电流变效应

电流变效应（精选8篇）

电流变效应 篇1

摘要：随着汽车工业的发展,社会汽车保有量的不断增加,人们对汽车的行车安全性越来越重视,对汽车防抱死装置(ABS)的要求也越来越高。本文利用电流变液所具有的特性,巧妙的将其与ABS结合起来,提出了一种新型的制动模型,并结合模糊控制方法,利用MATLAB软件进行了仿真控制。

关键词：电流变效应,ABS,模糊控制

1 电流变效应的机理

电流变液是一种新型的智能材料,它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体电介质颗粒所制成的悬浮体。用作母液的常为硅油和矿物油等。用作固体颗粒的可以是无机非金属材料,有机半导体材料或高分子半导体材料。在电场的作用下,电流变液会形成一束由固体电介质颗粒组成的纤维状的“链”,横架于正负二极之间。这是由于电介质颗粒在电场中极化之后,其相互之间作用力增强并通过链从电极的一端传到另一端的缘故。这样电流变液在电场的作用下就从流动性好且具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定剪切屈服应力的粘塑性体(既所谓的“硬化”),随着电场的加强,这种剪切屈服应力还会有相应的提高。这种特性称之为电流变效应。

电流变效应具有以下几个固有特性[1]:

1)在电场作用下,液体的表观粘度或剪切应力能有明显的突变,可在毫秒瞬间产生相当于从液态属性到固态属性间发生变化;

2)这种变化是可逆的,即一旦去掉电场,可回复到原来的液态;

3)这种变化是连续和无极的,即在液-固、固-液的变化过程中,表观粘度或剪切应力是无级连续变化的;

4)这种变化是可控制的,并且控制变化的方法简单,只需加一个电场,虽然电压较高,但电流很小,因此对其控制属于信号控制,容易实现与计算机的结合,进行自动控制。

根据电流变液的上述特性,在实验基础上可建立电流变液剪切应力τ与剪切速率γ觶关系的Bingham模型:

式中:τy(E)为电流变液的屈服剪应力,与外加电场强度E有关;η0为电流变液的表观粘度,一般随电场强度E的变化较小,可近似认为不变。

电流变制动器能否实现其制动功能,关键在于是否有能够产生足够强的剪切应力的电流变液体。由文献可知,目前研发出来的电流变液的最大屈服应力达到130kPa[2],能够满足汽车制动的要求。采用电流变液体制成的制动器结构简单,容易控制,只要通过调节电压的大小就可以控制输出制动力矩的大小,从而改善防抱死控制过程的控制性能。

2 车辆动力学模型

2.1 单轮车辆模型

本文重点是对电流变液体在汽车ABS上应用效果的研究,故采用简化的单轮模型,如图1所示。

假设汽车有四个车轮,汽车质量均匀分布在每个车轮上。研究对象包括四分之一的汽车模型和四分之一的轮胎模型。制动时,汽车和车轮受力如图1所示。汽车在水平地面上沿直线前行,当开始制动时,电流变液体在电场作用下,所产生的制动力矩TE增大,车轮转速ωE降低,使车速νV也降低,直到制动器产生的制动力大于轮胎与地面的附着力Fx时,轮胎与地面将产生相对滑移,即车轮开始抱死。

由汽车和车轮的动力学模型得到的微分方程分别为:

其中:M为每个车轮的等效承载质量,约为汽车质量的1/4;Fx为轮胎与路面的纵向附着力,Fx=φxi(S)Mg;φxi为轮胎与路面的纵向附着系数;S为轮胎与路面的水平纵向滑移率,;νV为汽车线速度;ωw为车轮角速度;R为轮胎的有效半径;Jw为车轮转动惯量;TE为车轮的制动力矩。

2.2 轮胎模型

汽车运动依赖于轮胎所受的力,如纵向制动和驱动力、侧偏力等,所有这些都是滑移率、侧偏角、侧斜角及汽车运动速度的函数。本文用双线形模型来简化轮胎模型[3],如图2所示。

公式中:S燮Sc为稳定区域;S>Sc为不稳定区域;Sc为最佳滑移率;S为车轮滑移率;μg是当滑移率为100%时的附着系数;μh为峰值附着系数。

2.3 制动器模型

本文主要基于电流变效应的ABS在汽车中应用的效果,故采取对其传动轴进行控制的方式进行防抱死控制,制动装置如图3。

圆筒式电流变制动装置的工作原理如图3所示,A和B为两个同轴圆筒C的传动轴,A圆筒固定不动,B圆筒固定在C轴上,随C轴一起转动;A圆筒内半径为R'1,B圆筒的外半径为R1,两圆筒之间的间距是h(=R'1-R1)。当充满电流变液的两圆筒之间加一电场时,由于电流变液的电致屈服应力和粘性剪切应力产生的力矩T,阻止B圆筒旋转,从而制动C轴。设C轴的角速度为ω(rad/s),并假定:

1)流体为不可压缩;

2)流动为层流;

3)运动是稳态的,即连续性方程和运动方程中所有对时间的导数均为零;

4)流体与两圆筒壁直接接触,即无滑脱;

5)不计边缘效应;

6)系统等温。

当C轴以角速度ω旋转,设ω沿z轴线性分布,则剪切应变率γ觶为:

把电流变液作为Bingham流体,则流体的本构方程为:

式中:τy———流体的电致屈服应力(Pa);

η0———液体粘度(m2/s);

ω———角速度。

式中:k,α———与电流变液有关的参数[4];

E———电场强度(V/m);

U———加载的电压(V);

h———A筒和B筒之间的间隙(m)。

A,B两圆筒所受的内摩擦力为:

式中:S为接触面积,对于内圆筒B筒,其接触面积S=π·2R1·L,则:

则电流变液产生的力矩:

因为电流变液在无外加电场时表现为牛顿流体,在外加电场作用下表现为Bingham流体。所以上式中右边第一项代表电致屈服应力产生的力矩,第二项代表流体粘性传递的力矩。

通过以上所述可以知道,只要控制电压U的变化就可以控制制动力矩T的变化,进而根据不同的控制方法,达到防抱死的制动要求。

3 基于模糊控制的汽车ABS控制仿真

3.1 汽车ABS模糊控制器的设计

模糊控制(Fuzzy Logic Control)是近代控制理论在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论,它是智能控制的一个重要分支。本文模糊控制所涉及的精确量的模糊化有三个量:偏差量E,偏差变化率EC及控制量U。对防抱系统采用滑移率控制时,滑移率的变化范围为[0,1],设定期望滑移率为0.16。

一般选择7个词汇的词集,本文选择邀负大,负中,负小,零,正小,正中,正大妖这7个词汇组成词集,相应的英文表示为邀NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB妖。模糊控制规则表1所示,输入输出的隶属度函数如图4和图5所示,反模糊化采用重心法[5]。

3.2 仿真结果

为验证电流变效应在汽车ABS中的可行性,采用前面提到的单轮车辆模型及轮胎模型和制动器模型在MAT-LAB/Simulink7.0环境下进行仿真。仿真采用定步长ode45(Dormand-Prince)算法,步长取0.001。车辆模型参数和制动器相关系数为k=0.0254;a=1;η0=0.05;L=185mm;h=1mm;R1=61mm;R轮胎=300mm;以初速度60km/h开始制动。仿真结果如图6所示。

从MATLAB仿真的结果可以看出此制动装置基本满足ABS的制动要求,滑移率基本保持在参考滑移率左右,制动的时间也比较短,初速度为60km/h时约7s后就可基本减速至0。对使用这种新型电流变效应制动器的车辆而言,模糊控制以滑移率为控制目标,能实现车轮的临界抱死,达到防抱死的目的,具有很好的防抱死效果。

4 结论

本文将电流变效应应用于防抱死系统,利用对电场的控制取代了原有ABS对制动轮缸的控制,这对于今后汽车防抱死系统的研究具有非常重要的意义。这种基于电流变效应的制动装置改善了现有制动器的诸多缺点,特别是采用电路控制代替传统制动作动系统,减少了挂车的制动滞后,也减少了制动系统非线性因素,使得制动过程更稳定。另一方面,电流变液制动时所需的高压电源是一个关键问题,如何在车体上获得高压电源,并能够实现实时控制,这都是今后此装置研究的技术关键。

参考文献

[1]魏宸官.电流变技术[M].北京:北京理工大学出版社,2000.

[2]温维佳,黄先祥,杨世和,等.巨电流变效应及其机理[J].物理,2003(12):777-779.

[3]程军.防抱制动系统不同控制方法的模拟研究[J].汽车技术,1998(8):1-7.

[4]陈淑梅.电流变液体性能的试验研究[J].机械工程学报,2002(9):3.

[5]何平,王鸿绪.模糊控制器的设计与应用[M].辽宁:科学出版社,1997.

电流变效应 篇2

苏科版《电热器 电流的热效应》是在对电功理解的基础上展开的。生活中电流通过用电器做功消耗电能，但不同的用电器能量转化的方向不同。在应用公式时，选取出现限制，而学生还不能理解其背后的缘由。在此基础上，进行电热的教学是非常必要的。

二。教学课题：电热器 电流的热效应

三。教材分析：

《电热》从生活中常见的电热器入手，让学生形成一种认识，电流在通过用电器做功时一定会放出热量。进一步，从生活经验出发，引导学生猜测电热的多少与哪些因素有关，从而迅速地切入正题——用实验的方法研究电热与电流、电阻和时间的关系。这样做的好处是体现了物理知识“从生活中来”的指导思想，也体现了物理研究问题的方法。在教学中如何巧妙地启发学生的思维，点燃他们的方案设计的热情，这中间要靠教师善于发现学生思维上的盲点和闪光点，逐步引领学生完善实验的设计。我认为如何在教师引领下完成实验探究的整体设计是本节课的关键。

1.教学目标：

（1）知识与技能

知道电流的热效应，电热与哪些因素有关；

理解焦耳定律的内容、公式、单位及其应用。

（2）过程与方法

探究电热影响因素，体会等效替代法和控制变量法。

（3）情感、态度与价值观

介绍焦耳对电热探索的过程，引发学生勇攀科学高峰的热情。

2.重点难点：

难点：电热影响因素的实验设计；对焦耳电律的理解。

重点：认识电流热效应；探究电热影响因素；理解及应用焦耳定律。

3.教学流程图：

四。教学方法：

引入环节要通过亲身体验让学生认识到电流通过导体会产生热量，完成对电热的感性认识。然后引发讨论，电热的多少会受到哪些因素的影响？

在完成实验设计后，动员学生参与操作，因为在实验过程中会产生很多细节问题，包括现象的观察和操作流程的解释。在定性地总结出电热对哪些因素有关以后，要强调焦耳是经过了大量的实验，收集了大量数据以后才确定了电热与电流、电阻和时间的定量关系，总结出焦耳定律。一项科学研究或发现对于研究者来讲，其实是要历经很多艰辛才能完成的，让学生在获取知识的同时，给予认知过程以应有的敬畏，增加对焦耳等科学巨匠的认同感。

对焦耳定律内容的教学应注意Q=I2Rt是实验结论，是电热定义式，而非推导公式，要避免与电功的公式混为一谈。在得出推导公式前要注意条件的交代，但不必进行阐述，要给下一课时的学习埋下伏笔。

公式应用以简单的计算和解释生活中的电学现象为主。

五。教学过程：

教 学 流 程 学生活动 设计意图 引入：

实验激趣：

发光一段时间后的灯泡，用手触摸灯泡；使用一段时间后的电风扇，摸触电动机部分，都有什么感觉？

提出问题：为什么？

学生回答：电流通过用电器时会出现热效应。

新课教学：

（一）电热器

师生交流：

1.家里还有哪些用电器通电后会发热？

2.课本P1页图15-中的家用电器有何共同点？我们使用这些电器是为了得到哪一种能量？

学生归纳：

教师总结：

1.电流热效应是每一种用电器使用时都会出现的；

2.电热器就是主要利用电流热效应工作的装置。

（二）活动：电热的因素

1.由生活现象引发思考：电热多少与什么有关？

2.大胆猜测：

3.设计实验：

（1）器材装备：

师生讨论：

你想用什么样的用电器来产生电热？

准备用什么器材比较出电热的不同？

（2）方法确定：控制变量法 转换法

（3）电路连接：

师生讨论：

根据实验的要求，要控制变量，这两根电热丝应该怎样连接？

如何改变电流的大小？

（4）实验步骤：

4.进行实验：

（1）介绍如图实验装置，在两个相同的烧瓶中装满煤油，瓶中各装一根电阻丝，A瓶中电阻丝的电阻比B瓶中的小，串联起来，通电后电流通过电阻丝产生的热量使煤油的温度升高，通过观察温度计示数的变化，就可以比较电流产生的热量的多少。

（2）分步实验：

A.两个电阻串联，加热的时间相同，A瓶相对B瓶中的电阻较小，B瓶中的温度计示数变化的多。表明：同等条件下，电阻越大，电流产生的热量越多。

B.在两瓶煤油温度下降到室温后，加大电流，重做实验，让通电的时间与前次相同，两次实验比较A瓶前后两次煤油上升的温度，第二次温度上升的高。表明：同等条件下，电流越大，电流产生的热量越多。

C.如果加长通电的时间，瓶中煤油上升越高，表明：同等条件下，通电时间越长，电流产生的热量越多。

5.得到结论：

电流通过导体产生的电热与导体中的电流大小导体电阻和通电时间有关。相同条件下，电流越大，电阻越大，通电时间越长，电热越多。

（三）焦耳定律

师：英国物理学家焦耳做了大量的实验于1840年最先精确地确定电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。

师生交流：

1.焦耳定律的公式：Q=I2Rt

2.单位：I——A，R——Ω，t——s。则Q——J

例题：一只白炽灯，灯丝正常发光时电阻为44Ω，现将其接在家庭电路中，工作10min,求灯丝所放出的热量为多少？

方法一：

解：由I=U/R=220V/44Ω=5A

由Q=I2Rt=（5A）2×44Ω×600s=6.6×105J

方法二：

点评：

结合I=U/R，焦耳定律可以推导出两个公式：Q=U2t/R和Q=UIt。有时，这两个推导公式应用更灵活。

练习巩固：

1.下列各用电器均标有“220V 60W”字样，它们正常工作相同的时间，发热最多的用电器是（）

A.电视机

B.电风扇

C.电热毯

D.电灯

2.在探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关的实验中，镍铬合金丝和铜丝按如图所示的方式连接在电路中，镍铬合金丝的电阻比铜丝的大，甲、乙烧瓶中盛有等量的煤油，通电一段时间后（）甲 乙

A.甲瓶中温度计的示数变化较大

B.乙瓶中温度计的示数变化较大

C.两瓶中温度计的示数变化一样大

D.条件不足，无法判断

3.小明在商场看到外形和容量完全相同，但额定功率分别是800W和1200W两种规格的不锈钢电热水壶。他认为800W的电热水壶功率小，比较省电。如果从节能的角度考虑，你认为他的想法合理吗？请说明理由。

课堂小结：

本节课了解了电热是每一种用电器都会出现的现象。紧扣电热多少与哪些因素有关设计实验，得到结论——焦耳定律。同时还得到了电热的推导公式。

布置作业：

电流互感器变比试用校验法 篇3

电流互感器

先按小变比试校, 比如先按150/5校验。负荷箱切换到对应的容量 (伏安数) , 电流互感器的接线必须正确 (一般按减极性接线) , 试验电压从零均匀地升到120%UN (UN, 互感器额定电压) , 然后再由120%UN均匀地降至零。这一过程叫做去磁试验, 先排除电流互感器铁心剩磁对测量误差的影响。同时观察这一过程中校验仪的极性指示灯是否点亮变成红色。如果校验仪的极性指示灯变成红色, 则说明此电流互感器误差很大或是变比不正确, 因为变比错误, 本身就会产生很大的计量误差。做好记录。

然后用同样的校验方法, 按200/5的变比校验。在此过程中, 如果校验仪的极性指示灯没有点亮, 则说明此电流互感器误差并不大, 且不存在变比错误 (即此电流互感器变比为200/5) 。接下来将试验电压从零逐步升到5%UN, 10%UN, 20%UN, 100%UN, 直至120%UN并记下误差。然后再将试验电压从120%UN, 100%UN, 20%UN, 10%UN, 5%UN降至零, 并记下各测量点的变比误差、相角误差。

对误差记录进行分析, 看看每个试验点的误差值是否超出规定的数值。比如电流互感器在20%UN时, 变比误差规定为±0.35%, 而实测误差是-0.25%, 则说明此测量点不超差。依此类推, 如果各个测量点的误差均不超出规定的数值, 则说明此电流互感器变比正确且误差合格。如果有任一个测量点的误差超出规定的误差值, 比如电流互感器在100%UN时, 变比误差规定为±0.2%, 而实测误差是-0.5%, 则说明此测量点超差。即说明此电流互感器不合格, 且电流互感器的变比无误 (即此电流互感器变比为200/5) 。

对于计量用的穿心式电流互感器, 人为故意损毁铭牌或偷换铭牌的, 亦可用此法校验出其实际变比。

特殊情况, 当电流互感器出现较大误差时, 此时电流互感器应该淘汰, 在这种情况下用此法就不能校验出其实际变比了。因为当电流互感器出现较大误差时, 校验仪上的极性指示灯亦会点亮并变成红色, 导致无法区分是变比错误造成误差, 还是其他原因造成的误差。如果要进一步确定其实际变比, 可在电流互感器的一次侧试加标准电流值, 在其二次侧测出实际电流值, 然后进行计算。2013-06-23收稿

电流变效应 篇4

在太阳活跃期, 太阳表面黑子等物质形成的太阳风和射线流袭击地球会使地磁场产生全球性的强烈变化, 该地磁暴感应出的地磁感应电流 (GIC) 经由变压器接地中性点流入电网, 将可能在电力系统铁磁设备中引发直流偏磁现象。另外, 当高压直流输电 (HVDC) 运行于单极—大地回路方式时也可能导致直流偏磁。直流偏磁不仅对变压器本身产生不利影响[1], 还有可能干扰其他电气设备如电磁式电流互感器 (TA) 的正常运行。目前对直流偏磁的研究一般集中于对变压器本体的影响上, 其对TA的影响研究较少[2,3];且研究仅涉及纯直流引起的直流偏磁, 如文献[4]指出直流偏磁将影响TA的起始饱和时间。

对于继电保护而言, TA的传变特性至关重要。一旦TA发生饱和, 就可能影响差动保护的动作性能。目前提出了若干方法对TA饱和进行识别。其中时差法[5]和异步法[6]均用于识别外部故障引起的TA饱和, 对于直流偏磁引起的TA饱和无法识别;而谐波制动法[7]、小波检测法[8]及基于数学形态学的方法[9]都是根据饱和电流的某些特征来进行识别, 对于饱和特征不明显的TA局部暂态饱和可能无法进行有效识别。因此, TA的局部暂态饱和成为继电保护可靠性的潜在威胁之一。目前有研究表明, 外部故障切除时的恢复性涌流及和应涌流可能导致TA的局部暂态饱和[10], 对于直流偏磁的影响并未涉及。

目前, 有关直流偏磁影响的研究一般将由GIC引发的直流偏磁和由HVDC引发的直流偏磁视为等同。但究其本质, HVDC引发的偏磁电流是由极址土壤中形成的一个恒定直流电场驱动, 当系统运行方式不变时, 偏磁电流恒定且为纯粹的直流电流, 仅对直流接地极附近的电网产生一定的影响。而GIC引发的偏磁电流的方向、幅值和频率是随着全球性地磁场扰动而变化的, 其幅值更高、影响更广, 并且电压等级越高的电网所受影响更为严重, 因此在论及两者对TA传变特性产生的影响时, 需加以必要的区分。此外, 随着电网不断向高电压、长距离、大容量方向发展, 这使得电网遭受GIC危害的风险增大。深入探讨GIC对继电保护的影响机理, 进而采取有效的防范措施, 有助于确保电网在遭受磁暴灾害时安全稳定运行。

本文以变压器差动保护为例, 研究了GIC对TA暂态传变特性及差动保护的影响。根据GIC幅值大小和方向缓慢变化的交流性质, 用低频的余弦量来模拟GIC, 研究了由GIC及HVDC引发的直流偏磁对TA影响的异同, 仿真分析了由GIC引起的TA暂态饱和及其对变压器差动保护的影响。

1 GIC对TA传变特性的影响

1.1 GIC在电网中的流通路径

磁暴会引起全球性的地磁场强烈变化, 根据电磁感应定律, 时变的磁场会在大地中感应出电场, 造成地表电位不等, 并因大地的电导形成地电流。当该区域内存在中性点接地电力系统时, 地电流就会在输电线路、中性点接地的变压器和大地构成的回路中流通, 形成GIC。

由磁暴引起的直流偏磁电流在交流系统中出现时以大地形成回路, 如图1 (a) 所示, R1和R2为变电站接地电阻, IGIC为GIC。IGIC经变压器T1的中性点流入, 由输电线路流经变压器T2的中性点入地。2004年11月10日强磁暴发生时在岭澳核电站记录到的IGIC峰值高达75.5 A, 其幅度远大于HVDC单极运行所引起的偏磁电流, 引起了广泛关注[11]。图1 (b) 给出了此次监测到的GIC部分波形, 可见GIC的幅值波动剧烈, 含有大量谐波与随机分量, 明显不同于HVDC造成的偏磁电流。

1.2 TA等效分析模型

电磁式TA的T形等效电路如图2 (a) 所示, 其中Z1, Z2, ZL, Zm分别代表TA的一次阻抗、二次阻抗、二次侧负载阻抗和等效励磁阻抗;i1, i2, im分别代表折算到二次侧的一次电流、二次电流和励磁电流;E代表励磁阻抗上的感应电动势。TA的暂态特性不仅与饱和深度有关, 而且取决于铁芯的励磁特性曲线。相应的励磁曲线如图2 (b) 所示, 图中Hm和Bm分别代表磁场强度H和磁感应强度B的最大值;Hc代表矫顽力;Br代表剩磁。此曲线可用Jiles-Atherton模型[12]予以表述。

为使分析简化, 不计TA二次绕组的漏抗和铁芯损耗, 当二次负载为纯电阻时, 图2 (a) 可简化为图3 (a) , 其中Lm为励磁电感, R2为二次侧绕组电阻与负载电阻之和。Lm的非线性特性可用分段线性化近似表示, 如图3 (b) 所示, φ表示铁芯磁通, i表示励磁电流, 每个线性段对应的励磁电感为Lk, k=1, 2, …。

1.3 GIC对TA传变特性的影响机理

根据图3, 在TA未饱和时有:

假设流经TA的一次电流为i1=I1cosωt, 由式 (1) 可解得TA的励磁电流im如式 (2) 所示。

式中:I1为TA一次电流峰值;τ2=Lm/R2为TA二次回路的时间常数。

令arctanωτ2=α, 则式 (2) 可简化为:

由式 (3) 可知, 励磁电流由两部分组成, 式 (3) 等号右边第1项为周期分量, 第2项为衰减的非周期分量。对TA一次侧分别流过正常工频电流、GIC模拟量以及工频电流叠加GIC模拟量的3种情况讨论如下。

1) TA一次侧流过正常工频电流, 其工作在线性区, ω=100π, Lm恒定且数值很大, , 则α接近90°, cosα很小, 接近于0。因此式 (3) 中非周期分量的数值很小, 且很快衰减, 可以忽略, 而周期分量的幅值也很小, 互感器能在误差允许的范围内准确传变一次侧电流。

2) TA一次侧流过IGIC分量时, 由于IGIC的频率范围在0.001~0.1Hz, 数值可达上百安, 为反映其幅值和方向的时变性及频率特征, 用长周期的余弦函数来近似模拟IGIC, 则式 (3) 中的ω变得很小, 即使TA没有立刻饱和, 保持不变, cosα (即cos (arctanωτ2) ) 也会因ω的减小而增大。由于非周期分量的迅速衰减, 励磁电流中的周期分量为其主要成分, 此时励磁电流可以简化为:

可见, 传变IGIC时励磁电流的幅值增大, 有可能使TA的工作点由线性区逐渐进入饱和区, 在此过程中, 励磁电感不再保持恒定, 而会逐渐减小, 这使得励磁电流的幅值进一步增大, 促使TA发生饱和;饱和的程度是由IGIC的幅值和频率、TA的励磁特性共同决定的。

3) TA一次侧流过工频电流并叠加频率很低的IGIC分量, 此时TA一次侧电流可用式 (5) 表示:

式中:In为工频电流的幅值;ωn为工频电流的频率;Ig为GIC模拟量的幅值;ωg为GIC模拟量的频率。

由第2种情况的分析可知, 传变GIC时可能引起TA发生不同程度的饱和, TA的饱和程度可由其工作点所处的线性区段斜率, 即励磁电感Lk的大小来进行表述, 如图3 (b) 所示。

由于TA的饱和程度是由IGIC决定的, 而IGIC的变化周期是工频周期的数百甚至数千倍, 则在前几个工频周期内可以认为励磁电感恒定不变, 即Lm=L1, 那么式 (1) 仍然成立, 将式 (5) 代入, 可以解得:

式 (6) 中已略去衰减的非周期分量项。显然励磁电流中含有两种频率分量, 此时TA的励磁磁通也由两种频率分量组成。

由于IGIC的变化相对于工频电流而言非常缓慢, 在工频周期内可以认为与IGIC相对应的励磁磁通基本不变, 那么它可视为TA铁芯的偏置磁通, 从而引起TA饱和, 如图4所示, 其中φg表示IGIC偏置磁通, φn表示工频磁通。

由于, 从而根据式 (6) 可以得到, cos (arctanωnτ2) <cos (arctanωgτ2) , 因此TA对工频分量的传变误差小于其对IGIC的传变误差。此外, 由于IGIC变化的时间尺度远大于工频电流变化的时间尺度, 即在工频周期内可将IGIC视为准直流。根据IGIC变化的不同阶段, TA对工频电流的传变可能出现以下3种情况:①当IGIC较小时, 其产生的偏置磁通较小, TA工作于线性段L1内, cos (arctanωnτ2) 很小, TA可以正确传变工频电流;②随着IGIC的逐渐增大, 使TA铁芯工作磁通逐渐趋近于饱和点, 即L2段, 此时励磁电感有所减小, cos (arctanωnτ2) 有所增大, 对工频电流的传变表现出一定的幅值和相位偏差, 但无明显的波形畸变;③若IGIC继续增大, 使TA工作点进入Lk (k>2) 段, 此时cos (arctanωnτ2) 较大, 对工频电流的传变呈现波形畸变, TA表现出明显的饱和特征。

1.4 GIC与HVDC引发的直流偏磁对TA传变特性影响的比较

就HVDC所引发的直流偏磁而言, 其直流偏磁电流受制于极址土壤周围恒定的直流电场, 若系统的运行方式不变, 则偏磁电流的数值和方向固定, 其所产生的恒定直流磁通将成为TA励磁磁通的组成部分。

一般而言, 由HVDC引起的直流偏磁电流值较小, 不易引起TA暂态饱和。在直流接地极附近的交流电网受到直流偏磁的影响较大, 其中某些小容量的TA可能发生局部暂态饱和现象, 然而其所需的条件较为严格。对于给定的TA, 由于偏置磁通需维持在饱和点附近, 仅有特定范围内的直流偏磁电流可能引起局部暂态饱和, 且这个范围极小;而对于给定的直流偏磁电流, 仅能引起特定型号的TA发生局部暂态饱和, 如图5所示, 图中Bdc表示直流偏置磁密。

然而, 由GIC引起的直流偏磁与HVDC引发的直流偏磁有所区别。GIC的大小和方向时变使其对励磁磁通产生的偏置量是变化的, 由于GIC的频率范围 (0.001~0.1 Hz) 相对工频而言, 正、负半周变化极慢, 可以认为是一个直流励磁和退磁的过程, 在这个过程中TA的饱和程度会发生变化。由于磁暴发生时地磁场的扰动是全球性的, 因此GIC的影响范围很大, 再考虑到其大小和方向时变, 不同型号、不同容量的TA都可能受到GIC所引发的直流偏磁影响, 而对于同一个TA, 其在不同时段受到的影响也不相同。综上, GIC所引发的直流偏磁对TA的影响机理更为复杂, 更易对TA的暂态传变特性产生影响, 进而影响到相关继电保护的性能。

下节将以变压器差动保护为例, 就GIC对TA暂态传变特性的影响及其对差动保护的影响作进一步的分析探讨。

2 仿真研究

根据上述GIC对TA传变特性影响机理的分析, 本文在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型, 根据GIC的频率范围 (0.001~0.1 Hz) , 用低频余弦量来模拟GIC, 仿真分析了由GIC引起的直流偏磁对TA暂态特性的影响及其对变压器差动保护造成的影响。仿真模型中的变压器采用Y, d接线方式, 一次侧额定电流为240A, TA采用PSCAD提供的Jiles-Atherton模型。因本文主要研究GIC引起的TA传变特性改变及其对差动保护带来的影响, 故假设变压器为理想变压器, 暂不考虑变压器受GIC的影响情况。事实上, GIC的存在也会影响变压器铁芯中的磁通分布, 再计及GIC对TA的影响, 则差动保护受到的影响机理更为复杂, 限于篇幅, 本文对此不再赘述。

2.1 TA暂态饱和

当GIC的幅值较大时, 可能引发TA暂态饱和, 如图6所示。此时对差流进行谐波分析可知, 其二次谐波含量较大, 超过了二次谐波制动门槛值 (20%) , 对采用了二次谐波闭锁的变压器差动保护而言不会引起误动。但当变压器发生内部故障时, 若差动保护由于GIC引起的TA饱和而闭锁, 则其可能延时动作甚至拒动, 威胁到电网的安全运行。

2.2 TA局部暂态饱和

若GIC的幅值并不太大, 则可能引起TA发生局部暂态饱和。局部暂态饱和发生时磁滞回环的形态, 及互感器一、二次侧电流的波形特征可参考文献[3]。

与纯直流偏磁引起的TA局部暂态饱和不同, GIC引起的局部暂态饱和状态不能长期维持, 随着GIC大小和方向的变化, TA铁芯中的偏置磁通改变, TA的工作点将退出局部磁滞回环重新回到线性区, 并可能在第三象限又进入局部磁滞回环。当局部暂态饱和发生在第三象限时, TA的励磁电流与图2 (a) 所示的参考方向相反, 此时差流增大并偏向纵轴的正方向。尽管差流的偏移方向不同, 其中的二次谐波含量均低于二次谐波制动门槛值 (20%) , 有可能引起差动保护误动, 如图7所示。此时IGIC为25A, 频率为0.05Hz。

值得注意的是, 并非仅有特定幅值、频率的GIC能够引起TA局部暂态饱和, 当GIC的幅值、频率变化时, 对于给定TA仍有可能引起其发生局部暂态饱和。

首先维持GIC模拟量的频率不变 (0.05Hz) , 增大其幅值为30A, 仿真结果如图8所示。

不难发现, 当差流激增时二次谐波含量变化不大, 仍发生了TA局部暂态饱和, 但与GIC的幅值为25A时相比, 其进入饱和的时间提前了约0.4s。若维持GIC模拟量的幅值不变 (25A) , 减小频率为0.02Hz, 同样引起了TA局部暂态饱和, 仿真结果如图9所示。

可见, 不同幅值、频率的GIC均可能引起给定TA发生局部暂态饱和, 那么相同的GIC也可能引起不同型号的TA发生局部暂态饱和。由此推断, GIC产生的直流偏磁影响范围更广, 更容易引起TA的局部暂态饱和。

3 结论

本文将GIC及HVDC引发的直流偏磁对TA的影响进行区分, 根据GIC的变化特征用低频余弦量进行模拟, 研究了其对TA暂态特性及变压器差动保护的影响。主要研究结论如下。

1) GIC的低频特征是导致TA传变特性恶化的主要原因。TA的饱和程度由GIC的幅值和频率、TA的励磁特性共同决定, 当TA的励磁特性给定时, GIC的幅值越大、频率越低, 则饱和程度越深。TA的饱和程度决定了它对正常工频电流的传变情况。

2) GIC引起的直流偏磁可能导致TA发生暂态饱和或局部暂态饱和, 其局部暂态饱和状态不能长期维持, 但可能往复出现。对于采用Y, d接线方式的变压器, 由于两侧TA饱和情况不一致, 在系统正常运行时将出现差流激增的现象。TA暂态饱和时差流中二次谐波含量较高, 对采用了二次谐波制动措施的变压器差动保护而言将不会引起误动。但发生内部故障时则可能导致差动保护延时动作甚至拒动;TA局部暂态饱和时则可能因差流中二次谐波含量较低而引起差动保护误动。

3) HVDC引起的直流偏磁电流在系统运行方式不变时是恒定的直流分量, 对TA暂态特性的影响有限。然而GIC是由全球性的地磁场扰动产生的, 影响范围较大, 而其幅值、频率的时变性使得在其影响范围内的不同型号的TA都可能发生局部暂态饱和现象, 对继电保护可靠性的威胁不容忽视。

中国幅员辽阔, 南北跨度大, 地形地貌复杂, 在强磁暴发生时可能产生大幅度的GIC, 对电网安全运行构成威胁, 特别是较高纬度地区的电网受GIC影响更为严重。随着电网的发展和新一轮太阳活动高峰期的来临, 重视中国电网GIC问题具有现实意义。

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电流变液在工程控制中的应用 篇5

关键词：电流变液,工程控制,应用

0引言

电流变液 (Electrorheological Fluid, ERF) 是近年来发展较快的一种智能型材料, 在物理形态上主要以流体形式存在。常规的电流变液主要由3部分组成:低介电常数的绝缘液 (连续相) 、具有较高的相对介电常数和较强极化能力的固体粒子 (分散相) 、起粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定性的添加剂。由于电流变液具有响应速度快、功耗小等诸多优点, 在结构减振设计和工程控制方面具有很大的优势。

1电流变效应及ERF作用机理

1.1 电流变效应

在一定强度的外加电场作用下, 电流变液会形成一束由固体电介质粒子组成的纤维状的“链”, 横架于正负两极之间, 即在外加电场作用下, 电流变液由低粘度的液体状态变为粘胶状态直至固体状态, 表现为宾汉流体特性;而当把外加电场撤除时, 电流变液又迅速恢复成液态, 表现为牛顿流体特性, 这种特性称为电流变效应。它具有以下几个重要特点[1]:

(1) 在电场作用下, 电流变液体的表观粘度可随场强的增大而增大 (或变稠) , 甚至在某一种电场强度下, 达到停止或固化;电场消除后, 电流变液体又可恢复到原始的粘度。

(2) 可控性:在电场作用下, 电流变液的表观粘度的变化以及液固间属性的转换是可控的, 这种控制可以是人为的或自动的。

(3) 可逆性:在电场作用下, 电流变液体的属性由液态至固态的转换是可逆的。

(4) 频响时间短:单相电流变液正、逆向变化一次性态所需时间在10-3 s以下。

(5) 能耗小:一般只需几瓦到几十瓦功率的直流电源就能满足工程应用的需要。

1.2 电流变液的作用机理

目前对于电流变液的作用机理主要有以下几种理论:

(1) 静电极化模型[2]:在高电压的作用下电流变液中的粒子由于极化发生电荷分离, 正电荷向靠近负电极的一端 (接地电极) 移动, 负电荷向靠近正电极的一端 (高电压输入端) 移动, 结果粒子两端富含正、负电荷, 由于静电吸引相互连接, 形成链状结构进而粗化形成粒子柱。电流变液极化示意图见图1。

(2) “水桥”模型[3,4]:在电场的作用下, 粒子极化后自由粒子迁移, 水由于电渗透作用随自由离子到达粒子两端, 相邻粒子表面的水分子通过毛细管作用在粒子间形成“水桥”, 促使水分子紧密联系在一起, 宏观上呈凝胶态。

(3) 逾渗理论:逾渗理论认为电流变固体粒子之间的相互吸引作用及作用范围对电流变行为有很大的影响。如果作用范围很小, 则计算出的电流变体的体积分率高达64%;当作用范围为粒子尺寸的3/8时临界体积分率仅为32%, 表面作用能越大, 临界体积分率还可以进一步降低。

2电流变液在工程控制中的应用

根据电流变液的流变性质, 其在汽车、机电、液压技术和机器人等工业中有着广泛的潜在用途。根据电流变液在电场下的粘度变化, 主要有如下3种工作模型状态 (见图2) [5]:

(1) 剪切模型:两平行极板相对运动产生剪切阻力 (提供动量转化) 。

(2) 流动模型:两极板固定不动, 电流变液体在极板间运动 (调节ER的压力梯度) 。

(3) 压缩模型:两极板相背或相向运动, 极板间距离减小或增加。

2.1 在汽车工程中的应用

电流变液在汽车工程上主要用于汽车制动器和离合器, 工作模型状态为剪切模型。这类装置的工作原理是:把电流变液放在有相对运动的汽车部件之间, 通过控制电压, 改变电流变液的粘度, 从而控制汽车部件传递的力和力矩的大小。

2.2 在机电工程方面的应用

电流变液在机电工程方面主要用于机床上的减振器等。这类装置的工作原理是:在车刀切削过程中, 在电流变液的两极板间施加一定电场后, 其中的电流变液的特性会发生一系列的变化, 通过改变切削系统阻尼和刚度的办法来限制和控制颤振的幅度和频率, 从而起到抑制颤振的目的。

2.3 在液压装置中的应用

电流变液在液压装置中主要用于电流变液体阀, 它的基本原理是:利用电流变液体阀中的电流变液体, 其表观粘度可在电场的控制下在一定的条件和范围内实现无级调节, 在恒流量时可实现进、出口间压力差的无级调节;在定压差时可实现流量的无级调节。

2.4 在机器人技术中的应用

电流变液在机器人方面的应用目前处于起步阶段。电流变液装置可用于吸收当机器人手臂由高速运动突然转向低速运动所引起的振动, 还可以用于做桥路的四单元或二单元的电流变液阀门网路系统以控制机器人伺服机构。据了解, 目前日本已把电流变液用于机器人的人工肌肉及机器人手臂的控制机构中。

3结束语

电流变液是一种新型智能材料, 在工程控制中具有广阔的应用前景, 如在减振器、离合器、液压阀、机器人手臂、电源开关、阻尼器等诸多方面都有广泛的应用。但其同时受制于许多因素, 存在的问题主要有电流变液在非电场下粘度过高, 而在电场下屈服强度不够, 不能够传输足够的力矩, 电流变液的稳定性不是很理想等。虽已有许多文献描述电流变液的力学特性或建立唯象模型, 然而到目前为止仍未有成熟的商业化产品, 其最大的原因就在于人们仍未能全面地了解电流变液的物理机制, 因此仍未能找到高性能的电流变液的设计准则。总之, 要使电流变技术广泛应用于工程实际中还有待研究的进一步深入。

参考文献

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电流变效应 篇6

为了更准确地检测谐波电流,文献[4]提出了一种基于离散傅里叶变换(DFT)的谐波检测方法,虽然能够达到需求的补偿效果,但收敛速度较慢;文献[5]提出了一种逐次分序谐波检测算法,该算法能够有效地提高收敛速度,但是稳态误差较大。基于自适应检测算法原理的谐波检测方法由于能够自我更新,能够根据信号的统计规律自动调整参数,以获得最佳的检测效果,而得到广泛的关注和应用[6,7]。

针对传统定步长自适应算法无法解决稳态误差和收敛速度的矛盾,文献[8]提出的变步长算法,尽管可以同时解决上述问题,但却忽略了噪声对APF系统的干扰。本文提出了一种新的变步长LMS算法,并通过仿真与样机实验研究,证明该算法相比于传统定步长自适应算法,能够同时实现快速收敛和高稳态精度,并能有效地抑制噪声对系统的干扰,体现了该算法的优越性和可行性。

1 基于传统LMS算法的自适应检测方法

1.1 自适应LMS谐波检测原理

自适应谐波检测是基于自适应噪声对消原理,即将参考输入量调整为与负载电流的基波分量相同的分量,再通过抵消负载电流的基波分量而得到谐波分量。通过自适应调整环节,可以随外界参数的变化而自动调整检测算法。由于其具有算法简单、结构灵活、适用范围广,且具有良好的自适应性和鲁棒性,在谐波检测中得到广泛应用[9,10]。 传统的基于最小均方(least means square,LMS)算法的自适应谐波检测方法其原理框图如图1所示。

图1 中,X(n) =[x(n),x(n- 1),…,x(n- M + 1)]为自适应谐波检测的输入信号,是前M个时刻的数据序列。是自适应权值多项式的输出,e(n) 为负载电流与输出电流y(n) 的误差信号。

1.2 传统定步长LMS算法原理及分析

LMS算法即是滚动优化环节,是自适应检测模型的性能指标判断依据。该环节按照最小均方差的指标来对预测模型的权值系数向量进行在线滚动优化调节,以使系统的误差达到最小。现对该算法进行分析。

LMS算法的目标是使e2(n) 的期望取得最小值的最佳权Wopt。 e2(n) 的期望可表示为

为使E{e2(n)} 取得最小值,可令E{e2(n)} 对W的梯度为零求得,递推公式为

式中:∇WE{e2(n)} 为E{e2(n)} 的梯度;μ 为常数;称为步长因子。

在实际计算中,可以用梯度估计值代替,而梯度估计值为

即用瞬时输出误差功率的梯度∇W| e(n)|2作为均方误差梯度∇WE{e2(n)} 的估计值。

由(2)式可得

将式(5)和式(6)带入式(4)可以得到LMS算法的递推公式为

在传统自适应预测算法中,步长因子 μ 为一固定值,而步长因子的大小是决定系统收敛速度和稳态精度的重要因子。

在有源电力滤波器的谐波电流检测模块中加入传统的定步长LMS自适应谐波检测环节,虽然可以准确地检测谐波分量,但是由于步长因子为固定值,所以谐波检测模型会出现以下问题:若步长 μ 的值较大时,虽然系统的收敛速度加快,但稳态误差会很大;若步长 μ 的值较小时,虽然减缓了系统的收敛速度,但使稳态误差变小。由此可见,传统的定步长LMS算法无法解决稳态误差和收敛速度的矛盾,这就是它的最大缺陷。

2 变步长自适应谐波检测算法

针对传统固定步长LMS算法无法同时实现低稳态误差和快速收敛的缺陷,采用变步长LMS算法可以对其进行有效处理。首先我们假设W*(n)就是使检测输出值与实际值y(n + 1) 相等的权值向量,则当检测模型的权值系数与最佳值W*(n) 相差较远时,通过增大步长 μ的值能够得到更快的收敛速度;而当权值系数接近W*(n) 时,通过减小步长 μ 的值获得较小的稳态误差。

该算法利用历史误差数据,通过记忆因子计算误差的功率加权并以之作为步长调节的主控因子,实现步长和检测模型的权值更新,同时引入扰动因子来抑制算法对干扰信号所造成的稳态失调。系统的权值系数向量和计算步长 μ 的更新算式如下:

式中:a,b,c,d均为常数,且0 < a,b,c,d < 1 ;K为与权向量维数相同的单位列向量;β(n) 为幅度因子;γ(n) 为扰动因子;λ( j) 为记忆因子;p2(n) 为误差平方的加权值。

2.1 步长调整策略及分析

参数 λ( j) 为记忆因子,其值按指数规律下降,其作用是对过去M个时刻的误差进行功率加权。通过记忆因子 λ( j) ,按照当前时刻误差对步长的影响最大并随时间而逐渐减弱的原则来确定误差的权重,总的误差功率加权由于兼顾了过去时刻系统误差的情况,能够保证步长不会在收敛前就降到最低,然后以总的误差功率p2(n) 作为步长 μ 的主要控制因子。

幅度因子 β(n) 按 β(n) = dβ(n - 1) 衰减,其中d为幅度衰减系数:

因为幅度因子的衰减系数0 < d < 1 ,当迭代次数很大时,上式趋近于0,所以初始值 β(0) 就是幅度因子 β(n) 的最大值。为了使算法能够收敛,步长 μ 的取值应符合:

式中:λmax为输入自相关矩阵的最大特征值。

要保证式(8)成立,只需要满足:

式(8)即是算法步长幅度因子的初值取值范围,在工程上可以取定步长算法收敛时的最大步长。

Kγ(n)[|e(n)| - |e(n - 1)|] 作为动量项,可以进一步加速权值系数的收敛速度。如果在上一次更新中权值变化较大,则相应的动量值也较大,当前时刻的权值修正量也会被增加,加快了系统的收敛速度。

通过以上分析,算法中引入的总误差功率和幅度因子能够有效地实现步长的在线调整。在自适应的初始阶段,系统误差值较大,相应的β(n) 和p2(n) 的值也均较大,使得步长也很大,这样就加快了系统的收敛速度;随着自适应过程的进行,系统误差会逐渐减小,β(n) 和p2(n) 也会相应的变小,步长也会跟着变小,直到系统收敛阶段,β(n) 和p2(n) 都趋近于零,步长也接近于零,所以能够同时有效地降低稳态误差。

2.2 扰动因子调整策略及分析

在本文所提出的变步长算法中,用绝对估计误差|e(n)| 代替符号不确定的估计误差e(n) ,能更好地表示估计信号偏离期望信号的程度。当估计信号与期望信号相差更远时,扰动因子正向调节权向量;当估计信号与期望信号相差更近时,反向调节权向量。 γ(n) 以指数形式衰减,如下式所示:

当衰减系数c < 1时,式(10)收敛。当迭代次数大时,扰动量对权向量的影响较小,因此稳态误差被抑制在较低的水平;当迭代次数小时,误差的波动对权向量的影响较大。通过调节扰动因子 γ(n) 可以对权向量进行调节,更有效地抑制噪声对稳态精度的影响。

3 仿真与实验结果分析

3.1 仿真及结果分析

APF普遍采用的谐波电流检测方法是基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法,因此本节在此基础上引入自适应检测模块,使之能够准确地获得负载谐波电流分量。对前文提出的方法在Matlab/Simulink环境下进行仿真验证。未加入APF补偿前的负载电流波形如图2所示。

如图2 所示,负载电流严重畸变并呈现双头波,此时畸变率达到31.73%。在APF中加入定步长和变步长的自适应检测后电网电流的治理波形如图3 所示。其中在变步长LMS算法中的一些参数为:a=0.9,b=3 × 10-5,c=0.3,d=0.99,μmax= 0.000 1 ,μmin= 0 ,M = 32 ,检测算法中X,W,e和 μ 的初始值均设为零。

由图3 可见,加入带有自适应谐波检测环节的APF系统后,补偿性能得到了明显的提升,波形波动大幅度减少,畸变率也降低到4.29%和2.27%。对定步长和变步长两种算法的治理效果进行比较我们可以看出,变步长算法的检测精度更高,APF系统的补偿性能更好。

下面对本文算法与传统算法的动态误差与稳态误差进行对比实验。本设计是对三相基波电流分量进行谐波检测,由于三相对称,因此以A相基波电流为例进行说明,为保证一定的检测精度,固定步长算法中取步长为最大值的1/10,即μ = 10-5。由于系统采样周期为Ts= 2 × 10-5s,则1 个电网周波内会有1 000 个采样点,因此几乎不会观察到对实际电流的跟踪。所以通过实际值与检测值的差来对两种算法进行分析。

分析图4,对收敛过程中两者的检测误差进行分析。

可以看出,传统的定步长LMS谐波检测算法在跟踪0.002 6 s后达到稳态,而变步长LMS算法则是在0.000 2 s后达到稳态平衡,所以相比于定步长检测算法,变步长检测算法的收敛速度更快。这是因为在开始阶段,变步长算法的步长能够达到最大值 μ = 10-4,几乎是定步长算法步长的10倍,因此收敛速度更快。系统稳态阶段时2种算法的静态误差波形如图5所示。

由图5可知,在达到稳定状态后,两种算法均有较小的稳态误差,均小于实际值的1%,这是由自适应谐波检测算法自身特性和系统的高采样频率所共同决定的。对两种检测算法进行比较,也可较为明显的看出,定步长检测算法的检测电流静态误差的最大值能达到0.25 A,而变步长检测算法的检测电流静态误差最大值小于0.1 A,所以变步长算法的检测精度更高一些,稳态误差更小。这是由于在稳态阶段变步长算法的步长μ < 10-5所造成的,这就是变步长的优势所在。对噪声干扰的治理效果如图6所示。

由图6 可以看出,当系统受到噪声干扰时稳态误差的最大值能达到2.1 A,加入变步长LMS检测算法后,稳态误差的最大值减小到0.3 A,因此本文提出的算法能够有效地抑制噪声对系统的影响。

3.2 APF样机实验及结果分析

利用本文算法搭建APF样机,进行对比实验。实验硬件参数为三相电压源120 V,APF直流侧电压400 V,APF注入电感3 m H ,APF直流侧电容5 000 μF,非线性负载电感90 m H,非线性负载电阻78 Ω,采样频率12.8 k Hz。

将本文算法在DSP中实现,应用到APF样机中,与定步长LMS算法进行对比实验。两种算法参数设置与3.1 节设置相同,得到的实验结果如图7所示。

从图7a中可以看出,应用传统的定步长LMS算法的APF谐波检测方法,进行谐波治理以后,ABC三相电流的谐波畸变率分别为5.6%,6.1%,6.0%。图7b所示,应用本文提出的变步长LMS算法,进行APF谐波检测后,其可以将谐波畸变率降至4.9%,5.1%,4.8%。

4 结论

电流变效应 篇7

电流互感器是电力系统的重要组成部分, 它广泛应用在继电保护、电能计量、系统故障录波等方面。而电流互感器的变比和极性又是电流互感器的两个重要特性, 它的正确与否直接影响着继电保护、电能计量、远方测控、系统故障录波的准确性, 甚至会影响到电力系统的安全稳定。因此对电流互感器进行变比检查测试已成为我们继电保护试验人员的重要工作之一。

1 电流互感器的变比选择

电流互感器是一种专门用作变换电流的特种变压器, 在正常工作条件下, 其二次电流实质上与一次电流成正比, 而且在连接方向正确时, 二次电流对一次电流的相位差接近于零。

电流互感器作为电力系统中的重要设备, 对其进行电气性能试验是很重要的, 对于电流互感器而言, 变比试验是绝不可少的试验项目, 电流互感器变比关系到计量的准确性与保护的可靠性。根据《电气装置的电测量仪表装置设计规范》 (GBJ63-90) 的规定, 在额定值的运行条件下, 仪表的指示在量程的70%~100%处, 此时电流互感器最大变比应为:

I 1 R T----变压器一次侧额定电流A;

N----电流互感器的变比;

也就是一般可以按照实际电流为互感器一次电流的80%来选择。电流互感器选择变比一般应结合实际负荷综合考虑计量 (精度) 和保护装置的要求。不能一味地考虑某一方面。

2 试验方法分析

下面根据试验接线图和等值电路图分别讨论电压法和电流法检查电流互感器变化试验的原理和特点。

2.1 电流法

(1) 试验原理。电流法检查电流互感器变比试验接线图如图1所示。

电流源包括1台调压器、1台升流器;L1、L 2电流互感器一次线圈2个端子;K1、K2电流互感器二次线圈2个端子;A1电流表 (测量电流互感器一次电流) ;A2电流表 (测量电流互感器二次电流) 电流法检查电流互感器变比等值电路图如图2所示。

电流源;A——电流表;I1电流互感器的一次电流;I2′折算到一次侧的电流互感器二次电流;r1、x1电流互感器一次线圈电阻、漏抗;r2、x2′折算到一次的电流互感器二次线圈电阻、漏抗;Zm电流互感器激磁抗。当电流互感器正常运行时二次线圈处于短路状态, 此时铁心磁密很低, 即Zm很大。从等值电路图我们可知, 当Zm很大时, I1=I2′。

(2) 电流法试验的特点。电流互感器现场变比检验用电流法进行测量, 实际上是模拟在额定电流情况下的实际运行条件, 是一种比较理想的试验方法, 测量的精度高;但随着电力系统的不断发展, 单台发电机的容量也变得越来越大, 其出口电流已经达到数万安培。例如800MW的发电机组, 额定电压为20k V, 额定电流为:800/ (20×31/2) =2 3.0 9 4 k A, 相应使用的电流互感器一次电流很大;我们在现场很难做到用电流法测量一次电流为几万安培的电流互感器变比原因如下:其一, 额定大电流很难达到 (需大容量调压器) ;其二, 需要的标准电流互感器或升流器的体积大, 造价高, 若降低被测电流互感器一次电流进行试验, 那么其变比误差会很大, 试验就毫无意义。所以电流法测量电流互感器变比的方法, 在施工现场越来越受到限制。

2.2 电压法

下面在电流法的基础上介绍另一种电流互感器变比的试验方法--电压法。电压法适用于施工现场对电流互感器变比检验。电压法具有适用范围广, 使用设备少, 设备简单的优点, 是一种简单方便试验方法。

(1) 电压法测量电流互感器变比的原理。电压法测量电流互感器变比的方法适合现场试验, 其优点是设备少, 线路简单, 易操作。试验接线图如图3所示。

电压表V监测被测电流互感器二次电压, 毫伏表m V监测被测电流互感器一次侧电压, 此方法类似于测量铁芯感应电势的方法。其向量图如图4所示。

由相量图得:漏阻抗压降Us=I0 (R+j X)

二次外加电压:U2=-E 2+U S

感应电势:E1=4.4 4 f N1F m

理想电流互感器的变比:K=N2/N1=E2/E1,

而实际测量变比:K实=U2/U1=E2/U1,

由上式可见, 理想电流互感器变比与实际变比之间的误差, 近似地认为U2=E2的结果。实际上, 如图4所示, 由于角差很小, 可以认为U2与线段OC在长度上是相等的。即U2=E2+USsinβ, 因此U2与E2之间有一个差值:USsinβ=I0 (R+j X) sinβ, 由于电流互感器的二次绕组的电阻和漏抗都比较小, 只要控制励磁电流I0在一个合适的范围 (m A级) , 则U2与E2之间的差值带来的误差就可以忽略不计, 用电压法来测量电流互感器变比, 就可以得到较高的精度。

(2) 电压法试验的特点。电压法测试电流互感器变比可以很好地替代电流法, 所需仪器重量轻, 只要方法得当就可以很好地控制误差范围、满足现场测试的要求, 是一种简便、精度较为可靠、轻巧的现场测试方法。

3 结语

用电压法检查电流互感器变比的现场试验仅需要1个小调压器、1块电压表、1块毫伏表, 是一种简便可靠的现场试验方法。采用电压法进行变比检查在电力运行与维护的工作应用效果良好。电力运行理论大量现场实践都证明, 电流互感器检测运用电压法实验是一种非常值得推广的方法。

摘要：根据电路原理我们可以知道:电力设备一、二次线圈的匝数比与电流是成反比的, 与电压是成为正比的;即匝数比越大, 通过的电压越大, 而通过的电流越小。所以, 要得出电流互感器的匝数比只需通过测试电流互感器的一、二次电压比或电流比就可以了。

电流变效应 篇8

1 电流变液材料及其性质

1.1 电流变液材料

电流变液主要有悬浮体系电流变液和均相体系电流变液通常我们研究较多的是悬浮体系电流变液,它是由细微的固体颗粒均匀地分散在绝缘的母液中所配得的悬浮液。一般三部分组成:

(1)基础流体(分散介质):要求绝缘性好(低导电率或绝缘),零电场时粘度小。最常用的有硅油;

(2)固体颗粒(分散相):一般为极细小(直径1-100μm)的固体粒子或粉末,要求粒度小,介电常数大。目前有离子导体、金属导体、半导体和高分子电解质等;

(3)添加剂:主要是表面活性剂,一般为水。添加剂对于实用的电流变体系是必须的。添加剂的作用机理一是防止颗粒的凝聚,使体系稳定而提高屈服应力;二是添加剂可以增加离子数量或使其易于运动而加大了离子极化,使屈服应力增加。

1.2 电流变液材料的性质

1.2.1 随着对电流变液的组成及电流变液效应产生机理的深入研究,人们普遍认为性能良好的电流变液应具有以下性质:稳定性好,无沉淀,零电场粘度低,达到固化状态的电场强度小,工作温度范围宽,能耗小,工作频带宽,价格低廉,无毒,无腐蚀等特性。

1.2.2 电流变液的力学模型

为了解释电流变液的工作机理,曾提出过多种理论,但目前较为流行的是颗粒极化理论(Particle Polarization Theory)。这种理论认为,粒子通过电场的极化作用产生电流变效应,在电场作用下,粒子像铁屑在磁场中的排列一样,形成一个链状结构;而在没有形成颗粒链的间隙处,粒子之间相互吸引,构成纤维状排列。当链系受到剪切作用时,粒子被拉开, 但电荷仍在互相吸引,这种吸引力就是剪切阻力。由于电场的大小决定了在粒子中移动的电荷量,因而电场强度与剪切阻力成正比,当链系上的拉力超出吸引力时,粒子链断裂,电荷不再从粒子上分离,电流变液恢复流动特性,这种粒子链断裂与重组的平衡状态可用屈服应力τy表示。电场中两个偶极子间会产生相互作用,流场等因素决定了电流变液系统的状态。低电场下以热运动为主,系统为液态;当电场上升使得偶极子相互作用克服了热运动,介电颗粒很快开始沿电场方向排列并在两个极板之间形成链状结构。设导致固化的电场为临界电场EC。当E>EC时,电流变液体系变硬;E

τ(E,θ)=η(θ)γ+τy(E,θ)sgnγ

式中:η为塑性粘度,θ是液体摄氏温度,可以近似为零场粘度η0,τy(E,θ)与电场的a次幂成比例,a取值在1.2-2.5之间,根据实验确定。Ugaz等在1994年采用核磁共振成像技术研究了 电极间电流变液体流动情况,用Bingham粘塑性体本构模型可以很好地解释其流速分布。Bingham粘塑性体本构模型假定电流变液为屈服后的准稳态层流,不能描述屈服前电流变液的力学特性。

2 电流变液阻尼器

由于电流变液的表观粘度和屈服应力可由外加电场瞬时控制,所需电能很小,为此人们研制开发出了以电流变液体为工作介质的电流变阻尼器,实现阻尼的无级可调,用于结构和机器设备的振动抑制和隔离。

电流变液阻尼器根据不同实际应用环境,有多种形式,从阻尼力产生的机理的角度看可分为三种类型:剪切模式阻尼器、流动模式阻尼器和复合模式阻尼器。

2.1 剪切模式阻尼器

剪切模式阻尼器一般由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成。其主要特点是工作缸两端压差近似等于零,电极间隙中电流变液体基本处于非流动状态,阻尼力来源于活塞电极对流体的剪切作用,通过调节施加在电极间的电场场强来调节电流变液体流体的阻尼力,以实现调剂阻尼力的目的。如果电极是转动的,则为扭转电流变液体阻尼器;如果电极是平动的,则为直线型阻尼器。

2.2 流动模式阻尼器

流动模式阻尼器主要由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成,它与剪切模式阻尼器在结构上的重要差别在于活塞体与工作电极是分离的,即工作电极是固定的,当活塞进行往复运动时,电流变液在活塞两端产生压力差,而这个压力差促使电流变液体在电极间隙内作往复流动,于是电极间隙对电流变液体就产生了节流作用,进而就形成了阻尼力。通过调节施加在电极间的电场强度就可以调节阻尼力。

2.3 复合模式阻尼器

复合模式电流变阻尼器也是由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成,它综合了上述两类阻尼器的特点,即阻尼力的产生是由于电流变液在流经工作电极间隙时对电流变液体的剪切作用加上电极间隙对电流变液的节流作用共同完成的,改变作用于电极间的工作电压,即可改变电极间流体的流变状态进而达到调节阻尼力的目的。

3 电流变液阻尼器的模糊控制

3.1 模糊控制[3]

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础并借助计算机实现的一种非线性智能控制。

3.1.1 模糊控制系统的组成

① 模糊控制器:

实际上是一台微计算机,根据控制系统的需要,既可选用系统机,又可选用单片机或单板机。

② 输入/输出接口装置:

模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量,并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换,转变为模拟信号,送给执行机构去控制被控对象。

③ 广义对象:

包括被控对象及执行机构,被控对象可以是线型或非线性的、定常或时变的,也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。

④ 传感器:

传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一类装置。

3.1.2 模糊控制的优点

模糊控制理论[4]具有许多传统控制方法无法比拟的优点,其中主要有:

① 使用语言方法,可不需要掌握过程的精确数学模型。

② 对于具有一定操作经验而非控制专业的工作者,模糊控制方法易于掌握。

③ 采用模糊控制,过程的动态响应品质优于常规控制,并对过程参数的变化具有较强的适应性。

3.1.3 模糊控制器设计中的主要问题

① 精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为某适当论域的模糊子集。

② 模糊控制算法的设计,通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则,并计算由此所决定的模糊关系。

③ 输出信息的模糊判决,并完成由模糊量到精确量的转化。

3.2 电流变液阻尼器的模糊控制

电流变阻尼器一般与弹簧组合使用构成工程中广泛使用的减振系统,此系统的工作原理如下:将簧载质量的平衡位置0 视为理想的控制目标,当有路面激励或扰动输入时,簧载质量将会偏离平衡位置而上下摆动,此时的偏差e=0-z1。将此偏差e及其导数e按照大小和方向进行分类,经过模糊控制器的处理得到相应的控制信号,此控制信号通过高压发生器生成相应的电压加到电流变液阻尼器上,完成控制过程。

工程上应用较多的是模糊控制器与PID控制器相结合组成的FUZZY-PID控制器。FUZZY-PID控制器既能够在复杂的非线性、大滞后的对象控制中表现出优越的性能,也能够适用于可建立精确数学模型的线性定常系统,并且具有良好的鲁棒性。常见的FUZZY-PID控制器有FUZZY与PID的双模控制器、补偿式FUZZY-PID控制器和FUZZY自整定PID参数控制器。

4 电流变液阻尼器的工程应用

电流变液阻尼器与模糊控制理论的结合使得电流变液阻尼器在汽车工程、土木工程减震结构体系等方面的应用更具潜力。

4.1 在汽车工程上的应用

车辆悬架系统位于车身与车轮之间,通常由弹性元件和阻尼元件组成。悬架系统设计的好坏对车辆的总体性能有重要影响,其主要功能主要体现在:

① 支承车体或车身;

② 隔离路面对车身的激励,抑制车轮与车身的共振,提供良好的乘坐舒适性或平顺性;

③ 使非悬挂质量尽量跟随地面运动,减小车轮与地面之间附着力的损失,保证良好的轮胎接地性,从而提供良好的行驶安全性;

电流变液阻尼器在汽车工程上的应用主要是利用其阻尼系数连续可调的特性与弹簧组成主动悬架或半主动悬架。其控制原理是:将汽车车身加速度和速度作为控制器的输入,得到的输出信号经过电压发生器产生用于控制电流变液阻尼器的电压信号,电流变液的阻尼系数随电压发生相应的变化,阻尼器产生适当的阻尼力,使汽车悬架能最佳地适应路况,提高汽车的安全性和乘坐舒适性。

4.2 在土木工程减震结构体系中的应用

由于建筑结构构件一般较粗笨且由混凝土材科制成,电流变液材料无法直接融合到此种材料中起调节智能结构构件参数以减小结构地震反应的作用。因此唯一的途径是用它作成由电流变阀控制的智能可调阻尼器,并把智能可调阻尼器与结构构件结合,最终制成智能可调参数结构构件。根据电流变效应的特点,在土木工程中电流变液主要被用来制作可控的阻尼器,即用加电场的电流变液来作阻尼器参数调整的控制阀,以实现对阻尼器参数的连续、可逆和迅速的调整,电流变液可控阻尼器与普通结构构件组成智能可调结构体系,可以减小由于风力及地震等引起的建筑物的振幅,从而增加建筑物的安全和舒适性。

此外,电流变液阻尼器还可以用于机器人活动关节、航空、航天领域的防振系统及机械加工颤振控制等领域。

5 结束语

随着电流变液技术的不断成熟和完善,电流变液智能阻尼器也越来越多地应用到了实际工程中,也成为当前研究的热点,但现有的电流变液阻尼器也存在一些问题:

① 电流变液的剪切应力较小,并且在实际应用中的动态情况、高剪切速率条件下性能变差;

② 电流变液阻尼器的控制策略不够完善;

③ 电流变液装置设计方面的问题以及电流变效应机理模型的不完善。

参考文献

[1]Stanway R.and Sproston J.L,electro-rheological fluids:a systematic approach to classifying modes of operation ASME J.Dyn.Sys,Mea.Contr.Vol.116,No.3,1994,498-504.

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[3]Copeland,R.P.,Rattan,K.S.,A fuzzy logic supervisor for PID control of unknown systems,Intelligent Control,1994,Proceedings of the1994IEEE International Symposium on,pp:22-26.