压力容器的简化设计

压力容器的简化设计（共6篇）

压力容器的简化设计 篇1

摘要：压力容器作为轻化工的专用设备, 在使用过程中, 必须适应高温、高压和易燃、易爆的条件需求, 因此, 产品优化设计方法要充分考虑使用安全的各项指标, 增加技术含量。其优化设计的目标函数的确定相对容易, 而约束函数是设计变量的非线性函数, 确定比较困难, 因此, 优化设计的核心问题是约束方程建立和优化方法的选择, 函数方程和优化方法是优化设计的效率和效果的主要支撑点, 也是优化设计较难的环节, 本文就压力容器的优化设计的理论和方法进行探讨。

关键词：压力容器,优化设计,方法

优化设计从综合性和实用性来讲, 是很强的新技术, 目前, 因其设计高效、可靠, 加上计算机等现代化设备的辅助和科技、市场的驱动, 在机械设计中得到长足发展和广泛应用。而压力容器制造设计方面应用优化设计的不多, 因为压力容器的设计比普通通用机械的设计共性较为复杂, 设计参数增加、难度较大, 因此, 压力容器的优化设计发展空间和市场潜力很大;随着特种压力容器的大型化、应用环境复杂化发展趋势, 产品创新的需求更加需要优化设计。基于这种现状, 本文提出压力容器优化设计的特点和方法。

1 压力容器制造设计方面应用优化设计具备的的特征

优化设计应用于一般机械的设计, 是利用数学手段建立满足要求的优化模型方法, 通过思考、绘图、计算、分析, 使设计方案的参数沿着节约、增效的方向调整;压力容器的优化设计必须优先考虑高温、高压的使用环境引发的安全风险成本以及制造、安装、使用过程对安全因素的影响。其特点如下:

1.1 变量增加

一般的压力容器常作为化工原料的储存、运输的工具使用;在化工企业的生产中是炼油和合成新材料的装备, 使用目标的不同, 工艺要求的差别, 是设计压力容器必须考虑基本条件, 如:几何形状、组成结构等, 造成压力容器的各部分构件几何形状参数复杂、名目众多。既有容器的荷载参数, 又有使用周期参数和生产能力参数以及质量和安全参数等等。

1.2 数模的多维与非线性

构建压力容器优化设计数学模型, 必须按照所有变量确定目标函数, 分别列出约束条件, 确定约束函数。压力容器的用途面广, 功能各异, 生产因素、环境因素和使用因素的设计变量多, 使目标函数的维数和约束条件的维数增加, 数模呈现多维性。众多设计参数的错综复杂, 导致数学模型呈非线性。

1.3 量纲多, 差别大

压力容器设计变量中不仅有功能参数, 构造形态参数, 还包括制造和应用环境条件参数、工艺参数, 所以优化设计数学模型中多种量纲并存, 有时数量级差别极大。

2 怎样对压力容器优化设计

2.1 构建优化模型

建模和求解是优化设计的主要内容, 构建的数学模型太复杂, 能全面地表达设计参数, 在处理和计算上非常困难, 应用不便。所以, 要掌握正确的步骤和方法。

(1) 全面掌握分析设计信息和本质特征。

(2) 根据优化设计的需要选择确定本质的重点变量, 构建适当的模型;

(3) 根据列出的设计问题与数学模型对照, 不足以准确表达设计问题时, 逐步修正模型, 达到更适用;

(4) 模型复杂, 计算若用近似值, 必须控制数值的误差范围。

2.2 简化设计问题。

压力容器优化设计的目标函数容易确定, 约束函数是设计变量非线性函数, 有设计变量的范围大小上下限, 还有各种性能约束和工艺条件约束等诸多因素, 不容易确定;约束条件若全部进入优化程序进行计算太多浪费时间和资源, 也破坏了算法的稳定性。因此, 优化设计最有效的办法就是简化设计问题, 简化的方法有三:一是通过变换消去约束;二是约束的暂时消除;三是准则设计的最严约束。

2.3 常见的其他方法

一是图表法。这种方法主要适用构建的数学模型无法求解, 设计的变量难以用函数表达, 通过作图确定参数的取值区间。

二是正交设计法。这种方法就是通过分析表达参数, 把参数选择需要的水平数按正交组合的方式实验, 正交分析实验结果, 就能设计需要的主要的参数。

三是统计分析法。这种方法就是利用实验结果确定设计参数和各种相关因素近似定量关系, 进行预测和分析选取最佳变量。

3 结语

压力容器的优化设计数学模型能不能定量表达其在生产和制作中经历高温、高压的需求、能否表达内置腐蚀品、易燃易爆物的安全需求、模型的正确与否, 事关优化设计问题能不能彻底解决。因此, 通过估算、经验类比、实验、构思、评价, 对刚性、强度和稳定性进行计算, 分析压力容器各个因素的内在联系, 抓住本质表达的特征, 尽可能简化设计问题, 减少维数, 不断地分析构建数学模型和实际问题的差距, 不断修正优化数学模型, 建立正确、简洁的反映压力容器实际需要的模型, 用最合适的优化方法, 获得最佳设计。

参考文献

[1]郑典金.压力容器开孔补强设计的简化计算[J].科技创新导报, 2010, 26:85.

[2]薛明德, 黄克智, 李世玉, 寿比南.压力容器设计方法的进步[J].化工设备与管道, 2010, 06:1-13.

[3]姚华堂, 王正东.压力容器疲劳寿命的简化评定方法[J].压力容器, 2006, 03:44-48.

[4]陈孙艺.压力容器有限元分析建模中值得关注的几个工程因素[J].压力容器, 2015, 05:50-57+17.

压力容器的简化设计 篇2

武术运动是中华体育的瑰宝，作为一项民族传统体育项目，很受到孩子们的喜爱。学生不仅可以通过练习武术强身健体，更重要的是得到精神的熏陶。小学阶段是学生由启蒙教育向正规教育转型的开始，应当把培养武术兴趣放在目标的首位，为学习简化少林拳奠定基础，初步建立武术套路的概念，发展身体的柔韧性、灵活性、协调性和节奏感，提高动作的速度和连贯性，培养学生的武术兴趣，激发民族自豪感，养成经常运用套路锻炼身体的习惯。使学生在提高所学动作质量的基础上，学习和体验不同风格的武术套路动作，培养崇尚武德的精神。武德教育应从“抱拳礼”开始。上下课要有礼;表演前后要有礼;互相学习要有礼;师生之间要有礼。使学生真正做到“以礼始，以礼终”，规范其行为方式。

二、学情分析：

1、小学五年级学生正处在生长发育的关键时期，他们的年龄特征是：模仿能力强;好动、好奇心强;敢于表现自我。

2、五年级学生运动参与能力、性格爱好都具有很大的差异，部分女生往往会表现出害羞的一面，而男生则会无所顾忌地表现自我。因此，一些带有模仿性、表演性的练习，很能激起学生的学习兴趣。武术运动恰恰是一项刚、柔兼备的项目，既能表现出男生的刚强，又能体现出女生的柔美。

三、教学目标：

能了解武术的起源、发展和练武的目的。

学生能知道和掌握一些武术的内容。

通过本课的学习，激发学生对武术学习的浓厚兴趣。

四、教学重、难点：

教学重点：通过对武术运动的了解，知道练武的真正目的是强身健体，磨练意志。

教学难点：能记住与武术内容有关的一些名称。

五、教法与学法：

教法：根据本课教学内容枯燥的特点，结合体育与健康的教学新理念，大胆运用课程整合，以新颖的武术图片作为载体，以学生自主探究学习为主线。首先采用直观教学法进行教学，用感官的刺激来激发学生学习兴趣，促使学生能积极主动地去学习。还采用镜面示范法，以正确优美的示范动作感染学生，激发学生迫切学习的情感，为学生能更快、更好地掌握套路动作而打下坚实的基础。

学法：学生主要采用合作学习法、尝试学习法对本课内容进行学习、探究。学生在相互交流、探讨中学到新知识，通过集体表演、个人展示相结合的方法，促进学生积极主动参与学习，提高学习的自主性。

六、教学过程

(一)创设情景，导入新课，了解武术的起源和发展

导入：首先以师生相互介绍(抱拳礼)问好这个形式导入教材，揭示本课的教学内容。

教师引导：武术是我国民族传统体育项目，是中华民族在长期的生产和生活实践中，逐步积累和丰富起来的文化遗产，今天我们就一起来了解有关武术的基本常识。谁能说说自己了解的有关武术的起源和发展的内容?再次引导学生关注武术，并从中找到答案。

武术在我国有悠久的历史，它的产生，缘起于我国远古祖先的生产劳动。人们在狩猪的生产活动中，逐渐积累了劈、砍、刺的技能。这些原始形态的攻防技能是低级的，还没有脱离生产技能的范畴，却是武术技术形成的基础。到了氏族公社时代，经常发生部落战争，因此在战埸上搏斗的经验也不断得到总结，比较成功的一击、一刺、一拳、一腿，被模仿、传授、习练着，武术逐渐形成。

设计意图：对于这个内容的教学设计，我是这样考虑的：兴趣是最好的老师，在学习过程中，学生是学习的主体，为了使他们对本课内容产生兴趣，利用对传统武术的介绍和教师的表演，吸引学生的注意力，学生的兴奋点就自然地被激发了。

(二)利用课堂，结合实际，知道练武的目的

这个内容是本课内容的重点，如何让学生知道练武的`真正目的呢?分为了以下几个步骤：

第一步：教师引导：同学们，你们知道什么是武术运动吗?指导学生找一些精彩的个人技术、对抗表演的图片，并以此作为介绍的主要手段，进一步来说明练武的目的。

第二步：教师提问：我们平时在公园里经常看到一些人在练太极拳，他们为什么会选择早晨练太极拳呢?学生一定会踊跃发言：“他们是为了锻炼身体。”这样就道出了练武的其中一个目的是：能有效地增进健康、增强体质。接着，可以让学生自己来阐述，“谁还能举个说一说利用武术来增进健康、增强体质的例子呢?”让学生自己来告诉同伴他所知道的一些实例。

第三步：“武术还有什么特点?你能动动脑筋想一想告诉我吗?”将武术运动的本质特点：攻防技击性展现出来。

(设计意图：本段内容，我利用学生们崇拜的人物资料来向他们介绍武术运动的含义以及它的特点，学生能接受地更快，而且能更直接、更清晰地了解武术的二大特点。

(三)教师示范，学练结合，记住武术的内容

此内容是本课的重点，它告诉了学生武术的内容。武术的套路内容丰富，种类繁多，如何让学生在一堂课中就能掌握这么多的内容呢?首先是要给它们分类，然后再逐一向学生们介绍，步骤如下：

教师先将武术内容分为四类：拳术、器械、对练、集体操。这一节，我们首先来了解拳术中的简化少林拳

(设计意图：为了使学生们能更好得掌握这部分内容，我考虑到笼统地向学生介绍武术的内容，学生不能很好地掌握，而且比较容易混淆。先让学生知道武术分4大类，并把这4类的名称介绍给学生，让他们对这4大类有一个比较清晰的印象。另外使用图片更加生动形象的载体让学生观察武术运动，这样，学生学习的积极性、动手能力又有了一个新的提高。)

(四)学一学，做一做，初步掌握武术的基本动作

“看了这么多的图片，听了这么多的介绍，同学们一定都摩拳擦掌，想练一练了吧?大家跟我一起学一些简单的武术套路动作怎么样?”

1、教室示范基本动作。

2、学生跟着教师一起来学一学，练一练。

(设计意图：通过学习，学生已经对该课内容有了充分的了解，此时，学生最想就是自己能动手做一做，教师就满足学生的要求，这样让理论知识与实际操作紧密结合在一起，这个设计正符合了儿童的认知特点，更激发了学生对祖国传统体育项目的热爱。)

(五)课外延伸

最后提示学生在课后将学会的简单的套路，表演给老师、同学或家长们看，这是学习本课内容的延伸，再以“抱拳礼”道别，它也将课堂的气氛又向上推进了一步。

压力容器的简化设计 篇3

飞思卡尔在传感器创新方面拥有超过30年的历史，在此基础上推出的Xtrinsic传感解决方案集合了高性能传感功能、处理能力和可定制的软件，可以帮助交付智能的差异化传感应用。通过推出Xtrinsic传感解决方案，飞思卡尔的愿景是提供丰富、差异化的产品组合，满足汽车、消费电子和工业领域中不断扩展的需求。Xtrinsic解决方案提供了理想的功能和智能组合，旨在帮助客户实现差异化优势并在竞争激烈的市场中赢得胜利。

消费电子及移动电话促使MEMS技术市场激增

根据IHS iSuppli研究公司的调查显示，消费电子产品和移动电话对MEMS技术的需求将在2011年增长25.6%。结合加速计、罗盘仪和陀螺仪，压力传感器将成为室内导航解决方案的关键组成部分，与其他位置技术(如WiFi三角测量)协同工作。压力传感器已经在2011年应用于平板电脑中，IHS iSuppli预计，支持传感器的导航功能将在2012和2013年应用于智能手机和电话中。

飞思卡尔半导体推出用于测量海拔的高精度压力传感器，旨在帮助用户进一步利用高级导航功能和新的基于位置的服务，如GPS辅助和e911。飞思卡尔Xtrinsic MPL3115A2压力传感器基于微机电系统(MEMS)技术，补充了Xtrinsic产品组合中的加速计和磁力计，可以满足智能移动设备中对这类组件的日益增长的需求。

Xtrinsic MPL3115A2智能数字压力传感器可以在本地处理压力和温度数据，减少了分配给应用处理器的计算量，因此，与使用由主机处理器直接管理的基本传感器的系统相比，这种压力传感器所消耗的功耗更少。该压力传感器采用FIFO(先进/先出)内存缓冲、2μA的待机模式和8μA的低功率模式，减少电流消耗，实现了最优效率，具体取决于处理器条件和输出数据速率的选择。

Xtrinsic MPL3115A2压力传感器旨在满足高级手机中对日益增长的移动位置服务的需求，它可以实现30 cm分辨率，使器件能够在较细的粒度测量海拔。例如，手机可以检测用户在高层建筑或购物中心内所在的精确楼层，允许基于位置的服务更准确地反应周边环境。

除了面向智能移动设备市场外，Xtrinsic MPL3115A2压力传感器还具有许多其他的潜在应用，包括在业务和工业环境中跟踪资产、在紧急搜索和援救行动中提供精确位置、使用桌面气象站预测天气变化，以及监视家庭冷却和供热系统。此外，该传感器非常适合于医疗应用，包括呼吸设备和健康监测系统，后者可以帮助确定患者在其家中或其他环境下的位置。

飞思卡尔高级副总裁兼RF模拟和传感器事业部总经理Tom Deitrich表示，“我们在交付传感器技术方面拥有超过30年的历史，可以满足对先进性能和高能率的需求。我们在MPL3115A2中集成了智能特性和技术，为客户的使用提供了便利，同时为移动设备领域的未来发展奠定了基础。”

关于Xtrinsic MPL3115A2压力处理器

飞思卡尔的Xtrinsic MPL3115A2压力传感器结合了高精度、高采样频率和超低功耗特性，进一步提高了性能。该器件提供了气压和高度压力检测，支持高达30 cm的分辨率，可根据用户偏好使用米或帕斯卡为单位输出数据。MPL3115A2传感器还包含嵌入式功能和用户可编程选项，比如温度补偿，采样频率可高达128 Hz。

智能特性包括自主数据采集，阈值检测时有两次中断。为了进一步提高效率，该器件调整了自动唤醒和睡眠模式(避免浪费电能)，要求移动设备和医疗及安全应用进行零数据处理。

飞思卡尔具有为其产品提供长期生产支持的历史。MPL3115A2器件加入了飞思卡尔的产品长期供货计划，可以保证最短15年的产品供应。飞思卡尔目前已提供Xtrinsic MPL3115A2压力传感器样品。预计将于2011年第三季度开始全面生产。

压力容器的简化设计 篇4

1、更高大的输入框

增加输入框高度，加粗字体，可以让网页上的输入框看起来更容易填写和阅读。随着电脑显示器尺寸变大，这样的输入框也显得更大气。

2、添加选取器。

与其让人输入不如提供选择，选取内容只要点几下，就自动填充进输入框，不但可以减少输入障碍，还能预防出错。可以把任何希望的数据做成选取器，比如日期、颜色、地址或者历史记录等等。

举个例子：前面的“对方开户姓名”输入框，需要填写对方的姓名，如果对方名字里有汉字不认识该怎么办呢?于是我们可以加上一个生僻字的选取器，如图：

打开字库，可以根据模糊读音选取汉字填入输入框。另外，姓名输入框有校验，选取完成后不要忘记对输入框内容进行再一次校验。

3、预置文字。

采用预置文字来简化输入经常在手机上看到，现在在网页上也常使用。比如微博上发言的输入框，会保留你上一次未发出的内容，可以重新编辑。

在网上也会看到把“输入提示”与“预置文字”混用。当然，你怎样称呼他们都是可以的，但要明白这是两种交互方式。输入提示的目的是指导填写的，聚焦输入框后文本消失;而预置文字是属于待修改的正式内容，字体样式应与正式输入的样式相同，聚焦后文本是不会消失的。

当表单输入遇到选填与必填难以抉择时，考虑预置文字会是一个不错的折中方案。比如在一个申请付款的表单中，对用户来说主要需填写的是“对方账号”和“付款金额”，付款说明是一个选填项。但对系统来说，又必须采集付款说明，作为交易凭据之一，这个付款说明怎样处理呢?比较下面3个方式，显然复选框的方式不适合，因为用户若不填写我们就无法收集到数据，而输入提示的方式还是需要用户去填写，所以意义也不大，

折中了业务和用户两方面，预置“转账”两字还是不错的，不想填写的人完全可以跳过它。

4、设备读取。

摄像头读取、语音输入……最近，各种智能录入方式在手机上甚是流行，网页上也不甘心示弱，纷纷添加了这些功能~还有人脸识别，不知道不久后会不会流行起来呢?

5、设置输入属性。

现在比较靠谱的还是Html5提供的一些表单类型属性。除了限制输入类型之外还有一些有意思的设置。拖放属性，可以从桌面上直接拖进相应的输入框里。在邮箱中拖入附件，若主题为空还可自动填写主题。而range和number属性，可以直接替换掉输入框，对数值输入很有用，在chrome里显示如图：

6、额外输入渐进展开

当遇到需要增加高级或额外的选项时，可以采用即时添加删除的方式。不需要填写时，可以完全忽略，需要填写时点击一下就会显示。

7、利用输入反馈。

除了校验填写是否正确，输入反馈也可以帮助简化用户填写，其中有不少窍门。

比如在手机充值表单里，需要重复输入一遍号码才能确认提交。再重复输入一次，好像认定你肯定会出错。增加了号码归属地的反馈(配合历史记录)可以避免这种让人有点烦躁的方式。

下面这个例子将校验获得的推荐邮政编码填写到输入框中，让电脑变得更聪明一些。推荐的内容减少了思考和填写过程。

在反馈的显示方式上，也值得挑剔一下。比如数值输入框里被输入了字母，格式错误。如果对最简单的提供错误提示不满意，可以试试让输入的字母先显示1秒，然后即被删除，这样比单纯的限制输入类型要更容易理解。另外，还可以自动修改显示格式：号码输入完成后，自动增加空格，可以方便阅读。在需要强调时这样使用还可以提示用户进行检查，但是在普通的输入框中就不需要那么复杂了。

给金额自动补全小数，比如下面的例子服务费是有小数的，自动补全金额的小数，可以消减顾虑，而且挺有趣。

压力容器的简化设计 篇5

1 并联电容器组简化模型的谐波计算分析

1.1 并联电容器组的安装位置

一般变电站(如城市电网变电站)的谐波大都来自厂矿用户的谐波源负荷,也有来自电源侧(一般为高压或一次侧)系统、变电站自身,或几个方面都有。变电站内的并联电容器组可能直接接在母线上或变压器的负荷侧(一般为低压侧或二次、三次侧)。

从我国现有的情况来看,枢纽变电站(220 kV及以上)的并联电容器组补偿容量大,大都安装在变压器的三次侧,一般没有其他出线,也有在变压器第三绕组上接有限流电抗器的。在国外,枢纽变电站的大容量并联电容器组已直接和高压母线连接,如美国就有与500、230、161、132、115 kV母线直接连接的高压并联电容器组。

运行中遇到的问题是,在投运并联电容器组时发现3次谐波放大,甚至出现谐振。因枢纽变电站的重要性和特殊性,并联电容器组的安装位置和电抗率配置有必要进行专门研究。

1.2 谐波计算分析的简化模型

对并联电容器组的谐波响应可分两种情况来研究,即谐波源负荷和电容器组同在变压器负荷侧,或电容器安装在变压器负荷侧而谐波来自变压器电源侧。

为了讨论和分析的方便,先研究谐波源负荷和并联电容器组同在变压器负荷侧的情况。并联电容器接入电网后,对于具有谐波电流源的电网,可用图1(a)表示其简化电路。对于h次谐波,其等值电路如图1(b)所示。非线性负载以谐波电流源Ih注入系统,系统相应电抗为XSh,电阻为RSh;并联电容器支路并联电容器容抗为XCh,串联电抗器电抗为XLh,等效电阻为RLh;两支路电流分别为ISh和ICh。

1.3 谐波电流、谐波电压的计算

电容器投入后,系统支路和电容器支路谐波电流$\dot{{\rm I}}$Sh和$\dot{{\rm I}}$Ch分别为

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}h}=\frac{{\rm Z}{}_{Ch}}{{\rm Z}{}_{\text{S}h}+{\rm Z}{}_{Ch}}\dot{{\rm I}}{}_h(1)$

$\dot{{\rm I}}{}_{Ch}=\frac{{\rm Z}{}_{\text{S}h}}{{\rm Z}{}_{\text{S}h}+{\rm Z}{}_{Ch}}\dot{{\rm I}}{}_h(2)$

式中:ZSh=RSh+jXSh;ZCh=RLh+jXLh-jXCh。

一般来说RSh≪XSh,将分子中RSh略去后,有

${\rm I}{}_{\text{C}h}=\frac{X{}_{\text{S}h}}{\sqrt{(R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}){}^2+(X{}_{\text{S}h}+X{}_{Lh}-X{}_{Ch}){}^2}}\times {\rm I}{}_h(3)$

这就是电流分配法,具有计算简便、物理意义清晰等优点,适合于作一些简化电路理论分析和计算研究。 但在工程设计中,由于难以确知谐波源的大小和分布状况,已知的可能是一组谐波电压值(易于实际测取),则式(3)就不实用。为此,可寻找用谐波电压值表示的计算式,设电容器投入前母线的h次谐波相电压为Uh0,由戴维南定理可知,电容器投入后

${\rm I}{}_{Ch}=\frac{U{}_{h0}}{\sqrt{(R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}){}^2+(X{}_{\text{S}h}+X{}_{Lh}-X{}_{Ch}){}^2}}(4)$

电容器投入后母线谐波电压$\dot{U}{}_h=\dot{{\rm I}}{}_{Ch}{\rm Z}{}_{Ch}$,略去ZCh中的RLh,可得

$U{}_h=\frac{X{}_{Lh}-X{}_{Ch}}{\sqrt{(R{}_{\text{S}h}+R{}_{\text{R}h}){}^2+(X{}_{\text{S}h}+X{}_{Lh}-X{}_{Ch}){}^2}}\times U{}_{h0}(5)$

1.4 简化模型分析法的前提与适用范围

在这种简化模型计算中,认为RSh≪XSh,电容器回路的品质因数较高而将RSh和RLh略去;将系统阻抗以母线短路阻抗为依据,并且谐波阻抗按XSh=hXS处理,这是考虑到电容器组一般均接于变压器的二次或三次侧,系统阻抗以变压器漏抗为主,且较大的谐波往往次数不高(h≤11)。

这种处理方法基本上适用于并联电容器装置投入电网后,谐波源主要来自电容器同侧、谐波次数较低(h≤11)场合的计算,如3次谐波的谐振点和3次谐波放大率的分析计算。这已被许多实际工程所证实。

2 谐波放大的计算

2.1 谐波放大率的计算

设该并联电路的品质因数为q,并联谐振时的谐波次数为h0,则

$h{}_0=\sqrt{\frac{X{}_C}{X{}_{\text{S}}+X{}_L}}=\frac{1}{\sqrt{s+k}}(6)$

$\begin{array}{l}q=\frac{\sqrt{X{}_C(X{}_{\text{S}}+X{}_L)}}{R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}}=\frac{h{}_0(X{}_{\text{S}}+X{}_L)}{R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}}\\ =\frac{X{}_C}{h{}_0(R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh})}(7)\end{array}$

令系统电抗率s=XS/XC,串联电抗率(一般简称为电抗率)k=XL/XC。当h和并联谐振点h0有相当距离或并联电路的品质因数q较大时,经简化处理后,得出以下计算公式:

电容器谐波电流放大率FCh(FCh=ICh / Ih)为

$F{}_{Ch}=\frac{(h/h{}_0){}^2}{(h/h{}_0){}^2-1}\times \frac{s}{s+k}=\frac{h{}^{2}s}{h{}^2(s+k)-1}(8)$

电容器谐波电流ICh为

${\rm I}{}_{Ch}=\frac{h}{h{}^2(s+k)-1}\times \frac{U{}_{h0}}{X{}_C}(9)$

电容器谐波电压UCh为

UCh=IChXC/h (10)

系统谐波电流放大率FSh(FSh=ISh/Ih)为

$F{}_{\text{S}h}=1-F{}_{Ch}=\frac{h{}^{2}k-1}{h{}^2(s+k)-1}(11)$

谐波电压放大率Fuh(Fuh=Uh/Uh0)为

$F{}_{uh}=\frac{h{}^{2}k-1}{h{}^2(s+k)-1}=F{}_{\text{S}h}(12)$

谐波电压放大率Fuh表示并联电容器装置接入电网后的系统谐波电压与接入前的系统谐波电压之比,与系统谐波电流放大率FSh完全相同。

2.2 谐振容量的计算

发生并联谐振(h=h0)时:

$F{}_{Ch}=\frac{{\rm I}{}_{Ch}}{{\rm I}{}_h}=\frac{qs}{s+k}=\frac{X{}_{\text{S}}}{R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}}\times h{}_0(13)$

$\begin{array}{l}F{}_{uh}=\frac{U{}_h}{U{}_{h0}}=q(h{}_0^{2}k-1)=-qh{}_0^{2}s\\ =-\frac{X{}_S}{R{}_{\text{S}h}+R{}_{Lh}}\times h{}_0(14)\end{array}$

FSh=ISh/Ih=1-FCh≈FCh(此时FCh≫1)

1) 对于一般电网,当h≤13时,XSh/(RSh+RLh)为5～10[3],由此可见在谐振情况下电容器谐波电流或注入电网的谐波电流约为谐波源电流的5～10倍。

2) 当系统电压US与电容器电压UC相近时

$s=\frac{X{}_{\text{S}}}{X{}_C}=\frac{U{}_{\text{S}}^2/S{}_{\text{d}}}{U{}_C^2/Q{}_C}\approx \frac{Q{}_C}{S{}_{\text{d}}}(15)$

式中:QC为电容器的安装容量;Sd为电容器安装处的母线短路容量。

将式(15)代入式(6)得发生h0次谐波谐振的电容器装置谐振容量QCx为

$Q{}_{Cx}=S{}_{\text{d}}\left(\frac{1}{h{}_0^2}-k\right)(16)$

令电容器安装容量QC与其谐振容量QCx之比为$\beta (\beta =\frac{Q{}_C}{Q{}_{Cx}})$,则$s\approx \frac{Q{}_C}{S{}_{\text{d}}}=\beta \left(\frac{1}{h{}_0^2}-k\right)$,电容器对该谐振频次(h0)的谐波电流放大倍数为

$F{}_{Ch}=\frac{h{}_0^{2}s}{h{}^2(s+k)-1}=\frac{\beta }{\beta -1}(17)$

$F{}_{\text{S}h}=1-F{}_{Ch}=\frac{1}{1-\beta }(18)$

根据式(17)、(18)可作出谐波放大倍数(取绝对值)与β值的关系表(见表1)。工程中有时会要求对某频次谐波的放大小于一定倍数,查表1可得相应β值(有两个值,分别为β1、β2),则此时并联电容器装置分组容量应使总投入容量避开β1QCx～β2QCx。

3 谐波放大及特征谐波次数分析

3.1 谐波放大分析的特征谐波次数

$1)h=\frac{1}{\sqrt{s+k}}$时,FCh=∞,FSh=∞,电容器与系统参数匹配发生并联谐振,其谐振谐波次数为

$\begin{array}{l}h{}_0=\sqrt{\frac{X{}_C}{X{}_{\text{S}}+X{}_L}}=\frac{1}{\sqrt{s+k}}\\ 2)F{}_{Ch}=1\end{array}$

时,ICh=Ih,ISh=0,电容器支路出现串联谐振,滤波谐波次数为

$h{}_k=\frac{1}{\sqrt{k}}$

3)FCh=-1时,FSh=2,谐波次数为

$h{}_{f1}=\frac{1}{\sqrt{2s+k}}$

4)FCh=2时,FSh=-1,谐波次数为

$h{}_{f2}=\frac{1}{\sqrt{s/2+k}}$

3.2 电容器组对谐波的放大状况分析

1) 当h>hk时,电容器组与系统均为感性阻抗,电容器为不完全滤波状况,FCh<1,FSh<1。

2) 当h<hk时,电容器组为容性阻抗,使谐波放大,电容器和主系统的谐波电流的变化比较复杂,具体分析如下:

(1) h>h0时,ICh与Ih同向,称之为感性放大区;h<h0时,ICh与Ih反向,称之为容性放大区。

(2) hf2<h<hk范围内,1<FCh<2,称之为感性轻度放大区;1<h<hf1范围内,-2<FCh<-1,称之为容性轻度放大区。

(3) hf1<h<hf2范围内,|FSh|>1,|FCh|>1,称之为谐波严重放大区,其中:①hf1<h<h0时,FSh (Fuh)逐渐由2增加到+∞,FCh逐渐由-1变到-∞,即FCh≤-1,由此有$s\ge \frac{1}{2}\left(\frac{1}{h{}^2}-k\right)=s{}_1$;②h0<h<hf2时,FSh (Fuh)逐渐由-∞变到-1,FCh逐渐由+∞减小到2,即FCh≥2,由此有$s\le 2\left(\frac{1}{h{}^2}-k\right)=s{}_2$。

由h0、hk、hf1、hf2的计算式不难看出随着k的增大,h0、hk、hf1、hf2及hf1～hf2的范围均减小,反之随着k减小,h0、hk、hf1、hf2及hf1～hf2的范围均增大。这说明串电抗器以后,可以将谐波放大状况限制在某一范围内,并且可以避免hf2以上次数的谐波放大,有效地改善电力系统和电容器的谐波运行工况。设计时应对h0、hk进行分析,避免h0与特征谐波次数hk太接近,如至少相隔5 Hz以上,这可通过加大串联电抗率k来实现。

上述情况可以归总到表2。以放大倍数等于2作为安全线、对各低次谐波采用不同电抗率时确定的s1～s2成为此时的谐波严重放大区(简称s区)。表3列出了一些典型数值的计算结果,设计时应使电容器容量的各种组合避开相应的s区。

表4列出了常用的4种串联电抗率k值下,电容器在通常使用容量范围内,hf1、h0、hf2和hk的数据,可供实用参考。

需注意的是,式(8)、(12)是近似式,并不适用于对谐振点状况的数值判断。如前所述,当h=h0时,ISh、ICh一般为(5～10)Ih;同理,当h=hk时,由于存在电阻,ISh≠0,而ICh<Ih。但考虑到工程上应有一定保守裕度,仍可作为应用基础。

4 电抗率k值的求取及配置分析

4.1 谐波放大倍数允许值

参照国内外谐波标准,对实际工程建议如下。

1) 当背景谐波电压超过50%标准值,电容器组投入后不应对主要谐波产生放大,总谐波电压畸变率也不应产生放大。

2) 当背景谐波电压低于50%标准值时,投入电容器组后不超过75%允许时,要求电容器组对Ih(h=3,5,7,11)的放大一般应控制在2倍以内;如背景谐波电压很低,投入电容器组后谐波电压也不会超过50%限值时,则对Ih的放大倍数可以适当超过2倍,但不得大于3倍(要求单次谐波电压和电压谐波畸变率THDu均应满足要求),此时FCh≤-2(FSh≥3)和FCh≥3(FSh≤-2)是不允许的放大倍数。

由FCh≤-2得

$s\ge \frac{2}{3}\left(\frac{1}{h{}^2}-k\right)=s{}_1(19)$

由FCh≥3得

$s\le \frac{3}{2}\left(\frac{1}{h{}^2}-k\right)=s{}_2(20)$

以放大倍数等于3作为安全线时,由式(19)、(20)确定的s1～s2成为此时的谐波严重放大区(简称s区),典型数值如表5所列。此时设计中应使电容器容量的各种组合避开相应的s区。

4.2 电抗率k值的求取

1) 当以谐波电流放大倍数等于2时的轻度放大作为安全线时,电抗率k的求取实际上变为:①使处在感性区中的谐波FSh≥-1,FCh≤2(此时FCh≥0);②使对处在容性区中的谐波FSh≤2 ,FCh≥-1(此时FCh≤0,FSh≥0)。由此可得

对处在感性区中的谐波要求:

$k\ge \frac{1}{h{}^2}-\frac{s}{2}(21)$

对处在容性区中的谐波要求:

$k\le \frac{1}{h{}^2}-2s(22)$

对以上两式分析不难看出,s满足一定要求时才能同时满足式(21)、(22)。

解$\frac{1}{h{}_1^2}-\frac{s}{2}\le k\le \frac{1}{h{}_2^2}-2s$可得

$s\le \frac{2}{3}\times \frac{h{}_1^2-h{}_2^2}{h{}_1^{2}h{}_2^2}(23)$

以h1=5,h2=3为例,代入式(23)得s≤4.74%,即只有当s≤4.74%时才有可能使5次、3次谐波不被严重放大。

2) 根据式(8)、(12)分析可得出以下两点:

(1) 对处在感性区中的谐波(h>h0),随着k值的增大|FCh|将减小(FCh>0),但对|FSh|则有两种情况:①处在感性放大区中的谐波(h0<h<hk),|FSh|将逐渐减小;②处在不完全滤波状况的谐波(h>hk),|FSh|将逐渐增大。

(2) 对处在容性区中的谐波(h<h0),随着k值的增大|FCh|、|FSh|反而会增大。这就是说在满足使感性区内的谐波放大倍数小于一定值后,k值留取的裕度不能过大,否则将可能使容性区内的谐波严重放大;k值亦不宜过小,因为设备参数、系统频率及计算用的参数等均会有偏差,系统运行方式、网络结构亦在变化,k值过小容易使感性放大区中的谐波进入严重放大状态。因此,对主要限制5次谐波,同时又要兼顾减小3次谐波放大的场合,建议采用4.5%电抗率为宜。

3) k值确定后,在电网存在不同谐波时的适用范围就为避开表5所列的s区段。表6列出了考虑存在3、5、7次谐波时几种电抗率的适用范围。

从表6可看出,采用单一电抗率,且以|FSh|≤2、|FCh|≤2作为安全线的适应范围很窄。在实际中,一般只有一个主谐波电流,当使主谐波电流处在不完全滤波状态或者是对其放大小于1之后,对杂散(主谐波以外的)谐波电流的放大倍数就可以适当放宽。例如采用k=4.5%抑制5次(主谐波)及以上谐波,假设3次谐波为最大杂散谐波且为5次谐波的50%,这时对3次谐波的放大可以放宽到|FSh|≤3、|FCh|≤3(当然仍应保证使电容器投入后不超过75%标准值和使电容器运行安全),甚至更大,那么这时要求s≤4.41%(查表5),比表6的范围大了1.1%。

4.3 电抗率k值的配置分析

在上面的分析中,将谐波电流放大倍数等于2时的轻度放大作为安全线。在实际电力系统中,通常考虑的是3、5、7、11次等含量较高的谐波。

分析s值在0.5%～5%变化时电容器组不同电抗率配置情况下,电容器组和系统谐波电流的放大倍数变化,可以看到以下3点。

1) 对于3次谐波(h=3),电抗率k为2%、3%、4%、4.5%、5%、6%时,均会使谐波电流放大,尤其以k为5%、6%时放大较严重,谐波电流的放大趋势随s值的增大愈见显著。k为6%、s接近5%时,放大达25倍以上,k为0、0.1%、0.5%、1%、12%、13%时,不会出现3次谐波电流严重放大。

2) 对于5次谐波,电抗率k≥4%时,均不会出现谐波电流严重放大的情况。当k<4%时,总存在这样的s区段,使得谐波电流严重放大,且k值越小,出现放大时的s值越高。如:k为3%,s为0.50%～2.00%;k为2%,s为1.00%～4.00%;k为0.5%,s为1.75%～7.00%;k为0,s为2.00%～8.00%,谐波电流都严重放大。

3) 对于7、11次幅值较小的谐波,k值很小时会发生谐波电流放大。对7次谐波,k为0,s为1.02%～4.08%和k为0.5%,s为0.77%～3.08%的范围即为危险区域;对于11次谐波,k为0,s为0.5%～1.65%的范围内为危险区域。

5 谐波源来自变压器电源侧的分析

谐波源来自变压器电源侧(电容器安装在低压侧),相当于在电容器支路中增加了与电容器组相串联的变压器。设变压器基波电抗为XT;基波电阻为RT;额定容量为ST;阻抗电压为Uk;h次谐波电抗XTh=hXT;谐波电阻为RTh。在进行谐波计算时,对照谐波源在负荷侧的计算公式,以XTh+XLh,RTh+RLh分别取代XLh、RLh,取用变压器电源侧的系统短路容量Sd。因110 kV及以下的供电线路对地电容一般可忽略,仍认为XSh=hXS,并将Ih、U归算成低压侧的数值后就可以进行类似的计算分析。

6 结语

1) 电抗率选择和电容器分组时应遵循下列原则:电容器投入后应能安全运行;电网谐波电压符合国标要求限值;电容器组与系统的并联谐振点、电容器组与变压器的串联谐振点都必须避开系统特征谐波次数。

2) 应密切注意电网3次谐波的发展状况,考虑电网的规划谐波水平。当目前3次背景谐波大于40%谐波国标限值时,宜选用12%电抗率或12%和4.5%～5%电抗率混装的方式加以抑制;当3次背景谐波小于40%谐波国标限值,可以考虑采用0.1%～1%的小电抗率(仅用于限制涌流),但不能引起5次谐波严重放大。

3) 背景谐波为5次及以上电网的电抗率k应选用大于4%的值。考虑电网的规划谐波水平,当目前5次背景谐波大于40%谐波国标限值时,推荐采用4.5%～5%电抗率,不应选用6%的电抗率;谐波源主要来自电容器本侧时选用5%电抗率;谐波源来自变压器电源侧时选用4.5%电抗率。

4) 从目前主要采用的电抗率取值看,对于3次谐波,k为5%、6%时,谐波电流易严重放大;对于5次谐波,k<4%时,谐波电流易严重放大;对于7、11次谐波,k<1%时,谐波电流易严重放大。

在电网有谐波的情况下,电抗率k≤4%时,对3次谐波只有轻度放大;对7、11次谐波,如k>1%则不会产生谐波电流放大。当k<1%、s<3.08%时,谐波电流会出现严重放大;对5次谐波,k<4%时,不同电抗率取值均相应地存在s区段使得谐波电流严重放大。结合电网谐波情况,采用不同电抗率的电容器组应尽可能使电容器组安装容量避开如表3所列的危险区段。尤其对5次背景谐波严重的电网应慎重采用小于4%的电抗率。

参考文献

压力容器的简化设计 篇6

无源元件在大规模制造设施内生产, 并通过优异的过程控制来减小不同产品批次间的差异。与商业元件相比, 医疗器械要求元件具有更高的可靠性性能及更小的尺寸。不同的元件制造方法可帮助实现各种选项, 以减小混合元件和电路板空间并增加元件可靠性。

电容器选型标准

每种电容器技术都有独有的性质, 在针对最终应用进行产品选型时应将这些性质视为规定标准的一部分。多层陶瓷电容器 (MLCC) 根据电容器的介电质选型;而电解钽、铝及薄膜电容器根据阳极材料选型, 以达到最高电容/电压。

外壳尺寸为0201 (0.024''×0.012'×0.013'') 的MLCC用于可植入器械, 提供去噪或无线电/遥测系统调谐功能。尺寸为2225 (0.22''×0.25''×0.86'') 的最大MLCC常被用作谐振电容器, 用于体外医疗器械。

V i s h a y提供0 4 0 2外壳尺寸 (0.045'×0.026'×0.024') 的医疗器械用固钽电容器, 其低高度有助于节省空间。另外还提供1210 T外壳尺寸 (0.138''×0.11''×0.063'') 的可靠、大电容固钽电容器。

Vishay提供20 mil2尺寸、最大电容值1000 p F的硅基电容器。硅基电容器可通过环氧树脂或共晶贴片贴装并且是打线式的。另外还提供0402外壳尺寸、最大电容值27 p F的表面贴装“倒装贴片”硅基电容器。硅基电容器技术提供可靠的宽带操作 (20 GHz) 、高Q值、低DCR和高SRF。

磁性元件选型标准

大多数磁性元件都是由医疗器械制造商和磁性元件公司的工程师通过合作而定制设计的, 以适应特定医疗器械为之预留的有限空间。用于可植入器械的定制磁性元件通常由骨架式变压器、环形线圈变压器、模压电感器和具有独特形状与性能的天线构成。另外, 通过采用各种磁芯材料和形状可优化性能以适应每种应用的要求。

在确定了元件的尺寸、价格和性能后, 即可将目标锁定在与空间要求相匹配的最具成本效益和性能最高的元件上。设计完毕后, 制定严格的制造流程、控制及测试程序来确保达到最高质量水平, 包括在尺寸及磁性方面。小型设计常常需要进行3D CAD仿真, 以实现准确的元件布局和原型设计。

定制磁性元件制造过程中使用种类广泛的专用空心线圈、骨架式线圈和环状线圈绕制设备。该设备具有严格受控的关键电气要求。关键尺寸的测量使用相关检验设备, 如光学测量仪器。定制设计的试验台和夹具允许监视和测试电气参数。这些自动试验台的使用允许进行数据分析, 以保证设计的可制造性。

用于医疗应用的磁性元件的尺寸和形状因应用的不同而存在很大差异。0402小尺寸电感器 (0.040''×0.020''×0.020'') 用于遥测/通信应用。这些电感器可以是打线式的并用陶瓷芯制造, 最大电感值可达150n H。

业界提供 (0.030''×0.030''×0.020'') 和 (0.050''×0.050''×0.020'') 两种尺寸的高频打线式RF螺旋电感器。这些电感器在RF频带中表现优异, 适合偏置、调谐和集总元件滤波器应用。

电阻器选型标准

V i s h a y提供外壳尺寸为0 4 0 2~2512的标准薄膜和厚膜表面贴装电阻器。电阻器选型标准包括脉冲处理能力、工作电压、工作温度及长期稳定性。打线式电阻器的尺寸范围为0.015''×0.015''×0.010'' (125 m W额定功率) 至0.055''×0.055''×0.010'' (最大阻值30MΩ, 工作电压100 V) 。

薄膜电阻器支持密集的电路布置, 同时提供高可靠电阻器膜的优点。Vishay电阻器提供低至0.01%的阻值容差和低至5 ppm的TCR来支持放大器、Tx/Rx电路及功率分配的精调。对于医疗应用, 这些片式电阻器可提供任何标准阻值 (10Ω~25MΩ) 。

高可靠性试验

对医疗器械应用来说, 避免无源元件的致命失效和漂移失效是首要关心的事情。最终, 产品可靠性预测是建立在供应商试验数据和医疗器械制造商规定的在定义时间范围内的应用工作温度的基础上。无源元件供应商的过程控制是实现高可靠性的一个重要因素。无源元件的可靠性和用于重要医疗器械应用的合格性的建立是通过在抬高的温度和额定或更高电压条件下进行规定时长的寿命试验来未完成的。无源元件试验基于客户要求和MIL规范 (若适用) 。

无源元件的可靠性预测可使用基于MIL手册217或IEC863的在线建模程序来进行。

固钽试验标准基于MIL-PRF-55365。固钽电容器在抬高的温度和电压下经历内合格性和定期维护试验。对于重要应用, 钽电容器的设计、制造和试验是依照可满足定制要求的限值来进行的。

依照MIL-PRF-55342对电阻器进行针对重要医疗应用的合格试验。电阻器失效分为两类:致命失效 (如电阻器开路或短路) 和漂移失效 (导致电路工作状况不佳) 。

可将试验得到的电阻器性能与MIL-PRF-55342限值进行比较, 如表1所示。

定制磁性元件的内可靠性试验基于MIL-PRF-27标准。所进行的试验包括可焊性、耐溶剂性、端子强度、冲击和振动、防潮性及热冲击等。这些试验详载于MIL-STD-202和其他ASTM或JDEC标准。

总结

较小的医疗器械可使手术更简单并降低其侵入性, 从而方便医生操作和减轻患者痛苦。随着更小更新的无源元件的推出, 相应地也需要更好的生产及试验技术来提高元件的质量。新型小尺寸无源元件的供应商可能需要进行设备和自动化投资来获得医疗器械制造商要求的工艺能力。依照客户要求和行业标准进行合格试验和可靠性试验是开发过程的要求。

摘要：多年来, 医疗器械变得越来越小, 小型可植入器械在植入过程中让患者感觉更舒适, 对身体的损伤也更小。为满足对用于可植入医疗器械的小型混合元件的需求, 人们不断改进微控制器 (MCU) ——或专用集成电路 (ASIC) ——和功率系统的混合元件布局与封装技术。本文讨论了无源元件的选型过程, 目的是减小医疗器械中的混合元件和电路板空间。