CC BY
47
УДК 62-83; 681.513.3
А. В. БУБНОВ Т. А. БУБНОВА П. А. КАТРИЧ
Омский государственный технический университет
СЛЕДЯЩИЙ СИНХРОННО-СИНФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ОБЗОРНОПОИСКОВЫХ СИСТЕМ
В статье проанализирована возможность работы синхронно-синфазного электропривода в переходных режимах без размыкания контура регулирования при изменении сигнала задания. Предложен способ регулирования электропривода и разработан алгоритм работы блока задания частоты, позволяющие повысить качество регулирования. Ключевые слова: синхронно-синфазный электропривод, электропривод с фазовой синхронизацией, блок задания частоты, фазовая автоподстройка частоты.
Синхронно-синфазные электроприводы (ССЭ) находят широкое применение при проектировании обзорно-поисковых и сканирующих систем и устройств, в системах технического зрения современных робототехннческих комплексов, установках фототелеграфной и видеозаписывающей аппаратуры, копировальных установках, что обусловлено их высокими точностными показателями и широким диапазоном регулирования угловой скорости.
Основу ССЭ (рис. 1,гдеБЗЧ - блок задания частоты; ФР - фазирующий регулятор; АУС - логическое устройство сравнения; КУ — корректирующее устройство; ЭД - электродвигатель; ИДЧ -импульсный датчик частоты вращения; ДП - датчик положения) составляет электропривод с фазовой синхронизацией (ЭПФС), построенный на основе принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (1 ].
Благодаря использованию принципа ФАПЧ в электроприводе обеспечиваются (в сравнении с высокоточными цифровыми электроприводами) более высокие точностные показатели за счет следующих факторов:
- требуемая точность импульсного сигнала задания в ЭПФС легко обеспечивается за счет использования кварцевого генератора в блоке задания частоты. вто время как в цифровом электроприводе она достигается за счет значительного увеличения количества разрядов двоичного кода задания, что сильно усложняет систему регулирования;
- в цифровых электроприводах погрешность датчика угла определяется угловым расстоянием между двумя соседними метками, участвующими в формировании младшего разряда выходного цифрового сигнала датчика, а при использовании в электроприводе с фазовой синхронизацией импульсного датчика частоты вращения с тем же количеством меток его погрешность определяется точностью нанесения меток, которая может быть обеспечена значительно выше по сравнению с угловым расстоянием между соседними метками датчика;
- применение принципа ФАПЧ (благодаря использованию логического устройства сравнения)обеспечивает в системе регулирования малую погрешность операции сравнения фаз входных частот Г()П, Г<к. и идеальный астатизм но ошибке по частоте вращения.
В электроприводе, построенном на основе принципа ФАПЧ, обеспечивается синхронный режим работы и легко реализуется синфазный режим работы. в котором осуществляется установка начального положения (фазирование) вала электродвигателя (импульсы Р(Х. на выходе ДП) по отношению к специальным импульсам угловой привязки Роп (2), Обычно реализуется алгоритм последовательной стыковки во времени процессов синхронизации и фазирования. Быстродействие такого алгоритма может быть получено достаточно высоким вследствие релейного алгоритма управления на интервале синхронизации в режимах насыщения АУС.
Принцип ФАПЧ позволяет обеспечить высокую точность регулирования электропривода только в режиме стабилизации выходной координаты, что в определенной мере сдерживает его применение в обзорно-поисковых системах с частой перестройкой частоты вращения из-за значительной потери информации в переходных режимах.
Целью статьи является исследование возможности работы ССЭ в переходных режимах без размыкания контура ФАПЧ при скачкообразном изменении сигнала задания. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ№08-08-00372-а.
Изменение рабочей частоты вращения обычно осуществляется путем формирования нового значения кода N (рис. 2). соответствующего требуемому значению задающего сигнала Гоп в БЗЧ. Рациональными способами управления ССЭ при его отработке следует считан, такие, при реализации которых АУС остается в режиме фазового сравнения на время переходного процесса в электроприводе (3).
В работе |4] предлагается структурная схема системы следящих синхронно-синфазных электроприводов, исключающая несиифазные состояния валов электродвигателей при отработке скачка сигнала задания (рис. 2, где ГВЧ - кварцевый генератор высокой частоты Гр ДЧI и ДЧ2 - управляемый кодом N и неуправляемый делители частоты; ПЧ - преобразователь частоты).
В установившемся режиме валы электродвигателей всех ССЭ вращаются синхронно с частотой (оп и синфазно с импульсами угловой привязки Р()П, формируемыми на выходе ДЧ2.
Рис. I. Структурная схема синхронно-синфазного электропривода
I I
ссэ/
со,, а,.
Рис. 2. Структурная схема системы следящих синхронно-синфазных электроприводов
При изменении кода задания N происходит изменение частоты Гд,|, на «ходе ПЧ, представляющего собой контур ФАПЧ, и результате АУС преобразователя частоты входит в насыщение и его выходная частота f()n начинает линейно нарастать или убывать в зависимости от знака изменения N. Темн изменения частоты определяется параметрами ПЧ и выбирается из условия ограничения угловой ошибки электропривода в переходном режиме пределами линейной зоны работы АУС. Частота выходного сигнала ДЧ2 Роп. пропорциональная Гоп, также линейно увеличивается (уменьшается) во времени. В результате все электроприводы будут синхронно и синфаз-но разгоняться (тормозиться).
Когда выходная частота ПЧ fon сравняется с частотой Гл<|1, замкнется контур обратной связи преобразователя частоты, и его выходная частота стабилизируется на уровне, определяемом кодом задания N. Выходные сигналы БЗЧ Гопи Fon примут постоянные значения и валы электродвигателей в ССЭ,, ССЭГ.., ССЭ, будут продолжать синхронное и син-
фазное вращение как по отношению друг к другу, так и по отношению к сигналам задания.
Недостатком рассмотренного способа построения системы синхронно-синфазных электроприводов является то, что задающий сигнал їоп в режиме стабилизации частоты вращения формируется на выходе преобразователя частоты, вносящего более значительную погрешность в формирование сигнала (оп по сравнению с погрешностью выходного сигнала кварцевого генератора.
В работе |5) предложена схема ССЭ, в котором обеспечивается как высокая стабильность задающей частоты в режиме стабилизации угловой скорости, так и возможность перестройки частоты вращения электропривода без выхода из синхронного режима работы. Структурная схема ФРсинхронно-синфазного электропривода (рис. 1) приведена на рис. 3, где БУ - блок управления; УК - управляемый ключ.
В данной схеме ключ УК. управляемый сигналом Ф с выхода БУ фазирующего регулятора, в режиме стабилизации частоты вращения подключает на вход
Рис. 4. Временные диаграммы работы блока задании частоты
Рис. 5. Алгоритм работы блока задания частоты
электропривода с фазовой синхронизацией высоко-стабилышй сигнал 1()П. В режиме перестройки частоты вращения ко входу электропривода подключается последовательность импульсов 1д, частота следования которых линейно нарастает (при наличии высокого уровня сигнала Рдля режима разгона) или линейно убывает (при наличии высокого уровня сигнала Т для режима торможения).
Недостатком данного способа регулирования является то, что при перестройке частоты вращения электропривод выходит из синфазного режима работы, и возникает необходимость последующего его фазирования, что приводит к потере информации о сканируемом объекте.
Таким образом, известные способы управления прецизионным синхронно-синфазным электроприводом не позволяют обеспечит», одновременно высокую точность его работы в установившемся режиме и возможность перестройки частоты вращения электропривода в широком диапазоне без потерн информации о сканируемом объекте. В то же время, поскольку типичным алгоритмом работы ССЭ в обзорно-поисковых системах является монотонный закон изменения частоты вращения с небольшой скоростью (6), возможна реализация такого способа его регулирования, при котором ЛУС всегда будет оставаться в режиме фазового сравнения с ограничением угловой ошибки в заданных пределах (7|.
Проанализируем влияние значения кода N на параметры выходных сигналов БЗЧ (рис. 2) |8|. По условиям назначения БЗЧ, частота (оп на его выходе
должна изменяться в диапазоне от ГОПяи„ ** (х-пт,п)/60 до Г,)Г1|Вв," <2-пиы.)/60, где г — количество меток ИДЧ; пч.н. и п,м. “ минимальная и максимальная рабочая частота вращения электропривода. В зависимости от значения кода Ы( на выходе ДЧ1 можно получать импульсные последовательности (оа1 с периодами:
т,
Для изменения частоты вращения вала электродвигателя от ппш1 до ппа1 коэффициент деления N ДЧ 1 должен изменяться в диапазоне от М1Пв1 до Г^а|1П, определяемом в соответствии с выражениями:
N.
При изменении коэффициента деления на единицу выходная частота БЗЧ изменится на величину:
ТГ-
1
і
/V, N,+1
(і)
так как минимальное значение кода N выбирается из условия Г1^ >> 1 с целыо ограничения величины скачкообразного изменения ДГ допустимым значением. При малом значении коэффицие!гга деления Ы, (в области высоких частот вращения) изменение выходной частоты (при изменении N. на единицу) превышает допустимое значение ДГ(>Д^, что существенно ограничивает диапазон работы следящего ССЭ. В соот-
ЭМКПМКЛ. ЭЛКТЮТГХНМКА ОМССИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК I# 1 07). XX»
%
150
ветствии с (1), расширить его возможно путем использования кварцевого генератора, формирующего импульсы более высокой частоты следования Г(. Однако создание высокостабильного генератора, работающего на частоте выше нескольких сотен мегагерц, в настоящее время вызывает значительные трудности.
Для решения задачи повышения качества ре!ули-ровання в области высоких частот вращения рассмотрим возможность разработки таких алгоритмов изменения коэффициента деления N в БЗЧ, которые позволят осуществить желаемое изменение выходной частоты БЗЧ при использовании недорогих серийно выпускаемых кварцевых генераторов. С этой целью предлагается использовать промежуточные значения частоты (т, соответствующие дробным значениям коэффициента деления N [8.9). Их предлагается получать путем поочередного переключения между 14, и отличающимися на 1. При этом, если частота таких переключений значительно превышает частоту среза о>с замкнутой линеаризованной системы регулирования, то частота вращения электропривода приблизительно равна
периодов Т(1П1. Следовательно, на интервале от N. до ГЧ(>, возможно создать к( промежуточных уровней, и минимальная величина, на которую может быть изменена частота, в соответствии с выражением (1) равна:
Л/,
10/V^ 10
Щ* г. /глг,а г, N, '
Условие управления следящим ССЭ можно записать в виде (8):
Следовательно, условие для определения минимального значения коэффициента деления ДЧ1 принимает вид:
N.
10
г Д/
Например, если тг = 0,002 мс. Д1А1(Я = 20 Гц. fr= 100 МГц. 7. =4800, то
ЬОГ 60^
z-N.
N..
10
I ср ‘
нде^кр _ среднее значение коэффициента деления на интервале времени переключения между N. и ^
- среднее значение задающей частоты на этом же интервале времени.
Поскольку Т, отличается от Т(>| на величину Т,= 1 /1^ что составляет доли процента отТ,, мож-
но определить как
0.002-20
250.
N„„ « N, »
* к. ' к.
(2)
где т( - количество периодов Т1+|, в течение которых N = N,^,1 к, - общее количество периодов Т( и Т(>| одного цикла переключений, определяющее возможное количество промежуточных (дробных) значений коэффициента деления N в диапазоне (N,1 ^,). При этом должно выполняться условие:
к(.Т,«тс.
гдетс= 1/(1>с - постоянная времени замкнутой системы регулирования электропривода. Временныедиаг-раммы (рис. 4) поясняют работу предлагаемого алгоритма (т,= 1. к, = 5. N,,,,= N, + 0.2).
Упрощенный порядок операций, осуществляемых в блоке задания частоты можно представить |9) в виде алгоритма, приведенного на рис. 5, где п,— заданная частота вращения электропривода.
При работе следящего ССЭ среднее значение сигнала частотного задания угловой скорости 11111<(> следует изменять таким образом, чтобы максимальная величина угловой ошибки электропривода не превышала допустимого значения 5^,,. При этом наибольшая допустимая величина ступенчатого изменения задающей частоты равна А^и.
Предположим, что в определенный момент времени коэффициент деления ДЧ1 равен и (в связи с необходимостью изменения частоты вращения) необходимо изменить его па , = N,±1 в следящем режи-
ме. Согласно выражению (2) существует возможность установить любое значение ^,р переключением между N. и ^+|, при этом за время 0,1 тс сформируется
к, = 0,1тс/Топ -0.1т,
60-10"
4800-250
5000 (об/мин |.
Каждое ступенчатое изменение задающего сигнала отрабатываться за время, составляющем? приблизительно 5т. Следовательно, для изменения коэффициента деления ДЧ1 с N, на Nl4., понадобится 5тск, секунд. Учитывая, что требуемая скорость изменения частоты вращения призмы узла оптико-механической развертки обзорно-поисковых систем, как правило, невысока [10), предлагаемый алгоритм работы позволит обеспечить качественное регулирование следящего синхронно-синфазного электропривода во всем диапазоне рабочих частот.
Переход ССЭ с одной частоты вращеп ия на другую без превышения допустимой фазовой ошибки полностью исключает потерю ииформаци и и тем самым позволяет повысить качество работы и производительность (к.п.д.) аппаратуры обзорно-поисковой системы.
Библиографический список
1. Трахтенберг, Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. — М.: Энергоиздлт, 1982. - 108 с.
2. Бубнов. А. В. Вопросы теории и проектирования прецизионных синхронно-синфазных электроприводов постоянного тока : монография. — Омск : Редакция журнала «Омский научный вестник», 2005. - 190 с.
3. Бубнов, А. В. Следящий электропривод с фазовой синхронизацией / А. В. Бубнов, П. А. Катрич. -Омск. 2006. - Деп. в ВИНИТИ 26.09.200G, № 1176. -B200G. - 49 с.
4. А с. 1220098 СССР. МКИ4 Н02 Р 5/50. Устройство для управления многодвигательным электроприводом / А. М. Сутормин. Б. М. Ямановский, Г. А. Краснов. Р. Д. Мухамедяров (СССР). - 3 с.: ил.
5. А.с. 1612368 СССР, МКИ5 Н02 Р 5/50, 5/06. Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного токл / А. М. Сутормин, В. Г. Кавко, А. В. Бубнов и др. (СССР). -4с.: ил.
6 Ясинский, Г. И. Анализ и систематизация требо-
ваиий к электроприводам оптико-механических сканирующих систем / Г. И. Ясинский. А. М. Быстров. Р. М. Трахтенберг// Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок. - Иваново, 1980. - С. 73-7.5.
7. Бубнов, А. В. Вопросы выбора регулятора для следящего электропривода с фазовой синхронизацией / А. В. Бубнов, П. А. Катрич // Омский научный вестник. - 2005. - N9 2. - С. 128-131.
8. Катрич. П. А. Частотно-задающнй блок следящего электропривода с фазовой синхронизацией. - Омск, 2006. - Деп. в ВИНИТИ 26.09.2006. N0 1178. - В2006. -13с.
9. Бубнов. А. В. Алгоритм работы импульсного час-тотно-задакнцего блока / А. В. Бубнов. П. А Катрич. — М.: ВНТИЦ. 2006. - №50200601819.
10. Катыс, Г. П. Автоматическое сканирование. -
М : Машиностроение, 1969. - 516 с.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета. БУБНОВА Татьяна Алексеевна, аспирантка кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
КАТРИЧ Павел Анатольевич, кандидат технических наук, начальник отдела контроля и учета электрической энергии ОАО «Омская энергосбытовая компания».
Дата поступления статьи в редакцию: 1 1.03.20 09 г.
© Бубнов Л.В., Бубнова Т.А.. Катрич П.Л.
УДК 621.181.76 Д. г. МИХАЙЛОВ
С. В. ТЕРЕБИЛОВ
Омский государственный технический университет
МП «Тепловвя компания», г. Омск
РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ В ТОПКЕ КОТЛА
Сформулирована и решена задача теплопереноса а топке котла при сжигании газообразного топлива. Определено соотношение между переносом теплоты излучением и конвекцией.
Ключевые слова: горение, топка, теплообмен, излучение, конвекция.
В настоящее время в современных котлах требуется знание локальных тепловосприятий на всех участках топочных стен. Кроме того, необходимо иметь представление о результирующем радиационном тепловом потоке в выходном окне топочной камеры.
Поэтому горение топлива в топочном объеме необходимо рассматривать как совокупность взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Очень часто как раз физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания и условия воспламенения. Только при идеальном перемешивании аэродинамическими процессами можно пренебречь. Рассмотрим основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь в реальных условиях с использованием обозначений, принятых в механике реагирующих газон [1.2]:
— + <//»'/? I 11
b%p^^+v^gradcA= а = 1.2...// — V— I.
л/, ) £? м, к ‘
Г -1.2.........V, р— • pH - &га<1р + /./=■ =
а! .,.1
Л> “Г = "Т + (Л&гаМ) +
аI а!
+Хг*|^ + £О.. + <Ь>Ч* -8гасГГ£ V7- + *■1 ,1.1
1»1 Р ^ са с„ )
о-1 0*1 ™ 11 в*1 ‘'в
%рЦ
ар
са с. \ р в
1. =£* - fxaxfi Гй-йЦ
а Iе/» сш).
дгас!(\пТ),
а= 1,..., р-1 йа = дгас1 св +(ха-са)дгас1{\пр)-
Мг.р-Ъ'Г,
Р V /М
