交流電壓
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交流電壓范文第1篇
關鍵詞:Modbus協議;交流電壓峰值;MSP430F449;MAX1270
中圖分類號:TB971,TP368.1文獻標識碼:B
文章編號: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
交流電壓峰值是指交流電壓的最大值(正峰值)或最小值(負峰值),是工業生產過程中一個非常重要的參數。為保證用電設備的安全,對供電電壓的峰值[1]進行檢測具有重要意義。測量峰值的方法主要有示波器法、間接計算法、專用峰值表法。利用示波器雖然可直觀地顯示電壓的波形和峰值,但在成本和便攜性上示波器均不能作為現場監視設備;間接計算法只適用于標準正弦波,實用性不大;專用峰值表大都存在體積較大,攜帶不便,且與電腦或控制設備相連不便的缺點。針對以上缺點,采用MSP430[2]系列單片機、MAX1270模/數轉換器,并利用Modbus-RTU協議,成功地開發出了低成本、便攜、智能的峰值表設備。
1 測量原理
由于供電電網的波動及電網的電壓波形是一種非標準正弦波,其峰值不能通過平均值或有效值間接計算。該系統采用對非標準正弦波在一個周期內多次采樣,并通過冒泡法比較采樣值,得到電壓的最大值或最小值作為其正峰值和負峰值。顯然只要采樣密度適當,完全可以得到真實的電壓峰值。我國交流電的頻率為50 Hz,設計中采樣頻率設置為10 kHz,即每個交流波形周期中采樣200次,足以正確地反映出電壓的變化情況,從而確定電壓的峰值。
2 硬件設計
設計中,以MSP430F449[3]單片機、MAX1270模/數轉換器為主要器件。前端A/D輸入采用電阻分壓方式將交流電進行降壓;采用RS 485芯片作為通信接口芯片,硬件框圖如圖1所示。
圖1 硬件框圖
2.1 A/D輸入調理保護電路設計
以220 V交流電為例,其理論峰值電壓為311 V,但考慮到電網波動、正弦波失真等,電壓峰值很可能超過311 V,這時可根據工作經驗和實測情況,選定一個電壓值作為電壓可能達到的最大值,假定為500 V。如果MAX1270的輸入范圍設置為±5 V,則分壓電阻的分壓比應設置為100∶1。分壓后的電壓經過運放緩沖后作為A/D芯片的輸入,為保護后級A/D轉換芯片,設置兩個穩壓二極管組成限幅電路。輸入調理電路如圖2所示。
圖2 A/D輸入信號調理保護電路
2.2 A/D轉換電路
A/D轉換電路采用MAX1270[4]芯片,MAX1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸
出、逐次逼近型12位A/D轉換器,最高采樣率為110 kS/s。在單+5 V電源供電下,可通過編程實現±5 V,±10 V,5 V,10 V量程。其中,雙極性輸入十分適合作為交流電壓測量。
MAX1270轉換電路如圖2所示,由MSP430F449的I/O口線控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V電壓供電下,輸出4.5 V以上高電平,而MSP430F449的I/O口電平為3.3 V,因此必須附加一個接口芯片,以實現5~3.3 V的電平轉換,這里采用MAX3001雙向電平轉換芯片。A/D轉換電路如圖3所示。
2.3 RS 485接口電路
該設計采用RS 485總線[5],可通過電纜或光纖將信號有效地遠傳上千米,配合Modbus-RTU協議,可方便地與符合Modbus-RTU協議的控制設備連接。設計中采用MAX3485芯片作為RS 485接口芯片,電路如圖4所示。
圖3 A/D轉換及電平轉換電路
圖4 RS 485接口電路
3 軟件設計
設計中,主要的軟件模塊包括A/D轉換,Modbus-RTU協議和串口編程。對于串口編程不再贅述,主要對MAX1270[6]和Modbus-RTU[7]協議進行說明。
3.1 MAX1270編程
MAX1270的控制字格式如表1所示,最高START為起始位,保持為“1”;SEL2~SEL0為輸入通道選擇位;RNG,BIP分別為量程和極性選擇位;PD1和PD0為掉電和時鐘模式選擇位。各位的具體意義請參考MAX1270數據手冊。該設計中,MAX1270設置為:量程10 V,雙極性輸入(即實現±5 V測量)、外部時鐘25 CLK/s正常操作模式,使用通道CH0作為輸入通道,控制字的格式為10000101。
表1 MAX1270控制字
BIT7(MSB)BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0(LSB)
STARTSEL2SEL1SEL0RNGBIPPD1PD0
/*函數:max1270_ACQ()功能:讀取A/D轉換數據*/
unsigned int max1270_ACQ()
{
unsigned char cmd;
cmd=0x85;//雙極性正負5 V輸入范圍,通道0,常規操作、外部時鐘模式
unsigned char t=8;
do//寫入控制字
{
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;
//等待轉換完成
for(int i=5;i>0;i--)
{
max1270_CLK_CLR;//時鐘下降沿
_NOP();_NOP();
max1270_CLK_SET;//時鐘上升沿
_NOP();_NOP();
}
//讀出轉換結果
unsigned int dat=0;
t=12;
do
{
max1270_CLK_CLR;
_NOP();
dat
if(max1270_DO)//DO的輸出為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協議
Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議,控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。Modbus-RTU是Modbus[8]協議的一種傳輸模式,在該模式下,消息中的每個8 b包含2個4 b的16進制字符。Modbus協議的核心程序是CRC校驗[9]程序的編寫。該系統中采用CRC-16校驗法,具體程序實現如下:
//CRC生成和校驗:用于CRC生成和校驗,其中frame為數組指針,n為數據個數//
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高位補零
if(flag)
{
crc^=0xa001;//crc xor A001
}
}
}
flag=crc%256;//取模求余得到crc低字節
i=(crc-flag)/256;
crc=flag*256+i;//高低字節交換
return(crc);
}
3.3 其他重要子程序
程序中采用定時器中斷觸發每次采樣,保證采集周期的精度,同時每次采集時都以過零點作為采集數據的開始。這兩點都有利于提高系統精度。
//定時器設置
CCR0=399;//400×0.25 μs=0.1 ms,即采樣周期
設定為10 kHz(10 k/50=200)
TACTL=TASSEL_2+MC_1+TACLR;//MCLK=4 M,Up Mode,CCTL0=CCIE;//CCR0中斷使能
//正過零點判斷
if(AD_Result
Start_Flag=1;//Start_Flag為開始存儲數據的標志
else
Start_Flag=0;
4 測試結果
通過施加標準正弦波、非標準正弦波、三角波測試,可使該表的峰值測量精度高于1級,完全滿足工業現場設備供電檢測的需求。該表與工控組態軟件MCGS[10]配合,工作良好。此外,該表除了測量峰值以外,還擴展了電壓平均值、有效值的計算,設計成一個具有多功能的智能儀表。
5 結 語
該設計以MSP430F449單片機、MAX1270為核心,編寫了Modbus-RTU協議,同時利用RS 485接口可方便地進行數據遠傳或與符合Modbus-RTU協議的設備相連,該表的體積小,功耗低,可使用干電池或蓄電池供電,非常適合作為編攜式設備,隨身攜帶,也可作為功能模塊直接安裝在工業現場設備對電網供電電壓峰值、有效值等參數進行監測。
參考文獻
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[8]Modbus協議[EB/OL].,2007.
交流電壓范文第2篇
（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004）
【摘要】近年來我國西電東送、南北互供的電網發展戰略會使得高壓直流輸電更為普遍，討論了交流電網目前的狀態及高壓直流輸電帶來的一些影響，說明了高壓直流輸電對交流電網的發展具有重要意義。
關鍵詞 高壓直流輸電；交流電網；電力建設
0引言
自1888年由費郎蒂設計的大型交流電站成立以來，交流電逐漸代替直流電，廣泛的被人們使用。20世紀50年代，一種新型的直流輸電-高壓直流輸電出現并快速的發展。高壓直流輸電技術通過其可以進行長距離輸電、電網互聯方面的優點,給予高壓交流輸電技術強有力的補充，并且已經在全世界投入應用,應用的范圍也越來越廣泛。
1交流電網的現狀
自從第一個交流發電站成立以來，交流電網憑借以下的優勢迅速的發展并被廣泛的使用。
1）利用建立在電磁感應原理基礎上的交流發電機可以很經濟方便地把機械能（水流能、風能）、化學能等其他形式的能轉化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價大為低廉。
2）交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來極大的方便。
隨著技術的不斷深入，交流電網出現了一些問題，主要有以下幾方面：
1）交流輸電不能做太遠距離輸電
交流輸電由來已久，交流輸電線路中，除了有導線的電阻損耗外還有交流感抗的損耗.為了解決交流輸電電阻的損耗，采用高壓和超高壓輸電來減小電流來減小損耗，但是交流電感損耗不能減小。因此交流輸電不能做太遠距離輸電。
2）交流輸電的功率損耗嚴重
交流輸電的功率損耗不僅表現在阻抗上，線路中的電抗功率損耗也相當嚴重。一條200kV的電纜，每1km的電容約為0.2μf，每1km需要供給充電的功率相當于3000km，在每1km輸電線路上，每年的損耗非常高，造成資源的嚴重浪費。
3）交流輸電兩端系統必須同步運行
交流遠距離輸電，電流的相位在交流輸電系統的兩端會產生明顯的相位差，并網的各個系統交流電必須同步運行，否則可能在設備中形成強大的循環電流損耗設備，或造成不同步運行的停電事故。
2高壓直流輸電
直流輸電技術從50年代開始，但是發展比較緩慢。我國土地面積大，能源非常豐富，但是分布不均勻。尤其是水資源，有三分之二的分布在西南西北地區，煤礦資源的60%分布在西部地區，而我國的主要電力供應在中部、東部和南部，耗電量巨大，因此直流輸電越來越受研究人員重視，直流輸電開始迅速發展。直到上世紀80年代，我國的第一個高壓直流輸電線路投運，這是一條建設區間是從浙江穿山半島到舟山島，距離長達10OkV的從海底直流輸電的工程。其最大的輸電容量為50MW，這標志著高壓直流輸電進入了一個全新的時代。1990年，一條雙極直流輸電工程投入生產并運行，其最大容量已達到1.2GW，填補了交流電網在長距離輸電的缺憾，這標志著我國已經具有長距離大容量輸電的能力，我國電網從此進入交直流混合輸電的時代。在2005年，我國的第一個換流站建成了，其位于靈寶縣，輸電量達到360km，傳輸的電流也達到了3kA，其兩端的交流電壓分別達到了330kV和220kA，并且該工程屬于國內自主研發設計，使用了國內外最先進的設備及技術，并且為了保證這個項目的實施完成，對于葛南區間的高壓直流輸電的改進也提前完工。2008年，我國成功的建成高壓直流輸電項目12個，2014年左右一期工程一回直流送電華中電網，落點在湖南。
高壓直流輸電主要具有以下特點：
1）高壓直流輸電的頻率和相位與它相鄰的兩個交流系統無關。
2）高壓直流輸電只傳送有功功率。
3）高壓直流輸電的傳送功率(包括大小和方向)快速可控。
4）高壓直流輸電在線路上比較經濟。
3高壓直流輸電對交流電網的影響
3.1高壓直流輸電可以解決交流電網存在的一些問題，填補交流電網的空缺
1）由于交流電網兩端系統必須同步運行，這使得穩定性較差，而高壓直流輸電的頻率和相位與它相鄰的兩個交流系統無關。因此可根據直流輸電環節將兩個獨立的交流系統連接起來,這樣不但能擁有減小熱備用容量等聯網的效益，還可保證各自擁有有功及無功功率平衡等電網管理的獨立性。除此之外,如果一個電網短路，由于直流環節不直接連到另一個電網，從而具有隔離作用，甚至避免系統大面積停電所導致的后果。故高壓直流輸電很適于電網間的互聯。
2）交流電網的功率損耗相當嚴重，而高壓直流輸電只傳送有功功率。因為這個特點，交流電網的短路容量不會增加，所以對于斷路器影響不大。不必增加斷路器的遮斷容量，直流輸電可以進行長距離的輸電。
3）交流電網傳送的功率的大小和方向不可控，而高壓直流輸電的傳送功率(包括大小和方向)快速可控。所以高壓直流輸電可以填充交流電網的這個空缺，電網的穩定性較好，可以非常嚴格的按照事先規定的參數進行實時的控制，并且其不會受到兩端交流電網的限制，非常適合兩個電網之間的相互輸電。
4）在交流電網中，使用的線路為三相電，在大型的工程里面，線路較亂，而高壓直流輸電在線路上比較經濟。因單、雙極直流輸電分別只需一、二根導線(相當于一、二回交流線路)，所需的線路數量少，線路的寬度低，線材及工程量都比較少。并且在遠距離輸電時,采用直流輸電產生的費用遠遠小于用換流設備產生的費用，線路越長，節省越多。
5）直流輸電發生故障的損失比交流輸電小。兩個交流系統若用交流線路互連，則當一側系統發生短路時，另一側要向故障一側輸送短路電流．因此使兩側系統原有開關切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關。而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調節，直流輸電線路上基本上不向發生短路的交流系統輸送短路電流，故障側交流系統的短路電流與沒有互連時一樣，因此不必更換兩側原有開關及載流設備。
3.2高壓直流輸電相對于交流電網存在一定的劣勢
1）電力遠距離輸送，將低壓通過升壓變壓器，然后到達目的地后，采用降壓變壓器將電壓降低，設備簡單，容易實現。而高壓直流輸電要求的設備較高。
2）遠距離輸電的情況下，交流電網的設備比高壓直流輸電更加經濟。
高壓直流輸電填補了交流電網的一些空缺，但是它也存在著自己相應的缺點。
4結論
通過以上表明高壓直流輸電對交流電網的影響很大，它解決了交流電網一些的缺點，在我國長距離大容量輸電和電網互聯中發揮了重要的作用，但是對于遠距離的輸電，高壓直流輸電對于設備的要求太高，增加了經濟的開銷。（下轉第314頁）
參考文獻
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［2］潘麗珠.高壓直流輸電對交流系統電壓穩定影響的研究[D].北京:華北電力大學,2006.
交流電壓范文第3篇
關鍵詞：項目化；整流；濾波；穩壓
1.制作要求
1.1任務
設計直流穩壓電源，電源輸出電壓1.25~30V可調，最大輸出電流為1.5A，輸出紋波電壓小于5mV，穩壓系數小于5×10-3；輸出電阻小于0.1Ω。
1.2要求
①選擇電路形式，畫出電路原理圖；②合理選擇電路元器件的型號及參數，并列出材料清單；③畫出安裝布線圖；④進行電路安裝；⑤進行電路調試與測試，擬定調試測試內容、步驟、記錄表格，畫出測試電路。
1.3裝配電路板
在通用電路板上進行電路布局圖的安裝，電路裝配的工藝流程說明，調整測試內容與步驟，數據記錄，測試結果分析等。
2.學習要求
1、了解直流電源的基本組成和性能指標。2、掌握線性直流電源中整流、濾波、穩壓電路的選擇、電路元件的參數計算、選擇等。3、掌握線性直流電源設計的方法和步驟。4、掌握直流電源的裝配、調試和測試的操作技能。5、具有安全生產意識和預防措施。6、能與他人合作、交流，完成電路的設計、電路的組裝與測試等任務，具有團結協作、敢于創新的精神和解決問題的能力。
3.分析過程
3.1電路原理圖
如圖1所示，T1為自耦變壓器，T2為電源變壓器，V1～V4為整流二極管，C1為濾波電容，CW7812為三端穩壓器，R和RP組成負載RL，兩塊電壓表分別接在整流濾波電路的輸出端及穩壓電路的輸出端。
3.2操作過程及數據分析
1、按圖示電路先連接變壓器和整流電路，T2用18V，用示波器觀察輸入、輸出端的波形，并用萬用表測試輸入、輸出電壓的值（注意輸入是交流，輸出是脈動直流），并作好記錄。變壓器輸入電壓Ui整流后輸出電壓Uo118V16.2V
2、在第1步的基礎上，接入濾波電容，用示波器觀察濾波后輸出的波形，并用萬用表測試輸出電壓，作好記錄。變壓器輸入電壓Ui整流后輸出電壓Uo1濾波后輸出電壓Uo218V16.2V21.6V
可以看出經過整流濾波后，交流變成平滑的直流電，輸出電壓值得到提高，變為1.2Ui。
3、完全按圖1接好電路，再按以下操作測試和觀察。
①負載電阻RL保持不變，調節自耦變壓器在一定范圍內220(1±10%)V變化，觀察整流濾波電路輸出端的電壓表及負載兩端的電壓表的變化，會發現濾波電路輸出端的電壓表指針發生了變化，而負載兩端的電壓表讀數12V卻不變。
②輸入電壓（自耦變壓器調到AC220V）不變，調節RP，觀察負載兩端的電壓表，讀數12V仍不變。
可以看出:該電路在電源電壓及負載RL變化時，負載兩端電壓值均不變，即實現了穩壓功能。
由以上演示看出：直流穩壓電源就是一種把交流電變為直流電，能輸出穩定直流的一種電子設備。它一般由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成，其框圖如圖2所示：圖2直流穩壓電路框圖
圖中，電源變壓器的作用是為電設備提供所需的交流電壓，主要起降壓的作用；整流器的作用是實現交流電變成脈動直流電；濾波器的作用是將整流后的脈動直流變換成平滑的直流電；穩壓器的作用是克服電網電壓、負載及溫度變化所引起的輸出電壓的變化，提高輸出電壓的穩定性。
根據以上內容，學生通過制作項目電路既加深了對電路結構的認識，又增添了學習興趣。使這部分枯燥的理論轉化為先觀察現象，再通過測試的數據，反推各部分數據之間的關系。簡化了理論數據的推導過程，學生學起來更加容易，這一點在我系學生學習的過程中得到普遍的認可。（作者單位：瀘州職業技術學院）
參考文獻
［1］《電子技術》;編著者,付植桐;高等教育出版社;2000年第1版
交流電壓范文第4篇
摘要：
在測定老化油乳化液粘度溫度曲線、含水率反相點曲線的基礎上，采用靜態靜電聚結破乳實驗裝置研究了油水反相特性對電場破乳脫水效果的影響，使用自主搭建的動態破乳脫水特性快速評價裝置研究了高頻/高壓脈沖交流電場下電場強度和頻率對老化油乳化液破乳脫水效果的影響.結果表明，流花油田老化油反相點含水率約為40%，油水反相過程中乳化液粘度增加，電場破乳脫水難度增大；老化油乳化液含水率為30%時，最優電場強度1.25kV/cm、電場頻率2.5kHz下破乳后的離心脫水率為97.8%，遠高于工頻電場下的離心脫水率(4.2%)，高頻/高壓電場破乳比工頻/高壓電場破乳優勢明顯.
關鍵詞：
老化油；W/O型原油乳化液；乳化液反相；高頻/高壓脈沖交流電場；電場破乳；離心脫水
1前言
中海油流花油田的原油為高密度、高黏度、低硫、低蠟、低凝固、低溶解氣油比、欠飽和環烷基生物降解程度較高的重質原油，加上井液中攜帶了大量粒徑小、具有很強吸油性的礁灰巖粘土類泥砂，使原油易乳化且乳化液導電性較強，往往會導致動態電脫鹽器(Electro-dynamicDesalter,EDD)無法正常工作，產生了大量老化油[1].由于缺乏有效的處理措施，現場不得不將老化油放在南海勝利號污油艙中，定期轉運至煉油廠加工處理，往往因擠占大量艙容而導致壓產[2].國內外陸上或海上對油田老化油的處理已圍繞電場破乳、化學破乳、微波破乳、超聲波破乳、離心分離等開展了大量應用基礎研究，但迄今仍未有效解決[3,4].近年來研究[57]發現，高頻/高壓脈沖交流電場比傳統工頻電場更能有效增加液滴間的接觸碰撞幾率，同時液滴高頻振蕩有利于油水界面膜破碎，提升了脫水效率.高頻/高壓交流脈沖電場已逐步得到國內外認可，如美國Cameron集團推出了基于雙頻電場的原油電脫水(鹽)技術[8]，備受關注的緊湊型靜電聚結設備，如緊湊型靜電聚結器(CompactElectrostaticCoalescer,CEC)和容器內置式靜電聚結器(VesselInternalElectrostaticCoalescer,VIEC)也配套使用了高頻/高壓脈沖交流電源[9,10].國內以寧波大榭石化有限公司為代表的幾家石化企業曾對常減壓裝置前的配套電脫鹽系統進行了高頻技術改造，效率有所提升，但工作頻率僅為300Hz，且電壓波形的正負相態扭曲較嚴重[11].常俊英等[12]對海洋油田原油乳化液高頻/高壓電場電脫水特性進行了研究，結果證明適當提高電場頻率能明顯增加電脫水效率.李銳鋒等[13]用高頻/高壓脈沖交流電源(頻率5005000Hz連續可調)對中原油田老化油乳化液開展了回摻電場破乳實驗研究，取得了較好的破乳脫水效果.但迄今為止，國內不僅尚未就不回摻狀態下高頻/高壓脈沖交流電場用于老化油破乳脫水進行研究，且電場破乳實驗全部在靜態條件下進行.靜電聚結過程中液滴最初相互靠近主要是由外部流體湍流所致[14,15]，因此靜態條件下電場破乳脫水實驗與連續動態破乳的實際工況相差較大.本工作對取自流花11-1油田的老化油樣品使用高頻/高壓脈沖交流電源破乳脫水，圍繞老化油粘度、溫度特性、乳化液油水反相點、靜態破乳脫水特性、動態破乳脫水特性等開展基礎研究.
2實驗
2.1實驗材料老化油取自南海流花11-1油田南海勝利號FPSO的3C艙，配制乳化液用水為現場生產水樣.在2000mL燒杯內按比例倒入1900mL老化油和水樣，置于70℃恒溫水浴內預熱5min.啟動高剪切分散機以19000r/min的轉速剪切油水混合物5min，同時用玻璃棒輔助攪拌.在70℃恒溫水浴中靜置5min.老化油和水均取自油田現場，含大量瀝青質/膠質等天然乳化劑，可保證配制乳化液的組分特性與現場基本一致.但由于剪切乳化條件遠高于油田現場，因此配制的乳化液具有更高的穩定性，破乳脫水難度更大，實驗結果也更有說服力.
2.2實驗裝置與分析儀器靜態靜電聚結破乳實驗裝置如圖1(a)所示，該實驗裝置為3層環形玻璃圓筒立式同心布局結構，原油乳化液裝在圖1(b)所示的錐底量筒(最大容積280mL)內，高壓電極棒浸沒其中；錐底量筒浸沒在與地線相連的靜態NaCl溶液中，在高壓電極棒與環形NaCl溶液間形成非均勻電場空間；最外層環形空間與恒溫水浴箱連接形成循環回路，使乳化液保持在實驗溫度.裝置頂部的有機玻璃蓋配合底部的凹槽對錐底量筒起定位作用，使其保持垂直狀態.裝置的全部圓筒都采用透明玻璃材質，便于隨時觀察乳化液在電場破乳過程中的沉降分離情況.
動態破乳脫水特性快速評價裝置流程如圖2所示.在快速評價裝置主體部分兩側的端蓋上分別澆鑄2塊相互連接的電極板，極板表面均用澆鑄環氧樹脂進行絕緣處理，2組極板交錯布置形成曲折的流動空間，左側端蓋上的極板與高壓放大器輸出端相連，右側端蓋上的極板與接地端子相連，形成近似均勻電場空間.裝置設計小型化，運行過程中循環1次所需乳化液最少為3L，設備主體采用有機玻璃材質，便于實時觀測內部的分離情況.老化油粘度測量使用HAAKERotoVisco1旋轉粘度計(德國HAAKE公司)，通過搭配不同的定子、轉子，測量0.11000000mPas范圍內復雜流體的粘度值；乳化液配制使用FLUKOFA25型高剪切分散機(德國FLUKO公司)，在1000028000r/min之間實現無級調速，單次最大處理量為5000mL；高壓電場由GWInstekFunctionGeneratorGFG-3015信號發生器(臺灣固緯電子有限公司)、TrekModel10/40A-HS電壓放大器(日本TREK公司)聯合提供，為乳化液施加不同電壓(1010000V)、不同頻率(10kHz15MHz)、不同波形的電場.用GWInstekOscilloscopeGOS-62020MHz示波器(臺灣固緯電子有限公司)實時監測電壓和電流，離心脫水使用ORTOALRESAdigtor-21c型離心機(西班牙ORTOALRESA公司)，最高轉速3000r/min、最高工作溫度100℃.
2.3實驗方法
2.3.1破乳脫水實驗用靜態靜電聚結破乳實驗裝置進行老化油乳化液油水反相特性實驗.取約80mL配制好的不同含水率的乳化液倒入錐底量筒內，插入高壓電極棒，設定好電場參數并接通電源.脫水過程中需實時觀察錐底量筒底部是否出現沉降水及油水界面的變化情況，待油水界面高度穩定后，切斷電源并記錄脫出水體積.用動態破乳脫水特性快速評價實驗裝置進行老化油乳化液的靜態聚結破乳實驗.將配制好的原油乳化液倒入供料罐中，接通加熱設備為乳化液提供熱源，使其穩定在70℃.打開球閥，用計量泵將乳化液以0.05L/s流速送至靜電聚結破乳裝置中(乳化液在電場中的停留時間約為20s)，接通高壓/高頻脈沖交流電源，將經電場聚結破乳的乳化液送至回收罐內儲存.用離心機專用圓底量筒在前取樣口取70mL乳化液作為對比試樣，1min后在后取樣口取70mL電場破乳后乳化液試樣.關閉電源，將2個樣品同時放入離心機內，按完全相同的運行參數[轉速1500r/min(等效重力加速度為528g)、溫度70℃]離心分離2min，分別記錄2個試樣內沉降出水體積.
2.3.2分析檢測方法靜態靜電聚結破乳實驗根據下式求最終脫水率在動態破乳脫水單因素實驗中，用離心機對乳化液離心脫水，通過對比電場破乳前后的離心脫水率評價不同參數下電場破乳效果，比水滴粒徑分析等常規評定方式，能從更加工程化的角度對電場破乳脫水效果做出評價，結果更具指導價值.實驗過程中分別記錄前取樣口和后取樣口所取試樣離心后脫出水體積，根據式(1)計算兩試樣的脫水率.
3結果與討論
3.1老化油乳化液的粘溫特性和油水反相特性分析溫度和含水率是影響原油乳化液流變特性的重要因素，通常情況下原油乳化液粘度隨溫度升高而下降.在發生油水反相前，隨含水率升高原油乳化液粘度增大，并逐漸由牛頓流體轉變成非牛頓流體，含水率增大到一定程度時乳化液中部分自由水析出使粘度開始下降，過高的粘度及過多的自由水均會對電場破乳造成不良影響[16].因此研究流花油田老化油乳化液在不同溫度下的粘度及含水率變化過程中油水的反相特性，對電場破乳脫水實驗研究有參考價值.圖3為不同含水率的老化油乳化液在不同溫度下的粘度、溫度曲線.由圖可看出，流花油田老化油乳化液的粘度對溫度和含水率均較敏感，隨溫度升高粘度下降，高含水率的老化油乳化液的粘度在相同溫度下都明顯高于含水率1%的老化油乳化液；不同含水率的老化油乳化液的粘度、溫度特性呈很好的規律性，低于60℃時粘度隨溫度升高快速下降，大于70℃后粘度隨溫度變化相對較平緩，不同含水率的老化油乳化液的粘度相差無幾.分散相水滴在運動過程中主要受連續油相對其施加的拖拽阻力。顯然，較大的粘度會使分散相水顆粒在電場作用下發生移動時受到較大的拖拽力，運動速度降低，破乳脫水難度增大.考慮到動態破乳脫水實驗中老化油乳化液的流動性應盡可能好，同時兼顧油氣集輸流程實際運行工況，實驗溫度設定為70℃.圖4為不同溫度下老化油乳化液的反相點關系曲線.乳化液發生反相前，隨含水率增加，W/O型乳化液中分散相水顆粒間的接觸碰撞機會增多，體系的非牛頓性增強，導致粘度增加，含水率約為40%時老化油乳化液的粘度達最大值.隨含水率進一步增加，大量分散相水顆粒相互接觸，導致乳化液界面張力增大，不穩定性增強，油水界面膜破碎后重新構造，形成復雜的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；含水率繼續增大時，乳化液中出現游離水，此時乳化液已從低含水率時的W/O型轉變為O/W型，該過程稱為乳化液反相，使乳化液發生反相的含水率為反相點.在實驗的剪切乳化條件下，流花老化油乳化液的反相點在含水率約40%，且隨溫度升高，乳化液反相點前后粘度變化幅度減小.適當升高溫度有助于減小含水率變化對乳化液粘度變化的影響，這與劉冰等[17]對普通原油的乳化液反相特性研究所得的結論基本一致.
3.2老化油乳化液的靜態聚結破乳特性圖5為靜態靜電聚結破乳實驗裝置橫截面，距離高壓電極中心距離R處的電場強度E可由下式近似計算.可見越靠近高壓電極電場強度越大.在均勻電場中，乳化液分散相水滴所受電場力主要包括偶極吸引力和電泳力，而在非均勻電場中，受電場感應形成的誘導偶極子還會受介電泳力的作用，3種受力具體形式如圖6所示，其中介電泳力可由下式求出.實驗中參數設定為：電壓均值2kV，電場頻率2500Hz，實驗溫度70℃.實驗過程中電場參數和剪切乳化條件不變，僅乳化液含水率變化對最終的脫水率有影響，結果如圖7所示.含水率較低時乳化液中水顆粒多為小粒徑球形水滴，能形成較穩定的W/O型乳化液.根據式(4)可知，在其他參數不變的條件下，水滴粒徑越小受到的介電泳力越小，發生碰撞聚結的可能性越低，最終增加了電場破乳脫水難度[18]，具體表現為含水率為10%時脫水率僅有35%；隨乳化液含水率逐漸升高，水顆粒增多、平均粒徑增大，在電場作用下更易發生碰撞聚結，含水率為30%時脫水率達92%.本實驗中在含水率為35%和40%時，電場破乳后脫水率明顯降低，與宋昭崢等[19]在反相乳化液體系穩定性研究中得出的乳化液穩定性隨油水比例的上升而增強、在油水體積比為1.5時穩定性最高的結論吻合.此時乳化液已成為含大量水包油顆粒或油包水顆粒的復雜多重乳化液，其結構穩定，不利于電場破乳脫水，含水率為40%時脫水率降低到83%；當含水率超過反相點40%后，老化油乳化液中已出現大量游離水，逐漸由低含水率時以W/O型乳化液為主轉變成以O/W型乳化液為主，隨含水率升高，脫水率持續增大，含水率60%時脫水率最高達98.5%.
3.3動態破乳脫水單因素實驗動態破乳脫水特性快速評價裝置中流動的原油乳化液基本處于均勻電場中，分散相水顆粒的聚結方式主要以偶極聚結和振蕩聚結為主，當相鄰2個液滴的間距大于液滴半徑時，液滴間的靜電力作用于液滴中心.圖8為均勻電場中誘導偶極子的受力模型，其中液滴所受徑向力Fr和切向力F可由下式近似求出：
3.3.1電場頻率保持含水率30%、電場強度1.25kV/cm不變，考察不同電場頻率(4.0,3.5,3,2.5,2,1.5,50Hz)對老化油乳化液破乳脫水效果的影響，根據實驗數據繪制離心脫水率與頻率關系曲線，如圖9所示.取樣口樣品(未經電場破乳處理)離心脫水后均無肉眼可見的水相析出，可知乳化液穩定.老化油乳化液經50Hz電場破乳后的離心脫水率僅有4.2%，隨電場頻率增加乳化液離心脫水率增大，當電場頻率達2.5kHz時離心脫水率達最大值97.8%；電場頻率繼續增大離心脫水率反而減小，電場頻率為4kHz時離心脫水率僅為41.7%，與電場頻率為1.5kHz的離心脫水率相同.根據式(5)和(6)可知，改變電場方向并不會影響2個水滴之間的偶極吸引力，但使極化水滴先中和內部的電荷再極化，使水滴在電極間振蕩往復，增大了碰撞聚結的可能性[20]；且隨交流脈沖電場方向改變，受電泳力的影響分散相水滴的形狀也發生周期性變化，促進油水界面膜破碎，當電場頻率接近乳化液中分散相水顆粒的固有頻率時，水滴振蕩幅度最大，原油乳化液處于最不穩定狀態，大量水顆粒碰撞聚結，導致水滴直徑變大而有利于離心脫水，靜電聚結破乳效果最優；當電場頻率偏離最優頻率時，液滴極化速度小于電場變化速度而發生松弛效應，若繼續增加電場頻率，水滴所受電場力減小，振蕩幅度減弱，靜電聚結破乳效果降低.Galina等[21]用挪威北海真實原油進行電流變學特性分析，結果顯示，電場頻率不同會影響乳化液的粘度，但未對不同頻率電場的破乳脫水效果做出評價.本實驗發現，老化油乳化液的電場破乳脫水，高頻電場破乳效果明顯優于傳統工頻電場，且電場頻率存在最優值.
3.3.2電場強度保持含水率30%、電場頻率2.5kHz不變，考察不同電場強度(0.42,0.83,1.25,1.67,2.08kV/cm)對原油乳化液破乳脫水效果的影響，根據實驗數據繪制老化油乳化液離心脫水率與電場強度關系曲線，如圖10所示.由圖可知，經0.42kV/cm的電場破乳離心后無沉降水析出，而電場強度為1.25kV/cm時的離心脫水率達最大值97.8%.對原油乳化液電場破乳，當有效電場強度低于分散相水滴發生碰撞聚結所需最小電場強度時，水滴所受偶極吸引力不足以克服運動過程中油相對其施加的拖拽阻力，此時分散相水滴間的碰撞聚結很難影響乳化液的穩定性；而當電場強度超過1.25kV/cm時，離心脫水率隨電場強度增大而逐漸減小；當電場強度達2.08kV/cm時脫水率減小到62.5%.分散相液滴發生變形有利于油水界面膜發生薄化以致失穩，促使接觸的液滴聚結，但對乳化液施加的電場強度過大時，分散相水滴在被過度拉伸后變為梭形，極限狀態下在錐形尖端發生頸縮形成二次液滴，稱為電分散現象[22,23].電分散不僅使已聚結的液滴在電場力的撕扯下重新破碎，且形成的二次液滴粒徑往往較小，從而增加了進一步電場破乳脫水的難度.實驗表明，流動狀態下，對于特定原油乳化液的電場破乳，電場強度存在最優值.
4結論
結合老化油粘溫特性分析，使用靜態靜電聚結破乳實驗裝置，對流花油田老化油乳化液在含水率變化過程中油水反相特性對電場破乳脫水的影響進行了研究，使用動態破乳脫水特性快速評價裝置，考察了電場強度、電場頻率對老化油乳化液破乳脫水性能的影響，得到結論如下：(1)在實驗溫度70℃、剪切轉速19000r/min、剪切時間5min的條件下，流花11-1油田老化油乳化液含水反相點為含水率40%，反相點處乳化液粘度達最大值.乳化液反相過程中因內部結構發生變化，乳化液穩定性增強，對靜態靜電聚結破乳脫水效果有不良影響.(2)電場破乳脫水過程中電場強度、電場頻率均存在最優值，超過最優值后，再增加電場強度與電場頻率均會導致離心脫水率降低.(3)乳化液含水率30%時的最優電場強度為1.25kV/cm，電場頻率為2.5kHz，該條件下2.5kHz電場的離心脫水率為50Hz電場的23.3倍.
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交流電壓范文第5篇
【關鍵詞】變壓器 法拉第電磁感應定律 實驗設計
法拉第電磁感應定律是電磁學中的一個重要內容，它揭示了感應電動勢ε感與閉合線圈內磁通量的變化率φ/t 、線圈匝數n所成的正比關系：ε感= n φ/t 。在實驗總結出感應電流、感應電動勢產生的條件后，教材中通過用條形磁鐵插入、拔出串接了靈敏電流表的閉合線圈實驗，分析插、拔磁鐵的快慢與靈敏電流表指針擺動的幅度關系，得出“閉合線路內，磁通量的變化率越大，線圈的匝數越多，產生的感應電動勢也就越大”的結論。在此定性實驗的基礎上，教材中直接引出了法拉第電磁感應定律。很顯然，上述方法省略了“ε感與n 、φ/t‘成正比’”這一量化結論的實驗研究過程。由于采用手動操作改變φ/t ，并且靈敏電流表的指針是瞬時晃動的，實驗操作、觀察都存在一定的局限，通常的實驗也不能進行進一步的探究。在學習完交流電、變壓器等知識后，筆者利用可拆交流演示變壓器，通過反復實踐，設計出驗證法拉第電磁感應定律的實驗辦法。
一、實驗器材
可拆交流演示變壓器1個，多用表1只，小燈座1個，3.8V小燈泡1只，長約3m的導線1根，220V交流電源
二、實驗原理
根據變壓器工作原理，當交流電通過原線圈時，鐵芯中將產生峰值穩定、交流變化的φ/t 。如果水平抽動變壓器上端的橫軛，鐵芯不再完全閉合，部分磁感線外泄，造成鐵芯中的φ/t變小（如圖1所示）。依照上述操作，便可改變φ/t 的大小。若抽動橫軛到某一固定位置，就能獲得比較穩定的φ/t。
三、實驗過程
1、定性研究ε感與φ/t 之間的關系將多用表調至交流電壓10V檔，與小燈泡并聯，共同串接到副線圈3V檔，原線圈接入220V交流電。當橫軛完全閉合在鐵芯上時，電壓表測出副線圈中產生3V的感應電流。將橫軛從原線圈端向外緩慢地水平抽動，小燈泡逐漸變暗，當橫軛抽離鐵芯約3mm時（如圖2所示），可以觀察電壓讀數已經降到2V左右。利用上述直觀的現象，引發學生思考該現象產生的原因，通過分析，可知ε感與橫軛的水平抽動有關，即與變小的φ/t 有關，從而得出定性結論：φ/t 越小（大），ε感越小（大）。
2、定量研究ε感與n的正比關系除去副線圈，換上長導線纏繞在鐵芯上代替副線圈，并將導線兩端與小燈泡串接成閉合線路，同時將多用表與小燈泡并聯。將橫軛開口距離調至3mm左右。隨著纏繞在鐵芯上的線圈匝數增多，可以觀察到小燈泡從不亮到亮的變化過程：在繞到第4匝時，燈絲微微發光；當線圈繞到20匝左右，小燈泡已經比較亮了。繞線過程中，觀察多用表上交流電壓讀數，發現每多繞一匝導線，感應電動勢約增大0.1V，可得出ε感與n的定量關系。
通過上述實驗，進一步進行分析探究：假設每一匝線圈內的磁通量的變化率為φ0/t ，對應產生的感應電動勢為ε0 ，則每多繞一匝線圈，整個閉合線路所圍的φ/t就增大一個單位φ0/t ，線路中感應電動勢也增大一個ε0 ，由此得出量化的結論――法拉第電磁感應定律。
3、補充說明
1）為了操作方便，通常將副線圈擺放在操作者右手邊，同時在實驗中注意安全用電，勿用身體接觸原線圈中的交流電。
2）纏繞導線時，開口處的鐵芯內上、下不同的位置，φ/t 有所差異，應盡量使導線繞在鐵芯下部的同一位置附近。
3）由于自感作用，從鐵芯上逐漸解開纏繞的導線到第3匝時，小燈泡仍然微微發光，而在纏繞到第3匝時，小燈泡卻并不發光。
