1、大型低溫液化天然氣鋼筋混凝土儲罐預(yù)應(yīng)力設(shè)計與施工技術(shù) 上海電力建筑工程公司 束廉階 施廣明 呂游州 鄭潔 同濟大學(xué)建筑工程系 顧煒【摘要】 綜述液化天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易與儲存設(shè)備概況。結(jié)合上海LNG事故備用站項目，介紹大型液化天然氣儲罐預(yù)應(yīng)力混凝土外罐國外設(shè)計的特點，以及大噸位群錨預(yù)應(yīng)力后張施工技術(shù)。 1 概述由于國際油價長期居高不下，也使得全球?qū)Ω鍧嵞茉吹男枨笤鲩L強勁。據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，天然氣是21世紀消費量增長最快的能源，占一次性能源消費的比重將越來越大。預(yù)計2010年前后，天然氣在全球能源結(jié)構(gòu)中的份額將超過煤炭，2020年前后，將超過石油，成為能源組成中的第一能源。天然氣的儲量豐富，為天

2、然氣工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的提供了根本條件，但是大的天然氣資源大都蘊藏在荒漠地區(qū)，與能源消費市場相距很遠，中間還常常有大面積的海洋和復(fù)雜的地形地貌阻隔。長距離鋪設(shè)管道，甚至越洋氣態(tài)輸送天然氣常常要受到成本與技術(shù)問題的制約。液化天然氣(LNG)的出現(xiàn)為天然氣的長距離輸送提供了一種經(jīng)濟、可行的方法。LNG是在常壓下將天然氣通過一定的制冷循環(huán)冷卻到-162左右變成液體，其體積約為常溫常壓下氣態(tài)天然氣的1/600。LNG是天然氣特有的運輸和儲存形式，它有利于天然氣的遠距離運輸，與管道輸送相比，降低了輸送成本，供氣更加靈活；等質(zhì)量LNG要比的常溫常壓下氣態(tài)天然氣體積小得多，降低了天然氣的儲存成本。1.1 LNG的

3、生產(chǎn)天然氣液化過程包括兩個階段，首先原料氣進行凈化處理脫出其中的H2S、CO2、水分、Hg等雜質(zhì)，以免它們在低溫下凍結(jié)而堵塞和腐蝕設(shè)備和管道。凈化過的原料氣經(jīng)過制冷循環(huán)冷卻得到液化天然氣。我國從20世紀60年代開始著手LNG的研究，目前在全國建成了多座液化天然氣裝置。1.2 LNG貿(mào)易1964年，世界上第一座LNG工廠在阿爾及利亞建成投產(chǎn)。同年，第一艘載著1.2104t LNG的船駛往英國，標(biāo)志著世界NLG貿(mào)易的開始。據(jù)BP公司2002年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，世界LNG總貿(mào)易量己從1964年的8萬噸上升到2001年的10359萬噸，年均增長率高達22%。1.3 LNG接收站LNG通過遠洋運輸?shù)竭_進口國，

4、需要有專門的接受終端對LNG進行儲存、再氣化。截至2003年，世界上在運行的LNG接收站有38個，它們分布在11個國家，其中日本有23個。為了滿足國內(nèi)特別是東南沿海發(fā)達地區(qū)日益增長的能源需求，我國也在大力發(fā)展液化天然氣工業(yè)，并且從國外引進LNG。我國第一個LNG接受終端建于廣東深圳。福建LNG接受終端已于2005年4月5日開工，工程分兩期建設(shè)，一期工程年接受能力為260萬噸LNG，計劃2007年底建成投產(chǎn)；二期工程規(guī)模500萬噸LNG/年。上海LNG事故備用站已建成一座2104m3儲罐，在建2座5104m3儲罐?，F(xiàn)在國內(nèi)正在建設(shè)或擬建的LNG接受站還有珠江LNG接收站、浙江寧波LNG接收站和青

5、島LNG接受站。1.4 LNG儲罐在LNG生產(chǎn)工廠和接受終端都設(shè)有相應(yīng)的LNG儲罐，這些LNG儲罐一般都是容量在1104m3以上的大型儲罐。據(jù)2001年日本配管技術(shù)報道，截至2001年世界LNG液化基地和接收基地62處中，共有309座LNG儲罐，其中日本168座，其它地區(qū)142座。儲罐容量：20世紀70年代前為6104m3以下；90年代超過6104m3，以10104m3的儲罐為主，12104m3以上的儲罐占44%，最大的是日本根岸LNG接收終端和扇島LNG接收終端的地下儲罐，容量達20104m3。LNG儲罐的設(shè)置的形式可分有地上式，地下式，半地下式和坑內(nèi)式幾種。1）地上式儲罐地上式儲罐的結(jié)構(gòu)型

6、式有單容積式罐、雙容積式罐、全容積式罐以及薄膜罐。2）地下式儲罐地下式儲罐是指罐內(nèi)LNG最高液位在正常操作時不超過地表高程。液體所處高度低于地面標(biāo)高，LNG地下儲藏罐對于儲藏低溫易燃的LNG具有內(nèi)在的安全性。地下式儲罐外層一般采用鋼筋混凝土支撐土壓力及地下水壓力，內(nèi)層采用不銹鋼薄膜，內(nèi)外層之間填充保溫材料。在儲罐內(nèi)部安裝有保溫層，以保持罐內(nèi)的低溫條件以及薄不銹鋼膜片的液/氣密性。罐頂一般呈圓弧型，為普通鋼材，也有在外層再加一層鋼筋混凝土的。復(fù)合圓頂放置在邊墻上，隔斷空氣并保持內(nèi)部氣壓力。在罐側(cè)與罐底周圍，設(shè)有供熱系統(tǒng)以便控制地下凍結(jié)。LNG地下儲罐具有以下優(yōu)點：容積大，占地少，多個儲罐可緊密布

7、置，對站周圍環(huán)境要求較低，安全性高，儲存液體不易溢出，具有防災(zāi)害性事故的功能，適宜建造在人口密集地區(qū)和海灘回填區(qū)上。但投資大，建設(shè)周期長。3）半地下式儲罐在某些情況下，為避免大量的土方開挖，或者由于土地使用的限制而將地下式儲罐的結(jié)構(gòu)并未完全置于地表以下，LNG最高液面并不要求在地表高程以下，此種形式稱為半地下式儲罐。半地下式儲罐除了土方開挖作業(yè)以外，規(guī)劃及設(shè)計因素絕大部分與地下式儲罐的條件相似，因此可參見地下式儲罐的相關(guān)資料。至于是否設(shè)置安全護堤則沒有一致性的意見，因為輸送管線的漏裂是否須以護堤來區(qū)隔，各國規(guī)定并不一致。4）坑內(nèi)式儲罐坑內(nèi)式儲罐類似于地下式儲罐，只是其鋼筋混凝土外層不直接與土層

8、相接，而是另外使用鋼筋混凝土構(gòu)筑一坑體，儲罐居其中間。儲罐的型式可參見地上式儲罐的各種型式，而擋土的坑體一般由鋼筋混凝土構(gòu)筑，其規(guī)劃和設(shè)計可參考地下式儲罐。由于坑內(nèi)式儲罐同時具有地上式儲罐的槽體結(jié)構(gòu)，又同時具有地下式儲罐的操作及安全性，因此其建造費用相對較昂貴。日本廣島燃氣公司的一座8.5萬方的坑內(nèi)式儲罐是日本第一座坑內(nèi)式儲罐。5）LNG儲罐內(nèi)罐的材料及保溫層材料由于LNG是-162的超低溫液體，所以要求直接與LNG液體接觸的內(nèi)罐的材料能夠滿足低溫塑性的要求，而且能克服由常溫降至低溫時的脹縮問題。一般常用于建造LNG內(nèi)罐的材料主要有：9%鎳鋼，鋁合金和珠光體不銹鋼等鋼材。LNG儲罐常用的保溫材

9、料主要有聚胺基甲酸酯、聚本乙烯泡沫塑料、玻璃纖維、軟木或珠光砂等。保溫材料的選擇須視LNG內(nèi)槽為金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材以及保溫材料的鋪設(shè)位置而定。如果以金屬薄膜為內(nèi)槽，裝設(shè)在儲罐底部及側(cè)部的保溫材料除應(yīng)具有高斷熱性能外，亦須具有承受液壓、氣壓及施工載重的強度與剛性。如果以自立式耐低溫鋼材為內(nèi)槽，此時，儲罐底部仍須使用具有承受液壓、氣壓及施工載重的保溫材料，對于儲罐側(cè)邊則可使用較不具抗壓強度的保溫材料。不論以金屬薄膜或自立式耐低溫鋼材為內(nèi)槽，對于罐頂?shù)谋夭牧?，因不須承受液壓與氣壓，所以均可采用不具抗壓強度的保溫材料。圖1 LNG筒體總圖2 上海50000m3 LNG儲罐外罐結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1

10、工程概況上海LNG事故備用站工程共擴建250000m3LNG儲罐，屬于地上式全容積罐，要求在-165的低溫儲存LNG，可承受230mbar氣壓。儲罐安全設(shè)計的第一道設(shè)防是9%鎳鋼筒，第二道設(shè)防為混凝土壁內(nèi)襯鋼板(Q235)，第三道設(shè)防為預(yù)應(yīng)力混凝土筒體以防止液體泄漏。LNG筒體內(nèi)徑54.8m，外徑56.1m，壁厚0.65m，內(nèi)壁高度29.3m，上面形成環(huán)梁及穹頂，穹頂半徑R=54.8m，矢高7.342m，穹頂厚度400mm。筒體支承在樁基上，底板厚度0.91.2m，直徑59.1m。底板與零米地坪架空1.5m，樁基采用286根800PHC AB型樁，樁長57m。國內(nèi)目前無指導(dǎo)LNG儲罐設(shè)計的相關(guān)

11、規(guī)范，國際上LNG儲罐設(shè)計的有關(guān)規(guī)范主要是英國標(biāo)準(zhǔn)BS7777和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1473，兩者全容罐的內(nèi)容基本一致。LNG儲罐區(qū)平面和消防設(shè)計主要執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1473或美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA59A。筒體預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用C40混凝土（包括底板、筒體、穹頂；墊層C20），HRB400級普通鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋采用符合ASTM A416標(biāo)準(zhǔn)的270級鋼絞線，強度1860N/mm2，直徑15.2mm，1000h松馳率最大2.5%。水平或豎向錨具采用VSLGC6-12錨具或等效錨具及水平錨栓為12S15.2等級，豎向錨栓12S15.2等級。水平套管采用波紋管1D/0D=80/87mm；豎向管采用鍍鋅鋼管1D/0D=8

12、2.9/88.9mm。2.2 外罐抗?jié)B設(shè)計荷載設(shè)計荷載如表1。表1 外罐設(shè)計荷載項目取值設(shè)計壓力操作：-15+230mbarg設(shè)計溫度（泄漏：-168）液體比重LNG（泄漏：480kg/m3）設(shè)計風(fēng)速V25.0m/s地震峰值加速度水平方向O.B.E：0.118m/s2，S.S.E：0.206 m/s2豎直方向O.B.E：0.074 m/s2，S.S.E：0.148 m/s2設(shè)計環(huán)境溫度平均：+15.7，夏季：+27.5，冬季：+6.9試驗壓強+2301.25mbarg注：O.B.EOperating Basis Earthquake，運行基準(zhǔn)地震；S.S.ESafe Shutdown Eart

13、hquake，安全停運地震。外罐設(shè)計荷載包括：永久荷載，活荷載，氣壓，LNG液體壓力，預(yù)應(yīng)力，溫度（泄漏），泄漏荷載等。壓力分布見圖2。圖2 外罐罐壁的LNG液體壓力作用于儲罐基礎(chǔ)上的LNG液體壓力見圖3，其中q1=139.5kN/m2，q2=160.5kN/m2，q3=158.1kN/m2，包括了作用在鋼襯、內(nèi)罐和保溫層上的活荷載。圖3 儲罐基礎(chǔ)的LNG液體壓力2.3 預(yù)應(yīng)力設(shè)計為抵御各類荷載和作用，在外罐布置預(yù)應(yīng)力筋，張拉后在罐體混凝土中建立合理的預(yù)壓應(yīng)力，以保證LNG不至外泄。沿罐壁環(huán)向水平布設(shè)52道有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，抵御罐體中的環(huán)向拉力；設(shè)扶壁柱4個，供預(yù)應(yīng)力筋后張錨固用。每道內(nèi)含S15

14、.2鋼絞線12根，由2段曲線筋組成，每段的包角為180，相互在扶壁柱上交叉搭接，張拉端上下錯開，有利于罐壁均勻受力。環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋分為A、B、C、D4組，AB、CD組分別在同一水平面上包圍整個筒體，AB組在扶壁2、4上張拉錨固，CD組在扶壁1、3上張拉錨固，AB和CD組在高度方向上間隔布置。沿罐壁高度方向布置52道U型力筋與直線型力筋，在罐頂張拉與錨固，抵御豎向彎曲應(yīng)力。設(shè)計采用的預(yù)應(yīng)力與氣壓+LNG液體泄漏壓力的關(guān)系見圖6。由于本結(jié)構(gòu)體量巨大，預(yù)應(yīng)力數(shù)量多且布置復(fù)雜，因此需慎重考慮施工順序。本結(jié)構(gòu)設(shè)計中提出了兩種可供選擇的施工順序。依據(jù)常規(guī)順序，在鋼制罐頂氣舉前先張拉罐壁的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋；罐頂氣

15、舉后，水壓測試前張拉一半的豎向預(yù)應(yīng)力；關(guān)閉外罐壁臨時開孔后張拉剩余的豎向預(yù)應(yīng)力。另一種可縮短工期，在罐頂氣舉后立即張拉罐壁的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋，其后與第一種方法相同。在其后的施工過程中采用了第二種方法并順利完成。圖4 預(yù)應(yīng)力水平布置圖（點擊可看大圖）圖5 壁體豎向預(yù)應(yīng)力筋線形圖6 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)圖（點擊可看大圖）2.4 結(jié)構(gòu)計算泄漏工況下的荷載組合：永久荷載+0.5活荷載+氣壓+LNG液體壓力+預(yù)應(yīng)力+溫度（泄漏）+泄漏荷載依據(jù)BS8110，需考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。采用有限元分析軟件FINAL對結(jié)構(gòu)建模計算，采用4節(jié)點殼單元模擬混凝土外罐，溫度應(yīng)力分析假定為穩(wěn)態(tài)溫度場。計算得到內(nèi)力后依

16、據(jù)規(guī)范公式進行各項驗算。結(jié)果顯示，本工程在LNG內(nèi)罐泄漏的荷載組合作用下正常使用極限狀態(tài)和臨界極限狀態(tài)均可得到滿足。外罐罐壁混凝土受壓區(qū)的最小范圍13.2cm（高度5.25m處），最小平均壓應(yīng)力3.7N/mm2，大于設(shè)計限值。最大裂縫寬度為0.11mm，小于0.3mm限值。外罐體在承載能力極限狀態(tài)下的安全性指標(biāo)(SF=LF/LC)均小于1，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。3.2 預(yù)留孔道施工在砼澆筑之前按設(shè)計圖紙要求預(yù)埋孔道，豎向埋管采用813mm的無縫鋼管，連接方法為承插式，一頭鋼管用擴孔機擴孔，并在接頭處套塑料套管，熱壓封閉，用井字型圓鋼固定在位置上。環(huán)向預(yù)埋管是用金屬波紋管80mm內(nèi)徑，管壁厚度0.3

17、mm，波紋高度單波2.5mm，雙波3.5mm，接頭并用塑料套管熱壓，波紋管固定位置用12mm圓鋼短筋成井字架500mm一道沿砼筒體園周的孔道長度埋設(shè)，井字梯格與主筋扎牢。3.3 預(yù)應(yīng)力筋穿束力筋孔道穿束采用VSL專利的穿束機，每孔12根T15S鋼絞線是以單根進行逐根穿束的，VSL穿束機是由高壓油泵驅(qū)動液壓電動機使穿束機上驅(qū)動輪傳動，靠機械壓緊裝置壓住鋼絞線，借助摩擦力推動鋼絞線穿入孔中，鋼絞線穿速率為5-15m/min。3.4 張拉順序張拉順序采用先豎向后環(huán)向方式進行張拉，為考慮施加應(yīng)力時產(chǎn)生應(yīng)力集中處的砼裂縫，故宜采用豎向筋間隔對稱張拉，即先拉占總數(shù)72束中的25%的18束豎向筋，其次再拉環(huán)

18、向頂部五圈預(yù)應(yīng)力筋，然后再進行其余的豎向筋對稱張拉，最后自上而下的環(huán)向張拉，其順序如下：豎向18孔張拉頂部向下環(huán)向5孔張拉豎向51孔張拉環(huán)向由上而下30孔張拉門洞處豎向3孔張拉門洞處環(huán)向3孔張拉。 階段1 階段2 階段3 (a)常規(guī)順序 (b)快速施工順序 圖7 預(yù)應(yīng)力施工順序 圖8 預(yù)應(yīng)力施工順序 3.5 張拉方式 垂直張拉采取分階段，對稱進行的一端張拉，即下端固定穹頂圈梁上張拉。環(huán)向水平預(yù)應(yīng)力筋共38束，每束由12T15S組成，環(huán)向的張拉采取由上而下的兩端張拉，張拉與錨固均在相鄰兩扶壁柱上的不同部位上進行工作。環(huán)向預(yù)應(yīng)力束每束包角為240，每相鄰兩束的錨固端錯位90，預(yù)應(yīng)力束之間的間距，當(dāng)

19、0+10.26m標(biāo)高時，水平鋼絞線間距為0.51m，當(dāng)+10.26+29.3m標(biāo)高時，間距為1.01.6m，水平環(huán)向總拉力8223t。 3.6 孔道灌漿 在預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)中，特別是后張法預(yù)應(yīng)力孔道灌漿是保護預(yù)應(yīng)力鋼筋不受銹蝕，使預(yù)應(yīng)力鋼材與結(jié)構(gòu)連成一體的一個關(guān)鍵。對于特殊工程如核電廠、天然氣貯罐等安全殼體中后張拉法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的豎向、環(huán)向曲線孔道灌漿施工技術(shù)要求較高，一般通過工藝性能試驗，再上工程應(yīng)用。 灌漿漿體根據(jù)中國規(guī)范GB50204-92有三項指標(biāo)： （1）灌漿水泥標(biāo)號不低于P42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿和砂漿強度均不應(yīng)小于20N/m2。 （2）水泥漿水灰比宜0.4左右。 （3）

20、水泥漿拌后三小時，泌水率宜控制在2%，最大不超過3%。 根據(jù)上海LNG工程法方施工指導(dǎo)書，主要指標(biāo)： （1）水泥漿、水灰比0.360.4。 （2）水泥漿垂直孔道分兩次壓漿，第二次壓漿最大壓力18Bar，當(dāng)砂漿充滿上罐（即穹頂有一個50升的樣本儲罐和一個泄流龍頭），其時的馬氏流錐度試驗大于10。 （3）環(huán)向孔道灌漿，僅要求一次灌漿完成，一般情況下壓力不超過10Bar。 法方指導(dǎo)書上未提出泌水率指標(biāo)。 現(xiàn)場孔道灌漿要求在鋼絞線張拉后十五天內(nèi)要進行灌漿，如遇經(jīng)常的結(jié)露，下霧、臺風(fēng)、暴雨等特殊天氣，可以改變時限，但最多不得超過一個月。 3.7 結(jié)語 通過對LNG儲罐的結(jié)構(gòu)后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)總結(jié)，從引進國

21、外先進技術(shù)的觀點看來，我們接觸到法國索弗公司對后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力設(shè)計的概念和VSL公司鋼絞線、錨具、夾具的產(chǎn)品質(zhì)量和他們提供的張拉、灌漿設(shè)備。并了解到在張拉計算中對預(yù)應(yīng)力損失值，例如孔道摩擦系數(shù)，局部偏差的界定，灌漿料的選擇及配合比設(shè)計等，并在張拉、灌漿過程中通過我們的張拉伸長值及張拉順序及灌漿工藝性的驗證，取得了較好的效果。在實際施工中，在預(yù)應(yīng)力材料的特性試驗和在張拉、灌漿的實踐中總結(jié)以下幾點： （1）預(yù)應(yīng)力鋼絞線的原材料試驗結(jié)果統(tǒng)計規(guī)律： 條件屈服強度在267.4269.7KN之間251.1KN標(biāo)準(zhǔn)值的1.07倍。 抗拉強度在289.4293.7KN之間279KN標(biāo)準(zhǔn)值的1.05倍。 延伸率

22、在6.4%7%范圍之內(nèi)3.5%的標(biāo)準(zhǔn)。 彈性模量在1.972.04105Mpa，以上各項指標(biāo)均符合設(shè)計及VSL公司標(biāo)準(zhǔn)的要求。 （2）張拉結(jié)果：在豎向與環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的實際伸長值與計算伸長值均的5%的允許偏差值以內(nèi)，基本符合規(guī)范要求。 （3）灌漿效果：基本符合法方設(shè)計要求。 （4）這次在安全殼預(yù)留門洞處（亦即最后幾束的豎向、環(huán)向鋼絞線張拉），發(fā)現(xiàn)門洞處孔道環(huán)向埋設(shè)形成絞線局部彎折，產(chǎn)生過大的摩阻。張拉伸長值與計算應(yīng)力不符合，而造成超張拉。因法方設(shè)計con=0.8fptk，超張5%后，已接近0.9fptk的鋼絞線材料屈服強度，可能造成斷絲、滑移等現(xiàn)象。故本工程不允許超張拉。同時建議改進在門洞設(shè)

23、計中孔道埋設(shè)的方式。 （5）建議今后建設(shè)單位，業(yè)主方應(yīng)遵守國家規(guī)范規(guī)定或在涉外合同中明確要求執(zhí)行的規(guī)程、規(guī)范及材料和試驗標(biāo)準(zhǔn)的提供，并列出合理的試驗費用，例如規(guī)定在后張法預(yù)應(yīng)力體系中必須做預(yù)應(yīng)力錨具組合件靜載錨固性能試驗，灌漿工藝性能試驗及原材料復(fù)試等，以確保工程質(zhì)量與安全施工。 參考文獻 1 BS 7777：1993Flat-bottomed， vertical， cylindrical storage tanks for low temperature service 2 BS 8110：1997Structural use of concrete 3 CEB-FIP Model Code

24、(1990) 4 張德祥修建世界上最大液化天然氣(LNG)地下儲罐的最新技術(shù)開發(fā)地下空間，1995，3，15(l):7077 5 付道明，孫軍等天然氣預(yù)處理和液化工藝技術(shù)的研究進展石油與天然氣化工，2004，4，33(4):240244 6 束廉階，朱益民，樓海英20000m3液化石油天然氣鋼筋混凝土儲罐后張法預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)建筑施工，2001(12)：100-105永磁交流伺服電機位置反饋傳感器檢測相位與電機磁極相位的對齊方式2008-11-07來源：internet瀏覽：504 主流的伺服電機位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。為支持永磁交流伺服驅(qū)動的矢量

25、控制，這些位置反饋元件就必須能夠為伺服驅(qū)動器提供永磁交流伺服電機的永磁體磁極相位，或曰電機電角度信息，為此當(dāng)位置反饋元件與電機完成定位安裝時，就有必要調(diào)整好位置反饋元件的角度檢測相位與電機電角度相位之間的相互關(guān)系，這種調(diào)整可以稱作電角度相位初始化，也可以稱作編碼器零位調(diào)整或?qū)R。下面列出了采用增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等位置反饋元件的永磁交流伺服電機的傳感器檢測相位與電機電角度相位的對齊方式。增量式編碼器的相位對齊方式 在此討論中，增量式編碼器的輸出信號為方波信號，又可以分為帶換相信號的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，普通的增量式編碼器具備兩相正交方波脈沖輸出信號A

26、和B，以及零位信號Z；帶換相信號的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號外，還具備互差120度的電子換相信號UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。帶換相信號的增量式編碼器的UVW電子換相信號的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察編碼器的U相信號和Z信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信號跳變沿，和Z信號，直到Z信號穩(wěn)定在高電平上（在此默認Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回

27、扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，Z信號都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波器觀察編碼器的U相信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，編碼器的U相信號上升沿與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合，編碼器的Z信號也出現(xiàn)在這個過零點上。 上述驗證方法，也可以用作對齊方法。 需要注意的是，此時增量式編碼器的U相信號的相位零點即與電機UV線反電勢的相位零點對齊，由于電機的U相反電勢，與UV線反電勢之間相差30度，因而這樣對齊后，增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機U相反電勢的-30度相位點對齊，而電機電角度相位與U相反電勢波形的相

28、位一致，所以此時增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機電角度相位的-30度點對齊。 有些伺服企業(yè)習(xí)慣于將編碼器的U相信號零點與電機電角度的零點直接對齊，為達到此目的，可以： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的U相信號上升沿和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使上升沿和過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。

29、由于普通增量式編碼器不具備UVW相位信息，而Z信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直接的相位對齊潛力，因而不作為本討論的話題。 絕對式編碼器的相位對齊方式 絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實都是在一圈內(nèi)對齊編碼器的檢測相位與電機電角度的相位。早期的絕對式編碼器會以單獨的引腳給出單圈相位的最高位的電平，利用此電平的0和1的翻轉(zhuǎn)，也可以實現(xiàn)編碼器和電機的相位對齊，方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計數(shù)位電平信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)

30、整，一邊觀察最高計數(shù)位信號的跳變沿，直到跳變沿準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，跳變沿都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 這類絕對式編碼器目前已經(jīng)被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協(xié)議，以及日系專用串行協(xié)議的新型絕對式編碼器廣泛取代，因而最高位信號就不符存在了，此時對齊編碼器和電機相位的方法也有所變化，其中一種非常實用的方法是利用編碼器內(nèi)部的EEPROM，存儲編碼器隨機安裝在電機軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將編碼器隨機安裝在電機上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸，以及編碼器外殼與電機外

31、殼； 2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機電角度初始相位的EEPROM中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的編碼器內(nèi)部EEPROM中的位置檢測值就對應(yīng)電機電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻的單圈位置檢測數(shù)據(jù)與這個存儲值做差，并根據(jù)電機極對數(shù)進行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機電角度相位。這種對齊方式需要編碼器和伺服驅(qū)動器的支持和配合方能實現(xiàn)，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調(diào)整

32、的根本原因就在于不肯向用戶提供這種對齊方式的功能界面和操作方法。這種對齊方法的一大好處是，只需向電機繞組提供確定相序和方向的轉(zhuǎn)子定向電流，無需調(diào)整編碼器和電機軸之間的角度關(guān)系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機上，且無需精細，甚至簡單的調(diào)整過程，操作簡單，工藝性好。 如果絕對式編碼器既沒有可供使用的EEPROM，又沒有可供檢測的最高計數(shù)位引腳，則對齊方法會相對復(fù)雜。如果驅(qū)動器支持單圈絕對位置信息的讀出和顯示，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示絕對編碼器的單圈位置值； 3.調(diào)整編

33、碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的單圈絕對位置值充分接近根據(jù)電機的極對數(shù)折算出來的電機-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的單圈絕對位置點，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 如果用戶連絕對值信息都無法獲得，那么就只能借助原廠的專用工裝，一邊檢測絕對位置檢測值，一邊檢測電機電角度相位，利用工裝，調(diào)整編碼器和電機的相對角位置關(guān)系，將編碼器相位與電機電角度相位相互對齊，然后再鎖定。這樣一來，用戶就更加無從自行解決編碼器的相位對齊問題了。 個人推薦采用在EEPROM中存儲初始安裝位置的方法，

34、簡單，實用，適應(yīng)性好，便于向用戶開放，以便用戶自行安裝編碼器，并完成電機電角度的相位整定。 正余弦編碼器的相位對齊方式 普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos 1Vp-p信號，相當(dāng)于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復(fù)許許多多個信號周期，比如2048等；以及一個窄幅的對稱三角波Index信號，相當(dāng)于增量式編碼器的Z信號，一圈一般出現(xiàn)一個；這種正余弦編碼器實質(zhì)上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號外，還具備一對一圈只出現(xiàn)一個信號周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號，如果以C信號為sin，則D信號為cos，通過sin、cos信號的

35、高倍率細分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細分后，就可以達到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見；此外帶C、D信號的正余弦編碼器的C、D信號經(jīng)過細分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。 采用這種編碼器的伺服電機的初始電角度相位對齊方式如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察

36、正余弦編碼器的C信號波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號波形，直到由低到高的過零點準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波器觀察編碼器的C相信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 這種驗證方法，也可以用作對齊方法。 此時C信號的過零點與電機電角度相位的-30度點對齊。如果想直接和電機電角度的0度點對齊，可以考

37、慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的C相信號由低到高的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使2個過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。 由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內(nèi)的相位信息，而Index信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直接的相位對齊潛力，因而在此也不作為討論的話題。 如果可接入正余弦編碼器的伺服驅(qū)動器能夠為用戶提供從C、D中獲取的單圈絕對

38、位置信息，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示從C、D信號中獲取的單圈絕對位置信息； 3.調(diào)整旋變軸與電機軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機的極對數(shù)折算出來的電機-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 此后可以在撤掉直流電源后，得到與前面基本相同的對齊驗證效果： 1.用示波器觀察正余弦編碼器的C相信號和電機的UV線反電

39、勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，驗證編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 如果利用驅(qū)動器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲器，也可以存儲正余弦編碼器隨機安裝在電機軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將正余弦隨機安裝在電機上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸，以及編碼器外殼與電機外殼； 2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取由C、D信號解析出來的單圈絕對位置值，并存入驅(qū)動器內(nèi)部記錄電機電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲器中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機軸已定向于電角度

40、相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應(yīng)電機電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻由編碼器解析出來的與電角度相關(guān)的單圈絕對位置值與這個存儲值做差，并根據(jù)電機極對數(shù)進行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機電角度相位。 這種對齊方式需要伺服驅(qū)動器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實現(xiàn)，而且由于記錄電機電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅(qū)動器中，因此一旦對齊后，電機就和驅(qū)動器事實上綁定了，如果需要更換電機、正余弦編碼器、或者驅(qū)動器，都需要重新進行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機和驅(qū)動器的配套關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)變壓器

41、的相位對齊方式 旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是由經(jīng)過特殊電磁設(shè)計的高性能硅鋼疊片和漆包線構(gòu)成的，相比于采用光電技術(shù)的編碼器而言，具有耐熱，耐振。耐沖擊，耐油污，甚至耐腐蝕等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力，因而為武器系統(tǒng)等工況惡劣的應(yīng)用廣泛采用，一對極（單速）的旋變可以視作一種單圈絕對式反饋系統(tǒng)，應(yīng)用也最為廣泛，因而在此僅以單速旋變?yōu)橛懻搶ο?，多速旋變與伺服電機配套，個人認為其極對數(shù)最好采用電機極對數(shù)的約數(shù)，一便于電機度的對應(yīng)和極對數(shù)分解。 旋變的信號引線一般為6根，分為3組，分別對應(yīng)一個激勵線圈，和2個正交的感應(yīng)線圈，激勵線圈接受輸入的正弦型激勵信號，感應(yīng)線圈依據(jù)旋變轉(zhuǎn)定子的相互角位置關(guān)系，感應(yīng)出來具有SIN

42、和COS包絡(luò)的檢測信號。旋變SIN和COS輸出信號是根據(jù)轉(zhuǎn)定子之間的角度對激勵正弦信號的調(diào)制結(jié)果，如果激勵信號是sint，轉(zhuǎn)定子之間的角度為，則SIN信號為sintsin，則COS信號為sintcos，根據(jù)SIN，COS信號和原始的激勵信號，通過必要的檢測電路，就可以獲得較高分辨率的位置檢測結(jié)果，目前商用旋變系統(tǒng)的檢測分辨率可以達到每圈2的12次方，即4096，而科學(xué)研究和航空航天系統(tǒng)甚至可以達到2的20次方以上，不過體積和成本也都非?？捎^。 商用旋變與伺服電機電角度相位的對齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出； 2.然后用示波器觀察旋變的SIN

43、線圈的信號引線輸出； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整電機軸上的旋變轉(zhuǎn)子與電機軸的相對位置，或者旋變定子與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變SIN信號的包絡(luò)，一直調(diào)整到信號包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，信號包絡(luò)的幅值過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效 。 撤掉直流電源，進行對齊驗證： 1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機軸，驗證旋變的SIN信號包絡(luò)過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 這個驗證方法，也可以用作對齊方法。 此時SIN信號包絡(luò)的過零點與電機電角度相位的-30度點

44、對齊。如果想直接和電機電角度的0度點對齊，可以考慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變的SIN信號包絡(luò)的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使這2個過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關(guān)系，完成對齊。 需要指出的是，在上述操作中需有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號中的正半周和負半周。由于SIN信號是以轉(zhuǎn)定子之間的角度為的sin值對激勵信號的調(diào)制結(jié)果，因而與sin的正半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號同相，而與sin的負半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號反相，據(jù)此可以區(qū)別和判斷旋變輸出的SIN包絡(luò)信號波形中的正半周和負半周。對齊時，需要取sin由負半周向正半周過渡點對應(yīng)的SIN包絡(luò)信號的過零點，如果取反了，或者未加準(zhǔn)確判斷的話，對齊后的電角度有可能錯位180度，從而造成速度外環(huán)進入正反饋。如果可接入旋變的伺