Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Разработка основной структуры следящего электропривода для гелиоустановок широкого класса .
1.1 Особенности режимов работы гелиоустановок и требования к их электроприводам 35
1.2 Обоснование основной структуры следящего электропривода гелиоустановки 41
1.3 Оценка точностных и нагрузочных показателей однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки 50
1.4 Оптимизация однодвигательных следящих электроприводов гелиоустновок 77
1.5 Выводы 96
Глава вторая. Методическая и практическая разработка датчиков рассогласования для гелиоустановок .
2.1 Методология создания датчиков рассогласования 99
2.2 Закрытые датчики рассогласования 112
2.3 Открытые датчики рассогласования 121
2.4 Выводы 125
Глава третья. Развитие электроприводов в направлении повышения энергетической и технологической эффективности наземных гелиоустановок .
3.1 Разработка электропривода энергетической гелиоустановки с фотоэлектрическим преобразователем лучистой энергии 128
3.2 Усовершенствование электроприводов энергетических гелиоустановок с концентрацией лучистого потока 141
3.2.1 Функциональная схема и основные технико-экономические показатели концентрирующей энергетической гелиоустановки с фотоэлектрическим преобразователем 145
3.2.2 Функциональная схема и основные технико-экономические показатели турбогенераторной энергетической гелиоустановки 149
3.2.3 Разработка безлюфтовых опорно-поворотных устройств для гелиоустановок с концентрацией лучистого потока 154
3.2.4 Оптимизация рабочего режима следящего электропривода энергетической гелиоустановки 165
3.3 Универсальная электромеханическая схема следящего электропривода гелиоустановки 171
3.4 Повышение технологической эффективности солнечных печей на основе комплексной электромеханической системы 182
3.5 Выводы 213
Глава четвёртая. Теоретическая и практическая разработка электроприводов орбитальных солнечных печей с различными объектами космического базирования .
4.1 Использование солнечных печей в условиях орбитального полёта... 218
4.1.1 Основные типы разрабатываемых орбитальных солнечных печей... 223
4.1.2 Условия эксплуатации электроприводов орбитальных солнечных печей и предъявленные к ним требования 228
4.2 Разработка подвижных частей электроприводов солнечных печей базирующихся на орбитальных станциях с собственной системой ориентации на Солнце 232
4.3 Разработка двухкоординатной системы наведения с взаимосвязанными электроприводами 245
4.3.1 Математическое описание двухкоординатной системы наведения с взаимосвязанными электроприводами 248
4.3.2 Моделирование системы наведения с взаимосвязанными электроприводами 262
4.4 Разработка двухкоординатной системы наведения орбитальной солнечной печи с увеличенными рабочими углами 269
4.4.1 Состав и основные технические данные системы наведения с увеличенными рабочими углами 273
4.4.2 Разработка опорно-поворотного устройства системы наведения орбитальной солнечной печи 275
4.4.3 Оценка точностных показателей и математическое моделирование следящего электропривода орбитальной солнечной печи с увеличенными рабочими углами 278
4.4.4 Обоснование структуры и комплектация следящего электропривода с вентильным двигателем 301
4.5 Проведение наземных испытаний электроприводов орбитальных солнечных печей 318
4.5.1 Состав и основные технические требования к наземному испытательному стенду 320
4.5.2 Конструкция наземного испытательного стенда 323 -
4.5.3 Система обезвешивания 328
4.5.4 Обработка имитации бортовых колебаний объекта базирования 332
4.5.5 Обработка заданных угловых отклонений опорно-поворотного устройства испытательного стенда следящего электропривода солнечной печи 336
4.5.6 Отработка предельных углов прокачки следящего электропривода солнечной печи 338
4.6 Выводы 339
Заключение 342
Список литературы 346
Приложения 362
- Обоснование основной структуры следящего электропривода гелиоустановки
- Усовершенствование электроприводов энергетических гелиоустановок с концентрацией лучистого потока
- Условия эксплуатации электроприводов орбитальных солнечных печей и предъявленные к ним требования
- Оценка точностных показателей и математическое моделирование следящего электропривода орбитальной солнечной печи с увеличенными рабочими углами
Введение к работе
1 /
Актуальность темы. Истощение ископаемых энергоресурсов, отрицательное влияние традиционной энергетики на экологию, а также экономические факторы обусловливают поиск новых источников энерпш, в частности, возобновляемых. К ним, прежде всего, относятся: солнечная энергия; ветровая энергия; гидроэнергия; геотермальная энергия; энергия биомассы.
Из всех видов возобновляемых источников энергии наиболее перспективным и доступным представляется Солнце. Запас солнечной энерпш неисчерпаем, а физические принципы преобразования этой энергии в виды, удобные для потребления, просты, надежны и безопасны. Мощность лучистого потока энергии Солнца, достигающего Земли, оценивают в 1,7-1()17 Вт, в то время как установленная мощность источников энергии, созданных во всем Мире, еще не достигла 1013 Вт. Согласно прогнозам, основную часть энергии человечество будет получать от Солнца, в разумных пределах дополняя ее термоядерной энергией.
Гелиоустановки (ГУ) - устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую или тепловую.
В настоящее время используются ГУ различного назначения и принципов преобразования энергии: солнечные водо- и воздухонагреватели (системы горячего водоснабжения, отопления, сушки и обработки сельхозпродуктов); установки прямого преобразования энергии Солнца в электрическую на полупроводниковых фотопреобразователях (ФІГ) без концентрации и с концентрацией солнечной энергии; тепловые энергетические турбогенераторные ГУ; тепловые гелиостатные электростанции башенного типа с газотурбинными циклами (основу которых составляют плоские управляемые зеркала — гелиостаты); наземные и орбитальные высокотемпературные солнечные печи (СП); орбитальные солнечные батареи.
Разнообразные ГУ объединяются общей операцией — наведением рабочего органа на Солнце. Эту операцию выполняет система наведения, выполненная в виде двухкоординатного следящего электропривода (СЭП), от которого существенно зависит качество работы и производительнее^, 'Хд цм о и л л ь и д ;j
1 БИБЛИОТЕКА |
I СПетервург juJ
->іи "'
В технологических ГУ, которыми яъляюгея СП. необходимо осуществлять регулирование температуры в зоне нагрева, что достгаается перекрытием части потока лучистой энергии посредством подвижных экранов и жалюзи, перемещением которых управляет СЭП регулятора температуры. Кроме них в ГУ применяются вспомогагелъные электроприводы (ЭП) (для перемещения исследуемого образца материала в СП или перекачки охлаждающей жидкости в знері етической ГУ и т.д.). Совокупность указанных электроприводов составляет комплексную электромеханическую систему ГУ.
Условия эксплуатации и обслуживания ГУ различны. В одних случаях это промышленные установки с квалифицированным персоналом и хорошо оснащенной материальной базой. В других случаях, для бытовых, сельскохозяйственных ГУ с массовым применением характерно отсутствие квалифицированного персонала. Для этих установок показателен надежный ЭП с простейшим обслуживанием. В целях обеспечения высокого уровня качества и производительности технологического режима ГУ требуется максимальная их автоматизация. Наиболее жесткие требования в отношении точности слежения и надежности предъявляются к СЭП СП.
В связи с задачами новой техники по дальнейшему улучшению качества термообработки материалов возросли требования к температурному режиму процесса обработки. В некоторых случаях, при температуре нагрева в несколько тысяч градусов, недопустимо отклонение от заданной температуры на единицы градусов. Температурный режим СП жестко связан с точностью работы системы наведения. Повышение требований к стабильности температурного режима обуславливает необходимость создания высокоточного (СЭП) СП с допустимой среднеквадратичной ошибкой в дати угловой минуты.
СЭП, обеспечивающий необходимую точность слежения для СП применим и для любого другого типа ГУ с меньшими гочностными требованиями. Таким образом, данный ЭП приобретает общность и представительность для широкого класса различных ГУ.
Отдельной научной проблемой является разработка комплексных электромеханических систем СП космического базирования или, т. н., орбитальных
СП. Ранее СП в космосе не применялись. Впервые этой проблемой начади заниматься РКК «Энергия» и Московский энергетический институт (технический университет).
Разработкой приводов для гелиоустановок занимаются многие научно-технические организации. Например, в Московском энергетическом институте творческий коллектив под руководством д.т.н. профессора Терехова занимается этой проблемой с 1975 года. Электроприводы гелиоустановок рассмотрены в диссертационных работах Овсянникова Е. М., Турдзеладде Д. А., Чириапа К., Бу-Диаб Сайеда и других авторов.
Аналитический обзор литературы по электрооборудованию ГУ показал, что в опубликованных работах преимущественно рассматривались системы электроприводов, не полностью соответствующие современным технико-экономическим требованиям. Особенно это касается точности наведения приемника лучистой энергии на Солнце и регулирования температуры в фокальном пятне СП.
В теоретическом плане остаются без внимания важные вопросы: методологии создания датчиков рассогласования, разработки бездюфтовых опорно-поворотных устройств (ОПУ) повышенной механической жесткости; влияния кинематического люфта на точность ГУ в процессе слежения; анализа и синтеза СЭП ГУ с люфтом; влияния нелинейности элементов СЭП на работу ГУ.
Публикации по системам электроприводов космических СП в настоящее время отсутствуют.
Необходимо дальнейшее развитие исследований и комплексное решение научных проблем по созданию современных систем электроприводов ГУ, т.к. необходимость применения таких систем постоянно возрастает. Это определяет важность, научную актуальность я практическую значимость выбранной темы исследований.
В работе обобщены итоги 27-летней деятельности автора по вышеуказанной проблеме в качестве ответственного исполнителя научно-исследовательских работ. Исследования выполнялись в соответствии с госбюджетными и хоз-договорными работами, проводимыми Московским энергитическим институтом (техническим университетом) под руководством д.т.н., профессора В.М.Терехова.
Объект исследования — системы электроприводов ГУ наземною и космического базирования.
Цель работы — улучшение технологических и энергетических показателей, повышение уровня автоматизации ГУ широкого класса наземного и космического базирования на основе теоретической и практической разработки их ЭП. В работе представлены и решены следующие задачи:
Выработка требований к классу СЭ11 и ЭП регуляторов температуры ГУ наземного и космического базирования.
Создание методик анализа и синтеза СЭП ГУ по точностному принципу с
учетом возникающих ударных нагрузок в механической части.
3. Разработка безлюфтовых электромеханических систем с повышенной
механической жесткостью для наземных ГУ.
4. Создание методологии построения и практическая разработка датчиков
рассогласования для СЭП ГУ различных типов.
Разработка ЭП ГУ наземного и космического базирования.
Создание методологии, а также разработка оборудования для проведения
наземных испытаний СЭП космических СП.
Методы исследования. Поставленные в задаче научные проблемы решались с применением аппарата математического анализа, теоретических основ автоматизированного электропривода, теории планирования экспериментов, частотных методов исследования линейных систем автоматического реіулирования, математического моделирования. Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполняемыми на реальных моделях ЭП ГУ в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Обоснована обобщённая математическая модель СЭП для широкого класса ГУ.
Предложены методики анализа и параметрического синтеза построения однодБигательного СЭП с кинематическим люфтом для широкого класса ГУ с количественными оценками максимальной и среднеквадратичной
ошибок слежения, а также ударных нагрузок в силовой части привода в условиях случайных воздействий по ветровому моменту нагрузки.
Предложена методология построения дагчиков рассогаасования для СЭП ГУ различных типов.
Разработаны безлюфтовые электромеханические системы с повышенной механической жесткостью структуры и оптимизированные рабочие режимы СЭП энергетических ГУ.
Предложена методология построения комплексной электромеханической системы наземной СП, включающий в себя СЭП и ЭП регулирования температуры объекта нагревания.
Разработана математическая модель, варианты конструктивных узлов, структурные и функциональные схемы двухкоординатной системы наведения космической СП.
7. Предложена методика наземных испытаний электроприводов космических СП.
На зашиту выносятся:
1. Структура обобщенного СЭП для широкого класса ГУ, позволяющая
комплексно исследовать типовой однодвигательный СЭП с кинематическим люфтом в условиях случайных воздействий по ветровому моменту нагрузки.
2. Методики анализа и синтеза однодвигательного СЭП с кинематическим
люфтом для широкого класса ГУ.
Методология создания датчиков рассогласования для ГУ различных типов.
Варианты построепия СЭП энергетических ГУ.
Способ оптимизации рабочего режима СЭП энергетической ГУ с
концентрацией лучистой энергии.
Комплексная электромеханическая система наземной СП.
Математическая модель, варианты конструктивных узлов, структурные и
функциональные схемы двухкоординатной системы наведения космической СП.
8. Методика и стенд для наземных испытаний электроприводов космических СП.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений; адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам,
s лодтверждаотся хорошей сходимостью результатов математического моделирования с зкепериментными данными, подученными на физических моделях, лабораторных стендах и реальных установках в производственных условиях. Обоснованность основных еыводов и рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями и внедрением в практику предложенных технических решений по реализации систем ЭП для ГУ различных типов.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Результаты работы использованы при создании серии систем ЭП действующих энергетических и технологических ГУ.
Полученные способы оценки точностных показателей и ударных нагрузок нелинейных СЭП в условиях случайных воздействий по ветровому моменту могут быть рекомендованы при проектировании новых и модернизации действующих однодвигательных СЭП ГУ различных типов.
Разработанные датчики рассогласования для СЭП ГУ различных типов, обеспечивают требуемые пелевгациошше характеристики и их стабильность при изменениях мощности лучистого потока.
Разработанная комплексная электромеханическая система для СП, дает повышение точности регулирования температуры объекта нагревания.
Разработанные двухкоординатные СЭП для космических СП различных типов, создают предпосылки для повышения технологических зффективностей СП.
Разработан стенд для проведения наземных испытаний электроприводов космических СП, позволяющий гарантировать надёжную работу электроприводов в космосе.
Реализация результатов работы. Основные научные положения, инженерные методики и рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность, использованы в научно-исследовательских и проектных институтах, а также в учебных процессах высших учебных заведений.
Основными внедрениями являются: 1. Разработанные и выполненные комплексные электромеханические системы,
обеспечивающие наведение наземных СП с погрешносіью не более одной
угловой минуты и регулирование температуры образцов материалов с
погрешностью не более 3 -г 5% применены в гелиоцентре Института проблем материаловедения НАН Украины (Крым, п. Кацивели).
Система СЭП энергетической ГУ с концентрацией лучистой энергии, типа СЭУ - 500 с выходной электрической мощностью РаО,5кВт для ГУП НТПК «Геофизика - APT» (Москва).
Комплексная электромеханическая система, обеспечивающая наведение космической СП типа СП - 1,0 с погрешностью не более одной минуты и регулирование температуры образцов материалов с погрешностью не более 1 -г 2% для РКК «Энергия» (г. Королев).
Система СЭП гелиостатиой СП с тепловой мощностью Рт»1 мВт для НПО «Солнце» Физико-технического института АН Узбекистана (Узбекистан, п. Паркент).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электротехника и компьютеризированные электромеханические системы» Московского государственного технического университета «МАМИ» (Москва).
Акты о внедрении прилагаются.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: 3. Всесоюзной конференции «Современные проблемы энергетики и
электротехники», Москва, 1977г.
XI Всесоюзной конференции по проблемам автоматизированного электропривода, Суздаль, 1991г.
Международной конференции по использованию солнечной энергии, Украина, Крым, пос. Кацивели, 1990г.
Международной конференции «Ракетно-космическая техника»: фундаментальные проблемы механики и теплообмена, Москва, 1998г.
I Международном симпозиуме «Передовые термические технологии и материалы», Украина, Крым, пос. Кацивели, 1997г.
TV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологяя», Россия, Клязьма, 2000г.
ЇІІ Международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электропривод}', Россия, Нижний Новгород, 2001г.
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета).
Публикаши. Результаты диссертации опубликованы в 35 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Общий анализ проблемы. Постановка задач, организация и проведение всех теоретических и экспериментальных исследований, представленных в работе.
Создание математической модели и проведение исследований обобщенного СЭП для широкого класса ГУ.
Разработка методологии создания датчиков рассогласования СЭП ГУ.
Разработка структурных, злектротромеханических и принципиальных схем электроприводов, а также ОПУ для энергетических и технологических наземных ГУ.
Математическое описание, создание математической модели и исследование СЭП космической СП. Разработка и изготовление СЭП и системы регулирования температуры космической СП.
Разработка методики и стенда для проведения наземных испытаний ЭП космических СП.
Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично, в плане общих работ научной группы, руководимой доктором технических наук, профессором Тереховым В.М.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из содержания, перечня принятых сокращений, введения, четырёх разделов с иллюстрациями и таблицами, заключения, списка литературы из 119 наименований и 4
Обоснование основной структуры следящего электропривода гелиоустановки
На пути разработки такого СЭП возникает ряд трудностей. В первую очередь, это механические особенности привода: наличие значительных кинематических люфтов; низкая частота свободных колебаний установки относительно заторможенного двигателя; отсутствие демпфирующей способности привода в отношении механических колебаний установки из-за больших передаточных отношений кинематической цепи; нелинейная зависимость момента трения на исполнительном валу от его скорости; большая «парусность» гелиоустановок, приводящая к значительным колебаниям момента ветровой нагрузки.
Кинематический люфт в сочетании с другими перечисленными особенностями подвижной части системы наведения является главным затруднением в реализации требуемой точности слежения.
В известных работах по следящим электромеханическим системам с упругими связями и зазором основное внимание уделяется вопросам возникновения автоколебаний и средствам их устранения. Однако при этом остаются без внимания важные вопросы; как количественно влияет люфт на точность установки в ее основном рабочем режиме, т.е. в процессе слежения; какие средства и при каких условиях наиболее эффективны для снижения ошибки слежения от люфта; как анализировать и синтезировать СЭП с люфтом. Таким образом, имеется теоретический пробел в исследовании маломощных редукторных СЭП с кинематическим люфтом.
Определенной практической трудностью разработки СЭП гелиоустановок является также отсутствие необходимой стандартной элементной базы: датчиков рассогласования точного и грубого отсчета, обладающих требуемыми пеленгационными характеристиками; безлюфтовых опорно-поворотных устройств с повышенной механической жесткостью.
Необходимо дальнейшее развитие исследований и комплексное решение научных проблем по созданию современных систем электроприводов ГУ, т.к. необходимость применения таких систем постоянно возрастает. Это определяет важность, научную актуальность и практическую значимость выбранной темы исследований.
В работе обобщены итоги 27-летней деятельности автора по вышеуказанной проблеме в качестве ответственного исполнителя научно-исследовательских работ. Исследования выполнялись в соответствии с госбюджетными и хоздоговорными работами, проводимыми Московским энергетическим институтом (техническим университетом) под руководством д.т.н., профессора В.М. Терехова. Научной проблемой является создание теоретической базы проектирования электроприводов ГУ, направленной на улучшение технологических и энергетических показателей, а так же повышение уровня автоматизации широкого класса существующих ГУ. Объект исследования - системы электроприводов ГУ наземного и космического базирования. Цель работы - улучшение технологических и энергетических показателей, повышение уровня автоматизации ГУ широкого класса на основе теоретической и практической разработки их ЭП, а также создание ЭП для космических СП. В работе представлены и решены следующие задачи: 1. Выработка требований к классу СЭП и ЭП регуляторов температуры ГУ наземного и космического базирования. 2. Создание методик анализа и синтеза СЭП ГУ по точностному принципу с учётом возникающих ударных нагрузок в механической части. 3. Разработка электромеханических схем и безлюфтовых ОПУ с повышенной механической жесткостью для наземных ГУ. 4. Создание методологии построения и практическая разработка датчиков рассогласования для СЭП ГУ различных типов. 5. Теоретическая и практическая разработка ЭП ГУ космического базирования. 6. Создание методологии, а также разработка оборудования для проведения наземных испытаний СЭП космических СП. Методы исследования. Поставленные в задаче научные проблемы решались с применением аппарата математического анализа, теоретических основ автоматизированного электропривода, теории подобия и планирования экспериментов, частотных методов исследования линейных сие 24 тем автоматического регулирования, математического и компьютерного моделирования, аппроксимации и обработки экспериментальных данных. Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполняемыми на реальных моделях ЭП ГУ в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик.
Усовершенствование электроприводов энергетических гелиоустановок с концентрацией лучистого потока
Для сравнения можно сказать, что требуемая добротность по ускорению для отработки ветровых возмущений в линейных СЭП солнечных печей равна 2 -г 3 С , что на четыре порядка превышает требуемую добротность по каналу управления /33/.
Третья составляющая суммарной ошибки слежения, обусловленная наличием помех, сопровождающих сигнал ошибки, во многом зависит от совершенства датчика рассогласования. Датчик должен реагировать только на прямой солнечный свет. Отраженные лучи света являются помехами полезному сигналу. Конструкции разработанных ниже датчиков рассогласования позволяют выделить полезный сигнал с пренебрежительно малым уровнем помех. По сравнению с величиной ошибки от возмущающих воздействий по нагрузке ошибку, обусловленную помехами сопровождающими полезный сигнал, на данном этапе работ по созданию СЭП гелиоустановки можно принять равной нулю. Эту составляющую ошибки следует принимать во внимание, когда речь идет о линейном высокоточном СЭП гелиоустановки с допустимой среднеквадратичной ошибкой слежения, меньшей одной угловой минуты. В данной главе рассматривается одно двигательный СЭП с некомпенсированным кинематическим люфтом. Среднеквадратичная ошибка от возмущающих воздействий по нагрузке в таком СЭП существенно больше одной угловой минуты. Она соизмерима с величиной кинематического люфта.
Для исследования процесса слежения однодвигательного редукторного СЭП при воздействии возмущения по нагрузке использован метод планирования эксперимента.
Цель проведения эксперимента. Во-первых, определение влияния возмущений по нагрузке на точность СЭП с кинематическим люфтом. Во-вторых, исследование процессов возникновения ударных нагрузок в СЭП с кинематическим люфтом при типовых ветровых воздействиях на исполнительный механизм для оценки безремонтного срока службы подвижной части СЭП. При этом поставлены конкретные задачи - определить максимальную амплитуду и средний квадрат ошибки слежения, а также относительную величину максимального упругого момента кинематической цепи, которые можно ожидать в рассматриваемом классе СЭП при взаимодействии на исполнительный вал ветровой нагрузки, имеющей стохастический характер.
Решение данных задач в форме аналитических и графических зависимостей ошибки и максимального упругого момента от базовых структурных параметров позволит решать важные практические вопросы анализа и синтеза нелинейного СЭП с кинематическим люфтом. Так, на стадии проектирования СЭП, на основании заданной точности слежения и с учетом предварительно оцененных базовых параметров, открывается возможность заранее и обоснованно решать вопрос о структуре подвижной части СЭП - необходимо предусматривать люфтовыбирающее устройство в кинематической цепи или нет.
При проведении эксперимента принципиального важным был вопрос - какого характера ветровую нагрузку прикладывать к исполнительному валу. Модель СЭП исследовалась при самом неблагоприятном характере нагрузки, а именно при полной компенсации моментов вязкого и сухого трения постоянной составляющей активного момента нагрузки. Переменная составляющая, т.е. ветровые флюктуации, "в чистом виде" прикладывались к исполнительному валу.
Частота и амплитуда колебаний нагрузки уточнялась экспериментально, путем измерения направления и скорости ветра, воздействующего на антенную установку типа ТНА-57. На осциллограммах рис. 1.5 представлены результаты измерений сделанных в различное время суток. Согласно осциллограммам частота колебаний ветровой нагрузки лежит в пределах Наибольшая амплитуда колебаний составляет примерно тридцать процентов от постоянной составляющей ветровой нагрузки. При переходе от скорости ветра, полученной экспериментально, к расчётному моменту ветровой нагрузки сделано допущение, что скорость ветра пропорциональна квадрату момента /34, 35/. В модели ветровая нагрузка имитировалась генератором псевдослучайного двоичного сигнала (ПСДС), дающего на выходе повторяющийся цикл прямоугольных импульсов различной длительности. Импульсы подавались затем на вход апериодического звена, с выхода которого снималась кривая, имитирующая ветровую нагрузку СЭП. Вид кривой одинаков во всех опытах. Масштабы времени и момента подобраны так, что частота колебаний нагрузки лежит в пределах V = 1 -г- 6, С ,а максимальная амплитуда составляет 30% от номинального момента двигателя, заложенного в расчетную модель. В эксперименте предлагалось, что момент сухого трения на исполнительном валу отсутствует. Динамика процессов осуществляется за счет перегрузки двигателя по току. За расчетную величину среднечасового ветрового момента принят номинальный момент двигателя.
Условия эксплуатации электроприводов орбитальных солнечных печей и предъявленные к ним требования
Для сравнения можно сказать, что требуемая добротность по ускорению для отработки ветровых возмущений в линейных СЭП солнечных печей равна 2 -г 3 С , что на четыре порядка превышает требуемую добротность по каналу управления /33/.
Третья составляющая суммарной ошибки слежения, обусловленная наличием помех, сопровождающих сигнал ошибки, во многом зависит от совершенства датчика рассогласования. Датчик должен реагировать только на прямой солнечный свет. Отраженные лучи света являются помехами полезному сигналу. Конструкции разработанных ниже датчиков рассогласования позволяют выделить полезный сигнал с пренебрежительно малым уровнем помех. По сравнению с величиной ошибки от возмущающих воздействий по нагрузке ошибку, обусловленную помехами сопровождающими полезный сигнал, на данном этапе работ по созданию СЭП гелиоустановки можно принять равной нулю. Эту составляющую ошибки следует принимать во внимание, когда речь идет о линейном высокоточном СЭП гелиоустановки с допустимой среднеквадратичной ошибкой слежения, меньшей одной угловой минуты. В данной главе рассматривается одно двигательный СЭП с некомпенсированным кинематическим люфтом. Среднеквадратичная ошибка от возмущающих воздействий по нагрузке в таком СЭП существенно больше одной угловой минуты. Она соизмерима с величиной кинематического люфта.
Для исследования процесса слежения однодвигательного редукторного СЭП при воздействии возмущения по нагрузке использован метод планирования эксперимента.
Цель проведения эксперимента. Во-первых, определение влияния возмущений по нагрузке на точность СЭП с кинематическим люфтом. Во-вторых, исследование процессов возникновения ударных нагрузок в СЭП с кинематическим люфтом при типовых ветровых воздействиях на исполнительный механизм для оценки безремонтного срока службы подвижной части СЭП. При этом поставлены конкретные задачи - определить максимальную амплитуду и средний квадрат ошибки слежения, а также относительную величину максимального упругого момента кинематической цепи, которые можно ожидать в рассматриваемом классе СЭП при взаимодействии на исполнительный вал ветровой нагрузки, имеющей стохастический характер.
Решение данных задач в форме аналитических и графических зависимостей ошибки и максимального упругого момента от базовых структурных параметров позволит решать важные практические вопросы анализа и синтеза нелинейного СЭП с кинематическим люфтом. Так, на стадии проектирования СЭП, на основании заданной точности слежения и с учетом предварительно оцененных базовых параметров, открывается возможность заранее и обоснованно решать вопрос о структуре подвижной части СЭП - необходимо предусматривать люфтовыбирающее устройство в кинематической цепи или нет.
При проведении эксперимента принципиального важным был вопрос - какого характера ветровую нагрузку прикладывать к исполнительному валу. Модель СЭП исследовалась при самом неблагоприятном характере нагрузки, а именно при полной компенсации моментов вязкого и сухого трения постоянной составляющей активного момента нагрузки. Переменная составляющая, т.е. ветровые флюктуации, "в чистом виде" прикладывались к исполнительному валу.
Частота и амплитуда колебаний нагрузки уточнялась экспериментально, путем измерения направления и скорости ветра, воздействующего на антенную установку типа ТНА-57. На осциллограммах рис. 1.5 представлены результаты измерений сделанных в различное время суток. Согласно осциллограммам частота колебаний ветровой нагрузки лежит в пределах
Наибольшая амплитуда колебаний составляет примерно тридцать процентов от постоянной составляющей ветровой нагрузки. При переходе от скорости ветра, полученной экспериментально, к расчётному моменту ветровой нагрузки сделано допущение, что скорость ветра пропорциональна квадрату момента /34, 35/.
В модели ветровая нагрузка имитировалась генератором псевдослучайного двоичного сигнала (ПСДС), дающего на выходе повторяющийся цикл прямоугольных импульсов различной длительности. Импульсы подавались затем на вход апериодического звена, с выхода которого снималась кривая, имитирующая ветровую нагрузку СЭП. Вид кривой одинаков во всех опытах.
Масштабы времени и момента подобраны так, что частота колебаний нагрузки лежит в пределах V = 1 -г- 6, С ,а максимальная амплитуда составляет 30% от номинального момента двигателя, заложенного в расчетную модель. В эксперименте предлагалось, что момент сухого трения на исполнительном валу отсутствует. Динамика процессов осуществляется за счет перегрузки двигателя по току. За расчетную величину среднечасового ветрового момента принят номинальный момент двигателя.
Оценка точностных показателей и математическое моделирование следящего электропривода орбитальной солнечной печи с увеличенными рабочими углами
Если считать электрическую мощность ФП, равную 1 кВт, достаточ-ной для потребителя, то при РУд = 500 Вт/м и щП = 0,1 согласно выражению (3.2) суммарная площадь фотоэлементов SE = 20 м2. С учетом размеров монтажной рамы получаются весьма значительные габариты ФП (5x5 м), что обусловливает ряд проблем: для монтажа и профилактического обслуживания крупногабаритной гелиоустановки требуется специальное оборудование; значительные масса и высота установки затрудняют ручную ориентацию по координате склонения; большая высота установки предопределяет дополнительные знакопеременные ветровые нагрузки, разрушающие подвижную часть конструкции и силовую электромеханическую часть следящего электропривода, а следовательно, дополнительные расходы на упрочнение элементов конструкции; заложенная в конструкции установки площадь фотоэлементов часто не соответствует реальной потребности пользователя в электрической мощности /60/. Указанных недостатков лишены гелиоустановки в модульном исполнении, при котором общая площадь ФП разбивается на несколько единичных площадей, образуя систему электрически связанных между собой наводящихся модульных ФП (рис. 3.2). Возможны несколько вариантов исполнения систем наведения модульных ФП. В одном случае каждый модуль оснащается индивидуальной системой наведения и приводится в движение независимо от остальных модулей. Но в целях экономии, можно сократить число систем наведения. В этом случае каждый модуль наводится на Солнце общим для всех модулей следящим электроприводом 1, расположенным на ведущем модуле. Ведомые модули приводятся в движение с помощью механической передачи, состоящей из одинаковых ведущего 2 и ведомого 3 шкивов, а также троса 4 между ними. Движение модулей «по Солнцу» обеспечивает электропривод. В противоположном направлении модули движутся под действием механических ігоужинньїх устройств 5. Электрические выходы каждого ФП 6 кабелем соединены с общим приемником распределителем 7. Число модулей и соответственно суммарную электрическую мощность установки легко изменить в соответствии с энергетической потребностью и финансовыми возможностями пользователя.
Рекомендуемая выходная электрическая мощность одного модуля составляет 300 Вт. При этом площадь единичного ФП по формуле (3.2) равна 6 м2, размер одной стороны ФП - 2,45 м 12/. Указанные габариты ФП- предельные, когда обслуживание и ориентация по второй координате возможны вручную, без использования специальных вспомогательных средств. С другой стороны, указанная выходная электрическая мощность - минимальная, для жизнеобеспечения одного человека.
Структура следящего электропривода. Одно из важных решений при разработке следящего электропривода - наличие или отсутствие люфто-компенсирующих устройств в электромеханической части привода. Существует методика определения необходимости применения люфтокомпен-сирующих устройств в структуре электропривода по обобщенным параметрам следящей системы: добротности по ускорению, коэффициенту распределения масс в принятой двухмассовой системе, относительному значению кинематического люфта 111. Определяют среднюю квадратическую и максимальную погрешности наведения, а также ударный упругий момент, возникающий в подвижной части привода при стохастическом воздействии ветровой нагрузки. Вследствие большой допустимой погрешности (8Н = ±10) для энергетических гелиоустановок с ФП без концентрации излучения указанная методика применима только в части определения ударных нагрузок, превышающих допустимое значение. Необходимо либо применять люфтокомпенсирующие устройства, либо в конструкции ОПУ исключить наличие кинематических люфтов (см. рис. 3.2).
