CC BY
64УДК 621.31
ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ
К. В. Аржанов
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634034, г. Томск, ул. Белинского, 53. E-mail: [email protected]
Приведены результаты разработки фотоэлектрической энергетической установки с автоматическим слежением за Солнцем, содержащей двухкоординатный шаговый электропривод, обеспечивающий минимизацию потребления энергии электроприводами при наведении установки на Солнце.
Ключевые слова: фотоэлектрическая энергетическая установка, солнечная батарея, микроконтроллер, минимизация энергопотребления, автоматическое слежение за Солнцем.
TWO COORDINATE STEPPER ELECTRIC SOLAR PLANT
K. V. Arzhanov
Tomsk State University Control Systems and Radioelectronics 53, Belinsky str., Tomsk, 634034, Russian Federation. E-mail: [email protected]
There are results of development of photovoltaic power plant with automatic sun tracking, containing two-axis stepper actuator, providing energy consumption minimization by electric actuator when the plant tracks the Sun.
Keywords: photovoltaic power plant, solar battery, microcontroller, minimizing energy consumption, automatic tracking the sun.
Разработка высокоэффективных фотоэлектрических энергетических установок (ФЭУ) определяется реализацией режима автоматического слежения солнечных батарей за Солнцем. Наведение солнечных батарей на Солнце позволяет повысить энергетическую эффективность ФЭУ на 50 %. На рис. 1 приведена фотография разработанной ФЭУ со следящем электроприводом с шаговыми двигателями [1].
Рис. 1. Фотография разработанной ФЭУ
На рис. 2 приведена функциональная схема фотоэлектрической энергетической установки, где СБ -солнечная батарея; АБ1, АБ2 - аккумуляторные батареи; КЗАБ - контроллер заряда АБ; И - инвертор; М1, М2 - шаговые двигатели; Р1, Р2 - редукторы; ДШД1, ДШД2 - драйверы управления шаговыми двигателями; БДПС - блок датчиков положения Солнца; КНС -контроллер наведения на Солнце; БКВХ, БКВУ -блоки конечных выключателей. В установке используется инвертор с синусоидальным выходом типа TS 1500-224 и два последовательно соединенных аккумулятора типа TUDOR T12V 155FT. Контроллер на-
ведения на Солнце состоит из микроконтроллера STM32-F103, преобразователя постоянного напряжения, пяти операционных усилителей, микросхемы, обеспечивающей связь по протоколу RS 485 с внешним компьютером через конвертор (1-7561). Микроконтроллер выдает на вход драйверов шагового двигателя (БР356М) следующие сигналы: направление вращения шаговых двигателей по азимуту (сигнал DR1) и по углу места (сигнал DR2), количество импульсов, которое необходимо отработать драйверами (шаговыми двигателями) по азимуту (сигнал ЦР1) и по углу места (сигнал иР2), сигналы включения драйверов по азимуту (М^1) и углу места (М^2), сигналы задания амплитуды тока шагового двигателя (ШД) по азимуту и углу места. Контроллер наведения на Солнце принимает сигналы с двух блоков конечных выключателей: Х1, У1 и Х2, У2 - начальные и конечные положения рамы по координате Х (азимуту) и У (по углу места) и сигналы готовности драйверов (RYD1 и RYD2).
Наведение рамы на Солнце осуществляется при помошц шаговых приводов. Необходимость перемещения рамы оценивается с помощью фотоэлектрического датчика положения Солнца [2]. Если правый и левый фотоэлемент датчика выдают одинаковый ток, то перемещать раму с СБ не требуется, а если есть отличие, то необходимо перемещение в таком направлении, чтобы скомпенсировать эту разницу по току. Если три фотоэлемента у датчика показывают одинаковый ток, то фотодатчик (и соответственно СБ) находится в тени, и перемещение рамы производить не требуется. Если тыловой фотоэлемент выдает самый больший ток, то Солнце светит с обратной стороны рамы, и необходимо развернуть раму в направлении Солнца.
Решетневскуе чтения. 2014
Рис. 2. Функциональная схема ФЭУ
Перемещения происходят дискретно через 1-3 градуса по обеим координатам, пока не выровняются сигналы в противоположных гранях в фотодатчике. Погрешность между сигналами тока в противоположных гранях фотоэлементов датчика, при которой необходимо проводить перемещение по координатам, составляет 5 % от средней величины токов в обеих противоположных гранях датчика положения Солнца (эта величина может устанавливаться в контроллере).
Для уменьшения рывков и качаний при перемещении рамы с СБ в программном обеспечении контроллера заложен режим позиционирования, то есть в электроприводе идет ограничение по скорости и ускорению при перемещении рамы с СБ от одного положения к другому. При этом реализован несимметричный специальный режим разгона, движения и торможения [3]. Несимметричный режим позиционирования совмещен с нелинейным заданием амплитуды тока ШД, то есть амплитуда тока ШД меняется во время движения. Это необходимо делать для минимизации потребляемого тока ШД. При пуске ШД с механизмом необходимо преодолеть нелинейный момент сухого трения. В этом режиме целесообразно увеличить амплитуду тока ШД (пусковой ток увеличить до 1,5-кратного от номинального тока), после преодоления начального момента сухого трения можно снизить амплитуду тока ШД (рабочий ток уменьшить до 0,75 от номинального тока). Это позволяет исключить сбои при пуске ШД и в целом уменьшить потребление тока двигателем во время микроцикла наведения. Увеличенный пусковой ток в ШД целесообразно делать в режиме позиционирования при положительном значении ускорения.
Для обеспечения точного наведения СБ на Солнце при действии большой ветровой нагрузки (20 и более м/с) предложен алгоритм, реализующий увеличение амплитуды тока ШД при перемещении на три градуса при наведении. Принцип заключается в определении сбоя в ШД при действии большого момента нагрузки от ветра. Осуществляется это путем измерения ошибки по току (1а, - 1ь) в наклонных гранях БДПС и определения, уменьшалась ли эта ошибка в течение 10 с (это время отработки заданного перемещения на 3 градуса). Если ошибка по току (1а, - 1ь) за 10 с не уменьшилась, это означает, что действует большой момент ветровой нагрузки или выключился ДШД по каким-либо причинам. Необходимо опросить ДШД. Если он исправен - это означает, что действует боль-
шой момент ветровой нагрузки. При этом необходимо увеличить в два раза амплитуду задания тока в ДШД на время перемещения рамы с СБ. Если ветровая нагрузка падает, то ошибка по току в противоположный гранях БДПС уменьшится менее, чем за 10 с и в ДШД выставляется номинальный ток ШД.
Полученные результаты экспериментальных исследований на установке ФЭУ показали следующее: слежение механической рамы с СБ за Солнцем целесообразно проводить непрерывно-дискретно (с дискретностью в 3 градуса, как по азимуту, так и по углу места), исходя из требований обеспечения заданной точности наведения на Солнце и минимального потребления электрической энергии шаговыми электроприводами; при завершении микроцикла наведения рамы с СБ на Солнце необходимо выключать драйверы ШД, чтобы исключить потребление энергии ШД; при перемещении механической рамы с СБ необходимо организовывать режим позиционирования, при этом целесообразно проводить перемещение с максимальной скоростью вращения ШД на уровне 4000 Гц, с введением ограничения по ускорению и торможению на уровне 3000 шаг/с2. Это позволяет существенно сократить потребление электрической энергии шаговыми электроприводами при наведении ФЭУ на Солнце.
Библиографические ссылки
1. Шиняков Ю. А., Шурыгин Ю. А., Аржанов В. В., Осипов А. В., Теущаков О. А., Аржанов К. В. Повышение энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок // Доклады Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2011. № 2 (24). Ч. 1. С. 282-287.
2. Датчик положения Солнца: пат. № 135126 U1 Рос. Федерация. № 2013117198; заявл. 15.04.2013; опубл. 27.11.2013. Бюл. № 33; ил.
3. Аржанов В. В., Шурыгин Ю. А., Шиняков Ю. А., Аржанов К. В. Минимизация энергопотребления электроприводами в фотоэлектрической энергетической установке // Изв. Томск. политехи. ун-та. 2013. Т. 322, № 4. С. 146-150.
References
1. Shinyakov Yu. A., Shuryigin Yu. A., Arzhanov V. V., Osipov A. V., Teuschakov O. A., Arzhanov K. V. Povyishenie energeticheskoy effektivnosti avtonomnyih fotoelektricheskih energeticheskih ustanovok // Dokladyi
Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki. 2011. № 2 (24). Ch. 1. S. 282-287.
2. Datchik polozhenija Solnca: pat. № 135126 U1 Ros. Federacija. № 2013117198; zajavl. 15.04.2013; opubl. 27.11.2013 v bjul. № 33; il.
3. Arzhanov V. V., Shurygin Ju. A., Shinjakov Ju. A., Arzhanov K. V. Minimizacija jenergopotreblenija jelektroprivodami v fotojelektricheskoj jenergeticheskoj ustanovke // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2013. T. 322. № 4. S. 146-150.
© Аржанов К. В., 2014
УДК: 621.3.029.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В МИКРОПОЛОСКОВОМ ФИЛЬТРЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ МОЩНОГО РАДИОИМПУЛЬСА
10 О О О О
Б. А. Беляев , , С. А. Ходенков , А. С. Бутиков , С. В. Ефремова , В. В. Храпунова
Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38. E-mail: [email protected] 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Разработан полосно-пропускающий фильтр с высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) элементом в качестве активной среды. Полосу пропускания широкополосного фильтра седьмого порядка формируют пять мод колебаний от центрального многомодового резонатора, полосковые проводники которого соединены между собой ВТСП пленкой-перемычкой, а также по одной низшей моде колебаний от каждого крайнего резонатора. В случае воздействия мощного радиоимпульса пленочный ВТСП элемент переходит из сверхпроводящего состояния в высокорезистивное, при этом многомодовый режим работы резонатора нарушается. На амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) наблюдается практически полное отражение электромагнитных волн, что позволяет ограничивать мощность на выходе устройства.
Ключевые слова: полосно-пропускающий фильтр, активная среда, высокотемпературный сверхпроводник.
USING THE ACTIVE MEDIUM IN THE MICROSTRIP FILTER FOR PROTECTION FROM THE POWERFUL RADIO IMPULSE
B. A. Belyaev1, S. A. Khodenkov2, A. S. Butikov2, S. V. Efremova2, V. V. Khrapunova2
:Kirenskiy Institute of Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50/38, Academgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation. E-mail: [email protected]
2Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The band-pass filter with a high-temperature superconductor element as the active medium is developed. The passband of the seventh order broadband filter is formed by five vibrational patterns from the central multimode resonator having strip conductors are connected among themselves by a high-temperature superconductor film. Also a pass-band is formed by one lowest vibration pattern from each single-mode resonator. Under influence of a powerful radio impulse, the film high-temperature superconductor element turns from a superconducting state to high-resistive. Almost full reflection of electromagnetic waves is observed at the amplitude-frequency characteristic. It allows to limit power at the device exit.
Keywords: band-pass filter, active medium, high-temperature superconductor.
Устройства защиты от мощного радиоимпульса применяются для сохранения работоспособности входных цепей приемников различного назначения, как одно из средств в системах электронного противодействия, а также для защиты входных цепей приемника радиолокатора от собственного излучения [1]. Как известно [2], электромагнитное излучение при превышении некоторого порога по мощности способ-
но вывести из строя активные элементы приёмного канала радиосистемы. При поступлении на транзистор или микросхему сигнала, мощность которого превышает их максимальную мощность рассеивания, происходит тепловой пробой р-п перехода. Это приводит к выходу из строя всего приёмного канала.
В настоящее время наиболее широкое применение получили полупроводниковые устройства защиты [3].
