CC BY
83
В результате компьютерного моделирования были получены графики тока в ЛЭП 115 кВ (Рис. 5) и кривой тока намагничивания силового трансформатора (Рис. 6).
Рис. 5 - График изменения тока фазы А в ЛЭП 115 кВ при импульсе напряженности геоэлектрического поля Ех= 6 В/км
ТРДН-63000/115/6,3/6,3 при импульсе напряженности геоэлектрического поля Ех= 6 В/км
В результате моделирования получено, при протекании ГИТ в заземленных обмотках силовых трансформаторов амплитудные значения токов намагничивания возрастают в сотни раз, что приводит к насыщению магнитной системы и искажению кривой тока намагничивания и, как следствие, к появлению высших гармонических составляющих тока и напряжения, которые распространяются в электрической сети. Из-за нелинейности кривой намагничивания помимо нечетных гармоник тока появляются четные гармоники k=2n+1, k=3n-1, где «=1,2,3,... , а так же постоянная составляющая, которые оказывают негативное воздействие на систему электроснабжения, при этом постоянная составляющая составляет I(0)=36%, I(2)=65%, I(3)=56%. Протекание токов высших гармоник в силовых трансформаторе создает электродинамические усилия, вызывая акустические шумы, а так же дополнительные потери активной мощности, что приводит к нагреву конструктивных и токоведущих частей.
Литература
1. Энергетическая Стратегия России на период до 2020 года. Министерство промышленности и энергетики РФ, г. Москва, 2003 г., [Электронный ресурс] URL: http://www.cpnt.ru/userfnes/_files_normativ_energosafe_energostrategy.pdf (дата обращения
28.11.2013).
2. Вахнина В.В. Влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых трансформаторов/ В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, В.А. Кузнецов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. - 2012. - №3(21).- С. 65 - 69.
3. Вахнина В.В. Автореф. дис. докт. техн. наук. - Москва, 2013. - с. 40.
Самила А.П.
Кандидат технических наук, Черновицкий национальный университетимени Юрия Федьковича, Украина РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ НА ПЛИС ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ФУРЬЕ-
РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ЯКР
Аннотация
Разработан синтезатор частот на программируемой логической интегральной схеме с использованием метода прямого цифрового синтеза сигналов. Устройство испытывалось в составе формирователя последовательностей импульсов возбуждения сигнала спиновой индукции импульсного Фурье-радиоспектрометра ядерного квадрупольного резонанса. Диапазон рабочих частот составляет 1+50 МГц а минимальная длительность формируемого радиоимпульса - 100 нс.
Ключевые слова: прямой цифровой синтез, ПЛИС, спектрометр ЯКР.
Samila A.P.
PhD in Engineering, Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Ukraine DEVELOPMENT of DIGITAL FREQUENCY SYNTHESIZER PLD BASED FOR NQR PULSE FOURIER
SPECTROMETER
Abstract
Frequency synthesizer designed for programmable logic device using the direct digital synthesis signal. The device was tested as a part of sequencer for pulse Fourier spectrometer of nuclear quadrupole resonance. Operating frequency range is 1 + 50 MHz and the minimum duration of the formed pulse -100 ns.
Keywords: direct digital synthesis, PLD, NQR spectrometer.
Формирование высокочастотных колебаний на основе метода прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizers или DDS) в последнее время находит широкое применения в радиоэлектронных устройствах и системах телекоммуникаций [1,2]. Прямой цифровой синтез - относительно новый метод синтеза частоты, появившийся в начале 70-х годов прошлого века. Однако, только в последнее время DDS уделяется пристальное внимание, что обусловлено повышением степени интеграции цифровых устройств позволяющее значительно снизить времена задержки прохождения сигналов. Объединение в одном чипе быстродействующего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и DDS позволило получить весьма заманчивую альтернативу обычным синтезаторам на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Интегральные однокристальные синтезаторы частоты (Complete DDS) широко используются в качестве источников колебаний несущих частот при разработке портативных систем связи, лабораторного и учебного оборудования. Кроме того, заслуживают внимания генераторы с числовым управлением
124
без встроенного ЦАП - Numerically Controlled Oscillator (NCO), которые предназначены для построения высокоскоростных синтезаторов частоты (информационное вещание, медицинское оборудование, научно-исследовательские лаборатории, и др.).
Предлагаемое разработчиками оборудование формирования импульсов возбуждения ядерной спиновой индукции для ядерных резонансных и релаксационных исследований обладает рядом недостатков. В частности, большинство из них исполнены в виде плат расширения персонального компьютера и требуют написания специализированного программного обеспечения, что накладывает ограничения на их мобильность [3]. Кроме того, в силу своей широкой функциональности, и соответственно, высокой цены такие устройства зачастую недоступны для большинства научных лабораторий.
В данной работе предложен цифровой синтезатор частот для импульсного Фурье-радиоспектрометра ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) с диапазоном 1^50 МГц, который обеспечивает возможность работать с частотами наиболее актуальных с точки зрения исследований ядер изотопов 14N, 35Cl 63Cu, 69Ga, 71Ga, 113In, 115In и др.
Структура предложенного синтезатора включает генератор с числовым управлением, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), ЦАП и систему управления. В основе предложенной разработки лежит программированная логическая интегральная микросхема (ПЛИС) EP1C6Q240C8 [4] от фирмы Altera, использование которой позволило создать не только несущее колебание со строго заданной частотой и начальной фазой, но и гибкую систему формирования когерентных импульсов возбуждения сигналов ЯКР.
Цифровая часть синтезатора изображенного на рис. 1 построена средствами моделирования и разработки для сверхбольших интегральных схем и систем-на-кристалле от Altera [5]. Основой устройства является 48-битный аккумулятор фазы «altaccumulateO», формирующий линейно изменяющуюся последовательность кодов мгновенной фазы сигнала. Расчет табличных значений одного периода гармонического колебания, изменяющегося по закону y=sinx осуществлен в программной среде Origin Pro v8 [6] (рис. 2). Период колебания разбиваем на 210 8-битных отсчетов. Циклически повторяющиеся значения отсчетов выходного сигнала, записанные в таблицу ПЗУ «DDS_rom» реализуют формирование выходного сигнала DDS в виде периодической функции y(t)=A-sin(2nft+q>).
Модуль «PLL1» является программированной системой ФАПЧ, использование которой позволяет обеспечить формирование колебаний с частотой fclk=250 МГц при использовании внешнего тактового генератора работающего на частоте 50 МГц. Модули «phase_mux», «phase_adder» и «phase_reg» служат для осуществления двоичной фазовой манипуляции несущей частоты виходного сигнала DDS. Умножитель «mult 1» обеспечивает возможность ввода входного кода частоты непосредственно в виде числовой константы соответствующей предполагаемому числовому значению генерируемой частоты. Он умножает входной код частоты К] на константу 7^=11258999 задающую шаг перестройки синтезатора равный А/=10 Гц
125
Зависимость частоты сигнала fout на выходе генератора с числовым управлением зависит от опорной тактовой частоты fclk, разрядности аккумулятора фазы M и кода частоты К определяется следующим выражением [2]:
f _ K X fclk
' out ryM
. (1)
2
При этом шаг перестройки частоты не зависит от ее значения и равен:
Kf fclk
out ~
(2)
В нашем случае рабочая частота накапливающего сумматора разрядностью М=48 бит равна fclk=250 МГц. Таким образом, шаг перестройки частоты будет составлять AfoufA х10-6 Гц. Следовательно, для формирования сигнала с частотой fout на вход «Fr_ctrl30[23..0]>> синтезатора необходимо подать 24-битный код частоты, который рассчитывают с выражения:
K _
2M f
J ou fclkK 2
_ 25 x 10'
6 fout
fcl
^2 J clk (3)
Умножитель «AM_MUX» обеспечивает возможность регулировки амплитуды выходного сигнала DDS. Кодовое слово регулировки амплитуды разрядностью 8 бит подается на порт «Amp_ctrl[7..0]». Фазовая манипуляция осуществляется через порт «Fin_ctrl».
Цифро-аналоговое преобразование выходного сигнала осуществляется внешним ЦАП AD9708 с дальнейшей фильтрацией аналоговым ФНЧ. Согласование выходного сопротивления синтезатора с внешними устройствами осуществляется с использованием операционного усилителя MAX4450 с полосой пропускания 55 МГц при неравномерности АЧХ ±0,1 дБ и Rail-to-Rail выходом. Спектры выходного сигнала синтезатора для крайних частот рабочего диапазона приведены на рис. 3, а осциллограмма выходного напряжения на рис. 4, а.
Рис. 3 - Спектры выходного сигнала DDS: а - частота 1 МГц, б - частота 50 МГц
Предложенный синтезатор частот испытывался в составе формирователя последовательностей импульсов возбуждения сигнала спиновой индукции (ССИ). Отметим, что синтезатор и формирователь разработаны на одной ПЛИС, что обеспечивает минимальные задержки прохождения сигнала и соответственно возможность формирования последовательностей коротких радиоимпульсов (рис. 4, б). Значение длительности импульсов и паузы могут принимать заданные значения в диапазоне 0,1М2 мкс и 0,1 мксМ с соответственно.
Рис. 4 - Осциллограммы выходных сигналов DDS: а - непрерывная генерация (частота 50 МГц), б - работа в составе формирователя последовательности импульсов возбуждения ССИ (частота несущей 26,006 МГц).
Исследования показали, что параметры использованной ПЛИС не позволяют получить тактовые частоты для ЦАП более 250 МГц. Для работы на более высоких частотах рассматривается разработка устройства на основе чипа семейства Altera Cyclone® V или Altera Stratix®. Эго обеспечит возможность использовать цифро-аналоговые преобразователи со скоростью преобразования более 1 Гвыб/с.
Литература
1. Bopche Manjiri A., Deshmukh A.Y. FPGA based direct digital synthesis function generator // International Journal of VLSI and Signal Processing Applications. - 2011. Vol. 1, Issue 2. - P. 8-14.
2. Ридико Л.И. DDS: прямой цифровой синтез частоты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.digit-el.com/files/articles/dds.pdf (дата обращения 16.02.2012).
126
3. RadioProcessor™ Owner’s Manual [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.spincore.com/CD/RadioProcessor/RadioProcessor_manual.pdf (дата обращения 27.12.2013).
4. EP1C6Q240C8 - Cyclone FPGA Family - Altera Corporation [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.aUdatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/131597/ ALTERA/ EP1C6Q240C8.html (дата обращения 17.02.2013).
5. Quartus II Subscription Edition Software [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.altera.com/products/software/quartus-ii/subscription-edition/qts-se-index.html (дата обращения 06.10.2013).
6. Origin/OriginPro Evaluation (Demo) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.originlab.com/index.aspx?go=DOWrNLOADS/OriginEvaluation (дата обращения 05.12.2013).
Смехун Я. А.1, Полищук С. В.2
'Магистрант; 2магистрант, Дальневосточный федеральный университет ТЕХНОЛОГИЯ RS-485 В СИСТЕМАХ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДОМОВ
Аннотация
В статье рассматривается технология RS-485, благодаря которой все электроприборы в ломе связываются с датчиками и управляющими контроллерами в единую сеть. В работе описываются основные возможности применения технологии RS-485 для создания автоматизированных интеллектуальных систем для обеспечения энергосбережения и управления электропитанием бытовой электротехники в жилом доме. В ходе исследования было установлено, что использование стандарта RS-485 в системах интеллектуального дома для энергосбережения в среднем сокращает расходы электроэнергии на 40%.
Ключевые слова: энергосбережение, технология RS-485, интеллектуальный дом.
Smekhun Y.A.1, Polischuk S.V.2
Undergraduate; 2 undergraduate, Far Eastern Federal University RS-485 TECHNOLOGY IN ENERGY CONSERVATION SYSTEM OF HOME AUTOMATION
Abstract
In this article we discuss the RS-485 technology, which connects all electrical appliances in scrap with sensors and with management controller. In this paper we describe the main features of the application of RS-485 technology to create intelligent automated systems to ensure energy conservation and power management of household electrical appliances in a residential house. The study found that using a standard, RS-485 systems for smart house energy conservation reduces the average power consumption by 40%.
Keywords: energy conservation, RS-485 technology, home automation.
Одними из самых актуальных проблем современной энергетики в нашей стране являются развитие и внедрение энергосберегающих технологий для рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов. Одними из перспективных технологий энергосбережения стали автоматизированные системы интеллектуальных домов.
Система интеллектуального дома или «Умный дом» для энергосбережения и энергоэффективности включает в себя подсистемы управления электробытовой и электронагревательной техникой, которые выполняют следующие функции [1]:
• Управление освещением. Система может автоматически включать и выключать освещение, менять яркость ламп в доме в зависимости от времени суток. Благодаря интеллектуальной системе управления освещением расход электроэнергии понижается на 35% и более. Энергосбережение обеспечивают автоматические выключатели света с использованием инфракрасных и электронных датчиков. Электронные датчики измеряют уровень освещенности помещения и, при достижении заданного значения, выдают команду на включение или выключение освещения (датчики освещенности), либо непосредственно «видят», что в помещение вошел человек, и включают свет (датчики движения). Светочувствительный элемент блокирует включение освещения при достаточном естественном освещении.
• Управление электропотреблением. Электроприборы не потребляют электроэнергию в режиме ожидания, технологии умного дома включают бытовую электротехнику только при необходимости, что позволяет снизить потребление электроэнергии на 20% и более. Постоянный контроль состояния электросети позволяет исключить потери электроэнергии в электропроводке дома. Устройства с высокими токами потребления могут синхронно работать без риска отключения питания вследствие перегрузки.
• Управление отоплением дома. Поддержка определенного температурного режима в умном доме происходит автоматически в соответствии с изменением внешних воздействующих факторов.
• Управление климатом в доме. Поддержание заданной температуры, влажности и освещенности.
• Управление шторами, жалюзи или рольставнями.
• Домашняя метеостанция. Наблюдение и прогнозирование погоды за окном. Корректировка работы систем освещения и отопления в зависимости от погодных условий.
«Умный дом» позволяет сократить расходы на оплату счетов за электроэнергию, обезопасить жильцов от коротких замыканий в электросети и дополнительно обеспечить домашний комфорт.
Программное обеспечение интеллектуального дома обеспечивает согласованную работу всего электрооборудования в автоматическом режиме и управление электропитанием устройств. Для этого все электроприборы в доме связываются с датчиками и управляющими контроллерами в сеть посредством следующих сред передачи сигналов: по проводной шине, сети электропитания 220В и с помощью радиосигналов. Наиболее распространенными технологиями объединения датчиков, электроприборов и управляющих контроллеров в сеть стал стандарт RS 485[2].
Технология RS-485.
RS-485 (RS-485 — Recommended Standard 485) стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи. В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Физически сеть RS-485 выполнена стандартным сетевым кабелем категории 5е. Так как в таком кабеле всего есть четыре пары проводов, то можно одну пару задействовать непосредственно для интерфейса RS-485, а по оставшимся свободным парам подавать постоянное напряжение 12-24В для питания различных модулей и устройств. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений одной полярности между проводниками означает логическую единицу, разница другой полярности - ноль. RS-485 — это физическая среда передачи данных, для того чтобы устройства могли понимать друг друга, данные кодируются с помощью протоколов передачи данных ModBus и Adicon.
Наиболее распространенным протоколом передачи данных в стандарте RS-485 стал протокол ModBus - открытый стандарт обмена данными. ModBus передает данные через последовательные линии между устройствами. Простейшая схема будет состоять из одного последовательного кабеля, соединяющего последовательные порты на двух устройствах, активного устройства типа Master и пассивного устройства типа Slave, в качестве которого обычно выступают датчики и бытовая электротехника. В качестве активного устройства типа Master выступает микроконтроллер либо персональный компьютер. Протокол позволяет к одному устройству типа Master присоединять до 247-ми устройств типа Slave.
127
