авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Физико-математических наук, старший научный сотрудник славутский леонид анатольевич, фгоу впо чувашский государственный университет им. и.н. ульянова, г. чебоксары. николаев алексей анатольевич официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор рогинская любовь эммануиловна, исследование и разработка последовательного уфимский государственный авиационный технический университет, г. уфа, резонансного инвертора, нагруженного на магнитострикционный преобразователь кандидат технических наук, доцент ильин владимир федорович, ооо нпп экра, г. чебоксары.

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники в ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», г. Чебоксары.

На правах рукописи

Научный консультант: доктор физико-математических наук

, старший научный сотрудник Славутский Леонид Анатольевич, ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», г. Чебоксары.

НИКОЛАЕВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рогинская Любовь Эммануиловна, ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА, НАГРУЖЕННОГО НА МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ кандидат технических наук, доцент Ильин Владимир Федорович, ООО НПП «ЭКРА», г. Чебоксары.

Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

Ведущая организация: ООО «ЧЭАЗ - ЭЛПРИ», г. Чебоксары.

Защита состоится 23 апреля 2010 года в 16:00 на заседании диссертационного совета Д212.301.02 при ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», по адресу 428015, г. Чебоксары, пр. Московский, 15, аудитория

АВТОРЕФЕРАТ

В-310.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 428015, г. Чебоксары, пр. Московский, 15 на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова, с авторефератом – на сайте ЧГУ:

http://www.chuvsu.ru.

Автореферат диссертации разослан «» марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Чебоксары 2010 доктор технических наук, профессор Г.П. Охоткин теоретических исследований широко применялось современное программное обес печение.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Достоверность полученных результатов определяется адекватностью вы Инверторы ультразвуковой частоты предназначены для преобразования тока бранных моделей и согласием результатов математического моделирования, имита промышленной частоты в ток высокой частоты, питающий электроакустические ционного моделирования и экспериментальных измерений.

преобразователи, и широко применяются в промышленности для решения таких за Основные положения, выносимые на защиту дач, как ультразвуковая сварка, очистка, интенсификация технологических процес Математическая и имитационная модели автономного последовательного ре 1.

сов, борьба с накипными отложениями и др.

зонансного тиристорного инвертора с магнитострикционной нагрузкой и замкнутой При разработке и проектировании инверторов, работающих на магнитострик системой управления.

ционную нагрузку, решается ряд типовых задач, являющихся, в том числе и основ Методика прямого бесконтактного получения сигнала обратной связи для сис 2.

ными задачами настоящего исследования:

темы автоматического акустического согласования инвертора с нагрузкой.

Исследование режимов работы последовательного резонансного инвертора с 1.

Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность 3.

магнитострикционной нагрузкой и разработка математической модели.

выдвинутых теоретических положений.

Разработка методики измерения колебаний в нагрузке для получения сигнала 2.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

обратной связи для системы управления инвертором.

Разработанная математическая модель отличается от известных тем, что авто 1.

Разработка контура управления инвертором по экстремальному значению ам 3.

номный последовательный резонансный тиристорный инвертор выполнен по двух плитуды колебаний в нагрузке. Исследование динамических свойств инвертора с тактной схеме, а магнитострикционная нагрузка имеет две согласно включенные замкнутой системой управления.

обмотки при отсутствии отдельного подмагничивающего контура.

Экспериментальное изучение влияния на работу инвертора изменений пара 4.

Предложенная методика прямого бесконтактного измерения амплитуды коле 2.

метров нагрузки, а также исследование механизмов и средств интеграции инвертора баний в нагрузке, основанная на доплеровской модуляции ультразвукового поля и в системы телемеханики.

ранее не описывающаяся в литературе, позволяет получить сигнал обратной связи В некоторых выпускаемых промышленностью серийных инверторах ультра для системы автоматического акустического согласования инвертора с нагрузкой.

звуковой частоты, работающих на магнитострикционную нагрузку, рассматривае Полученные экспериментальные данные подтверждают результаты моделиро 3.

мые задачи решены недостаточно. Это часто не позволяет получить ожидаемого ре вания и показывают адекватность новых теоретических положений.

зультата и дискредитирует ультразвуковые технологические методы в целом. Необ Практическая ценность работы заключается в следующем:

ходимость дальнейшего исследования инверторов данного типа для эффективного Математические и имитационные модели позволяют упростить и ускорить 1.

решения поставленных задач определяет актуальность диссертационной работы.

проектирование тиристорных автономных последовательных резонансных инверто Объектом исследования являются полупроводниковые преобразователи ров с магнитострикционной нагрузкой.





ультразвуковой частоты, нагруженные на магнитострикционный преобразователь Предложенная методика прямого бесконтактного измерения амплитуды коле 2.

(МП).

баний в нагрузке позволяет повысить точность по сравнению с косвенными элек Предметом исследования являются режимы работы автономного последова трическими методами и надежность по сравнению с контактными механическими тельного резонансного тиристорного инвертора ультразвуковой частоты с магнито методами.

стрикционной нагрузкой и системой управления с датчиком прямой бесконтактной Полученные экспериментальные и теоретические данные позволяют повысить 3.

акустической обратной связи.

амплитуду колебаний в нагрузке.

Целью работы является исследование и разработка последовательного резо Реализация результатов работы. Результаты работы нашли применение при нансного инвертора с бесконтактной акустической обратной связью, работающего модернизации инверторов ультразвуковой частоты серии USP компании ООО на магнитострикционную нагрузку.

«ВНИИР-Промэлектро» и при разработке магнитострикционных преобразователей Методы исследования базируются на общих положениях теории цепей, тео ПМД-2 компании ЗАО «ЭЙМ-ДИФЕРАЛЬ», что подтверждено соответствующими рии дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и актами.

использовании современных инструментальных систем моделирования. Также при Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной ра решении поставленных задач использовались цифровая обработка сигналов, теория боты обсуждались на V, VI, VIII Всероссийских научных конференциях «Динамика автоматического управления и теория измерений.

нелинейных и дискретных систем», г. Чебоксары, 2003, 2005, 2009 г.;

VI Всероссий Экспериментальные исследования проводились при помощи современных ской научной конференции «Информационные технологии в электротехнике и элек цифровых средств измерения. При обработке результатов экспериментальных и троэнергетике», г. Чебоксары, 2006 г.;

Всероссийской научной конференции посвя 3 щенной 75-летию КГТУ им. А.Н. Туполева «Информационные технологии в науке, ляризация сердечника магнитострикционного преобразователя является необходи образовании и производстве», г. Казань, 2007 г. мым фактором увеличения амплитуды колебаний в нагрузке.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, Отмечено, что акустическое согласование инвертора с нагрузкой является од из них 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. ной из наиболее важных и актуальных задач, решаемых при разработке инвертора.

Структура и объем диссертации. Задачи предпринятого исследования обу- Критерием оптимального согласования является равенство частоты механического словили композицию работы, которая состоит из введения, четырех глав и заключе- резонанса нагрузки и частоты её возбуждения инвертором, сопровождающееся мак ния. К работе прилагается список использованной литературы, насчитывающий 104 симальной амплитудой колебаний в нагрузке.

наименования, и представлены приложения на 2-х страницах. Диссертационное ис- Рассмотрены две получивших распространение группы методов получения следование изложено на 147 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы информации о степени акустического согласования: прямых методов измерения ам и 87 рисунков. Основные результаты работы получены автором лично. плитуды колебаний в нагрузке на механической стороне и косвенных методов опре деления механического резонанса путем контроля параметров электрических сигна лов в силовых цепях питания нагрузки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во второй главе «Разработка модели и исследование режимов работы ин Во введении обосновывается актуальность задачи построения математиче вертора с магнитострикционной нагрузкой» проведено исследование схемы ской модели силовой цепи инвертора, разработки новых методов измерения ампли двухтактного автономного последовательного резонансного тиристорного инверто туды механических колебаний в нагрузке, а также создания системы автоматическо ра (рис. 2) и разработана её математическая модель.

го акустического согласования инвертора с нагрузкой;

сформулированы цели и за дачи работы, ее основные положения. Н Zн В первой главе «Особенности работы резонансных полупроводниковых преобразователей ультразвуковой частоты с магнитострикционной нагрузкой» В Ф ТИ рассмотрена работа полупроводниковых преобразователей на магнитострикцион- III ную нагрузку. VS3 VS1 VS T2 T Показаны специфика и н I II течение технологических C процессов, во многом опре- I II e C деляющие требования к T преобразователю в целом.

Представлены схема заме- KF1 KF щения магнитострикцион- t ной нагрузки с электромеха = ническим трансформатором Г III и схема, приведенная к пер Рис. 2. Структурная схема инвертора:

- источник сетевого напряжения;

2 вичной обмотке, позволяю щие связать акустические и фильтр: 1 - энергонакопительная емкость;

ТИ – инвертор: 1 и 2 – силовые ключи Рис. 1. Импульсная модуляция работы инвертора:

трансформатор гальванической изоляции от сети;

В – управляемый выпрямитель;

Ф – (RC-цепи защиты от перенапряжений не показаны);

4 - датчик тока;

2 - коммутирующая электрические параметры. период следования рабочих циклов инвертора;

– дли емкость;

Н - нагрузка: 1 - электромеханический трансформатор;

н - сопротивление на Показано, что работа инвер- тельность активной фазы рабочего цикла;

– период ра тора в режиме импульсной боты инвертора;

- количества периодов возбуждения модуляции (рис. 1) ультра- нагрузки за рабочий цикл грузки МП;

Г - генератор управляющих импульсов звукового поля позволяет Схема характеризуется простотой и не требует введения дополнительного повысить активность течения технологических процессов. Приведены типовые зна подмагничивающего контура. Отличительной особенностью данной схемы является чения параметров, определяющих оптимальный режим импульсной модуляции.

наличие двух согласно включенных рабочих обмоток (I и II) магнитострикционного Рассмотрены основные схемы построения и временные диаграммы работы по преобразователя (МП). Следовательно, изменения полярности магнитной индукции лупроводниковых автономных резонансных инверторов ультразвуковой частоты, в сердечнике МП не происходит, что вызывает наличие постоянной составляющей работающих на магнитострикционную нагрузку. Показано, что дополнительная по магнитного потока. Получаемый в результате эффект эквивалентен введению под магничивания и позволяет отказаться от использования дополнительного подмагни 5 ф – вектор состояния, Ф – переходная матрица линейной непрерывной части;

чивающего контура, что невозможно при использовании известных полумостовых и где – матрица, учитывающая влияние вектора внешних воздействий ф, =1..4 – но ф мостовых схем. Также в данной схеме реализуется удвоение частоты без примене Нахождение элементов матриц Ф и ф, расчеты переходных и установивших ния трансформатора, что допускает её использование на частотах до 20 кГц. мер интервала непрерывности.

Определение парамет ров эквивалентной схемы ся режимов проводились в системе компьютерной математики Maple компании замещения магнитострикци ( + 1) Waterloo Maple Inc.

онной нагрузки проводилось В результате моделирования были получены качественные и количественные методом круговых диаграмм оценки характера и параметров переходных и установившихся режимов работы ин тока (проводимости). Ин вертора, энергетические вертор относится к системам характеристики, а также с переменными параметра бочего цикла = коэффициент полезного ми, и на активной части ра действия. На основе его ра сравнения полученных бочий период разбивается на результатов с результа четыре интервала непре тами расчета имитаци рывности (рис. 3). Границы онной модели, выпол определяются соответст ненной в среде вующими поверхностями + MATLAB/Simulink, по сшивания:

1 включен, а 0 казана адекватность мо при 2 отключен);

I) дели.

ние деформации во + (тиристор 0 Показано измене + 1 уже при 2 еще не II) времени в зависимости (тиристор от тока в рабочих обмот отключился, а + ках МП при его возбуж включился);

+ 1 от дении инвертором, вы III) при I III ключен, а 2 включен);

полненным по исследуе + (тиристор IV II мой схеме (рис. 4). Здесь ( + 1) (тиристоры 1и Рис. 4. Изменение деформации во времени в зависимости - ток в первой Рис. 3. Временные диаграммы работы инвертора: I,II, III, IV) при 2 отключены).

от тока в рабочих обмотках МП (сплошная) и второй IV – интервалы непрерывности работы;

– ток в ком рабочих мутирующей емкости ;

и – коммутационные (пунктирная) функции обмотках, - вершина предельной петли гистерезиса. Рабочие обмотки МП вклю На каждом интервале чены согласно, и перемагничивание сердечника не происходит. Работа осуществля непрерывности анализ работы силовой части преобразователя сводится к рассмот ется на одной половине характеристики намагничивания сердечника. За счет нали рению процессов в линейной непрерывной части. Для расчета использовался метод чия петли гистерезиса в материале присутствует остаточная индукция. Это по мации от магнитной индукции.

переменных состояния. Полученные по методу переменных состояния системы зволяет вывести рабочую точку на линейный участок зависимости удельной дефор уравнений решались численно-аналитическим методом расчета переходных процес сов в цепи с периодическими коммутациями (методом припасовывания). Решение В реальных условиях эксплуатации нагрузка инвертора имеет несколько час на интервалах I и III дополнялись процедурами для точного поиска положения гра тот механического резонанса, что обусловлено наличием большого количества от ниц и участков непрерывности по методу Ньютона.

ф (( + 1) ) = ражающих поверхностей и сложной формой технологического оборудования. Для Окончательно динамическая модель представлена разностным уравнением = Ф ( )Ф ( )Ф ( )Ф ( ) ф ( ) получения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) механических колебаний в + Ф ( )Ф ( )Ф ( ) ф ( ) ф ( ), нагрузке, выражающей зависимость амплитуды колебаний от частоты работы ин вертора (рис. 5), произведено имитационное моделирование сложного резонанса в нагрузке с двумя собственными частотами.

7 Резонансный характер зависимости амплитуды колебаний в нагрузке накла- явления эффекта Доплера частотой. Изменение частоты пропорционально мгновен дывает определенные ограничения на частоту работы инвертора. В то же время сиг- ной скорости колебаний.

налы в электрических цепях резонансной характеристикой не обладают.

рез рез рез ИП ~220V, мкм БП У Г 10 AРУ 5 ППФ СМ 6 У ДМ ФНЧ ППФ н, И Гц 0 регистратор 16650 17325 18000 18675 Рис. 6. Схема измерения амплитуды колебаний в нагрузке прямым бесконтактным акусти ческим методом: 1 – обрабатываемая среда;

2 – стенка технологического оборудования;

3 – Рис. 5. Расчетная (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) зависимости амплитуды концентратор МП;

4 – сердечник МП;

5 – демпфер;

6 – рабочие обмотки МП;

8 – регистра механических колебаний в нагрузке от их частоты для случая сложного резонанса тор;

И – инвертор;

9 – ультразвуковой излучатель;

10 - ультразвуковой приемник;

ИП – В общем случае существует несколько локальных максимумов на АЧХ (на частотах рез, рез и рез ), положение и амплитуда которых определяется парамет измеритель-преобразователь Спектральные характеристики отраженной волны приведены на рис. 7,а.

рами нагрузки. В то же время в процессе работы из-за наличия дестабилизирующих Спектральная плотность имеет форму, соответствующую частотно факторов параметры нагрузки подвержены изменениям. Это обусловливает дрейф модулированному сигналу. Симметричные относительно несущей частоты зонди в нагрузке. Их высота определяется глубиной модуляции 2 cos ( ) и опи положения и амплитуды пиков АЧХ, что приводит к необходимости введения сис рующего сигнала максимумы возникают на частотах, кратных частоте колебаний темы экстремального регулирования амплитуды колебаний в нагрузке.

В главе исследуются также аварийные режимы работы инвертора, связанные с сывается модифицированной функцией Бесселя.

замыканиями в цепи нагрузки и опрокидыванием инвертора. По результатам иссле G, отн.ед.

G, дБ дования определены необходимые предельные параметры тиристоров, исключаю щие выход их из строя при возникновении аварийных ситуаций. В третьей главе «Разработка системы управления инвертором, обеспечи вающей акустическое согласование с нагрузкой» показана возможность и дано - математическое описание задачи получения амплитуды колебаний в нагрузке на ос нове доплеровской модуляции ультразвукового сигнала для использования в качест- 20 - ве сигнала обратной связи системы автоматического акустического согласования.

При этом измерение является прямым и бесконтактным, что позволяет увеличить - точность и надежность измерения. Схема измерения амплитуды колебаний в на- грузке прямым бесконтактным акустическим методом и структурная схема измери + 2 + 2 + теля-преобразователя ИП, реализующего указанную методику, представлена на рис. 6. Установка ультразвуковых приемо-передатчиков осуществляется на МП в месте, соответствующем узлу стоячей волны. Методика определения положения а б данного узла приводится далее. Рис. 7. Спектральная плотность отраженной волны (а) и сигнала после смесителя (б) Физическая основа метода заключается в зондировании поверхности нагрузки Принятый сигнал подвергается прямому преобразованию частоты через сме ультразвуковой волной и приеме отраженной волны с измененной вследствие про шение с опорным сигналом. На рис. 7,б показана спектральная плотность сигнала 9 после смесителя, в которой присутствуют сигналы на суммарной и разностных час- иска оптимальных условий акустического согласования, что определяет применение тотах. Практическое значение имеет низкочастотная область спектра. Ее выделение систем экстремального регулирования, поддерживающих максимальное значение фильтрацией и последующее детектирование позволяют получить огибающую ско- регулируемой величины. Структурная схема инвертора с замкнутой системой экс рости колебания исследуемого объекта. Между скоростью и амплитудой колебаний тремального регулирования (СЭР) приведена на рис. 9.

имеется однозначная зависимость, и переход к амплитуде трудностей не вызывает. В связи с наличием нескольких локальных максимумов на статической харак Относительная эффективность возбуждения инвертором колебаний в нагруз- теристике объекта система должна реализовать два вида поисковых движений:

ке, определяемая максимальной амплитудой колебаний в нагрузке за рабочий цикл пробное – для определения окрестности глобального максимума, и рабочее – для макс ( ) макс ( ) = max (, ) (, ) max.

точного поиска экстремума и последующего его поддержания при дрейфе статиче, на двух разных частотах определяется как … … макс ской характеристики. О Был выбран экстре ИП мальный регулятор шаго v, м/с v, м/с вого типа, достаточно под робно описанный в литера ЭР туре и получена система t, с t, с 0 разностных уравнений, динамику Рис. 9. Общая структурная схема СЭР: ИП – измеритель описывающая - преобразователь;

ЭР – экстремальный регулятор;

О – - системы. В результате ис следования определены па- объект управления;

- случайные внешние воздействия а б на объект;

– скорость колебаний поверхности объекта;

макс – максимальная амплитуда колебаний в нагрузке за раметры, характеризующие -5 - быстродействие, качество x 10 x x, м x, м рабочий период ;

– период работы инвертора регулирования и устойчи Быстродействие системы определяется шагами пробного п.д и рабочего р.д 1.5 1. вость системы.

движений. При уменьшении величины шага п.д менее 0,5 мкс время пробного 1 0.5 0. движения начинает значительно возрастать. С другой стороны, для гарантированно симума необходимо выполнение условия п.д 0,83 мкс. Также при уменьшении ве t, с t, с го попадания начальной точки рабочего движения в окрестность глобального мак 0 личины рабочего шага р.д менее 0,05 мкс наблюдается значительное увеличение в г времени выхода на экстремум. При значениях временных шагов п.д =0,5 мкс и р.д =0,05 мкс максимальное общее количество поисковых шагов составит д=21.

Рис. 8. Скорость колебаний поверхности нагрузки (а и б) и огибающая амплитуды колеба ний (в и г), полученная приведенным методом, при возбуждении нагрузки на частоте ее ре Время поискового движения до установления автоколебаний - д = д =1,26 c.

зонанса (б и г) и при наличии частотной расстройки (а и в) На рис. 8 представлены скорость колебаний поверхности нагрузки (а и б) и Амплитуда и частота автоколебаний определяют качество регулирования экс деляются значениями рабочего шага и смещения точки переключения релейного огибающая амплитуды колебаний (в и г), полученная приведенным методом, при тремального регулятора. Для исследуемой системы параметры автоколебаний опре возбуждении нагрузки на частоте ее резонанса (б и г) и вдали от нее (а и в). Из срав нения зависимостей видно, что метод позволяет выделять огибающую амплитуды элемента в сигнум-реле регулятора. Статическая характеристика объекта в окрест колебаний поверхности нагрузки. Таким образом, предложенная методика может ности точки экстремума имеет вид резонансной кривой, характеризующейся макси мальной амплитудой колебаний рез, резонансным периодом колебаний рез и доб быть использована для получения сигнала обратной связи для системы автоматиче ского акустического согласования инвертора с нагрузкой.

Также рассмотрены некоторые аспекты практического применения ультразву- ротностью колебаний. Данные параметры в процессе работы инвертора подвер ковых доплеровских устройств, связанные с необходимостью учета свойств среды жены изменениям. В процессе эксплуатации установлены значения добротности =2030 при рез =1015 мкм и рез=9 кГц±7,5% для типовых нагрузок инвертора.

распространения акустических волн.

В силу постоянных и недетерминированных изменений параметров нагрузки На основе этих эмпирических данных были получены приближенные оценки пара чине шага рабочего движения р.д =0,05 мкс и =0,1 мкм соответствует величина инвертора, в условиях непостоянства параметров обрабатываемых технологических метров автоколебаний. Так, при указанных параметрах резонансной кривой, вели сред (давление в бойлере, температура и масса теплоносителя и т.д.) и наличия дру гих дестабилизирующих факторов, необходимо осуществление автоматического по 11 максимального отклонения регулируемой величины от экстремального значения статической характеристике. Для обеспечения работоспособности системы в данном 0,336 мкм. Потери на «рыскание», характеризующие падение эффективности работы случае необходимо введение элемента, реализующего пробное движение через оп инвертора вследствие поисковых движений, составляют п =0,114 мкм. Данное зна- ределенные промежутки времени, зависящие от характера нагрузки.

Графически движение СЭР к экстремуму и режим периодических колебаний чение потерь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к устройствам интенси вокруг экстремума показаны на рис. 10. Зависимости получены при виде статиче фикации технологических процессов.

ской характеристики объекта, приведенном на рис. 5.

макс В четвертой главе «Экспериментальное исследование работы инвертора» для проверки теоретических положений, изложенных в предыдущих главах диссер тации, проведено экспериментальное исследование работы инвертора. Приведена рез схема экспериментальной установки (рис. 11) и перечень использовавшихся кон а трольно-измерительных средств.

п.д ПК рев рев рев датчик мин обратной Н регистратор пробное связи рабочее движение движение + 4 р.д рез рез + силовая задатчик ~220V В Г ЭР р.д часть частоты рез б Рис. 11. Структурная схема экспериментальной установки: ПК – персональный компьютер;

рез р.д Н – нагрузка;

датчик Г – задающий генератор;

ЭР – экстремальный регулятор;

В - выпря рез р.д митель Измерения проводились при работе установки в импульсно-модулированном режиме при величине периода рабочего цикла 0 =60 мс и длительности активной фазы рабочего цикла =, где =12 - количество периодов работы инвертора за макс, м10 р.д, р.д ) x ( рабочий цикл.

1. В результате были получены осциллограммы электрических величин в сило вых цепях инвертора. На основе сравнения полученных результатов с результатами математического моделирования показана адекватность разработанной модели в в пределах сделанных допущений.

0. Экспериментальные исследования амплитуды колебаний в нагрузке, возбуж даемой инвертором, проводились по следующим схемам и методикам:

измерение амплитуды ультразвуковых колебаний в технологической среде 0 1) Рис. 10. Временная зависимость выходного сигнала регулятора (а) и регулируемого па раметра макс (б) при движении системы к экстремуму, автоколебания вокруг точки экс пьезоэлектрическим акселерометром;

измерение амплитуды колебаний рабочего конца МП пьезоэлектрическим ак 2) тремума (в) селерометром в режиме холостого хода;

Вопросы обеспечения устойчивости экстремальных регуляторов шагового ти- измерение амплитуды колебаний поверхности технологического оборудова 3) па с неинерционными объектами управления достаточно подробно рассмотрены в ния контактным пьезоэлектрическим акселерометром;

литературе. Все приведенные в исследованиях результаты с успехом могут быть ис- измерение амплитуды колебаний в нагрузке прямым бесконтактным акустиче 4) пользованы и для обеспечения устойчивости разрабатываемой системы. Особенно- ским методом;

стью разрабатываемой системы является наличие нескольких локальным максиму- исследование выхода системы на экстремальное значение амплитуды колеба 5) мов на статической характеристике объекта. В случае значительного изменения па- ний поверхности технологического оборудования.

раметров нагрузки инвертора возможно появление иного глобального максимума на 13 практического применения разработанной системы экстремального регулирования, мкм амплитуды колебаний в нагрузке.

На рис. 13,а приведена конструкция МП, состоящего из демпфера (1) длиной д, двухстержневого магнитопровода в виде пакета из тонких пластин магнитост рикционного материала, на котором размещена обмотка (2) для возбуждения в нем переменного высокочастотного поля, и концентратора (3), выполняющего функцию механического трансформатора скорости. Демпфер на свободном конце преобразо вателя обеспечивает механическое согласование МП с нагрузкой (4) и при опреде 0 ленных размерах позволяет осуществлять эффективное введение колебаний в тех нологическую среду (5).

- Экспериментальные зависимости выходной акустической мощности в зависи мости от длины демпфера при работе МП на холостом ходу и на нагрузке приведе ны на рис. 13,в и рис. 13,г.

а б Определение оптимальной длины демпфера возможно при помощи упрощен ной модели системы «МП - нагрузка» (рис. 13,б), представляющей собой стержень Рис. 12. Осциллограммы амплитуды колебаний поверхности технологического оборудова длиной с сосредоточенной нагрузкой массой и упругостью. Распределение ко ния при проведении по схемам №3 (а) и №4 (б) = cos + sin, лебательной скорости по длине стержня описывается выражением На рис. 12 приведены результаты измерения амплитуды колебаний в нагрузке в течении одного рабочего цикла по схемам №3 и №4. Зависимости качественно по вторяют друг друга, что служит практическим доказательством применимости пря где - собственные циклические частоты колебаний, - скорость распространения мого бесконтактного акустического метода измерения вибраций для построения звука в стержне. Также по данному уравнению производится определение положе датчика обратной связи системы экстремального управления инвертором.

д ния узла стоячей волны. Амплитуды и определяются граничными и начальными, отн.ед.

2 условиями – нагрузкой и фактором силы, прилагаемой в области обмоток. Нахож дение собственных частот осуществляется решением трансцендентного уравне tan =, ния ( 1) 1 д, мм где - модуль упругости, - площадь сечения стержня. Его решение в графическом 10 20 30 40 50 60 70 виде показано на рис. 14,а.

а ( ), в рез,кГц (), отн.ед.

() 4000 19, д, мм 10 20 30 40 50 60 70 () б г 18, Рис. 13. Конструкция МП (а), упрощенная модель системы «МП-нагрузка» (б) и экспери д, ментальные зависимости выходной акустической мощности в зависимости от длины мм 0 20 40 демпфера при работе МП на холостом ходу (в) и на нагрузке (г) а б Полученные экспериментальные результаты измерения амплитуды колебаний Рис. 14. Графическое решение уравнения для собственных частот колебаний МП (а) и за Зависимость ( ) = 0 соответствует колебаниям МП на холостом ходу (без в нагрузке при выходе системы на экстремум также хорошо согласуются с результа- висимости основной резонансной частоты МП от длины демпфера (б) нагрузки), когда резонансные частоты кратны ( = тами имитационного моделирования (рис. 10), что свидетельствует о возможности и т.д.). Изменение сосре 15 ния и введения дополнительного подмагничивания рабочего сердечника магнитост доточенной массы и упругости приводит к смещению резонансных частот. Та рикционного преобразователя.

кая модель вполне адекватно качественно описывает изменение механических ха Разработана математическая модель двухтактного автономного последова рактеристик МП при изменении нагрузки. 2.

тельного резонансного тиристорного инвертора без отдельного подмагничивающего На рис. 14,б показаны экспериментальные зависимости основной резонансной контура с двумя рабочими обмотками МП, позволяющая получать качественные и частоты от длины демпфера МП. Резкое изменение резонансной частоты на холо количественные оценки характера и параметров переходных и установившихся ре стом ходу соответствует длине демпфера порядка 40 мм, что совпадает с макси жимов работы инвертора.

мальной амплитудой колебаний. В модельных расчетах это соответствует переходу Предложена новая методика прямого бесконтактного измерения амплитуды с одной ветви на другую в решении трансцендентного уравнения, показанному 3.

правой части уравнения, т.е. при =. Если рассматривать демпфер как на колебаний в нагрузке инвертора, позволяющая получить сигнал обратной связи для стрелкой на рис. 14,а. Такой переход имеет место при равенстве нулю знаменателя в автоматической системы акустического согласования и основанная на эффекте доп леровской модуляции ультразвукового поля.

грузку к МП, то указанная частота соответствует его резонансным колебаниям, т.е.

Разработана система автоматического акустического согласования инвертора с 4.

минимальной реактивной нагрузке на преобразователь.

нагрузкой, реализующая функцию выхода системы на экстремальное значение ам Экспериментальные измерения зависимости частотных характеристик МП от плитуды колебаний в нагрузке и последующее поддержание данного режима в усло длины демпфера позволяют при помощи представленной ранее модели произвести виях изменения параметров нагрузки.

расчет необходимых размеров демпфера для обеспечения механического согласова Построена имитационная модель инвертора с замкнутым контуром регулиро 5.

ния МП с нагрузкой. Это повышает добротность колебательной системы и увеличи вания амплитуды колебаний в нагрузке. Модель позволяет проводить исследование вает амплитуду колебаний в нагрузке.

режимов работы при изменении параметров нагрузки, элементов силовой схемы, а Течение технологических процессов определяет необходимость изменения также алгоритмов управления.

режимов работы инвертора в процессе эксплуатации. Это вызывает необходимость Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить эксперимен 6.

интеграции инвертора в системы, в том числе беспроводные, управления технологи тальные исследования работы инвертора в условиях изменения параметров нагруз ческой установкой. Для необходимости учета возникающих при этом особенностей ки, элементов силовой схемы, а также алгоритмов управления. Полученные экспе в рамках диссертационного исследования был проведен ряд экспериментов: изуче риментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов, ние изменчивости уровня радиосигнала в зависимости от поляризации излучения что служит доказательством их адекватности.

(взаимного расположения приемо-передающих штырьковых антенн) и наличия пре пятствий на пути распространения радиоволн, исследование зависимости уровня ра

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

диосигнала от геометрических размеров непроводящего окна проводящей оболочки.

В результате были получены гистограммы изменчивости уровней сигналов, Опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК теоретическая и экспериментальная функции ослабления и корреляционные функ- Николаев, А.А. Модуляция ультразвукового сигнала, рассеянного на вра 1.

ции сигналов. Анализ полученных результатов позволил сформулировать решение щающемся валу двигателя [Текст] / А.А. Николаев, А.В. Дроздов, Л.А. Славутский // ряда проблем, связанных с распространением электромагнитных волн дециметрово- Вестн. Чуваш. ун-та.- 2005.- №2.- С. 199.

го диапазона, возникающих при разработке механизмов и средств интеграции ин- Николаев, А.А. Оптимизация работы ультразвуковых магнитострикционных 2.

вертора в беспроводные системы телемеханики. преобразователей противонакипных устройств [Текст] / А.А. Николаев, В.С. Генин, В окончании главы приведено краткое описание инверторов ультразвуковой Л.А. Славутский // Электротехника.- 2006.- №2.- C. 48-52.

частоты серии USP, при модернизации которых были использованы результаты Николаев, А.А. Изменчивость радиосвязи между модулями распределенной 3.

данного диссертационного исследования. системы управления энергетическими объектами [Текст] / А.А. Николаев, А.В. Баштанар, Л.А. Славутский // Приборы и системы. Управление, контроль, ди ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ агностика.- 2007.- №11.- С.20-22.

Николаев, А.А. Дистанционный контроль ультразвуковых магнитострикци На основании проведенного исследования получены следующие результаты и 4.

онных преобразователей противонакипных устройств [Текст] / А.А. Николаев, сформулированы основные выводы:

Л.А. Славутский // Вестн. Чуваш.о ун-та.- 2008.- №2.- С. 228-232.

В результате рассмотрения основных схем построения полупроводниковых 1.

Николаев, А.А. Моделирование тиристорного автономного последовательно автономных резонансных инверторов ультразвуковой частоты, работающих на маг- 5.

го резонансного инвертора с магнитострикционной ультразвуковой колебательной нитострикционную нагрузку, показано, что эффективность возбуждения инвертором системой в качестве нагрузки [Текст] / А.А. Николаев, Л.А. Славутский // Вестн.

нагрузки существенно зависит от выполнения условий их акустического согласова Чуваш. ун-та.- 2009.

17 [6] – проведение и анализ результатов экспериментальных исследований;

в [2, 7] – Опубликованных в других научных изданиях Николаев, А.А. Оптимальное двухмодовое возбуждение ультразвуковых маг- разработка основных технических решений.

6.

нитострикционных преобразователей [Текст] / А.А. Николаев, Л.А. Славутский, А.В. Рекеев и др. // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и элек- Автор выражает глубокую признательность соавторам опубликованных работ тронных систем: материалы всерос. конф.- Чебоксары. 2003. за плодотворное сотрудничество.

Николаев, А.А. Электромеханические характеристики и оптимизация работы 7.

ультразвуковых противонакипных устройств А.А. Николаев, [Текст] / Л.А. Славутский, А.В. Рекеев и др. // Тр. акад. электротехн. наук Чувашской респуб лики.- Чебоксары.- 2003.- №2.- С. 32-37.

Николаев, А.А. Ультразвуковые доплеровские измерения скорости и вибра 8.

ций [Текст] / А.А. Николаев, Л.А. Славутский // Тр. акад. электротех. наук Чуваш ской республики.- Чебоксары.- 2004.- №3.- С. 25-26.

Николаев, А.А. Амплитудная и частотная модуляция ультразвукового сигна 9.

ла при дистанционном контроле скорости вращения [Текст] / А.А. Николаев, Л.А. Славутский // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и элек тронных систем: материалы всерос. конф.- Чебоксары, 2005, C. 215.

10. Николаев, А.А. Ультразвуковой тахометр на основе частотной или амплитуд ной модуляции сигнала [Текст] / А.А. Николаев, Л.А. Славутский // Тр. акад. элек тротех. наук Чувашской республики.- Чебоксары.- 2005.- №2.- С. 67.

11. Николаев, А.А. Передача информации по радиоканалу в беспроводных сис темах управления энергетическими объектами [Текст] / А.А. Николаев, А.В. Баштанар, Л.А. Славутский и др. // Информационные технологии в электротех нике и электроэнергетике: материалы VI Всероссийской научно-технической кон ференции.- Чебоксары.- 2006.- С. 330-335.

12. Николаев, А.А. Изменчивость уровня радиосигнала в беспроводных системах управления энергетическими объектами [Текст] / А.А. Николаев, А.В. Баштанар, Л.А. Славутский // Тр. акад. электротехн. наук Чувашской республики.- Чебоксары. №2.- 2006.- С. 67-69.

13. Николаев, А.А. Изменчивость уровня радиосигнала в беспроводных системах управления энергетическими объектами [Текст] / А.А. Николаев, А.В. Баштанар, Л.А. Славутский // Информационные технологии в науке, образовании и производ стве: материалы всерос. науч. конф., посв. 75-летию КГТУ им. А.Н.Туполева.- Ка зань.- 2007.

14. Николаев, А.А. Применение радиомодемов стандарта IEEE802.15.4 (ZigBee) в системах промышленной автоматики [Текст] / А.А. Николаев, В.А. Чумычкин // Но вости электроники.- 2007.- №9. С. 23-25.

15. Николаев, А.А. Моделирование тиристорного генератора ультразвуковых противонакипных устройств [Текст] / А.А. Николаев А.А., Л.А. Славутский // Дина мика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материа лы всерос. конф.- Чебоксары.- 2009.- С. 334-337.

Формат 6084/16. Бумага писчая. Объем 1 п.л.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве и использо- Тираж 100 экз. Заказ №123.

ванных в диссертации: в работах [3, 4, 5, 8-15] соискателю принадлежит разработка Отпечатано в типографии Чувашского госуниверситета.

основных теоретических положений, проведение экспериментальных исследований 428015, Чебоксары, Московский просп., и анализ их результатов;

в [1] - разработка основных теоретических положений;



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.