CC BY
36
нии его срока службы - что является важнейшими приоритетами современной космической техники.
Список литературы
1. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Лобанов В. Компания Diamond Antenna & Microwave corp. вращающиеся сочленения для передачи СВЧ- и НЧ-сигналов Электроника 00099№1.2010. С.46-48
3. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. М., 2006.
D. Sheptalin, V. Gecha
Drive of the solar battery of the space vehicle
Possibilities increase in a resource of the space vehicle at the expense of creation of system of its power supply from the photo-electric battery povy-shennoj reliability are considered.
Keywords: increase in a resource of the space vehicle, power-supply system, the photo-electric battery.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
В.С. Томасов, канд. техн. наук, зав. кафедрой, (812) 233-83-36, tomasov@ets.ifmo.ru,
И.Е. Овчинников, д-р техн.наук, проф., (812) 233-83-36, oveni77@yandex.ru, А.В. Егоров, асп., (812) 233-83-36,
a.egorov@ets.ifmo.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО)
ЭНЕРГОПОДСИСТЕМА БОЛЬШОГО АЛТАЙСКОГО ТЕЛЕСКОПА ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Рассмотрены вопросы построения энергетической подсистемы прецизионных электроприводов телескопов на примере большого алтайского телескопа траектор-ных измерений.
Ключевые слова: траекторные измерения, неуправляемый выпрямитель, инвертор.
Следящие электроприводы осей опорно-поворотного устройства (ОПУ) большого алтайского телескопа траекторных измерений предназначены для обеспечения движения оптической оси телескопа с очень высокими точностями (порядка нескольких угловых секунд). Обеспечение таких точностей возможно при использовании безредукторных следящих
электроприводов осей на основе высокомоментных бесколлекторных двигателей постоянного тока или вентильных двигателей (ВД), построенных на основе синхронных многополюсных электромеханических преобразователей с встраиваемой конструкцией, и управляемых от транзисторных инверторов с использованием сигналов датчиков угла поворота ротора двигателя. Подробно о ВД и приводе на их основе рассказывается в [1].
Электропривод принято делить на подсистемы, среди которых можно выделить такие, как информационная и энергетическая. Именно энергоподсистеме и посвящен данный материал.
Структурная схема электропривода и упрощенная схема энергетической подсистемы большого алтайского телескопа представлены соответственно на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Структурная схема электропривода с тремя трехфазными системами статорных обмоток А, В, С
и общим ротором
Особенность двигателей осей данного телескопа заключается в разделении трехфазной статорной обмотки каждого из них на три трехфазные системы, питающиеся от отдельных инверторов И(К) и взаимодействующих с общим дисковым многополюсным ротором. Такое деление позволяет в случае внезапного отказа одной или даже двух независимых статор-ных цепей в результате неисправностей в обмотке или инверторе безболезненно выводить ее из работы, обеспечивая функционирование системы наведения телескопа с помощью двух или одной из оставшихся систем.
Т НВ Ф тц и
Рис. 2. Функциональная схема энергетической подсистемы оси
телескопа
Функциональная схема, изображенная на рис. 2, включает силовой трансформатор Т, неуправляемый выпрямитель НВ, фильтрующее устройство Ф, тормозную цепь ТЦ и инвертор И. Для упрощения здесь показан только один инвертор со своей трехфазной обмоткой. В реальной схеме для каждой оси телескопа предполагается использовать три коммутатора, работающих параллельно и два выпрямителя со сглаживающим фильтром - по одному на ось, так же подключенные параллельно друг другу. Предварительные расчеты показали, что суммарная потребляемая мощность двигателей осей составляет порядка 7,5 кВт, а напряжение в звене постоянного тока - не менее 200 В. Эти обстоятельства потребовали в качестве вторичного источника питания использовать понижающий трехфазный трансформатор. С учетом высоких значений токов в обмотках двигателей, а также необходимости снижения массо-габаритных показателей электропривода в целом, в качестве вентильного блока был выбран неуправляемый выпрямитель, построенный по трехфазной мостовой схеме (схеме Ларионова). Как известно, она обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности. Использование именно неуправляемого выпрямителя определяет невозможность рекуперации (возврата) энергии в питающую сеть, поэтому в тормозных режимах работы привода может происходить заряд конденсаторов фильтра до напряжений, значительно превышающих выпрямленное. Для предотвращения перенапряжений на емкости свыше допустимых значений применяется ТЦ с транзисторным ключом УТ8 и балластным сопротивлением, на последнем рассеивается энергии вращающихся частей электропривода при замыкании ключа. Таким образом, емкостной фильтр здесь выполняет две функции: с одной стороны уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до приемлемого уровня (уровня, необходимого для обеспечения точности наведения оптической оси телескопа), а с другой стороны запасает часть энергии вращения при торможении. Поскольку на выходе выпрямителя
подключен конденсатор достаточно большой емкости, там же установлено и зарядное сопротивление для ограничения di|dt при включении схемы в
сеть.
Так как при проектировании электроприводов телескопов исходными данными, определяющими состав энергетической подсистемы, как правило, являются требуемые динамические показатели осей опорно-поворотного устройства (максимальные скорости вращения Отах, максимальные ускорения втах), заданные моменты инерции и значения моментов сопротивления вращению осей, то расчет (выбор) вторичного источника питания целесообразно проводить следующим образом: сначала рассчитываются необходимые значения токов и напряжений на обмотках двигателей, затем на выходе выпрямителя, далее на фазах трансформатора.
Расчет напряжений и токов двигателя Все расчеты, приводимые ниже, справедливы как для азимутальной, так и для угло-местной оси телескопа.
Совместное решение уравнения динамики электропривода
= Mдв -Mc
dt
(1)
и уравнений, описывающих математическую модель ВД с высокой равномерностью момента [1]
" ( 2 Л ( 2 ^
/^т(рО) + ^эт рО—п + /^т рО + —п
Mдв = с
/
м
(2)
—Ь6-1 + /цЯ + сМ б1п рО = ит б1п рО, 2 dt 1 м т
—ь
2 dt
т 2 + / 2 Я + см
/ d О .
Б1П
—ь 2 dt
6/3 +1—Я + см
/ 6О
dt
Б1И
при заданных значениях Отах, в
'тах
( 2 Л
Р0- —п
V 3
( 2 Л
рО + —п -V 3 )
J , Мдв :
= ит ^
2
рО--п
3
/
ит ^
V
2
рО +—п 3
(3)
V
/
Мс позволяет найти ам-
плитуду напряжения на фазах двигателя ит, достаточную для обеспечения работы привода во всем диапазоне требуемых скоростей и ускорения, и протекающие в фазах токи.
В уравнении (1) J - момент инерции вращающихся частей оси, Мдв - момент развиваемый двигателем, Мс - суммарный момент сопро-
тивления вращению для рассчитываемой оси,
dt
ускорение, с которым
вращается исполнительная ось электропривода.
В уравнениях (2) и (3) R, L - соответственно активное сопротивление и индуктивность фазы двигателя, Cm - коэффициент момента, p -число пар полюсов ротора. Ii - фазные токи, i - порядковый номер фазы (i = 1,2,3), 0 - угол поворота ротора в геометрических радианах.
Так как статорная обмотка двигателя каждой оси разделена на три одинаковые части, в каждой из которых сформирована своя трехфазная система, то можем говорить о том, что на каждой оси имеется три «элементарными» двигателя (обозначим их буквами А, В и С). Для развития тремя такого же суммарного момента вращения, как исходный двигатель и при условии из параллельного подключения к выпрямителю, необходимое выпрямленное напряжение уменьшается в три раза, а ток увеличивается во столько же раз.
Если для обеих осей телескопа используется один вторичный источник энергии (трансформатор), а требования к динамике каждой оси и моменты инерции вращающихся частей осей отличаются друг от друга, то из рассчитанных по приведенным выше уравнениям напряжений для двух осей выбирается большее, которое следует использовать для дальнейших расчетов общего трансформатора.
Расчет электромагнитных нагрузок инвертора
Для расчета необходимого выпрямленного напряжения питания инвертора в первую очередь нужно выбрать алгоритм, на основании которого формируются управляющие импульсы открытия ключей инвертора. Для трехфазных ВД часто используется трехфазная мостовая схема инвертора. Обмотки двигателя в этом случае соединяю по схеме «звезда». Наиболее простой и легко реализуемый алгоритм формирования управляющих импульсов представлен на рисунке 3. Здесь используются три синусоидальных сигнала единичной амплитуды, сдвинутые между собой на 120 геометрических градуса. Каждая синусоида соответствует своей стойке транзисторов трехфазного мостового инвертора и сравнивается с двухсторонним пилообразным напряжением. Если синусоидальный сигнал больше пилы, то открывается верхний транзистор соответствующей стойки, если меньше пилы - то нижний транзистор.
При таком алгоритме работы ключей максимально возможное напряжение на фазе ВД Umi э определяется как
2Umi э
Ud = 2 ^Э+2Uvt (4)
2 У max 1 .
Здесь Ud - минимально необходимое напряжение в звене постоянного тока (то есть напряжение на выходе выпрямителя), Uvt = Ron ' Im -падение напряжения на открытом транзисторе, определяемое через его сопротивление в открытом состоянии, Ymax - максимальное значение отно-
220
сительной продолжительности включения фазы двигателя в цепь источника питания (выпрямленного напряжения). Само значение ^тах рассчитывается на основании выражения
. = Тк — ^ёеаё (5)
Гтах гг!
Тк ,
где Тк - период модуляции (коммутации) силовых ключей; tdead - «мертвое» время в работе транзистора,
1 1
tdead ~ td(on) + 2 tr + td(off) + 2 tf + trr •
Здесь td(on) - задержка открытия ключа; tr - время нарастания тока через
коллектор; td (off) - задержка закрытия; tf - время спада тока; trr - время
восстановления свойств транзистора. Эти времена даются производителями в «datasheet» на устройства в виде номинальных и максимальных значений, а также в виде графиков зависимости времен от тока, протекающего через коллектор ключа.
Для современных IGBT транзисторов мертвое время составляет порядка 1...2 микросекунд. При частоте модуляции f = 1/Tfc 20...40кГц коэффициент уmax = 0,95...0,98, причем большее значение соответствует меньшей частоте модуляции в (5).
В идеальном случае, если сопротивлением транзисторов в открытом состоянии и мертвым временем их переключения можно пренебречь, то выражение (4) упрощается до Ud = 2Umi j. То есть напряжение на фазе
двигателя в два раза меньше выпрямленного напряжения Ud .
Расчет напряжений и токов трансформатора
Неуправляемый выпрямитель построен по трехфазной мостовой схеме Ларионова, что позволяет рассчитать действующее напряжение на вторичных обмотках трехфазного трансформатора, как
Utr 2 = 0,425 (Ud + 2Uvd ) + AUtr 2, где Uvd и AUtr 2 падения напряжений соответственно на вентильном диоде и на сопротивлении фазы трансформатора при протекании максимального расчетного тока.
AUtr2 = 3(m_АЗ + Im_УМ))2 + (2nf1LT) , (6)
где Im аз , Im УМ - максимальные токи фаз двигателей соответственно
азимутальной и угломестной осей телескопа; f - частота питающего напряжения.
Для предварительных расчетов можно принять приведенные к цепи нагрузки индуктивность и активное сопротивление трансформатора в до-
лях от параметров нагрузки Ьр = 0,11 ^ 0,16Ьн, Rт = 0,1 ^ 0,12Rн. В свою очередь, для рассматриваемого случая ЛН = 6, Ьн = Ь /6.
Коэффициент 3 в формуле (6) определяется тем, что выше был рассчитан максимальный ток через фазу одного элементарного двигателя, а на каждой оси таких двигателей в три раза больше. Таким образом, действующий ток вторичных обмоток 1т2 #, на который должен быть рассчитан трансформатор,
Исходя из рассчитанных выше значений, выбирается вся элементная база энергоподсистемы: вентильные диоды, силовые ключи инвертора, емкости силового фильтра, выбираются сечения проводников, толщина фольги и ширина дорожек печатных плат.
Использование шестипульсной схемы выпрямления, а так же наличие высокочастотного инвертора предопределяет использование емкостного силового фильтра электропривода. Расчет емкостного фильтра в данном докладе не рассматривается, так как требует подробного исследования многих моментов и является темой отдельного доклада. Методика расчета емкости конденсатора исходя из критерия ограничения пульсаций выпрямленного напряжения представлена в [3]. Однако на практике необходимая емкость конденсатора определяется по условию нормального режима работы цепи сброса энергии в режиме торможения двигателя.
1. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе // Курс лекций. СПб.: КОРОНА-Век, 2006. 336 с.
2. Овчинников И.Е., Егоров А.В. Компенсация радиальных электромагнитных сил вентильного двигателя, вызванных несимметрией ста-торной обмотки // Научно-Технический Вестник СПбГУ ИТМО, 2010.
3. Грузов В. Л. Вентильные преобразователи: учеб. пособие по курсовому проектированию. РИО ВоГТУ, 2002.
V. Tomasov, I. Ovchinnikov, A. Egorov
Power subsystem of the big Altay telescope trajectory measurements
The questions about making energy subsystem of precision electric drive of the Large Altai Telescope are observed.
Keywords: trajectory measurements, the uncontrollable rectifier, inverter.
Список литературы
Получено 06.07.10
