压电电动机论文（精选3篇）
压电电动机论文 篇1
摘要：电气控制系统中安全因素是主要的考虑因素, 它是实现安全生产的前提和基础。对于低压电动机的保护器运行原理进行详细的分析, 能够更好的应对其在运行过程中所出现的种种故障, 进而实现对其在电气控制系统中的有效安全保护。
关键词：电气控制,低压电动机,保护
1 低压电动机的保护控制器运行原理
低压电动机是应新技术的发展而产生的, 它在提高运行效率、增加安全性方面与传统的电动机相比更具优势。电气控制系统中的低压电动机所使用的控制保护器采用网络通信技术, 结合软启动器、接触器等配套装置, 形成了一整套的拥有测量、控制、通信及保护功能的专业化解决方案。新型的低压电动机没有热继电器、热保护器、剩余电流动作保护等独立的保护器, 同时取消了中间继电器、测量仪表、可编控制器等设备, 这些优势条件使得其成为智能型电动机的首要搭配选项。在优良的技术性能支持下, 低压电动机保护器在市场中迅速占据了很大的比例与份额, 国际知名品牌, 如SIEMENS、ABB、Schneider等, 都是专业生产低压电动机的制造商;国内近几年也致力于低压电机的生产与制造, 并通过不断的技术革新, 极大降低了生产成本, 因而低压电动机保护控制器会逐渐取代传统的电动机保护装置。
2 加强电气控制系统中低压电动机的保护措施
2.1 短路保护
短路保护是应对电器或线路绝缘损坏、负载短路、接线错误而应用的一种保护措施。短路发生的过程中会产生出高于额定电流数倍的瞬时故障电流, 从而导致输电线路或电器设备在电流过大的情况下发生受损, 甚至引发火灾。短路保护要求具备瞬动特性, 能够在很短的时间内完成电源的切断。常用的短路保护方式主要有低压断路器保护和熔断器保护两种。对于不同的电动机短路原因要做具体分析, 并采用不同的保护方式。电动机如果出现绕组过热现象就会严重损毁机器, 这种现象在南水北调节制闸作业时尤其明显, 由于节制闸室内环境潮湿, 定子绕组间的绝热保护层不是十分牢固, 因而很容易发生电击穿现象;电动机为双层绕组的, 槽中分为上、下两相绕组, 层间的薄弱绕组更加容易引起电击穿现象的发生。相间短路故障主要是由于电流中正负序电流发生异常, 异步电动机相间发生短路故障之后, 电动机就会出现电流不平衡、声音不正常、熔断器烧毁或者是保护器烧毁的现象, 因而要及时加强电动机的保护。
2.2 过电流保护
过电流保护是指在电流超过电动机额定电流之后所采取的一种保护措施。发生过电流之后, 要在电气元件损坏、允许最大升温之前采取措施将电流恢复到正常值。采用过电流继电器对于电动机实施过电流保护, 将电流继电器线圈按接在被保护电路中, 电流达到电动机所规定的额定值之后, 过电流继电器主触头断开, 发挥切断电动机电源的作用。
2.3 弱磁保护
将电流继电器线圈接入电动机励磁线圈回路中, 当励磁电流过小, 没有达到额定电流时, 将常开触头接在电动机电枢回路中的接触器上, 欠电流继电器释放;将接触线圈电路切开, 接触器线圈的电流释放;主触头直流电动机回路断开后电动机电源自行断开, 以此达到电动机器保护的目的。直流电动机超负荷运载时, 会出现磁场消失或弱化的现象, 电枢电流运行速度过快能够促使其绕组的绝缘保护装置薄弱而出现损耗;直流电动机在轻符合运载的情况下发生磁场消失现象就会导致电动机超速或飞车, 这两种情况下都会对电动机产生损害, 因而针对其所具有的磁场特性可以采取弱磁保护措施, 达到电气控制系统中低压电动机保护的目的。
2.4 电压保护
(1) 失电压保护。电动机正常运行过程中由于电压不稳定而导致电压的突然消失进而引起机器设备的停运, 在电压未恢复过程中, 没有对正在运行的机器作断电处理, 在电压恢复正常、电动机重新运行时, 机器会发生故障损害或是出现人身安全事故, 因而必须采用必要措施减少此类损害的发生。失电压保护是在电压恢复过程中电动机自行运作而采取的保护措施。失电压保护措施可以采取按钮控制、接触器等机器设备实现对电动机的重新启动或停转。接触器能够在电压消失的情况下自动释放进而做到切断电动机电源;在电压重新恢复之后由于接触器锁头已自行断开, 电动机并不会自行运作。采用不能自动复位的控制接触器, 如手动开关、控制开关等, 要使用专业化的零电压继电器使用装置进行安装;如果电动机在运行过程中存在失电现象, 零电压继电器释放, 则电源电压自动恢复后由于自锁电路断开, 电动机不会自动运行。
(2) 欠电压保护。电动机运行所需要的电压是一定的, 在电源电压过低的情况下, 会导致电磁转矩速率下降, 而电动机所负载的转矩并没有发生变化, 这时就会发生电动机的电流量增大、转速下降的现象。当电源电压降低到电动机所需额定电压的70%时, 必须停止电动机的运转, 否则引起电动机故障。欠电压保护可以使用接触器控制器、按钮控制器等设备;电路中的释放电压值为常用的额定电压值的0.5倍, 在电源中接入欠电压继电器线圈, 在接触器线圈电路中接入常开触头, 能够实现电源电压值低于释放值, 接触器主触头会自动断开电动机电源, 进而实现欠电压保护。
3 结语
对于电气控制系统采取安全保护措施十分必要, 只有在电动机安全运作的前提下, 才能够顺利完成生产任务。在进行电气控制系统的安全设计过程中要综合考虑各种因素, 以及时避免各种不必要的安全事故的发生。可以增加电路控制系统中的各种安全保护装置, 使用过电压保护、欠电压保护、弱磁保护、短路保护等多种保护手段, 以实现对电气控制系统中的低压电动机保护。
参考文献
[1]高纲.电气控制系统中低压电动机的常用保护环节探析[J].《机电信息》2011 (33)
[2]何德佑.浅谈低压电动机常用的保护环节[J].《职业技术》2010 (7)
[3]姚丁丁.低压电器数字化控制与保护技术研究[D].同济大学电子与信息工程学院同济大学:电力系统及其自动化2009
压电效应以及压电材料的研究 篇2
1 压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用变形时, 内部会产生极化现象, 同时在某些表面上产生电荷, 当外力去掉后, 电介质表面又重新回到不带电的状态, 这种现象称为正压电效应。反之, 在电介质极化方向上施加电场, 它会产生机械形变, 当去掉外加电场后, 电介质变形随之消失, 这种现象称为逆压电效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸钡等材料是性能优良的压电材料。
2 压电材料
目前, 在传感器中常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压电半导体等。
2.1 压电晶体
(1) 石英晶体:
石英晶体即二氧化硅 (SiO2) , 有天然石英晶体和人工石英晶体两种。它的压电系数d112.31 10-12 C/N-=×, 在几百度温度范围内, 压电系数几乎不随温度而变化, 当温度达到575℃时, 石英晶体完全失去了压电性质, 这就是它的居里点。石英的熔点为1750℃, 密度为2.65×103kg/m3, 有很大的机械强度和稳定的机械性质, 可承受高大68MPa~98MPa的压力。鉴于石英晶体有上述性质及灵敏度低、没有热释电效应 (由于温度变化导致电荷释放的效应) 等特性, 石英晶体主要用来测量大量值的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和用来制作标准传感器。
(2) 水溶性压电晶体:
最早发现的是酒石酸钾钠 (NaKC4·H4O6·4H2O) , 它有很大的压电灵敏度和高的介电常数, 压电系数d113×10-9 C/N, 但是酒石酸钾钠易于受潮, 它的机械强度低, 电阻率也低, 因此只限于在室温和湿度低的环境下使用。
(3) 铌酸锂晶体:
1965年通过人工掉拉发法制成铌酸锂大晶块, 铌酸锂 (LiNbO2) 压电晶体和石英相同, 也是一种单晶体, 为无色或淡黄色。由于它是单晶体, 所以时间稳定性远比晶体的压电陶瓷高, 在耐高温的传感器上有广泛的应用前景。但是, 铌酸锂具有明显的各向异性力学性能, 与石英晶体相比它很脆弱, 而且热冲击性很差, 所以在加工装配和使用中必须小心谨慎, 避免用力过猛、急冷和急热。
2.2 压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。在无外力电场作用下, 电畴在晶体中杂乱分布, 极化效应相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零, 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于外电场方向排列, 从而使材料得到极化。外电场越强, 就有更多的电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 去掉外电场后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。
(1) 钛酸钡压电陶瓷:
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 (BaTiO3) , 由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍, 但使用温度低, 最高只有70℃, 温度稳定性和机械强度都不如石英。系压
(2) 锆钛酸铅系列压电陶瓷 (PZT系列) :
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅 (PZT系列) , 它是钛酸钡 (BaTiO3) 和锆酸铅 (PbZrO3) 组成的Pb (ZrTi) O3, 有较高的压电系数和较高的工作温度。
(3) 铌酸盐系列压电陶瓷:
铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅 (Pb (Mg·Nb) O3) 、锆酸铅 (PbZrO3) 和钛酸铅 (PbTiO3) 按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷, 具有极高的压电系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。
2.3 压电半导体
近年来出现了多种压电半导体, 如硫化锌 (ZnS) 、碲化镉 (CdTe) 、氧化锌 (ZnO) 和硫化镉 (CdS) 等, 这些压电材料的显著特点是既具有压电效应, 又具有半导体特性, 有利于将原件和线路集成于一体, 从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。表1列出了石英的切型和它的声表面波特性。
摘要：本文简介了压电效应以及压电材料, 并简述了其工作原理。
关键词：压电效应,压电材料
参考文献
[1]程守洙.普通物理学1[M].北京:高等教育出版社, 1998.
压电电动机论文 篇3
聚偏氟乙烯薄膜(以下简称为PVDF)是半晶质聚合体(微晶约占65%)。此聚合体由重复的CF2-CF2长链分子组成。PVDF压电薄膜很强的压电-焦热电行为主要与氟-碳原子间很大的电负性有关,因此有很大的偶极矩。通常,采用在PVDF压电薄膜表面喷镀或涂饰微米厚的白金或铝形成电极,这样构成PVDF压电薄膜传感器。这种传感器的厚度大约在几到几十微米范围内。PVDF压电薄膜的灵敏度系数与所测方向有关,在拉伸、横向和厚度方向有不同值。
PVDF可输出较大的电压值,它大约比陶瓷压电传感器高十倍左右;且能将施加的变形(应变)呈比例地转为电荷量(电压)。这种薄膜质量轻、韧揉、变形强度高、频率响应很宽(10-3—109Hz)、声阻抗低、防潮,可很容易与所测物体粘接[2]。在过去数年研究中,通过将PVDF夹在分离式Hopkinson压杆的两杆间来测定和校准其动态响应,它较高的频响特性得到了验证[3,4,5]。在应用方面,Zhu等[6]用自行设计的PVDF传感器成功地测量了激光在Al和T300/环氧复合材料靶体中诱发的冲击波。Xi和Zheng[7]对PVDF传感器频响进行了校准,得出PVDF具有比应变计更小噪声,用PVDF所测压缩脉冲响应时间和应变计所测相同等结论。Guo[3],Liu和Hu[5]利用PVDF成功地测定了泡沫金属和低波阻抗材料的动态性能。由于具有很宽的频响,PVDF已被成功地制成各种理想的力传感器,也用到飞行器风挡玻璃的鸟撞试验中,用来测定冲击载荷。但通常像鸟撞试验和其他一些特殊用途的条件很复杂,研究者和工程技术人员一直想知道PVDF在不同环境条件下的性能变化。因此,在本文中,我们利用MTS伺服液压试验机和分离式Hopkinson压杆装置,以多种载荷条件、在温度从293—363K之间对PVDF的性能进行了系统的测试,通过结果分析得到一些重要的结论。
1 温度对PVDF压电系数的影响
1.1 低噪声源跟随器
当力F作用在PVDF厚度方向(常称第3方向)时,在PVDF薄膜中所引起的电荷Q为:
其中D33为PVDF的压电系数(介电常数)。
为便于测量和记录,电荷Q须转为电压量,这可通过具有高频响的源跟随电路实现,具体电路如图1所示。通常,这个低噪声源跟随转换器主要由一个MOSFET(场效应管)组成,转换器具有较高的输入端阻抗(一般高于109Ψ)和低的输出端阻抗,以确保电荷Q不短时释放掉,转换器具有从低到高很宽的频响(大于1MHz)。记Cp是PVDF的等效电容,其值与薄膜的面积和厚度有关,通常约为102nF量级;Cg是连接线的等效电容,也在102nF量级左右;C是输出可调电容。参考电路上的电容Cp、Cg和C,电荷Q可为:
(2)式中VI为对应电压。这样,源跟随转换器输出电压V0可表示为:
(3)式中A是转换器的放大/衰减系数。将(3)式中Q用(1)式代替,得到:
实际上,C值为0.1F量级,比Cp和Cg值高约两个量级。所以在(4)式中可忽略Cp和Cg,不会对结果产生显著的影响。利用这个近似结果,力F和输出电压V0的关系可表示为:
于是,若能测得力F(或者应力)和对应的输出电压V0,就可以通过计算得到参数D33。
1.2 温度的影响
利用MTS试验机来研究PVDF在力作用下的温度效应。由两台可控石英灯实现温度变化,由热电偶丝测量实际温度,试验温度误差保持在±2℃。图2(a)为试验现场照片。图2(b)为D33值与其对应载荷关系曲线。从图2中可以看到,D33随着温度变化和不同加载卸载路径而变化。同时,在外载荷较小时(小于5 000 N),D33值在加载和卸载时有剧烈波动。图2(c)为加载过程中D33变化曲线,D33值随着温度的增加而显著增长。图2(d)显示了室温(293 K)加载时D33值的变化。这些结果表明PVDF的压电系数D33对周围环境温度很敏感,而且D33值在低(初始)加载阶段很不稳定。
2 动态载荷的影响
为了测定PVDF的低频响应,在MTS试验机上对PVDF进行幅值加载、加载为不同频率的三角/正弦波。图3(a)为典型的循环曲线,从中可以看到卸载与加载路径不重合。图3(b)为对应的D33-压缩载荷曲线,显然D33值在加载和卸载过程中不同,但不同频率条件下加载/卸载的D33值很接近。在加载频率为40 Hz时D33值和其它情况不同,这可能是由于试验机动态频响有限造成的。
利用分离式Hopkinson压杆装置来测定PVDF的动态响应。采用此装置是因为它能提供上升时间相对短且压力范围较宽的动态压力。先将一片PVDF夹在直径为30 mm的入射杆和透射杆之间,一般PVDF厚度小,应力波在其中传播的时间极短(约几十纳秒)。 因此,可忽略PVDF夹在两杆间对实验结果的影响。当撞击杆撞到入射杆后,在入射杆上产生的方波几乎全部经过PVDF传到透射杆中,图4为PVDF输出信号和杆上的应变信号对比,两种脉冲信号几乎重合,脉冲的上升沿大约历时几十毫秒,由此可看出PVDF有和应变计相同的频响。
为了检验PVDF在冲击载荷下的响应,如试验照片图5(a)所示,将一片PVDF薄膜(1号)粘接在Hopkinson压杆装置中入射杆的被冲击端。将另一片PVDF薄膜(2号)夹在两杆之间。图5(b)为试验系统示意图。分别用橡胶、合金铝和钢制成的子弹直接撞击粘在入射杆上的PVDF。在图6(a)中,将1号薄膜和2号薄膜的输出信号进行比较,发现两个脉冲具有完全相同的波形。在图6(b)中,将PVDF脉冲和应变计的信号脉冲作比较,发现它们完全相似。从试验曲线能够得出这样的结论:可直接将PVDF夹在Hopkinson装置的两杆之间,然后用不同的子弹撞击入射杆可测试PVDF的动态响应,从而验证PVDF的冲击响应。同时可以看到PVDF具有和应变计相同的冲击响应。
2.1 倾斜加载PVDF的响应
在许多实际应用中,冲击或撞击是沿一定倾斜角度作用在PVDF表面上的,可以看作PVDF是受到一个薄膜面上的法向力和一面内剪切力的合力作用。图7为这种情形的试验模拟图。在图7(a)中,φ定义为倾斜角,分别取0°, 15°, 30° 和45°。试验是在MTS试验机上对试样加载一个频率为0.1 Hz的恒幅三角波,F是施加到PVDF的斜向载荷。从图8(a)中可以看到,PVDF输出的电压随着倾斜角的减小(从45°到0°)而增大,而且加载路径和卸载路径仍不相同。图8(b)显示了D33值在不同加卸载角度φ时的变化情况,其中横坐标为斜向载荷F,而D33是通过斜向载荷F在薄膜面上的法向分力得到的。从图8中可看出D33值将随φ的增大而增大。这说明在实际斜向受载时应注意不能将D33值直接用于斜向受力的测试,应针对不同倾斜角度重新标定D33。
2.2 风挡鸟撞试验的实例
在鸟撞试验中,尺寸为30 mm ×30 mm的PVDF薄膜被粘贴在飞行器挡风玻璃可能被撞击的区域,如图9(a)所示。所有薄膜几乎都受到一定倾斜角的撞击力。图9(b)为试验中PVDF输出脉冲的时间函数曲线。因为PVDF具有很高的频响时间,通常为毫秒量级,所以它可以用来测定鸟撞产生的冲击力。
3 结果讨论和结论
以上结果表明:PVDF薄膜对温度很敏感,所以随着温度的变化,D33值会发生显著的改变;在加载或卸载的开始阶段,D33值有很剧烈的波动,所以在实际应用中,应该采用预加载以保证压电系数D33稳定;注意到PVDF的动态响应极好,D33值在不同的加载-卸载频率时几乎保持稳定,但加载时的D33值与卸载不同;当PVDF受到倾斜冲击时,D33值会随着冲击倾斜角的变化而变化,所以在实际应用中,应根据真实的冲击角对PVDF进行校准。总体看来,PVDF压电薄膜更适用高速撞击、冲击这类动态力的测试。几个值得注意的结论如下:
(1) PVDF的压电系数D33对环境温度十分敏感;
(2) 在加载初始阶段,D33值会有剧烈波动,这意味着应提供一个预载,以便使PVDF的压电系数D33稳定;
(3) 重复加载中,加载时的D33值与卸载不同;
(4) 在倾斜加载情形下,D33会因为剪切力的存在而随着倾斜角的变化发生显著改变;
(5) PVDF薄膜具有很宽的频响,它可以用来测定在不同加载条件下的撞击或冲击载荷。
参考文献
[1] Dargahi J. A piezoelectric tactile sensor with three sensing elements for robotic, endoscopic and prosthetic applications. Sensors and Actuators, 2000;80(1): 23—30
[2] Mclaughlin J, McNeill M, Braun B, et al. Piezoelectric sensor determination of arterial pulse wave velocity. Physiol Meas, 2003; 24(3): 693—702
[3] Guo W G. A Hopkinson pressure bar with thin film for mearing dynamic behavior of metallic. J Experimental Mechanics (in Chinese). 2005;20(4): 635—639
[4] Zen G H, Yu S J, Yang J X, et al. Calibration of dynamic sensitivity of PVDF pressure transducer. J Transducer Technology (in Chinese). 2003;22(10): 39—41
[5] Liu J F, Hu S S. Application of PCDF gauges to determine dynamic mechanical behavior of low wave impedance material. Explosion and Strike Waves (in Chinese). 1999;19(3): 229—234
[6] Zhu W H, Li Z Y, Zhou G Q, et al. Measurement of laser-induced strike waves by PVDF. J Experimental Mechanics (in Chinese). 1997;12(2): 216—220
[7] Xi D Y, Zheng Y L. Application of PVDF gauges to dynamical stress measurements. Explosion and Strike Waves (in Chinese). 1995;15(2): 174—179
[8] Nemat-Nasser S, Isaacs J B, Starrett J E. Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments. Proc R Soc Lond, 1991;435(A): 371—391