不平衡状态（共8篇）
不平衡状态 篇1
要整合更多的可再生能源进入电网, 就必须有更多的软件控制和各级的稳定电网。智能电网是能源存储通常被称为智能电网的关键组成部分之一, 它可以通过不可控制的能量, 例如风能、核能来稳定电网, 使电网的适应能力更强。如今, 有很多技术可以应用于能量储存, 包括超级电容器, 飞轮, 泵浦水电, 燃料电池, 电池等。但是这些装置的共同点是需要可控制的电流介入电网。
本文的主题和重点是探寻这种转换器下在常见的不平衡电网条件下, 如电压骤降, 如何去的一种最优的控制方法。本文采用一种数学模拟方法, 找到一种合理的控制方法, 使这种智能储能元件可以在故障或者电压不稳等情况下发挥重要的作用, 提高设备的效率与电网的性能。
1 PE系统中HIL的仿真问题
由于高额定功率的硬件、系统复杂性连同电网扰动的困难, 长时间里系统中断开部分的不现实性, 支持智能电网的能量存储测试是困难和昂贵的。最终系统测试的替代方法是建立一个小规模的原型, 替代这个昂贵并且费时间的原型, 建立使用HIL的快速原型仿真工具。HIL仿真是指替代真正系统中的一个实时的仿真平台系统。在真正系统中表达硬件的数学模型必须足够详细以真实的表现任何瞬间变化或错误。PE设备包含了许多短时间内控制的开关。开关行为使得电路变得高度非线性。由于这些原因, 为了达到可接受的准确度就要求仿真时间的计算最短化。传统上, 现有电脑很难达到较小的仿真时间步长, 因为其计算方法中没有对PE应用进行优化, 而且输入/输出 (I/O) 通信延迟高到无法接受。只有现场可编程门阵列 (FPGA) 技术可以同时提供超低延迟 (ULL) 和为PE设计的大规模并行处理需要的数字HIL仿真器组合。一个FPGA处理器可以专门针对特定的应用定制高性能的现代HIL模拟器。然而, 在FPGA上开发模拟模型的主要问题是需要广泛的数字化设计知识、计算机体系结构设计知识、FPGA设计知识和工具链认证以及详细的PE模型技术的理解。另外, FPGA技术的潜力已被认识到, 基于此技术的解决方案也被研究了。在本论文中, 提出了一个满足在严重不平衡电网条件下电网代码要求的用于评价所提算法能力的通用ULL HIL平台。在真实时间下FPGA平台上整个硬件的仿真是在设定的1μs时间步长下进行的。与其他可用的商业仿真平台相比, ULL确保了高精确度和更好的瞬间响应。实时仿真器与控制器通过低延迟的I/O接口板进行交互。控制算法通过一个基于TMS320F2812的数字信号处理器 (DSP) 来实现。该控制算法克服了以前算法的相应弊端, 为确定动态模型提供了基础。
2 建立混合动态系统模型
PE系统本质上是对非线性电路功率流的开关控制, 用以实现精确的定时开关控制。PE系统是动态持续时间和离散事件的有机结合, 从而自然的建立起了一个的混合动态系统模型。这促使我们接受了自动混合机 (GHA) 的模型框架, 分段的线性动态连续模型。PE电路可以用被动元件 (R, L和C) , 分段线性开关, 受控的电源流和一个独立的电压源来表示。模型需要用矩阵 (1) 和 (2) 来进行计算模拟:
其中x (t) 为连续状态空间向量, y (t) 输出向量, u (t) 为输入向量。Aqi和Cqi为空间矩阵。该电路的任何离散状态属于有限的集合Q={q1…qm}, 这个集合代表了接下来将定义的空间状态。任何一个离散单元都对应着唯一一个模型, 除此之外, 尽管空间与空间的转换不是一一对应的, 任何一个离散单元都定义了向量的方向, 可以转换的离散单元可在相应的书籍中进行查询。根据实际条件, 线在书籍中进行数据的查询, 得出相应的数据带入上面两个矩阵中, 输入向量后可以得到向量的方向与大小。使用该种数值分析方法, 能够消除直流母线电压振荡, 以及大功率的振荡, 但是该模型目前不还办法消除无功率情况下整个系统产生的震荡。但是经过与实际情况的数据对比, 数据具有良好的拟合性, 证明了基础数学模型与实际情况基本吻合。
为了充分利用模拟方法, 计算平台在计算GHA时, 要求可以进行实时预测, 并且保证良好的时序和适用性。严格的实时性要求便转化为对超高速, 确定性和可预见的时间模型的需求, 以及内存管理和I/O通信延迟的技术提高。为了解决这一问题, 我们采用了新的模型模拟系统, 对不平衡状态下电网的功率进行有效的评价。
数字处理器包括一个阵列的标准化过程 (SPC) , 它可以被认为是GHA特定的, 专门于应用程序的处理器内核。每个SPC都是可以编程的, 解决了GHA子模型的参数化中的交换机数量方面的复杂性和被动存储元件的数量问题。所有SPC同步操作, 与此同时, 每个人都可以访问其个人资源。数据通讯不再是难题, 若连接延迟连接到外部电脑, 会有一个专用的控制系统, 实现配置和回读总线。
智能电网是建立在普通的物理电网基础之上的, 在技术过程中融合进了流行的传感技术与计算机信息技术, 能满足用户与厂家度电力的需求, 同时环保节能, 符合国家政策的要求, 但是在模拟过程会产生诸多难题, 例如模型的建立, 可靠性的分析, 与实际轻用电情况的比较等。该模型模拟在原理上基本克服了以上缺点, 在理论与实践中均有据可依, 在将来的智能电网发展中必然占有一席之地。
3 结论
智能电网功率流模型的建立是可行、有效的。模型的计算需要理论完善, 同时需要运算速度的提升。PE模型在智能电网中还可以得到更广泛的应用。
摘要：本文介绍了智能电网在不平衡状态情况下的一种模拟评价方法。文章通过模型的建立, 对该模型的原理与方法的解释, 证实了该模拟方法的可行性。
关键词：智能电网,功率流,动态模型,不平衡
参考文献
[1]韩丰, 尹明, 李隽, 等.我国智能电网发展相关问题初探[C]//特高压输电技术国际会议, 2009.
[2]徐政.智能电网中的电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2010.
[3]陈树勇, 宋书芳, 李兰欣, 等, 智能电网技术综述[M].中国电力科学研究院, 2009, 33 (8) .
不平衡状态 篇2
针对目前起飞计算考虑简单的问题,建立飞机起落架的`简化模型,并在此基础上对飞机的静平衡状态进行受力分析,提出了静平衡状态飞机的数值仿真模型.最后以实例进行计算,结果表明静平衡状态的研究有利于更准确地研究和分析飞机起飞的动力学特性.
作 者：韩维 阎永举 刘超 HAN Wei YAN Yong-ju LIU Chao 作者单位：韩维,HAN Wei(海军航空工程学院,飞行器工程系,山东,烟台,264001)
阎永举,YAN Yong-ju(海军航空工程学院,研究生管理大队,山东,烟台,264001)
刘超,LIU Chao(海军驻保定地区航空军事代表室,河北,保定,071057)
不平衡状态 篇3
电网电压畸变和三相不平衡是普遍现象,在诸如石油钻井平台等独立小容量分布式发电系统中表现尤为严重;电力电子装置等非线性负载以及电机等感性负荷的广泛应用使电网电流含有大量谐波和无功成分,在线路阻抗作用下不仅加深了电网电压畸变程度,而且降低了电能利用率。为避免此类问题给某些重要负荷造成危害和损失,需要采取改善措施。目前,除进行源头抑制外,就是外挂电力电子装置进行补偿,如LC无源滤波器、静止无功发生器、有源电力滤波器、动态电压恢复器和统一电能质量调节器(UPQC)等,其中UPQC凭借着丰富的功能已成为电能质量改善研究中的热点。
在三相电压畸变和不平衡状态下对补偿量(包括波动电压、谐波和无功电流)进行准确检测是UPQC功能实现的关键之一。目前,补偿量检测分为频域法和时域法2类。频域法包括快速傅里叶分解法[1,2]和小波变换法[3]等;时域法主要包括基于瞬时无功功率理论[4,5,6]的p-q法、ip-iq法和同步坐标变换法[7,8,9]。为实现单位功率因数控制,要求基波正序有功电流分量的获取需以基波正序电压分量相位为参考,因此基波正序电压相位的提取尤为关键。常用的相位检测方法主要包括过零检测法和相量检测法2类。过零检测分硬件过零(附加硬件过零电路)和软件过零(如DSP的相位捕获)检测,两者都是将A相电压的过零点作为零相位点,即以A相电网电压相位作为同步坐标变换的参考相位,该法易于实现,但当电网电压发生畸变或者不平衡时,基波正序电压与电网电压之间存在较大相位差,故不能满足精确补偿的要求。相量检测法通过数学运算获取相位信息,文献[10-11]通过对三相电压进行微分运算构造线性方程组来分离畸变电网电压中的基波正序分量,然后利用锁相环技术对电网电压相位跳变进行补偿,实现基波正序电压分量相位的快速跟踪,但当畸变电压含谐波较多时,方程组维数多,计算复杂,影响系统动态响应速度;文献[12-13]为解决单d-q变换动态反应慢的问题,采用双同步变换锁相环和一个解耦网络来提取电压不平衡状态下的正序电压分量,但当电压中含有谐波时,无法分离出基波分量;文献[14]提出一种变周期采样移相控制数字锁相环,利用移相控制器消除2倍电网频率的扰动,但无法滤除其他次谐波分量;文献[15]通过转移滤波功能和减少前向积分环节对软锁相环进行改进,使其在动态相位跟踪及不平衡电压检测方面的性能有了显著改善;文献[16]分析了无锁相环基础原理,并引入了平均值理论,提出一种基于平均值理论的无锁相环谐波检测方法,但需多次变换,计算量大。
本文基于同步坐标变换理论,利用虚拟正余弦函数获取单位基波正序电压,直接求取电压补偿量,并利用其结果进行基波正序有功电流的分离,无需对三相电压进行锁相和对电网电流进行同步坐标变换,与现有无锁相环相比,能够更加快速和准确地检测电压、电流补偿量。
1 带锁相环UPQC电压、电流补偿量检测
三相三线制UPQC拓扑见图1,由电压补偿单元、电流补偿单元和直流环节共同组成,兼具有源滤波、无功补偿和动态电压恢复的功能。
三相数字锁相环本质上是一个建立在同步坐标变换基础上的相位误差反馈闭环系统,其参考输入为0,输出为同步坐标变换参考旋转角,通过内部的PI控制器不断调整输出频率和相位使其与三相输入电网电压相位同步。其原理见图2。
根据三相对称分量理论,三相三线制系统中的畸变和不平衡电网电压可以分解为基波正序、基波负序和高次谐波分量,数学表达式见式(1)。其中,等号右边各变量下标表示其次数,上标中“+”、“-”表示其相序。式(1)中abc坐标系下电压矢量经同步坐标变换,得到pq坐标系下与给定电压矢量平行和垂直的分量如∞式(2)所示。
其中,C为同步旋转变换矩阵;θ为同步坐标变换的旋转角,即图2中的θ*。
可见,经同步坐标变换后,abc坐标系下的正序分量角频率将减小θ,负序分量角频率将增加θ,零序分量角频率不变。因此,基波正序分量呈现为直流分量,在相位完全锁定情况下,角频率ωt+φ1+-θ=0。经低通滤波器滤波后的q轴分量,其大小反映输入电压相位θ=ωt+φ1+和锁相环输出电压相位θ*之间的差值(该差值在频率捕获时为0)。该值与0相减后的误差经比例积分(PI)调节器调节后可视为误差信号ω,ω与扰动角频率ω0(一般取基波的角频率值,以便在输入掉电的情况下仍能输出基波频率的正弦信号)相加后得到角频率指令,该角频率再经一积分环节后得到最终输出的相位,即利用角频率的误差修正初始设定的角频率,当达到稳态时,可以保证频率和相位同时跟踪输入电压的频率和相位。
可见,利用锁相环锁定同步电压相位角需进行一次PI调节运算和一次角频率积分,同时确立3个参数,设计调试难度大,电压不平衡时,会降低锁相环的工作带宽,加之误差信号经过积分才能反映到输出相位上,响应速度受到影响,此外,受锁相环调节器的影响,当电压相位发生跳变时,在一段时间内存在检测误差,不利于工程实现。
2 现有无锁相环UPQC补偿量检测
针对锁相环在锁定电压基波正序分量相位时存在的缺陷,现用虚拟正余弦信号进行运算获取基波正序电压分量。畸变和不平衡条件下电网电压表达如式(1)所示,对其进行同步旋转变换,且参考相角θ由DSP内地址表决定(建立虚拟正余弦函数表),假设:
其中,ω0为电网电压相量的旋转角速度,α为任意角。
将式(4)代入式(2)得式(5)。可见,电网电压各分量经过坐标变换后,频率发生变化。假设ω0与电网电压实际角速率差值为△ω0(见式(6))。
那么将式(5)得到的pq坐标系下的各轴分量经过低通滤波器滤波,并假设低通滤波器截止频率为ωc(一般在20~30 Hz之间),如果满足:
则可得到电压基波正序分量对应的p、q轴分量:
据正余弦关系求得电网电压基波正序分量有效值:
然后,对式(8)进行同步坐标反变换求得电网电压abc坐标系下的基波正序分量为:
可见,本文采用的A相电压基波正序分量初相角的计算不是以实际的三相电压为基准的,而是建立在与θ相关的虚拟正余弦函数的基础上。θ在同步坐标变换中仅起到过渡作用,只要其能与低通滤波器密切配合(满足式(7)),α可任意取值,对最后结果的准确性将不产生影响。同时由于低通滤波器的滤波特性仅受到的影响,因此不管是DSP产生的正余弦信号的角速率产生误差还是实际电网电压发生频率漂移,对最终检测结果的影响都可以自然消除。
由式(9)和式(10)可得单位基波正序电压分量:
负荷的非线性和不对称性使得负荷电流并非是与电网电压同相的正弦电流。将三相三线制电路中负荷电流进行傅里叶分解为基波正序、基波负序和高次谐波分量,表示为式(12)。
同理,对三相负荷电流亦按式(3)所示矩阵进行同步坐标变换,并经过LPF得到pq坐标系下的直流分量如式(13)所示。
欲使UPQC实现单位功率因数补偿,基波正序有功电流为基波正序电流矢量在基波正序电压矢量上的投影。因此,三相基波正序有功电流见式(14):
将式(8)和式(13)代入式(14)即可得到基波正序有功电流分量。总的检测原理如图3所示。
3 无锁相环UPQC补偿量检测的改进
从以上分析可以看出,现有无锁相环方法在对电网电压进行同步坐标变换的同时,还需对负荷电流作同步坐标变换,然后利用低通滤波器输出的电压和电流p、q轴分量以及经反同步坐标变换后的基波正序电压分量来计算基波有功电流的幅值,计算繁琐复杂,系统会受此影响而给最终的检测结果造成误差,故需对运算进行简化。
为了克服软件中存储的正余弦表分辨率的限制,直接利用计算得到的单位电压基波正序分量,对三相负荷电流作如下处理,由式(11)和式(12)求得。
经低通滤波器滤波得直流分量:
显然,该值主体部分恰为基波正序电流在电网基波正序电压上的投影值,故可进一步根据式(17)求得三相基波正序有功电流为:
可见,检测运算过程不需对三相负荷电流进行同步坐标变换,同时并未将电网电压的幅值信息引入到计算过程中,从而达到快速准确检测的目的。至此,间接控制策略下UPQC电压和电流补偿量为:
简化后的检测过程如图4所示。以上理论推导中用到θ的正余弦函数在实际实现时使用同一个正余弦函数表,不同的是读取数据的起始地址不同。
4 仿真分析
根据三相三线制UPQC拓扑结构和上述理论推导,利用MATLAB/Simulink中的Power Systems工具箱进行仿真比较验证。模型中电网电压频率50 Hz,0.04 s时电网电压发生畸变和不平衡,为方便各方法性能比较,0.04 s时同时发生40°相移;负荷采用三相不对称电感串二极管整流桥,且整流桥桥接电阻电感,负荷额定电压为220 V。电网电压和负荷电流波形如图5所示。
图6为仿真结果。图中,(a)为分离得到的单位基波正序分量;(b)为分离出的基波正序有功电流分量;(c)为理想负荷电压与基波正序电流分量的相位对比图,可见,实现了单位功率因数跟踪;(d)、(e)分别为3种方法基波正序电压和基波正序有功电流检测结果对比图,其中曲线1为A相电网电压波形,曲线2为本文所提方法检测结果,曲线3为现有无锁相环检测结果,曲线4为锁相环检测结果。从图中各波形对比可见,对于电压检测,因现有无锁相环和本文所提方法基波正序电压分离运算过程相同,故检测结果完全重合,但是锁相环由于调节的滞后效应需要经过约2个半工频周期的调节才能消除静差;对于电流检测,仿真对比显示当负荷电流变化时,本文方法因只引入电网电压的相位信息,因此准确度最高,锁相环由于PI的滞后调节动态效果最差。
5 实验验证
基于型号为TMS320F2812的DSP主控芯片搭建实验平台,采样频率为10 k Hz,在低压条件下对本文所提无锁相环电压电流补偿量检测进行效果验证。实验参数为:电网电源最大值为28 V,在A相进线端串接1.1 m H电感和20 W/1.5Ω电阻、B相串接1.08 m H电感、C相串接1.1 m H电感和1 W/3Ω电阻来模拟畸变和不平衡状态,负载采用三相二极管整流桥桥接大小为150 W/16Ω的电阻。受示波器通道限制,仅采集A、B两相信息。利用外扩DAC单元观察实验结果如图7所示。
实验结果显示,利用无锁相环进行UPQC电压和电流补偿量的检测可以准确分离出基波正序电压和基波正序有功电流分量,两者虽相位基本一致,但仍存在一定误差,分析误差来源为:微处理器中计数器的量化误差;中断响应时间的分散性;信号周期测量不准确和滞后;信号采样、调理、ADC、补偿量计算以及DAC造成延时。
6 结论
a.本文提出的电网电压畸变和不平衡条件下无锁相环电压、电流补偿量检测方法利用虚拟正余弦函数获取单位基波正序电压,直接求取电压补偿量,并利用其结果进行基波正序有功电流的分离,能够准确检测电压、电流补偿量,与现有无锁相环相比,简化了运算,进一步改善了动态性能和准确度。
试论化学平衡状态要点突破 篇4
1. 定义:
一定条件下的可逆反应中, 正反应速率与逆反应速率相等, 反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态.
2. 化学平衡的建立 (如图1所示)
3. 平衡特点:
动, 化学平衡是一种动态平衡;等, 正反应速率等于逆反应速率;定, 反应物和生成物的质量或浓度保持不变;变, 条件改变, 平衡状态可能改变, 新条件下建立新的平衡状态.
二、化学平衡状态常用的判断方法
三、典例讲解
例1一定条件下, 对于可逆反应X (g) +3Y (g) 2Z (g) , 若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3 (均不为零) , 达到平衡时, X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.08 mol·L-1, 则下列判断正确的是 ()
(B) 平衡时, Y和Z的生成速率之比为2∶3
(C) X、Y的转化率不相等
(D) c1的取值范围为0 mol·L-1<c1<0.14 mol·L-1
解析:平衡浓度之比为1∶3, 转化浓度亦为1∶3, 故c1∶c2=1∶3, (A) (C) 不正确;平衡时Y生成表示逆反应, Z生成表示正反应速率且vY (生成) ∶vZ (生成) 应为3∶2, (B) 不正确;由可逆反应的特点可知0<c1<0.14 mol·L-1.答案选 (D) .
例2在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应 (甲) 2NO2 (g) 2NO (g) +O2 (g) , (乙) H2 (g) +I2 (g) 2HI (g) , 现有下列状态: (1) 反应物的消耗速率与生成物的生成速率之比等于系数之比, (2) 反应物的消耗速率与生成物的消耗速率之比等于系数之比, (3) 速率之比等于系数之比的状态, (4) 浓度之比等于系数之比的状态, (5) 百分含量之比等于系数之比的状态, (6) 混合气体的颜色不再改变的状态, (7) 混合气体的密度不再改变的状态, (8) 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态, (9) 体系温度不再改变的状态, (10) 压强不再改变的状态, (11) 反应物的浓度不再改变的状态, (12) 反应物或生成物的百分含量不再改变的状态, 其中能表明 (甲) 达到化学平衡状态的是___;能表明 (乙) 达到化学平衡状态的是___;能表明 (甲) 、 (乙) 都达到化学平衡状态的是___.
解析:根据化学平衡的依据, 其中能表明 (甲) 达到化学平衡状态的是 (2) (6) (8) (9) (10) (11) (12) , 能表明 (乙) 达到化学平衡状态的是 (2) (6) (9) (11) (12) , 能表明 (甲) 、 (乙) 都达到化学平衡状态的是 (2) (6) (9) (11) (12) .点评:在解决化学平衡状态判断中, 要注意两审, 一审题干条件, 是恒温恒容还是恒温恒压;二审反应特点: (1) 全部是气体参与的等体积反应还是非等体积反应; (2) 是有固体参与的等体积反应还是非等体积反应.特别注意不能作为“标志”的四种情况, (1) 反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比. (2) 恒温恒容下的体积不变的反应, 体系的压强或总物质的量不再随时间而变化. (3) 全是气体参加体积不变的反应, 体系的平均相对分子质量不再随时间而变化. (4) 全是气体参加的反应, 恒容条件下体系的密度保持不变.
摘要：本文通过引导学生对化学平衡状态进行理解, 进而理解化学平衡状态常用的判断方法, 掌握复杂化学平衡状态问题的解决方法, 使学生全面透彻的掌握化学平衡状态的含义, 从而建立起科学思维能力与方法.
关键词：化学平衡状态,判断方法,理解与应用
参考文献
[1]汪志成.化学平衡移动的几个疑难问题辨析[J].教学管理, 2006 (1) .
例析化学平衡状态的判断标志 篇5
1.本质标志
化学平衡状态的本质标志是:对同一物质表示的正反应速率等于逆反应速率, 但不等于零, 即v (正) =v (逆) 。对同一物质来说, 消耗速率等于生成速率。
2.等价标志
所谓“等价标志”是指可以间接衡量某一可逆反应是否达到化学平衡状态的标志。
(1) 可逆反应的正、逆反应速率不再随时间而发生变化。
(2) 体系中各组成成分的物质的量浓度、体积分数、物质的量分数或质量分数保持不变。
(3) 对同一物质而言, 单位时间该物质所代表的正反应的转化浓度和所代表的逆反应的转化浓度相等的状态。
(4) 对同一物质而言, 断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。
(5) 对不同物质而言, 一种物质所代表的正反应速率和另一种物质所代表的逆反应速率的比值等于它们化学方程式中的化学计量数 (系数) 之比。
3.特殊标志
所谓“特殊标志”是指在特定环境、特定反应中, 能间接衡量某一可逆反应是否达到化学平衡状态的标志。
(1) 对于全部是气体参与的反应, 且反应前后气体计量数不相等的可逆反应, 若反应体系中混合气体的平均相对分子质量不再随时间而变化, 则反应达到平衡状态。
(2) 对于有气体参加的反应, 且反应中气体反应物和气体生成物的计量数不相等的可逆反应 (体系中可存在固、液态物质) , 当恒温、恒容时, 若反应体系中的总压强不再随时间而变化, 则反应达到平衡状态;当恒温、恒压时, 若反应体系中的体积不变, 混合气体的密度不变, 则反应达到平衡状态。
(3) 由于任何化学反应都伴随有能量的变化, 因此在其他条件不变的情况下, 当总体系温度一定时, 则反应达到平衡状态。
(4) 对于有有色物质参加的可逆反应, 若体系颜色不变, 则反应达到平衡状态。
例1.下列说法可以证明反应已达到平衡状态的是 () 。
(1) 单位时间内生成n mol的H2, 同时生成n mol的HI;
(2) 一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂;
(3) HI的体积分数与I2的体积分数相等;
(5) 温度和体积一定时, 某一生成物的浓度不再变化;
(6) 温度和体积一定时, 混合气体的颜色不再变化;
(7) 温度和体积一定时, 容器内气体的压强不再变化;
(8) 温度和压强一定时, 容器的体积不再变化;
(9) 温度和体积一定时, 混合气体的平均分子质量不再变化;
(10) 温度和压强一定时, 混合气体的平均分子质量不再变化;
(11) 温度和体积一定时, 混合气体的密度不再变化;
(12) 温度和压强一定时, 混合气体的密度不再变化。
解析:对 (1) :单位时间内生成n mol H2即消耗2n mol HI, 依选项 (1) , 此时只生成n mol HI, 说明HI的浓度还在变化, 不能证明反应已达平衡状态;对 (2) :一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂, 这意味着单位时间内消耗1 mol H2的同时消耗2mol HI, 而消耗2mol HI说明同时生成1mol H2与1mol I2, 即H2的浓度保持不变, 可以证明反应已达平衡状态;对 (3) 、 (4) :W (HI) =W (I2) 及c (HI) ∶c (H2) ∶c (I2) =2∶1∶1, 这两个等式可能是在平衡建立过程中出现的, 不能说明各组分的浓度保持不变, 因此不能证明反应已达平衡状态;对 (5) 、 (6) :某一生成物的浓度不再变化, 混合气体的颜色不再变化即I2蒸汽的浓度不变, 都可以直接证明反应已达到平衡状态;对 (7) — (12) :此反应前后气体体积不变, 即气体的总物质的量 (n总) 一定, 由质量守恒定律可知气体的总质量 (m总) 一定。当温度和体积一定时, P与n总成正比关系, 因而容器内气体的压强始终不变;当温度和压强一定时, V与n总成正比关系, 因而容器的体积始终不变。无论是恒温恒压, 还是恒温恒容, 根据M=m总/n总, ρ=m总/V容器可知混合气体的平均分子质量、混合气体的密度始终是个定值。
答案: (2) (5) (6) 。
例2.在一个不传热的固定容积的密闭容器中, 可逆反应mA (g) +nB (g) =pC (g) +qD (g) , 当m、n、p、q为任意正整数时, 达到平衡的标准是 () 。
(1) 体系的压强不再发生变化; (2) 体系的温度不再发生变化; (3) 各组分的物质的量浓度不再发生变化; (4) 各组分的质量分数不再发生变化; (5) 反应速率v (A) :v (B) :v (C) :v (D) =m:n:p:q。
A. (1) (3) (5) B. (2) (3) (4) C. (1) (4) (5) D. (1) (2) (3) (4) (5)
解析:如果m+n=p+q, 则任意时体系内的压强、混合气体的平均相对分子质量都相等, 不能作为判断的标准, 否则成立。任何化学反应都有吸热或放热, 温度改变一定是非平衡状态。各组分的物质的量浓度不变、各组分的质量分数不变, 各组成成分的百分含量保持不变, 即平衡状态。
化学平衡状态的几个具体判据研究 篇6
对于一定条件下的可逆反应, 如果某种反应物或生成物的物质的量或质量等具体量保持不变, 则说明可逆反应已达到化学平衡状态.
二、速率判据
对于一定条件下的可逆反应, 如果分别给出了正反应速率和逆反应速率, 且数值之比等于化学方程式中相关物质化学式前化学计量数之比. 则说明可逆反应已达到化学平衡状态.
三、压强判据
在恒温、恒容条件下, 对于反应前后气态物质化学式前化学计量数之和不相等的反应, 如果反应体系的压强不再变化, 则说明可逆反应已达到化学平衡状态.
四、气态物质的密度 ( 或相对分子质量) 判据
如果反应体系中的气态物质的密度 ( 或相对分子质量) 在反应过程中是变化的, 但在一定条件下气态物质的密度 ( 或相对分子质量) 不在变化, 则说明可逆反应已达到化学平衡状态.
五、有色气态物质颜色判据
对于只有一种气态物质有颜色的可逆反应, 如果反应体系的颜色深浅程度不再变化, 则说明可逆反应达到化学化学平衡状态.
例1 对于3H2+ N22NH3的反应, 达到平衡的标志是 ()
( A) 生成氨的速率与氨的分解速率相等
(B) 断开一个N≡N键同时有6个N-H键生成
(C) N2、H2、NH3百分含量不在变化的状态
(D) 总压强不变
(E) N2、H2、NH3分子数之比为1∶2∶3的状态
(F) N2、H2、NH3的浓度相等
( G) N2、H2不再起反应
( I) 混合气密度不变
( J) 混合气平均分子量不变
( K) 反应放出的热量等于反应吸收的热量
解析: ( A) ( K) 选项体现了v ( 正) = v ( 逆) ≠0; ( B) 选项只知正反应速率, 不知逆反应速率, 无法判断是否平衡; ( E) ( F) 也无法判断是否平衡, 因分子数之比为1∶3∶2 及浓度相等, 不能说明各成分浓度不变; ( G) 选项违背了平衡的特征; ( H) 选项正反应速率、逆反应速率一直满足这种关系, 不能说明v正= v逆; ( I) 选项气体总质量不变, 若体积不变时密度始终不变, 不能说明是否达到了平衡状态; ( C) ( D) ( J) 体现了混合物各成分具体量保持不变; 因此正确的选项为 ( A) ( C) ( D) ( J) ( K) . 答案选 ( A) ( C) ( D) ( J) ( K) .
例2 一定条件下, 在密闭容器中, 能反应x ( g) +2y ( g) = 2z ( g) 一定达到化学平衡条件的是 ()
①X、Y、Z的物质的量之比为1∶2∶2
②X、Y、Z的浓度不再发生变化
③ 容器中的压强不再发生变化
④单为时间内生成n mol Z同时生成2n mol Y
(A) ③④ (B) ④①
(C) ②③ (D) ③④
不平衡状态 篇7
关键词：环形空腹索桁架结构,初始平衡状态
1前言
索杆张力结构是由张力索和压杆组成的、具有预应力自平衡的新颖空间结构体系, 该种结构效率高、构思精巧、自重轻、经济合理, 近年来正在得到不断的发展和应用。八十年代, 美国B.H.Geiger和M.Lery在工程中成功地采用了索穹顶体系。如直径210 m的美国太阳海岸穹顶、直径119.8 m和89.8 m汉城奥运会体育场馆、平面193 m×240 m的亚特兰大奥运会主体育馆等。在我国, 深圳会展中心屋盖结构和上海大剧院墙面支撑结构分别采用了空间索杆桁架体系和多跨连续平面索桁体系。从结构组成而言, 索穹顶体系、索桁体系都可称为索杆组成的索杆张力结构。本文所采用的结构体系就是受索穹顶的启发而演变来的, 文献[1]将这类结构称为轮辐式结构体系 (Bicycle Wheel-like Structural Systems) , 文献[2]称之为大跨度环形空腹索桁结构体系。
索杆张力结构是一种柔性结构, 为使结构发挥高效的结构性能, 应尽量减少结构的冗余度。所以, 这种结构通常是静不定和动不定体系, 存在机构位移模态和自应力模态。索杆张力结构的刚度是由预应力提供的, 自应力模态是结构可施加预应力的前提, 只有通过施加合适的预应力才能保证结构稳定的状态。
根据索杆张力结构分析计算的特点, 首先需要确定初始预应力分布。初始预应力分布应保证节点处力的平衡、保证所有索单元受拉。预应力分布与单元布置、几何密切相关。本文由铰接杆系结构的基本平衡方程出发, 通过奇异值分解, 计算结构的独立自应力模态, 并进而计算结构的初始预应力分布。
2大跨度环形空腹索桁结构体系的特点
从结构的观点看, 该结构体系是一种受力合理、结构效率高的结构体系, 它由连续的拉索和不连续的压杆组成, 完全体现了Fuller关于“压杆的孤岛存在与拉杆的海洋中”的思想。具体体现在:
(1) 全张拉状态。
(2) 预应力提供刚度:结构由索杆组成, 其中的索在未施加预应力前几乎是没有自然刚度的, 它的刚度完全由预应力提供。所以结构的刚度与预应力的分布和大小有密切关系, 不同于传统的结构设计。
(3) 自平衡体系:无论在成形态还是受荷态, 它都是拉力和压力的有效自平衡体系。
(4) 力学性能与形状和施工方法有关, 与任何柔性的索系一样, 结构的工作机理和力学性能依赖于其自身的拓扑形状, 只有合理的结构形态, 才能有良好的工作性能。这部分工作主要基于结构的找形分析。结构的性能很大程度上取决于预应力状态, 而预应力的形成又与施工过程有直接关系。
3结构体系初始平衡状态的确定
3.1 引言
索穹顶结构在没有施加预应力之前, 它的刚度几乎为零, 不能承受外荷载, 只有在适当施加的预应力下, 结构才处于一种稳定的平衡状态, 从而获得承受外载荷所需的结构刚度。这种无外载下平衡形状的获得, 除了预加自应力及结构几何外, 还受到结构边界约束条件及结构拓扑的约束。因此, 在边界约束条件与结构拓扑条件下, 如何获得满足自应力平衡的结构几何, 就构成了张拉索杆结构体系的初始平衡问题 (Initial equilibrium problem) , 也称找形 (Form finding或Shape finding) 。对于索穹顶结构和本文所研究的环形空腹索杆结构体系, 结构几何一般都是给定的, 找形问题就变成在边界约束条件与结构拓扑条件下, 如何获得满足给定结构几何的预应力分布问题, 即找力 (Force finding) 。
国内外学者对找形问题研究得很多, 提出过许多颇有成效的方法, 如非线性位移法[3,4,5,6]、力密度法[7,8,9]、动力松弛法[10,11]等等。对于索穹顶结构的初始平衡问题, 文献【12】提出了线性方法, 较普遍采用的是基于平衡矩阵, 利用高斯消元法[13]或奇异值分解法[14,15,16]求出结构的自应力模态, 进而求出结构的预应力分布。
3.2 平衡方程
对于给定的空间铰接结构体系, 设杆件数为b, 节点数为N, 约束数为k, 则非约束位移数 (即自由度) 为j=3N-k。如图1所示, 在i点建立力的平衡方程:
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对所有非约束点进行上述运算, 用矩阵表示可得:
上式又可表示为:
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式中, [B]称为平衡矩阵, {t}为b维杆件内力矢量, {f}为j=3N-k维节点力矢量。
同样, 在小变形假设条件下, 可以建立协调方程:
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式中, [B]称为协调矩阵, {u}为节点位移矢量, {e}为单元应变矢量。根据虚功原理, 有:[B]T=[A], 则 (4) 式可变为:
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3.3 自应力模态
平衡方程 (3) 的解可以表示为[3]:
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式中, {t'}为对应于荷载{f}的方程 (3) 的特解;undefined包含s个独立自应力模态, 为[A]的零空间的基;{α}为s维实常数。对于任意{α}, 式 (6) 是方程 (3) 的解。求解自应力模态[V]b×s, 这里采用奇异值分解法。
根据矩阵理论[17], 式3中平衡矩阵分解为:
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其中, [S]=diag (s11, s22, …, srr) 为矩阵的奇异值, 且s11≥s22≥…≥srr>0, r为矩阵的秩;[U]={[u1], …, [ur], [u3j-k]}、[V]={[v1], …, [vr], [vb]}为正交矩阵, 满足
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即
[A][v]bxs=0 (10)
[A]T[U]ix (3j-k) =0 (11)
[V]bxs的列向量为[A]的零空间的一个标准正交基底, 可知[V]bxs也就是独立自应力模态。所以结构的自应力模态可由平衡矩阵的奇异值分解求得。
3.4 预应力分布的计算
结构的预应力分布是独立自应力模态的线性组合, 可由下式表示:
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式中, α1, α2, …αs是组合因子, 为任意实常数。在索杆张力结构中, 由于索单元只能承受拉力, 这些常数的选择必须保证索单元受拉。
对于自应力模态数s=1时, 式 (12) 变为:
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此时, 假定结构的其中一个单元的预应力值已知, 则α1也就可以直接唯一确定。
对于自应力模态数s>1时, 首先可以假定其中一些单元的预应力值 (设b'为假定已知预应力值的单元数) , 原则是索单元给定正值, 对称位置的同类单元给定的预应力值相同, 其余单元的预应力值设为零, 即形成假定的单元预应力向量{t}b, 根据式 (12) 得到:
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将上式矩阵[V]b×s和{t}b中剔除相应单元预应力为零的行, 即有:
undefined
通常情况下b'≥s, 当b'=s时, [V]b'×s是正方阵, {α}s能够唯一确定。当b'>s时, undefined是长方阵, 首先需要计算undefined的广义逆矩阵, 进而求得{α}s即:
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3.5 算例
如图2所示结构计算模型, 环形空腹索桁结构, 四周固支, 桅杆高度不变, 圆周按15°角24等分, 具体尺寸见图所示。假设靠近边界的索初始预内力为60kN, 根据矩阵奇异值分解可知自应力模态数为1, 结构的初始预内力分布如图3所示, 由于结构上下对称, 其上下两层索的初始预内力分布相同, 所以图中只标出一层。
4结语
由以上的计算分析可以得到以下几方面的结论:
(1) 索杆张力结构的刚度是由预应力提供的, 自应力模态是结构可施加预应力的前提, 只有通过施加合适的预应力才能保证结构稳定的状态。因而对于此类结构应首先确定它的初始平衡状态, 即找力 (Force finding) 。
(2) 利用奇异值分解法可以准确有效地求出环形空腹索桁结构体系的自应力模态, 从而得到预应力分布。
不平衡状态 篇8
慢性肺源性心脏病(以下简称慢性肺心病)是一种常见的呼吸系统疾病,常反复急性加重,出现肺心功能失代偿者多数有液体潴留的表现,对于这部分患者,液体管理尤为重要[7,8]。慢性肺心病心力衰竭与其他心脏病心力衰竭的治疗有所不同,作为促使液体负平衡发生的最直接方式,利尿药治疗需十分慎重,因为利尿剂应用易出现低钾、痰液黏稠不易排出和血液浓缩等负面效果。目前尚无肺心病患者液体平衡与预后关系的文献报道,本研究拟对近1年收住呼吸重症监护病房的慢性肺心病患者进行回顾性分析,旨在探讨液体平衡状态与预后的关系。
1 资料与方法
1.1 一般资料
通过查阅病案资料,收集2013年1月1日至2014年4月30日在中南大学湘雅医院呼吸内科ICU住院的所有住院时间≥3 d且主要诊断包含慢性肺心病的患者临床资料,包括一般人口学特征、病因、并发症、合并症、急性生理学和慢性健康状况Ⅱ(APACHEⅡ)评分、胸片、CT、心电图、心脏彩超、生化检验指标(肝肾功能、心肌酶学)、入院和出院时的动脉血气分析结果、利尿剂使用情况、机械通气情况、ICU住院天数、总住院天数、入RICU第1周内24 h出入水量情况等。符合1997年全国肺源性心脏病专业会议制定的“慢性肺源性心脏病诊断标准”且合并Ⅱ型呼吸衰竭和(或)心力衰竭者,作为重症慢性肺心病患者入组。
1.2 分组方法
根据患者二氧化碳潴留情况是否改善大于10 mm Hg和(或)机械通气患者是否成功脱机分为好转组与不好转组,根据1周内液体平衡量(液体入量-液体出量)是否大于0分为液体正平衡组与液体负平衡组。
1.3 统计学处理
采用EPIDATA 3.1录入数据建立数据库,导出到PASW statistics 18.0进行统计分析。连续性变量采用均数±标准差表示,分类变量资料采用构成比(%)表示。计量资料两样本均数比较采用独立样本t检验,不符合正态方差齐性条件者采用Mann-Whitney检验,分类变量资料采用卡方检验。以ICU结局(好转、不好转)为因变量、影响预后的因素为自变量进行非条件二元Logistic回归分析。采用受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线法分析液体平衡对预后的影响。
2 结果
2.1 研究对象的基线特征
本研究最终纳入87例重症慢性肺心病患者,其中男68例,女19例,平均年龄为66岁,APACHEⅡ评分最低5分,最高29分,均值为12.2分。病因构成:慢性阻塞性肺疾病70例(占80.5%)),支气管哮喘5例,支气管扩张10例,胸廓畸形1例,其他1例。根据ICU结局,好转组69例,不好转组18例,两组间的患者年龄、性别、病因构成、APACHEⅡ评分差异均无统计学意义。除重症肺炎病例在不好转组(3例)多于好转组(1例)之外,其他合并症、并发症、心肌酶学指标、白蛋白含量、肝肾功能异常情况在两组间差异亦无统计学意义。治疗上,两组间机械通气情况及利尿剂应用情况差异无统计学意义。好转组与不好转组的ICU住院天数和总住院天数差异无统计学意义(P>0.05)。好转组入ICU时Pa CO2(78.2±16.5)mm Hg高于不好转组的(67.3±11.3)mm Hg,差异具有统计学意义(P<0.05),但好转组的Pa CO2改善量(21.8±17.0)mm Hg明显大于不好转组的(-5.3±14.6)mm Hg。见表1。
注:Pa CO2改善量=入ICU时Pa CO2-出ICU时Pa CO2;a Mann-Whitney检验;b Fisher's确切概率法;好转组与不好转组比较,c P<0.05,d P<0.001
2.2 液体平衡情况比较
液体正平衡40例,负平衡47例,好转组负平衡比例(42/69)高于非好转组(5/18),差异具有统计学意义(P<0.05)。好转组1周内液体平衡量(-1 155.2±3 332.2)ml明显少于非好转组的(1 997.7±3 726.7)ml,差异具有统计学意义(P<0.05)。此外,液体正平衡组ICU住院天数和总住院天数分别为(10.8±9.6)、(13.0±11.1)d,均显著大于液体负平衡组的(6.9±3.5)、(9.2±5.2)d,差异有统计学意义,P<0.05。见表2。
注:ICU天数不足1周者,统计实际住院期间液体出入量情况好转组与不好转组比较,a P<0.05;b P<0.01
2.3 多因素分析影响预后的危险因素
Logistic回归分析结果显示,液体正平衡是影响肺心病预后的独立危险因素,反之,液体负平衡是保护因素(OR值=0.26),即出现液体负平衡的肺心病患者预后较好。见表3。
a P<0.05
2.4 ROC曲线法分析液体平衡对预后的预测价值
由图1 ROC曲线可看出,周液体平衡量和日均液体平衡量均对肺心病预后具有预测价值,液体平衡量越多预后越差,两者的曲线下面积(AUC)分别为0.739和0.742,最佳截断点分别为809 ml和102 ml,相对应的灵敏度均为72.2%,特异度分别为73.9%和71.0%。
3 讨论
液体管理对重症患者至关重要,不同液体管理策略下患者出现截然不同的预后。既往多项研究[5,6,9]表明,液体正平衡是影响急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征患者预后的独立危险因素。Wiedemann等[10]的一项前瞻性随机对照研究结果显示,急性肺损伤患者获益于保守的液体管理策略。在脓毒性休克的研究中,Alsous等[4]发现入院前3 d内至少有1 d达液体负平衡者(<-500 ml)具有较好的生存结局,而SOAP[11]和VASST[12]两项队列研究显示液体正平衡与高病死率密切相关。值得关注的是,Upadya等[13]在机械通气患者的前瞻性研究中发现,液体平衡影响脱机成功率,出现液体负平衡的患者有更大的脱机希望。国内也有研究报道,限制性液体复苏策略有助于改善异位妊娠失血性休克患者的预后[14]。
曲线下面积分别为0.739和0.742
慢性肺源性心脏病是由肺组织结构和(或)功能异常产生肺血管阻力增加,肺动脉压力增高,使右心室扩张和(或)肥厚,伴或不伴右心功能不全的心脏病。液体潴留问题在肺心功能失代偿期患者中尤为常见,液体管理在这类患者的治疗过程中的重要地位显而易见,过重的液体负荷会加重心力衰竭,而液体量不足易出现痰液黏稠难以排出导致肺部情况难以改善[7,8]。本研究结果显示,重症肺心病患者液体平衡状态与预后相关,且液体平衡是独立影响因子(OR=0.29),第1周内负平衡患者预后良好。
此外,我们还发现液体负平衡者的ICU住院天数和平均住院天数显著缩短,与既往的对重症患儿的研究[2]结果类似。入住ICU是挽救重症患者的必要举措,但过长的住院天数往往会带来一系列不良后果,例如院内感染风险增大、住院费用攀升等,而若能通过改变液体管理策略缩短住院时长,这无疑具有重大意义。
鉴于本研究为小样本回顾性研究,就此作出液体平衡状态与肺心病患者预后具有因果关系的结论未免过于武断,因此,为期望患者获得良好预后而采用一些促使患者得到液体负平衡的激进举措(如大量使用利尿剂、过度限制液体入量等)显然是不可取的。但是,我们可把液体平衡看作一种预判疗效的“生物标记物”,出现液体负平衡预示该患者将获得较好的预后。
本研究为单中心、小样本、回顾性研究,部分资料的缺失造成的偏倚不可避免,有待大样本的前瞻性队列研究进一步探讨,且本研究仅揭示慢性肺心病与预后有关的现象,具体机制尚待阐明。此外,既往研究大多采用生存或死亡作为结局的观察指标,预后是否好转的界定一目了然,由于研究对象中死亡患者仅占很小比例(3/87),只能根据患者二氧化碳潴留改善及脱机与否界定预后好坏,可能存在一定争议。
摘要：目的:探讨重症慢性肺源性心脏病(肺心病)患者液体平衡状态与ICU结局的关系。方法:对入住呼吸ICU的87例慢性肺心病合并Ⅱ型呼吸衰竭患者的临床资料进行回顾性分析,根据1周内液体平衡情况分为液体正平衡组与液体负平衡组,根据患者二氧化碳潴留情况改善和(或)是否成功脱机情况将患者分为好转组与不好转组。统计方法采用单因素分析和多因素Logistic回归分析。结果:好转组的1周内液体平衡量和日均液体平衡量均显著低于不好转组(P=0.001)。液体正平衡组的ICU住院天数和总住院天数均明显多于液体负平衡组(P=0.038)。液体负平衡与良好的ICU结局正相关,且是影响预后的独立保护因子(OR=0.26,P=0.025)。结论:液体负平衡预示重症肺心病患者预后良好。