电压比较器范文1
幸运的是，当8位单片机开始不断涉足更多的混合信号应用时，越来越多具有模拟背景的设计人员开始使用单片机。这些采用混合信号单片机的设计人员非常熟悉电压比较器的灵活性和功能，便着手发掘其潜能。使用片上电压比较器的应用不断涌现，包括传感器输出的模拟信号到数字信号的转换、逻辑门、放大器以及电源转换。
遗憾的是，混合信号单片机设计人员的人数尚不足以有效推广电压比较器。因此，本文旨在使设计人员认识到不起眼的片上电压比较器可能给混合信号应用带来的价值。全面探讨这个主题需要数百页的篇幅，我们将尽量多地选取一些可能的应用进行阐述。
我们首先将讨论传感器数字转换。大多数模拟传感器会产生与其测量的环境因素成比例的阻值、电感或电容值的变化。热敏电阻阻值的变化与温度成比例，湿度传感器改变其电容值，而某些接近传感器甚至会改变自身的电感值。传统的转换方法先将电阻、电容或电感转换为电压，然后使用一个ADC将电压转换为数字值。但是，假使我们可以将传感器的输出直接转换为数字值，又会怎样?
利用不起眼的片内电压比较器构建简单的张弛振荡器，可以将电阻、电容或电感转换为可变的频率，然后使用定时器外设来测量该频率。图l显示了两个简单的振荡器电路。除了简单这一显而易见的优点外，两个电路由于自身会对输入信号求平均，因而具有一定的噪声抑制能力。不过，其分辨率还由采样时间决定。
在两个电路中，电阻Rl、R2和HR3提供滞回电压，根据比较器的输出状态来调节比较器跳变电平的大小。左边电路中的R4和L1与右边电路中的R4和C1作用相同，用于设置工作频率。通过用适当的阻性、容性或感性传感器替换R4、C1或L1，就能构建一个频率可随传感器输出值变化的变频振荡器。然后使用TimerO和Timerl将频率转换为数字值。Timerl的计数频率与振荡器频率相同，TimerO设置采样周期。当TimerO溢出时，Timerl停止计数，它的当前值就是转换的结果。
这一对内部定时器与少量的外部元件和一些软件相结合，向设计人员提供了一种使用比较器测量电阻、电感或电容的简便方法。设计人员只需延长Timerl的计数周期，就可以提高转换器的分辨率。
此外，大多数带有片上比较器的新型单片机在比较器的反相输入端上有一个2选1或4选1的模拟多路开关。只需给每个传感器添加一个电阻R4，然后将传感器／电阻的接点连接到多路开关的各个输入端，设计人员就能在多达4个传感器中选择转换器的输入。
构建逻辑门只不过是将二极管逻辑与一些电阻组合起来，以实现必需的逻辑功能。图2给出了实现了逻辑“与(AND)”和逻辑“或(OR)”功能的简单电路，以及略为复杂的逻辑“异或(XOR)”功能的电路。
图2中，左边的电路实现逻辑“与”和逻辑“或”功能。要实现逻辑“与”功能，选择R3和R4的值，使得反相输入端的电压高于Vnn／2。要实现逻辑“或”功能，选择可使反相输入端的电压略低于Vnn／2的值。(R1和R2的值应相等)。在逻辑“与”配置中，A和B两个输入端必须同为高电平以将同相输入端的电压拉高到VDD／2之上，才能使输出变为高电平。在逻辑“或”配置中，A或B中必须至少有一个为高电平以将同相输入端的电压拉至VDD／2，才能拉高输出电平。要构建逻辑“非与(NAND)”或“非或(NOR)”电路，只需将反相和同相输入端交换即可。
图2中，右边的电路用于实现逻辑“异或”功能。如果A或B中有一个为低电平，那么反相输入端将被钳位在0.7V，若另一个输入为高电平，就会产生高电平输出。如果A和B均为高电平，那么同相输入端的电压将保持为略低于VDD，而反相输入端被拉至VDD--导致输出低电平。(注：对于任何逻辑电路，选定的电阻值应足够大以使所有电流处于1～10mA范围内，这样比较器的输出驱动电路才能容易地驱动逻辑)。
接下来，让我们研究如何将比较器用做低频运放。只需使用一个足够低频的低通滤波器来对脉冲链进行滤波，任何占空比可变的数字信号均可被转换为直流电压。要使用比较器来构建运放，我们将使用同样的滤波器求平均功能来生成反馈和输出电压(见图3)。
在同相电路中，R1和R2如同在常规运放电路中一样，用于确定增益。C1和R3／C2充当滤波器对比较器输出端的PWM数字信号求均值，并将求得的结果作为反馈的直流电平和电路的线性输出。在反相电路中，R4和R5确定增益，C3和R6／C4充当平均滤波器将数字PwM信号转换为线性电压。注：在反相拓扑结构中，需要R7和R8来产生电路的虚拟地。
最后要讲述的是开关电源电路。产生交变电源电压的一种方法是产生由输出反馈电压门控的PwM开关信号。在该电路中，一个比较器产生斜坡波形，而另一个提供输出电压的反馈信号。图4中的原理图给出了使用两个比较器的实现方案。
在该电路中，比较器U1a是一个脉冲发生器，与前面所述的将传感器输出转换为数字信号的振荡器类似，其工作频率由R4、R5和C1决定。电路中R5的作用是确保C1上的充电电压绝不会低于约1.5V。这一点非常重要，因为U1b通过将U1a的同相输入端拉至约0. 7V来控制振荡器的工作，使其停振。(注：振荡器被设计为在关断时将输出拉为低电平，因此此时Q1也将处于截止状态)。
当振荡器运行时，Q1会定期导通，使得电流流过L1。当Q1截止时，流过L1的电流会使D3正偏，从而给C2充电，继而抬高输出电压。c2上采样得到的输出电压经过分压后与D2上的正向电压作比较。如果输出电压过高，U1会关断振荡器，C2会向负载放电，从而使输出电压降低。当输出电压跌落到所需电压以下时，U1b的输出就会变成高电平，振荡器重新起振，将重新有电流流向C2。
电压比较器范文2
关键词 电加热器;压力降;折流板;套管
中图分类号TM924.2 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0175-02
0 引言
电加热器是用在空分设备再生气体的加热设备,其将电能转化为热能,内部使用管状电热元件。功率较小的电加热器,结构为三层筒体。再生气体首先从最外层进入,再经中间夹层而通过内筒被管状电热元件加热。优点是外壳不必包扎绝热层,安装简便。加热功率100kW以上的加热器大多为单层筒体,其结构如图1所示。
图1电加热器(有折流板)
直管或U型管电热元件(如图2、图3)均匀布置,折流板的设计使气流横向掠过电热管强化了传热,拉杆定距杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径加热器,在布管区内或靠近折流板缺口处应有适当数量的拉杆,每块折流板都不得少于三个支承点。
图2直管电热元件
图3U型管电热元件
为避免电热元件接线段的高温侵蚀以及引入接线电缆表面的过早老化,常温气体应从接线上端进,加热后的高温气体从靠近电热元件的尾端出。常规的加热器多见为立式,也可卧式设计放置 [2]。
1 折流板
电加热器中的折流板一般都采用圆缺形折流板(又称弓形折流板)。圆缺形折流板又可分为横缺形、竖缺形和阻液形3种。在宣钢25 000m3/h的空分设备中,我们采用的是适用于无相变对流传热的横缺形折流板,其结构如图4所示。
图4横缺形折流板
横缺形折流板可以改变电加热器中气体的方向,使其垂直于管状电热元件流动,并提高流速,从而增加气体流动的湍流程度,获得较好的传热效果,而提高流速的同时可增加传热膜系数,从而提高总传热系数,使电加热器结构紧凑。但是,增加气体流速将增加电加热器的压力降,还使得电加热器的磨蚀和振动破坏加剧等。同时,压力降增加使得电加热器在运行过程中的动力消耗增大,不利于用户的节能减排,所以其压力降必须控制在一个合理的范围之内。
2 压力降计算公式
电加热器中有无折流板,对气体压力降计算差别甚大。当电加热器中无折流板时,流体顺着管状电热元件流动时,压力降可按气体流过管状电热元件直管部分的压力降公式计算。当电加热器装上折流板后,气体在管内流动为平行流和错流的耦合。尽管管状电热元件为直管,但流动却变得复杂化。由于制造公差不可避免地存在着间隙,因而会产生泄漏和旁流。而气体横向冲刷管状电热元件引起的旋涡,也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性,要准确分析影响流动各种因素,精确地计算压力降是相当困难的 [3]。
3 压力降计算方法
3.1 有折流板
在宣钢25 000m3/h空分装置中,电加热器采用有折流板的设计,加热管则采用直管电热元件。参照换热器设计手册中压力降的计算方法,电加热器内的污氮气体的压力降可以使用Bell-Delaware法和埃索法这两种计算方法。相比较而言,Bell-Delaware法计算过程比较复杂,采用埃索法可使计算过程变得简单。埃索法计算公式如下:
(1)
式中:
为污氮横过管束的压力降,Pa;
为污氮通过折流板缺口的压力降,Pa;
为串联的壳程数,这里取为1.0;
为压力降的结垢修正系数,无因次,对液体可取1.15;对污氮气体可取为1.0。
(2)
(3)
(4)
(5)
式中:
F为管子排列方法对压力降的修正系数,对三角形F=0.5,对正方形排列F=0.3,对转置正方形排列F=0.4;
f0为壳程流体摩擦系数,当Re>500时,f0=5.0Re-0.228;―污氮密度,kg/m3;
u0为按流通截面积A0计算的流速,m/s;而,lb是折流板间距,d0是加热管外径,Di是电加热器壳体内径,m;
di为当量直径,m;
nc为横过管束中心线的管子数;对三角排列;对正方形排列;
nt为管子数目;nb为折流板数目;
V为介质气体流量,Nm3/s。
3.2 无折流板(套管)
在大唐28 000m3/h空分装置中,电加热器采用无折流板的设计,加热管则采用U型管电热元件,U型加热管外设有一个套管,污氮通过套管被加热,气体流动的方向是平行于管状电热元件流动,其结构相对于折流板而言较简单。污氮气体的压力降可参照换热器设计手册中相应的计算方法进行:
(6)
(7)
(8)
式中:
为流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降,Pa;
l为加热管管长,m;
Ft为结构校正因素,无因次,取为1.5;
Np为管程数,这里取为1.0;
Ns为串联的壳程数,这里取为1.0;
di为当量直径,m;
A为流通截面积,m2;
为浸润周边,m;
为摩擦系数,无量纲;
当Re
当Re>2 000时,。
4 电加热器的压力降计算
由埃索法可以发现,在其他条件不变情况下,污氮阻力与按流通截面积计算流速的二次方成正比,流通截面积与流速又成反比,而影响流通截面积的主要因素是折流板间距;如果采用这一指标来进行评价,随着折流板间距的减小,压力降将持续增大。这就要求在设计折流板间距时不可将间距数值设计过小。当然在实际应用中,折流板间距数值也是不能被设计过大。设计人员应考虑到各种相关因素的影响,选择相对合理的折流板间距数值。相比较而言,电加热器中无折流板时,压力降的计算简单些。以下分别代入具体参数计算两种电加热器压力降的值。
宣钢25 000m3/h电加热器主要参数如下:总功率1 248kW,污氮量3.6×104m3/h,最高工作压力0.09MPa,壳体内径1.7m,156根直管加热管,每根8kW,加热管外径0.03m,三角形排列,6块折流板,折流板间距0.570m,污氮密度1.25 kg/m3,粘度2.16×10-5Pa・S。
大唐28 000m3/h电加热器主要参数如下:总功率1 254kW,污氮量3.6×104m3/h,最高工作压力0.09MPa,壳体内径1.4m,76束加热管,每束3根U型加热管共15.5kW,加热管内径为0.016m,套管内径为0.081m,三角形排列,污氮密度1.25kg/m3,粘度2.16×10-5Pa・S。
把两组数据带入相应的计算公式以后,可以得到两种类型电加热器压力降的结果,考虑到进口管、出口管的压力降,宣钢的折流板电加热器压力降大约为1.64kPa左右,而大唐的套管电加热器压力降大约为1.18kPa左右。参照表1管壳式换热器允许的压力降范围,可以发现两种类型电加热器压力降都在允许范围以内,但后者的压力降的数值更小。
表1管壳式换热器允许的压力降范围
5 结论
通过以上两种类型电加热器的计算结果比较可知,在污氮总通气量与电加热器总功率这两项主要技术参数大体相等的设计条件下,电加热器的压力降与其内部结构相关,而采用套管的电加热器的压力降数值要远小于采用折流板的电加热器的压力降数值,在实际生产应用中更具有优势。
空分设备的原料为空气,可以不计成本,需要计算的运行成本主要是能量消耗。空分系统耗电量具大,而电加热器是除三大压缩机以外较为主要的耗电设备,若用户对耗能方面要求比较高,则设计电加热器时适宜采用套管设计,其设计改进不但对降低设备运行成本有积极的意义,而且为以后空分系统其他部分节能降耗工作积累了成功的经验。
参考文献
[1]程景海,杨爱国,圣达.6 500m3/h空分设备分子筛纯化器电加热器改造[J].深冷技术,2005(2):37-38.
电压比较器范文3
【关键词】降压起动;软起动;变频起动
引言
近年来，随着各行业生产能力的加大，大功率电动机的使用率也越来越高。例如在石化行业中，3-10kV功率在185kW以上的中压电动机使用频繁，1000kW以上的大电动机也使用得越来越多。随着高压大容量电动机使用量的增加，大电动机起动的相关问题也越来越引起重视。本文就将针对几种常用的电动机起动方式作出相应的分析与比较。
1.全压起动
全压起动又叫直接起动，即经过开关或接触器将电源电压直接加在电动机的定子绕组上，从而起动电动机。其起动方式简单，可通过空气开关、断路器等实现电动机的近距离操作与控制，也可用交流接触器、时间继电器、限位开关等实现远距离操作，自动控制以及正反转控制等。由于电动机在空载全压起动时，起动电流会达到其额定电流的4到7倍，因此在大功率电动机全压起动时会造成以下问题：
（1）起动电流过大，引起电网电压下降，产生电压波动，不仅会影响电网中其它用电设备的正常工作，还会对动力变压器产生一定的冲击。
（2）起动电流过大会在电动机的定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，有可能破坏绕组绝缘，造成鼠笼条断裂，引起电动机故障。
（3）起动电流过大会使电机的绕组迅速发热，从而损伤绕组绝缘，减少电动机寿命。
（4）电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，会对其拖动机械造成一定的影响甚至损坏。
因此，大电动机全压起动要满足以下条件：
（1）电动机起动时造成的压降不影响配电系统中其它用电设备的正常运行，一般情况下经常起动的电动机引起的电网电压变化不大于10%;偶尔起动的电动机引起的电网电压变化不大于15%;配电母线上无照明负荷及其它对电压敏感的负荷且电动机不频繁起动时，引起的电网电压变化不大于20%。
（2）电动机和生产机械的强度能够承受直接起动的应力冲击：即满足电动机和生产机械的动热稳定的要求。
（3）电动机起动时端子电压能保证被拖动机械设备要求的起动转矩。
（4）电动机制造商对电动机起动方式无特殊规定。
综上所述，全压起动的优点是可设备投资和维护费用相对较少，操作方式简单，起动迅速。缺点是起动电流大，从而引起电压波动大。因此在电动机和电网不满足全压起动的条件时，应对电动机采取降压起动。
2.降压起动
如电动机及电网无法满足全压起动所需条件，则需要采用降压起动。降压起动有多种方式，其中比较传统的方式有自耦变压器起动、电抗器起动、星-三角起动;近年来应用越来越多并且效果良好的起动方式则有软起动和变频起动。
2.1 几种传统降压起动方式
2.1.1 电抗器起动
电抗器起动是指电抗器与电机的定子绕组串联，以限制电动机的起动电流，电机起动后其自动切除，适合10kV以上电动机。
电抗器起动可以使电流平稳，减少对电机的冲击。电流串电抗器后，起动电流成比例减小，起动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器的阻值必须依据电动机起动时阻力矩的情况来选择，只有起动转矩大于阻力转矩时，电动机才能顺利起动。串联电抗器起动为有级降压起动，在全压切换时转矩有跃变，从而会产生机械冲击，而且可能造成二次电流冲击。
电抗器优点为运行相对平稳，缺点为起动电流较大，起动转矩较小，不适合频繁起动及重载起动。且电抗器被切除时还存在二次电流冲击和转矩冲击的危险。
2.1.2 自耦变压器起动
自耦变压器降压起动是指电动机起动时利用自耦变压器分接头来降低加在电动机定子绕组上的起动电压。自耦变压器的高压侧接入电网，低压侧接电动机。自耦变压器的副边电压是相对原边电压按正比减小的，副边电压值相当于原边电压值和变压器变比的乘积，相应的副边电流即通过电动机定子绕组的线电流也按正比减小。又因为副边电流相当于原边电流与变压器变比的乘积，由此可见可见原边的电流――即电源供给电动机的起动电流――比直接流过电动机定子绕组的要小。等到转速达到一定值之后，自耦变压器自动切除，电动机在全压下正常运行。有几个不同电压比的分接头供选择。电动机的端电压可以通过选择耦变压器的分接头来进行调整。起动转矩比较大。自耦变压器有不同的电压抽头，如果需要产生较小的起动力矩，可选择百分比较小的抽头;反之则可选择百分比较大的抽头。如果电动机起动时无法同时满足降低起动电流和保证起动转矩的要求，则应选择自耦变压器起动。自耦降压起动变压器需要投切，所以不适合高电压，一般用于10kV以下的范围。
自耦变压器降压起动的优点是既可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载起动异步电动机使用。其主要缺点是在开关切换的过程中电动机有短时断电的情况，这会造成大电流冲击和转矩突变，因此不适合频繁起动。
2.1.3 星-三角起动
星-三角起动是指起动时电动机绕组接成星形，起动结束进入运行状态后，电动机绕组接成三角形。在起动时。电动机定子绕组因是星形接法，所以每相绕组所受的电压降低到运行电压的平方根的三分之一（约57.7%），起动电流为直接起动时的三分之一，起动转矩也同时减小到直接起动的三分之一。由于其起动电流小，起动转矩小，所以这种起动方式只能工作在空载或轻载起动的场合。
星-三角降压起动的优点是不需要添置起动设备，有起动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，适合空载或轻载的设备起动。缺点是只能用于三角连接的电动机，且不能重载起动。
2.2 变频起动
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部绝缘栅双极型晶体管的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电动机的实际需要来提供其所需要的电源电压，从而达到节能调速的目的。
采用变频装置起动大容量电动机的过程如下：变频器将加在电动机上的电源频率逐渐由低频升到工频，电压也由低值升到额定值，电动机转速由低速逐渐加速到额定速度，当转速升到一定转速时，切换到工频运转。电动机是在同步状态下并入配电系统的，因而对配电系统不存在冲击。变频器可以使电动机平滑起动，电机起动时间延长，以较小的起动电流可以获得较大的起动转矩，因此变频器可以起动重载负荷，对于带有转矩自动增强的变频器，起动力矩可提升一倍。
综上所述，变频器起动的优点是运行平滑节能，电流稳定，适合起动重载负荷，缺点是造价相对来说比较昂贵，成本较高。
2.3 软起动
软起动器主要由串接于电源与电动机之间的三相反并联闸管交流调压器构成。运用不同的方法改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程，直到晶闸管全导通后，电动机升压至额定电压运行。其输出电压从零开始连续可调，因而不会产生过电压。由于电压可调，其相应的电动机转矩也是可调的。
软起动器运行平滑节能，起动电流小，起动时间较长，除了完全能够满足电动机平稳起动这一基本要求外，还具有很多优点：比如可靠性高、维护量小、参数设置简单以及对电动机保护良好，其价格低于变频器，性能又优于传统的起动器。软起动器主要解决电动机起动时对电网的冲击和起动后旁路接触器工作的问题，对电动机有较好的保护作用，在轻载情况下可以实现一定程度的节能，其节能效果约有5%。不过软起动器的节能效果远远不如变频器，变频器的节能效果有30%左右。
软起动器的主要缺陷是不能长时间用于起动转矩要求很高的电动机驱动装置上。这种局限性主要是由软起动器的工作特性决定的：软起动器是将自身电压斜坡式抬升至最大值来从而来完成起动的过程，由于转矩与电压平方成正比，导致连接电动机不能从一开始就达到最大转矩，因此，软起动器更适合于轻载电动机，不适用于重载起动的大型电动机。
3.结论
综上所述，全压起动虽然最简单成本最低，但由于其起动电流大，引起电网电压波动大，所以在实际应用上往往不具备全压起动所需条件，这时则需要降压起动。几种电动机降压起动方式及特点如下表所示：
起动方式 电抗器起动 自耦变压器起动 星-三角起动 软起动 变频起动
适用电压等级 高压 高、低压 低压 低压 高、低压
特殊要求 定子绕组为三角形接线
起动电流 较大 小 小 小，可调 小，可调
起动转矩 较小 较大 小 可调 大，可调
价格 较低 较低 较低 较高 高
经过对几种电动机降压方式的比较，变频器不仅可以解决电动机起动产生大冲击电流的问题，并且具有很好的节能效果，使用起来很便捷，能满足各种条件下的降压起动。电抗器起动、自耦变压器起动、星三角起动则有各自的局限性，不能适用于所有电动机起动的情况，因此以上三种方式现在的应用正在逐渐减少。而软起动器功能强于传统降压起动器，价格又低于变频器，可以说是是填补传统降压起动器与变频器之间功能差异与价格差异的过渡性产品。
十多年前我国的变频器产业刚起步时，国内市场大部分为国际品牌占据，导致变频器的成本一直居高不下。出于对成本的考虑，早年间国内鼠笼型异步电动机一般采用直接起动或用自耦变压器、星三角起动器起动。上世纪九十年代，智能化电动机软起动器进入中国市场并迅速发展。由于其功能强于几种传统起动器，价格又低于变频器，因此在各个行业应用比较广泛。如今随着中国变频器产业的发展，国产变频器技术已经比较成熟，制造成本下降，从而使得变频器的价格大幅下降，而且其质量稳定性进步很快，再加上服务和成本上的优势，变频调速的性价比有所提高，质量和价格的竞争优势也越来越明显。近几年来，变频器又逐渐取代了软起动器的作用，软起动器的市场空间也越来越小。现只有很小部分工况采用软起动器，其他工况现在大多改为使用变频调速器了。随着变频器成本的逐渐下降，软起动器的市场空间将越来越小。不过就目前情况而言，软起动器依然存在自己的生存空间，在电动机运行负载功率在80%以上时，选用软起动器依然是比较实用的，而且同时也是成本相对最低的。
电压比较器范文4
关键词：500kVASA变压器；油浸式并联电抗器；非晶合金变压器；节能设计；全寿命周期
中图分类号：TM63文献标识码：A文章编号：16749944（2013）04029904
1引言
节能减排是一个全社会的艰巨任务，其中电网损耗包含输电线路的电力损耗、变电过程的电力损耗，线损不在本文的讨论范围，本文着重讨论变电过程的损耗和变电站的站用电，通过经济技术比较优化，降低变电站的电力损耗。
变电过程的电力损耗主要包括变压器、电抗和站用变等元件损耗。其中最主要的是变压器损耗、低压并联电抗器损耗和站用变压器损耗，变压器损耗主要包括变压器铁芯中的铁损（固定损耗）和变压器绕组电阻上的铜损（可变损耗）。变压器铁损是铁芯的磁滞损耗和涡流损耗，变压器只要通电即存在铁损，与通过的功率无关，主要与变压器的容量和电压有关；变压器铜损与电阻和通过电流有关。低压并联电抗器损耗是固定损耗，与低压电抗器的电压有关。
变电站自身的站用电为站内设备正常工作、保证电网安全可靠供电的变电站自身用电负荷，如控制、信号、保护、照明等设备用电。变电站的站用电水平主要与变电站电压等级、规模及自动化程度有关。
要降低变电站的损耗，主要就是降低变压器、低压并联电抗器和站用变的损耗，降低设备的损耗可以通过设备优化选型实现。
2500kV主变压器的节能选型
500kV主变压器分为三相共体变压器，组合式三相变压器，单相变压器和分解运输、现场组装式变压器（ASA）。
组合式三相变压器是将1台三相变压器分解为3个单元变压器，组合式变压器，变压器线圈及铁心为单相独立，运输至现场后形成组合变，与单相变压器组比较，只是油道及部分接线在组合变壳体内完成。该类型运输尺寸及重量与传统的单相变压器基本相当。通过和变压器厂家交流，变压器厂家不推荐500kV变压器采用组合式变压器，本文不讨论此类型。
分解运输现场组装式（Advanced Site Assembly）三相共体变压器，简称ASA变压器。ASA变压器是将工厂试验完成后的变压器合理分解为铁心、线圈及油箱等单元，运输到现地后进行再装配的变压器。ASA变压器无论在电气参数上还是在占地面积上均与普通三相共体变压器等同，其最大的优点在于变压器本体非常易于分解和运输，最大运输重量不超过65t。
DL/T5222-2005《导体和电器选择设计技术规定》8.0.8 “除受运输、制造水平或其他特殊因素外应尽可能选用三相变压器”，但是长期以来，由于受国内500kV三相变压器的生产能力和运输条件限制等因素影响，国内已投运的大部分500kV变电站中约90%的500kV主变压器一直选用单相自耦变压器。单相自耦变压器的运输重量约为140t，而ASA变压器不超过60t，由此可知，ASA变压器的适用性更为广泛。下面将详细分析比较三相共体变压器、单相变压器和ASA变压器的优缺点和损耗（本文以500kV，750MVA的变压器为例），如表1所示。
从表1分析中可以看出，综合考虑设备本身的价格和运输费用，普通三相一体变压器投资最大，单相变压器组次之，ASA变压器投资最小。ASA变压器具有三相一体变压器的优点，运输单件重量不超过60t，适用性更为广泛，而且可以节省35kV汇流母线和两个防火墙及其占地（节约0.05hm2即0.75亩）的投资，并且损耗比单相变压器低，每年每台主变可以节约电费约14592万元。
表1三种500kV主变压器的节能比较
形式ASA变压器三相一体变压器单相变压器组现场安装状态额定容量（高/中/低）750/750/240 MVA750/750/240 MVA750/750/240 MVA额定电压 550/230⑥2⑨2.5%/36kV550/230⑥2⑨2.5%/36kV550/230⑥2⑨2.5%/36kV阻抗电压Ud1-2%=12，Ud1-3%=44，
Ud2-3%=29Ud1-2%=12，Ud1-3%=44，
Ud2-3%=29Ud1-2%=12，Ud1-3%=44，
Ud2-3%=29联结组别Yn，a0，d11Yn，a0，d11Yn，a0，d11安装面积132m2（44%）132m2（44%）298m2（100%）最大运输重60t（16%）350t（100%）140t（40%）总重480t（84%）480t（84%）570t（3×190t）（100%）ΔP0空载损耗
（国网招标要求值）180kW180kW210kW （3×70）ΔPC负载损耗
（国网招标要求值）880kW880kW1050kW（3×350kW）年能耗ΔA=ΔP0T+ΔPC
（S/Se）2T（万kW·h/年）210.48210.48246.96耗能（万元）
（0.4元/kW·h）84.19284.19298.784设备投资（万元）240022002400设备运费（万元）30～50800100～120注：T-变压器运行时间（h）=8760；S-变压器运行容量（MVA）；Se-变压器额定容量（MVA）；主变平均负载率（S/Se）=50%；T-最大负荷损耗小时数（h）=2400。
2013年4月绿色科技第4期
王正华，等：500kV变电站的节能设计工程技术
对于ASA变压器，据笔者了解，目前国内生产商包括：中电装备东芝（常州）变压器有限公司，特变电工衡阳变压器有限公司，保定天威保变电气股份有限公司和特变电工新疆变压器厂都有生产业绩，并且ASA变压器已在茂县、昭觉、雅安、色尔古、丹巴、康定、新都桥、木里、水洛、茂县Ⅱ等多个500kV变电站应用，已有丰富的运行经验。
335kV并联电抗器的节能选型
500kV变电站35kV并联电抗器分为单相干式空芯并联电抗器和三相油浸式并联电抗器（表2）。
环氧包封式空心并联电抗器由于结构简单、价格低等优势在国内获得广泛应用。经过长时间的运行，已出现了许多运行故障，有的被迫停运处理，有的甚至烧毁设备（综合评估，全生命周期成本并不经济）。已有许多变电站发生过空心并联电抗器烧毁现象。
与空心电抗器相比较，铁心电抗器在性能方面拥有较大优势：运行稳定性，油浸式电抗器绝缘为油纸配合绝缘。两种绝缘方式的稳定性都很高，可保证产品安全稳定地运行。铁心式并联电抗器由铁心作为导磁介质，其磁场集中，漏磁小，因此其损耗比空心电抗器小很多。一次投资较高，但是损耗较低，全生命周期成本很经济。
表2两种500kV变电站35kV并联电抗器的节能比较
形式单相干式空芯并联电抗器三相油浸式并联电抗器现场安装状态额定容量60MVA60MVA额定电压34.5kV34.5kV安装面积120m2（100%）58.5m2（48.75%）占地成本（万元）2.71.32设备投资（万元）110240使用寿命（年）153030年成本现值（万元）30年使用（2台）110+110×（P/S，7%，15）
=110+110×0.3624=149.864240维护成本（万元）（每年涂RTV涂料成本300元，人工成本700元）（万元）0.1×（P/A，7%，30）=0.1×124090=1.24每年进行油样检查，成本100元，人工成本100元。30年成本现值为： 0.02×（P/A，7%，30）=0.02×12.4090=0.25产品报废后残值（万元）约为7万，2台产品报废后残值的现值为：7×（P/S，7%，15）+7×（P/S，7%，30）=7×03624+7×0.1314=3.46报废后残值约为35万元，残值现值为：35×（P/S，7%，30）=35×0.1314=4.60（万元）负载损耗196.5kW（75℃）115kW（75℃）耗能（万元）（0.4元/kW·h）每年运行损耗（按每天24h运行，每年运行365d）：196.5×24×365×0.4=68.8536（万元）；每年运行损耗（按每天24h运行）：115×24×365×0.4=40.296（万元）；30年运行损耗现值（万元）68.8536×（P/A，7%，30）= 68.8536×124090=854.4130年运行损耗现值为：40.296×（P/A，7%，30） =40.296×12.4090 = 500.04（万元）空心并联电抗器使用总成本现值（S空=购买设备投入+运行电能损耗+占地成本+维护成本-残值）（万元）1002.054750.18
由表2可知使用铁心并联电抗器比使用空心并联电抗器成本节约：
S空-S铁=1002.054-750.18=251.874（万元）；
虽然价格上铁心电抗器比空心电抗器高，初期投资较大，但从设备全寿命周期的综合成本看，铁心电抗器优于空心电抗器。油浸式铁心电抗器每台每年可以节约28.5576万元，并且安全稳定、损耗小、占地面积小、漏磁污染小、运行监控方便，在四川木里、茂县Ⅱ500kV等变电站得到了应用。随着油浸式铁心电抗器的大规模应用，设备成本将降低，设备价格随之降低。
435kV站用电的节能选型
500kV变电站35kV站用变应用较多的为节能型S11硅钢变压器和SH15非晶合金变压器。站用变压器的空载损耗和负载损耗与容量有关，变电站的照明灯具尽量用节能灯，风机和空调选用节能设备，日照强的地方可以选择太阳能路灯，通过选择低能耗的用电设备，以便降低站用变压器的容量，本文以35kV 500kVA的站用变为例对SH15非晶合金变压器与节能型S11 硅钢变压器进行全寿命周期分析并选型（表3、表4）。
表3SH15 非晶合金变压器与S11 硅钢变压器的节能效果比较
容量/kVA产品系列空载损耗/W负载损耗/W年运行能成本/元年节约电费/元 500SBH16240515064952116S1168051508611-
表4站用变全寿命周期分析选型
站用变压器型号SH15500kVAS11500kVA一次投资成本（IC）（万元）8.86.230年运行成本（OC）（万元）19.9525.83中断供电损失成本（FC）（万元）6.06.0报废成本（DC）（万元）-0.013-0.062LCC=IC+OC+FC+DC（万元）34.73737.968LCC价差（万元）03.231
由表4可知，从全寿命周期考虑，选用非晶合金变压器较为经济，SH15 型三相油浸式非晶合金铁心变压器与S11 型三相油浸式变压器相比，年运行成本平均降低24.57%。非晶合金站用变与常规硅钢片铁心站用变相比，非晶合金站用变利用其导磁性能突出的优点，降低了变压器的损耗值，特别是能够降低空载损耗，节能效果明显，适用推广应用。
5结语
本文从节能减排的角度，通过详细的技术经济比较对变电站的主要耗能设备主变、并联电抗器和站用变压器进行了节能选型。
通过比较主变推荐分解运输、现场组装式变压器（ASA），ASA变压器具有三相一体变压器的优点，运输单件重量不超过60t，适用性更为广泛，并且损耗比单相变压器低，每年每台主变可以节约电费约14.592万元。
通过比较并联电抗器推荐采用油浸式铁心并联电抗器，油浸式铁心电抗器比干式空芯并联电抗器每台每年可以节约28.5576万元。
通过比较站用变推荐采用非晶合金站用变，与常规硅钢片铁心站用变相比每台每年可以节约0.2116万元。
以国网通用设计A-4方案为例（最终4组750MVA单相变压器，每组主变配两组60MVA的干式空心并联电抗器，3台站用变），主变选用ASA变压器，并联电抗器选用油浸式铁心并联电抗器，站用变选用3台非晶合金变压器，全站每年可以节约电费287.46万元，大大降低了变电站的运行费用，变相给电网企业带来了利润，具有广泛的社会经济效益，ASA变压器、油浸式铁心并联电抗器和非晶合金变压器应该在500kV变电站设计设备选型时优先给予考虑。
参考文献：
[1]国家发展和改革委员会.DL/T5218-2005 220kV-500kV变电所设计技术规程[S].北京：国家发展和改革委员会，2005.
[2]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册电气一次部分[S].西安：水利电力部西北电力设计院，1989.
[3]国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会.GB/T 6451-2008油浸式电力变压器技术参数和要求[S].北京：国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会，2008.
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电压比较器范文5
关于压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代。美国G．E．Motorola Zenith公司的Rosen在1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本工作原理，并成功地制备出长条形单片压电陶瓷变压器。但由于这种单片变压器使用的是压电性能较差的BaTiO3陶瓷材料，加上工艺不完善，升压比很低，成本又很高，故当时没有引起人们的重视。后来，随着PZT系、三元系和四元系等压电陶瓷材料的陆续出现，在20世纪70年代末和80年代初，压电陶瓷变压器开始进入实用化。从20世纪90年代末期开始，压电陶瓷变压器得到了蓬勃发展和比较广泛的应用。
1 压电陶瓷变压器的基本结构及工作原理
压电蜂鸣器和压电点火棒是人们较熟悉的两种压电陶瓷产品。压电蜂鸣器是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的，给其加上电信号，压电陶瓷将产生振动而发出声音；压电点火棒是利用压电陶瓷的正压电效应工作的，给其加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。这两种器件的能量转换形式是电能与机械能之间的单向转换，而压电陶瓷变压器则是在同一压电陶瓷上同时利用正和逆的压电效应来进行工作的，即经过电能机械能和机械能电能的两次能量变换。压电陶瓷变压器输入端和输出端的振动模式是不同的，因此压电陶瓷变压器实际上是一种特殊的压电陶瓷换能振子。
压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构，其中最简单和最为常用的是Rosen型单层长条形结构，如图1所示。
由该图可知，压电陶瓷变压器由两部分组成，其中左半部分的上下两面都有烧渗的银电极，沿厚度(即从上到下)方向极化，作为输入端，这部分称为驱动部分；右半部分的端头烧渗了银电极，沿长度方向(即从左到右)极化，作为输出端，这部分称为发电部分。当交变电压Uin加到压电陶瓷变压器的输入端时，只要交变电压频率与压电陶瓷的谐振频率一致，就会通过逆压电效应使变压器产生沿长度方向上的伸缩振动，使输入的电能转化为机械能；而发电部分通过正压电效应使机械能转换为电能，产生电压输出。实际上，压电陶瓷的左半部分相当于蜂鸣器，右半部分则类似于点火棒。图1所示的压电变压器的长度大于厚度，如果输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，则为升压型变压器。这种变压器在几伏或几十伏的输入电压下，可以产生数千伏的输出。在空载状态时，压电变压器的开路升压比N为
当材料一定时，Qm、k31和k33均为常数，压电变压器的变压比N仅由L和t之比决定。由于QmL/t可以很大，因此可以制作升压比足够大的压电陶瓷变压器。
利用与图1所示的Rosen变压器相似的结构，可以制备如图2所示的压电陶瓷降压变压器。这种降压变压器是将图1中所示的发电部分作为驱动部分，将驱动部分作为发电部分。通过这种变换，发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出电压降低，电流增加。
压电陶瓷变压器除了利用横向振动模式的器件结构形式外，还可利用径向振动、厚度振动、弯曲振动等振动模式来设计和制造其他形式的压电变压器。利用厚度振动模式和径向振动模式，同样可以设计降压或自耦降压压电陶瓷变压器。
压电陶瓷材料是一种脆性材料。为保障压电陶瓷变压器的机械强度，陶瓷片不能做得太长或太薄，因此限制了升压比的提高。为了提高升压比，人们将多层片式电容器( MLCC)的成熟工艺移植到压电陶瓷变压器的制备中，于是在20世纪90年代末，多层独石型和片式压电陶瓷变压器陆续被推向市场。
图3所示为多层片式陶瓷结构示意。这种叠层结构中的相邻两层陶瓷在厚度方向上的极化方向是相反的，各内电极间采用叉指方式交替地连接。在多层压电陶瓷的总厚度与单片内电极 压电陶瓷的厚度相同的情况下，与单片压电陶瓷相比，N层压电陶瓷的等效压电系数(d33)则提高3N倍，电流量增加N2倍，电压将下降N倍（因陶瓷承受的电场相同）。将这种陶 瓷结构用于压电陶瓷变压器的驱动和发电部分，可以通过陶瓷层数来改变变压器的输入和输 出阻抗，从而改变变压比和电流比。
2 压电陶瓷变压器的特性
压电陶瓷变压器的电特性参数有输出功率（功率密度通常为15～20W/cm3）、输入／输 出电压、工作频率、负载阻抗、功率转换效率、器件尺寸和工作温度（通常低于60℃）等。
压电陶瓷变压器具有以下一般特性：
(1)压电陶瓷变压器输出电压的高低与频率直接相关，其输出电压只有在谐振频率附近（fr±lkHz内）才达到最大值；若偏离谐振频率，电压下降的幅度就很大。这是压电陶瓷变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在较宽的频率范围内工作。压电陶瓷变压器的、谐振频率会随温度的变化而变化，当环境温度发生变化或变压器工作时因自身机械和介质损耗而发热时，都将引起谐振频率的漂移。当用固定信号激励时，谐振频率的漂移会引起输入电压的变化，从而影响高压电源的稳定工作。因此，在应用中，相应的驱动电路必须具有频率自反馈跟踪能力，方能使变压器始终处于最佳工作状态。
(2)压电陶瓷变压器在输入电压一定时，输出电压随负载阻抗的减小而降低。这是由于压电陶瓷变压器的输入阻抗较大（约十几兆欧至数万兆欧）而引起的。因此，在使用压电陶瓷变压器升压的高压电源中，当负载变化后，变压器的输出电压变化较大，即它们的压电调整率差，这时必须在电路中采取补偿措施，以保证电源具有稳定的输出电压。
(3) 一般的线绕变压器的输入阻抗与负载阻抗是成正比的，而压电陶瓷变压器则相反，当减小其负载阻抗时，输入阻抗反而增大。这种输入阻抗与负载阻抗的特殊关系，在压电陶瓷变压器作为高压电源时极为重要。因为当负载短路时，压电陶瓷变压器会自动断电而不被烧毁，这是压电陶瓷变压器的一个优良特点。
(4)压电陶瓷变压器的安装固定与配置对正确使用很重要。压电陶瓷变压器有半波模和全波模两种安装状态，如图4所示。
在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零的地方，否则会严重影响升压比和转换效 率。半波模谐振的支撑点应在压电陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点应在陶瓷片的1/4处。
3 压电陶瓷变压器的特点
压电陶瓷变压器与传统绕线型变压器比较，具有以下特点和优点：
(1)体积小，质量轻，器件几何形状呈超薄(厚度小于4mm)扁平结构，适宜片式化。同时，可根据实际需要制成长度和宽度振动模式的长方体压电变压器及径向振动的圆柱体压电变压器等。
(2)采用阻燃性压电陶瓷制成，不需要铜漆包线和磁心，没有磁饱和现象，不怕潮湿，不怕短路烧毁，安全性好。
(3)工作时是以高频振动的压电方式来实现能量的转换和传输的，不会产生也不受来自外界的电磁干扰。
(4)能量转换效率高，一般可达90％以上，最高可达98％。
(5)输出标准正弦波电压，尤其适用于驱动快速启动的冷阴极荧光灯(CCFL)。
(6)对于低阻负载具有准恒流输出特性，不会产生反峰电压，能对功率放大器起保护作用。
压电陶瓷变压器尽管有许多优点，但也存在一些不足之处，具体表现为：
(1)输出功率较小，单层器件输出功率一般仅为1～2W，多层器件输出功率可达30W。目前成熟产品的输出功率在10W之内，仅适用于小功率和高压小电流领域。
(2)在应用中的配套电路比较复杂，对使用成本和系统可靠性都造成一定影响。
(3)压电陶瓷变压器有一定的谐振频率，当工作频率低于谐振频率时，器件呈电容特性；高于谐振频率时，器件呈电感特性；只有在谐振频率附近时，器件才表现为电阻特性。因此，陶瓷变压器的工作频率受谐振频率的限制，工作带宽较窄，而电磁式变压器不受带宽限制，工作频率范围相对较宽。
4 压电陶瓷变压器的应用及其驱动电路
(1)应用领域
压电陶瓷变压器适用于高电压、小电流和较低功率的电子仪器和设备中，符合电子产品小型化、轻量化、薄型化、高效化及高可靠等方面的要求。全球信息产业日新月异，对压电陶瓷变压器提出了巨大的市场需求。
目前，压电陶瓷变压器主要用于电压升压和降压两个方面。压电陶瓷升压变压器的主要应用领域有冷阴极荧光灯驱动电路、液晶显示器、小功率激光管、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中；降压型压电陶瓷变压器主要用于各种小型AC/DC和DC/DC模块电源、手提充电器和手机、摄像机等便携式产品的AC/DC适配器。从目前的情况看，压电陶瓷降压变压器的发展和应用滞后于压电陶瓷升压变压器。
(2)基本驱动电路
在20世纪90年代中后期之前，人们利用当时现有的资源，大多采用开关电源通用PWM控制器IC再附加电路来驱动压电陶瓷变压器。后来随着压电陶瓷变压器的迅速发展和日益广泛的应用，使世界各大半导体公司看到了商机．纷纷开发并推出了压电陶瓷变压器专用驱动IC。这些IC具有较宽的输入电压范围，能自动完成频率扫描和跟踪，以使压电变压器工作在准谐振状态。此类驱动IC有很多，如HLMM936、UCC3976、UCC3977和DIT8545等。
压电陶瓷变压器的驱动电路有单开关单端驱动方式、关推挽和半桥驱动方式及四开关全桥驱动方式等几种，其中单开关电路拓扑仅适用于驱动小功率压电陶瓷变压器，电路结构比较简单。
1)高压电源用单端驱动电路。图5所示为高压电源电路。该电路是一种DC/DC升压变换器拓扑，压电陶瓷变压器TC用作升压转换器件。控制器IC的振荡器频率能跟踪TC的谐振频率，IC的输出PWM信号驱动互补配置的晶体管VT1和VT2。当IC输出高电平时，VT1导通，UCC经限流电阻R和VT1对MOSFET (VT3)的栅极电容Cgs充电。当VT3、栅极电压达到开启电平时，VT3导通，电流通过电感器L使其储存能量。当IC输出低电平时，VT1截止，VT2导通，VT3截止。在VT3截止时，在L中产生反电势加至TC的输入端，脉冲幅度为UCC的2倍左右。TC输出端上产生的高频正弦波电压经VD1、VD2和电容器C整流滤波，输出一个DC高压(约3000V)。Ra、Rb为取样电阻分压器，在Rb上的采样信号反馈到IC，使高压输出稳定在设定值上。TC为KH3005型压电陶瓷变压器，尺寸为30mm×5mm×2.6mm，额定输出功率为3.5W，谐振频率为55kHz，输入电容为180pF，输出电容为26pF。
表1列出了MPT系列压电陶瓷变压器的尺寸与参数，供选用时参考。
电压比较器范文6
图1,这一电荷泵电路利用模拟开关来获得超低静态电流。
电荷泵利用交流耦合技术将能量从转移电容器传送到储能电容器。转移电容器首先通过模拟开关充电到VBATT电平,然后其它模拟开关将能量传送到接在VOUT上的储能电容器。接着,转移电容器再次充电,并周而复始进行下去。由于理想模拟开关的损耗为零,VOUT电平就等于VBATT的两倍。但是,不出所料,模拟开关的有限导通电阻产生的输出电平是随负载电流下降而下降的。图1所示的基本稳压电荷泵包含一个振荡器、几个模拟开关、一个电压基准和一个比较器。比较器起到电压监控器和振荡器的作用。当电路在稳压时,比较器的输出为低电平,从而使NC开关关闭,并使C1充电至VBATT。当VOUT的电压下降到低于输出稳压阈值(本例中为3.3V)时,比较器的输出变为高电平。NO(常开)开关关闭,从而将C1的电荷转移到C2。这种循环会反复进行下去,直到VOUT再次获得稳压状态。
电阻器R3~R5为振荡提供了必要的迟滞。这3只电阻器的阻值为1 MΩ,能产生可观的迟滞,并使BATT的载荷降到最低。当比较器输出改变状态时,反馈电阻器R5会改变你加到比较器的正输入端的阈值,由此产生迟滞。当电阻值如图所示,基准值为IC1的标称值(1.182V),VBATT=3V时,VIN+阈值就在VIN+(低)=0.39V和VIN+(高)=1.39V两个近似值之间摆动。当电路正在稳压时,VIN-略微超过VIN+,比较器输出为低电平,R1-R2分压器检测VOUT的电压,而VIN+的阈值很低(0.39V)。在VIN+为0.39V的情况下,你可以根据公式VIN+=VOUT[R2/(R1+R2)]计算出R1和R2的阻值。为了使VBATT的载荷降到最低,R1+R2的电阻值应该大于1 MΩ。如果VOUT=3.3V,而R2为2.2 MΩ,则R1为301 kΩ。电容器C3连接到比较器的VIN-输入端。C3与R1和R2一起按照下面的简化关系设定振荡频率:tDISCHARGE=tLOW =-(R2C3)ln[(VIN+(LOW))/(VIN+HIGH))];tCHARGE=tHIGH=-(R2C3)ln[1-(VIN+(HIGH)-VIN+(LOW))/(VBATT-VIN+(LOW)];以及fOSC=1/tPERIOD,其中tPERIOD=tLOW+tHIGH。
