CC BY
12
УДК 53.083.6:621.396.24:621.375.12 П В САК
Р01: 10.25206/1813-8225-2021-176-59-64
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ РЕЖИМА ДВУХЧАСТОТНЫМ ТЕСТОВЫМ СИГНАЛОМ
В работе исследуются сравнительная оценка энергетических параметров усилителей мощности однополосных радиопередатчиков, использующих автоматическую регулировку режима применением детерминированного двух-частотного тестового сигнала вместо случайного однополосного сигнала, модулированного речью.
Найдены соотношения, позволяющие по результатам измерений, полученных при испытаниях, судить об энергопотреблении оконечного каскада усилителя мощности с автоматической регулировкой режима при различных видах модуляции. Соотношения между энергопотреблением выходного каскада при усилении случайного речевого сигнала и усилении двухчастотного тестового сигнала получены как без учета потерь в управляемом источнике питания, так и с учетом таких потерь.
Предложена методика расчета энергетического выигрыша и коэффициента полезного действия при применении автоматического регулирования питающего напряжения выходных каскадов коротковолновых передатчиков, предназначенных для модуляции речевыми сигналами. Проведена оценка потерь в регулируемом источнике питания. Обосновано преимущество схем усилителей мощности с автоматической регулировкой режима.
Ключевые слова: усилитель мощности, коэффициент полезного действия, измерения, энергопотребление, автоматическая регулировка режима по питанию, тестовый сигнал, контроль параметров.
Введение. При проектировании радиопередат- Как известно [1, 6], каскады усилителей мощ-
чиков коротковолнового (КВ) диапазона повыше- ности (УМ), работающие в режимах А, В, С, пред-
ние коэффициента полезного действия является назначенные для усиления сигналов с амплитудной
решающим, т.к. влияет на такой важнейший так- модуляцией, имеют низкий средний КПД. тический показатель носимого средства связи, как Вопросам повышения КПД усилителей мощно-
длительность работы оборудования от аккумуля- сти амплитудно-модулированных (АМ) сигналов по-
торной батареи без её подзарядки. Так как основ- священо множество работ и предложено несколько §
ное энергопотребление в передатчике приходится направлений, позволяющих достичь определённых И
на оконечный каскад усилитель мощности, то по- успехов [7]. Среди предложенных методов, позволя-
вышение его среднего КПД самым существенным ющих строить широкополосные высокочастотные
образом влияет на энергопотребление всего пере- УМ, предназначенные для усиления амплитудно-
дающего тракта [1 — 3]. модулированных сигналов с высоким КПД, следу-
Повышение КПД снижает тепловыделение ет выделить метод Кана [8] и метод, использующий
и уменьшает связанные с ним массогабаритные ха- автоматическую регулировку режима (АРР) по на-
рактеристики изделий, улучшает тепловые режимы пряжению питания [1, 4]. Для реализации и того,
комплектующих и этим повышает надёжность их и другого метода требуется применить низкочастот-
работы. ный (НЧ) усилитель огибающей высокочастотного
При разработке усилителей мощности, в кото- (ВЧ) сигнала, имеющий высокий КПД и вносящий
рых применяются сигналы с переменной огибаю- малые нелинейные искажения в усиливаемый сиг-
щей, большое внимание уделяется как повышению нал. Этот НЧ усилитель является источником пита-
КПД, так и линейности усилителя мощности [4]. ния для оконечного каскада УМ. о
Высокая линейность предотвращает искажение Из рассмотренных методов повышения энерге- ЕЕ
передаваемого сигнала и не допускает расширения тической эффективности в нашем случае больше
спектра сигнала за счет появления в нем интермо- всего подходит метод автоматической регулировки
дуляционного продукта [5]. режима по питающему напряжению. Это связано
с тем, что имеется управляемый источник питания (УИП), которым можно изменять питающее напряжение в такт с изменением низкочастотной огибающей усиливаемого сигнала, тем самым поддерживая энергетически эффективный режим работы выходного каскада [1, 4].
При построении УМ с автоматической регулировкой режима по питающему напряжению в оконечном каскаде, автоматически поддерживается критический режим работы выходного транзистора, независимо от текущей амплитуды импульса тока. Такой метод повышения энергетической эффективности называется АРР по напряжению питания, или Envelope Tracking (слежение за огибающей) [1, 4].
Постановка задачи. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют методики расчёта энергопотребления оконечного каскада однополосного передатчика при использовании в нём АРР, с учётом потерь в управляемом источнике питания. В публикации [3] имеется раздел 6.2.2, озаглавленный «Энергетические характеристики». В указанном разделе найдено отношение среднего КПД оконечного каскада при его работе с АРР к КПД этого каскада в режиме пиковой мощности. Сравнения энергопотребления оконечного каскада УМ с АРР и без АРР в [3] не проводилось, поэтому судить о выигрыше оконечного каскада УМ в энергопотреблении при применении в нём АРР трудно.
Актуальным является получение методики измерений для контроля энергопотребления при работе УМ однополосного КВ передатчика, работающего с автоматическим регулированием режима выходных транзисторов по питанию. Необходимо также проведение расчёта и получения количественных соотношений для оценки энергетического выигрыша от введения в выходном каскаде усилителя мощности однополосного КВ передатчика автоматической регулировки режима по питанию.
Теоретические предпосылки. Для проведения оценки энергопотребления УМ, входящего в КВ передатчик с однополосной модуляцией, работающий с АРР, требуется подать на вход изменяющийся по амплитуде высокочастотный сигнал, статистические характеристики огибающей которого такие же, как аналогичные статистические характеристики речевого сигнала [9]. И здесь имеются два возможных подхода.
Первый состоит в том, что при настройке и проведении тестовых испытаний будет использован специализированный высокочастотный генератор. Такой генератор на выходе должен будет создавать
однополосный ВЧ сигнал, модулированный речью. И, хотя задача получения генератора такого сигнала легко разрешима теоретически, на практике такой подход вызывает определённые трудности [10]. Они появляются при обеспечении соответствия модулирующего речевого сигнала принятой его математической модели. Трудности появляются и при создании генератора, обеспечивающего ансамбль сигналов достаточно большого объёма, а также при метрологической аттестации такого генератора [11].
Второй подход состоит в замене при тестовых испытаниях УМ работающего с АРР, предназначенного для усиления однополосного сигнала, модулированного речью, другим однополосным ВЧ сигналом, модулированным детерминированным НЧ сигналом. При этом характеристики огибающей модулирующего детерминированного НЧ сигнала должны совпадать с некоторыми статистическими характеристиками принятой математической модели речевого сигнала [12]. А именно должны совпадать максимальные и минимальные значения этих двух модулирующих сигналов.
Предлагается установить связь энергопотребления выходного каскада УМ при усилении однополосного сигнала, модулированного речью и энергопотребления при усилении двухчастотного тестового сигнала (ДТС).
Исследование. Для измерения энергетических параметров УМ, входящего в КВ передатчик с однополосной модуляцией, работающий с АРР, предлагается методика контроля параметров УМ по его энергопотреблению при усилении двухчастотного тестового сигнала. Рассматривается УМ, предназначенный для работы в режиме усиления КВ SSB (Single-sideband modulation) сигнала, модулированного речью.
Проверка линейности передающего тракта для однополосных КВ передатчиков проводится по методике [13]. Такая проверка проводится подачей на вход передающего тракта через суммирующее устройство сигналов от двух низкочастотных генераторов. Структурная схема испытаний представлена на рис. 1. На выходе передатчика получается однополосный сигнал, модулированный двумя низкочастотными сигналами, имеющими частотный разнос [13]. В то же время, если речь идёт о проверке линейности только УМ, а не всего передатчика, то проверка линейности может быть проведена иначе, причём передающий тракт в полном объёме при этом не нужен. Такая проверка может быть проведена подачей через суммирующее устройство
Рис. 1. Структурная схема испытаний
на вход УМ двух не модулированных ВЧ гармонических сигналов равной амплитуды, имеющих частотный разнос [13].
Пара ВЧ сигналов, удовлетворяющих перечисленным выше условиям, названа двухчастотным тестовым сигналом — ДТС.
Исследуем ситуацию, когда при проверке энергопотребления УМ с АРР однополосного КВ радиопередатчика используется такой же ДТС, какой используется в процессе испытаний УМ при оценке линейности передающего ВЧ тракта.
Тестовый сигнал, используемый при оценке линейности УМ, представляет собой на входе УМ сумму двух гармонических сигналов с равными амплитудами Ц^/2 и с близкими частотами ю1 и ю2 [14]. Он, так же как и сигнал, модулированный речью, имеет огибающую, но эта огибающая является не случайной, а детерминированной функцией времени. На входе УМ этот ВЧ сигнал имеет вид:
1 1 UДТС = 2 UmCOS(M1f) ^ 0шСен(иСЧ)' (1)
' 0_ РЕЧИ _ АРР
(4) =
и„
"Т + Ем
«о
(7)
Найдем среднюю мощность, =отребляемую в режиме с АРР транзистором выходного каскада УМ от источнхка питания:
= х S -
{(и)
Ро_ РЕЧИ _АРР =
Пи(0),С _6Еаи0 +0,15СОд
(8)
При модумяоиц усиоив=емого УМ Си + итала не случайной функцией времени Ч а ванным сигналом, огкио явтяе тс я ДТС, в (7) следпет вместо Z исоользовать выражАние (6).
Тогда при ртботе с ДТС ипри А0Р мгновенная мощность, потуебляемаяот инточ+икапитания 1д-ним транзистором выходного умикадя, запихсотзя:
После тригомметричесиочо пнеоб+езования (1) можно записать в вида:
И1 зз и и, + и, Пута = ишСен-:-4 3 Сен -
(2)
С
С
0Аог//Б_ута(Чч) = Иш
(3)
Р
п
(и
о_ ута оТвв
умт Демн,
Ч)
о
сен — Ч + и т МИН
А
Ли)
о .
сен — Ч
А
(9)
Поэтому сигнал идтс шя^но представить, как высокочастотный с иг нал с пастотой (ю1 +ю2)/2, средней меааду частотами ю1 о ю° модулированный по амплитуде низкой частотой («о — ю2)/2.
Огибающая былтая осцинлнр.о щей части входного сигнала меняется по за кону:
Среднеы значение мощности, потребляемой транзистором выходнеги иаскада УМ Не_ааСыАРР за промежуток времени Д можно найти из выражения:
Р
1 с
= 1 Д
0_ Дта_твв - — j ц о_ута_твв
а а с
Ч) <=ч.
11ем
Максималчнае знчыснии огиби такого ВЧ сигнала на оходе уМ равио ит, £1 минимальное значение огинающей — ноль. Этипариметри совпадают с аналогичнасмл п^шаметрами огибамщей речевого модуаинующега сигнала.
Найдём из (3) момешы вртмеыи Ш т, в которых значения огичааичай ЧЛС равны нчллм
После подстановки выражения (9) в интеграл (10), определяющий Ро_дтс_арр , последний разделяется на два [15]. Первый интеграл I1 равен:
1
0i = ~т (епит ~ емиц]аоуи_
k 2 2 рд I cos —tdt =
кВЫХ(ю) о
-(Сш + 1),
(4)
где m — люЯое иатурольние синло из ряда 0, 1, 2, ...
Промежугуо мроммни + _ежди двуме соседними моментами, в кооошых _уибающая Uora°(0) ои)эащает-ся в ноль, раиен :
А= *иш_ 1 Я
Со
(5)
= °,5(Епит ЕМИн )Н0УИи!
k
квых (а)
а второй Еавен:
г =—Е н УТГ _k_
2 С МИН^m , , ,
Я кВЫХ(а)
Поэтому выфаже у:ие для Ро_уга_рвр оказывается равным:
Выражени= (3) тпцда запишет=и
0_ ДТХ_ АРР
U,
ОГИ Б _ Д ТС
_) = 0Пс
о
сен — Ч
А
(6)
квых(а)
Е
0,5 + 0,137 ЕМИН Е
' ' ггттт
. (11)
Найдем мгновенную мощность, потребляемую транзистором выходногокаскада УМ от источника питания при работе с АРР, когда уснлиьается случайный вхорноН сигнал Ç(Г):
Для практического применения ДТС при тестировании УМ с АРР определим|1д;гс — отношение средней мощности, потребляемой выходным каскадом УМ при усилении случайного сигнала, модули-
о
0
о
t
иш ш
ноУи7б
1.5
Без АРР е_________ ---~~ САРР
__ч^-А )------о г
0.1
0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0.7
Нормированное напряжение огибающей усиливаемого ВЧ сигналана
0.8
0.Э
Рис. 2. Зависимости потерь в уИП PуИП(E,J0) от напряжения огибающей усиливаемого ВЧ сигнала
рованного речью, к средней потребляемой мощно -сти при усимении ДТС и работе с АРР, то есмь
б бТС '
Ро
РМЧС АОР
(12)
бТС _АРР
Проведи паомежутоиноге вычисаония, ооаучир
м
■ ^ ^св
{Щ
б бТС
0,276 -И ОСИССТШ00 м
0,И + 0,СС7 -оср м
7 пит
учёт потерь в управляетом истАчнике питания.
Выражениу (0_) оот.тге но Птз т^тм тоткрь в управляемом истотнике оитания и погстму справедливо только при КПД УИП, ра в но м 100 %.
Жчевидно, чбо для смёаа потерь в УИП оырсж7-ние (12) для 00
ДТС_ тип
должсо (зыть з аписано как со -отнош бтеие энергопотреОсв ния с УИП при речевом сигнале к энеyтсyoтpтелеоию с УИП ири ДТС:
_ пР 0_Рб1ИтАСР + УтСИ.РМНС тАУР 2 14 \ ж бте _ тсп т а = ( )
пР
0_ бте_арр ■
тсп _ бте _ арр
В фсртт}нсе ,04) сбчзначе нор
б — чибтс транзтенсосов оыходномо тасоада, с котгрыт с^ммиптватбут пот-т+третспрс 2бо.;енгая мощность на выходе УМ;
У тсп_рмнс а оур , Ууип_бте тА2Р — Тре+нУе ГОТ+ Д
в УИП соответственжс при тгстосстшоисигнтса, мм,ту-лировтннобо ретью и м+прРфбвапнирр ДТс.
Для использования формулы (14) следует определить вхортщио 0с фопР_^снсс^ бреднсп потерт энергии в УИП для этсх доух ттежимов работы.
Выраженсп роон У-оНп_омнс_арр получено в виде:
Потери с УИП РУИП(ЕД0), зависят от напряж2ния Е и тока J0 на епс выходе пр и условии оостеянств а Е
акк"
Эта зависимость может быть получена экспериментально А0 лмбого монкритнаго УИП. Для применявшегося в прмоедённам эксоерлменте с УИП [16], где при напряжении на выходе УИП 21 В и токе нагрузки 1,2 А участвовавший в проведении испытемо0 р1нП имел КПД 94 %.
На графиках рис. 2 построены зависимости
потерь в УИП РурП_бРе о РШП_ЬЕЗ_АРР, рассчитанные
по результатам измерения токов и напряжений ма-кота УИП а точках в указаоными оымп е ко ордината ми.
График построен для некоторой нормированной переменной X, изменяющейся в диапазоне от 0 до 1 [16].
Определим теабоь потери в УИП при усилении не случайного речевого смосвла, а детерминированного сигнала — ДТС.
Потере в "УИП п+и иммемении входного сигнала УМ изжбняются, перемещаясь в процессе модуляции вдоль одних и 0оа же лвний на поверхности потерь УИП [16], как при умпсе нии модулированного речжю ортюпслосного сигнала, так и при усилении ДТС. Поэтому пн0 абфедененр+уТСе Оттрмуле, описываюуттс мгтовенные потери в УИП при усилении репеннст нигнсла, уб^тйнея фуспцияерпме-ни ^ заменяется на выражение (3), описывающее поведегие детсрмннисптбнно0: функции — огибающей ДТС:
Pтсп_бте_стт]C) т У + У1ир«-у с + Уири2 —с . (16)
Из Д 6) найдём сл>одние та врюмя С тотери в УИ П при ДТС п АРР
Утсптпор тУ0 + 0,420У + 0,276У2
(15)
тспт бте т арр —
Коэффициенуы пу лен о]уа (15) находим [ 25] для приментсхт))оУИП оо методаке, пртвудетиой в [16]. Эти коэффициенты найдены при фактических значениях величин Е , Е , /„ , характери-
пит' мин' и-ша^] , 1
зующих режим работы УЛП. Прт этом использовалась экспериментально полученная зависимость потерь в УИП Руиу(Е++У [1(5] ]уит. У).
Среди перечисленных выше величин Т0 — постоянная соста иляющая тока выходного каскада УМ в режиме пиковой мощности [4, 15].
Потери в УИП явдауття функ0+уй отнапряже-ния Е на выходе УИП и от потребляемого от УИП выходным каскадом постоянного тока J0, от напряжения аккумуляторной батареи ЕАКК [12].
т а ч I У + У[ Сриуа-С +1 УТри 2 - С I МС т
т -и т т
т 2
т у + — у + 0,иу .
а
(17)
Те ерь, подставляя найденные выражения (9) и (15), (11) и (17) в выражение (14), найдём численное значение | УИП отношения средней мощности, потребляемой УМ с АРР при усилении модулированного речью сигнала, к средней мощности, потребляемой при ДТС на входе УМ, с учётом потерь в УИП:
^ ДТС _ УИП
na0 S-Um (0,276£пит + 0,153£мин) + b0 + 0,429b + 0,276b2
квыхМ_
к
квых М
0,5 + 0,137
Е
' ' пит
+ b + 0,637b + 0,5b
(18)
Определение энер гопотребления с учётом потерь в УИП для УМ однополосного КВ передатчика, модулированного речевым сигналом и работающего с АРР, предложено проводить с проведением следующих подготовительных действий:
1) найти для используемого УИП коэффициенты Ь0, Ь1, Ь2;
2) настроить УМ с УИП таким образом, чтобы были выдержаны заданные гелочины ЕтИТ и Еми[;
3) определить для частот ю, накоторых ведётся контроль энергопотребления УМ с АРе, частотно зависимую величину
у = na0SUm
k
квых N
(19)
4) получить значения | УИП(ю) для частот, на которых ведётся контроль энергопотребления УМ с АРР.
Подготовительные действия 1...4, перечисленные выше, требуется выполнять лишь периодически при подготовке измерительного эксперимента для тестирования УМ. На рабочем месте для проверки режима с АРР требуется иметь два ВЧ генератора.
Теперь, зная | уИП, по измеренным в процессе испытаний значениям потребления электроэнергии выходным каскадом УМ в режиме усиления ДТС при работе с АРР, следует вычислять среднюю потребляемую электроэнергию каскада в режиме усиления речевого сигнала и сравнивать её с величиной, задаваемой в конструкторской документации.
Заключение. Измерительный эксперимент для оценки энергопотребления выходного каскада УМ с АРР, усиливающего однополосный радиосигнал, модулированный речью, показал, что целесообразно тестовый сигнал, имитирующий случайный ВЧ сигнал, модулированный речью, заменить детерминированным двухчастотным тестовым сигналом.
Проведение тестовых испытаний усилителя мощности в режиме АРР с помощью детерминированного двухчастотного тестового сигнала позволяет оптимизировать измерительный процесс и оценить энергопотребление выходного каскада не только по уровню пиковой мощности, но и по средней мощности на входе УМ. Разработана методика контроля параметров УМ по его энергопотреблению при усилении двухчастотного тестового сигнала (ДТС) для измерения энергетических параметров УМ, входящего в КВ передатчик с однополосной модуляцией, работающий с АРР. Получены соотношения, позволяющие по результатам измерений с ДТС судить об энергопотреблении оконечного каскада УМ с АРР при модуляции речью. Проведена оценка потерь в управляемом источнике питания. Получены численные значения отношения средней мощности, потребляемой УМ с АРР при усилении модулированного речью сигнала, к средней мощности, потребляемой при ДТС на входе УМ, с учётом потерь в УИП.
Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 2037-90122.
Библиографический список
1. Титов А. А. Повышение выходной мощности усилителей радиопередающих устройств. Москва: Горячая линия-Телеком, 2013. 142 с.
2. Абрамова Е. С. Анализ и разработка методов повышения энергетической эффективности усилителей мощности радиопередающих устройств: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2015. 132 с.
3. Артым А. Д., Бахмутский А. Е., Козин Е. В. [и др.]. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / под рсд. А. Д. Артыма. Москва: Радио и связь, 1987. 176 с.
4. Разин К. О., Иванюшкин Р. Ю. Повышение энергетической эффективности линейного усилителя мощности У. Догерти методом двойной автоматической регулировки режима по питанию // Перспективные технологии в средствах передачи информации» — ПТСПИ-2019: материалы Между-нар. науч.-техн. конф.: в 2 т. Владимир, 2019. Т. 2. С. 253256.
5. Иванюшкин Р. Ю., Разин К. О. Исследование нелинейных искажений в усилителе мощности по схеме У. Догерти с двойной автоматической регулировкой режима по питанию // Технологии информационного общества: сб. тр. XIV Между-нар. отрасл. науч.-техн. конф., 8—19 марта 2020 г. Москва: ИД Медиа Паблишер, 2020. С. 184-186.
6. Верзунов М. В. Однополосная модуляция в радиосвязи. Москва: Воениздат, 1972. 296 с.
7. Шахгильдян В. В., Иванюшкин Р. Ю. Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2011. Т. 5, № 9. С. 143-145.
8. Khan L. Single sideband transmission by envelope elimination and restoration // Proceedings of the IRE. 1952. Vol. 40, Issue 7. P. 803-806. DOI: 10.1109/JRPR0C.1952. 273844.
9. Волков А. А. Синтетический метод цифровой передачи речевых сигналов // Электросвязь. 2004. № 7. С. 36-39.
10. Nikonov A. V., Nikonova G. V. Test Systems Control for the Electronics Industry // 2018 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Proceedings. 2018. P. 1-4. DOI: 10.1109/Dynamics.2018.8601420.
11. Nikonova G. V, Nikonov A. V. Accuracy of the UHF Electronics Packages Testing // 2017 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2017. P. 1-4. DOI: 10.1109/Dynamics.2017.8239491.
12. Кузнецов С. Н. Компандирование спектра речевого сигнала на основе его огибающей и фазы: дис. . канд. техн. наук. Москва, 2006. 123 с.
13. ГОСТ 22579-86 Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. (Изм. № 1, 1988 г. ИУС 7-88). Введ. 1987-07-01. Москва: ИПК Изд-во стандартов, 2001. 36 с.
14. Nikonov A. V., Nikonova G. V. Functional and circuitry base of control equipment designed for testing large-scale integrated circuits // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. 7819053. DOI: 10.1109/ Dynamics.2016.7819053.
15. Korn G., Korn T. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. New York: McGraw Hill Book Company, 1968. 571 p.
16. Sak P. V., Rakhlin V. P., Nikonova G. V. Parameters Checkout of a Short-Wave Power Amplifier With Automatic Mode Adjustment via a Dual Frequency Test Signal // International
na 0SU m
Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Tomsk, 2019. P. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2019.8729627.
САк Павел Викторович, аспирант кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления». SPIN-код: 9772-8111 AuthorlD (РИНЦ): 1005845 ORCID: 0000-0003-3471-2172 AuthorlD (SCOPUS): 57203585275 Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Сак П. В. Интегральная оценка параметров усилителя мощности радиопередатчика с автоматической регулировкой режима двухчастотным тестовым сигналом // Омский научный вестник. 2021. № 2 (176). С. 59-64 Б01: 10.25206/18138225-2021-176-59-64.
Статья поступила в редакцию 12.02.2021 г. © П. В. Сак
CONTENTS
MECHANICAL AND THEORETICAL ENGINEERING
V. V. Akimov, A. M. Badamshin, S. N. Nesov, S. N. Povoroznyuk, A. A. Krutko, Ya. A. Sidorova. Changes in structural-phase state and physicochemical properties of tungsten-free TIC-TiNi hard alloys after various types of ion-beam treatment
K. S. Akhverdiev, E. A. Bolgovа, E. O. Lagunova, S. V. Kumanin. Hydrodynamic calculation of wedge-shaped system «slider-guide» operating on compressible lubricant in presence of melt on surface of guide V. P. Kuzmenko, S. V. Solyony. Exploration of influence of led spotlights on quality of electric energy S. V. Pashukevich. Investigation of performance properties of rubber with metal fillers
S. V. Kartashev, Yu. V. Kozhukhov. Improving the quality of design calculations of viscous flow in low-flow centrifugal compressor stages by methods of computational fluid dynamics through reasonable application of different turbulence models
10 15 20
24
5
ELECTRICAL ENGINEERING
V. N. Anosov, V. M. Kaveshnikov, S. A. Saidov. Synthesis of neuroregulator of power in system of sensorless traction electric drive 31
V. V. Kharlamov, Yu. V. Moskalev, S. N. Naiden. Methodology for determining permissible operating modes of DC traction motor of quarry dump truck to ensure satisfactory commutation 36
Yu. V. Plotnikov. The method of calculating power supply for monitoring and metering devices of DC traction network based on serial chain of voltage converters 41
A. V. Simakov, V. V. Kharlamov, V. I. Skorokhodov. The overcurrent protection characteristics testing digital substation intelligent electric devices 46
INSTRUMENT ENGINEERING, METROLOGY AND INFORMATION MEASURING EQUIPMENT AND SYSTEMS
E. V. Leun. Features of circuitry of acousto-optic laser measuring systems for controlling three-coordinate (3D) movements of products and equipment elements. Part 2 52
P. V. Sak. Integrated estimation of parameters of radio transmitter power amplifier with automatic mode adjustment by two-frequency test signal 59
SUMMARY.
KEYWORDS
MECHANICAL AND THEORETICAL ENGINEERING
V. V. Akimov1, A. M. Badamshin2, S. N. Nesov2, S. N. Povoroznyuk2, A. A. Krutko2, Ya. A. Sidorova1
Changes in structural-phase state and physicochemical properties of tungsten-free TIC-TiNi hard alloys after various types of ion-beam treatment
1Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia
2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Using experimental methods of analysis, the morphology, elemental composition and chemical state of hard alloys of the «TiC-TiNi» system in the initial state and after various types of ion-beam treatment have been investigated. It is found that the effect of a continuous ion beam leads to an increase in the microhardness of the investigated alloys by 10 — 12 %. When samples are irradiated with a pulsed ion beam, as a result of destruction of surface layers, the microhardness value decreases by 20 %, as a result of which this type of modification is not preferable for alloys of the TiC-TiNi system.
Keywords: titanium carbide, ion beam treatment, continuous ion beam, pulsed ion beam, structure, morphology.
K. S. Akhverdiev, E. A. Bolgovа, E. O. Lagunova, S. V. Kumanin
Hydrodynamic calculation of wedge-shaped system «slider-guide» operating on compressible lubricant in presence of melt on surface of guide
Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia
In the article on the basis of the equation of motion of the compressible lubricant for the «thin layer», continuity, state, and the equation describing the profile of the molten contour taking into account the formula of mechanical energy dissipation the asymptotic and self-similar solution is found for the extreme (when the speed tends to infinity) and non-extreme case. As a result of solving the problem, a refined mathematical calculation model of a wedge-shaped sliding support with a low-melting metal coating on a movable contact surface is obtained, which compensates for an emergency lack of lubricant and provides a stable hydrodynamic lubrication mode.
Keywords: compressible liquid lubricant, load-bearing capacity, friction force, wedge-shaped sliding support, method of successive approximations, self-similar solution, low-melting metal coating.
V. P. Kuzmenko, S. V. Solyony
Exploration of influence of led spotlights on quality of electric energy
Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint Petersburg, Russia
The results of the study and assessment of the quality of electrical energy measured at a separate phase in the existing electrical installation of the building, with a load in the form of LED floodlights are presented. The problem of the negative impact on the quality of electrical energy
of switching power supplies of electronic devices, typical for this type of electrical load, is considered.
Keywords: LED load, quality of electrical energy, high-frequency current harmonics, electrical measurements.
S. V. Pashukevich
Investigation of performance properties of rubber with metal fillers
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
The work conducts laboratory tests on the rubber of the first group of GOST 8752-70 with the introduction of the metal components. The filler is introduced into the rubber mixture on laboratory rollers. Fine powders of copper (Cu), tin (Sn) and lead (Pb) are used as fillers. The dependences of the temperature in the contact zone of the sample and the body of revolution on the concentration of the filler and the dependence of wear on the concentration of the filler for the same loads and sliding speeds are obtained, the fillers that give the rubber the greatest wear resistance are revealed, and the rational amount of the filler is determined. The positive results of laboratory tests give grounds to recommend various equipment including aerospace equipment for use in sealing devices of hydraulic systems, rubber products with metal fillers in the indicated concentrations, which will extend their service life and increase their reliability.
Keywords: rubber compound, metal fillers, the performance properties of rubber, fine powders, hydraulic systems, wear resistance.
S. V. Kartashev, Yu. V. Kozhukhov
Improving the quality of design calculations of viscous flow in low-flow centrifugal compressor stages by methods of computational fluid dynamics through reasonable application of different turbulence models
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Saint Petersburg, Russia
The paper considers the issue of improving the quality of the numerical experiment in the calculation of viscous gas in the flowing part of a low-flow centrifugal compressor stage. The choice of turbulence model in creating a calculation model for calculations by methods of computational fluid dynamics is substantiated. As object of research is chosen low-flow stage with conditional flow coefficient Q = 0,008 and relative width at impeller outlet b2/D2 = 0,0133. The issue of qualitative modeling of friction losses in low-flow stages is of fundamental importance and is directly related to the choice of turbulence model. It is shown that the choice of low-Reynolds turbulence models in the case of unloaded and discontinuous low-flow stages can be made from the main common models (Spalart-Allmaras, SST, k-ra) based on the economy of calculations, speed of convergence, solution stability and adequacy of the obtained results. For models with wall functions, the quality of the mesh model and the observance of the dimensionless distance to the wall y+ throughout the calculation domain are particularly important. For high-Reynolds turbulence models, at values of y+ = 25...50 on all friction surfaces of the computational domain in the optimal mode of operation, the grid independence of the solution for the entire gas-dynamic characteristic is ensured. It is unacceptable for y+ to fall into the transition
region of 4... 15 between the viscous sublayer and the region of the logarithmic velocity profile.
Keywords: Improving modeling quality, centrifugal compressor, low-flow stage, computational fluid dynamics, turbulence model, near-wall function, dimensionless distance from wall, y+, Numeca Fine/Turbo.
ELECTRICAL ENGINEERING
V. N. Anosov, V. M. Kaveshnikov, S. A. Saidov Synthesis of neuroregulator of power in system of sensorless traction electric drive
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
In this paper we solve the problem of synthesizing a power regulator in a traction electric drive system using artificial neural networks.
To control the vehicle and obtain the desired quality of transients, neural network observers have been developed that allow the measurement of indirect parameters to determine the immutable coordinates of the system. For this purpose, this paper uses dynamic neural networks. When developing the neural network observer, experimental data obtained by the authors on an operating vehicle in real operating conditions are used.
To test the effectiveness of using the created artificial neural network, an object is simulated with a random nature of the supply voltage change. A comparative analysis of transients in a system with a power neuroregulator and classical regulators in a subordinate control system shows a fairly high convergence of the results.
Keywords: transport means, power plants, artificial neural network, synthesis of regulators, DC motor, power estimation.
V. V. Kharlamov, Yu. V. Moskalev, S. N. Naiden Methodology for determining permissible operating modes of DC traction motor of quarry dump truck to ensure satisfactory commutation
Omsk State Transport University, Omsk, Russia
The article considers an approach to determining the permissible ranges of changes in the armature voltage, armature current and the excitation coefficient of the DC traction motor of a mining dump truck to ensure satisfactory commutation. When the DC motor is running in the specified modes, the probability of sparking in the collector-brush unit with a degree of 2 points will be minimal. A method for determining the permissible operating modes of a mining dump truck traction motor to ensure satisfactory commutation is proposed. The method allows, based on the analysis of experimental data, to determine the permissible ranges of changes in voltage, armature current and excitation coefficient, at which the degree of sparking does not exceed 1S points.
Keywords: traction DC motor, collector-brush operating mode, commutation, commutation class.
node,
are formed. A substitution scheme of ideal elements is proposed. The operation of the substitution scheme is analyzed using the «equivalent source» method. It also provides formulas and recommendations for selecting and determining the required parameters. The adequacy of the proposed method is confirmed by a full-scale experiment.
Keywords: power supply, traction network, monitoring device, metering device, high input voltage.
A. V. Simakov1, V. V. Kharlamov1, V. I. Skorokhodov2 The overcurrent protection characteristics testing digital substation intelligent electric devices
1Omsk State Transport University, Omsk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
The electric power industry digital transformation features and the intelligent electronic devices (IEDs) introduction in the low-voltage circuits of power stations and substations are considered. The analysis of normative documents and standards is carried out. The features of scheduled maintenance of relay protection and automation devices are determined, the possibilities and prospects of organizing condition-based maintenance are considered. The mandatory steps required for any type of maintenance are defined. A method for checking the electrical and time characteristics of the overcurrent protection of an intelligent electronic device is proposed. The device is designed in accordance with the IEC-61850 standard and operates in the local area network of a digital substation of architecture III.
Keywords: digital substation, IEC-61850, relay protection, condition-based maintenance, intelligent electronic device.
INSTRUMENT ENGINEERING, METROLOGY AND INFORMATION MEASURING EQUIPMENT AND SYSTEMS
E. V. Leun
Features of circuitry of acousto-optic laser measuring systems for controlling three-coordinate (3D) movements of products and equipment elements. Part 2
Lavochkin Association, Moscow region, Khimki, Russia
The article discusses the noise, dynamic and accuracy parameters of acousto-optical (AO) laser measuring systems (LMS) for high-precision control of three-coordinate (3D) displacements of products. It is shown that now when using modern high-speed low-noise photodetectors makes it possible to achieve the resolution of AO LMS
without special technical techniques a ^ and
1800
900
Yu. V. Plotnikov
The method of calculating power supply for monitoring and metering devices of DC traction network based on serial chain of voltage converters
Omsk State Transport University, Omsk, Russia
For organization of power supply of devices for monitoring and accounting of electric energy for railway traction networks of direct current, the topology of the power source based on a serial chain of voltage converters can be used. The paper considers the development of a methodology for the electrical calculation of such sources. For this purpose, lists of initial data and calculation results
for longitudinal A1 and transverse A1, A1 displacements,
a x y z L '
respectively, where X and A are the wavelength of light
i j ' aom oj
and sound in the AO modulator. The features of using PLL systems in AO LMS are discussed. The possibilities of increasing the resolution when measuring displacements using two photodetectors for one input optical signal: high-speed and low-noise, as well as by controlling the bandwidth of the PLL system are considered.
Keywords: signal noise, low-noise photodetector, phase-locked loop (PLL) system, jitter, phase shift,acousto-optic modulator, laser interferometer.
P. V. Sak
Integrated estimation of parameters ofradio transmitter power amplifier with automatic mode adjustmentby two-frequency test signal
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Comparative estimation of energy parameters of power amplifiers of single-band radio transmittersusing automatic
mode adjustment using a deterministic two-frequency test signal instead of a random single-band signal modulated by speech is investigated in the work. Relationships are found that allow judging the power consumption of the terminal stage of the power amplifier with automatic mode adjustment under various types of modulation based on the results of measurements obtained during tests. The ratios between the power consumption of the output stage when amplifying the random speech signal and amplifying the deterministic two-frequency test signal are obtained both without taking into account losses in the controlled power supply and taking into account such losses.
Method is proposed for calculation of energy gain and efficiency factor (efficiency) when applying automatic control of supply voltage of output cascades of shortwave transmitters intended for modulation with speech signals. The loss in the regulated power supply has been estimated. The advantage of power amplifier circuits with automatic mode adjustment is justified.
Keywords: power amplifier, efficiency factor, measurements, power consumption, automatic adjustment of power mode, test signal, parameter control.
