CC BY
131
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.38
Совершенствование системы бесперебойного электропитания для компьютерного оборудования
Татьяна Сергеевна Аббасова, к. т .н., доцент, e-mail: [email protected] ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрено использование гелиоустановки со следящим электроприводом для системы бесперебойного электропитания компьютерного оборудования; принят рабочий режим слежения электропривода - автосопровождение Солнца; произведена оценка целесообразности использования гелиоустановок для центров обработки данных; разработана расчетная электромеханическая схема универсального однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки; на основе электромеханической схемы разработана структурная схема следящего электропривода гелиоустановки; исследованы наиболее неблагоприятные условия для работы следящего электропривода.
Use of a solar power plant with the watching electric drive for the system of uninterrupted power supplies of the computer equipment is considered; the operating conditions of tracking of the electric drive - Sun auto support are accepted, the estimation of expediency of use of solar power plants for data-processing centers is made,on the basis of the electromechanical scheme the block diagram of the watching electric drive of a solar power plant is developed; the most adverse conditions for work of the watching electric drive are investigated.
Ключевые слова: система слежения, передаточная функция, гелиоустановка.
Keywords: tracking system, transfer function, a solar power plant.
Целью данной работы является разработка структурной схемы следящего электропривода гелиоустановки с учетом условий его работы. Следящие электроприводы гелиоустановок резервируют работу источников бесперебойного питания для крупных вычислительных центров. Ставится задача определить неблагоприятные условия работы электропривода, чтобы обеспечить точность наведения гелиоустановки на Солнце в любых режимах эксплуатации при функционировании системы бесперебойного электропитания.
Гелиоустановки, осуществляющие с помощью солнечных батарей прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, эффективны с точки зрения ресурсосбережения и экологии. На работу гелиоустановок большое влияние оказывают местные климатические условия. Но следует учесть тот факт, что количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли в течение года, равна 8-108 ТВтч, а потребление первичной энергии всех видов за год составляет лишь 1-105 ТВт-ч. Та-
ким образом, работы по преобразованию солнечной энергии перспективны.
Климатической особенностью средней полосы России является то, что около 80% солнечной энергии поступает лишь в течение полугода (лето, половина весны и половина осени). Однако, если говорить о перспективах развития гелиоустановок для крупных вычислительных центров (называемых также центрами обработки данных, ЦОД), то в связи с тенденцией выноса ЦОД из мегаполисов в регионы можно подобрать регионы с соответствующими климатическими условиями. Возможно функционирование ЦОД с использованием гелиоустановок и в средней полосе России, но в этом случае необходимо разработать еще и схемы резервирования источника солнечной энергии в дополнение к способам резервирования источников питания для компьютерного и телекоммуникационного оборудования, рассмотренных в [1]. Альтернативные источники питания могут быть дополнительными, резервными, а в некоторых слу-
чаях и полностью заменять традиционные источники электропитания.
Для производства батарей используют наиболее распространенный в земной коре химический элемент кремний. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии - около 15%. Толщина кремниевых шайб (кристаллов), входящих в состав солнечной батареи - 0,3...0,4 мм. Кристалл имеет примеси, например бора и фосфора, которые образуют два граничащих между собой слоя с разными электрическими характеристиками. В результате воздействия на кристалл солнечного света на переходе между слоями образуется электрическое поле. С металлических контактов снимается электрический ток. Конструкция металлических выводов, расположенных на верхней и нижней стороне кристалла, выполняется таким образом, чтобы на поверхность кристалла попадало как можно больше света. Для этого на данную поверхность наносится специальный слой, который уменьшает отражение, а металлические контакты выполняются в виде гребенки.
Напряжение такой ячейки достигает 0,4.. .0,5 В. Электрическая мощность, снимаемая с одной ячейки, измеряется в ваттах, с модуля - в киловаттах, с большой гелиоустановки - в мегаваттах. Базовая величина мощности 1 кВт/м2 может быть получена при прямом солнечном облучении. Кристалл ячейки размером 10^10 см в зависимости от КПД обеспечивает снимаемую электрическую мощность 1,2.1,75 Вт. Чтобы получить более высокие мощности с отдельных ячеек, их собирают в модули для обеспечения широкого диапазона мощности от нескольких микроватт до десятков мегаватт. Модули являются основой гелиоустановок. Механические характеристики модулей гелиоустановок должны обеспечить такую конструкцию, которая в течение длительного времени способна противостоять воздействию климатических и погодных факторов.
Гелиоустановки, вырабатывающие мощность до десятков мегаватт, называются гелиосистемами. Независимо от величины вырабатываемой мощности гелиоустановки имеют принципиальную одинаковую схему.
Недостатком солнечных батарей являются невысокие значения КПД, а преимуществами -бесшумная работа; отсутствие подвижных частей, увеличивающее износостойкость; гарантийный срок работы до 26 лет; небольшие эксплуатационные расходы; возможность монтажа в различные
приборы и конструкции зданий; безопасность для окружающей среды; а также то, что загрязнение солнечных модулей, устанавливаемых с небольшим углом наклона, практически не играет роли, поскольку дожди при средней частоте выпадения смывают оседающую пыль.
Рассмотрим целесообразность использования гелиоустановок для центров обработки данных. ЦОД - это совместно используемая инфраструктура для размещения данных и их обработки предприятиями не очень большого масштаба, которым легче арендовать вычислительные мощности у более крупной организации, чем иметь расходы на электропотребление и управление вычислительным оборудованием. ЦОД может быть также предназначен для резервирования данных. Для бесперебойного обеспечения энергией оборудования ЦОД или любого другого менее масштабного вычислительного центра нужен автономный источник энергии, который включается после того, как выработал свой ресурс главный элемент системы бесперебойного питания - источник бесперебойного питания. Выбор типа автономного источника определяется его назначением, потребляемой мощностью, наличием или отсутствием сети электроснабжения, географическим положением потребителя и допустимыми затратами. В настоящее время в качестве автономного источника обычно используется дизель-генератор, имеющий высокую надежность. Однако использование солнечной энергии в качестве автономного источника питания позволяет расширить энергетические ресурсы и сэкономить топливо от экватора до широты 60°. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями.
Гелиоустановки могут быть зависящими от сети и не зависящими (автономными), что важно для работы ЦОД, которые также могут работать автономно. Классификация гелиоустановок с точки зрения сетевого позиционирования приведена на рис. 1. Зависящие от сети гелиоустановки, вырабатывающие мощность от нескольких киловатт, включают в себя инвертор, через который энергия поступает в электрические сети общего пользования. Установки такой мощности монтируются, как правило, на крышах зданий. Зависящие от сети гелиоустановки, вырабатывающие мощность до нескольких мегаватт, являются крупными централизованными системами и устанавливаются на крышах, фасадах зданий, шумозащитных стенках, а
Рис. 1. Классификация гелиоустановок как сетевых элементов
также вне городских сооружений на специальных конструкциях, монтируемых на опорах.
Не зависящие от сети установки делятся на удаленные от сети и не связанные с сетью. Не связанными с сетью являются такие установки, которые обеспечивают надежное и экономичное питание потребителей, альтернативное электроснабжению от традиционных электрических сетей, расположенных поблизости. Удаленными от сети установками считаются такие, которые расположены в местах, где невозможно подключение к имеющимся сетям или сети отсутствуют. Удаленные гелиоустановки, вырабатывающие большую мощность, называются автономными (островными) гелиосистемами.
Для функционирования ЦОД необходимы гелиоустановки средней и большой мощности для питания оборудования с напряжением 220 В переменного тока. Чтобы обеспечить электропитание оборудования ЦОД, потребляющего переменный ток, применяется инвертор. Аккумулятор служит для того, чтобы накапливать вырабатываемую гелиогенератором энергию и отдавать ее потребителю при плохой погоде и в темное время суток. Гелиоустановки обычно имеют никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, свинцовые или литиевоионные аккумуляторные батареи, а также двухслойные конденсаторы. В настоящее время внедряются зависящие от сети гелиоустановки. При требовании заказчика обеспечить мобильность
ЦОД необходимо внедрение автономных (островных) гелиоустановок.
Солнечная радиация, падающая на произвольно ориентированную поверхность, складывается из трех компонент:
1) прямая радиация от Солнца;
2) диффузная радиация от неба, которая, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:
• ореольная диффузная радиация (из зоны неба, находящейся непосредственно вокруг диска солнца);
• фоновая диффузная радиация (считывается как равномерно распределенная по всему полусферическому небосводу);
3) отраженная радиация от поверхности земли. Места наблюдения и методы измерений солнечного излучения в различных спектральных диапазонах определяются в соответствии с требованиями Всемирной метеорологической организации (ВМО) [2] и руководствами по проведению измерений, которые используются Global Atmospheric Watch (GAW) и Baseline Surface Radiation Network (BSRN) [3, 4].
Спектральный диапазон чувствительности кремниевых солнечных элементов составляет 0,4...1,1 мкм, в нем заключено приблизительно 94% энергии из солнечного спектрального диапазона 0,3...3,0 мкм.
Чтобы получить максимальное количество энергии, важно знать оптимальный угол наклона
солнечных электрических панелей к плоскости горизонта. Этот угол можно менять от 10° до 90° с некоторым шагом. Необходимо вычислить суммарное количество солнечной радиации за различные месяцы, которая падает на солнечную панель, имеющую различные углы наклона к плоскости горизонта и по-разному ориентированной относительно сторон света:
а) угол наклона панели к плоскости горизонта от 10° до 90°, произвольное положение панели относительно юга;
б) угол наклона панели к плоскости горизонта от 10° до 90°, панель ориентирована строго на юг;
в) солнечная панель в течение светового дня ориентируется перпендикулярно направлению солнечных лучей.
Проведенные экспериментальные исследования в южной полосе России [5] показывают, что больше всего солнечной радиации поступает при перпендикулярном расположении плоскости панели относительно солнечных лучей, но для этого необходимо менять положение панели. При постоянном положении панели больше всего поступает солнечной радиации в том случае, если панель ориентирована на юг и наклонена под углами от 0° до 30° к горизонту в летнее время суток и от 60° до 70° в декабре.
Приняв КПД солнечных панелей в среднем за 15%, можно в течение года с одного квадратного метра (в южной полосе России) получить от 218 кВт-ч при постоянном положении панели до 280 кВт-ч с использованием гелиостата [5]. Следует также учесть, что приход солнечной энергии на поверхность Земли неравномерно распределен в течение года. За 2/3 года, с марта по октябрь, поступает 86% этого количества и всего 14% за 4 месяца, с ноября по февраль.
На практике постоянно менять угол наклона солнечной панели неудобно и трудоемко, особенно если панели большие или их много. Поэтому целесообразно рассмотреть применение одного из трех вариантов:
1) гелиостат, когда специальное устройство следит за Солнцем и ориентирует панель всегда перпендикулярно солнечным лучам;
2) дважды в год изменяется наклон панели - с летнего периода на зимний период и обратно;
3) угол наклона панели в течение года не меняется.
При первом варианте можно получить максимальное количество энергии, но часть ее потребляется гелиостатом, поэтому повышается
стоимость. Второй вариант дешевле и проще, особенно для небольших панелей. Третий вариант не требует обслуживания, но невозможно получить максимальное количество энергии.
Необходимо развивать первый вариант с управляющим гелиостатом, так как мощность, получаемая с одного квадратного метра солнечной панели, увеличивается на 60 кВт-ч [5].
Существуют следующие методы снижения стоимости гелиоустановки с гелиостатом:
1) применение концентраторов лучистого потока энергии;
2) регулирование температуры в технологической гелиоустановке (преобразующей солнечную энергию в нагрев материалов, находящихся в зоне концентрации солнечных лучей) в зоне нагрева;
3) позиционирование гелиоустановки относительно сети.
Рассмотрим эти методы более подробно.
В первом методе концентраторы лучистого потока энергии увеличивают КПД гелиоустановки и снижают ее стоимость за счет того, что направляют лучистый поток с большой площади зеркал гелиоустановки на небольшой гелиоэлемент. В солнечные панели монтируются с различными углами наклона множество зеркал, площадь которых много меньше площади панели. Углы наклона выбираются так, чтобы концентрировать лучистые потоки и направлять их на гелиоэлемент. Это позволяет снизить общую стоимость гелиоустановки за счет уменьшения площади гелиоэлемента, а для некоторых типов гелиоустановок увеличить КПД преобразования. Применению концентраторов посвящены работы, в которых рассматривается конструкция концентраторов и их математическая модель, но не уделено внимание использованию системы слежения за Солнцем и упрощению конструкции концентратора за счет спрямления его кривых. Так как КПД преобразования солнечной энергии повышается при приближении угла падения потока лучистой энергии на преобразователь к нулю, в состав гелиоустановок включается система, обеспечивающая наведение фотоэлемента на Солнце посредством следящего электропривода (СЭП) [6].
В гелиоустановках с концентрацией излучения следящие электроприводы необходимы. Требования по точности наведения гелиоустановок на Солнце различаются в зависимости от их типа и, при наличии концентратора, от типа концентратора. Одним из основных требований ко всем следящим системам является точность наведения рабочего органа на Солнце.
При втором методе снижения стоимости гелиоустановки в технологических гелиоустановках, которыми являются СЭП, необходимое регулирование температуры в зоне нагрева достигается перекрытием части потока лучистой энергии посредством подвижных экранов и жалюзи, перемещением которых управляет следящий электропривод регулятора температуры.
Желательно, чтобы электроприводы систем наведения и регулирования температуры были унифицированы, имели одинаковые структуры и элементные базы. Кроме того, в гелиоустановках применяются вспомогательные электроприводы (для перемещения исследуемого образца материала в солнечной печи или перекачки охлаждающей жидкости в энергетической гелиоустановке и т. д.). Совокупность указанных электроприводов составляет комплексную электромеханическую систему гелиоустановки.
В третьем методе, при позиционировании гелиоустановки относительно сети, важно определить, будет ли она зависящая от сети или автономная. Если она зависит от сети, то часть выработанной лишней энергии можно отдавать в сеть, получая за это деньги (предложение правительств Европейских стран). Экономические затраты на функционирование гелиоустановки с гелиостатом будут снижены за счет этой денежной компенсации. Если гелиоустановка автономная, то стоимость эксплуатации ЦОД понижается за счет мобильности, которую дает автономный режим работы: во-первых, появляется возможность выбрать такую площадку для размещения ЦОД, где отсутствует арендная плата за помещение и сохраняются инвестиций при переезде или перемещении, во-вторых, время развертывания в 7.10 раз меньше времени ввода в эксплуатацию стационарного комплекса с оборудованием, так как мобильные системы заранее установлены, налажены и протестированы.
Разнообразные гелиоустановки объединяются общей операцией - наведением рабочего органа на Солнце. Эту операцию выполняет система наведения, реализованная в виде двухкоординатного следящего электропривода, от которого существенно зависит качество работы и производительность гелиоустановки.
Рассмотрим структуру следящего электропривода. В общем случае структура СЭП многоконтурна, при этом под контуром понимается совокупность звеньев, охваченных обратной связью. Широкое распространение получили системы
электропривода с оптимизированными по методу подчиненного регулирования контурами тока и скорости. Они находят применение и в следящих электроприводах, структуры которых дополняются контуром угла.
Класс рассматриваемых электроприводов характеризуется сравнительно малой мощностью - до одного киловатта. Электроприводы с такой мощностью в большинстве случаев не нуждаются в токоо-граничении. Это объясняется повышенной перегрузочной способностью применяемых специальных двигателей малой мощности. Для самых маломощных приводов (менее 50.100 Вт) имеет место естественное токоограничение за счет достаточно большого сопротивления якорной цепи в системе преобразователь-двигатель. Кроме того, броски тока в якорной цепи слабодинамичных СЭП можно ограничить действием регулятора положения в контуре угла [7]. Поэтому в структуре СЭП гелиоустановки нет необходимости предусматривать контур тока. Достаточно ограничиться только контуром скорости для упрощения системы управления, поэтому СЭП будет одноконтурным и однодвигательным. Контур скорости обеспечивает повышение стабильности движения установки в зоне низких скоростей, а также позволяет расширить полосу пропускания электропривода, что способствует повышению динамической точности СЭП.
Область применения одноконтурных структур в СЭП гелиоустановок широка. В такой структуре технически проще реализуется точность слежения, достаточная для большинства технологических процессов, осуществляемых с помощью гелиоустановок [8, 11].
В состав электромеханической схемы одноконтурного СЭП, приведенной на рис. 2, входят измерительное устройство (ИУ), регулятор положения (РП), управляемый преобразователь напряжения (УПН), двигатель (М), исполнительный механизм (ИМ) и звено дополнительной коррекции.
При составлении структурной схемы механической части привода учитывались кинематические люфты от ветровой нагрузки и упругости, а также вязкое трение на исполнительном валу. Принимая во внимание значительную жесткость конструкции исполнительного механизма гелиоустановки, принято допущение, что вся упругая податливость системы обусловлена кинематической цепью, состоящей из редуктора и выходной передачи, соединяющей редуктор с коренным зубчатым колесом. Моменты инерции элементов кинематической цепи приняты равными нулю, ввиду
Рис. 2. Электромеханическая схема расчетной модели однодвигательного одноконтурного СЭП гелиоустановки: Qзад - заданный угол поворота; QиВ - угол поворота исполнительного вала; и8 - выходное напряжение измерительного устройства; иРП -выходное напряжение регулятора положения; ия - напряжение якоря электродвигателя постоянного тока; «дв - угловая скорость вращения двигателя; тИВ - угловая скорость исполнительного вала; Д^кл - кинематический люфт в зубчатой передаче редуктора; МИМ - крутящий момент исполнительного механизма; СКц - коэффициент жесткости кинематической цепи
их несоизмеримости с приведенными моментами инерции двигателя и исполнительного механизма [8]. Это позволило в качестве расчетной принять двухмассовую упругую модель механической части привода.
Чтобы бороться с кинематическими люфтами и другими возмущающими воздействиями, надо подобрать передаточную функцию корректирующего устройства при компенсации возмущающих воздействий. Воздействие аппроксимируют полиномом и рассчитывают следящую систему (определяют порядок астатизма, строят желаемую линейную амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ), а также находят параметры корректирующих устройств) таким образом, чтобы обеспечить следующие требуемые показатели качества: динамическую ошибку, перерегулирование, время регулирования.
Свойство систем автоматического управления приводить ошибку регулирования к нулю при постоянном внешнем воздействии на такую систему называется астатизмом. Порядок астатизма определяется индексом первого, отличного от нуля коэффициента ошибки. Система, обладающая астатизмом нулевого порядка, называется статической. Для устранения установившейся ошибки, вызываемой позиционированием (углом поворота, местоположением) задающего воздействия (такую ошибку называют статической), необходимо построить систему с астатизмом первого порядка. Для устранения установившейся ошибки, вызываемой скоростью задающего воздействия, необходимо построить систему с астатизмом второго порядка. Для устранения установившейся ошибки, вызываемой ускорением задающего воздействия,
необходимо построить систему с астатизмом третьего порядка.
Астатические системы обладают следующим свойством: если на вход системы с астатизмом к-то порядка подается входное воздействие, описываемое полиномом к-й степени, значение ошибки в установившемся режиме постоянно и не равно нулю. Если порядок астатизма больше степени полинома, установившееся значение ошибки равно нулю. Если порядок астатизма меньше степени полинома, определяющего задающее воздействие, ошибка изменяется с течением времени и в пределе будет равна бесконечности.
Порядок астатизма определяется числом интегрирующих звеньев в контуре следящей системы. Следовательно, для уменьшения ошибки необходимо увеличивать их число. Но это увеличение имеет ограничение, так как с ростом числа звеньев ухудшается устойчивость системы из-за того, что каждое интегрирующее звено вносит фазовый сдвиг.
В структуре рассматриваемого СЭП предполагается астатизм второго порядка, поэтому можно снизить требования к полосе пропускания СЭП и исключить скоростную и статическую ошибки. В практике имеют место также СЭП с астатизмом первого и третьего порядков. К недостаткам СЭП с астатизмом первого порядка относится наличие статической и скоростной ошибок слежения, что существенно снижает точность работы системы наведения. Следящие системы, обладающие астатизмом третьего порядка, позволяют дополнительно снизить требования к полосе пропускания СЭП и исключить ошибку от ускорения, однако эти СЭП относятся к категории условно устойчивых систем
и остро критичны к нелинейностям в канале управления [9]. Реальные СЭП гелиоустановок обладают рядом нелинейностей. К ним относятся кинематические люфты в передаче, нелинейность зависимости упругого момента от разности углов поворота вала двигателя и исполнительного вала, зона нечувствительности и «насыщение» в выходной характеристике управляемого преобразователя напряжения; «насыщение» в пеленгационной характеристике датчика рассогласования, а также «дрейф нуля» усилителей постоянного тока и т. д. Наличие всех этих нелинейностей в СЭП с астатизмом третьего порядка сделало бы его неустойчивым, а следовательно, неработоспособным.
Следящая система с астатизмом второго порядка менее чувствительна к нелинейностям характеристик элементов, чем система с астатизмом третьего порядка, и обладает большими точностными возможностями, чем СЭП с астатизмом первого порядка. Поэтому за основу принята структура СЭП с астатизмом второго порядка. Структурная схема одноконтурного однодвигательного СЭП (электромеханическую схему которого см. на рис. 2), построенная по его математической модели, приведена на рис. 3, где астатизм второго порядка реализуется посредством пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора в контуре угла, передаточная функция которого имеет вид
иРП (Р) _ (ТР +1)02Р +1)
^РП (Р) _■
(1)
и5( Р)
где Р - переменная, выражаемая относительной величиной, приведенной к номинальному моменту двигателя; иРП(Р) - изображение Лапласа выходного напряжения регулятора положения; и(Р) -
изображение Лапласа выходного напряжения измерительного устройства; Т0, Т\, Т2 - постоянные времени регулятора положения.
На рис. 3 приняты следующие обозначения: КПН - коэффициент передачи управляемого преобразователя напряжения; Кдв - коэффициент передачи двигателя, 1/В-с; в - коэффициент передачи, подбираемый для улучшения точности наведения гелиоустановки; юдв - угловая скорость вращения двигателя; Аю - разность угловых скоростей вращения вала двигателя и исполнительного механизма; Кдвк - коэффициент в контуре звена для коррекции точности слежения по разности скоростей двигателя и исполнительного вала; ТдвкР+1 -дополнительный пропорционально-дифференциальный регулятор для расширения полосы пропускания в контуре звена; Тред - постоянная времени редуктора; (ТредР+1)/Р - дифференцирующая цепочка, характеризующая замедление передачи вращающего момента из-за редуктора; СКц - коэффициент жесткости кинематической цепи; Тя -электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя, с; Тдв - электромеханическая постоянная времени двигателя, с; ^В - постоянная скручивания исполнительного вала; МИВ - момент скручивания исполнительного вала; Д-р.иВ - коэффициент для учета трения исполнительного вала; $ИВ - отклонение угла поворота исполнительного вала от угла поворота двигателя.
Для достижения астатизма первого порядка, т.е. устранения статической ошибки, нужно включить в схему интегрирующее звено. Интегральные
составляющие
1
К двв
Т яР +1 в™ Р
Т Р +1
ред^ 1 А
и ----------- повы-
Р
Рис. 3. Структурная схема одноконтурного СЭП гелиоустановки
шают астатизм СЭП до второго порядка, а основные дифференцирующие составляющие Т\Р и Т2Р компенсируют ухудшение фазы от интегрирования, обеспечивая тем самым устойчивость системы. Дополнительные пропорционально-дифференциальные операторы ТР+1, Т2Р+1 расширяют полосу пропускания и увеличивают устойчивость СЭП [5].
Коэффициент передачи контура скорости, 1/В • с, вычисляется по формуле
К = КПНКдв. (2)
Пропорционально-интегрально-дифференци-й (TiP + 1)(T2 P +1)
альныи регулятор положения —i-------------------
T0 P
можно рекомендовать для всех типов гелиоустановок, где требуется повышенная точность слежения.
Следует обратить особое внимание на передаточную функцию системы преобразователь-двигатель, которая описывается выражением второго порядка и имеет вид
®дв (Р)
W (Р) =
п.-дв
UРП (Р)Тдв Р(Тя Р +1) +1
(З)
где отсутствие коэффициентов перед постоянными времени Тдв и Тя в знаменателе говорит о том, что в подобной простейшей схеме без обратных связей и дополнительных регулирующих звеньев затруднительно менять нужным образом соотношение между этими постоянными, особенно если это связано с их уменьшением.
Также в целях повышения точности слежения гелиоустановки в схему, изображенную на рис. 3, введено дополнительное корректирующее звено Кдв.к, (ТдвкР+1), учитывающее разности скоростей исполнительного вала и двигателя, которое повышает устойчивость системы к автоколебаниям, что, в свою очередь, приводит к улучшению точностных показателей системы.
При подготовке гелиоустановки к работе и проведении профилактического обслуживания используются вспомогательные режимы К этим режимам относятся так называемые «переброс» исполнительного вала, «поиск» и «захват» объекта слежения, в которых точность СЭП строго не регламентируется. В таких режимах кинематический люфт и возмущающие воздействия по нагрузке не оказывают существенного влияния на работу электропривода. Влияние люфта и нагрузки можно рассматривать только в отношении прочности механической части, энергетических показателей и устойчивости электропривода. Отмеченные
вспомогательные режимы входят в автоматизированный цикл работы гелиоустановок, при котором действия оператора сведены к минимуму.
В данной статье за основу принят рабочий режим слежения СЭП, а именно автосопровождение Солнца, точность которого определяет качество главного технологического режима гелиоустановки. При этом структура СЭП, ее линейность или нелинейность оцениваются с позиций рабочего режима СЭП, а не с позиции, определяемой теорией автоматического регулирования, где линейность или нелинейность системы зависит от отсутствия или присутствия в ее составе нелинейного элемента. Сам факт присутствия нелинейного элемента в системе еще не определяет свойств системы в ее технологическом режиме. В зависимости от ряда условий и типа элемента его нелинейность может и не сказаться на рабочем режиме системы, которая при этом будет подобна линейной системе.
В следящем электроприводе гелиоустановки основной нелинейностью является кинематический люфт. Если пренебречь другими нелинейностями, то под линейным будет подразумеваться такой режим СЭП, когда крутящий момент непрерывно передается по кинематической цепи от двигателя к исполнительному валу либо в обратном направлении, т.е. в кинематической цепи имеется постоянно действующее механическое напряжение. Величина передаваемого через кинематическую цепь момента должна быть достаточна, чтобы в системе не возникали автоколебания. Минимальную величину момента (Мтт) можно определить, например, методом гармонической линеаризации. Отсутствие пересечения характеристики линейной части системы Жл(/ю) с обратной амплитудной характеристикой люфта (1/ЖНЭ)/'а>, которая зависит от величины момента нагрузки, свидетельствует об отсутствии нелинейных автоколебаний. В общем виде условие линейности СЭП гелиоустановки можно записать в виде [12]
МКЦ =
Мтр ± Мветр ± -^ИВ
da.
ИВ
dt
> М„
(4)
где МКц - крутящий момент, передаваемый по кинематической цепи, Н-м; Мтр - суммарный момент вязкого и сухого трения на исполнительном валу, Н-м; Мветр - момент ветровой нагрузки на исполнительном валу, Н-м; - момент инерции ис-
полнительного механизма, кГ-м2; юИВ - угловая скорость исполнительного вала, рад/с.
Основным источником механического напряжения в кинематической цепи гелиоустановки яв-
ляется суммарный момент трения на исполнительном валу. Этот момент частично или полностью может компенсироваться постоянной составляющей момента ветровой нагрузки. В этом случае неравенство (4) выполняться не будет. Система электропривода будет работать в нелинейном режиме.
В неблагоприятных случаях, когда постоянная составляющая ветрового момента полностью компенсирует момент трения, «выбросы» ошибки будут следовать с частотой ветровых флуктуаций. Величина среднеквадратичной ошибки возрастает в несколько раз по сравнению с линейной системой. Даже если момент трения скомпенсирован не полностью, частота повторения «выбросов» ошибки может быть недопустимо велика.
Таким образом, проанализированы методы снижения стоимости эксплуатации гелиоустановки с управляющим гелиостатом для бесперебойного электропитания компьютерного оборудования. Исследованы наиболее неблагоприятные условия для работы СЭП гелиоустановки с кинематическим люфтом, которые создаются при скомпенсированном моменте трения на исполнительном валу. Показано, что если суммарный момент нагрузки на исполнительном валу равен нулю, а ветровые флуктуации отсутствуют, основной проблемой в нелинейном СЭП являются автоколебания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аббасова Т. С., Артюшенко В. М. Особенности резервирования источников бесперебойного питания компьютерного и телекоммуникационного оборудования // Элек-
тротехнические и информационные комплексы и системы. 2QQ7. Т. З. № З. С. 2Q - 2З.
2. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Obser-vation/ Sixth edition; WMO -№ 8, 1996.
3. Global Atmosphere Watch (GAW) Measurements Guide, WMO TD №Ю7З, July 2QQ1.
4. Baseline Surface Radiation Network (BSRN) Operations Manual (Version 1.Q - Reprinted, December 2QQQ), World Climate Research Programme // Ed. by L. J. B. McArthur, WMO/TD - №879, February 1998.
5. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации // Проблемы региональной энергетики. Электронный журнал. 2QQ8. № 1.
6. Taggart S. CSP concentrates the mind // ReneWable energy focus. Jan/Feb 2QQ8. Elsevier Ltd. P. 46 - 5Q.
7. Кутцов В. К., Полянский В. А. Расчет следящего привода. Ковров: Технологический институт. 199З.
8. Овсянников Е. М., Пшеннов В. Б. Повышение основных технико-экономических показателей электроприводов гелиоустановок // Материалы Междунар. научн. симпозиума, посвященного 140-летию МГТУ «МАМИ». Ч. З. М.: МГТУ «МАМИ». 2QQ5.
9. Кондратьев А. Б., Сперанский А. Н. Элементы и исполнительные устройства систем автоматики и следящих приводов. М.: МАИ. 1996.
1Q. Пальтов И. П. Качество процессов и синтез корректи-
рующих устройств в нелинейных автоматических системах. М.: Наука. 1975.
11. Овсянников Е. М., Пшеннов В. Б., Аббасов Э. М. Экономический эффект в результате перехода к пошаговому режиму слежения гелиоустановки за Солнцем // Промышленная энергетика. 2QQ7. № 9. С. 51 - 5З.
12. Бурмистров А. А., Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В. и др. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии: учеб. пособие / Под ред. В. И. Виссарионова. М.: МЭИ. 2QQ7.
Поступила 07.09.2010 г.
