交流电压
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交流电压范文第1篇
关键词:Modbus协议;交流电压峰值;MSP430F449;MAX1270
中图分类号:TB971,TP368.1文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-146-03
Design of AC Voltage Peak Detection Instrument Based on Modbus-RTU
WANG Jichang
(Seismic Geophysical Company of Shengli Oil Field,Dongying,257100,China)
Abstract:The peak voltage detection of AC is an important index in industry power safety monitoring.AC voltage peak detection system based on hardware of MSP449,MAX1270 and RS 485,and protocol of Modbus-RTU are introduced.This system have been used in AC voltage peak detection successfully.This system has advantages of portable,low power and so on.Meanwhile,it is easy to interface with PC or controller in accordance with Modbus-RTU protocol to construct remote monitoring and control system conveniently.
Keywords:Modbus protocol;AC voltage peak;MSP430F449;MAX1270
收稿日期:2008-10-23
0 前 言
交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值),是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全,对供电电压的峰值[1]进行检测具有重要意义。测量峰值的方法主要有示波器法、间接计算法、专用峰值表法。利用示波器虽然可直观地显示电压的波形和峰值,但在成本和便携性上示波器均不能作为现场监视设备;间接计算法只适用于标准正弦波,实用性不大;专用峰值表大都存在体积较大,携带不便,且与电脑或控制设备相连不便的缺点。针对以上缺点,采用MSP430[2]系列单片机、MAX1270模/数转换器,并利用Modbus-RTU协议,成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。
1 测量原理
由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波,其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样,并通过冒泡法比较采样值,得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当,完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 Hz,设计中采样频率设置为10 kHz,即每个交流波形周期中采样200次,足以正确地反映出电压的变化情况,从而确定电压的峰值。
2 硬件设计
设计中,以MSP430F449[3]单片机、MAX1270模/数转换器为主要器件。前端A/D输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用RS 485芯片作为通信接口芯片,硬件框图如图1所示。
图1 硬件框图
2.1 A/D输入调理保护电路设计
以220 V交流电为例,其理论峰值电压为311 V,但考虑到电网波动、正弦波失真等,电压峰值很可能超过311 V,这时可根据工作经验和实测情况,选定一个电压值作为电压可能达到的最大值,假定为500 V。如果MAX1270的输入范围设置为±5 V,则分压电阻的分压比应设置为100∶1。分压后的电压经过运放缓冲后作为A/D芯片的输入,为保护后级A/D转换芯片,设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。
图2 A/D输入信号调理保护电路
2.2 A/D转换电路
A/D转换电路采用MAX1270[4]芯片,MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输
出、逐次逼近型12位A/D转换器,最高采样率为110 kS/s。在单+5 V电源供电下,可通过编程实现±5 V,±10 V,5 V,10 V量程。其中,双极性输入十分适合作为交流电压测量。
MAX1270转换电路如图2所示,由MSP430F449的I/O口线控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V电压供电下,输出4.5 V以上高电平,而MSP430F449的I/O口电平为3.3 V,因此必须附加一个接口芯片,以实现5~3.3 V的电平转换,这里采用MAX3001双向电平转换芯片。A/D转换电路如图3所示。
2.3 RS 485接口电路
该设计采用RS 485总线[5],可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米,配合Modbus-RTU协议,可方便地与符合Modbus-RTU协议的控制设备连接。设计中采用MAX3485芯片作为RS 485接口芯片,电路如图4所示。
图3 A/D转换及电平转换电路
图4 RS 485接口电路
3 软件设计
设计中,主要的软件模块包括A/D转换,Modbus-RTU协议和串口编程。对于串口编程不再赘述,主要对MAX1270[6]和Modbus-RTU[7]协议进行说明。
3.1 MAX1270编程
MAX1270的控制字格式如表1所示,最高START为起始位,保持为“1”;SEL2~SEL0为输入通道选择位;RNG,BIP分别为量程和极性选择位;PD1和PD0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考MAX1270数据手册。该设计中,MAX1270设置为:量程10 V,双极性输入(即实现±5 V测量)、外部时钟25 CLK/s正常操作模式,使用通道CH0作为输入通道,控制字的格式为10000101。
表1 MAX1270控制字
BIT7(MSB)BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0(LSB)
STARTSEL2SEL1SEL0RNGBIPPD1PD0
/*函数:max1270_ACQ()功能:读取A/D转换数据*/
unsigned int max1270_ACQ()
{
unsigned char cmd;
cmd=0x85;//双极性正负5 V输入范围,通道0,常规操作、外部时钟模式
unsigned char t=8;
do//写入控制字
{
max1270_CLK_CLR;
_NOP();
if((cmd & 0x80)==0x80)
max1270_DI_SET;
else
max1270_DI_CLR;
cmd
_NOP();
max1270_CLK_SET;
_NOP();_NOP();
}
while (--t!= 0);
max1270_DI_CLR;
//等待转换完成
for(int i=5;i>0;i--)
{
max1270_CLK_CLR;//时钟下降沿
_NOP();_NOP();
max1270_CLK_SET;//时钟上升沿
_NOP();_NOP();
}
//读出转换结果
unsigned int dat=0;
t=12;
do
{
max1270_CLK_CLR;
_NOP();
dat
if(max1270_DO)//DO的输出为1
dat++;
max1270_CLK_SET;
_NOP();
}
while (--t!=0);
_NOP();_NOP();
max1270_DI_CLR;
max1270_CLK_CLR;
_NOP();_NOP();
return dat;
}
3.2 Modbus-RTU协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。Modbus-RTU是Modbus[8]协议的一种传输模式,在该模式下,消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。Modbus协议的核心程序是CRC校验[9]程序的编写。该系统中采用CRC-16校验法,具体程序实现如下:
//CRC生成和校验:用于CRC生成和校验,其中frame为数组指针,n为数据个数//
unsigned int CRC(unsigned char *frame,int n)
{
int i,j;
unsigned int flag,crc;
crc=0xffff;
for(i=0;i
{
crc^=*frame++;
for(j=0;j
{
flag=crc&0x0001;
crc>>=1;
crc&=0x7fff;//crc高位补零
if(flag)
{
crc^=0xa001;//crc xor A001
}
}
}
flag=crc%256;//取模求余得到crc低字节
i=(crc-flag)/256;
crc=flag*256+i;//高低字节交换
return(crc);
}
3.3 其他重要子程序
程序中采用定时器中断触发每次采样,保证采集周期的精度,同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。
//定时器设置
CCR0=399;//400×0.25 μs=0.1 ms,即采样周期
设定为10 kHz(10 k/50=200)
TACTL=TASSEL_2+MC_1+TACLR;//MCLK=4 M,Up Mode,CCTL0=CCIE;//CCR0中断使能
//正过零点判断
if(AD_Result
Start_Flag=1;//Start_Flag为开始存储数据的标志
else
Start_Flag=0;
4 测试结果
通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试,可使该表的峰值测量精度高于1级,完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件MCGS[10]配合,工作良好。此外,该表除了测量峰值以外,还扩展了电压平均值、有效值的计算,设计成一个具有多功能的智能仪表。
5 结 语
该设计以MSP430F449单片机、MAX1270为核心,编写了Modbus-RTU协议,同时利用RS 485接口可方便地进行数据远传或与符合Modbus-RTU协议的设备相连,该表的体积小,功耗低,可使用干电池或蓄电池供电,非常适合作为编携式设备,随身携带,也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。
参考文献
[1]李玉峰.自动切换量程的峰值电压检测系统[J].电测与仪表,1999,36(12):14-16.
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[6]Maxim Corporation.MAX1270 Datasheet\.2007
[7]王兴贵,张明智,杜莹.Modbus RTU通信协议在智能仪表与工控机通信中的应用[J].低压电器,2008(2):8-11.
[8]Modbus协议[EB/OL].,2007.
交流电压范文第2篇
（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）
【摘要】近年来我国西电东送、南北互供的电网发展战略会使得高压直流输电更为普遍，讨论了交流电网目前的状态及高压直流输电带来的一些影响，说明了高压直流输电对交流电网的发展具有重要意义。
关键词 高压直流输电；交流电网；电力建设
0引言
自1888年由费郎蒂设计的大型交流电站成立以来，交流电逐渐代替直流电，广泛的被人们使用。20世纪50年代，一种新型的直流输电-高压直流输电出现并快速的发展。高压直流输电技术通过其可以进行长距离输电、电网互联方面的优点,给予高压交流输电技术强有力的补充，并且已经在全世界投入应用,应用的范围也越来越广泛。
1交流电网的现状
自从第一个交流发电站成立以来，交流电网凭借以下的优势迅速的发展并被广泛的使用。
1）利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能）、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉。
2）交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便。
随着技术的不断深入，交流电网出现了一些问题，主要有以下几方面：
1）交流输电不能做太远距离输电
交流输电由来已久，交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗.为了解决交流输电电阻的损耗，采用高压和超高压输电来减小电流来减小损耗，但是交流电感损耗不能减小。因此交流输电不能做太远距离输电。
2）交流输电的功率损耗严重
交流输电的功率损耗不仅表现在阻抗上，线路中的电抗功率损耗也相当严重。一条200kV的电缆，每1km的电容约为0.2μf，每1km需要供给充电的功率相当于3000km，在每1km输电线路上，每年的损耗非常高，造成资源的严重浪费。
3）交流输电两端系统必须同步运行
交流远距离输电，电流的相位在交流输电系统的两端会产生明显的相位差，并网的各个系统交流电必须同步运行，否则可能在设备中形成强大的循环电流损耗设备，或造成不同步运行的停电事故。
2高压直流输电
直流输电技术从50年代开始，但是发展比较缓慢。我国土地面积大，能源非常丰富，但是分布不均匀。尤其是水资源，有三分之二的分布在西南西北地区，煤矿资源的60%分布在西部地区，而我国的主要电力供应在中部、东部和南部，耗电量巨大，因此直流输电越来越受研究人员重视，直流输电开始迅速发展。直到上世纪80年代，我国的第一个高压直流输电线路投运，这是一条建设区间是从浙江穿山半岛到舟山岛，距离长达10OkV的从海底直流输电的工程。其最大的输电容量为50MW，这标志着高压直流输电进入了一个全新的时代。1990年，一条双极直流输电工程投入生产并运行，其最大容量已达到1.2GW，填补了交流电网在长距离输电的缺憾，这标志着我国已经具有长距离大容量输电的能力，我国电网从此进入交直流混合输电的时代。在2005年，我国的第一个换流站建成了，其位于灵宝县，输电量达到360km，传输的电流也达到了3kA，其两端的交流电压分别达到了330kV和220kA，并且该工程属于国内自主研发设计，使用了国内外最先进的设备及技术，并且为了保证这个项目的实施完成，对于葛南区间的高压直流输电的改进也提前完工。2008年，我国成功的建成高压直流输电项目12个，2014年左右一期工程一回直流送电华中电网，落点在湖南。
高压直流输电主要具有以下特点：
1）高压直流输电的频率和相位与它相邻的两个交流系统无关。
2）高压直流输电只传送有功功率。
3）高压直流输电的传送功率(包括大小和方向)快速可控。
4）高压直流输电在线路上比较经济。
3高压直流输电对交流电网的影响
3.1高压直流输电可以解决交流电网存在的一些问题，填补交流电网的空缺
1）由于交流电网两端系统必须同步运行，这使得稳定性较差，而高压直流输电的频率和相位与它相邻的两个交流系统无关。因此可根据直流输电环节将两个独立的交流系统连接起来,这样不但能拥有减小热备用容量等联网的效益，还可保证各自拥有有功及无功功率平衡等电网管理的独立性。除此之外,如果一个电网短路，由于直流环节不直接连到另一个电网，从而具有隔离作用，甚至避免系统大面积停电所导致的后果。故高压直流输电很适于电网间的互联。
2）交流电网的功率损耗相当严重，而高压直流输电只传送有功功率。因为这个特点，交流电网的短路容量不会增加，所以对于断路器影响不大。不必增加断路器的遮断容量，直流输电可以进行长距离的输电。
3）交流电网传送的功率的大小和方向不可控，而高压直流输电的传送功率(包括大小和方向)快速可控。所以高压直流输电可以填充交流电网的这个空缺，电网的稳定性较好，可以非常严格的按照事先规定的参数进行实时的控制，并且其不会受到两端交流电网的限制，非常适合两个电网之间的相互输电。
4）在交流电网中，使用的线路为三相电，在大型的工程里面，线路较乱，而高压直流输电在线路上比较经济。因单、双极直流输电分别只需一、二根导线(相当于一、二回交流线路)，所需的线路数量少，线路的宽度低，线材及工程量都比较少。并且在远距离输电时,采用直流输电产生的费用远远小于用换流设备产生的费用，线路越长，节省越多。
5）直流输电发生故障的损失比交流输电小。两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流．因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关。而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样，因此不必更换两侧原有开关及载流设备。
3.2高压直流输电相对于交流电网存在一定的劣势
1）电力远距离输送，将低压通过升压变压器，然后到达目的地后，采用降压变压器将电压降低，设备简单，容易实现。而高压直流输电要求的设备较高。
2）远距离输电的情况下，交流电网的设备比高压直流输电更加经济。
高压直流输电填补了交流电网的一些空缺，但是它也存在着自己相应的缺点。
4结论
通过以上表明高压直流输电对交流电网的影响很大，它解决了交流电网一些的缺点，在我国长距离大容量输电和电网互联中发挥了重要的作用，但是对于远距离的输电，高压直流输电对于设备的要求太高，增加了经济的开销。（下转第314页）
参考文献
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［2］潘丽珠.高压直流输电对交流系统电压稳定影响的研究[D].北京:华北电力大学,2006.
交流电压范文第3篇
关键词：项目化；整流；滤波；稳压
1.制作要求
1.1任务
设计直流稳压电源，电源输出电压1.25~30V可调，最大输出电流为1.5A，输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3；输出电阻小于0.1Ω。
1.2要求
①选择电路形式，画出电路原理图；②合理选择电路元器件的型号及参数，并列出材料清单；③画出安装布线图；④进行电路安装；⑤进行电路调试与测试，拟定调试测试内容、步骤、记录表格，画出测试电路。
1.3装配电路板
在通用电路板上进行电路布局图的安装，电路装配的工艺流程说明，调整测试内容与步骤，数据记录，测试结果分析等。
2.学习要求
1、了解直流电源的基本组成和性能指标。2、掌握线性直流电源中整流、滤波、稳压电路的选择、电路元件的参数计算、选择等。3、掌握线性直流电源设计的方法和步骤。4、掌握直流电源的装配、调试和测试的操作技能。5、具有安全生产意识和预防措施。6、能与他人合作、交流，完成电路的设计、电路的组装与测试等任务，具有团结协作、敢于创新的精神和解决问题的能力。
3.分析过程
3.1电路原理图
如图1所示，T1为自耦变压器，T2为电源变压器，V1～V4为整流二极管，C1为滤波电容，CW7812为三端稳压器，R和RP组成负载RL，两块电压表分别接在整流滤波电路的输出端及稳压电路的输出端。
3.2操作过程及数据分析
1、按图示电路先连接变压器和整流电路，T2用18V，用示波器观察输入、输出端的波形，并用万用表测试输入、输出电压的值（注意输入是交流，输出是脉动直流），并作好记录。变压器输入电压Ui整流后输出电压Uo118V16.2V
2、在第1步的基础上，接入滤波电容，用示波器观察滤波后输出的波形，并用万用表测试输出电压，作好记录。变压器输入电压Ui整流后输出电压Uo1滤波后输出电压Uo218V16.2V21.6V
可以看出经过整流滤波后，交流变成平滑的直流电，输出电压值得到提高，变为1.2Ui。
3、完全按图1接好电路，再按以下操作测试和观察。
①负载电阻RL保持不变，调节自耦变压器在一定范围内220(1±10%)V变化，观察整流滤波电路输出端的电压表及负载两端的电压表的变化，会发现滤波电路输出端的电压表指针发生了变化，而负载两端的电压表读数12V却不变。
②输入电压（自耦变压器调到AC220V）不变，调节RP，观察负载两端的电压表，读数12V仍不变。
可以看出:该电路在电源电压及负载RL变化时，负载两端电压值均不变，即实现了稳压功能。
由以上演示看出：直流稳压电源就是一种把交流电变为直流电，能输出稳定直流的一种电子设备。它一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其框图如图2所示：图2直流稳压电路框图
图中，电源变压器的作用是为电设备提供所需的交流电压，主要起降压的作用；整流器的作用是实现交流电变成脉动直流电；滤波器的作用是将整流后的脉动直流变换成平滑的直流电；稳压器的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化，提高输出电压的稳定性。
根据以上内容，学生通过制作项目电路既加深了对电路结构的认识，又增添了学习兴趣。使这部分枯燥的理论转化为先观察现象，再通过测试的数据，反推各部分数据之间的关系。简化了理论数据的推导过程，学生学起来更加容易，这一点在我系学生学习的过程中得到普遍的认可。（作者单位：泸州职业技术学院）
参考文献
［1］《电子技术》;编著者,付植桐;高等教育出版社;2000年第1版
交流电压范文第4篇
摘要：
在测定老化油乳化液粘度温度曲线、含水率反相点曲线的基础上，采用静态静电聚结破乳实验装置研究了油水反相特性对电场破乳脱水效果的影响，使用自主搭建的动态破乳脱水特性快速评价装置研究了高频/高压脉冲交流电场下电场强度和频率对老化油乳化液破乳脱水效果的影响.结果表明，流花油田老化油反相点含水率约为40%，油水反相过程中乳化液粘度增加，电场破乳脱水难度增大；老化油乳化液含水率为30%时，最优电场强度1.25kV/cm、电场频率2.5kHz下破乳后的离心脱水率为97.8%，远高于工频电场下的离心脱水率(4.2%)，高频/高压电场破乳比工频/高压电场破乳优势明显.
关键词：
老化油；W/O型原油乳化液；乳化液反相；高频/高压脉冲交流电场；电场破乳；离心脱水
1前言
中海油流花油田的原油为高密度、高黏度、低硫、低蜡、低凝固、低溶解气油比、欠饱和环烷基生物降解程度较高的重质原油，加上井液中携带了大量粒径小、具有很强吸油性的礁灰岩粘土类泥砂，使原油易乳化且乳化液导电性较强，往往会导致动态电脱盐器(Electro-dynamicDesalter,EDD)无法正常工作，产生了大量老化油[1].由于缺乏有效的处理措施，现场不得不将老化油放在南海胜利号污油舱中，定期转运至炼油厂加工处理，往往因挤占大量舱容而导致压产[2].国内外陆上或海上对油田老化油的处理已围绕电场破乳、化学破乳、微波破乳、超声波破乳、离心分离等开展了大量应用基础研究，但迄今仍未有效解决[3,4].近年来研究[57]发现，高频/高压脉冲交流电场比传统工频电场更能有效增加液滴间的接触碰撞几率，同时液滴高频振荡有利于油水界面膜破碎，提升了脱水效率.高频/高压交流脉冲电场已逐步得到国内外认可，如美国Cameron集团推出了基于双频电场的原油电脱水(盐)技术[8]，备受关注的紧凑型静电聚结设备，如紧凑型静电聚结器(CompactElectrostaticCoalescer,CEC)和容器内置式静电聚结器(VesselInternalElectrostaticCoalescer,VIEC)也配套使用了高频/高压脉冲交流电源[9,10].国内以宁波大榭石化有限公司为代表的几家石化企业曾对常减压装置前的配套电脱盐系统进行了高频技术改造，效率有所提升，但工作频率仅为300Hz，且电压波形的正负相态扭曲较严重[11].常俊英等[12]对海洋油田原油乳化液高频/高压电场电脱水特性进行了研究，结果证明适当提高电场频率能明显增加电脱水效率.李锐锋等[13]用高频/高压脉冲交流电源(频率5005000Hz连续可调)对中原油田老化油乳化液开展了回掺电场破乳实验研究，取得了较好的破乳脱水效果.但迄今为止，国内不仅尚未就不回掺状态下高频/高压脉冲交流电场用于老化油破乳脱水进行研究，且电场破乳实验全部在静态条件下进行.静电聚结过程中液滴最初相互靠近主要是由外部流体湍流所致[14,15]，因此静态条件下电场破乳脱水实验与连续动态破乳的实际工况相差较大.本工作对取自流花11-1油田的老化油样品使用高频/高压脉冲交流电源破乳脱水，围绕老化油粘度、温度特性、乳化液油水反相点、静态破乳脱水特性、动态破乳脱水特性等开展基础研究.
2实验
2.1实验材料老化油取自南海流花11-1油田南海胜利号FPSO的3C舱，配制乳化液用水为现场生产水样.在2000mL烧杯内按比例倒入1900mL老化油和水样，置于70℃恒温水浴内预热5min.启动高剪切分散机以19000r/min的转速剪切油水混合物5min，同时用玻璃棒辅助搅拌.在70℃恒温水浴中静置5min.老化油和水均取自油田现场，含大量沥青质/胶质等天然乳化剂，可保证配制乳化液的组分特性与现场基本一致.但由于剪切乳化条件远高于油田现场，因此配制的乳化液具有更高的稳定性，破乳脱水难度更大，实验结果也更有说服力.
2.2实验装置与分析仪器静态静电聚结破乳实验装置如图1(a)所示，该实验装置为3层环形玻璃圆筒立式同心布局结构，原油乳化液装在图1(b)所示的锥底量筒(最大容积280mL)内，高压电极棒浸没其中；锥底量筒浸没在与地线相连的静态NaCl溶液中，在高压电极棒与环形NaCl溶液间形成非均匀电场空间；最外层环形空间与恒温水浴箱连接形成循环回路，使乳化液保持在实验温度.装置顶部的有机玻璃盖配合底部的凹槽对锥底量筒起定位作用，使其保持垂直状态.装置的全部圆筒都采用透明玻璃材质，便于随时观察乳化液在电场破乳过程中的沉降分离情况.
动态破乳脱水特性快速评价装置流程如图2所示.在快速评价装置主体部分两侧的端盖上分别浇铸2块相互连接的电极板，极板表面均用浇铸环氧树脂进行绝缘处理，2组极板交错布置形成曲折的流动空间，左侧端盖上的极板与高压放大器输出端相连，右侧端盖上的极板与接地端子相连，形成近似均匀电场空间.装置设计小型化，运行过程中循环1次所需乳化液最少为3L，设备主体采用有机玻璃材质，便于实时观测内部的分离情况.老化油粘度测量使用HAAKERotoVisco1旋转粘度计(德国HAAKE公司)，通过搭配不同的定子、转子，测量0.11000000mPas范围内复杂流体的粘度值；乳化液配制使用FLUKOFA25型高剪切分散机(德国FLUKO公司)，在1000028000r/min之间实现无级调速，单次最大处理量为5000mL；高压电场由GWInstekFunctionGeneratorGFG-3015信号发生器(台湾固纬电子有限公司)、TrekModel10/40A-HS电压放大器(日本TREK公司)联合提供，为乳化液施加不同电压(1010000V)、不同频率(10kHz15MHz)、不同波形的电场.用GWInstekOscilloscopeGOS-62020MHz示波器(台湾固纬电子有限公司)实时监测电压和电流，离心脱水使用ORTOALRESAdigtor-21c型离心机(西班牙ORTOALRESA公司)，最高转速3000r/min、最高工作温度100℃.
2.3实验方法
2.3.1破乳脱水实验用静态静电聚结破乳实验装置进行老化油乳化液油水反相特性实验.取约80mL配制好的不同含水率的乳化液倒入锥底量筒内，插入高压电极棒，设定好电场参数并接通电源.脱水过程中需实时观察锥底量筒底部是否出现沉降水及油水界面的变化情况，待油水界面高度稳定后，切断电源并记录脱出水体积.用动态破乳脱水特性快速评价实验装置进行老化油乳化液的静态聚结破乳实验.将配制好的原油乳化液倒入供料罐中，接通加热设备为乳化液提供热源，使其稳定在70℃.打开球阀，用计量泵将乳化液以0.05L/s流速送至静电聚结破乳装置中(乳化液在电场中的停留时间约为20s)，接通高压/高频脉冲交流电源，将经电场聚结破乳的乳化液送至回收罐内储存.用离心机专用圆底量筒在前取样口取70mL乳化液作为对比试样，1min后在后取样口取70mL电场破乳后乳化液试样.关闭电源，将2个样品同时放入离心机内，按完全相同的运行参数[转速1500r/min(等效重力加速度为528g)、温度70℃]离心分离2min，分别记录2个试样内沉降出水体积.
2.3.2分析检测方法静态静电聚结破乳实验根据下式求最终脱水率在动态破乳脱水单因素实验中，用离心机对乳化液离心脱水，通过对比电场破乳前后的离心脱水率评价不同参数下电场破乳效果，比水滴粒径分析等常规评定方式，能从更加工程化的角度对电场破乳脱水效果做出评价，结果更具指导价值.实验过程中分别记录前取样口和后取样口所取试样离心后脱出水体积，根据式(1)计算两试样的脱水率.
3结果与讨论
3.1老化油乳化液的粘温特性和油水反相特性分析温度和含水率是影响原油乳化液流变特性的重要因素，通常情况下原油乳化液粘度随温度升高而下降.在发生油水反相前，随含水率升高原油乳化液粘度增大，并逐渐由牛顿流体转变成非牛顿流体，含水率增大到一定程度时乳化液中部分自由水析出使粘度开始下降，过高的粘度及过多的自由水均会对电场破乳造成不良影响[16].因此研究流花油田老化油乳化液在不同温度下的粘度及含水率变化过程中油水的反相特性，对电场破乳脱水实验研究有参考价值.图3为不同含水率的老化油乳化液在不同温度下的粘度、温度曲线.由图可看出，流花油田老化油乳化液的粘度对温度和含水率均较敏感，随温度升高粘度下降，高含水率的老化油乳化液的粘度在相同温度下都明显高于含水率1%的老化油乳化液；不同含水率的老化油乳化液的粘度、温度特性呈很好的规律性，低于60℃时粘度随温度升高快速下降，大于70℃后粘度随温度变化相对较平缓，不同含水率的老化油乳化液的粘度相差无几.分散相水滴在运动过程中主要受连续油相对其施加的拖拽阻力。显然，较大的粘度会使分散相水颗粒在电场作用下发生移动时受到较大的拖拽力，运动速度降低，破乳脱水难度增大.考虑到动态破乳脱水实验中老化油乳化液的流动性应尽可能好，同时兼顾油气集输流程实际运行工况，实验温度设定为70℃.图4为不同温度下老化油乳化液的反相点关系曲线.乳化液发生反相前，随含水率增加，W/O型乳化液中分散相水颗粒间的接触碰撞机会增多，体系的非牛顿性增强，导致粘度增加，含水率约为40%时老化油乳化液的粘度达最大值.随含水率进一步增加，大量分散相水颗粒相互接触，导致乳化液界面张力增大，不稳定性增强，油水界面膜破碎后重新构造，形成复杂的O/W/O型(油包水包油型)或W/O/W型(水包油包水型)多重乳化液；含水率继续增大时，乳化液中出现游离水，此时乳化液已从低含水率时的W/O型转变为O/W型，该过程称为乳化液反相，使乳化液发生反相的含水率为反相点.在实验的剪切乳化条件下，流花老化油乳化液的反相点在含水率约40%，且随温度升高，乳化液反相点前后粘度变化幅度减小.适当升高温度有助于减小含水率变化对乳化液粘度变化的影响，这与刘冰等[17]对普通原油的乳化液反相特性研究所得的结论基本一致.
3.2老化油乳化液的静态聚结破乳特性图5为静态静电聚结破乳实验装置横截面，距离高压电极中心距离R处的电场强度E可由下式近似计算.可见越靠近高压电极电场强度越大.在均匀电场中，乳化液分散相水滴所受电场力主要包括偶极吸引力和电泳力，而在非均匀电场中，受电场感应形成的诱导偶极子还会受介电泳力的作用，3种受力具体形式如图6所示，其中介电泳力可由下式求出.实验中参数设定为：电压均值2kV，电场频率2500Hz，实验温度70℃.实验过程中电场参数和剪切乳化条件不变，仅乳化液含水率变化对最终的脱水率有影响，结果如图7所示.含水率较低时乳化液中水颗粒多为小粒径球形水滴，能形成较稳定的W/O型乳化液.根据式(4)可知，在其他参数不变的条件下，水滴粒径越小受到的介电泳力越小，发生碰撞聚结的可能性越低，最终增加了电场破乳脱水难度[18]，具体表现为含水率为10%时脱水率仅有35%；随乳化液含水率逐渐升高，水颗粒增多、平均粒径增大，在电场作用下更易发生碰撞聚结，含水率为30%时脱水率达92%.本实验中在含水率为35%和40%时，电场破乳后脱水率明显降低，与宋昭峥等[19]在反相乳化液体系稳定性研究中得出的乳化液稳定性随油水比例的上升而增强、在油水体积比为1.5时稳定性最高的结论吻合.此时乳化液已成为含大量水包油颗粒或油包水颗粒的复杂多重乳化液，其结构稳定，不利于电场破乳脱水，含水率为40%时脱水率降低到83%；当含水率超过反相点40%后，老化油乳化液中已出现大量游离水，逐渐由低含水率时以W/O型乳化液为主转变成以O/W型乳化液为主，随含水率升高，脱水率持续增大，含水率60%时脱水率最高达98.5%.
3.3动态破乳脱水单因素实验动态破乳脱水特性快速评价装置中流动的原油乳化液基本处于均匀电场中，分散相水颗粒的聚结方式主要以偶极聚结和振荡聚结为主，当相邻2个液滴的间距大于液滴半径时，液滴间的静电力作用于液滴中心.图8为均匀电场中诱导偶极子的受力模型，其中液滴所受径向力Fr和切向力F可由下式近似求出：
3.3.1电场频率保持含水率30%、电场强度1.25kV/cm不变，考察不同电场频率(4.0,3.5,3,2.5,2,1.5,50Hz)对老化油乳化液破乳脱水效果的影响，根据实验数据绘制离心脱水率与频率关系曲线，如图9所示.取样口样品(未经电场破乳处理)离心脱水后均无肉眼可见的水相析出，可知乳化液稳定.老化油乳化液经50Hz电场破乳后的离心脱水率仅有4.2%，随电场频率增加乳化液离心脱水率增大，当电场频率达2.5kHz时离心脱水率达最大值97.8%；电场频率继续增大离心脱水率反而减小，电场频率为4kHz时离心脱水率仅为41.7%，与电场频率为1.5kHz的离心脱水率相同.根据式(5)和(6)可知，改变电场方向并不会影响2个水滴之间的偶极吸引力，但使极化水滴先中和内部的电荷再极化，使水滴在电极间振荡往复，增大了碰撞聚结的可能性[20]；且随交流脉冲电场方向改变，受电泳力的影响分散相水滴的形状也发生周期性变化，促进油水界面膜破碎，当电场频率接近乳化液中分散相水颗粒的固有频率时，水滴振荡幅度最大，原油乳化液处于最不稳定状态，大量水颗粒碰撞聚结，导致水滴直径变大而有利于离心脱水，静电聚结破乳效果最优；当电场频率偏离最优频率时，液滴极化速度小于电场变化速度而发生松弛效应，若继续增加电场频率，水滴所受电场力减小，振荡幅度减弱，静电聚结破乳效果降低.Galina等[21]用挪威北海真实原油进行电流变学特性分析，结果显示，电场频率不同会影响乳化液的粘度，但未对不同频率电场的破乳脱水效果做出评价.本实验发现，老化油乳化液的电场破乳脱水，高频电场破乳效果明显优于传统工频电场，且电场频率存在最优值.
3.3.2电场强度保持含水率30%、电场频率2.5kHz不变，考察不同电场强度(0.42,0.83,1.25,1.67,2.08kV/cm)对原油乳化液破乳脱水效果的影响，根据实验数据绘制老化油乳化液离心脱水率与电场强度关系曲线，如图10所示.由图可知，经0.42kV/cm的电场破乳离心后无沉降水析出，而电场强度为1.25kV/cm时的离心脱水率达最大值97.8%.对原油乳化液电场破乳，当有效电场强度低于分散相水滴发生碰撞聚结所需最小电场强度时，水滴所受偶极吸引力不足以克服运动过程中油相对其施加的拖拽阻力，此时分散相水滴间的碰撞聚结很难影响乳化液的稳定性；而当电场强度超过1.25kV/cm时，离心脱水率随电场强度增大而逐渐减小；当电场强度达2.08kV/cm时脱水率减小到62.5%.分散相液滴发生变形有利于油水界面膜发生薄化以致失稳，促使接触的液滴聚结，但对乳化液施加的电场强度过大时，分散相水滴在被过度拉伸后变为梭形，极限状态下在锥形尖端发生颈缩形成二次液滴，称为电分散现象[22,23].电分散不仅使已聚结的液滴在电场力的撕扯下重新破碎，且形成的二次液滴粒径往往较小，从而增加了进一步电场破乳脱水的难度.实验表明，流动状态下，对于特定原油乳化液的电场破乳，电场强度存在最优值.
4结论
结合老化油粘温特性分析，使用静态静电聚结破乳实验装置，对流花油田老化油乳化液在含水率变化过程中油水反相特性对电场破乳脱水的影响进行了研究，使用动态破乳脱水特性快速评价装置，考察了电场强度、电场频率对老化油乳化液破乳脱水性能的影响，得到结论如下：(1)在实验温度70℃、剪切转速19000r/min、剪切时间5min的条件下，流花11-1油田老化油乳化液含水反相点为含水率40%，反相点处乳化液粘度达最大值.乳化液反相过程中因内部结构发生变化，乳化液稳定性增强，对静态静电聚结破乳脱水效果有不良影响.(2)电场破乳脱水过程中电场强度、电场频率均存在最优值，超过最优值后，再增加电场强度与电场频率均会导致离心脱水率降低.(3)乳化液含水率30%时的最优电场强度为1.25kV/cm，电场频率为2.5kHz，该条件下2.5kHz电场的离心脱水率为50Hz电场的23.3倍.
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交流电压范文第5篇
【关键词】变压器 法拉第电磁感应定律 实验设计
法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个重要内容，它揭示了感应电动势ε感与闭合线圈内磁通量的变化率φ/t 、线圈匝数n所成的正比关系：ε感= n φ/t 。在实验总结出感应电流、感应电动势产生的条件后，教材中通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流表的闭合线圈实验，分析插、拔磁铁的快慢与灵敏电流表指针摆动的幅度关系，得出“闭合线路内，磁通量的变化率越大，线圈的匝数越多，产生的感应电动势也就越大”的结论。在此定性实验的基础上，教材中直接引出了法拉第电磁感应定律。很显然，上述方法省略了“ε感与n 、φ/t‘成正比’”这一量化结论的实验研究过程。由于采用手动操作改变φ/t ，并且灵敏电流表的指针是瞬时晃动的，实验操作、观察都存在一定的局限，通常的实验也不能进行进一步的探究。在学习完交流电、变压器等知识后，笔者利用可拆交流演示变压器，通过反复实践，设计出验证法拉第电磁感应定律的实验办法。
一、实验器材
可拆交流演示变压器1个，多用表1只，小灯座1个，3.8V小灯泡1只，长约3m的导线1根，220V交流电源
二、实验原理
根据变压器工作原理，当交流电通过原线圈时，铁芯中将产生峰值稳定、交流变化的φ/t 。如果水平抽动变压器上端的横轭，铁芯不再完全闭合，部分磁感线外泄，造成铁芯中的φ/t变小（如图1所示）。依照上述操作，便可改变φ/t 的大小。若抽动横轭到某一固定位置，就能获得比较稳定的φ/t。
三、实验过程
1、定性研究ε感与φ/t 之间的关系将多用表调至交流电压10V档，与小灯泡并联，共同串接到副线圈3V档，原线圈接入220V交流电。当横轭完全闭合在铁芯上时，电压表测出副线圈中产生3V的感应电流。将横轭从原线圈端向外缓慢地水平抽动，小灯泡逐渐变暗，当横轭抽离铁芯约3mm时（如图2所示），可以观察电压读数已经降到2V左右。利用上述直观的现象，引发学生思考该现象产生的原因，通过分析，可知ε感与横轭的水平抽动有关，即与变小的φ/t 有关，从而得出定性结论：φ/t 越小（大），ε感越小（大）。
2、定量研究ε感与n的正比关系除去副线圈，换上长导线缠绕在铁芯上代替副线圈，并将导线两端与小灯泡串接成闭合线路，同时将多用表与小灯泡并联。将横轭开口距离调至3mm左右。随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多，可以观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程：在绕到第4匝时，灯丝微微发光；当线圈绕到20匝左右，小灯泡已经比较亮了。绕线过程中，观察多用表上交流电压读数，发现每多绕一匝导线，感应电动势约增大0.1V，可得出ε感与n的定量关系。
通过上述实验，进一步进行分析探究：假设每一匝线圈内的磁通量的变化率为φ0/t ，对应产生的感应电动势为ε0 ，则每多绕一匝线圈，整个闭合线路所围的φ/t就增大一个单位φ0/t ，线路中感应电动势也增大一个ε0 ，由此得出量化的结论――法拉第电磁感应定律。
3、补充说明
1）为了操作方便，通常将副线圈摆放在操作者右手边，同时在实验中注意安全用电，勿用身体接触原线圈中的交流电。
2）缠绕导线时，开口处的铁芯内上、下不同的位置，φ/t 有所差异，应尽量使导线绕在铁芯下部的同一位置附近。
3）由于自感作用，从铁芯上逐渐解开缠绕的导线到第3匝时，小灯泡仍然微微发光，而在缠绕到第3匝时，小灯泡却并不发光。
