CC BY
420
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
УДК 631.53.027.3:621.314
Ливинский С. А., Стародубцева Г. П., Афанасьев М. А.
Livinsky S. A., Starodubtseva G. P., Afanasyev M. A.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН
VOLTAGE CONVERTER FOR INSTALLATION PRE-TREATMENT OF SEEDS
Обоснованна необходимость поддержания выходного напряжения и тока преобразователя напряжения для обработки семян, с заданным уровнем в зависимости от нагрузки. Выходные параметры преобразователя - ток или напряжение представлены как управляемые переменные. Приведены основы построения системы автоматического управления выходным напряжением и током в преобразователе напряжения для обработки семян. Представлена силовая часть преобразователя как звено системы автоматического управления с принципом управления по замкнутому циклу. Рассмотрена работа преобразователя в трёх интервалах: импульса, паузы, мертвого времени. Математически описаны эквивалентные схемы для периодов импульса, паузы, мертвого времени. Определена система дифференциальных уравнений являющаяся нелинейной моделью преобразователя напряжения для режима прерывистого тока в нагрузке, которая может быть использована для полного математического описания преобразователя как системы автоматического управления.
Ключевые слова: преобразователь напряжения, обратная связь, система автоматического управления, эквивалентная схема, регулирующий элемент.
Justification of the need to maintain the output voltage and the voltage converter for seed treatment, a predetermined level depending on the load. Output parameters transducer - current or voltage is represented as controlled variables. Presents the basics of building automatic control system output voltage and current to voltage converter for seed treatment. Presented power of the transmitter as a link in the automatic control system with closed-loop control principle. We consider the work of the converter in three ranges: pulse pause, a dead time. Mathematically described equivalent circuit for a pulse period, a pause, a dead time. Determined system of differential equations is a nonlinear voltage converter model for discontinuous current in the load, which can be used for a complete mathematical description of the inverter as the automatic control system.
Key words: voltage converter, feedback, automatic control system, equivalent circuit, the control element.
Ливинский Сергей Аликович -
аспирант кафедры физики
Ставропольский государственный
аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8 (918)-741-16-18
E-mail: LiS-nc@yandex.ru
Стародубцева Галина Петровна -
профессор кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: 8(905)-497-82-76 E-mail: ssau_phisics@mail.ru
Афанасьев Михаил Анатольевич -
аспирант кафедры физики Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: 8(919)-740-97-23 E-mail: ssau_phisics@mail.ru
Livinsky Sergey Alikovitch -
graduate student
physics department
Stavropol state agrarian University
Stavropol
Tel.: 8(918)-741-16-18 E-mail: LiS-nc@yandex.ru
Starodubtseva Galina Petrovna -
professor physics department Stavropol state agrarian University Stavropol
Tel.: 8(905)-497-82-76 E-mail: ssau_phisics@mail.ru
Афанасьев Михаил Анатольевич -
graduate student physics department
Stavropol state agrarian University Stavropol
Tel.: 8(919)-740-97-23 E-mail: ssau_phisics@mail.ru
С целью повышения посевных качеств семян и подавления патогенной микоф-лоры используют обработку семян импульсным электрическим полем. [1,2,3] Для обработки семян импульсным электрическим полем, необходимо устройство, - преобразователь напряжения, который осуществляет преобразование входного напряжения источника переменного тока в напряжение воздействия. Поскольку воздействие осуществляется импульсами напряжения с частотой
в разы превышающей сетевую частоту этот преобразователь - импульсный. Выходное напряжение и ток преобразователя напряжения требуется поддерживать с заданным уровнем точности в зависимости от нагрузки. Нагрузкой является слой семян имеющий различную степень загрязненности и влажности, а следовательно изменяющиеся ёмкость и сопротивление.
Преобразователь напряжения, используемый в установке для обработки семян электри-
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 4(24), 2016
Агроинженерия
21
ческим полем, с точки зрения построения системы управления выходным напряжением и током, может быть отнесен к системам автоматического управления - САУ.
Выходной параметр преобразователя - ток или напряжение является управляемой переменной. В преобразователе, объектом управления служит нагрузка в виде электрического сопротивления обрабатываемой массы. Характерным для преобразователя, рассматриваемого как САУ, является наличие управляющего воздействия на объект (нагрузку), которое зависит от управляемой переменной, задающего воздействия и возмущения.
Принято различать два основных принципа управления, имеющие широкое применение. Это система управления по разомкнутому циклу и система управления по замкнутому циклу[4,6].
В изученных нами установках для обработки семян преобразователи имели систему управления с разомкнутым циклом без обратной связи. В таких преобразователях, в лучшем случае, оператор изменял режим управления (обработки) в зависимости от возмущения (степени загрязненности и влажности обрабатываемого материала). Для каждой партии семян перед обработкой необходимо провести серию лабораторных опытов, для подбора режимов обработки.
Принцип управления по замкнутому циклу [4,5,6] (принцип управления по отклонению переменной, принцип обратной связи (ОС)) является более приемлемым, позволяющим устанавливать режим обработки в зависимости от состояния семян. Данный принцип заключается в воздействие на регулирующий элемент объекта (РЭ) через управляющее устройство -регулятор (Р), как функция отклонения е регулируемой управляемой переменной х() от предписанного (оператором) задающего воздействия х0 (). Структурная схема представлена на рис 1.
Регулирующий элемент - является важнейшим звеном системы автоматического управления (САУ) это силовая часть преобразователя, его выходной каскад. РЭ работает с управлением по принципу широтно-импульсной модуляции ШИМ, параметры которой определяет регулятор, в зависимости от возмущения.
Представить РЭ (силовую часть) преобразователя можно как непрерывное звено САУ, работающее с любым типом ШИМ, аналоговым или дискретным регулятором.
Работа преобразователя происходит в трёх интервалах: импульса го„, паузы мертвого времени гвт.
Jt! VT1
тш Л
L
VT2
iUc I
Рисунок 2 - Силовая часть преобразователя Интервал ton
Транзистор УТ1 в интервале гоп (рис. 2) открыт, транзистор УТ2 заперт и в этом интервале справедлива эквивалентная схема рис 3.
jSr L . 1__
-±-Un
VT2
-L
+ C О'
Рисунок 3 - Эквивалентная схема для периода ton
Используя законы Кирхгофа, запишем для схемы систему уравнений:
(1)
__ U<L
dt L
duc _ h uc
. dt e rc
Определяем из (1) матрицу А1, - коэффициентов состояния системы в интервале импульса, и матрицу Би связывающую входные сигналы системы с её текущим состоянием:
A _
о C
1
RC
в =
l
Интервал
Схема для данного интервала приведена на рис 4.
Возмущение
Il
u
0
Рисунок 1 - Структурная схема принципа управления по замкнутому циклу
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
VT1
г
VT2
L
Ja I
=Ь W
Рисунок 4 - Эквивалентная схема для периода toff
Система ДУ для этой схемы:
= -UL
dt L
duc = h uc
. dt C RC
Матрицы для этой схемы: 1
A2 =
0
L
J_ C
Интервал tD
1
~RC
B =
VT1
Г
VT2
L
"a
du„
dt
RC
Матрицы A и B в интервале tDT
1 L
1
A3 =
0
1
B3 =
С RC_
Определим усредненные матрицы за весь период:
— A,d, ^ A2d2 ^ A3d~3,
Bd — Bldl + B2 d2 + B3d3,
где коэффициенты заполнения для каждого интервала равны:
d, — ; d2 — ; d3 — t-d-.
(2)
Определяем матрицы Ad и Bd:
I d
A =
L
I d
C
1
RC
; в =
L
d.
где I й = + й2.
Так как матрицы Ай и Вй теперь известны, выведем усредненную за период систему дифференциальных уравнений:
I й
L
Id
C
1
RC
+
dj т
о
(4)
Рисунок 5 - Эквивалентная схема для периода гвт
В данном интервале происходит разряд ёмкости семян на эквивалентное сопротивление слоя Я (сопротивление контактов между семенами и электродами, поверхностное сопротивление семян, сопротивление внутреннего объема семян).
Система уравнений для данного интервала оказывается наиболее простой:
= 0
йг
В системе (4) переменные 1Ь и ис - средние значения за период переключения, а уровень напряжения обработки ип неизменен в течении одного периода.
В рассматриваемом режиме работы ток в индуктивности изменяется, как показано на рис 5.
Средний ток в дросселе за интервал гоп, го#, а также за интервал I г = гоп + г^ обозначим как 1Ш тогда: °
L max 2
= (U,n - Uc )
d1
f 2Rt
(5)
(3)
где х = к.
Я
Производная тока индуктивности L (¡1) равна нулю как переходном режиме, так и в периодическом. В периодическом режиме равна нулю производная от напряжения на ёмкости семян.
k'L К v. 'imex / ^
< tcn > t df -d-д. IT -t
Рисунок 6 - Диаграмма тока в индуктивности для данного режима
0
u
u
c
c
u
c
Вестник АПК
Ставрополья
:№ 4(24), 2016
0
d + d2
D1 + D 2 L
__1_
- Rc
U„
Dl
L 0
U = 0
(6)
где Д, Б2 - коэффициенты заполнения для интервалов ton и в периодическом режиме. Обозначив ^Б = Б1 + Б2 из (6) получим:
л = ^
Ilo =
ID
Dl
I DR'
Суммарный коэффициент заполнения:
ID =Dl .
^ 1 Uc
Ток в индуктивности L в периодическом режиме можно записать, используя (8), (9):
Ilo =
U 2
UcG
DUnR DiR Ur
G = Ul
U,.„
Di
ID ■
Агроинженерия
23
Для периодического режима, на основании (4) получаем:
G 2 + 1D12
G -
1D
= 0.
/2т /2т Из последнего уравнения получим коэффициент О и коэффициент заполнения Д:
G =
D2
2 (
f 4
1 +
f 8 D2
Л
-1
Dl = G.
(7)
(8)
(9)
f 2. 1 - M'
(12)
(13)
Uc =
Таким образом, для периодического режима получены соотношения:
Б1 л . т = ис и т =(тт _ л ) Б1 £= £ш и тьо т Лс
Последнее выражение для 1Ш получено из (5). Запишем (4) как систему двух ДУ в нормальной форме, учитывая, что производная тока ¡ь равна нулю:
^ Л, + ^ ^ = 0
(10)
где О = —— коэффициент передачи напряже-
^^ т
ния регулятора от входа к выходу на постоянном токе. Коэффициент О можно выразить из (7):
L
L
I d
1
(11)
Зависимость коэффициента О в режиме прерывистого тока от параметров преобразователя []:
с С ь ЯС с Данная система дифференциальных уравнений является нелинейной моделью для преобразователя напряжения в режиме прерывистого тока в нагрузке. Она может быть использована для полного математического описания преобразователя как системы автоматического управления.
+
и
Литература
1. Бородин И. Ф. Развитие электротехнологии в сельскохозяйственном производстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1983. № 6. С. 27-31.
2. Оськин С. В., Хныкина А. Г., Рубцова Е. И. Необходимость повышения посевных качеств мелкосеменных овощных культур ИЭП // Университет. Наука. Идеи и решения. Научный журнал КубГАУ. 2010. № 1. С. 3.
3. Barbosa P. M. Three-Phase Power Factor Correction Circuits for Low-Cost Distributed Power Systems // Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg, Virginia. 2002. July 31.
4. Браун М. Источники питания расчет и конструирование / пер. с англ. МК Пресс. 2005. 288 с.
5. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М. : Техносфера, 2005. 632 с.
References
1. Borodin J. F. Development electrotechnology in agricultural production // Mechanization and electrification of agriculture. - 1983. -№ 6. - 27-31 pp.
2. Oskin S. V., Khnikina A. G., Rubtsova E. I. The need to increase the sowing qualities of small-seeded vegetables IEP. // The scientific journal "University. The science. Ideas and solutions ", Kuban State Agrarian University. - 1/2010,3 p.
3. Peter Mantovanelli Barbosa, Three-Phase Power Factor Correction Circuits for Low-Cost Distributed Power Systems // Virginia Polytechnic Institute and State University. July 31, 2002 Blacksburg, Virginia.
4. Brown M. Power supply calculation and design // Trans. from English. MC Press, 2005. - 288 p.
5. Meleshin V. I. Transistor converter equipment. M. : Technosphere, 2005. - 632 p.
