Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности электроприводов основных типов современных гелиоустановок
1.1 Классификация гелиоустановок 17
1.2 Неподвижные гелиоустановки 18
1.3 Тепловые гелиоустановки 20
1.4 Энергетические гелиоустановки 21
1.5 Технологические гелиоустановки 29
1.6 Использование солнечной энергии для автотранспортных средств.
1.7 Выводы 43
2. Разработка математической модели универсального следящего электропривода для различных типов гелиоустановок
2.1 Постановка задачи 45
2.2 Обоснование типа универсального электропривода для широкого класса гелиоустановок
2.3 Разработка расчетной электромеханической схемы универсального однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки.
2.4 Разработка структурной схемы универсального однодвигательного следящего электропривода гелиоустановки
2.5 Выводы 55
3. Исследование универсального следящего электропривода гелиоустановки с помощью компьютерной модели
3.1 Режимы работы и характер нагрузки следящих электроприводов гелиоустановок
3.2 Условия проведения исследований СЭП ГУ. 61
3.3 Разработка компьютерной модели и обоснование плана исследований универсального следящего электропривода гелиоустановки
3.4 Проведение исследований универсального следящего электропривода гелиоустановки с помощью компьютерной модели
3.5 Результаты и анализ проведенных испытаний 139
3.6 Выводы 144
4. Техническая реализация и экспериментальные исследования следящего электропривода гелиоустановки
4.1 Способы компенсации кинематических люфтов в следящих электроприводах гелиоустановок
4.2 Методика разработки датчиков рассогласования для гелиоустановок различных типов
4.3 Разработка универсальной системы управления для гелиоустановок различных типов
4.4 Экспериментальные исследования действующего макета следящего электропривода гелиоустановки
4.5 Выводы 180
Заключение 182
Приложения 184
Список литературы
- Неподвижные гелиоустановки
- Обоснование типа универсального электропривода для широкого класса гелиоустановок
- Разработка компьютерной модели и обоснование плана исследований универсального следящего электропривода гелиоустановки
- Разработка универсальной системы управления для гелиоустановок различных типов
Введение к работе
Актуальность работы. Среди всех возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна по масштабам своей распространенности. В настоящее время используются гелиоустановки (ГУ) различного назначения и принципов преобразования энергии.
Разнообразные ГУ объединяются общей операцией – наведением рабочего органа на Солнце. Эту операцию выполняет система наведения, выполненная в виде следящего электропривода (СЭП), от которого существенно зависит качество работы и производительность ГУ.
Анализу энергетической эффективности следящих электроприводов гелиоустановок посвящены работы Терехова В.М., Овсянникова Е.М., Сорокина Г.А., Пшеннова В.Б., Чериан Импена, Турдзеладзе Д.А. и др.
Для успешного решения задачи по увеличению масштабов использования солнечной энергии, т.е. широкого внедрения в практику ГУ требуется разработка, прежде всего простых и надежных СЭП, с простейшим обслуживанием. Вместе с тем СЭП должен обеспечивать необходимую точность слежения. Таким образом, данный СЭП приобретает общность и представительность для широкого класса различных ГУ.
Объектом исследования являются следящие электроприводы энергетических и технологических ГУ.
Целью работы является улучшение технических показателей гелиоустановок широкого класса на основе теоретической и практической разработки универсального следящего электропривода.
В соответствии с целью были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Выработка требований к следящим электроприводам гелиоустановок различных типов.
2. Определение характера наиболее неблагоприятных ветровых воздействий на следящий электропривод с кинематическим люфтом.
3. Разработка и обоснование оптимальной структуры СЭП ГУ различных типов.
4. Обоснование обобщенной расчетной модели для СЭП широкого класса ГУ.
5. Компьютерные исследования математической модели универсального следящего электропривода гелиоустановки на основе теории планирования эксперимента.
6. Получение аналитических и графических зависимостей точностных и нагрузочных показателей универсального следящего электропривода от обобщенных параметров механической части гелиоустановки при наиболее неблагоприятных ветровых воздействиях.
7. Разработка способов компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.
8. Создание методики построения датчиков рассогласования для гелиоустановок различных типов, датчиков положения Солнца.
9. Теоретическая и практическая разработка универсального следящего электропривода для широкого класса гелиоустановок
10. Экспериментальные исследования универсального следящего электропривода для гелиоустановок.
Методы исследования основываются на применении аппарата математического анализа, теоретических основ автоматизированного электропривода, методов исследования систем автоматического регулирования, теории планирования эксперимента, компьютерного моделирования. Исследования проводились с применением программы MATLAB&Simulink.
Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями на действующем СЭП ГУ.
Научная новизна основывается в следующем:
1. Разработаны оптимальная структура и математическая модель универсального СЭП для широкого класса ГУ.
2. На основе обобщенной расчетной модели с использованием метода планирования эксперимента получены аналитические и графические зависимости точностных и нагрузочных показателей универсального СЭП от обобщенных параметров механической части ГУ, позволяющие делать обоснованный выбор, корректирующих или люфтокомпенсирующих устройств.
3. Созданы методики анализа и синтеза СЭП ГУ по точностному принципу с учетом возникающих ударных нагрузок в механической части.
4. Разработан способ компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.
5. Создана методика построения датчиков рассогласования для гелиоустановок различных типов.
6. Разработана схема комплексной автоматизации СЭП ГУ, предусматривающая режим автосопровождения.
Практическая значимость подтверждается реализацией результатов работы.
1. Создана серия СЭП действующих ГУ, что засвидетельствовано двумя актами о внедрении. Разработанный СЭП может быть рекомендован для внедрения в качестве системы наведения широкого класса гелиоустановок.
2. Полученные обобщенные оценки точностных показателей и ударных нагрузок СЭП с люфтом могут быть использованы при проектировании редукторных однодвигательных СЭП различных установок.
3. Разработанный способ компенсации кинематических люфтов, на который получен патент на полезную модель, может быть применен для высокоточных ГУ.
4. Предложенная методика создания датчиков положения Солнца обеспечивает требуемые пеленгационные характеристики для различных типов ГУ.
На защиту выносятся:
1. Обобщенная расчетная модель и оптимальная структура СЭП широкого класса гелиоустановок.
2. Результаты компьютерных исследований математической модели универсального СЭП ГУ на основе метода планирования эксперимента.
3. Способы компенсации кинематических люфтов СЭП ГУ.
4. Методика построения датчиков рассогласования для ГУ различных типов.
5. Принципиальные электрические схемы универсального СЭП ГУ.
6. Результаты экспериментальных исследований универсального СЭП ГУ.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемым процессам, подтверждается хорошей сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными на физической модели макета гелиоустановки. Обоснованность основных выводов и рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями и внедрением в практику предложенных технических решений.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы при создании в ОАО «КАСКАД-ОПТЭЛ» экспериментального макета гелиоустановки и солнечной энергоустановки СЭУ-2500 мощностью 2,5 кВт, о чём выдан акт о внедрении, и в ОАО «ОМ ЭНЕРДЖИ ЛТД» при создании солнечного энергетического модуля с выходной электрической мощностью 3 кВт по производству водорода ЭВГ-М, о чём также выдан акт о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 2-ой всероссийской научно-технической конференции с международным участием в ТГУ (г. Тольятти, 2007г.), 6-ой всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» в МГУ (г. Москва, 2008г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» в ТГУ (г. Тольятти, 2009г.), Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение-2009» в МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2009г.), Международной научно-технической конференция ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» в МГТУ «МАМИ» (г. Москва, 2010г).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на заседании кафедры Электротехники и компьютеризированных электромеханических систем Московского Государственного Технического Университета «МАМИ».
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав с иллюстрациями, заключения, списка литературы из 118 наименований и приложений с таблицами и актами о внедрении результатов диссертации на предприятиях. Общий объем работы 194 страниц, в работе содержится 42 рисунка.
Неподвижные гелиоустановки
Тепловые гелиоустановки преобразуют солнечную энергию в тепло. Как правило, это различные типы водонагреватели и воздухонагреватели разного исполнения.
Широкое применение на сегодняшний день получили тепловые гелиоустановки следующей конструкции: металлический или пластиковый короб, окрашенный в черный цвет и закрытый прозрачным стеклом со стороны поступления лучистой энергии. Нагреваемые в коробе рабочее тело (воздух или жидкость) периодически или постоянно отбираются в систему горячего водоснабжения или отопления с помощью естественной циркуляции, вентилятора или насоса.
В Российской Федерации гелиоустановки для нагрева воды серийно выпускаются Ковровским механическим заводом (г. Ковров, Владимирская область), ТО НЛП "Конкурент" (г. Жуковский,Московская область) и НПО Машиностроения (г. Реутов, Московская область). Наиболее массовым производством обладает Ковровский механический завод, который уже выпустил около 2000 солнечных коллекторов. НПО Машиностроения выпускает солнечные коллекторы малыми партиями. Продукция фирмы "Конкурент" имеет наилучшие технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов, но при этом она в три раза дороже продукции Ковровского механического завода (220 долл. США за 1 м2 против 70 долл. США), [71].
Наибольшее применение в России такие установки нашли в Краснодарском крае, где эксплуатируются 36 гелиоустановок производительностью от 1 до 20 м3 горячей воды в день с температурой 55 С, [71].
На рисунке 1.2 представлена гелиоустановка пансионата "Лесная поляна" в г. Новороссийске, установленная в 1999 году. Данная гелиоустановка предназначена для горячего водоснабжения пансионата в летнее время. Она состоит из 68 коллекторов производства Ковровского механического завода и является одноконтурной. Её общая площадь составляет 51м; циркуляция воды происходит без использования насоса, естественным путём. Для горячего водоснабжения в ночное время и сглаживания пиковых нагрузок в состав гелиоустановки входит бак-аккумулятор емкостью 7 м3, [71].
Энергетические ГУ преобразуют солнечную энергию в электрическую. Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического преобразований. На данный момент наибольшее распространение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей, [72,73,74,75,76]. Солнечные электростанции (СЭС) с применением тепловых двигателей в настоящее время в основном строят либо как СЭС башенного типа, либо как СЭС турбогенераторного типа. В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации солнечного излучения в несколько тысяч. Управление системой, как правило, осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550С, воздух и другие газы - до 1000С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 С, жидкометаллические теплоносители - до 800С.
В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира было построено семь экспериментальных башенных солнечных электростанций с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая большая солнечная электростанция башенного типа мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии. Все эти электростанции построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, которые следят за Солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный наверху довольно высокой башни. Ресивер представляет собой, в сущности, водяной котел, в котором вырабатывается водяной пар средних параметров, и направляется потом в стандартную паровую турбину, [75]. В 1985 году в Щелкино Крымской области СССР также была введена в эксплуатацию солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт. Она включала 1600 плоских зеркал площадью 25,5 м каждый, высота башни составляла 89 м.
В реальных условиях, данные башенные СЭС оказались убыточными, и после проведения экспериментов не эксплуатируются. Считается, что мощность подобных СЭС должна составлять не менее 100 МВт, высота башни при этом составит 250 м, а площадь, необходимая для ее строительства, — 2 га. На рисунке 1.3 представлена схема работы СЭС башенного типа, а на рисунке 1.4 ее внешний вид, [75,76].
Солнечная электростанция башенного типа. модулей. Модули включают в себя зеркальный параболоцилиндрический концентратор лучистого потока энергии (с коэффициентом концентрации до 100), в фокусе которого расположена труба с рабочей жидкостью, нагреваемой потоком лучистой энергии. Нагретая жидкость приводит во вращение тепловой двигатель, передающий крутящий момент на электрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Такие электростанции обладают большим КПД, чем башенные электростанции, т.к. в них отсутствует передача потока лучистой энергии на расстояния в сотни метров. Самая крупная солнечная электростанция этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.
Еще один тип солнечных электростанций - это солнечные пруды. Электростанции подобного типа строятся обычно в странах с тёплым климатом и обладают самой низкой стоимостью среди всех типов солнечных электростанций. Подобная электростанция представляет собой пруд с окрашенным в тёмный цвет дном глубиной 1-3 м, наполненный солёной водой. Известно, что даже в обычных солёных водоёмах температура воды у дна может достигать 70С, окрашенное же в чёрный цвет дно поглощает поступающую к нему тепловую энергию и нагревает прилегающие к нему слои воды до температуры в 90-100С. При этом температура поверхностного слоя остаётся равной температуре окружающего воздуха, что уменьшает теплоотдачу жидкости в атмосферу и позволяет накапливать энергию. Отвод тепла к потребителю осуществляется из нижнего слоя воды либо путём забора самой воды, либо путем её провода через теплообменник. Наиболее крупным из существующих является солнечный пруд площадью 250 000 м , находящийся в местечке Бейт-Ха-Арава в близи северной оконечности Мёртвого моря в Израиле. Тепловая энергия этого пруда преобразуется в электрическую энергию мощностью 5 МВт.
Обоснование типа универсального электропривода для широкого класса гелиоустановок
По этим причинам, успешно применяемые в наземных гелиоустановках коллекторные двигатели постоянного тока малопригодны для работы в открытом космосе. Им потребуются либо специальные приспособления для герметизации и обеспечения температурного режима, либо существенное сокращение срока эксплуатации. Широко используемые в различных космических системах наведения электроприводы с шаговыми двигателями не обеспечивают удовлетворительных показателей по качеству движения при работе совместно с механической частью, обладающей заметной упругостью. По техническим условиям эксплуатации орбитальных СП линейные микроускорения образца в процессе нагрева не должны превышать значения 5x10" м/с , что исключает применение шаговых двигателей, [87].
Рассматриваются два варианта исполнения электроприводов систем наведения орбитальных СП. Во-первых, создание искусственных условий эксплуатации электроприводов. В этом случае, широко применяемый в наземных СП, детально изученный и в течение длительного времени положительно зарекомендовавший себя следящий электропривод постоянного тока располагается в замкнутом пространстве с давлением воздуха и с поддерживаемой температурой. Учитывая сложность герметизации вращающихся валов, желательно исключить вращательное рабочее движение на выходе из термокамеры и передавать рабочее усилие на опорно-поворотное устройство поступательно, используя гермосильфоны. Подобное решение технически реализуется на орбитальных СП с ограниченными требуемыми рабочими углами поворота концентратора лучистой энергии - практически до тах=40. Величины требуемых рабочих углов СП определяются орбитой и способом ориентации космической станции. Орбиты и ориентации станций типа «Салют» и «Мир» соответствовали ограниченным рабочим углам СП. Для осуществления наведения концентратора СП посредством поступательного движения механической части электропривода необходимы опорно-поворотные устройства специальных конструкций. Расположение координатных осей таких устройств отличается от традиционно принятых в гелиотехнике экваториальной и азимутально-зенитальной систем координат.
Второй вариант исполнения следящего электропривода орбитальной СП предполагает использование элементов и узлов, способных работать в открытом космосе без специальной защиты, полностью удовлетворяя предъявляемым техническим требованиям. Этот вариант неизбежен при требуемых рабочих углах орбитальной СП превышающих значение 8тах=40о, что соответствует орбите и инерциальному варианту ориентации МКС «Альфа». Анализ основных факторов, влияющих на характеристики высокоточных электроприводов, сравнение регулировочных свойств основных типов электродвигателей показывает, что предпочтительной для работы в открытом космосе является двухфазная синхронная машина с постоянными магнитами на роторе, используемая в режиме вентильного двигателя. Возможность уменьшения неравномерности электромагнитного момента за счет подбора формы фазных токов обеспечивает приближение свойств вентильного двигателя к идеальному источнику управляемого момента. Исследование динамических и точностных характеристик системы наведения показало, что приемлемые результаты получаются с бесконтактными моментами двигателя типа ДБМ, работающим в режиме вентильного двигателя, то есть обеспечивающими характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
Во втором варианте реализации следящего электропривода орбитальной СП также предусматривается использование опорно-поворотного устройства специальной конструкции. Серьёзные проблемы вызывает пониженная механическая жесткость опорно-поворотного устройства, поскольку его приходится конструировать при существенных ограничениях на допустимую массу, габариты и качество материалов. Возникающие упругие механические колебания препятствуют расширению полосы пропускания следящей системы и, следовательно, повышению ее динамической добротности при сохранении устойчивости. Необходимо существенное повышение частоты собственных колебаний системы, что обуславливает нетрадиционные решения при конструировании опорно-поворотного устройства следящего электропривода орбитальной солнечной печи.
Космическая станция базирования орбитальной СП может иметь собственную систему ориентации на Солнце. Координатные оси станции ориентируются относительно Солнца с точностью до нескольких градусов, совершая колебательные движения по синусоидальному закону: = msmQt (1.1) u = 0mQcosQf (1.2) є = -т Q.2 -smQt = -em -sinQt (1.3) где 0 - угол колебаний, рад; Q - частота колебаний, с ; а - угловая скорость колебаний, рад/с; є - угловое ускорение, рад/с ; т,а т ,єт - амплитудные значения угла, скорости и ускорения колебаний. Заданные значения параметров, соответствующие законам движения станции типа «Салют»: т=У,сот=0Л/с; Г = = 314с; Q = - = 0,02-c4; т=3,5-1(Г5 раді с2; т Объект базирования совершает колебательные движения по трем координатам. Система наведения СП компенсирует эти колебания по двум координатам, выдерживая точное направление оптической оси на Солнце. При этом вращательные движения СП вокруг оптической оси остаются некомпенсированными, но это не влияет на технологический режим СП.
Разработка компьютерной модели и обоснование плана исследований универсального следящего электропривода гелиоустановки
Для получения более полного и достоверного результата исследования СЭП ГУ необходимо правильно выбрать и обосновать расчетный режим работы СЭП гелиоустановки, а также характер возмущающих воздействий, возникающих в процессе его работы и прикладываемых к нему.
Все режимы работы СЭП можно условно разделить на две категории -рабочие режимы и вспомогательные. К рабочим относятся режимы слежения, реализуемые путем программного управления или автосопровождения.
В программном управлении закон движения объекта слежения известен и рассчитывается заранее. Следящий электропривод отрабатывает заданный закон движения исполнительного вала, который является входным сигналом системы. В режиме автосопровождения закон движения объекта неизвестен. Получение сигнала управления связано непосредственно с объектом слежения.
В дальнейшем, в силу причин рассмотренных во введении, режим программного управления рассматриваться не будет. Под общим термином «режим слежения» подразумевается автосопровождение.
К вспомогательным режимам относятся так называемые "переброс" исполнительного вала, "поиск" и "захват" объекта слежения, в которых точность СЭП строго не регламентируются. Вспомогательные режимы используются при подготовке гелиоустановки к работе, проведении профилактического обслуживания, а также для обеспечения технологических операций (например, смена испытуемого образца в солнечных печах). В этих 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 [58].
В данной работе за основу принят рабочий режим слежения СЭП, а именно, автосопровождение Солнца, точность которого определяет качество главного технологического режима гелиоустановки. В связи с этим структура СЭП, ее линейность или нелинейность, оценивается в отличие от теории автоматического регулирования с позиций рабочего режима СЭП. В терминологии теории автоматического регулирования линейность или нелинейность системы определяется в зависимости от отсутствия или присутствия в её составе нелинейного элемента. Однако, 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 всеми остальными нелинейностями, то под линейным будем подразумевать 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 (Ммин) можно определить, например, методом гармонической линеаризации. Отсутствие пересечения характеристики линейной части системы W oo) с обратной амплитудной характеристикой люфта (1/W„3) (JG)), которая зависит от величины момента нагрузки, свидетельствует об отсутствии нелинейных автоколебаний. В общем виде условие линейности СЭП гелиоустановки можно записать в виде [12]: Г J = М ±М ±J тр ветр и dt Ммт (3.1) где Мщ - крутящий момент, передаваемый по кинематической цепи, Нм; Мтр - суммарный момент вязкого и сухого трения на исполнительном валу, Нм; Мветр - момент ветровой нагрузки на исполнительном валу; Нм; Ju в. - момент инерции исполнительного механизма, кГм ; ыи.в. - угловая скорость исполнительного вала; рад/С. Основным источником механического напряжения в кинематической цепи гелиоустановки является суммарный момент трения на исполнительном валу. Этот момент частично или полностью может компенсироваться постоянной составляющей момента ветровой нагрузки. В этом случае неравенство [3.1]. 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 флюктуации. 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.
Очевидно, что наиболее неблагоприятные условия для работы СЭП с кинематическим люфтом создаются при скомпенсированном моменте трения на исполнительном валу.
В случае, если суммарный момент нагрузки на исполнительном валу равен нулю, а ветровые флюктуации отсутствуют, основной проблемой в нелинейном СЭП являются автоколебания, [59].
В настоящей главе будут рассмотрены вопросы точности нелинейных СЭП в условиях полной компенсации момента трения на исполнительном валу постоянной составляющей момента ветровой нагрузки при наличии ветровых флюктуации. Подобные условия работы СЭП создаются при изменении силы и направления ветра, либо при повороте исполнительного вала. Длительность сложившейся ситуации зависит от скорости вращения исполнительного вала, а также от соотношения моментов трения и ветровой нагрузки. В некоторых случаях он может длиться на протяжении всего сеанса работы установки. При дальнейшем исследовании СЭП данный режим изменения нагрузки взят за расчетный режим как наиболее неблагоприятный.
Частота и амплитуда колебаний ветровой нагрузки уточнялась экспериментально, путем измерения направления и скорости ветра, воздействующего на антенную установку типа ТНА-57, [56].
Разработка универсальной системы управления для гелиоустановок различных типов
В случаях, когда рассчитанные для однодвигательного СЭП по методике, изложенной в главе 3, точностные показатели или ударные нагрузки не удовлетворяют техническим требованиям проектируемой ГУ, необходимо компенсировать кинематический люфт. Способы компенсации могут быть механические или электрические.
Наиболее распространённым способом компенсации люфта в маломощных однодвигательных СЭП является механическое торсионное устройство, которое представляет собой разрезную шестерню с встроенным между половинами шестерни упругим элементом [116]. Зубчатая пара, состоящая из торсионной и обычной шестерни, не имеют люфта в зацеплении, т.к. половины торсионной шестерни разжимаются упругим элементом в разные стороны, выбирая таким образом кинематический люфт.
Однако разрезная шестерня позволяет компенсировать люфт только в одном зубчатом зацеплении. Для компенсации люфтов во всей кинематической цепи механическое торсионное устройство должно состоять из двух параллельных кинематических цепей, выходные части которых замыкаются на общем исполнительном валу, а входные части разжимаются в разные стороны соединяющим их сжатым упругим элементом (УЭ) (рис. 4.1). В каждую сторону вращения крутящий момент передаётся только по одной из двух кинематических цепей. В одну сторону - через кинематическую цепь, содержащую упругий элемент и редуктор Р], а в другую - через вторую цепь с редуктором Р2 (см. рис. 4.2). Причём, при передаче рабочего момента с ведущего вала к исполнительному механическое напряжение в двух кинематических цепях будет разное. В кинематической цепи, содержащей упругий элемент, механическое напряжение всегда соответствует начальному моменту распора м0. Если рабочий момент (Мнагр) передаётся по кинематической цепи, не содержащей упругого элемента, то механическое напряжение в ней будет обусловлено суммой рабочего и начального распирающего моментов. При проектировании торсионного устройства следует учитывать это обстоятельство и выполнять одну из кинематических цепей более мощной.
Кинематический люфт может проявить себя только при передаче крутящего момента по кинематической цепи, содержащей упругий элемент. Люфт откроется, если передаваемый момент больше, чем момент начального распора. Для исключения открывания люфта требуется выполнить условие иагр.макс. Условие [4.1] распространяется только на одну кинематическую цепь, содержащую упругий элемент. При передаче рабочего момента по другой кинематической цепи система линейна всегда, независимо от величины передаваемого момента.
Зависимость передаваемого через торсионное устройство момента от разности углов кинематических цепей показана на рис. 4.2. При передаче по одной из кинематических цепей момента нагрузки большего, чем начальный момент распора, линейность зависимости Мнагр = /(# , - (рг) нарушается вследствие влияния кинематического люфта. Усилий сжатого упругого элемента становится недостаточно для передачи крутящего момента. Вторая кинематическая цепь "проходит" через люфт и подключается к работе на нагрузку. Афкл=фгф2 М,
Механическое торсионное устройство имеет существенные недостатки. Основные из них следующие.
Во-первых, конструктивная сложность и большая трудоемкость в изготовлении. Такие изделия, как правило, не носят серийного характера. Часто они уникальны и требуют индивидуального подхода.
Во-вторых, большие массогабаритные показатели устройства. Они объясняются удвоенным числом кинематических цепей и наличием начального момента распора. Последнее обстоятельство предполагает увеличение расчётной мощности одной из кинематических цепей сверх ожидаемой полезной нагрузки примерно в два раза, если момент распора соответствует максимальному моменту нагрузки.
В-третьих, большие потери в передаче. Начальный момент распора создаёт в кинематических цепях дополнительные потери, мощность которых выражается формулой: Рд.п.=2М0-О)раб-(1-7}кц) (4.2.) где Рд„ мощность дополнительных потерь, Вт; раб - рабочая скорость устройства, с ; Лк.ц. - к.п.д. кинематических цепей. Принимая во внимание выражение (4.1) можно сказать, что дополнительные потери в торсионном устройстве более чем в два раза превышают потери от момента полезной нагрузки. Более простым механическим способом компенсации кинематического люфта применительно к установкам с небольшими моментами нагрузки является искусственное увеличение момента трения на исполнительном валу, например за счёт использования фрикционного тормоза. Если пренебречь динамическим моментом на исполнительном валу, то условие линейности однодвигательного СЭП гелиоустановки с фрикционным люфтокомпенсирующим устройством при возмущающих воздействиях по нагрузке можно записать выражением: М М (А \ тр.и.в. — нагр v+-,v где Мтрив - момент трения на исполнительном валу, Нм; Мнагр - возмущающий момент ветровой нагрузки, Нм. Достоинством фрикционного люфтокомпенсирующего устройства является простота технической реализации. К основным недостаткам можно отнести неравномерность вращения исполнительного вала и большие потери в передаче. Неравномерность вращения исполнительного вала вызвана нелинейной зависимостью момента трения от скорости его вращения в совокупности с влиянием кинематического люфта.
Рассмотренное явление значительно снижает точностные возможности СЭП. Люфтовыбирание с помощью тормоза нельзя рекомендовать для высокоточных СЭП солнечных печей, т.к. из-за дискретности движения исполнительного вала максимальные выбросы ошибки превышают допустимое значение. Для всех остальных типов гелиоустановок он приемлем.
В приводах с большими моментами нагрузки на исполнительном валу (тысячи ньютонметров целесообразно применение регулируемого фрикционного тормоза в функции тока якоря при помощи дополнительного сервопривода. Это позволит сократить потери в электроприводе и увеличить срок службы трущихся поверхностей. В многодвигательных СЭП возможности для компенсации люфта намного шире, чем в однодвигательных. В таких СЭП наиболее эффективен электромеханический способ компенсации кинематических люфтов [116, 58]. Эффект компенсации люфта достигается в многодвигательных схемах за счет разности электромеханических характеристик двигателей, связанных с исполнительным валом раздельными кинематическими цепями. Большое преимущество электромеханических способов компенсации люфта перед механическими заключается в том, что электрические параметры приводов легко регулировать и настраивать. Этого нельзя сказать о механических параметрах приводов, которые, как правило, однозначны и жестко связаны с конструкцией СЭП. В лучшем случае, механические параметры СЭП, например такие, как момент распора торсионного устройства, можно изменить в процессе профилактических работ по обслуживанию установки. Однако такая операция трудоемкая и выполняется редко. В многодвигательном СЭП начальный момент распора можно менять, не прерывая процесса слежения. Это делается посредством ручной регулировки электрических параметров либо с помощью автоматического управления.
