待测部位;一对是测量电极,用于检测两激励电极之间部位的相关信号,四电极法用于对精度有较高要求的生物阻抗测量系统中。
通过以上分析及其本课题的具体实际情况,本文多通道检测仪采用四电极测量技术设计了一种32×2电极矩阵,并采用电流激励的方式,向人体体表待测部位导入恒定的正弦电流信号,间接地测量出各电极上的人体体表的阻抗信息,然后根据经络的低阻抗特性来确定经络点的具体位置,用于经络可视化研究。
1 经络可视化系统整体结构
为实现测量的实时性,经络可视化系统采用上下位机的模式[3]。下位机结合多通道经络阻抗检测仪实时采集32通道皮肤阻抗信息,检测出阻抗值最低的通道,并将最低通道值和对应的阻抗值等信息通过串口传送至上位机,上位机利用双目视觉技术进行定位,并结合下位机传来的数据获取经络点的三维坐标,再将相关信息叠加至场景摄像机实时拍摄出的人体图像中,从而实现经络的可视化。由于多通道经络阻抗检测仪在可视化过程中是经络定位的关键设备,因此本文仅针对多通道经络阻抗检测仪进行介绍。
2 多通道经络检测仪的设计
在整个系统中,经络检测仪对整个系统实现精确的可视化具有重要的影响,本文介绍多通道检测仪的各个模块的设计。
2.1 经络阻抗检测仪整体框图
多通道经络检测仪的结构包含以下几个重要模块:电源模块、正弦信号发生器、压控电流源、隔离放大电路、滤波电路,有效值检测电路,具体结构如图1所示。
信号发生器产生20 kHz的电压幅度恒定的正弦信号,并作用于压控电流源间接产生20 kHz且幅度稳定的正弦电流。压控电流源产生的电流信号导入人体的待测部位,32路测量电极同时检测待测部位的正弦电压信号,并通过隔离放大电路,滤波电路和有效值的检测电路后,再由MP425数据采集模块[4]对数据进行采集并传至上位机处理。电源模块提供多通道经络检测仪各个电路模块所需的电源。
2.2 测量原理
考虑本实验需要在测量过程中有较高的精度,系统采用四电极测量方法。如图2所示是典型的单路四电极测量法的等效电路图:其中包括两对电极:一对电流激励电极(即激励电极0和1,其中R1和R2是等效接触电阻抗),另一对测量电极(即测量电极1和2,其中R5,R6是等效接触电阻抗),R7是等效的待测部位的经络阻抗。激励电极将正弦电流信号导入人体的待测部位,测量电极介于两激励电极之间,可以检测出被测部位的电压,从而间接检测出被测部位的阻抗。
2.3 多通道阻抗检测仪的设计
2.3.1 电源模块的设计
在整个多通道经络检测仪的系统中,信号发生器需要数字直流电压+5 V和模拟直流电压+5 V;隔离放大电路、滤波电路和有效值检测电路需要模拟±12 V的直流电压;压控电流源需要±37~±40 V的直流电压。为了避免电源对信号发生器和各个信号处理电路产生干扰并且提供稳定的电压,本系统专门设计电源模块,为上述各电路提供所需要的稳定电压。
本系统电源采用变压器稳压电路、LC电路、模拟地与数字地分开布线[5]、电源线和地线尽量宽等方法,有效地提高了电源的性能和抗干扰能力。
2.3.2 正弦信号发生器的设计
系统采用基于直接数字合成(DDS)技术设计正弦信号发生器,如图3所示,正弦信号发生器包括DDS芯片AD9851、滤波器电路、放大电路构成,并由单片机STC89C52控制管理,DDS的输出经过滤波电路和放大电路减少波形的失真。
2.3.3 压控电流源的设计
信号发生器输出为一定频率的电压信号,本文采用双运放形式的电压控制电流源把电压信号转换为对应的电流信号。双运放形式的压控电流源输出的电流仅与固定的电阻有关,而且该形式的压控电流源电路具有稳定、可靠的性能。满足可视化系统的需求。
2.3.4 前级放大电路的设计
由于各通道的测量电极之间的电压一般为毫伏级的,因此有必要将这个微小的信号进行放大,各通道的前置差分放大电路均相同。本文采用美国Analog Device公司生产的高精度仪表放大器AD620进行前置放大,运用该芯片的差分放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移性能。
通过调节平衡电位器的阻值来调节芯片AD620的内部平衡,以此来调节和改进前置放大电路的共模抑制比,可以减小共模信号特别是50 Hz的工频信号的干扰[5],从而提高了系统的测量精度。
2.3.5 滤波电路的优化设计
由于前级放大电路中引入工频信号的微弱干扰,并将其进行了前级放大的处理,为了进一步减小干扰信号对系统的影响提高系统的精度,需要对前级放大电路的输出信号进行滤波。多通道检测仪设计三阶有源滤波器,滤波器采用芯片双运放芯片LM358。原理如图4所示。
当电阻用10 kΩ,电容用0.001μF时,50 Hz的工频信号[5]干扰衰减达到-90 dB,20 k Hz的有用信号的增益可达到10 dB,可以满足整个系统的要求。
2.3.6 有效值检测电路的优化设计
经络检测仪的输出数据需要计算机的处理,所以检测仪的输出信号应该是直流信号。本系统采用对后级放大电路输出的交流信号的有效值进行测量。采用有效值测定单片集成芯片AD536,该芯片具有转换速度快、转换精度高的优点,符合本系统高精度测量的要求。
3 实验验证和数据分析
3.1 各通道电路的粗调
电路设计与焊接完成后,需对各个通道电路进行粗调。如图1所示,各通道电路中有前级放大电路,滤波电路,后级放大电路和有效值检测电路,因此前置和后置放大电路的放大倍数均需要调节。
为减少外界干扰的影响(特别是工频50 Hz干扰),应首先调节各通道前置放大电路的共模抑制比,并调节各通道的前置放大电路的放大倍数为6倍,后置放大电路的放大倍数为60倍,经实验与计算:各通道的共模抑制比大于70 dB,满足系统实验的要求。
3.2 多路测量电路的测量与分析
为了分析和验证多通道经络检测仪中各系统参数对测量精度的影响,在多通道经络检测仪的32个通道仿造人体体表激励与测量模型接入纯电阻。在相同实验环境下,采用单一变量法,保持激励电流源的频率和电流不变,对纯电阻的阻抗值进行多次测量求取平均值并计算误差。
通过电路测量实验,所测得的阻值和真实电阻值的差值在-0.3 kΩ~0.3 kΩ之间,相对误差在-2%~2%之间,测量结果的精度满足实验的初步要求。
3.3 人体实验结果数据分析
实验室环境温度20 ℃左右,一般情况下皮肤不做任何处理。首先打开电源,启动上下位机程序。受试者将激励电流源的参考地电极握于手掌心,激励电流源的输出通过湿电极粘贴于受试者手臂上端的皮肤上,将32通道检测电极沿着太阴肺经[6]的尺泽穴到太渊穴位之间进行接触皮肤的缓慢移动,在移动中的某一时刻截取数据如图5所示。
由图5可见,计算机输出的显示结果为32路输出电压构成的折线图,每个电压值对应一对测量电极触点处的皮肤阻抗值,电压越低,阻抗值则越低,实验表明,在同一时刻可能有若干个通道的阻抗值会低于100 kΩ,在经络可视化系统中可以设计一种基于空间平滑度准则的代价函数,从这些候选通道中选择出最有可能经络通道位置,本例中检测得到的经络点为第5通道,经络点的阻抗值为93.000 kΩ。
本研究中采用图像融合技术,把经络点投影到现场的二维实时图像平面上,再利用曲线拟合的方法,让经络线平滑的显示在现场的实时图像上。其结果如图6所示。
4 结束语