CC BY
31
УДК 62-83
А. В. БУБНОВ Т. А. БУБНОВА
Омский государственный технический университет
ВОПРОСЫ КОРРЕКЦИИ ОБОРОТНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ
В статье предложены конструкция многофункционального преобразователя частоты вращения и способы коррекции оборотных погрешностей фотоэлектрического преобразователя и датчика угловой скорости.
Ключевые слова: электропривод с фазовой синхронизацией, фотоэлектрический преобразователь, оборотная погрешность, эксцентриситет, датчик угловой скорости.
Электроприводы с фазовой синхронизацией находят широкое применение при построении обзорно-поисковых систем, в робототехнике, системах передачи и воспроизведения информации благодаря высоким точностным показателям, хорошим динамическим свойствам и широкому диапазону регулирования 11,2|.
В основе построения таких электроприводов лежит принцип фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ), в соответствии с которым в качестве задающего си тала используется частотный сигнал , формируемый с помощью кварцевого генератора, в качестве сигнала обратной связи - частотный сигнал , формируемый на выходе импульсного датчика частоты (ИДЧ) вращения, а в качест ве сравнивающего элемента - логическое устройство сравнения частот и фаз двух импульсных последовательностей (рис. 1, где ЧЗБ — частотно-задающий блок; ИЧФД - импульсный частотно-фазовый дискриминатор; КУ — корректирующее устройство; ЭД — электродвигатель; БИП — блок измерительных преобразователей частоты вращения, включающий в себя: импульсный датчик частоты вращения ИДЧ и датчик угловой скорости ДУС).
Высокие точностные показатели электропривода могут быть достигнуты при использовании преобразователей частоты вращения с малыми погрешностями измерения |2|. Поэтому вопросам повышения точности используемых в электроприводе датчиков уделяется большое внимание.
Целью статьи является исследование способов коррекции оборотных погрешностей измерительных преобразователей частоты вращения в электроприводе с фазовой синхронизацией. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 08-08-00372-а.
Высокая разрешающая способность фотоэлектрических импульсных датчиков частоты вращения при относительно простой технологии их изготовления |3| позволяет обеспечить работоспособность электропривода в широком диапазоне регулирования
ЧЗВ
и
ИЧФД
КУ
БДПТ
А
0)
КИП
ДУС
ИДЧ
Рмс. I. Функциональная схсма '¿лсктропринода сфаюной синхронизацией
частоты вращения. Основным измерительным звеном фотоэлектрических датчиков уг ла, определяющим их точность, является растровый преобразователь перемещения, состоящий из двух круговых периодических шкал-растров. Эксцентриситет установки подвижного растра преобразователя оказывае т наиболее сильное влияние на точностные характеристики ИДЧ.
Для компенсации оборотной погрешности ИДЧ, обусловленной эксцентриситетом, обычно устанавливают дополнительную фотопару |4|, расположенную диаметрально по отношению к первой и на равном расст оянии от центра вращения. Однако полная компенсация основной гармоники погрешности будет только в том случае, когда смещение осей обоих растров совпадаете линией, соединяющей установленные для съема информации фотопары. В противном случае может быть осуществлена только частичная компенсация погрешности от эксцентриситета. Другим серьезным недостатком указанного технического решения является тот факт, что при незначительных угловых смещениях фотонар относительно их идеального положения резко изменяется глубина модуляции суммарного сигнала, что приводит к существенному увеличению погрешности преобразователя.
i >
l
II,
к ФИ
/ИС2 ИС1\
0 8. 0'
Рис. 2. Конструкция ИДЧ
Рис. 3. Проекции световых потоков источников света на растры ИДЧ
Для исключения рассмотренных недостатков фотоэлектрических ИДЧ была разработана конструкции преобразователя с датчиком эксцентриситета [5| (рис. 2, где ИС - источники света; Ф - фотонри-емники; К - компаратор; ФИ - формирователь импульсов).
На подвижном I и неподвижном 2 модуляторах датчика дополнительно к радиальной наносится кольцевая растровая решетка и устанавливается дополнительная фотопара (ИС2, Ф2), формирующая компенсирующий сигнал иг Кольцевой растр наносится за одну установку модуля тора на оптической делительной машине, как и базовая линия, по бою которой производят начальную юстировку подвижного модуля тора [6|.
Определим фазовую погрешность частотного сигнала и, при установке подвижного модулятора с эксцентриситетом 8,, а также величину компенсирующего сигнала и,, используя рис. 3, на котором приведены проекции световых потоков источников света ИДЧ на растры.
Для угла поворота вала датчика а' относительно оси вращения 0', смещенной па величину эксцен триситета б, относительно оси 0, можно записать
(К'вш а' = Rsin а [Л'сояа'= Ксожа-8,.
Из системы уравнений (1) с учетом того, что относи тельный эксцентриситет подвижного модулятора <5, = <5,/И'«1, получаем
Очевидно, что для получения выходного сигнала и,, пропорционального величине 8гята', необходимо:
— линии кольцевого растра подвижного модулятора расположить на расстояниях от центра в соответствии с выражением
= +Л./4 + лЛ..
где радиус нанесения первой линии кольцевого растра, Лк - шаг кольцевого растра, п - порядковый номерлинии;
— линии кольцевого растра неподвижного модулятора расположить на расстояниях от центра в соответствии с выражением
В этом случае при отсутствии эксцентриситета (8, = 0) выходной сигнал дополнительного фотоприемника вследствие перекрытия линий кольцевых растров модуляторов на четверть шага будет равен
и,=ип=ит/2.
где и„ и ит — среднее и амплитудное значения выходного сигнала фотоприемника.
При появлении эксцентриситета произойдет смещение линий кольцевого растра подвижного модулятора, вызывающее изменение светового потока и пропорциональное ему изменение сигнала на выходе дополнительной фотопары
a'sa + 8 ,s/na,
то есть фазовая погрешность фотоэлектрического датчика определяется величиной относительного эксцентриситета 5,.
Диалогично для кольцевого растра имеем
R[sina[ = Resina, R[cosa\ +5, = R,cos a>(
и после преобразования, отбрасывая члены более высокого порядка малости, чем 8, и задавая а', = а' + л/2, получаем
R1 « -6,5та',
то есть смещение линий кольцевого растра подвижного модулятора за счет эксцентриситета относительно линий кольцевого растра неподвижного модулятора пропорционально б.я/ла'.
где кф - коэффициент преобразования относительного смещения кольцевых растров в выходной сигнал фотоприемника.
При 8, = hj4 выходной сигнал и.г при вращении вала датчика изменяется от 0 до Um. Тогда U„ = кф/4, и окончательно получаем
U„, 2U,Asina'
и. = —--—--
2 /1.
Форма выходных сигналов и, и в функции угла поворота приведена на рис. 4.
Работа фотоэлектрического преобразователя поясняется диаграммами (рис. 5). Выходные сигналы и, и и2 поступают на входы компаратора. При отсутствии компенсирующего сигнала (6, = 0) формируется последовательность импульсов и', расположение
Рис. 4. Формы сигналов на выходах фотоприемников при вращении ИДЧ
и,.и, . и, 5.»0
ч-U/M \/у\/
ГМШ
а', «',
Ф. 2ф. Зфо
Рис. 5. Диаграммы работы ИДЧ
Рис. 0. Структурная схема преобразователя
угловой скорости с коррекцией оборотной погрешности ДУС
Г". 1" О» ин
и, ин евх II. Г1 и,
Рис. 7. Варианты структурных схем функционального преобразователя
фронтов которых определяется моментами равенства выходного сигнала и, фотоприемника Ф1 и опорного постоянного напряжения U0. При этом передний фронт импульсов формируется при значениях угла пф„, где ф„ = 2л/г, / - количество меток ИДЧ, п изменяется от 0 до /.
Появление эксцентриситета 6, вызывает смещение фронтов последовательности импульсов (и*) и появление фазовой погрешности измерения Да = = б.зша. Для устранения погрешности вместо опорного сигнала (У„ на вход компаратора подается компенсирующий сигнал u.j, который вызывает изменение порога срабатывания компаратора по входу и, таким образом, что расположение передних фронтов сформированных импульсов и" совпадает с расположением передних фронтов импульсов и]. В этом случае будет скомпенсирована фазовая погрешность ИДЧ, обусловленная эксцентриситетом.
Поскольку регулирование фазового сдвига может осуществляться только в пределах половины углового шага радиального растра, а получение функции эксцентриситета — в пределах 1\ш /2, то целесообразно задать
Л, =/|вф„Я = 2лК/2.
(2)
Смещение фазы импульсов за счет компенсирующего сигнала определится как
Да = —«= 0,5ф„и'/1/
2 ия '
где u!j =-(2L/„8lsma')//í> — переменная составляющая компенсирующего сигнала. Тогда с учетом (2) и (1) получаем
Да = —-sin а' = -5 sin а, R
(3)
a выходной сигнал преобразователя при í /i/4 равен a' = a + 6,s/7ia-6,sma = а,
то есть достигается практически полная компенсация оборотной погрешности ИДЧ, обусловленной эксцентриситетом.
Выбор параметров ИДЧ с датчиком эксцентриситета осуществляется следующим образом:
1) исходя из требуемой точности рабо ты электропривода выбирается количество меток ИДЧ /;
2) задаваясь максимальной величиной эксцентриситета 6,, определяем Л = Л, > 6,;
3) используя выражение (2), определяем радиус К для нанесения радиальных штрихов.
Конструкция разработанного фотоэлек трического ИДЧ сдатчиком эксцентриситета и предложенный способ коррекции оборотной погрешности обеспечивают дополнительный положительный эффект, заключающийся в возможности использования компенсирующего сигнала (3) для технической диагностики всего развертывающего оптико-механического узла, поскольку его величина пропорциональна суммарному значению люфтов, деформаций и величине износа подшипников. Таким образом, появляется возможность контроля параметров узла развертки на этапе испытаний и возможность автоматического введения резерва или перевода в облегченный режим работы при его эксплуатации в составе автономных объектов.
В области низких частот вращения электропривода дифференцирование выходного си гнала ИЧФД затруднено из-за большого интервала дискретизации по времени сигнала у, поэтому формирование корректирующего сигнала, пропорционального ошибке по угловой скорости, целесообразно осуществлять с помощью прецизионного датчика угловой скорости (ДУС) в цепи обратной связи (рис. 1), осуществляющего преобразование частоты вращения в аналоговое напряжение.
Для устранения погрешности преобразования ДУС, обусловленной неидеальностью их конструкции и эксцентриситетом, целесообразно использовать сигнал ИДЧ для коррекции сигнала, пропорционального угловой скорости ш |7, 8|. Коррекция выходного сигнала ДУС осуществляется с помощью функционального преобразователя ФП (рис. 6), формирующего корректирующий сигнал и2 путем сравнения сигнала с выхода ИДЧ /. и выходного сигнала преобразователя и3.
Функциональный преобразователь может быть реализован на основе интегратора напряжения ИН
(рис 7а), на вход которого поступает сигнал, равный разности напряжений и, (пропорционального ) /, и и, [9). В этом случае для выходного сигнала преобразователя угловой скорости можно записать в операторной форме
Тр
где и,(р)= к,ш(р) + 11,ч(р) - выходной сигнал одно-вибратора ОВ, к, = т^/ф,, - коэффициент преобразования скорость-напряжение, т и и„„ - длительность и амплитуда выходных импульсов ОВ, и„(р) -высокочастотная составляющая сигнала и,(р), Т -постоянная времени И1-1.
После преобразования получаем
Щ[В±иМ.
5 Гр + 1
Учитывая зависимость чувствительности ДУС от положения ротора, можно записать
UJp) = k'ka>(p),
(4)
где к' — коэффициент, учитывающий изменение чувствительности ДУС от положения ро тора; к — коэффициент преобразования скорость-напряжение ДУС.
Тогда
... . к'к Тр Л, +1 . , UJp)
Гр+1
Гр+1
ГУ
где U,,' - коэффициент передачи перемножителя.
В момент прихода импульса с ИДЧ в СВХ запоминается напряжение
i
uJtj = U„--fujtjdt i i,
где U'u — начальное напряжение на выходе интегратора; t,, i,., — момен ты прихода импульсов с ИДЧ. С учетом выражения (4), получаем
u„(t) = U„ ~'}a>(t)dt = U„ - к'к0%,
где к0 = к/Т - коэффициент, пропорциональный коэффициенту к.
Выбирая Un = 1/, = /с„(р„, получаем корректирую-1 ци и сигнал
uk(t) = U„(\-k-)
и выходной сигнал преобразователя
и,(О
kwftj.
Для уменьшения частотных искажений выходного сигнала ДУС целесообразно задать к = к,, при этом к'к/к, 51 и постоянная времени числителя не превышает постоянной времени знаменателя. Гармонический состав выходного сигнала ДУС ограничивается частотой о)Ш1 < Т 1, следовательно, для расширения частотного диапазона работы преобразователя угловой скорости необходимо уменьшать постоянную времени интегратора. В то же время значительное снижение постоянной интегрирования приводит к увеличению пульсаций выходного сигнала преобразователя за счет ухудшения фильтрации высокочастотной составляющей выходного сигнала ОВ, особенно в области низких частот вращения.
Для получения широкого диапазона измерения угловой скорости, включая область низких частот вращения, был разработан преобразователь угловой скорости 110. 11]. реализующий способ коррекции выходного сигнала ДУС, в основе которого лежит определение коэффициента к' в моменты прихода импульсов с ИДЧ путем сравнения проинтегрированного сигнала ик с выхода ДУС с выходным сигналом ИДЧ и в соответствии с этим формировании корректирующего сигнала и,.
В качестве выходного сигнала ИДЧ целесообразно использовать импульсную последовательность , скорректированную по сигналу датчика эксцентриситета, при этом фазирование сигналов оборотной погрешности ИДЧ и ДУС не требуется, так как в ходе операции сравнения сигналов используется значение периода импульсного сигнала Тц = 1//г , а не его фаза.
Функциональная схема ФП приведена на рис. 76, где СВХ - схема выборки-хранения; П - перемно-. житель. Выходной сигнал преобразователя угловой I скорости определится суммой
Формирование корректирующего сигнала в соответствии с вышеприведенным алгоритмом позволяет устранить пульсации выходного сигнала ДУС и стабилизировать чувствительность преобразователя угловой скорости во всем рабочем диапазоне.
Рассмотренные способы коррекции оборотных погрешностей измерительных преобразователей частоты вращения (ИДЧ и ДУС) позволяют скомпенсировать основную погрешность датчиков, обусловленную эксплуатационным эксцентриситетом, и в результате повысить точностные показатели электропривода с фазовой синхронизацией.
Библиографический список
1. Трахтенберт, P.M. Им пульс hijo астатические системы электропривода сдискротным управлением. — М.: Энергон:|дят, 1982. - 168 с.
2. Бубнов, Л. В. Вопросы анализа и синтеза прецизионных систем синхронно-синфазного электропривода постоянного тока : научное издание. - Омск : Омский научный вестник. 2004. — 131с.
3. Высокоточные преобразователи угловых перемещений / Э. II. Асиновский, А. А. Ахметжанов, М Л. Габнлулин илр.; иол общ. рел- А. А. Ахметжанова. - М.: Энергоатомиздат, Н)8(>. — 128 с.
•1. Тун, А. Я. Системы контроля скорости электропривода. -М.: Энергонэдйт, Н)84. - 168 с.
5. А.с. 1312734 СССР,МКИЧ103М 1/24. Фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код |Текст| / А. В. Бубнов. В. 11. Зажирко, А. М. Сутормнн и др. (СССР). -4с.: ил.
6. Фотоэлектрические преобразователи информации / под ред. A. Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974. - 375 с.
7. Бубнов, А. В.. Горюнов. В. Н. Измерение малых углоных скоростейтпхогенераторамн постоянною и переменного тока с коррекцией от импульсного датчика положения // Исследование электрооборудования железнодорожного транспорта. - Омск, 1981. - С. 42-47.
8. Злжирко. В. Н., Бубнов. А. В. Многофункциональный измерительный преобразователь для синхронного электропривода // Разработка автоматизированных средств измерения, контроля и управления дли предприятий железнодорожного транспорта, - Омск, 1988. - С. 6- 10.
9 Пат. 3919634 США. МКИ' G 01 Р 3/48. Схема коррекции напряжения на аналоговом датчике скорости |Текст| / Horsl Appel. Klaus Böhm. Gerhard Glelssner (ФРГ). Изобретения за рубежом. - 1976. - N»7. - С. 67.
10. А с. 1029080 СССР. MKH'GOI Р 3/46. Преобразователь угловой скорости |'Гекст| / А В. Бубнов, В. Н. Горюнов (СССР). - Зс.
11. A.c. 1273810 СССР. MKH'GOI I» 3/46 Преобразователь угловой скорости |Текст| / А. В. Бубнов, H.H. Злжирко, Б. М. Яма-новский (СССР). -4с.: ил.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета. БУБНОВА Татьяна Алексеевна, аспирантка кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 24.11.08 г. © Л. В. Бубнов, Т. А. Бубнова
удк 621.56 г. И. БУМАГИН
А. С. ЗОТИН
Омский государственный технический университет
ПРОБЛЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВСАСЫВАЮЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ В НАСОСНЫХ АММИАЧНЫХ СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ_
В статье рассматривается применение вертикальных подъемных участков всасывающих трубопроводов, а также необходимость разработки методики их расчета для аммиачных холодильных установок с насосной системой холодоснабжения, которые имели бы минимально возможные гидравлические сопротивления. Это позволит в конечном итоге повысить эффективность и безопасность действующих холодильных установок, а также существенно упростить проектирование трубопроводов.
Ключевые слова: холодильная техника, аммиачная холодильная установка, двухфазный поток.
Одной из главных задач при проектировании аммиачных холодильных установок является обеспечение заданного температурного уровня в приборах охлаждения. Это достигается не только точным расчетом холодильной установки, но и качественной прокладкой трубопроводов, особенно это касается всасывающих трубопроводов, соединяющих приборы охлаждения и циркуляционные или защитные ресиверы.
При проектировании всасывающих трубопроводов необходимо обеспечивать минимальные гидравлические сопротивления во всасывающем трубопроводе. Самой значительной составляющей этих гидравлических сопротивлений в насосных системах холодоснабжения являются сопротивления из-за преодоления гидростатического столба жидкости, которые возникают в вертикальных подъемных участках всасывающих трубопроводов между испарителями и циркуляционными ресиверами.
Вертикальные подъемы образуются как при расположении всасывающего магистрального трубопровода выше испарителя, так и при образовании «мешка» на этом трубопроводе.
В настоящее время в России при проектировании трубопроводов исключают вертикальные подъемы
путем прокладки всасывающих магистральных трубопроводов примерно на одной отметке с испарителями. Атакже, согласно 111, «вслучае невозможности прокладки трубопроводов на участках от потребителей холода до циркуляционных или защитных ресиверов без их нормированного уклона (т.е. с наличием «мешка»), предусматривают дренаж из «мешка» в циркуляционные или защитные ресиверы».
Но, к сожалению, в некоторых случаях предусмотреть данные меры по исключению вертикальных подъемов не представляется возможным. Особенно сложно располагать трубопроводы на необходимых отметках при реконструкции действующих предприятий из-за наличия не только несущих строительных конструкций, но и действующих трубопроводов. А устройство дополнительного защитного ресивера ¡Í значительно увеличивает стоимость и трудоемкость | эксплуатации холодильной установки. я
Иностранные специалисты решают данную проб- i лему несколькими способами [2|. Одним из них явля- г ется устройство защи тного сосуда и дополнительного £ насоса, что уменьшает трудоемкость эксплуатации, | по еще более увеличивает стоимость установки. g Вторым, и наиболее передовым является устройство - _ (одной или нескольких) дополнительной вертикаль-
