化学振荡论文（共5篇）
化学振荡论文 篇1
化学振荡反应是在某些体系中, 某个组分或某些组分的浓度不是单调地增加或减小, 而是发生着周期性的变化, 这类反应就是化学振荡反应, 是一种典型的非线性、非平衡化学现象。它产生的条件是:开放体系、远离平衡、存在反馈、有双稳态。
1 常见的振荡反应体系
1.1 液膜振荡
液膜振荡是指两互不相容液体间形成的界面膜的周期性变化。其中关键组分为表面活性剂, 在界面形成单分子膜对扩散起到自阻抑作用, 一般认为是形成液膜振荡的根本原因。液膜振荡是近年来研究化学振荡的一个新亮点, 因为科学工作者发现许多生命振荡现象和生物膜[1]有关。
1.2 过氧化物酶-氧化酶生化振荡
过氧化物酶是一类以过氧化氢为电子接受体的氧化还原酶, 有些过氧化物酶甚至可以直接利用分子氧作为电子接受体。如NADH (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) [2]的氧化反应:
1.3 B-Z振荡体系
迄今为止, 人们已经发现的化学振荡反应的种类较多, 但最受人们重视并且被广泛深入研究的是Belousov-Zhabotinsky (B-Z) 反应。该反应是由前苏联化学家B.P.Belousov于1958年发现, 当他用BrO-3氧化柠檬酸时 (在H2SO4介质中, 以Ce3+为催化剂) , 发现反应系统中生成Ce4+ (黄色) 的浓度随时间呈周期性变化。之后, 发现几乎所有的过渡金属离子 (或络合物) 都可用作B-Z振荡反应的催化剂, 必要条件是金属离子必须要有两个稳定的氧化态, 且只能转移一个电子。对于有机底物, 要求其电极电位在1.0V以下, 一些具有活泼亚甲基的含氧有机化合物恰好符合此条件, 如丙二酸、溴化丙二酸、马来酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、乙酰丙酮、乙酰乙酯等, 脂肪族多元羧酸和多元酮及酯都可以作为B-Z反应的有机底物。
1972年, Field等人经过大量的研究, 提出了著名的FKN机理[3]。该机理认为引起体系振荡行为的关键组分是中间产物HBrO2, Br-和Ce4+及Ce3+;其中Br-起到控制过程的作用, HBrO2起到切换开关的作用, 而Ce4+起到再生Br-的作用。
该机理包括两个主要过程:过程A和过程B, 而过程C起到连接过程A和B的作用 (见表1) 。
1.4 Bray-Liebhafsky (B-L) 振荡反应
B-L振荡反应是一个均相振荡反应体系, 是指酸性条件下过氧化氢还原碘酸根离子的化学反应。当有足量的碘化物离子存在时, 体系会发生如下基元反应[4]:
净反应为
净反应为:
净反应为:
1.5 Briggs-Rauscher (BR) 振荡反应
BR振荡反应是BZ和BL振荡反应的综合[5]。在硫酸介质中, 过氧化氢、丙二酸、碘酸钾、硫酸锰和高氯酸发生振荡反应。体系中可能发生以下反应:
净反应为:
净反应为:
净反应为:
1.6 Cu (Ⅱ) 振荡体系
铜离子催化的振荡反应中研究最成熟的是强碱介质中Cu2+作催化剂, H2O2氧化KSCN的振荡体系。铜催化振荡反应的振荡行为可表现为反应溶液颜色及氧化还原电势的周期性变化。该振荡反应在敞开、封闭体系中皆可进行。
Orbán于1989年报道了H2O2-Na2S2O3-KSCN振荡体系的机理[6]:
(1) H2O2与Cu2+的反应
(2) H2O2与KSCN的反应
(3) 反馈
2 振荡反应的应用
2.1 无机离子的检测
可以用来检测痕量金属离子和痕量无机阴离子。
在分析测试方面, 振荡反应最初用于无机金属离子的测定。1978年Tikhonova等人[7]首次利用振荡反应来检测钌, 钌离子的浓度与振荡周期的减少呈线性关系, 检测范围7～330ng/dm3。梁逸曾, 俞汝勤[8]利用铊及汞离子能增加化学振荡反应的诱导周期来测定其含量, 方贤安等[9]人利用B-Z化学振荡反应测定银离子。1993年Strizhak. P. E等人[10]利用B-Z化学混沌现象测定Mn (Ⅱ) 离子, 检测下限可达3pg/mL, 灵敏度很高, 但重现性不好。
Cr2O
2.2 有机物的检测
相对而言, 化学振荡法在有机物测定中比较成功, 报道较多。如苯酚[15]、二本胺磺酸钠[16]、没食子酸[17]、缬氨酸[18]、利福平[19]、香子兰醛[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]、氢醌[21]、氨基酸、蛋白质、谷胱甘肽[22]等。
2.3 气体分子浓度的检测
Peter. E和Strizhak等[23]人分别利用B-Z振荡反应和铜流动体系分析检测了NO、CO, 扩大了振荡反应分析测试的应用范围。
2.4 维生素的测定
用铜体系对VB6的检测结果[20]表明, VB6的浓度在0.5～2.0×10-6 mol/dm3范围内, 体系振幅的减小与所加入的VB6浓度成线性关系。范少华、安从俊等[24]报道不同浓度的VB1的振荡的振荡周期及振幅的改变值均有良好的线性关系, 线性范围5.1×10-6～2.78×10-4 mol/dm3; 蔡汝秀等[25]过氧化物酶生物振荡反应测定VC的含量, VC的浓度与周期的变化值成良好的线性关系, 线性范围为0.175～17.5μM。
2.5 在生命化学中的应用
科学工作者发现许多生命振荡现象和生物膜有关, 通过研究液膜振荡, 可以模拟生物膜, 如神经系统的周期性抑制和亢奋, 心脏的周期性跳动等[26,27]。
化学振荡反应可用来检测人体尿样及血液成分, 不但快速、简捷、易行吗, 而且对医学和药学的发展具有重要的意义。在这方面作出突出贡献的有:任杰等研究了健康人和疾病患者的尿样对B-Z化学振荡体系的扰动作用;陈庆安研究了血液对化学振荡微扰作用;沈振文等也研究了人血清对化学振荡反应的影响[28]
2.6 复杂体系——中药的区别和质量评价
张泰铭[29,30]等利用振荡反应, 区别和辨识各种重要, 并结合临床经验, 对中药进行了质量的评价, 并提出了“中药非线性化学指纹图谱”的概念。方宣启[31]等编写了计算“非线性化学指纹图谱”整体相似度的软件, 进一步区分和鉴别中药。
3 结 论
化学振荡反应不仅可以用来测定简单的无机离子, 复杂的有机物, 甚至可以从来定性中药这种复杂的黑色体系, 操作简单、快速, 只要严格控制好反应条件, 例如温度、各反应物的浓度, 会有很好的重现性, 未来会是一种新兴的检测方法。还有振荡反应与生命体系中存在的一些振荡现象, 如心跳、呼吸新陈代谢以及ADP和ATP的周期转化相类似, 因此, 其在生命科学中的应用必将会有更大的发展。只是目前, 由于振荡反应及其复杂, 其理论基础不够强大, 相信随着科学的进步, 化学振荡反应将会有更广泛的应用。
化学振荡论文 篇2
燃烧室压力振荡对喷嘴出口流量振荡影响分析
从理论上分析了燃烧室压力振荡引起喷嘴出口流量振荡的`振荡传递,推导了振荡传递过程的传递函数.讨论带有各种喷嘴的燃烧室的动态特性,计算了燃烧室压强、喷嘴压降、喷嘴类型及结构尺寸对燃烧室压力振荡引起喷嘴出口流量振荡的影响,得到了喷嘴在此传递过程中的影响规律.
作 者：杨立军 富庆飞 Yang Lijun Fu Qingfei 作者单位：北京航空航天大学宇航学院,北京,100083 刊 名：火箭推进 英文刊名：JOURNAL OF ROCKET PROPULSION 年，卷(期)： 34(4) 分类号：V434 关键词：液体火箭发动机 喷嘴 供应系统 燃烧室化学振荡谱图鉴别氨基酸 篇3
氨基酸(amino acid),是含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。它是构成生物功能大分子蛋白质的基本组成单位,是构成动物营养所需蛋白质的基本物质,其在临床也有广泛应用[3,4]。对于人体而言,如果摄入的食物当中缺少必需氨基酸,蛋白质的合成就会受到影响,正常的健康状态也会受到威胁。对于氨基酸体系的化学振荡,目前鲜有报道[5,6,7,8]。本文基于经典的B-Z振荡体系,对甘氨酸、半胱氨酸及色氨酸三种氨基酸的化学振荡行为进行了初步研究。
1 材料与方法
1.1 仪器和试剂
仪器:CHI760C电化学工作站(上海辰华仪器公司);ZH-1C型超级恒温水浴(南京多助科技发展有限公司);HJ-1型磁力搅拌器(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司);232型甘汞电极(上海伟业仪器厂);213型铂电极(上海伟业仪器厂);微量注射器(上海光正医疗仪器有限公司)。试剂:甘氨酸(北京索莱宝科技有限公司);半胱氨酸(北京索莱宝科技有限公司);色氨酸(上海豪申化学试剂有限公司);丙二酸(天津汇英化学试剂有限公司,分析纯);溴酸钾(天津市津科精细化工研究所,优级纯);硫酸铈铵(天津市瑞金特化学有限公司,分析纯);浓硫酸(天津市大茂化学试剂厂,分析纯);实验用水为超纯水。
1.2 实验方法
在已恒温(35.0±0.1)℃的连续搅拌反应器中,于搅拌条件下,依次加入丙二酸、溴酸钾和硫酸溶液各15 m L;待混匀后,再加入事先恒温的15 m L硫酸铈铵溶液,混合液总体积为60 m L。实验中以铂电极为工作电极,甘汞电极为参比电极,用CHI760C电化学工作站记录振荡体系的电位E(V)随时间t(s)的变化。待振荡体系趋于稳定后,于铂电极指示电位最低点加入相同质量(1 mg)的甘氨酸、半胱氨酸和色氨酸固体粉末,观察其对B-Z振荡体系所产生的影响。
2 结果
基于反应底物浓度对振荡体系的影响,本实验中用于研究的B-Z振荡体系中各组分:丙二酸、溴酸钾、硫酸和硫酸铈铵的浓度分别为0.45、0.25、3和0.004 mol/L。
在B-Z振荡体系稳定后,在第6个波谷处分别加入已称好的甘氨酸、半胱氨酸和色氨酸,观察其对振荡体系的扰动,其振荡谱图如图1所示。
从图1a可知,甘氨酸参与的B-Z振荡体系的周期和振幅都均发生了明显变化:振荡周期延长和振幅增大。经4个周期后,波峰电位基本回复到初始状态,但波谷电位发生了降低。此外,振荡谱图的基本形状仍基本保持不变,说明甘氨酸的加入仅对B-Z振荡体系产生了有限的扰动。
图1b为半胱氨酸的化学振荡谱图,其对B-Z振荡体系的扰动与甘氨酸显著不同。半胱氨酸加入后,振荡体系的规则振荡行为骤然消失,而且波谷电位急剧下降,随后出现了约7 min左右的缓冲期,然后重新开始振荡,其周期和振幅均有增加,且波峰电位略低于B-Z振荡初始波峰电位。
图1c为色氨酸对B-Z振荡体系的扰动,由图可知,在稳定的B-Z振荡体系中加入色氨酸后,首先是振荡行为骤然消失,随后开始振荡。且第2、3、4和5周期持续时间逐渐缩短,经5个周期循环后,体系又开始了规则振荡。但振幅波峰电位下降幅度较大,而周期增幅较小,其谱图形状与甘氨酸和半胱氨酸也有明显不同。
3 讨论
由图1可以看出,甘氨酸、半胱氨酸和色氨酸的振荡谱图各有差异:其中色氨酸对振荡体系影响最大,但振幅变化较小,而周期呈增大趋势;对于半胱氨酸,周期和振幅均呈明显增加趋势;而甘氨酸对振荡体系影响最小,但周期和振幅均呈小幅增大趋势,但其改变量是三者中最小的。结构决定性质,为此从三种氨基酸的结构及与化学振荡的相互作用入手进行探讨(图2)。
对于B-Z振荡反应,目前普遍认同的是FKN机理[9],其包括20多个基元反应,该机理认为反应由三个主过程组成,其简化示意图如下(图3)。
A和B过程受[Br-]控制,当[Br-]高于临界浓度[Br-]crit时发生A过程,当[Br-]低于[Br-]crit时,则发生B过程,Ce3+被氧化,并为C过程提供Ce4+。在C过程中,随着[Ce4+]增大,Br-再生,[Br-]增加,当[Br-]达到[Br-]crit,A过程将再次发生,这样体系就在A过程、B过程间往复振荡[10]。
研究表明,具有两性性质的氨基酸在酸性介质中呈阳离子态,在振荡反应中其作用是结合反应过程生成的Br2,且和红外光谱均证实体系中确有溴代氨基酸产生[7],其反应如下(图4)。
由图2a可知,甘氨酸分子结构最简单,仅有一个活性基团,即氨基(-NH2)发生溴代反应,随后产生了一定数量的Br-,与溴酸盐、丙二酸继续反应,这相当于延长了从A到B过程的时间(即周期),因此可解释甘氨酸致其周期增大的现象。而振荡波形未变,则说明了甘氨酸中活性位少,对B-Z振荡体系的干扰弱。
甘氨酸是一种非人体必需氨基酸。其具有独特甜味,能掩盖食品中添加糖精的苦味并增强甜味。人体若摄入甘氨酸的量过多,不仅不能被人体吸收利用,而且会打破人体对氨基酸的吸收平衡而影响其他氨基酸的吸收,导致营养失衡而影响健康。尤其是以甘氨酸为主要原料生产的含乳饮料,极易对青少年及儿童的正常生长发育带来不利影响。基于以上甘氨酸的化学振荡特点,可推知,若摄入过量甘氨酸,则对生物体内的正常生物振荡产生有限干扰,而少量摄入则影响较小。
半胱氨酸(图2b)对B-Z振荡体系的扰动与甘氨酸不同。这是因为其结构中与单质溴发生作用的除-NH2之外,还含有-SH,该基团与分子间的缔合作用较弱,极易被Br2取代,而且它与Ce离子也有相互作用[11]。因其活性位多,故对B-Z振荡体系的影响较大。
半胱氨酸也是一种非必需氨基酸。它具缓解、修复放射线对人体的损伤作用。在人体内还有广泛的解毒作用,是丙烯腈及芳香族酸中毒的治疗用药。人体内半胱氨酸含有巯基(-SH),而胱氨酸含有二硫键(-S-S-),两者可以相互转化。半胱氨酸在体内分解时,大致有以下几条途径:(1)直接脱去巯基和氨基,生成丙酮酸、NH3和H2S。H2S再经氧化而生成H2SO4。(2)巯基氧化成亚磺基,然后脱去氨基和亚磺基,最后生成丙酮酸和亚硫酸,后者经氧化后可变为硫酸。(3)半胱氨酸的另一代谢产物是牛磺酸,它是胆汁酸的组成成分,胆汁酸盐有助于促进脂类的消化吸收。(4)半胱氨酸也是合成谷氨酰胺的原料。谷胱甘肽(glutathion)是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸所组成的三肽,它的生物合成不需要编码的RNA。而与一个称之为“g-谷氨酰基循环”的氨基酸转运系统相联系。基于以上过程,半胱氨酸加入到B-Z振荡体系后,部分发生了转化,破坏了规则的振荡行为,同时出现了一个持续时间较长的缓冲期,转化完成后,继续开始振荡。色氨酸(图2c)分子结构中有一个吲哚基,在氨基酸中是比较特殊的。其反应活性高,含有三个活性官能团,故与B-Z振荡体系作用强。它使振荡体系的底物浓度大大降低,但仍能维持振荡反应的进行。
L-色氨酸是组成蛋白质的常见20种氨基酸中的一种,是哺乳动物的必需氨基酸和生糖氨基酸。在自然界中,某些抗生素中有D-色氨酸。它是重要的营养剂,可参与动物体内血浆蛋白质的更新,并可促使核黄素发挥作用,还有助于烟酸及血红素的合成,可显著增加怀孕动物胎仔体内抗体,对泌乳期的乳牛和母猪有促进泌乳作用。当畜禽缺乏色氨酸时,生长停滞,体重下降,脂肪积累降低,种公畜睾丸萎缩。在医药上用做癞皮病的防治剂。
本文基于对三种氨基酸的化学振荡研究,并依据其对B-Z振荡的扰动大小及变化规律(波形、周期和振幅),表明通过化学振荡谱图可快速对氨酸、半胱氨酸和色氨酸进行鉴别。此外,还可依据三种氨基酸对周期或振幅的扰动程度,对其浓度进行定量分析。本研究建立了一种鉴别不同种类氨基酸的化学振荡分析法,其振荡行为的研究对揭示其在体内的作用机制提供了一定的理论参考。
摘要：目的:为氨基酸的鉴别提供一种化学振荡的方法。方法:采用经典的B-Z振荡体系研究氨基酸的振荡行为。结果:经研究获得三种氨基酸的B-Z振荡谱图:色氨酸对振荡体系影响最大,但振幅变化较小,而周期呈增大趋势;对于半胱氨酸,周期和振幅均呈明显增加趋势;而甘氨酸对振荡体系影响最小,但周期和振幅均呈小幅增大趋势,但其改变量在三者中最小。结论:化学振荡谱图可对氨基酸进行鉴别研究。
化学振荡论文 篇4
近年来, 低频振荡现象在国内电网中多次出现, 已成为威胁互联大电网安全稳定运行的突出问题。已经发生的低频振荡事故中, 既有由于系统阻尼不足引起的弱阻尼甚至负阻尼自由振荡[1], 也有持续的周期性小扰动引起的强迫振荡[2,3,4]。阻尼是低频振荡的关键因素。发电机阻尼是系统阻尼的重要来源。目前对阻尼的理解, 主要基于阻尼转矩的概念。基于该概念设计的电力系统稳定器 (PSS) 已成为提高电力系统阻尼的重要手段。高放大倍数的快速励磁系统、长距离传输线路或大的传输功率, 都会导致发电机阻尼降低。
振荡 (或者振动) 是一种在自然界广泛存在的物理现象。能量的概念在振荡分析中具有重要作用, 尤其是在机械振动中, 振荡都伴随着能量的转化和传输。能量大小与振荡幅度对应, 系统的总能量越大, 振幅就越大;随着能量的不断消耗, 系统能量减小, 振幅也不断减小。
暂态能量函数法建立了发电机转子摇摆过程中系统能量的基本概念, 并推导了不同模型的能量函数[5,6,7,8,9]。能量函数也被用来分析低频振荡。文献[10]用能量函数法分析区间振荡, 通过比较发电机动能变化的相位, 识别出有周期性能量交换的发电机群, 从而找到能量交换发生的线路。在这些线路上加装可控串联补偿 (TCSC) 能够取得较好的效果。能量函数被更多地应用在低频振荡的控制上, 因为人们很早就认识到, 增加能量函数沿着轨迹的下降率, 能够增加系统的阻尼[11], 由此提出了控制Lyapunov函数的概念[12], 并成功地应用于各种电力电子设备的控制[13,14,15,16]。文献[17-18]利用能量分析强迫振荡, 文献[18]提出了一种利用能量函数定位强迫振荡扰动源的方法。
由于系统能量与振幅对应, 因此系统中消耗能量的元件对振荡衰减的贡献为正, 而产生能量的元件对振荡衰减的贡献为负, 是振荡的起因, 可认为是振荡源。本文基于这样的认识, 在文献[18]的基础上, 利用能量函数对低频振荡进行分析, 并对振荡源进行定位。首先研究了发电机能量消耗与阻尼转矩之间的关系, 然后提出了一种计算网络中能量流的方法, 利用广域测量系统 (WAMS) 的信息即可计算网络中的能量流。该能量与暂态能量函数法中的暂态能量是一致的。从能量流中, 可以获得元件产生或消耗能量的信息, 从而评估元件的阻尼特性, 并可定位电网中的振荡源。
1 能量消耗和阻尼转矩的一致性
能量的消耗使得振荡的振幅减小, 带来阻尼效应。本节在不带自动电压调节器 (AVR) 的Heffron-Phillips模型中严格证明发电机能量消耗与其阻尼转矩是一致的。
采用三阶发电机模型的单机无穷大系统的方程为:
式中:各变量的含义参见文献[1]。
系统的能量函数[7]W定义为:
式中:U∠0为无穷大母线电压;Ut∠θt为机端母线电压;XL为机端母线与无穷大母线之间的连接电抗;其他变量含义参见文献[1]。
能量函数沿轨迹的变化率为:
设D=0, 则[t1, t2]时段内发电机的能量消耗为:
对式 (1) 进行线性化, 得到线性化的系统方程为:
式中:x=[x1x2x3]T=[ΔδΔωΔEq′]T;A= (Aij) , 其中, A11=A13=A32=0, A12=ω0,
将式 (5) 表示为传递函数的形式, 即得到Heffron-Phillips模型, 其中,
设系统振荡模式对应的特征值为σ±jωd, 且|σ|<<|ωd|, 将s=jωd代入即得到阻尼转矩系数KD为:
式中:Re (·) 表示取实部。
1) 自由振荡
设式 (5) 的线性化系统特征值和对应的左、右特征向量分别为λi, ψi, φi, i=1, 2, 3。λ1, 2=σ±jωd为主导振荡模式。式 (5) 所示系统的轨迹为:。则式 (4) 中,
记υ1=z+j y, φ31=a+j b, φ21=c+j d, 并考虑到|σ|<<|ωd|, 可推导出:
结合式 (7) 和式 (8) 可得:
由Aφ1=λ1φ1并考虑到式 (5) 中A的形式, 可得ω0φ21=λ1φ11, A31φ11+A33φ31=λ1φ31, 则
结合式 (6) 和式 (9) —式 (10) 可得:
2) 强迫振荡
考虑扰动输入, 线性化的系统方程为:
考虑共振的情况, 扰动频率等于系统的振荡频率, 即正弦扰动u=ηsin (ωdt+θ) 。
稳态时, 系统所有状态变量均以角频率ωd正弦变化。采用相量法进行分析, 扰动量表示为u=ηejθ, 可表示为jωdx, 则式 (13) 变为:
将A对角化, 得φ-1Aφ=Λ, 则
记φ-1Bu=f, 并考虑到λ1=σ+jωd, |σ|<<|ωd|, 则
其中,
推导可得:
比较式 (10) 和式 (18) , 可得式 (12) 在强迫振荡的情况下也成立。式 (12) 可以写成:
式 (19) 说明:在一个振荡周期内, 发电机实际的能量消耗可等价为其阻尼转矩产生的能量消耗, 阻尼转矩系数可通过阻尼转矩分析得到。由此证明了能量消耗和阻尼转矩的一致性。
利用能量消耗可以估计发电机的阻尼转矩系数, 如下式所示:
式中:n为正整数, 表示从时刻t开始的振荡周期数。
在单机无穷大系统中进行仿真验证。系统参数为:f0=50 Hz, U=0.995, XL=0.65。发电机参数为:Xd=1.81, Xq=1.76, Xd′=0.3, TJ=7.0s, Td0′=8.0s, D=0.0, Pm=0.9, Ut=1.0。利用阻尼转矩分析法计算得到阻尼转矩系数为1.903 7。自由振荡时, 利用式 (20) 估计得到的KDe=1.918 2。在无穷大母线电压上施加扰动, 扰动形式为U′=U+Udsinωdt, 系统发生强迫振荡, 利用式 (20) 估计的KDe=1.893 5。结果误差都很小。
2 网络中的振荡能量流
元件的能量消耗可以表示其阻尼大小。但是, 对于复杂的元件模型, 构造能量函数是非常困难的。本节提出一种计算电网中振荡能量流的方法, 该方法不需要构造能量函数, 利用WAMS数据即可计算得到。
2.1 振荡能量流的计算公式
文献[8-9]中提出了一种能量函数构造方法, 主要通过下面的积分得到系统的能量函数E:
式中:UB, IG, IL分别为母线电压、发电机注入电流和负荷电流向量;Y为系统导纳阵;Im (·) 表示取虚部。详细情况见文献[8-9]。
基于上述能量函数构造方法, 定义从母线i经过支路Lij传输的振荡能量为:
式中:Pij和Qij分别为支路Lij的有功功率和无功功率;Ui和θi分别为母线i的电压幅值和相角;fi为母线频率。
和文献[9]进行比较可以发现, 本文所采用的能量与电力系统的暂态能量是一致的, 但为了有所区别, 本文称之为振荡能量。下面还将说明, 式 (22) 的能量流中就包含了支路暂态能量的变化。
2.2 流入支路能量的组成
以发电机经典模型为例, 发电机方程为:
从发电机内节点流入发电机支路的振荡能量[9]为:
从网络流入发电机支路的能量包括两部分:一部分为发电机暂态能量的变化, 即;另一部分为发电机阻尼消耗的能量, 即∫Dω0ω2dt。
上述分析具有普遍意义, 即网络中流入支路的能量包含了两部分:一部分为支路暂态能量的变化;另一部分为支路消耗的能量。
下面在采用三阶发电机模型的单机无穷大系统中进行仿真验证。系统自由振荡时, 从机端流入发电机支路的能量如图1所示, 机端流入能量等于发电机暂态能量 (式 (2) ) 加上发电机的能量消耗 (式 (4) ) 。在无穷大母线电压上施加周期性扰动, 扰动频率与系统固有频率一致, 系统发生强迫振荡。机端流入发电机支路的能量如图2所示。稳态时发电机暂态能量等幅振荡, 发电机消耗能量持续增加, 机端流入能量等于发电机暂态能量加上发电机的能量消耗。
3 计算能量流的实用方法
3.1 利用变化量计算能量流
在低频振荡分析中, 重点关注的是能量的消耗或产生, 需要从能量流中去掉支路的暂态能量项。本节提出一种实用方法计算网络中的能量传输。
在式 (22) 中, 将各变量用相对于稳态值的变化量表示, 则能量的表达式为:
式中:s表示对应变量的稳态值。
记
当系统等幅振荡时, WOij是一个等幅振荡的分量, WDij包含有持续变化的分量, 是分析中需要重点关注的量。WDij还可有以下表达形式:
式中:ΔPij=Pij-Pij, s;ΔQij=Qij-Qij, s;P和Q既可以采用有名值, 也可以采用标幺值, 但不同情况下W将具有不同的单位, 一般采用标幺值;Δfi=fif0, 单位Hz;Δln Ui=ln Ui-ln Ui, s, 电压Ui既可以采用有名值, 也可以采用标幺值。
如果忽略网络中传输的无功功率和节点电压的变化, 则WDij近似为:
即文献[18]中定义的支路传输能量。因此, 文献[18]实际上是一种近似形式。
对于采用三阶发电机模型的单机无穷大系统, 当无穷大母线电压受到周期性扰动时, 利用变化量求取网络流向发电机支路的能量WDij, 与利用完整变量求得的Wij和发电机能量消耗进行比较, 如图3所示。WDij完整地保留了能量消耗或产生, 减弱了振荡分量。图3中同时给出了只考虑有功功率的近似值。
3.2 非等幅振荡的情况
当系统发生非等幅振荡时, 式 (26) 中的WOij不再是一个等幅振荡的量。本节提出一种启发式的方法, 可从发电机支路的WDij中提取出能量消耗或产生。
WDij是利用变化量求得的, 可认为是线性化系统中的能量传输。根据前面的分析, 流入支路的能量包含支路的暂态能量和消耗 (或产生) 的能量Wdp。WDij也认为由这两部分组成, 但是其中的暂态能量是线性化系统中的暂态能量。
对于发电机支路, 支路暂态能量可以认为由两部分组成:一部分是动能;另一部分是势能。在线性系统中, 能量一般具有二次函数的形式。在发电机支路的能量中, 动能Wk=TJω0Δω2/2;假设势能也具有类似的形式, 可表示为Wp=kΔxi2, 但并不知道具体形式。对于单一主导频率的振荡, 状态变量一般具有形式Δxi=Heσtsin (ωt+φ) , 则Wp=kH2·e2σtsin2 (ωt+φ) 。Wp的极小值点相等, 都等于0。
根据WDij的组成, WDij=Wk+Wp+Wdp, WDij和Wk较容易求取。利用机端流入能量减去动能, 得到WDij-Wk=Wp+Wdp。虽然不知道势能Wp的具体数值, 但知道Wp的极小值都相等。Wdp是单调变化的量, 可近似认为Wp+Wdp的极小值点与Wp的极小值点出现时刻相同。设Wp+Wdp的2个极小值点分别为p1和p2, 则两者之间的差为:
即得到了从p1点到p2点的能量消耗。如果, 表示在这个过程中该发电机支路消耗能量, 其阻尼为正;如果, 表示该发电机支路产生能量, 其阻尼为负。而且, 利用下式即可估计发电机的阻尼转矩系数:
式中:p1和p2为WDij-Wk的2个极小值点。
4 仿真验证
在单机无穷大系统中进行仿真, 利用式 (30) 估计阻尼转矩系数, 与阻尼转矩分析法得到的阻尼转矩系数进行比较。发电机采用三阶模型, AVR和PSS框图如图4所示。
仿真以下4种不同的情形。
情形1:无AVR。
情形2:有AVR, 无PSS, KA=5.0, TA=0.1s。
情形3:有AVR, 无PSS, KA=20.0, TA=0.1s。
情形4:有AVR, 有PSS, KA=50.0, TA=0.05s, KSTAB=7.0, TW=1.4s, T1=0.154s, T2=0.033s。
分别仿真自由振荡和强迫振荡的情况。强迫振荡通过在无穷大母线电压上施加正弦扰动实现。结果如表1所示。利用能量消耗估计的阻尼转矩系数与阻尼转矩分析法的结果吻合得很好。
图5和图6给出了情形2和3时机端流入能量减去动能的曲线, 曲线极小值点的轨迹可以近似能量消耗的情况。阻尼转矩系数为正时, 能量消耗为正;阻尼转矩系数为负时, 能量消耗为负, 即发电机实际是产生能量。情形4的发电机阻尼转矩系数为正, 强迫振荡时流入发电机的能量流如图7所示, 发电机持续消耗能量, 而且振荡稳态时消耗能量随时间稳定增加。
5 结语
本文提出了一种利用振荡能量进行低频振荡分析的方法。本文所采用的振荡能量与电力系统暂态能量是一致的。建立了网络中振荡能量传输的计算公式, 可利用WAMS数据计算得到网络中的振荡能量流。分析了流入支路振荡能量的组成, 提出了一种计算能量流的实用方法, 可以有效减少其中的暂态能量分量, 得到消耗或产生能量的情况。能量消耗的多少与阻尼转矩的大小一致。正阻尼的机组消耗能量, 可利用能量消耗估计发电机阻尼转矩系数。向电网中注入振荡能量的元件就是振荡源, 利用电网中的能量流即可快速定位振荡源。
摘要：提出了一种基于振荡能量的低频振荡分析方法。该方法通过网络中的振荡能量流评估元件的阻尼特性、定位负阻尼发电机和外施周期性扰动的位置。文中首先证明了发电机能量消耗和其阻尼转矩的一致性。然后利用广域测量信息, 建立了不需要构造能量函数的网络中振荡能量流的计算公式。由于流入支路的振荡能量包含支路暂态能量的变化以及支路消耗或产生的能量, 因此提出了一种计算能量流的实用方法, 以减少其中的暂态能量分量, 而只计算出支路消耗或产生的能量。由于系统的总能量与振幅对应, 因此消耗能量的元件对振荡衰减的贡献为正, 具有正阻尼, 而产生能量的元件是振荡源。利用发电机的能量消耗来估计其阻尼转矩系数, 与阻尼转矩分析的结果相符。利用能量流即可定位振荡源。
化学振荡论文 篇5
在模拟电子技术[1]课程中,判别振荡电路能否产生振荡的步骤的是:先看直流通路,看放大器件是否工作在放大区;再看交流通路,看是否满足振荡条件。RC振荡也好,LC振荡电路也好,振荡条件为:
此条件可分解为振幅条件和相位条件,即:
1 三点式振荡器的特点
所谓三点式振荡器,是指LC振荡器中选频网络有两个电容、一个电感或者两个电感、一个电容组成的振荡器。一般LC振荡电路在直流通路正常情况下判别能否振荡时由于振幅条件不便于判别,只看相位条件即可,只要相位条件满足,我们就说它能够振荡。振荡电路中的放大器可以是运放,也可以是由晶体管或者场效应管组成。对于由运放组成的电路,相位条件相对来说比较好判别;由晶体管或者场效应管组成的放大电路,要判别相位条件对学生来说有一定的难度。要正确判别相位条件需要先分析放大电路的组态,再看反馈信号与输出信号之间的相位差,两者判断错一个也得不到正确的结果。对此,根据多年来对模拟电子技术的讲解和对大量的振荡电路的分析,先把自己的一点总结供大家讨论。
我们知道,三点式选频网络中应该有两个电容、一个电感或者两个电感、一个电容组成,如图1所示,为方便叙述,现把选频网络中每两个电抗器件的结点给出一个编号。
在分析由晶体管或者场效应管组成的三点式振荡电路时,先看直流通路,在直流通路正常的情况下,交流通路只需要观察是否满足射同基反(或者源同栅反)。下面结合具体的电路进行说明。
2 电容三点式振荡电路
如图2和图3所示,是两个电容三点式的振荡电路。我们应用射同基反判断相位条件是否满足。
先看图2,图2中晶体管的发射极接的是三点式选频网络的2端,集电极接的是1端,基极在交流通路中接地,所以基极相当于接的是3端。发射极与基极间接的单个选频器件是电容C2,发射极与集电极之间接的是电容C1,发射极与其他两个电极之间接的是电抗性质相同的电容,所以射同已经满足;基极与发射极接的电容C2,基极与集电极之间接的单个选频器件是电感L,电感与电容是两个电抗性质相反的器件,所以基反也是满足的,图2电路支流通路正常,又满足射同基反的条件,所以是可以振荡的。
再看图3。放大器的组态虽然与图2不同,按射同基反分析仍然满足射同基反,直流通路正常,该电路也可以振荡。如果用相位条件判别也是满足的。
如果用相位条件来判断图2和图3中两个电路,可以得到:
注意观察图2和图3,电容三点式电路中选频网络的2端是电容与电容的结点,1和3端是电容与电感的结点,所以分析电容三点式振荡电路的相位条件时只需要看选频网络的2端是否直接或者通过一电阻与发射极(或者场效应管的源极)相连,1和3端是否直接或者通过一电阻与基极和集电极相连。图2中若去掉基极电容Cb相位条件仍然满足,电路只要振幅条件满足仍可振荡。
3 电感三点式振荡电路
图4所示是一个电感三点式的振荡电路。用同样的方法观察图中的电路发现晶体管的发射极与其他两个电极之间接的是电感,而基极与发射极之间接的是电感,与集电极之间接的是电容,满足射同基反,也就是满足相位条件,直流通路正常,在幅度条件满足的情况下可以进行正弦波振荡。用相位条件来判别可得到:
观察图4,电感三点式电路中选频网络的2端是电感与电感的结点,1和3端是电感与电容的结点,所以分析电感三点式振荡电路的相位条件时只需要看选频网络的2端是否直接或者通过一电阻与发射极(或者场效应管的源极)相连,1和3端是否直接或者通过一电阻与基极和集电极相连。这与电容三点式的振荡电路判别方法相同。
4 总结
三点式振荡电路是正弦波发生电路的一种,它与所有的正弦波振荡电路一样要遵守正弦振荡的条件,这里只是将它的相位条件变换为学生便于接受的形式。射同基反是在长期的教学中发现的规律,用它来分析三点式振荡电路能否振荡可以回避电路的组态,对学生来说判断是否满足射同基反要比判断是否满足相位条件简单得多。不足之处是这种方法目前也只由晶体管或者场效应管组成的单级三点式振荡电路适合,对其他类型的电路还需要继续探讨。
参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社第三版2001.