步进电机的工作原理

步进电机的工作原理（精选13篇）

1.步进电机的工作原理 篇一

永磁同步电机的工作原理

永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁同步电机在现在应用及其广泛。和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频 异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式〔鼠笼式异步电机〕绕线式异步电动机。永磁同步电机的工作原理如下：

永磁同步电机主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

永磁同步电机的载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

永磁同步电机的切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

永磁同步电机交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

永磁同步电机的交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

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2.步进电机的工作原理 篇二

在大规模集成电路技术、网络通信技术、超精密加工技术的发展下, 各类微机电系统、微小型电子设备已经在通信、工业、医学等领域得到推广, 为了满足这一需求, 需要寻找出可再生的清洁电池, 压电振动发电机是解决这一问题的有效措施。

1 压电振动发电机工作原理

压电振动发电机是利用压电元件伴随外界振动刺激而产生形变, 使压电元件上下两个电极之间生成有差异的电荷, 从而形成电势差, 再由能量采集电路处理收集, 转换成电能。目前几种运用最广泛的压电材料是:压电单晶体、压电陶瓷、压电聚合物以及压电复合材料等。压电换能结构是压电发电机核心之一。压电换能结构可分为压电双晶片、多层叠堆形、虹形、钹形和弹珠形等。如果想要高效运用振动能量, 第一步就是研究压电换能结构, 提高其能效率。目前应用最多的是悬臂梁式换能结构, 其具有的易实现性成为研究开发中最普遍的换能结构。

2 压电振动发电机能量转换接口电路

外部振动激励的不确定性使压电发电机输出功率低、电流小, 转换过程中的损耗和产生的电压使交变电压等无法达到负载的供电要求。这样就要有特定的能量转换接口电路, 以便增多储能元件。能量转换接口电路可分为单级和多级两种。单级压电发电机接口电路是当前研究使用最多的一种, 包括经典接口电路、同步电荷提取电路、并联同步开关电感电路及串联同步开关电感电路。多级压电发电机接口电路则是利用不同的转换电路分别针对不同外部机械激励进行转换, 确保输出功率可以达到最大。但由于复杂性和不稳定性, 在这一方面始终没有太大的研究进展。

3 压电振动发电机共振频率调整策略

振动发电机想要得到最大的输出电能, 需要机械激励与内部压电元件形成共振, 且输出功率受带宽限制。当下压电振动发电机领域处理共振频率方式有两类:调节发电机固有频率与外部激励同步和发电机的带宽始终能够响应外部激励。调节发电机自身频率方法包括调节其自身的机械特性和使发电机的电学负载发生变化。机械特性调节可分为主动和被动两种调节模式。例如悬臂梁式压电振动发电机, 调节机械参数方式有调节大小、重量、弹簧伸展性和对支撑部件的负担等。通过调节固定于质量块上螺钉的位置, 改变质量块的几何中心, 压电发电机的固有频率可在180 Hz~130 Hz之间连续变化。

拓宽发电机带宽通过使用多悬臂梁结构、增加限幅器等方法能够实现。机械参数和固有频率都不同的一系列悬臂梁振动发电机合称为多悬臂梁式振动发电机。美国科学家公布其对多悬臂梁振动发电机的研究成果, 三个同尺寸不同重量的悬臂梁, 其固有频率分别为113 Hz、183 Hz及281 Hz, 发电机响应频率在10 Hz与400 Hz之间, 这样的一个组合电能输出就可以为传感器模块提供足够的能量。

4 压电振动发电机技术发展趋势

科技在不断地进步, 大规模集成电路制作技术、超精密加工技术和网络通信技术更新换代也越来越快, 压电振动发电机的研究核心和发展趋势有以下三点。

4.1 发电机机械结构

微机械加工技术已经逐渐成熟。随着人们对压电材料的持续探索, 使压电发电机走向微型化、集成化的前进道路。压电振动发电机就必须要提高能量转换效率、实现微型化并且能够兼容MEMS加工工艺。当然, 还要继续探索更优越性能的发电机以适应日益发展的现代电子技术。自适应调频、多方向能力的压电振动发电机和对发电机响应频带的研究都具有很大的价值, 是未来阶段的研究方向。

4.2 接口电路

为了降低能量接口电路对于输出电能与能量转换产生的干扰, 需要对能量接口电路进行改进, 降低其自身消耗。这就为我们继续探索更加完善地控制电路提供了方向, 使压电发电机具有更好的发展前景。

4.3 压电材料

压电材料是压电发电机的根本, 只有不断突破这一技术, 压电发电机的研究才能得以进步。压电纳米材料具有高效性、兼容性, 为实现压电振动发电机的微型化提供便利条件。医用压电发电机的要求较高, 普通材料无法满足, 必须研发可植入式新型压电材料, 为植入式医疗装置或随身低功耗电子装置提供能源。

5 结语

对压电振动发电技术的研究, 其根本就是为微小电子设备提供能源, 现在我国已经在压电振动发电领域取得很大的进展。相信会在不久的将来, 压电振动发电机能够在所有行业遍地开花, 其高效性、节能性、可再生性将带给我们更大的社会效益和经济效益。

摘要：随着科学技术的不断进步, 电子产品的日益复杂化和高端化, 传统的电池供电已不能满足现状。振动无处不在, 将其产生的能量用于发电具有很大的研究实用价值。根据发电原理可将振动发电机分为静电式、电磁式和压电式。简要概述压电式振动式发电机研究现状和未来发展趋势。

关键词：压电振动发电机,工作原理,技术趋势

参考文献

[1]单小彪, 袁江波, 谢涛, 等.不对称悬臂梁压电发电装置的实验研究[J].压电与声光, 2010 (4) .

[2]刘智, 单小彪, 袁江波, 等.Cymbal压电换能器发电性能的有限元仿真分析[J].机械设计与制造, 2010 (5) .

[3]贺学锋, 高军, 夏辉露.碰撞式微型压电风能采集器实验研究[J].纳米技术与精密工程, 2013 (3) .

3.步进电机的工作原理 篇三

关键词：智能电机 控制装置 控制系统

1、智能控制及其控制目的

智能控制是自动控制领域内的一门新兴学科，模糊控制与神经网络是其中的两项关键技术，可以用来解决一些传统控制方法难以解决的问题。首先，智能控制不依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制，在控制中有能力并可以充分考虑系统的不精确性和不确定性。其次，智能控制具有明显的非线性特征。就模糊控制而言，无论是模糊化、规则推理，还是反模糊化，从本质上来说都是一种映射，这种映射反映了系统的非线性，而这种非线性很难用数学来表达。神经网络在理论上就具有任意逼近非线性有理函数的能力，还能比其他逼近方法得到更加易得的模型。近些年来，已提出了各种基于智能控制的控制策略和控制方法，已逐步形成了一种新的控制技术。应着重指出的是，虽然将智能控制应用于伺服驱动的研究已取得了不少成果，但是还有许多理论和技术问题尚待解决。由于智能控制涉及面广，不可能具体介绍很多内容，好在这方面已有很多文献可供参考，这里希望通过举例来介绍它们的控制思想和控制方式。

2、智能电机控制系统的组成及应用

2.1逆变器

2.1.1主要电路形式选择与功率开关管的应用

现阶段，很多生产加工行业常用的是以星形三相三状态和两相导通星形三相六状态两种方式。主电路的核心部分是作用各异的逆变器功率开关管。在大功率电机的控制中，也可选择MCT，它是MOSFET与晶闸管的复合器件，具有高电压、大电流、工作频次高、控制功率小、易驱动、使用低成本集成驱动电路控制等优点。为了提高逆变器的可靠性、缩小体积，也可以采用近年来迅速发展的功率集成电路(PIC)。PIC将多个功率开关管及其快恢复二极管集成为一体。

2.1.2驱动电路的构成

在电机使用中，首先由驱动电路将控制器的输出信号进行功率放大后，才能向各功率开关管送去使其能饱和导通和可靠关断的驱动信号。随着集成电路技术的发展，现在已经把驱动电路制成有一定输出功率的专用集成电路，并且已经开始渐渐在无刷直流电动机上得到推广应用。

2.2控制器

智能电机中的控制器主要有两个概念。一个是基于专用集成电路的控制系统。就现在的市场环境来讲，国内很多生产厂家推出了不同规格和用途的无刷直流电动机控制专用集成电路。这些具有一定专利的指定电机配用的集成控制电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的无刷直流电动机来说，是首选方案。但其应用范围局限性大，功能难以扩展。第二种智能电机中的控制器主要是指以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统与全数字化控制系统。随着无刷直流电动机应用领域的应用范围越来越广，对它的实用性能也提出了更高的要求，因而其控制器由以硬件模拟电子器件为主，转向采用数字电路、单片机以及数字信号处理器方向发展，实现半数字化的数模混合控制和全数字化控制，控制规律由硬件实现转向以软件实现。

2.3智能电机控制系统在实际生产中的应用

智能电机的出现极大提高了各行业的劳动生产率，为社会的进步和经济的发展做出了巨大贡献。其应用范围已经非常广泛，而且更多应用在了高、精、尖的设备层面，例如船用空调设备、大型吊装设备、矿山开采设备、大型通风控制系统、资源探测等大型设备。在现实生活微观方面更是举不胜举，小到任何一件家用电器的系统管理控制和漏电保护，大到路边随处可见的变压器、通信网络控制及信号接收设备，无处不见智能电机控制和保护装置。在当今社会城市公共服务建设如火如荼之际，放眼城市各处，遍地都是塔吊林立，大型施工设备经常可见。自第一次工业革命以来，就逐渐掀起了机器设备带动人力劳动的一页，发展到今天，机器设备也不再需要过多人去机械的控制，已经可以走向智能化，而越来越多的研究人员和电机设备生产厂家也都开始瞄准了更高的科研要求。

3、智能控制在电机控制系统的应用

智能控制目的是控制那些難以建模的复杂过程或对象。在以电机为控制对象的交直流传动系统中，虽然直流电机数学模型很简单，交流电机经前面研究过的矢量变换也可等效为直流电机模型，同时也有比较成熟的控制方案。同时，为了进行有效的软件开发，集散控制结构对传感器的编程控制提出了新的要求。传感器配置的形式和范围大小随传感器系统的复杂性及功能的不同而变化。在制成的多传感器系统里包含基本传感器和信号处理两大部分。

虽然智能控制在电机控制系统中得到了广泛应用。但是作为技术人员，必须清醒地意识到，交流电机各种控制方法中大多要涉及定、转子电阻和电感，这些物理数值随温度、频率等变化产生变化将使控制指标达不到最佳状态，严重的还会失去高性能控制的价值。负载转动的惯量数值在某些应用中还会随施工情况产生细微改变，加上非线性因素的影响，尽管解耦控制可以将电机参量调整为完全独立的通道，但是由于拖动系统含有弹性耦合及间隙等非线性因素，使系统的鲁棒性变差，如果把智能控制与P1调节、矢量控制、直接转矩控制等方法相结合，将可获得更加优良的传动性能。在布局上应采用多环控制结构，依靠智能控制环决定系统的最终控制性能。

在电机控制中应用时，首先应根据先验系统确立模糊变量和模型集；其次要确立模糊规则和模型推理的操作算子。与这种控制方法相适应的小型生成方法主要侧重于空间电压矢量SPWM方法。在控制中要针对低速特性和电机参数特性采取相应的专家系统或在线状态观测。这样做的效果表明，它不但适应于一般变频调速特性和电机参数特性，更适应于伺服控制和机器人控制。

参考文献：

[1]王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].机械工业出版社,2009

[2]王伟.智能电动机控制器保护及其应用[J].上海电力学院学报,2011(06):66-67

[3]王江涛,刘海琴.新型永磁同步电动机无传感器智能控制系统[J].微特电机,2010(08):28-30

4.双馈发电机工作原理 篇四

暂态建模资料

摘要

随着风力发电并网容量的快速增加，风电接入对电网运行性能的影响越加 明显。联网运行双馈感应风电机组的运行特性对电网的安全稳定运行有着重要 的影响。

本文对联网运行双馈感应风电机组的仿真建模、运行控制及模型的有效性 进行了研究分析，主要包括以下内容：

分析了两相同步旋转坐标系下双馈感应风电机组数学模型的特点，建立了 双馈感应风电机组联网运行电磁暂态模型，对不同运行条件下双馈感应风电机 组的运行特性进行了仿真模拟，深入了解了双馈感应风电机组的联网运行特性。建立了联网运行双馈感应风电机组运行控制策略，在此基础上，构建了控 制系统传递函数模型，分析了PI控制器参数选择对控制系统性能的影响，提出 了PI控制器参数设置的方法。

提出了电网发生对称性故障时双馈感应风电机组的短路电流计算简化模

型，为评估双馈感应风电机组短路对电网继电保护装置的影响提供了有效的计 算模型。

设计了风电机组联网短路试验方案，分析了短路试验数据识别出风电机组

厂家未提供的风电机组撬杠保护动作值，并仿真重现了风电机组联网短路试验，仿真数据与试验数据相吻合，验证了所构建系统模型和仿真系统的有效性。研究现状

由于风能是一种随即性很强的一种能源，不能像火力发电、水力发电那样 可以预先调度，因此大规模的风力发电的接入对电网的经济、安全、稳定运行 带来了诸多不利的影响，对系统调频、调压、调峰带来了困难。同时由于风电 机组大多包含有对运行条件要求很高的电力电子变流器，在一些运行方式下电 网的扰动对风电机组的正常运行也会带来一定的影响，严重时可能会引起风电 机组跳闸，造成电网功率大幅波动，威胁着电网的运行安全，而从系统持续运 行的角度考虑，通常希望风电机组具有一定的故障穿越能力，能够在一定的故 障情况下持续联网运行，因此对联网运行风电机组的运行特性，需要进行深入 的研究。

目前联网运行的风电机组可分为恒速恒频风电机组(CSCF)及变速恒频风 电机组(VSCF)两种，恒速恒频风电机组是指在发电过程中保持转速不变的风

电机组，所采用的发电机主要是同步发电机及鼠笼式感应发电机，前者运行于同步转速，后者工作转速稍高于同步转速。变速恒频风电机组是指发电过程中

发电机转速根据风速不同做出改变的风电机组，通常有：鼠笼式异步发电机变 速恒频风力风力发电系统，交流励磁双馈感应发电机风力发电系统，无刷双馈 发电机变速恒频风力发电系统，直驱型变速恒频风力发电系统。由于变速恒频 风电机组具有较高的风能利用效率，较恒速恒频风电机组而言具有一定的优势。其中双馈感应风电机组由于所需变流器的容量较小，成为目前最广泛采用的风 力发电技术。

建模

5.电机原理及应用分析 篇五

步进电机(步进电机的基本原理)

步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。现阶段,反应式步进电机获得最多的应用。

常用单相交流感应电动机种类

在家用电器设备中,常配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异,一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。

一般的三相交流感应电动机在接通三相交流电后,电机定子绕组通过交变电流后产生旋转磁场并感应转子,从而使转子产生电动势,并相互作用而形成转矩,使转子转动。但单相交流感应电动机,只能产生极性和强度交替变化的磁场,不能产生旋转磁场,因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场,转子才能转动, 所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。

1、分相启动式电动机

分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角,使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些,因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体,使转子导体感应一个较大的电流,电流所产生的磁通与定子磁通相互作用,转子便产生启动转矩。当电机一旦启动,转速上升至额定转速70%时,离心开关脱开副绕组即断电,电机即可正常运转。

2、罩极式电动机

罩极式单相交流电动机,它的结构简单,其电气性能略差于其他单相电机,但由于制作成本低,运行噪声较小,对电器设备干扰小,所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组,没有副绕级(启动绕组),它在电机定子的两极处各设有一副短路环,也称为电极罩极圈。当电动机通电后,主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流,从而使磁极上被罩部分的磁场, 比未罩住部分的磁场滞后些,因而磁极构成旋转磁场,电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点,即可以很方便地转换成二极或四极转速,以适应不同转速电器配套使用，

3、电容式启动电动机

该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单,启动快速,转速稳定,被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组(启动绕组),并在启动绕组中串联大容量启动电容器,使通电后主、副绕组的电相角成90°,从而能产生较大的启动转矩,使转子启动运转。

对于永久分相电容电动机来说,均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小,因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机,由于其运行绕组分正、反相绕制设定,所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向,即可方便实现电机逆、顺方向运转。

4、交、直流两用电动机

一般常用单相交流电动机,在交流50Hz电源中运行时,电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。而交直流两用电动机在交流或直流供电下,其电机转速可高达0转,同时其电机的输出启动力矩也大,所以尽管电机体积小,但由于转速高输出功率大,因此交直流两用电动机在洗衣机、吸尘器、排风扇等家用电器中得以应用。

交、直流两用电动机的内在结构与单纯直流电机无大差异,均由电机电刷经换向器将电流输入电枢绕组,其磁场绕组与电枢绕组构成串联形式。为了充分减少转子高速运行时电刷与换向器间产生的电火花干扰,而将电机的磁场线圈制成左右两只,分别串联在电枢两侧。两用电机的转向切换很方便,只要切换开关将磁场线圈反接,即能实现电机转子的逆转或顺转。

在家用电器电机类中还有一种直流微型电动机。该电机在录音机、随身听、录像机、打印机、传真机等家用电器中广泛应用。直流微型电机由于定子绕组和转子绕组之间的串接形式不同,又可分为并激、串激、复激等几种类别。

应用在家用电器中的电机,其定子绕组的转子,绕组之间的串接一般采用并激形式,即电机的定子磁场线圈与电枢绕组线圈并联后接到电源上。当通电后电机可保持磁场恒定,并利用电枢电路控制电机转速。这种直流电机的最大特点是当负载产生波动变化时,电机的转速保持定速状态。

此外,在直流电动机中还有一种结构更为简单、用在玩具上的电机,这种电机是用永久磁铁作固定磁场的电动机,在电子玩具、电动剃须刀、微型按摩器等日用小电器中得以广泛应用。

步进电机和交流伺服电机性能比较

步进电机和交流伺服电机性能比较

6.电机原理及拖动教学改革的探索 篇六

1 外部教学环境的改善

无论何种改革都离不开外部政策与资金的支持,电机拖动课程的改革也是如此。目前各高校考核办法多数较为僵化繁杂,实验教师经常为应付各种名目的检查做面子课,难以自由发挥,不能很好地调动学生的积极性。[4]为此应在教学大纲编写过程中留有较大的余地以使教师能够发挥出自己的专长,结合相关的工程实践经历讲解电机及拖动的具体应用案例,起到理论结合实际的作用。[5]其次就是资金的支持,无论是教学改革的提出还是相关改革措施的实施都需要有配套的资金来进行调研和对基础设置进行改善。尤其是现阶段各高校因不够重视实践教学而导致的实验设备陈旧与数量不足;同时,改革也好,探索也罢,总是要在比较中前行,要比较就需要与同行交流,相应的访问交流需要一定的资金支撑。目前对于教学改革,主要还是口头上的,一旦涉及实干与采购时,就会有较大的阻力,这些都需要相关人员的努力与争取。

2 理论教学的规划与改革

传统的电机及拖动课程存在知识结构单一的问题,当前各种知识大量出现并飞速发展,知识更新周期越变越短,若知识面狭窄,知识储备不足,极易造成结构性失衡,使学生往往只知道某项技术应当“怎么做”而不是“为什么做”,学生没有学习目的,也就没有探索新知识的动力。[6]随着信息科学技术的发展、经济全球化的推进,边缘学科越来越多,多学科融合的现象也越来越多,现有的教育培养方式使学生的能力结构单一[7],缺乏解决复杂问题的能力,面对需要优化决策的问题时往往束手无策,很难提高学习和工作的效率。

理论教学方面应对现有的电机及拖动课程教材及书籍进行整合,形成一套全新的、适合高校自动化及电气专业、有一定特色的新型教学模式。[8]首先,在编写教材过程中应坚持教材的完整性与逻辑性,在构架理论框架时应力求脉络清楚,内容丰满,表达清晰,语句通顺。理论教学应该对学生起到引导的作用,所以教学过程中应积极吸收国内外先进的工程技术与理论知识,选择符合时代背景且符合电机基本理论的控制与调速的经典案例进行课程教学。[9]

在理论教学的过程中,不但要对传统电机的基本原理进行系统讲解,还应该对越来越多的新型电机的设计理念与控制方法有一定的涉猎,这样无论对改善教师能力还是提升学生的学习兴趣都能够起到积极的作用。

3 实践教学形式的改革

学科的专业性质不同,对学生实践动手能力的要求也不同,为符合社会对自动化与电气专业学生的基本要求,实践动手能力是对其培养过程中的重中之重。因而,为了培养合格的符合需求的专业人才,在教学过程中应以社会需求为导向,培养出有较好动手与操作能力的学生,增强其就业竞争力,使其在参与工作后能够迅速适应工作环境并从中吸收消化相关行业知识。

3.1 实验室教学

实践教学分为实验室教学与工业现场教学两部分。目前的实验室教学中往往存在这样一些问题:设备套数有限且多数设备陈旧,同时维修滞后等因素影响实验的精确性,例如在三相芯式变压器相关实验中对其功率测量所使用的功率表,若其测量值有偏差,其功率因数会大于1,无论在理论上还是实际中都是不可能会出现的现象。

大部分实验采用挂箱结构或实验箱完成,其电路与系统均为封闭式,实验过程中操作的灵活性不佳,若实验设备或连线稍有问题,学生便无法独立分析与解决问题。一种解决办法是在实验中引入仿真软件,其结果是,真实设备不能做或是因为安全原因不能做的实验,仿真实验都能做到[10];对于电机启动等快过程,在仿真实验中可以观察到其中一些参数的暂态变化过程;同时对耗材的需求较小,因其无须接线,在调试与观测过程中可以灵活掌控实验教学的时间;误差分析与错误诊断也较为方便。

3.2 现场教学

现场的实践教学则能更好地起到结合理论与实际的作用。电机与变压器都是很常见的电气设备,但作为没有实践经验的学生,对其结构很难有直观的认识,对问题的理解也很困难,对于这部分内容若采用现场教学则能起到很好的作用。例如教师可以将一台电机拆开,参照实物对学生讲解电机的结构及各部分的作用,使学生直观地理解与掌握其结构。[11,12]讲解后,可以让学生先观察,再亲自动手拆线与组装各部分构件,讨论每个部件的名称与作用以加深印象。

4 考核方式的优化

电机及电机拖动课程现有的考核方式以百分制为主,依据学生平时课堂表现、作业成绩与期末考试成绩进行评定,且以期末考试成绩为主,其比重一般为70%~90%。这种以笔试为主的考核方式导致学生不注重日常学习与积累,在期末时又忙于应付考试,限制了学生的创新意识与创新能力的形成与发展,与素质教育及创新型人才培养的目标不符。电机及电机拖动课程虽然也配有相关实验,但也仅限于对理论教学的验证,学生积极性不高,期末考试中对实验内容的涉及也很少,不能很好地反映学生动手能力与实践操作能力。

为此,应对考核方式进行适当的改革。首先是变终结性考试为过程考核,除期末考试外,增设期中考试、随堂测验、小论文或小型调查报告,同时将电机实验变为独立的课程单独进行评价。[13]

在对考核模式进行改革后,可以明显观察到其效果。课堂教学过程中学生提问的积极性大大提高,在撰写小论文的过程中提高了学生信息收集的能力,提升了学习的兴趣,使得学生更加注重平时的积累。独立成课的实验课也使得学生对实践的重视程度大大提高,通过实际操作与数据检验更好地培养学生实践动手的能力。

5 结束语

7.步进电机的工作原理 篇七

研究小组对捕获的活体电鳐施加刺激，结果在10毫秒的极短时间内脉冲电流的峰值电压为19伏特，峰值电流为8安培。他们还利用该脉冲电流成功启动LED灯并向电容器蓄电，储蓄的电量能使LED长时间发光和驱动迷你车行驶。

研究小组还测定了所取出器官的发电性能。他们在发电器官上下部位连接电极，在正极一侧插入7根注射针，每根注射针同时注入0.25毫升浓度为1毫摩乙酰胆碱溶液。实验测定结果为峰值电压91毫伏，峰值电流0.25毫安，发电时间比活体电鳐长1分钟以上。注射器增加至20只后，峰值电压提高到1.5伏特，峰值电流0.64毫安。

研究小组在发电器官中植入元件制作出发电机原型。他们把发电器官切成3厘米直角形，固定在铝和硅胶做成的容器中，结果发现，在16个元件直列连接情况下峰值电压1.5伏特，峰值电流0.25毫安。

电鳐利用平时存在于细胞膜内的离子泵，使用三磷酸腺苷（ATP）能量产生细胞内外离子差（电位差）。同时神经纤维末端释放出神经传达物质乙酰胆碱，刺激细胞膜内的离子通道，细胞外部的钠离子立刻流入细胞内产生电流。发电器官的细胞膜聚集众多离子泵和离子通道，增加了电流密度。其细胞的直列积蓄层产生高输出发电。由于电鳐难以大量捕获，研究小组未来将人工制作发电器官，融合微米、纳米流体技术，从分子开始自下而上地开发细胞结构，研发出与发电细胞相同的材料。（科技日报）

8.解析石油机械密封的工作原理 篇八

关键词：石油机械密封；工作原理；失效；对策

中图分类号：TS653 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2014）01（b）-0000-00

在实际的石油化工生产中，常会有一些有害流体产生，为了防止这些有害流体外流，往往会把它们封装在专门的装置中。在石油化工生产中机械密封装置因其所存在的优势而被普遍应用，机械密封是接触式密封的一种，保证机械密封的正常运转是系统装置与设备进行安全生产以及长周期运行的重要前提基础和保障。为了保证石油机械密封能够更好的运行，就应该对其工作原理进行分析，不断的改善机械密封装置，促进石油化工事业的持续稳定发展。

1石油机械密封的工作原理及特点

1.1石油机械密封工作原理

机械密封，通常被形象地称为“端面密封”，其是一种避免有害流体流出的装置，在工作原理上，主要是借助于流体的压力和磁力的作用提高密封效果，使垂直于旋转轴线的端面保持贴合并且相对滑动，从而提高了密封的质量。在石油领域中所使用的机械密封在原理上与普通的机械密封基本一致，是在弹簧力与介质压力的作用下，非旋转环紧密地贴合到旋转环上，在旋转的过程中，双方实现相对性地滑动，介质的径向流动就会被阻止，此时所形成的摩擦副即为机械密封的主密封。弹簧与介质压力的向下推动，会对于摩擦副经过摩擦所受到的损害进行补偿，从而能够保持密封端面之间紧密接触的持久性。机械密封的密封圈作用，还可以对于环和轴之间所产生的缝隙进行补偿，以避免有液体从缝隙泄露。在非补偿环和压盖之间所采用的是非补偿环辅助密封圈，其可以避免介质从这里流出。在实际的应用中，石油机械密封的辅助密封圈并不会有相对的运动状态，属于是静密封。另外，在密封圈的选择上，一般会选择使用“O”形圈，也可以使用垫片来进行处理。

1.2石油机械密封特点

机械密封主要由四部分组成，即：密封端面（动环和静环组合）、辅助密封圈、缓冲补偿部分（以弹性元件组成）、促使动环能够随着轴旋转的传动部分。从石油机械密封的特点上来看，主要表现在其使用寿命较长、可靠性高、泄露量小、功耗较低，并且不必经常进行维修，对轴的磨损小，能够很好的适应实际生产过程中较高的密封要求，例如高温、低温以及真空的环境状态下，或者是各类腐蚀性强的物质，都要采取特殊的密封措施。对于设备装置的密封，机械密封是最为关键的，但是由于其机械密封结构相对复杂，所以，即便是存在着很多的密封优点，鉴于其在制造和安装的过程中，对于精准度的要求很高，导致了成本提高，而且对于维修人员的技术要求也会很高。因此，保障密封工作的可靠性，对于延长石油机械密封的使用寿命是非常必要的。

2石油机械密封失效的原因及对策

2.1失效原因分析

2.1.1由于压力导致机械密封失效

在机械密封中，若密封压力腔内的压力超过了其可承受的范围，则其密封端面比压，从而导致液膜难以更好的形成，甚至会出现端面磨损严重的现象，与此同时，也会使发热量增多，致使机械密封零件变形。当工作压力出现波动的现象，会使弹性变形量以及密封效果带来一定的负面影响，泄漏量也会随着压力的变化而变化。

2.1.2因为介质腐蚀引起机械密封失效

首先，机械密封的表面在腐蚀性介质的作用下遭到严重的腐蚀作用，在强烈的腐蚀作用下，并且时间上延续较长，就会将石油密封机械的某些密封部件穿透，从而导致泄露现象发生。其次，在介质腐蚀与应力的共同作用下，弹簧和金属波纹管会出现破裂的现象；第三，机械密封装置上的碳化钨环一般是要焊接到不锈钢座上面的，在使用的过程往往会出现不当操作，就会导致不锈钢座出现晶间腐蚀。

2.1.3高温致使机械密封失效

第一，导致机械密封失效的一项重要因素是常高温油泵，诸如减压塔底泵、油浆泵、回炼油泵等出现热裂。在干摩擦的作用下，或者抽空、冷却液中断、以及密封面中混入杂质等因素，都会造成密封面的环表面出现径向裂纹。第二，密封机械的常用部件碳-石墨环，很容易出现石墨碳化，从而造成了机械密封失效。这主要是由于碳-石墨环必须在零下105到250摄氏度之间进行工作，一旦超过了这个温度范围，就会发现有树脂从碳-石墨环的表面析出，进而在高温状态下，摩擦面周围的树脂就很容易被碳化，当有粘结剂出现，就会因发泡软化而导致机械密封失效。第三，对于一些橡胶辅助密封件，诸如氟橡胶、全橡胶以及乙丙橡胶等，如果超出了被允许的温度范围，就会由于老化而失去弹性，从而出现了变硬、龟裂的现象，机械密封失效。目前所使用的机械密封主要是以柔性石墨为主要材料，其具有耐高温、耐腐蚀的性能，但由于回弹性较差，很容易在外在环境的影响喜爱发生脆裂，使机械密封失效。

2.2相应的解决对策

1、对于密封机械的选型，要根据转动设备的作业环境和工况来选择，一些辅助设施是必不可少的。例如，在高温的环境条件下作业，所选择密封环就要具有耐高温性，石墨、钴基碳化钨等都是较好的选择。此外，还要配置必要的密封冲洗设施，以起到冷却、润滑、以及净化的功能。

2、对于石油机械密封的日常使用，要按照规范，并注意维护及保养。介质和工作环境对于对机械密封具有一定的影响力，那么，在日常的使用过程中，就要按照规程正确操作，做好设备的密封巡检工作，对于转动设备的运行状况时时关注，严格控制介质的特性指标，以免机械密封使用环境的工况发生变化。

3、加强机械密封的检修质量。对于密封配置要进行常规检查。重视检修质量，在密封配置过程中，对于保持密封元件要轻拿轻放，保持清洁完整，依照检修规程来合理的调整间隙及配合。比如，机械密封面间隙以及弹簧比压等，此外，还要注意避免使泵的振动幅度过大，尤其要注重转子的动平衡及对中找正。

3总结

伴随着社会经济的持续快速发展，无论工业生产还是日常生活，对石油的需求量日益增多，在石油化工领域中，机械密封显得日益重要。石油机械密封在实际的工作中，其工作环境可能是气态、液态、或者汽液态，若机械密封介质的沸点较低，当机械处于运行状态的时候，就会升高温度，密封介质就会被挥发，此时，密封的作用就很难发挥出来。注意选择石油机械密封，并按照的相关的规范进行操作，只有这样才会让石油机械密封能够安全可靠的运转，延长其使用寿命。同时，相关的工作人员要熟练掌握机械密封的工作原理及其自身的特点，促使机械密封在石油化工领域充分发挥其自身的优势，更好的促进石油化工事业的持续稳定发展。

参考文献

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9.步进电机的工作原理 篇九

电工理论的研究结果表明[1,2,3]三相电路的瞬时功率包含平衡功率和不平衡功率两部分, 前者为直流分量, 代表电源为负荷提供的瞬时总功率, 后者是由于电路不对称所引起的在电源与负荷间来回波动的功率。文献[4]利用瞬时功率中的不平衡分量直接作为发电机不对称故障的判据, 但在轻微匝间故障时不平衡分量与正常运行时相比变化很小, 因此该方法保护灵敏度较低。文献[5]利用功率量对失磁保护进行了加速研究, 提高了失磁保护性能。文献[6]采用小波分析对瞬时功率进行变换, 以故障时的功率突变作为保护判据, 但因电压的影响使灵敏度不高。文献[7]就无功功率应用于失步解列断面进行了探讨。文献[8,9,10]研究了如何利用瞬时功率中有功和无功分量来区分变压器励磁涌流和内部故障电流。文献[11]研究了瞬时功率应用于超高压 (UHV) 线路保护的可行性。文献[12]采用瞬时三相不平衡度模型, 以等值电阻法为基础进行低压线路损耗计算, 充分利用了瞬时无功和有功的特点。

本文基于两相坐标系统研究了瞬时功率中的不同功率分量, 根据平衡和不平衡功率分量的故障特性提出了瞬时功率不对称度定义, 研究了故障时不平衡功率分量的相位变化特征。以瞬时功率不对称度为保护主判据, 以相位反相突变作为故障方向判据, 提出了一种新型发电机不对称故障保护。试验结果表明, 该保护灵敏度高, 动作可靠, 速动性能好。

1 瞬时功率不对称度原理

1.1 两相系统下发电机瞬时功率计算与分析

根据瞬时功率理论, 三相三线a, b, c系统到两相α, β系统的瞬时功率变换为[2]:

$[\begin{array}{l}x{}_{\alpha }\\ x{}_{\beta }\end{array}〗=\sqrt{\frac{2}{3}}[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}〗[\begin{array}{l}x{}_{\text{a}}\\ x{}_{\text{b}}\\ x{}_{\text{c}}\end{array}〗(1)$

发电机经升压变压器连接到无穷大系统, 如图1所示。

当发电机内部发生不对称故障时, 机端电压因无穷大系统电压的牵制作用而保持对称, 但电流不对称, 瞬时电压和电流经式 (1) 变换后可得:

$\{\begin{array}{l}u=u{}_{\alpha }+\text{j}u{}_{\beta }=\sqrt{3}U\text{e}{}^{\text{j}\omega t}\text{e}{}^{\text{j}\phi }\\ i=i{}_{\alpha }-\text{j}i{}_{\beta }=\sqrt{3}({\rm I}{}_{\text{a}1}\text{e}{}^{\text{j}\omega t}\text{e}{}^{\text{j}\phi {}^{+}}-{\rm I}{}_{\text{a}2}\text{e}{}^{-\text{j}\omega t}\text{e}{}^{\text{j}\phi {}^{-}})\end{array}(2)$

式中:U和φ分别为电压有效值和相位;Ia1, φ+, Ia2, φ-分别为正、负序电流的有效值和相位。

发电机输出的瞬时复功率为:

$\begin{array}{l}s=p+\text{j}q=ui{}^{*}=\\ 3U{\rm I}{}_{\text{a}1}\text{e}{}^{\text{j}(\phi -\phi {}^{+})}-3U{\rm I}{}_{\text{a}2}\text{e}{}^{\text{j}(\phi -\phi {}^{-})}\text{e}{}^{\text{j}2\omega t}=\\ \overline{s}-\tilde{s}(3)\end{array}$

式中:$\overline{s}$为平衡功率, 是电源为负荷提供的瞬时总功率;$\tilde{s}$为不平衡功率, 是电源与负荷之间来回波动的功率, 可作为衡量不平衡电路电气性质的指标。

1.2 瞬时功率不对称度定义及其特性

定义:瞬时功率不对称度μp是一种衡量三相电路不对称程度的指标, 其计算公式为:

$\begin{array}{l}\mu {}_p=\frac{\tilde{s}}{\overline{s}}=-\frac{3U{\rm I}{}_{\text{a}2}\text{e}{}^{\text{j}(\phi -\phi {}^{-})}\text{e}{}^{\text{j}2\omega t}}{3U{\rm I}{}_{\text{a}1}\text{e}{}^{\text{j}(\phi -\phi {}^{+})}}=\\ -\frac{{\rm I}{}_{\text{a}2}}{{\rm I}{}_{\text{a}1}}\text{e}{}^{\text{j}(2\omega t+\phi {}^{+}-\phi {}^{-})}=\\ -\frac{{\rm I}{}_{\text{a}2}}{{\rm I}{}_{\text{a}1}}\text{e}{}^{\text{j}(2\omega t+\phi {}_0)}(4)\end{array}$

可见, μp是一个以2倍工频旋转的相量, 其幅值为Ia2/Ia1。由于发电机本身在制造和安装时不可能做到完全对称, 因此正常运行时$\tilde{s}\ne 0$。当内部发生故障时, $\tilde{s}$幅值会增大, 但其相位不会发生变化;当外部出现不对称故障或负荷不平衡时, 从等效电路来看, 负序电源位于发电机外部, 其位置与正常运行或内部故障时正好相反, 因此, $\tilde{s}$的相位将出现反相突变。发电机处于不同状态时μp特征为:

1) 当发电机正常运行时, 不对称功率很小, 从而μp值很小。

2) 当发电机发生定子内部不对称故障时, 三相电动势、电流和相位角平衡被破坏, μp增大, 且故障越严重μp幅值就越大。μp相位与发电机正常运行时相比没有反相突变出现。

3) 当发电机外部发生不对称性故障或负荷出现时, μp幅值增加, 相比内部故障较小, 且μp相位与发电机正常运行相比将突变为反相。因此, 可通过μp幅值大小来识别是否发生不对称故障, 而通过μp的相位是否发生反相突变来区分内外部故障。

2 基于μp的发电机不对称故障保护

2.1 保护判据的组成

基于μp的保护判据为:

$(\mu {}_p>\mu {}_{p.\text{s}\text{e}\text{t}})＆(\text{Δ}\phi =0)(5)$

式中:μp.set为瞬时功率不对称度定值, 可通过实测发电机运行时由于本身物理上的不对称所引起的不平衡功率值与平衡功率比值并乘以一定的可靠系数来整定;Δφ为外部故障时$\tilde{s}$相位反相突变元件, 当$\tilde{s}$相位发生反相突变时为1, 否则为0。

保护采用相电流差突变量启动判据启动保护。

保护逻辑图如图2所示。

2.2μp幅值和相位算法

瞬时功率的平衡和不平衡分量的计算均采用Fourier算法实现, 电压和电流采样数据经过一阶差分滤波器以消除衰减直流分量的影响。因瞬时功率为瞬时电压和瞬时电流的乘积, 故只需保证电压和电流同时采样即可, 不需要与系统频率同步, 从而可去除频率跟踪环节, 降低了对采样系统的要求。μp的幅值和相位计算公式如下:

$\{\begin{array}{l}|\mu |=\left|\frac{\tilde{s}}{\overline{s}}\right|=\left(\frac{2}{{\rm N}}{\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm N}-1}p}(k)\text{e}{}^{-\text{j}\frac{4\text{π}k}{{\rm N}}}\right)(\frac{1}{{\rm N}}{\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm N}-1}p}(k)){}^{-1}\\ \phi {}_{\mu }=a\text{t}\text{a}\text{n}\frac{\text{Ι}\text{m}g(\mu )}{\mathrm{Re}\mu }\end{array}(6)$

μp频率为2倍工频, 电流、电压采样频率为每工频20点, 区分内外部故障的相位反相突变判据如下:

$\text{Δ}\phi =|\phi {}_{\mu }(i)-\phi {}_{\mu }(i-1)|>0.628(7)$

式中:0.628=36°×3.14/180°。

为提高保护的可靠性, 保护采取了如下2个措施:

1) μp幅值判据需要重复判断5次, 如果均满足动作条件才置故障标志位。

2) 在进行故障方向判别时, 当点 (k, k-1) 满足式 (7) 时, 保护随之进行如下5个点的连续计算判别: (k, k-2) , (k, k-3) , (k+1, k-1) , (k+2, k-1) , (k+3, k-1) , 当前后共5个点的故障方向判别结果均一致时才认为故障方向标志位数据有效, 否则在下一个采样点继续进行上述连续5个点的故障方向判别, 故障方向标志位数据有效期限制为40 ms。当故障标志位和故障方向标志位同时有效且满足动作条件时保护才出口动作。

3 试验与结果分析

3.1 试验系统简介

试验接线如图3所示。

试验系统为单机经升压变压器连接到无穷大系统, 发电机为一台10对极的凸极机, 其额定转速为300 r/min, 每相定子绕组有5分支, 其中每相绕组的1, 2, 3分支组合和4, 5分支组合分别引出中性点, 且各分支绕组均有若干引出接头, 以便于进行各种短路试验。

3.2 试验结果分析

限于篇幅, 发电机内部不对称故障以A相匝间、A相接地、AB相间和ABC三相相间短路为例, 外部故障以BC相间短路为例, 分析瞬时功率不对称度的特点和保护性能。动模发电机实测值μp=0.219, 可靠系数取1.3, 返回系数取0.95, 故μp.set=0.30。

1) 同相匝间短路

图4中, 发电机故障前三相电流为0.1 A, 第50 ms时发生1匝短路故障, 随后μp持续增大, 最大值达0.843 5, 外部故障标志为0, 保护在故障后23.0 ms动作。故障前后不平衡分量相差较小, 这对于仅利用不平衡分量的保护[12]则会误动。与功率保护同时工作的横差保护对此故障没有反应, 可见本保护灵敏度和可靠性均较高。

图5为2匝故障情况, 发电机故障前三相电流为0.75 A, μp幅值在故障前为0.08, 故障期间为0.45左右, 外部故障标志为0, 保护动作时间为17.0 ms。与1匝故障相比, μp上升速度快且故障期间稳定, 平衡和不平衡量变化趋势与特征差异明显。

图6为3匝短路故障情况, 发电机故障前三相电流为1.5 A, 保护各量的特性与2匝短路情况类似, 保护动作时间为17.3 ms, 可以看出发电机负荷增加后μp幅值稳定, 相对较好。

图7为同相不同分支短路情况, 由于故障时发电机对称度进一步破坏, 因此μp幅值进一步增大, 保护动作时间为17.1 ms。

2) 相间短路

相间短路故障以AB相间为例, 发生AB相间故障前发电机电流为1.6 A, 保护动作特性分析如图8所示。

从图8可知, 发电机发生AB相间短路故障时其对称性破坏很大, 因此不平衡功率相应突增, 保护动作时间为16.0 ms。故障期间μp值在4.0左右波动, 而小匝间故障时为0.4左右, 也说明了其能准确反映发电机不对称故障的严重程度。BC和CA相间故障结果与之类似, 保护均灵敏可靠动作。发电机三相短路稳态时, 电路基本处于对称状态, μp值很小, 保护不能反应对称故障, 但是在故障发生和切除暂态过程中电路仍处于不对称状态, μp值将剧烈抖动, 对于三相短路故障, 可以利用小波分析来检测μp的突变, 并形成有效的判据来识别对称故障, 这将另文分析探讨。

3) 接地短路

以A相金属性接地故障为例, 故障位置为A相绕组第3分支50%处。

由于发电机中性点经高阻抗接地, 故接地故障电流不大, 不平衡功率值要比相间故障或大匝数故障小, 但保护仍可灵敏反应该故障, 如图9所示。

4) 区外短路和系统振荡中故障

如图10所示, 根据1.2节分析区外短路同样会导致μp增大, 但此时外部故障标志为1, 保护被闭锁, 同时, μp变化的幅度和趋势均不如发电机内部故障时明显。外部CA和AB相间短路故障时, 外部故障标志均可靠置1, 保护被可靠闭锁。

系统振荡中故障试验设置为:先发生发电机匝间A相分支1第20匝→A相分支4第18匝故障, 由该故障引发振荡, 接着在振荡中发生区内AB相间短路故障。从图11可以看出, 故障时μp迅速增大, 保护动作时间为21.0 ms, 及时可靠切除了故障。振荡中μp出现的瞬间脉冲是由采样和计算误差所引起的, 由于保护采样间隔为1 ms且需重复判断5次才出口, 因此保护在振荡中无误动现象发生。

4 结论

1) 基于功率的保护简单可靠, 仅需接入三相电压和电流, 既可独立使用也可嵌入其他保护中使用;

2) 保护能够灵敏反应少匝数轻微短路故障, 对于同相异分支和异相故障均有很高的灵敏度, 保护性能稳定可靠;

3) 保护具有良好的速动性能, 动作时间在16.0 ms～21.0 ms之间, 满足发电机保护要求。

参考文献

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10.步进电机的工作原理 篇十

关键词：无刷液阻真空电机起动器,三相绕线式异步电动机,原理,应用

一般情况下, 绕线式异步电动机在启动时须在电动机转子回路中串接电阻或电抗器以增加电动机的启动力矩, 降低启动电流。它要借助一个较复杂的辅助启动装置才能完成电动机的启动过程, 启动辅助设备主要有接入电阻用的集电环、电刷、分段切除的金属电阻 (或者特性曲线较为平滑的频敏电阻) , 以及启动转换的电气控制回路, 这套装置因启动电流冲击大, 使得事故率高、维修困难、备件损耗量大、检修费用高。使用无刷液阻真空电机起动器, 直接安装在电机转子轴上 (原电机集电环位置上) 接上转子引出的六根线头即可。如图1

1 无刷液阻真空电机起动器的构造、工作原理

(1) 无刷液阻真空电机起动器的构造主要由机壳、起动液、动极板、弹簧、接线柱、安全阀、排气阀等构成。

(2) 无刷液阻真空电机起动器的工作原理是将起动电阻直接安装在电动机的转轴上, 利用电机旋转时产生的离心力作为动力, 控制起动电阻的大小, 达到减少电机起动电流、增加起动转矩, 使绕线式异步电动机实现无刷自控运行。它与传统的频敏电阻启动器主要区别于:无刷液阻真空电机起动器在完成电机变阻启动后仍参加电机拖动全过程, 而传统的频敏电阻启动器是不参与电动机拖动的, 电动机启动后, 如不及时切除频敏电阻启动器, 会造成变阻器过热, 甚至烧毁, 电动机不能造成工作, 甚至烧毁电动机。

2 使用无刷液阻真空电机起动器的优点

(1) 无刷液阻真空电机起动器彻底根除使用滑环、碳刷时所造成的各种危害。去掉传统、复杂的起动装置, 操作方便。并可大大减少维修费用。

(2) 节省安装空间和二次回路电缆, 减少起动装置的功率消耗, 节约了电能。

(3) 起动控制由起动器根据电机的转矩自动完成。彻底避免了其它起动装置不能根据负载的大小, 自动跟踪, 电机起动过程而造成电机或起动器损坏等不良现象。

(4) 电机运转过程中, 如出现堵转现象。随着电机转速的降低, 起动器会自动投入运行, 达到增加电机转矩, 减少起动电流的目的。

(5) 克服了定子控制式电机软起动器的起动转矩与起动电流的平方成正比这一缺陷, 在降低电机起动电流的同时增加电机起动转矩, 并能以最大转矩起动电机, 采用无刷运行, 去掉了传统、繁琐、多触点元件组成的起动装置, 基起动装置的功率损耗及电机的起动时间比定子控制式电机软起动器减少10倍以上, 但起动器的综合价格不及其它软起动器的1/3。

(6) 起动电阻直接安装在电动机的转轴上, 利用电机旋转时产生的离心力作为动力, 控制电阻的大小, 达到减少电机起动电流、增加起动转矩, 实现无刷自控运行的目的。

3 无刷液阻真空电机起动器的应用

3.1 安装及接线

(1) 先拆下电动机的护罩、滑环、碳刷、刷盒、刷盒支架及短路环装置 (有的电机无短路环装置) 等全部零件。

(2) 拆卸滑环时, 为防止后来接线时发生差错, 应将同一相的两根导线捆在一起。

(3) 用游标卡尺, 分别测量电机的轴径和起动器的孔径、键宽、键高等尺寸是否相同。

(4) 在轴上涂少许润滑脂或机油, 将起动器键槽对准轴上的键位置, 然后用铜棒将起动器轻轻地敲击到装配位置, 并用钢丝挡圈卡住, 防止起动器轴向串动。

(5) 装配时, 切忌乱敲乱打, 以免造成内部零件损坏或漏液。起动器装配完成后, 将转子的出线接在起动器接线柱对应位置 (对于有六根出线的电动机, 应将同一相的两根导线, 接在同一色的两个接线柱上) 即可。

3.2 运行与维护

(1) 无刷自控电机软起动器内的元件除电阻在起动时会发热外, 其它均不会发热, 本装置按免维护设计, 请不要自行将外盖打开, 以免损坏起动器内的元件。

(2) 当起动器内的液体低于规定液面时, 应补充起动液至规定的液面。

(3) 安全排气阀是保证电机起动过程中, 不向外喷液的重要部件, 它在电机转速达到额定转速时, 会自动打开, 保证起动器内的压力与大气压一致, 因此, 请不要自行调整。

3.3 工程实例

近年来, 我们矿井下水泵电机 (JR138-4, 300kW, 6000v高压电机) 经常出现定子绕组烧断, 转子散热片开路。经分析:A、电机使用年限长, 绕组绝缘强度下降;B、电机启动电流过大。同时转子集电环经常出现冒火, 碳刷更换频繁等现象, 总的来说, 电动机转子回路及其控制回路故障频频, 影响水泵的正常运行。2011年我矿把井下0米中段泵站3台高压电机进行改造, 由原来频敏电阻启动器改为无刷液阻真空电机起动器。无刷液阻真空电机起动器的起动电阻是液体的, 它的电气工作原理如图2所示, 主要电气机械性能类似于绕线式异步电动机软起动器, 只是串入的电阻在离心力作用下, 其阻值与速度的平方成反比, 具有恒电流、恒转矩起动电机的功能。经过改造后, 电机起动电流从7Le降到1.6Le, 水泵的机械特性也得到一定改善, 主要是电机起动瞬间的冲击, 同时, 删除了二次回路, 既节约材料和维修成本又为水泵房节约了空间。

结束语

无刷液阻真空电机起动器采用无刷无环运行, 操作简单, 安装拆卸方便, 维修费用少。并可根据机械负载的特性, 自动改变起动电阻的大小, 调节起动转矩和起动电流, 使电动机处于最佳起动状态。能在保持电机起动转矩不变的情况下, 使起动电流从7Le降到1.6Le, 并能以最大转矩起动电机。如我矿井下水泵及选冶厂破碎机、球磨机等电机采用无刷液阻真空电机起动器, 在经济和生产有重要意义。

参考文献

11.浅析开关电源的工作原理和分类 篇十一

【关键词】开关电源；工作原理；分类

1.开关电源的工作原理

开关电源主要器件是开关管，但也有采用可控硅的，这两个元器件性能差不多，都是靠基极（开关管）、控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电压被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持，待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50Hz。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢？这就需要有个振荡电路产生，我们知道，NPN型晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是0.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态， -0.1V- -0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高、输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，一般是在开关变压器上，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高，这个电压加到振荡管基极上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的稳定，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，所以前级的市电电压，是与后级分离的，是安全的，变压器前的电源是独立的，这就叫开关电源。

2.开关电源的分类

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关 电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。

2.1按输入与输出之间是否有电气隔离分类

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。

2.1.1隔离式DC/DC转换器

隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

2.1.2非隔离式DC/DC转换器

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。

非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

2.2按能量的传输来分类

按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可以从负载侧向电源侧传输功率。

2.3按DC/DC转换器类型分类

按DC/DC转换器类型也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

2.4按照开关管的开关条件分类

12.B超的工作原理,CT工作原理 篇十二

将回声信号显示为光点，回声的强弱以点的灰（亮）度显示。声阻抗相差越大，反射越强，产生的回声信号越亮，反之越弱，产生的回声信号越暗，当探头在体表快速顺序移动，则产生一行行亮点，组成一个平面，即显示一个断面的图象，称为二维切面图象

1CT工作原理

CT的基本原理是图像重建，根据人体各种组织（包括正常和异常组织）对X射线吸收不等这一特性，将人体某一选定层面分成许多立方体小块（也称体素）X射线穿过体素后，测得的密度或灰度值称为像素。X射线束穿过选定层面，探测器接收到沿X射线束方向排列的各体素吸收X射线后衰减值的总和，为已知值，形成该总量的各体素X射线衰减值为未知值，当X射线发生源和探测器围绕人体做圆弧或圆周相对运动时。用迭代方法求出每一体素的X射线衰减值并进行图像重建，得到该层面不同密度组织的黑白图像。

13.步进电机的工作原理 篇十三

集成电路的不断发展对生活和科技产生重大影响。根据摩尔定律, 每18个月, 集成电路的晶体管数量增加一倍, 性能也提高一倍, 但价格保持不变。集成电路正朝向着超大规模、甚大规模的方向发展。而推动这一发展的光刻机性能也不断提高[1]。国家在2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020) 》中将“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”明确为重大专项, 攻克60nm光刻关键技术。光刻机掩模台承载着待光刻的电路版图, 和工件台按照一定比例的速度做同步运动, 是光刻机控制系统的重要组成部分。掩模台由宏动台和微动台组成。宏动台由四个永磁同步直线电机构成, 每侧对称固定连接两个直线电机动子, 下方均匀铺设直线电机动子, 做大范围、长行程、高速运动。掩模台宏动台共由4个永磁同步电机驱动, 两侧电机的同步与否将不仅影响到宏动台的定位精度, 而且不同步会对宏动台框架产生扭矩致使其产生机械形变, 造成机械损伤。

本课题基于补偿原理的同步补偿器将宏动台体两侧的位移差作为补偿量, 叠加到滞后一侧的电机控制系统的给定系统给定信号中, 实现两侧电机的同步控制[3,4]。

本文项目来源于国家重大科技专项02专项“极大规模集成电路制造装备与成套工艺”的子课题《双工件台光刻机样机的研发》, 以实际的工程课题为背景, 具有重要意义。

2 直线电机模型建立

本课题研究的光刻机掩模台宏动台机械结构图1所示, 由四个永磁同步直线电机构成, 台体框架两侧均匀对称分布两个直线电机的动子, 下方固定直线电机定子。直线电机动子通过气浮动在定子上方, 驱动宏动台体运动。

图2为永磁同步电机的工作原理, , 图a) 为在a-b-c坐标系下, 转速正方向为逆时针方向, 定子上A、B、C三相绕组对称分布并为“Y”型连接, 转子上安装永磁体, 定子与转子之间通过气隙磁场耦合。在a-b-c坐标系中同步电机转子是对称性的, 造成部分绕组电感系数是转子位置角的函数, 电机的电压和磁链方程是一组与转子位置角有关的非线性时变微分方程, 这给分析电机的动态性能带来了困难。所以建立d-q-o坐标系如图b) 所示, 以逆时针为转速正方向, 永磁体磁链定位d轴, q轴沿转速方向超前90o。

转子上安装永磁体, 定子与转子之间通过气隙磁场耦合。在a-b-c坐标系中同步电机转子是对称性的, 造成部分绕组电感系数是转子位置角的函数, 电机的电压和磁链方程是一组与转子位置角有关的非线性时变微分方程[2], 这给分析电机的动态性能带来了困难。所以建立d-q-o坐标系如图b) 所示, 以逆时针为转速正方向, 永磁体磁链定位d轴, q轴沿转速方向超前90o。

通过对线圈电压和电流进行转换可以得到基于d_q轴的电压方程和电磁推力方程:

d轴电压方程:

q轴电压方程:

其中dL、qL为电枢轴电感, Ld=L q=L, 在电枢轴中p为极对数, R为电枢电阻, φf为定子磁钢在电枢中的耦合磁链, v为电机速度;

电磁推力方程:

根据矢量控制原理di=0, 得电磁推力方程:

其中KT为推力系数;由 (2-4) 式可以看出电机的输出力与q轴的电流qi成正比, 也就是说可以通过控制q轴的电流qi来实现对交流永磁同步直线电机输出力的控制。

由 (1) 、 (2) (4) 式, 得电压平衡方程:

其中, ke=φf⋅p为反电动势系数;

又有同步直线电动机的运动方程为:

其中M为电机动子及负载的质量之和, x (t) 为同步直线电机的位移, µ为摩擦系数, lF (t, x) 为负载扰动。忽略掉电机的负载扰动和摩擦阻尼, 变为:

将 (5) 与 (7) 式进行拉普拉斯变换得出:

在电机的驱动器内部一般会设计有电流环控制器, 电流环控制器主要由负反馈电路来实现, 使系统快速跟踪电流输入, 增加系统抗干扰的能力, 使经过整定后的电流尽可能的等于设定电流。常用的电流调节器为PI调节器, 文中假设电流环环节为, 结合 (8) 和 (9) 式得出电机的传递函数框图如图3所示。

由图3得出电机从电流到位移的传递函数为:

3 同步补偿器的设计

当四个电机共同作用于宏动台框架时, 其受力情况如图4所示。如图4建立直角坐标系, 则力F1、F2、F3、F4的作用点坐标分别为。当F1、F2、F3、F4共同作用于宏动台时, 其产生的转矩为

将宏动台框架近似为一长度为a、宽度为b、高为h的均匀质量的长方体。求取其绕中心轴的转动惯量:

由刚体转动定律有:

由公式 (14) 、 (15) 、 (16) 得宏动台在四个力的共同作用下的转动角加速度为:

对公式 (17) 中的求取两次积分即可得到宏动台框架的转角θ, 则台体两侧的位移差为。因此, 将∆x作为补偿量叠加到滞后一侧的电机控制系统给定信号中, 可以实现两侧电机的同步运行, 这也就是本文中同步补偿器的设计思想[5]。

4 仿真结果

包含同步补偿器的四电机同步控制系统结构如5所示, 采用位置环、速度环、电流环三环控制, 因为四个电机固定在宏动台上共同驱动宏动台台体运动 (如图1所示) , 所以宏动台 (负载) 位置X输出给每个电机的位置环控制器, 宏动台速度V输出给每个电机的速度环控制器, 四个电机的电流分别输出给电流环控制器 (工程上电流环在电机驱动器里) 。在三闭环控制的基础上加上同步补偿器, 在上节已经叙述。其Simulink仿真框图如图6所示。

将宏动台在四个力作用下运动产生的偏转角θ作为评价同步误差的变量, 当给定输入一频率为5Hz、幅值为0.3m的正弦信号时, 其同步信号如图7所示。当不加同步补偿器时, 给定相同的输入信号, 其波形如图8所示。

图7与图8中仿真获得的宏动台偏转角波形图进行对比可知, 在不加同步补偿器时, 平台偏转角是越来越大的, 不会稳定在一定范围之内, 此时只能通过机械限位等措施对宏动台框架进行方向限定, 但如此宏动台框架对其一侧产生的压力较大, 容易产生机械磨损。图8中平台偏转角是不可控的, 其主要原因是宏动台两侧电机的同步时开环的。

由图7知, 当加入同步补偿器后, 平台偏转角始终保持在3×1 0-5度≈0.1 8"以内。因此, 所设计的同步补偿器较为理想的实现了平台两侧电机的同步运行。

5 结束语

本文提出的同步补偿器是将宏动台在四个永磁直线电机的作用力下产生的偏转角作为补偿量, 叠加到滞后一侧给定信号中。通过仿真结果表明, 设计的同步补偿器将宏动台的偏转角控制在3*10-5度以内, 效果理想。

参考文献

[1]RUBINGH R, MOERS M, SUDDENDORF M, et al.Lithogratphic Perfermance of Dual Stage, 0.93NA Ar F Step&Scan System[J].SPIE, 2005, (5754) :681-692.

[2]王公峰双工件台控制系统设计及单自由度试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学2013

[3]TOMIZUKA M, HU J S, CHIU T C, et al.Synchronization of Two Motion Control Axes Under Adaptive Feedforward Control[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1992, (114) :196-203.

[4]王春洪, 段广洪, 朱煜.光刻机模拟工件台掩模台同步运动误差分析[J].制造技术与机床, 2007, (9) :42-47.