并联技术范文（精选10篇）
并联技术 第1篇
采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。并联运行的各模块特性不一致, 可能使电压调整率小的模块承担较大的电流甚至过载, 热应力大;外特性较差的模块运行于轻载其至是空载。其结果必然使电源可靠性降低, 寿命减小。因此需要实现均流措施, 来保证模块间电流应力和热应力的均匀分配, 防止单个模块运行在电流极限值状态[1]。
2 开关电源并联均流的方法
2.1 输出阻抗法 (下垂法、斜率法)
其实质是利用电流反馈调整各模块的输出阻抗或直接改变模块单元的输出电阻, 使外特性斜率趋于一致, 以达到并联模块接近均流的目的。这种方法是一种简单的大致均流的方法, 精度比较低。
图1为输出阻抗法均流原理图, 左图为并联开关电源外特性Vo=f (Io) , 右图中的R为开关电源的输出阻抗。
由上图可知, 当负载电流为IL=IO1+IO2时, 负载电压为Vo, 按两个模块的外特性倾斜率分配负载电流, 斜率不相等, 电流分配也不等;当负载电流增大到IL′=IO1′+IO2′时, 负载电压为Vo′。可知, 模块1外特性斜率小, 分配电流的增长比外特性斜率大的模块2增长大。如果能设法将模块1的外特性斜率调整得接近模块2, 则可使这两个模块的电流分配均匀。只要调整图1中的输出阻抗R, 使各个模块的外特性基本一致即可。电阻R不宜选的太大, 以减少损耗。
这种方法是最简单的实现均流的方法, 在小电流时电流的分配特性较差, 大电流时较好。缺点是:电压调整率下降, 为了均流, 每个模块必须分别调整;对于不同额定功率的模块难以实现均流。
2.2 主从设置法
这种方法人为指定一个主模块, 其余均为从模块, 如图2所示。主模块按电压控制规律工作, 从模块按电流控制规律工作。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式, 主模块的电压误差输入到各从模块的跟随器, 跟随器的输出即是从模块的电流基准, 即各从模块的电流都按同一基准值调制, 与主模块电流一致, 从而实现了均流。主机为稳压源, 从机为稳流源, 从机由主机提供控制信号进行工作。
这种方式特点是:主从模块有通信联系, 外围接口较复杂;电源的可靠性主要由主机的可靠性决定, 如果主机失效, 整个系统将关断, 无法正常工作, 不适用于冗余并联系统。
2.3 平均电流法
它是将并联工作的每个模块电流取平均值后, 将平均电流值送给每个模块, 各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流, 从而达到均流的目的。
图3为n个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。其中电压放大器输入为Vr′和模块输出反馈电压Vf, Vr′是基准电压Vr和均流控制电压Vc的综合, 它与Vf进行比较放大后, 产生电压误差Ve, 控制PWM及驱动器。Vi为电流放大器的输出信号, 和模块的负载电流成比例。Vb为母线电压。Vi与Vb之差代表均流误差 (Vb可能大于, 也可能小于Vi) , 通过调整放大器 (均流控制器) 输出一个调整用的电压Vc。当Vi=Vb时, 电阻R上的电压为零, Vc=0, 表明这时已实现了均流。当R上有电压出现, 说明模块间电流分配不均匀, Vi≠Vb, 这时基准电压将按下式修正:Vr′=Vr+Vc, 相当于通过调整放大器改变Vr′, 以达到均流的目的。
平均电流法均流可以精确实现负载均流, 但它也有很大的缺陷。如当均流母线发生短路或者在均流母线上的任何一个模块出现故障时, 将会使均流母线的电压降低, 从而使得各模块的输出电压降低, 甚至达到其下线值, 引起整个系统发生故障。[2]
2.4 最大电流法
最大值均流法和平均值均流法相似, 区别只是每路电流通过一个二极管连到一条公共母线上, 这种方法其实质是一种“民主均流”方法, 电流最大的那个模块自动成为主模块, 其他模块为从模块, 从而“自动主从控制”, 如图4所示。由于二极管的单向导电性, 只有电流最大电源模块才能与均流总线相接, 也就是说, 均流母线上的电压Vb反映的是并联各模块的Vi中的最大值。比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差值, 通过均流控制器输出来补偿基准电压, 从而达到该模块均流调节的作用。
平均值均流和最大值均流法的均流母线断开或者开路都不会影响各个电源模块独立工作, 并且是自动均流方法, 均流精度比较高。与主从控制法不同的是其主控电源身份实际上不固定。能随时根据系统中电流最大的单元, 不断调整各相并单元的电流, 实现系统总电流在各并联电源中的精确均分, 因而是一种优良的均流方法。UC3907系列负载均流集成控制器就是根据峰值电流均流原理工作的。
3 结束语
实际应用过程中, 还有一些其它的均流方法, 如热应力自动均流法、外部电路控制法等。随着新的均流技术和均流控制模式的不同组合的提出, 将来会有更多的均流方案。但任何控制策略都不可能是十分完美的, 在具体应用时, 应根据实际应用的具体总电路要求和客观标准, 如均流性能指标、系统可靠性、成本费用等, 选用正确且能很好满足各条件的均流方案。[3]
摘要：采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向, 均流技术是实现大功率电源和冗余电源关键。本文主要讨论了常见开关电源均流技术的原理和方法。
关键词：开关电源,均流
参考文献
[1]张占松, 蔡宜三.开关电源的原理与设计[MI].北京:电了工业出版社, 2005
[2]张敏娟, 尹斌.开关电源均流技术[J].电工技术, 2004, (8)
电流回路，串联还是并联？ 第2篇
在串联电路里，所有需要用电的物体都被串在一条线上，电可以从一个物体传递到下一个物体。如果这条线路上的其中一个物体坏掉了，电流的传递就停止了。串联电路常常用在圣诞树的彩灯上，而且这就是其中一个灯坏掉整条灯带都不亮的原因。
还有一种电路——并联电路。并联电路允许关掉房间里的一个灯，而不影响电流流向其他地方。在这种电路里，每一个需要用电的物体都有它们自己的线路来连接到主线路上。
下面咱们来连一个电路，想一想：它是串联还是并联？
电路游戏
在成人监护下进行
你需要：一根约50cm长、带着圣诞灯泡的电线（末端裸露），一根15cm长的细电线（末端裸露），一节5号电池，黏土，一根40cm长的硬电线（可弯曲、裸露），绝缘胶带。
第一步：把硬电线弯成波浪形（看图，想想你怎么才能弯成波浪形）。
第二步：用黏土团两个球儿，放在桌面上。把弯好的硬电线的两端插在黏土球上，这样，硬电线就可以站起来了。
第三步：把那根15cm长的细电线的一端接到电池的负极上，用绝缘胶带固定好。
第四步：把细电线的另一端（即没连电池的那一端）插在左边的黏土球上，一定要确保接触到硬电线。
第五步：把连着圣诞灯泡的电线的一端接到电池的正极上，用绝缘胶带固定好。
第六步：把连着圣诞灯泡的那根电线的另一端弯成一个环儿。
第七步：：从右面那个黏土球开始，把连着圣诞灯泡的电线在硬电线上不停滑动，努力使它不要接触电线。假如接触了，就会形成一个完整的线路，圣诞灯泡就会被点亮。
把科学带回家：
并联技术 第3篇
随着社会的发展，电梯在人们的生活中的地位和作用将与汽车一样，成为重要的运输设备。当前各地建筑物正朝着大型化和高层化方向发展，往往需要在建筑物内安装两台或多台电梯，例如小高层住宅，一般每单元并列安装两台电梯。电梯是建筑物内的主要耗能设备，它在运行时启动和停止动作频繁。因电动机的启动电流远大于额定电流，而电能的消耗是与电流成正比的，故合理地减少电梯的无效启、停次数，可节能。如果两电梯各自独立运行，容易发生电梯响应呼梯信号而运行到站后，乘客已被另一台电梯接走而空运行的现象，长期这样必然造成很大的能源浪费，而且给电梯的集中管理造成较大的困难;如果电梯各自独立运行，就没有把电梯运输能力与乘客需求状态有机地结合起来，没有合理地调配电梯资源，电梯系统处于非最佳运行状态，很难提高运行效率，乘客需求也不能得到最快的响应和最好的满足。
电梯的并联控制可以提高运输效率，较好地满足乘客需求，可以节约能源，克服一些不良的空运行状态，也为电梯的群控和集中管理打下了基础。
1 控制系统的硬件设计
双电梯的并联控制是在单台电梯控制的基础上改进而成。随着电气控制技术的发展，采用可编程序控制器(PLC)与变频器控制电梯已是主流。利用PLC的通讯网络功能来实现双电梯的并联控制已成为可能。PLC主要是对电梯的信号进行逻辑处理，变频器则对电梯的运行速度进行控制，以改善运行曲线。
以PLC加变频器的控制方式构成的单台电梯其电气结构如图1所示。
基于PLC网络的双电梯并联控制，是在PLC控制单台电梯基础上的改进和提高。A电梯和B电梯分别由两台FX2n系列PLC控制，A梯PLC在联网中为主站(0#站)，B梯PLC则为从站(1#站)，主、从站之间能够联网通信。PLC控制双电梯系统的基本结构如图2。
三菱PLC组网主要有两种途径，一是用三菱的专业工控网络CC-Link，二是通过RS232,RS422,RS485等通用通信接口进行组网。CC-link网络投入的设备多，资金大，当然，组网后的技术性能和参数也高些，可与远程的I/O站通信，主要适用工业现场自动化车间、大型自动线等的PLC组网。通过通信接口组网，投入小，组网灵活快捷，不增大体积空间，但传输距离有限，在网络技术性能和参数能满足要求的前提下宜采用。
一般两台被并联控制的电梯，并列安装，相距不远，具有电梯并联控制的实际意义，从联网的角度来说，即两台PLC相距不远。文中研究的是采用第二种途径组网。
并行通信，即两台同系列PLC之间的并行通信。可通过FX2n-485-BD和专用的通信电缆构建。对于两台电梯的并联来说是非常适合的PLC网络形式，它成本低，组网易，比N∶N网络通信效率高。并行通信连接示意图如图3，接线图如图4[1]。
2 电梯并联调度算法
两台电梯的并联控制，其最终目的是把对应于某一层楼召唤信号(而不是某一台电梯的召唤信号，因为召唤信号必须共享;该信号包含要求电梯运行的方向)合理地分配给电梯群中最有利的一台电梯。并联控制就是两台电梯共享厅外召唤信号，并能够按照预先设定的调配原则自动地调配某台电梯去应答厅外召唤信号。经过比较认为最快相应调度原则适合于电梯并联的调度。最快响应调度原则，即就近调度原则，是比较两台电梯当前位置与厅外呼梯信号位置之间的距离，要求距离小的那台电梯去应答该外呼信号，但电梯在运行中仍需要遵守顺向优先的原则。最快响应调度原则在本质上是一种按距离进行调度的方法，它能较好地解决服务快速性和节省能源问题。
2.1 最快响应调度原则的数学模型
在编写最快响应调度程序之前，应该建立2台电梯并联运行的数学模型。假设所并联的2台电梯有N(本文设N=10)层站。底层为1层站，顶层为N层站。先要设定3个变量X,Y,Z。X,Y分别为A,B电梯的运行值。电梯的运行值反映了电梯的运行情况，它和电梯的位置和运行方向有关。
设A梯轿厢在1层上行时，X=1;在2层上行时，X=2:在N-1层上行时，X=N-1。同样的，在N层下行时，X=-N;在N-1层下行时X=-(N-1);在2层下行时，X=-2。当电梯停在某层没有运行方向时，A梯的运行值有2个，分别对应上行和下行时的运行值。
设B梯轿厢在1层时上行时Y=1;在2层上行时Y=2;在N-1层上行时，Y=N-1。同样的，在N层下行时，Y=-N。在N-1层下行时，Y=-(N-1);在2层下行时，Y=-2。当电梯停在某层没有运行方向时，B梯的运行值有2个，分别对应上行和下行时的运行值。
Z为某一厅外呼梯按钮按下时对应的键值。呼梯按钮的键值代表按钮按下的位置和方向，它和按钮所在的位置和按钮的方向有关。设1层至N-1层的上呼按钮对应的键值分别为1,2,3，…，N-2,N-1;N层至2层的下呼按钮对应的键值分别为N,N+1，…，N+(N-3)，N+(N-2)。
当2.2利用数学模型计算运行分配值电梯的某个外呼按钮按下时，键值变量Z根据前5面介绍的模型被赋予了一个值，A梯的运行变量X和B梯的运行变量Y分别根据其所在的位置和运行状态对应其运行值。到底这个外呼信号，分配给A梯还是B梯呢?需要进行计算。
当电梯的某个外呼按钮被按下这一事件发生时，再设置二个变量P,Q。设P=Z-X,Q=Z-Y。计算完P,Q后还要进行处理。当P或Q大于(N+N)时，P或Q的值要减去(N+N);当P或Q小于0时，P或Q的值要加上(N+N)。这样才能保证P,Q的值在0至(N+N)之间，以便运算和比较。
当2台电梯都有运行方向时，X,Y,P,Q的值是唯一的。当P≤Q时该外呼信号分配给A梯，否则分配给B梯。当2台电梯都没有运行方向或其中1台没有运行方向时，X,Y,P,Q的结果可能有2个值，我们取其中较小的值进行比较。仍然是，当P≤Q时该外呼信号分配给A梯，否则分配给B梯。
P,Q的实际意义分别为A,B两电梯轿厢当前位置到呼梯楼层位置，按合理运行原则所需要运行经过的层站数。
例如，A梯正在二楼向上运行，B梯在一楼待命，对于二楼以上的所有向上呼梯有:P=Z-X=Z-2
3 有关的软件设计
3.1 通信的基本软元件
硬件设计已确定了采用FX2n-485-BD作为连接两台PLC的通信模块，A梯作主站，B梯为从站，构建并行网络。
在并行通信中特殊辅助继电器和寄存器功能如表2[2]。
标准并行通信模式下的通信元件如表3。
实验表明，从通信元件上取对方的数据信号，如同取本机的数据信号一样。只是不要搞错元件地址就行了。设计中有时将通信元件总和称为公共通信区，因为在此区的内容，双机都能读得到。
3.2 轿厢楼层位置的确定:
硬件设计中采用了旋转编码器，与曳引电动机同轴安装，通过计算来确定轿厢楼层位置[3]。
旋转编码器每转脉冲P=100，电梯速度v=1 m/s，曳引电动机满速时转速n=1 000 r/min，则每脉冲对应的轿厢距离是S=V/(n×P)=1 000×60/(1 000×100)=0.6 mm。
假设层高3 m，每个脉冲对应轿厢位移0.6 mm，则从一层到二层脉冲数为0～5 000，二层到三层为5 001～10 000，依此类推。只要读取高速计数器中的脉冲累计值，就可知道轿厢的位置。
硬件设计中，高速脉冲从X2端输入，对应的高速计数器是C237，具有双向计数功能，占32位字长。梯形图和脉冲输入如图5。
XO是轿厢到一楼复位C237，以消除运行中的累积误差;M157是定下向信号，当下行时，置M8237，减计数。M8000启动C237。
用高速计数器比较指令，将轿厢位置送轿厢楼层位置信号通道，梯形图如图6。
K214748647是32位双向计数器的最高值，本文N=10层楼，9个区间，每区间5 000脉冲，10层为45 000
3.3 主站程序设计流程图[4]
通电后，进行联网初始化，设定主站参数。主、从站通讯的主要内容是:搜索从站电梯轿厢位置参数，搜索从站电梯厅外召唤信号，传送从站电梯被选响应信号。流程图见图7。
4 结语
运用PLC的网络技术来实现对双电梯的并联控制，技术可行、方案简洁。只需在单台电梯基础上加以组网，投入费用无需太大，硬件不作大的改动，软件主要是加定梯计算模块和网络通信。按最快响应原则研究的定梯计算算法，可使程序编写更为简单，对于研究电梯的并联控制或群控有一定的参考意义。
摘要：从硬件结构与接线、算法分析与研究、软件设计及框图几个方面介绍了应用PLC网络技术对双电梯进行并联控制的方法。
关键词：可编程序控制器,网络,电梯,并联控制
参考文献
[1]钟万志.一台PLC控制双并联电梯系统的设计[J].兵工自动化,2007,26(11):75-76.
[2]张忠万.可编程控制器应用技术[M].2版.北京:化学工业出版社,2005.
[3]李惠昇.电梯控制技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
三极并联齿轮马达理论研究 第4篇
（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001）
摘要： 研究一种由一个中心齿轮和三个空转齿轮构成的并联齿轮马达，阐述了结构原理，对 功率密度、齿轮径向力及输出转速和转矩的脉动进行了分析；结果表明：该马达轴向尺寸小 ，功率密度高；中心（扭矩输出齿轮）所受径向力平衡，空转齿轮所受径向力显著减少，适 当选取齿数，可使马达的输出转速和转矩的均匀性显著提高，并具有低速稳定性好，启动力 矩大等特点。
关键词：齿轮马达；三极；并联
中图分类号：TH325文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02004704
Theoretical Study on Threepole Parallelgear Motor
HOU Bo，CUI Rui，LIN Yufeng
(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, H uainan Anhui 232001, China) Abstract: In the paper construction of threepole parallelgear motor, which con sists of one central gear and three racing gears was introduced. Its constructio n principle was expatiated. Pulsation of gears power density, radial force andthe output rotational speed and torque were analyzed. The axial size of the mot or is small, and the power density is high. The central gear (torque outputtinggear) bears balanced force in radial direction while unbalanced radial force act ing on the racing gears significantly reduced. With proper number of gear toothmotors output rotational speed and torque significantly increased, and has goo d low speed stability and high starting torque and so on.
Key words:gearmotor; threepole; parallel
齿轮马达具有结构简单、体积小、重量轻、转动惯量小、制造容易、价格低廉、抗污染能力 强等突出优点，因而得到了广泛地应用，但传统的只有一对齿轮结构型式的渐开线外啮合齿 轮马达，存在着输出转速和转矩脉动率大和起动转矩小等缺点。从增加输出转矩的角度出发 ,可采用由多个齿轮构成的多齿轮马达［1］。但由于人们对多齿轮马达的结构型式和 性能特点研究不足，致使该种马达未能得到工业应用。本文所研究的三极并联齿轮马达是由 三从动轮并联齿轮泵演化而成的新型液压执行元件，在国内外尚未有产品，也未见有关研究 论文和设计资料。同前者相比，两者在结构上虽然相似，但在工作原理和性能指标上存在较 大差异。为了深化认识，现从理论上对此种马达进行深入地分析和研究，明确其结构和性能 特点，以期引起业内人士的关注和研制支持。
1结构原理
该马达主要由中心齿轮（扭矩输出齿轮）轴、三个对称布置的空转齿轮、壳体、左、右端盖 及配流盘等组成(见图1)。扭矩输出齿轮和三个空转齿轮分别构成三个外啮合齿轮 马达（子马达）；在壳体内三个子马达的进、出油口是分开的，而在端盖上开有三对进油孔 和出油孔，通过配流盘分别相连后，汇集成总的进油口和排油口同外界相通。当从进油口输 入压力油时,在各齿轮齿面上作用有不平衡液压力（作用方式同于普通齿轮马达）,进而对扭 矩输出齿轮的回转中心产生驱动力矩, 推动中心齿轮轴旋转，向外输出转速和转矩。随着齿 轮的旋转，液压油被从高压侧带向低压侧，再通过排油口排出。马达的输出转矩应是三个子 马达所产生的液压力矩的叠加；输出转速同于扭矩输出齿轮的转速。由于三个空转齿轮和扭 矩输出齿轮分别构成的三个子马达相互独立，进油口和出油口并联，并共用一个轴向外输出 转速和转矩，形成一由三个子马达（三极）构成的并联齿轮马达。
1、13-轴封；2、5、9、12-滑动轴承；3-左配流盘；4-左 端盖；6-空转齿轮；7 -泵体；8-中心（扭矩输出）齿轮轴 ；10-右端盖；11-右配流盘
图1结构原理
2性能特点分析
为便于设计、制造和装配，取空转齿轮和中心齿轮齿数和齿轮参数相同，研究重叠系数大于 1的标准渐开线齿轮马达。
2.1功率密度
因该马达基本结构同三从动轮并联齿轮泵相同，其功率密度也应相同，即在同样输出转矩和 功率下，马达的外形尺寸和重量减少，功率密度得以提高。
2.2径向力分析
(1) 扭矩输出齿轮由于三个子马达的进油口沿圆周方向均布（见图1）， 3个进油口对扭 矩输出齿轮所形成的径向液压力在齿轮的圆周方向也呈均布， 三个压力分布区的合成径向 力均相等， 并分别指向扭矩输出齿轮的中心(见图2)。图2齿轮径向力
设三个液压径向力分布区间的合力分别为獸﹔1，F﹔2和F﹔3(Fr1=F﹔2=F﹔3,F﹔1同X轴间的夹角为θ，将OXY坐标系逆时针旋 转θ角，得到 新坐标系OX1Y1，再将各压力分布区液压径向力的合力分别投影，在图示的OX1Y1 坐标系中即可得到
因平衡力系与坐标系的选择无关，所以在玂XY坐标系中，同样有∑Fr=0；同理，作用 在中心齿轮上的啮合力的合力也为零，即扭矩输出齿轮轴上所受合成径向力为零，大大减轻 了磨损，延长了使用寿命。因在该齿轮上作用有较大的输出转矩，此优点对提高马达的工作 可靠性，具有特别重要的意义。因此，在做马达结构设计时，无需考虑在该齿轮的对应位置 上开设均压槽。
（2） 空转齿轮因每一子马达的结构和工作原理同普通外啮合齿轮马达相同，空转齿轮的 受力状况也和普通齿轮马达相同，其上承受有不平衡径向力，合成径向力可按下式近似计算 ：
当普通齿轮马达（计齿数为玓1）和三极并联齿轮马达（计齿数为Z2）在工作压力和 输出转矩相等时，其排量也应相等，即有
知，三极并联马达空转齿轮上的合成不平衡径向力也只是普通齿轮马达的三分之一，使空 转齿轮的受力状况大为改善。
2.3输出转速和转矩
（1） 理论平均转速因该马达是由三个子马达所构成，在同等齿数时，排量增加三倍，所 以达的低速稳定性。如要获得较高的转速，则应增加输入流量。
（2） 理论平均转矩马达的平均输出转矩由几何排量和供油压力所决定，由结构原理可得
并联技术 第5篇
风电装置需要高压输电网络的有效发展得意充分的保障, 可控高压并联点抗起是一种交流输电系统保障设备。进行动态补偿的方式对输电线路进行功率保障, 使得提高电压稳定以及线路传输的效果。
1 可控高抗的设计
1.1 直流助磁方式的可控高抗分析
首先, 直流辅助磁方式是通过铁芯和起金属线按照相应的结构进行连接布局而成。其整个结构分为网线内侧绕组合控制绕组等个单元部分, 通过在铁芯柱为中心的布局, 形成一个等福反向的直流磁力通道。进而在网线内侧电压以及铁芯柱提形成两种正反偏置, 使得两种作用获得转述的充分, 进而改变相应的电流大小, 使得住铁芯出现程度上的最大化, 起电抗值和工作容量获得有效的控制。直流辅助磁方式是通过对电压和电流的有效控制, 实现可控高抗容量最大化的控制, 并让相应的功率获得产出的保证。其设备作用性质优越且成本较低, 适合高压电网的实际中引用。目前多在高寒国家采用, 三峡电站也开始了应用[1]。
1.2 分级分段段方式的可控高抗分析
通过主电抗器相应的副边绕和原边以及管阀等装置的配合, 可以使得母线在中兴电差生抗接地, 进而单行分级的串接阻抗产生。分级分段方式可控可抗是把容量由小向大进行引导, 通过管阀的关闭和开启使得阀导相应的合理出现, 进而实现实现容量的转换。分级分段式可控可抗原理结构简单, 反应速率高且谐波污染程度趋于零, 使得对季节性的用电负荷有可靠的保证, 目前在我国获得较大范围的推广。
1.3 TCT技术方式的可抗可控分析
TCT技术方式起通过TCR和变压器的结合使得闸管通过相应的控制实现副边绕组等个方式有机方式的调整, 进而整个侧内绕过程获得一种技术上的保证。此种技术的优势是起可控可抗速率快具有对负荷的承载量高的能力。解决了线路上的抗阻无补偿的作用同时兼具系统的电压控制平滑, 容量的控制也极为优越是具有应用前景最大的技术。
2 仿真模型分析
通过对起电磁暂态以及相应的配套装置的数字仿真的构建, 可以建立一个良性的电磁暂态仿真模型, 通过ATP/EMTP等几种数字放映软件的应用, 使得分级分段方式和TCT及时方式, 能通过结构上, 有且是变压器结构的相似获得一种铁芯饱和度的构建, 使得各部分通过共组原理和磁路以及电路结构的搭建, 消除磁阀不合理设置以及管阀的优化组合。使得在提高可控可抗本体最大程度优化同时, 也能通过常态的原理保障获得相应的技术解决。需要直流辅助磁方式在保留性能的前提中, 把磁路结构和绕侧组进行接地方式布局, 获得铁芯结构以及绕组的程度合理, 并对原有铁芯进行结构区分, 形成2各常态变压器和1各电抗器进行有机构成。而在磁阀式可控可抗结构获得磁阀的数学模型和物理模型的太平, 进而形成一种铁芯磁化曲线以及瞬时电压不等的分化变动, 形成一种解耦化的表现, 形成铁芯磁化的非线性特征防止, 整体过程成抗阻尼顺时性, 进而非线性电阻和漏抗串联形成稳定高抗的特性, 进行通过对非线性电阻并联和相应的漏抗串联形成研究基础[2]。
3 可控高抗本体的保护研究
可控可抗的结构极为繁琐和复杂, 因而设备有极高故障程度, 其保护装置就特别重要, 母犬对可控高抗本体的保护主要是对直流辅助磁方式和分级分段进行研究。通过网线内侧中保护装饰在零序差额和阀地保护等方面协调运行, 使过流与网线内侧开关和递延时序电流提发出信号灯方面的预警。对出整个绕组接地出现故障位置和阀闸位置形成开关关闭电流直流阻断。在整个侧重保护路边绕组一级相应的纵侧向内故障分析和斜保护一级电压零序闭锁上会持续出现外界零序电流保护, 并进行相应的后背保护, 使得负电抗接地故障得到侧边绕组程度的降低。在副边和对应的原边对其绕组和负载电抗进行零序店里利侧零序电流协调保护。主电抗器高量和相应的电流电压和油路仪表等相应负荷保护药考虑晶闸管阀和角形联系, 对应电抗直路形成相对平衡电流支路保护并形成纵差。可控高抗保护有着稳定性以及结构合理性的要求, 运算过程复杂并故障会出现多程度多角度的量化营销, 进而绕组结构的可控高抗灵敏度的保护相对较低, 起绕组结构的自身他得安保证了电压故障出现概率的平衡特点, 并使得绕组反极度并联合串联胆大协调[3]。
4 可控可抗控制系统设计研究
可控高抗的开环控制需要对相应的闭环控制进行, 对相应速率和补偿程度要进行周全考虑和适当的调整。当控制精度提高后其线路会进行相应补偿作用。序闭环控制要有序的提升。起传统的PI控制装置的稳定高特点可以对起现代理论的控制形成一个控制系统环节保障。对高压可控高抗需进行控制方式和无功功率研究, 得出在不同基准高压和无功负荷骤增的情况下, 主线电压下降以及为稳定相应电压需进行控制接入和电压变化量调控, 得到容量投切变化, 进而在电压控制范围随主线进行程度上浮动对上线施压, 电压骤增后分级式母线高抗曾加, 电压控制物理作用提高, 互感装置对高压电压无功平衡基准差值提升, 无功高抗对主线提高, 无功功率的控制方法获得量化水平的可控, 进而实现最优化的结构配置。
5 结语
对超/特高压可控并联电抗器的本体进行结构分析和数值模型的构建的相处相应关键技术的完善。首先, 直流辅助磁方式在对可控高抗容量平衡调节和设备装置各性能保证以及成本下降上具有比其他变压器方式更为优越的特点。而分级分段方式理论数值合理, 谐波产生取零并具有季节负荷属性, 而TCT技术方式具有前两方式共有的优点且在风电发展应用中具有实践价值和优势, 成本控制优越, 谐波产生度低, 是超/特高压可控并联电抗器未来发展的方向。其次, 超/特高压可控并联电抗器具有电压度大和容量大胆体积比小和反应速率低的属性特点, 未来发展会处于高度集成和变电器与TCR结合的特点趋势。
参考文献
[1]杜斌祥, 张友鹏, 田铭兴, 董海燕, 赵宇坤.特高压可控并联电抗器补偿度的研究[J].高压电器, 2010 (11) :5-8.
[2]杜斌祥.可控并联电抗器应用于特高压交流输电线路的研究[D].兰州交通大学, 2011.
并联技术 第6篇
因为社会的飞速发展与进步, 生活中众多的领域对电源供电的质量要求程度也越来越高了, 当然, 也伴随着出现了各式各样的电源能源。如今, 我们对UPS的理解程度已远远超出了水力、风力、火力或者核发电等等传统的认识的局限, 这与电子技术的飞速发展是密不可分的。
如今的电力电子技术的飞速发展, 为固态电源系统的广泛应用与进步创造了条件, 现代的电力电子技术是20世纪里的一个重要技术, 它是集控制技术、微电子技术、电力技术以及功率半导体技术为一体的新学科, 电力电子器件作为电力电子技术的基础, 经过了不控、半控、全控的历程后, 正往大电流、智能化、高耐化、全控型的方向前进。
为了实现固态电源的低污染、高性能, 高频化的电源越来越得到普及, 而高开关频率的电子器件是高频化电源设计的最关键, 这种依赖关系迫使它往高频化的方向发展, 那些比较传统的电力电子器件现如今已远远达不到这种高开关低耗能并有着优良导热性的要求, 为适应电力电子未来发展的方向, 人们不得不重新寻找适应它的新材料, 例如碳化材料的高耐压大电流电力电子器件的应用将电力电子技术。
2 电源并联系统的基本控制策略
把多个电源并联在一起, 让他们稳定得运行起来想必是件挺困难的事情, 因为电源所输出的是正弦电压, 无论在任何时候都必须要保持每一台所并联电源输出电压的频率、相位以及幅值, 否则在电源并联之间会形成巨大的负载电流一环流, 使得并联系统处在崩溃状态, 但是如果选择合适的控制策略就可以让正处于并联状态电源输出电压的频率、相位以及幅值保持一致, 从而有效地阻止了此环流。现如今有主从控制、集中控制、分散控制、无互连线分散控制等等UPS的并联系统控制。实际上, UPS的并联其实就是所组成UPS的逆变器之间的并联, 因此, 探究逆变器并联的控制是我们主要的研究对象。
2.1 主从控制的方式
在主从控制的方案里, 在并联逆转器系统的其中一台是电压控制型的, 它的输出就相当于电压源, 我们把它叫做主模块, 并联系统的输出电压就是他所支撑着的, 其余的逆转器都是作为电流源输出的, 我们称他们为从模块, 其中它把主模块的输出电流作为自己的电流指令。
主从控制比集中控制少了集中控制中心, 所以主从并联系统比集中控制的可靠性要高, 可是从模块们还需要在并联的主模块里获得电流指令, 但要是还要考虑在线热插拔功能实现的话, 控制其逻辑是比较复杂的, 因此, 也实现不了其真正的模块化。
为了是主从并联控制系统的可靠性得到进一步的提高, 当模块发生故障时, 可以采用通过硬件软件的方式, 让其余的从模块进行竞争而产生个新的主模块的控制方案, 不仅可以避免因主模块失效而造成的系统崩溃, 还可以继续运行, 同时也是逆变器并联系统的可靠性提高了。
2.2 集中控制方式
在集中控制方式里, 有个集中并联控制单元, 他把搜索到的相位以及市电频率当做基准, 然后结合某个输出电压的基准, 并且会对每一台逆变电源下发出所检索到的交流基准指令, 然后每个并联逆转器根据搜索的负载电流的平均值与自身的情况输出电流, 并且计算出电流的偏差。如果每个并联单元都是被一种信号控制的情况下所输出的电压频率与相位没有很大的偏差, 就可以判断出因为电压的幅值不相同所造成的每个并联逆变器单元的偏差, 因此, 把这种电流的偏差当做电压指令的弥补在各电源里, 用来消除掉电流的不平衡的问题。
在这个方案里, 因为每个并联着的逆转器里都有电流环, 所以可以获得比较不错的动态与静态均流的效果;此外, 因为在平均的电流里会有50Hz甚至更高频率的信号, 只有确保传输此信号的传输介质具有很高的传输宽带才能使每一台逆变器做到均流准确。所以才会特别容易被干扰到, 进而严重威胁到并联系统的安全运作。
2.3 分散逻辑控制的方式
在分散逻辑控制的方案里, 所有参加并联逆变器都是相同的, 没有集中控制中心, 逆变器的均流控制都是根据并联运作的逆变器间的通讯总线来完成的, 通过总线, 并联状态下的逆变器互相传递消息, 以呈现出每台逆变器输出负载均流以及输出的电压锁相和其相联系的逻辑转换。
分散逻辑控制方式有两种:一种是分散控制方式是下垂特点的控制方式, 这个方式及时借助了电力系统里的同步发电机并联式后的方式;另一种是利用均流总线分散的控制方式, 也就是每个并联的逆变器都需要经过均流总线来获得其余并联模块的各种信息, 并且根据这个信息调整自身输出的幅值与相位, 以至于是最后的负载均分得到一定的满足。
2.4 无互联线时并联控制
因为在分散逻辑并联控制的方案中各个逆变器电源里有太多的互连线, 而且容量大设备并联的时候互连线之间的距离比较远, 干扰也比较严重。但是可以采用无互连线的并联控制方案, 这种技术不仅可以实现相对完善的并联系统中的逆变电源独立控制, 还能够在结构与容量都不同的电压型逆变电源之间或者公共电网和逆变电源之间形成负载均分控制以及并联运行控制。所以成为取消逆变电源间的均流互联线最为优秀的方案。
参考文献
[1]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术 (第2版) .北京:高等教育出版社, 2004年
[2]孔祥强, 杨前明, 李瑛, 王如竹.天然气驱动小型分布式冷热电三联供系统效益分析[A].2005年山东省制冷空调学术年会论文集[C], 2005年
[3]张钢, 刘志刚, 沈茂盛, 刁利军.组合式变流器错时矢量调制技术及并联控制方案[J].北京交通大学学报, 2008年02期
[4]张立, 赵永健.现代电力电子技术.北京:科学出版社, 1992年9月
[5]王其英, 何春华.UPS不间断电源剖析与应用.北京:科学出版社, 1996年
[6]黄探宇.高可靠性集中热备份UPS供电系统.南京工业大学学报 (自然科学版) , 2002年
[7]何仰赞, 温憎恨, 王腹瑛, 周勤慧.电力系统分析 (下) .湖北:华中理工大学出版社, 1996年
并联技术 第7篇
本工作面位于三水平南23层一二区二段, 工作面走向平均长360米, 平均倾斜长92米, 本煤层赋存较稳定, 煤层走向北部为N10°E, 倾向SE、倾角一般为23°-28°, 倾角大。煤层厚度平均2.26 (不包括夹矸) 米, 煤层结构复杂, 含有3-4层夹矸 (最厚夹矸为0.3米) 煤质较劣、块状, 煤质中硬, 底板为灰色细沙岩, 煤种属气煤, 老顶为灰色细砂岩。本层可采储量10.6万吨。
采煤方法定为走向长壁倾斜后退式开采, 选用MGD150/390-W型采煤机落煤, 工作面使用SGD-630/220C型刮板运输机运煤。
2 通风情况
该区为三水平南23层一二区二段单一层, 该区入风由三水平南一石门——23层机轨下山——二区二段机道——切眼——轨道——轨道专回下山——二水平总回——中七D回风井——地面, 该工作面实际入风量为:340m3/min, 该区内无漏风地点。
3 工作面支护设计
本层单一层回采, 铺单层金属网, 顶板管理方法为全部垮落法。根据采高, 机组截深, 支护使用天津市鹏程液压支架厂生产的ZH1099/19/26B型并联顶梁液压支架支护顶板, 支护形式采用齐梁齐柱式。
3.1 支护强度计算
顶板单位面积载荷量应不小于D
式中:
M:设计采高V:顶板岩石容重取2.5 T/m3
最大控顶距时支护强度:Rmax=6×40/3.9×1.1=56T/m2
最小控顶距时支护强度:Rmin=6×40/3.1×1.1=70T/m2
Rmax、Rmin>D, 通过上述公式得知, 工作面最大及最小控顶时支护强度符合顶板单位面积载荷量, 因此该支架满足顶板载荷要求。
3.2 支护方式和参数选择
3.2.1 支护方式:
根据计算本工作面使用ZH1099/19/26B型并联顶梁液压支架支护顶板, 完全能够满足本工作面支撑力的要求, 支护形式采用齐梁齐柱式。
3.2.2 支护参数:
ZH1099/19/26B型并联顶梁液压支架固定梁长2.9米, 宽0.3米, 每两根顶梁为一组, 每组顶梁之间的间距0.1米, 每组宽度为0.76米, 每梁下三根架子支柱, 下方顶梁中心支柱支撑时向下方摆30°～40°, 作为倾斜戗柱, 每柱载荷量为40吨, 工作面遇地质构造, 顶板破碎, 硬帮靠帮柱为1.1米/根。
3.3 工作面运输机头尾支护设计
为保证运输机头尾顶板整体支护, 机头、机尾使用并联顶梁液压支架支护。
4 移架工艺流程
落煤前准备→落煤→伸出前伸梁→装煤运煤→清理→推移输送机→收下梁前伸梁→前移下梁→收上梁前伸梁→前移上梁并开始新一循环 (图1) 。
(1) 工作面落煤后, 及时伸出前伸梁, 支护顶板, 每梁上刹板帽 (1.5m×0.15m×0.1m) 两块, 若硬帮空顶距超过0.3米, 使用单体液压支柱与顺山板梁配合在硬帮打顺山抬棚, 一梁两柱。
(2) 移架前将硬帮煤清净, 再将工作面运输机推靠硬帮, 并保证溜子成一直线, 否则不准移架。
(3) 移架顺序从每头下面第一组开始移, 依次移架, 待第一组移完后, 方准移上组架子, 工作面内移架间距不得小于20米。
(4) 移架时, 按先移下梁, 后移上梁顺序交替迈步进行, 收回下梁的前伸梁, 将上梁单体支柱重新升紧, 再将下梁支柱卸载, 提柱, 先提软帮柱, 后提硬帮柱, 下梁前移, 下梁升柱, 随后按同样的方法前移上梁, 移架步距0.8米, 工作面采高2.4米, 严禁超高造成支架倾倒。
5 支架操作注意事项
(1) 操作工必须了解支架各构件的性能和作用, 熟练准确地掌握操作规程。
(2) 支撑顶梁前, 要求将支柱处垫平, 严禁支柱支撑在斜面上, 防止损坏支柱等构件。
(3) 及时清除支架和运输机之间的浮煤和碎矸
(4) 安装首架要求确保支架的正确方位, 架与架之间要求平行, 否则会出现支架与支架相碰。
(5) 爱护设备, 不准用金属件, 碰撞软管接头, 尤其注意防止砸伤支柱, 推进缸活塞杆镀层。
(6) 操作过程中, 若出现故障, 要及时排除, 操作工人要带一定数量密封件和易损件, 一般故障操作工应能排除, 若个人不能排除的要及时报告, 汇同维修工查找原因, 迅速排除故障。
(7) 维修工要掌握液压支架有关知识, 了解各部件结构, 规格, 性能和作用, 熟练地进行维护和检修, 及时排除故障, 保持设备完好, 保证正常安全生产。
(8) 及时调整及更换损坏的并联顶梁液压支架。
结束语
由于工作面倾角大, 单体支柱不能完全满足安全生产需求。为了有效解决这一难题, 兴安煤矿260采煤队在大倾角普采工作面采用了并联顶梁液压支架技术, 使普采工作面实现了机械化支护作业, 解决了单体支柱人工劳动强度大、支护性能差、循环进度缓慢等问题, 该技术作为大倾角普采工作面的支护手段, 取得了很好的效果, 可以在全国矿井推广应用。
摘要：本文介绍了ZH1099/19/26B型并联顶梁液压支架在普采工作面的支护技术。该支架升降自如、行走方便、安全性高、容易运输、对工作面支护适应性强、具有特殊的连接移架机构, 是介于单体支柱与综采支架之间的一种小型自移式液压支架。
并联技术 第8篇
目前有关逆变器并联技术的研究集中在对逆变器的关键技术问题进行理论分析和仿真,而在实际应用中会遇到很多困难,甚至无法实现。有的文献在考虑逆变器输出阻抗和线路阻抗中阻性分量的基础上,分析了逆变器模块滤波电感和线路阻抗差异造成无功分配不均的原因,提出一种新型的下垂解耦控制,可减小功率分配不均的情况。但是该方法控制复杂,均流效果不是很明显,负载突增、突减时效果依然不理想。有的文献提出向各台逆变器的电压给定值注入幅值很小的谐波,通过谐波发出的有功功率来调节逆变单元的基波幅值设定值。该方法在实际应用中实现相当困难,计算也非常复杂,另外,由于电压基准引入谐波,使得输出电压波形畸变。
本文提出一种高性能的瞬时无功理论控制方案,用FPGA产生各逆变器SPWM的同步调制波信号,在此条件下,用瞬时无功理论算法实时计算各逆变器输出的有功和无功功率,并通过DSP产生驱动信号控制开关管的PWM,用PI算法实现各逆变器的功率均分,使各逆变器输出电流相等[1,2,3,4,5,6],谐波成分少。
1 理论分析
图1为2台逆变器并联主电路。2台逆变器输出的交流电压在负载A处的相位或幅度不相等时就会产生环流i12,造成开关损耗增大,环流过大时将会影响系统的正常工作,甚至损坏系统。因此,逆变器并联工作时必须将环流减小到系统能承受的最小范围,或者接近于零。图1的等效电路如图2所示。
设负载电压相位为0°,逆变器1、2相对于负载电压的相位分别为δ1、δ2,则逆变器1输出的复功率为
其中,Z=r1+jωL1=r2+jωL2。
因此,逆变器1输出的有功、无功功率为
同理可得逆变器2输出的有功、无功功率为
由式(2)(3)可知逆变电源向负载输出的有功、无功功率与相位差和幅度有关。因此,只要控制2台逆变器输出电压的相位差和幅度就能控制2台逆变器,使之功率相等,从而使环流接近于零,即P1=P2、Q1=Q2、i12=0,实现并联[6]。
2 仿真结果
针对以上分析,逆变器并联控制的2个主要技术指标是逆变器的相位差为零、幅度相等,否则将会产生环流。为了验证上述分析结果,基于PSIM仿真软件对2台逆变器的并联运行进行了仿真研究。图3为2台逆变器在调制波相差0.5°、其他各参数相同的情况下的仿真波形。从图中可以看出,2台逆变器的输出电流不相等,峰峰值相差10 A左右。图4是2台逆变器在输入直流电压相差1 V、其他参数相同时的仿真波形。从图中可以看出,2台逆变器的输出电流的相位和幅度都不相等。仿真结果表明相位差和幅度都是影响逆变器并联工作时功率均分的重要因素,与上面的理论分析一致。
3 瞬时无功理论控制方法
传统的有功、无功功率都在平均值基础或相量的意义上定义,只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功理论(p-q)概念在瞬时值基础上定义,它不仅适用于正弦波,也适用于非正弦波。对于图1,要计算准确的瞬时有功、无功功率,需借助瞬时无功理论的方法。但是瞬时无功理论是基于三相系统提出的,单相电路无法直接应用该理论。在三相三线制负载平衡电路中,各相电压波形相同、相位相差120°,各相电流也是波形相同、相位相差120°。若通过单相电路的电压、电流构造一个类似的三相系统,即可使用三相电路的瞬时无功理论方法[7,8]。
设u0、i0分别为单相电路的电压和电流瞬时值,由它们来构造三相系统,并设ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为所构造系统的三相电压、电流的瞬时值。构造方法为:令ua=u0,ia=i0,将u0延时120°得ub,延时240°得uc。同样,将i0延时120°得ib,延时240°得ic。构造出三相电压和电流,即可以将它们变换到α-β两相正交的坐标系上进行分析。由式(4)可以得到α、β两相瞬时电压uα、uβ和两相瞬时电流iα、iβ为
将检测到的电流变换到α-β坐标系下,再通过同步旋转d-q变换,可得d-q坐标系下的电流分量:
这2个分量就是被检测电流的有功和无功分量,从式(5)可得有功、无功电流的计算方法,如图5所示。它首先产生一个正、余弦信号发生电路,得到与电压u0同相位的正弦信号sinωt和余弦信号-cosωt。根据上述构造方法将输出电流i0构造成三相电流,再变换得到α-β坐标系下的2个电流分量。结合α-β坐标系下的电流分量和正、余弦信号,通过同步旋转d-q变换即可得到有功和无功电流ip、iq[7,8,9,10,11,12]。
4 同步信号的产生
在逆变电源并联运行前,各逆变单元的输出电压幅度、频率、相位必须严格一致,否则在逆变器并联运行时会有很大环流,影响逆变电源正常工作。本文通过使用外部的同步总线控制各逆变电源的SPWM调制波的频率和相位相等,其工作原理如图6所示。
在逆变单元中同步电路采用FPGA实现,使用100 MHz有源晶振为FPGA提供时基信号,以确保同步信号有足够高的时间分辨力。FPGA产生的50 Hz方波信号Si在隔离后连接到同步总线上,同时同步总线上的同步信号So隔离后被FPGA取回,FPGA提取So的频率和相位信息送给正弦波发生电路产生和So同频同相的正弦波参考信号。当逆变单元单独运行时,So就是该单元送出的同步信号Si本身,当多个逆变单元并联工作时,So就是各个单元送出的同步信号“相与”,如图7所示。
在逆变单元启动时,首先检测同步总线上是否有同步信号。如果没有同步信号,说明该模块是第一个投入运行的模块,直接产生同步信号送入同步总线,否则说明系统中已有模块在正常工作,那么同步电路首先要跟踪总线同步信号的相位,待把自身同步信号的相位调到和同步总线上一致后再送出和其他模块的同步信号“相与”,这样就避免了当有逆变单元切入时造成系统输出的相位跳动。
当有逆变单元需要退出时,该单元只需停止同步信号Si的产生,不再将其向同步总线送出即可,So由其他模块送出的同步信号“相与”产生,频率相位不受任何影响。
5 实验方法和结果
基于上述分析及设计,本文使用2台2 k V·A逆变器做并联运行实验。逆变电源的输出滤波电感为500μH,输出滤波电容为10μF。逆变电源的输入直流母线电压为200V,输出交流电压的额定值为110 V。逆变电源输出电压的频率为50 Hz,同步信号的产生和处理由FPGA实现,使用光耦6N137做同步总线的信号隔离,瞬时有功、无功算法由DSP TMS320F2812处理器完成[11,12]。
同步电路采用FPGA和100 MHz的有源晶振实现,对同步信号的检测和跟踪精度可以达到±10 ns,充分保证了各逆变电源参考信号相位的一致性。并且同步信号是50 Hz的方波信号,能够非常方便地使用光耦进行隔离,同样,由于同步总线传输的是数字量,抗干扰能力强,传输距离远,如果采用光纤传输,甚至可以应用于分布式供电系统。
图8是阻性负载时同步信号和2台并联逆变器输出电流的测试波形,由图可见,交流电流波形与FPGA产生同步信号同步,同时2台逆变器的电流相等;图9的测试波形说明电压与电流都同相,电流相等;图10是负载为感性时的测试波形,可见负载在突减时逆变器也能达到均流;图11为逆变器的频谱图(图中,n为谐波次数),其谐波含量仅为1.2%,可见,在并联逆变器启动时相位同步的条件下,用瞬时无功理论方法能使逆变器并联运行达到满意的效果。
从测试数据可以看到,系统中2个逆变电源的输出电流与同步信号同步,其交流电压与2台逆变器输出的电流频率、相位相等,同时2台逆变器的交流电流有效值相等,说明2台逆变器输出的功率均分,环流接近于零,达到了并联的目的[13,14,15]。
6 结论
并联技术 第9篇
串联电路、并联电路是最基本的电路，此外还有简单电路、串并联混合电路。简单电路一般指只有一个用电器的电路，串并联混合电路是在串联、并联电路的基础上深化的。要解决如何识别电路的问题，主要是解决如何识别串联电路、并联电路这两种基本电路的问题。
怎样才能使学生准确、快捷地识别串联、并联呢？
一、定义识别策略
串联电路和并联电路中都有两个或两个以上用电器，用电器首尾顺次相连是串联电路，用电器并列相连是并联电路。用定义去识别，就要对定义的认知达到一定高度。物理是以观察各实验为基础的学科，物理源于生活又回归生活，在解决识别串联、并联这一问题时，以实验为主题，探究为主线，学生为主体，让学生动手连接电路，通过观察，总结串联、并联的特点，并训练“根据电路图实物连线，根据实物电路画电路图”，同时进一步拓展学生视野，开展课外实践活动，鼓励学生收集身边用电中的实物电路连接方式，从而提高对定义认知。认知了定义，自然就能用定义识别电路了。
二、电流大小识别策略
串联电路中电流处处相等，并联电路中干路电流等于各支路电流之和。利用逆向思维，在特定情况下，知道电流的大小关系关就能判断是哪种电路。例如：一个电路中有两个用电器，如果电流处处相等，那么它是串联电路；如果两个用电器上电流不相等或第三个电流等于这两个电流之和则是并联电路。如果单纯知道两个用电器上电流相等，则它们可能是串联也可能是并联。
三、电压规律识别策略
串联电路中总电压等于各部份（即各用电器）电压之和，并联电路总电压与各支路电压相等。一个电路中，如果电源电压等于各用电器电压之和则为串联，若电源电压和各用电器电压相等则为并联电路。
四、灯泡亮暗程度识别策略
灯泡的亮暗程度由功率大小来决定，功率越大灯越亮。两个阻值不同的灯泡A与B，若 RA>RB，在串联电路中 PA>PB，由A灯亮知是串联电路，在并联电路中PA＜PB，由B灯亮便知是并联电路。
五、电流路径识别策略
电流是无形的，为了研究它，把电流比喻为水流，河中的水遇到叉河分成两支，这两支水流有各自的路径，这种现象比喻为并联；如果水流不分支，形象比喻为串联。电流不分支，即流经一个用电器的电流必流经另一用电器，则电路为串联；电流要分支，流向一个用电器的电流不流向另一用电器（各用电器电流大小可能一样，但决不是同一电流），则电路为并联。这种识别法能准确、快捷识别电路，但必须弄清通路、断路、短路对电流的作用。通路是电流可以流经的路径；断路时电流无法流经该路径；短路时被短路的部份无电流，电流全部流过无用电器且被接通的路径。同时还要明确电压表在电路中电阻非常大，对电流阻碍作用很大，有电压表的路径相当于断路，视为无电流路径；电流表电阻非常小，视为对电流无阻碍，相当于导线。电流什么时候才会分支呢？电流I由电源正极流到负极的过程中，遇到交叉相连点时，可有一个或多个路径，如果每条路径上都有用电器，并且是通路，电流I便分为多支电流分别通过各自的用电器；如果某一路径对电流无阻碍，电流全部通过该路径，其它路径被短路。若某路径被断路，该路径无电流。
如图1，S闭合，三条路径对电流都有阻碍，I就分为I1、I2、I3，三个电阻组成并联电路。
图1中若把R1换成电流表，则电流I=I1，I2=I3=0，整个电路短路。
图1中把R1换成电压表，则I1=0，R2与R3并联。
这种识别方法可以把复杂问题简单化。
例如（图2）：
当开关S1、S2闭合时是什么电路？学生很容易错误判断为串联电路，但电路中，a，b，c，d四点都是交叉相连点，怎样才能把他直观化呢？用电流的流经路径去识别就较为直观，（如图3）电流I在a点分成两支，I1过R1，I2到达C点又分成两支即I3与I4，I4过R3，I3过R2与I1在b点汇合成I5，I5与I4在d点汇合成I6，I6=I，电流有分支的现象，且R1、R2、R3有各自的电流，如图3。
因此，当S1、S2闭合时可将电路图简化为图4
当开关S1、S2断开时，由电流流到a点时，因为S1断开，所以电流只能全部通过R1；因S2断开，到b点是也不能分支，I只能过R2，再经R3，R1，R2均是同一电流，且则为串联。
若S1断开，S2闭合，电流到a时只能过R1，到b时通过S2到d不受阻碍，电流全部经S2流过。R2、R3被短路，整个电路上用电器此时只有R1工作。
并联技术 第10篇
并联机器人也常被称为并联运动机床 (Parallel Kinematic Machines) , 由于其具有比刚度大等特点, 因此近三十年来, 面向不同应用场合的各种并联机器人的创新设计与理论研究一直是机器人学领域研究的热点, 并在工业领域里得到了广泛的应用[1~6]。然而并联机器人是一类拓扑结构多样性强、铰链类型众多及部件几何形状复杂的机电系统, 其设计过程涉及的数学模型 (运动学、刚体动力学、弹性动力学、柔体与控制耦合等) 、设计变量 (尺度、结构、材料、驱动器与控制参数等) 以及工艺要求和性能指标等因素众多, 实现完整的真实机器设计是一项较复杂的系统工程。
虽然近年来国内外的高校和科研院所围绕并联机构的基础理论研究均取得了较显著的成果, 并出现了一些面向并联机器人的数字化设计软件平台, 但是仍存在众多问题, 例如:1) 设计理论与企业设计流程结合不紧密;2) 机构学理论设计与真实机器设计之间容易脱节;3) 大部分设计软件缺乏通用CAD平台支持, 而且缺少设计及不同服役环境需求的插件或模块。
本文以天津大学正在开发的并联机器人数字化设计平台为例, 第1节探讨机器人数字化设计方法与流程, 第2结探讨数字化设计软件平台构架, 3节探讨机器人虚拟数控系统, 同时围绕上述关键技术问题和一些机器人企业对数字化设计的实际需求提出若干解决方案, 最后进行总结与展望, 以期为我国企业提升工业机器人设计能力提供重要借鉴。
1 设计方法与流程的研究现状与探讨
虽然关于并联机器人设计的专著和案例分析日渐丰富[6,7], 但是大部分面向并联机构设计的理论方法和流程存在理论与流程之间脱节或结合不紧密的问题。一方面是工程人员通常跳过尺度综合与结构参数设计阶段, 根据个人经验直接进行结构设计, 在没有合理先验知识时难以获得优化解, 未能体现机构学理论在前期设计阶段的价值;另一方面是一些机器人研究学者在机构分析与综合理论方面取得了研究成果但缺少软件平台的支持, 难以融入实际设计流程。具体来说, 近二十年以来, 国内外研究者对并联机器人的速度、加速度、刚度和精度等性能的建模及分析提出了众多理论和方法。例如, 基于变分原理和增广螺旋理论的一体化建模理论, 完善了许动/受限驱动/约束线性子空间基底和广义雅可比矩阵的计算流程与算法, 可有效地分离影响机器人末端的可补偿/不可补偿位姿误差的来源, 并自动获得无量纲雅可比矩阵以构造合理的性能评价指标, 可系统化地用于并联机器人的构型综合、尺度综合和参数设计[7,8]。然而, 这些成果的主要表现形式仍然是学术论文和私有软件, 广大机器人科研人员难以获取和快速应用。有鉴于此, 我们根据机器人的典型特征和应用进行分类, 提出高速轻载和中速重载两大类并联机器人的数字化设计流程, 并考虑以设计流程导航模块的形式固化在以CAD为中心的集成设计平台中。例如, 高速轻载机器人设计导航主要涉及刚体动力学建模、动力尺度综合、动态设计、轨迹规划、驱动器/减速器参数选型、控制-多柔体系统仿真、精度分析与综合等模块;中速重载机器人的设计导航主要涉及静刚度建模、静刚度优化设计、刚体动力学建模、动特性校验、驱动器/减速器参数选型、控制-多柔体系统仿真、精度分析与综合等模块。更多细节可参见文献[8]和[9]等, 限于篇幅, 在此不进行展开。
2 平台构架的研究现状与方案研究
目前, 基于机器人基础理论的研究成果主要集中在概念设计阶段, 而采用CAx软件进行机器人设计则主要集中在详细设计阶段, 由于从事机器人基础理论与详细设计的研究者之间缺乏共同支撑工具, 导致概念设计与详细设计脱节。此外, 在获得机器人基本设计之后, 如果缺乏后续的高真实度仿真分析流程和知识库管理工具的支撑, 仍难以快速验证真实机构的性能。由于缺乏高度集成的机器人设计平台, 机器人典型设计流程中通常需要采用多种软件, 致使广大科研人员难以掌握机器人设计技术。
国内外研究者针对上述问题开展了若干探索。意大利国科院工业技术与自动化研究所的Bianchi等[10]在欧盟的资助下从1996年开始开发并联设备虚拟设计平台VPE-PKMAD, 并应用于欧盟发展规划框架Manufuture项目中的多种并联设备研制, 此后又在MECOMAT项目中用于机床及重载机器人数字化设计。该平台较好的融合了机器人设计基础理论和CAx软件, 利用Matlab/Maple自编代码实现工作空间和机构学指标计算, 同时基于ADAMS软件的状态矩阵和静力平衡计算功能, 实现刚度预估、工作空间评估、误差分析、灵敏度分析和弹性力学分析, 进一步借助有限元软件进行验证和模态分析。但该平台的误差分类与分析功能尚不完整, 此外存在刚度预估准确性不高和功能扩展不便等问题。德国不伦瑞克理工大学的Stechert等[11]、卡尔斯鲁厄理工学院的Munzinger等[12]分别针对模块化并联机器人提出了通用模型描述方法和设计框架, 利用UG、Matlab、Simpack等软件分阶段实现不同真实度模型的分析, 该设计平台特别适合已具有通用模块的并联设备快速设计, 但开放性和通用性略有不足。德国杜伊斯堡-埃森大学的Pott和Kecskemethy等[13]基于Lie群理论和运动静力学传递单元理论建立了位置、一阶运动学、误差分析等分析任务的与坐标系选择无关化流程, 并开发了可面向对象编程的MOBILE多体系统分析包, 但对工程人员的要求过高, 而且由于分析包为源代码形式, 只适合对少数企业开放。此外, 德国开姆尼斯大学的Neugebauer等[14]基于Octave和ANSYS等软件开发了一个切削加工并联机器人的设计平台, 但考虑的分析流程较为简化。加拿大安大略理工大学的Zhang等[15]采用Java语言开发了基于机构运动学和静力学理论的机器人设计平台, 但缺少标准化开放接口, 不利于扩展。最近, 土耳其多库兹爱吕尔大学的Akdag等[16]提出基于Solidworks、CosmosMotion和CosmosWorks应用编程接口二次开发的机器人设计及仿真分析平台, 并提供控制代码的快速生成与测试。该平台较好地满足了企业对机器人初步设计的一般需求, 但与机器人真实工作性能分析还有一定距离。清华大学等研究单位在国家863项目等资助下从2002年开始进行了并联类装备虚拟设计系统的开发, 主要研究涉及概念设计、运动学设计、整机组合设计、动力学设计、作业仿真和切削性能分析等, 并结合产品数据管理 (PDM) 进行管理, 为并联设备的研制流程提供了重要参考[17]。天津大学的韩海生等[18]利用商业化CAx软件及其接口实现并联机构的较完整分析流程, 但未形成独立平台。
另一方面, 一些面向一般机电产品建模仿真的通用软件在近年来获得了较大发展, 这为机器人设计提供了便利。例如, 基于现代多体动力学理论的Recurdyn软件和Samcef软件等提供了较丰富的机电建模分析和有限元分析功能;基于Modelica建模语言的仿真软件 (如Dymola, SimulationX等) 则提供了丰富的多领域统一能力, 在可重用性和持续性研发方面提供重要支持;更进一步, CATIA和Creo等主流CAx软件也开始集成了Modelica建模分析能力。
鉴于机器人设计平台在高真实度设计和模块化设计方面有着长远需求, 建立一套支持机构学、CAD、多体运动学、有限元分析、多领域耦合等领域专家共同参与的设计框架有着重要的价值。我们认为理想的数字化设计平台应提供从概念设计到详细设计的完整流程。考虑到企业对设计周期的要求和设计人员对设计技巧的认知等方面的因素, 并联机器人设计适宜采用“尺度设计-尺寸设计”分层递阶流程、多目标优化设计方法和功能齐全的数字化设计平台来完成。这首先要求数字化设计平台对相关CAx软件具备很强的系统集成能力, 以便使得设计平台具有很好的通用性、可扩展性和开放性。同时为便于设计人员掌握并联机器人设计的基础理论, 也为了使用过程更加直观和方便, 数字化设计平台应综合采用设计导航和设计案例库的形式, 并根据企业的需求持续补充案例库和相应的分析特征库。
在综合已有数字化设计平台的特点的基础上, 天津大学正在研究的数字化设计平台在软件集成、误差分析和性能评估等方面均有创新和突破。此外考虑到企业对机器人指标的差异, 同时开发两种设计平台:一种是以CAD软件为核心开发的基于现代多体动力学软件的平台, 主要针对包含丝杆导轨等建模因素且要求高真实度建模仿真的机器人应用;另一种是以CAD软件为核心开发的基于多领域耦合建模语言及求解器的平台, 主要面向机械系统非线性因素不突出且对真实度要求相对不高的机器人应用。两种设计平台在CAD软件部分的代码可以共用。如图1所示, 第二种设计平台中包含尺度综合阶段和尺寸综合两个阶段。在尺度综合阶段, 用户根据拓扑结构数据库进行选型, 同时利用Python运动学分析库进行概念设计, 可选自定义运动正逆解等方法;然后基于获得的尺度参数、条件数指标、力传递指标等数据调用零件结构数据库和运动副模型/参数库进行初步结构设计 (包括零部件选型、自动化装配、参数驱动/协调及分析特征等) , 结构设计在国产CAD软件Sinovation中完成;基于初步模型以及任务轨迹、加速度等用户需求, 由虚拟数控系统Virtual CNC驱动进行运动学/动力学仿真和设计, 完成位置/工作空间仿真、运动仿真/干涉检查、速度/加速度分析和轨迹规划等;再由Modelica软件包进行详细动力学仿真和设计, 完成驱动器参数选型和性能仿真;最后, 根据基频、轨迹精度等用户需求, 由动力学仿真计算得到较真实的电机参数、支座反力等数据, 通过Modelica柔性体建模仿真及与CAE集成, 完成整机性能预估 (弹性静力分析和模态分析等) 和真实工作轨迹仿真 (弹性动力学和控制多体仿真) 。
3 虚拟数控系统研究现状与方案研究
3.1 虚拟数控系统现状
尽管已出版不少关于机器人轨迹规划与运动控制的著作[19~23], 也有大量论文和专利介绍面向新问题或复杂问题的数学原理和解决方法[24~27], 但是很少有论著对机器人控制器进行透彻的介绍, 而可供人们剖析的控制系统尤其缺乏。因此在数字化设计平台中将提供一个较开放的机器人控制器仿真接口, 便于国内中小机器人企业了解真实应用中机器人控制系统方案地选择。
事实上, 欧洲的学者很早就意识到“虚拟制造”的重要性[28]。虚拟制造涵盖了单台机器真实性能仿真、工艺仿真以及工厂生产线数字化仿真, 同时包括相应的建模技术以及集成设计与优化技术。在当前阶段, 数字化设计平台重点研究单台机器的运动控制仿真。虚拟数控系统 (Visual CNC) 可用来在设计阶段对机器人动力学特性进行预测和优化。虚拟数控系统还能够在不占用实际机器的生产时间的情况下调整伺服控制和插补参数。一旦理想的响应和加工精度在虚拟模型中实现, 得到的参数可以直接应用于实际的机器。在工序规划阶段, 虚拟数控系统能够计算不同部分程序的轮廓误差, 对进给率和轨迹进行必要的调整, 以避免因伺服误差造成超差。现阶段的典型虚拟数控系统可分为三大类:
1) 完全独立的虚拟数控系统。主要是各种面向特定企业产品的机器人或机床数控系统仿真软件, 如ABB RobotStudio、德国西门子公司开发的虚拟数控内核VNCK、以及Altintas等开发的CutPro数控加工仿真系统等[29,30]。
2) 基于数字化工厂仿真软件及标准接口的虚拟数控系统, 例如KUKA、ABB、FANUC等企业都先后开发了符合RRS (Realistic Robot Simulation) 接口标准和VRC (Virtual Roobot Controller) 接口标准的虚拟控制器, 可以集成在Delmia、eMPower等数字化工厂仿真软件中[27,28]。其中RRS侧重运动控制功能, 而VRC接口增强了软PLC功能和用户界面功能。
3) 采用开源平台或开放式接口的虚拟数控系统。例如支持用户自定义控制器的软件有VisualComponents、SoftMotion等;此外开源机器人控制包有RCCL、ZERO++、OROCOS、PyMoCo等[31]。从理论上来说, 这些控制包都可以实现虚拟数控系统, 但是由于涉及的实时系统类型多种多样, 代码构造差异大, 因此需要进行整合。
对于下一代机器人数字化设计平台, 由于重点功能在于机电耦合动力学仿真分析, 若采取前两类虚拟数控系统存在诸多不便, 因此本文主要介绍如何整合与集成第三类数控系统。
3.2 虚拟数控系统方案研究
实现虚拟数控系统的关键在于虚拟时间管理和多任务之间的同步。我们选取如下方案:在数字化设计平台中建立虚拟时间管理器, 而虚拟数控系统则有两种方式:在当前操作系统中采用多线程方式实现多任务;在虚拟机软件中建立数控系统, 通过时间令牌实现同步, 其中计时器可以通过时间令牌计数器进行等效。该方案的优点在于:1) 软件框架和控制代码可以利用已有成熟操作系统和软件, 例如ROS机器人操作系统、TwinCAT系统等及相应的机器人软件包。2) 主要代码可以同时在虚拟控制器和真实控制系统中得到重复使用, 减少了学习和维护工作量, 有利于机器人项目的长期发展。因此本研究拟定两种方案:1) 基于Python语言并参考PyMoCo包开发, 该虚拟控制系统可以运行在Windows和ROS上;2) 基于C++语言及IEC61131-3逻辑及控制编程语言标准开发[32], 运行在LinuxCNC或TwinCAT系统上, 通过以太网通信 (例如OPC和UDP) 等方式实现虚拟数控系统与数字化设计平台的协同仿真。本文主要介绍第一种方案。
现有虚拟数控系统的功能只限于运动控制, 采用类似RRS的基本原理, 即在CAD软件中, 启动虚拟数控系统提供的一个虚拟时钟线程, 该线程根据虚拟时间和线程优先级发布时间令牌通知其他线程, 其他线程则收到对应令牌后执行。其中, 线程1实现G代码解释, 线程2实现工作空间插补, 线程3实现运动学逆解、加减速计算, 线程4实现精插补。
为便于理解, 以经典的“插补后加减速控制” (ADCAI) 为例介绍机器人虚拟控制器的工作流程, 如图2所示。具体的实现过程为:用户首先定义基准长度单元 (BLU) 、精插补周期、加减速形式 (如梯形、S型加减速) 等参数。然后, 用户在CAD软件中绘制运动轨迹 (或定义起始位姿) 或者通过虚拟人机操作界面输入G代码。当用户执行虚拟数控程序时, 运动程序由解译器解析成数控系统内部指令, 并放入运动指令序列缓冲区, 再由粗插补模块按给定轨迹类型 (直线、圆弧、螺旋线等) 、进给速度和粗插补周期计算沿着工作空间轨迹的插补点, 将插补点坐标放入粗插补环形缓冲区, 再由运动学逆解模块根据插补点生成各关节轴的运动脉冲直方图。对粗插补得到的脉冲直方图与所选加减速形式相应的卷积函数进行卷积得到新的运动脉冲直方图。再对直方图进行平滑化精插补。可以对速度进行积分, 得到每个精插补周期的关节转角, 放入共享内存环形缓冲区。在每个运动控制周期读取共享内存中的数据进行控制, 并可以进行运动学正解误差评估。若出现进给速度波动较大, 则可能是由于插补线段过短或粗插补周期过长, 可以考虑采用NURBS插补或者更高级的“插补前加减速控制” (ADCBI) 进行改善, 在此不再展开。
4 结论