Устройства аналоговой и цифровой электроники. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
About the dynamics of some methods of integrating conversion of analog signal into digital code
Статья научная
The new principles of constructing of the clocked reversible integrating analog-to-digital converters (ADCs) with pulse-width (PWM) and in-phase amplitude-frequency-pulse modulation (AFPM), as well as closed integrating ADC with tactless bit-by-bit equilibration is considered. The block diagrams and time diagrams of the ADC are reduced. An analysis of their dynamic characteristics is given. It is shown that the expansion of bandwidth of the ADC with PWM is possible by increasing the number of cycles of sweep conversion "within" the synchronization interval. In particular, it is proved the ADC with inphase AFPM in comparison with the known technical solutions has at least an order higher temperature and time stability of the characteristics. The bandwidth of the closed integrating ADC with tactless bit-by-bit equilibration depends on the time constant of channel integration. Significant expansion of the ADC bandwidth which purchased due to the reducing of the metrological characteristics is possible in his open-loop structure in the deficiency of channel integration.
Бесплатно
Adaptive interval-code synchronizing units
Статья научная
The synchronizing units adaptive to instability of the mains voltage amplitude for the network forced power semiconductor converters are considered. In order to reduce switching and pulse interference in the synchronizing unit with tracing fixation of self-switching points the first-order aperiodic filters are used, regulated to the shift of input sinusoidal voltage to the angle of minus 30 or 60 electrical degrees that is determined by the level of interference from mains voltage. As a result the auxiliary three-phase voltage system is created which is processed further with the help of comparators and binary-decimal decoders. From the gained series of numbers the needed ones are chosen and combined by the function “OR”. The logic signal is gained as a result, the width of which corresponds to the required synchronization interval of the semiconductor converter. In the second case the synchronization signal affects the self-oscillating integrating sweep converters transferring them to the forced switching mode with the mains voltage frequency. Together with this each of the synchronization channels gets the properties of the first-order aperiodic filters with time constant determined by the value of the amplitude and frequency of mains voltage. The closed-circuited structure of the sweep conver¬ters and the presence of the integrator in the direct control channel contribute to the high level of metrological characteristics of such synchronizing units. The waveform diagram of the synchronizing units and the recommendations concerning the choice of the parameters of their elements are given.
Бесплатно
Common dataware of a proprioceptive robot control system
Статья научная
The paper is devoted to the peculiarities of the Common Dataware for a significant part of manipulation robots. They have only a proprioceptive feedback system supplying information about position of “arms” and “hands” segments in joints. It outlines disadvantages of the Common Dataware generation based on incremental transducers and sensorless structures. Major parameters that determinate indicators of energy informational practice providing energy conversion into functional displacement of the robot working gear are revealed. The use of a resolver as a primary sensor is recommended, as it has the best noise immunity, shock, vibrations and temperature change resistance compared to other sensors. The “Resolver-to-Digital-Converter (RDC)”combination realizing the time and space binding corresponds to the general relativity postulate. A significant advantage of the proposed RDC solutions is a synthesis of digital equivalents of displacement components, which is implemented without a systematic error based on rigorous trigonometric algorithms. They provide resolution up to 20 bits in a range of 360° at its quadrantal or octantal split.
Бесплатно
Статья научная
The paper considers several logical variables transmission describing regular and emergency modes of operations of the inspected control object by means of a single-channel communication line. The method is based on multizone frequency-width-pulse modulation. The block diagram of receiving and transmitting channels and example of modulation zones allocation algorithm between logical variables are given. The authors present the block diagram, time diagrams of signals and main equations for static and dynamic modes of the multizone frequency-pulse-width scanning converter with zero conjugation of modulation zones. The paper gives the results of analysis of the correlation between the number of relay elements and the number of modulation zones for the basic structure of the multizone integrating scanning converter. The block diagram of single-wire transmission system of the logic data about control object condition is considered. The principle of single-wire logic messages transfer is discussed. Algorithm of the modulation zones distribution on a code condition of the inspected control object is shown. The paper may be of interest for specialists in the field of power and information electronics, of the electric drive and automation of technological processes.
Бесплатно
Адаптер-трансивер для ВЧ-аппаратуры PLC-технологий
Статья научная
Представлен анализ особенностей PLC-технологий, описаны используемые схемотехнические решения адаптеров для ВЧ-аппаратуры и режимы их функционирования. Предложен новый тип адаптеров-трансиверов, основанный на новом принципе построения, реализующем магнитоэлектрический эффект в структуре композитного материала. Одним из основных компонентов предложенных адаптеров, фактически осуществляющим трансляцию информационного ВЧ-сигнала в фазные провода линии электросети, является ферритовый стержень. Анализируются физические эффекты, лежащие в основе работы предложенного адаптера-трансивера. Основным отличительным свойством предложенного адаптера является отсутствие трансформаторной и гальванической связей между силовой высоковольтной линией электросети и низковольтными информационными цепями, что гарантированно обеспечивает блокировку воздействия рабочего высокого напряжения линии электросети на низковольтные цепи ВЧ-аппаратуры. За счет этого предложенный вариант адаптера-трансивера легко встраивается в типовую ВЧ-аппаратуру для PLC-технологий, обеспечивая новый качественный уровень ее функционирования. Разработанные новые типы адаптера-передатчика и адаптера-приемника прошли экспериментальную проверку в составе экспериментальной системы охранно-пожарной сигнализации, особенностью которой являлось использование двух видов каналов передачи: на основе беспроводных технологий с использованием радиоканала и с использованием PLC-технологий.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены многоуровневые конвертеры на базе модульной конструкции (ММС), предназначенные для высоковольтных сетей в качестве активных выпрямителей регулируемых электроприводов переменного тока, а также статических компенсаторов реактивной мощности. Приведена структура ММС, отличительная особенность которой заключается в том, что каждая фаза содержит ряд последовательно включенных одинаковых подмодулей. Представлена типовая топология подмодуля, состоящая из конденсатора, шунтируемого встречно-параллельным соединением диода и транзистора. Рассмотрены возможные рабочие состояния подмодуля, влияющие на уровень напряжения на входных зажимах. Детально проанализированы три известных способа модуляции напряжения ММС: метод амплитудно-импульсной модуляции, метод с назначением коммутируемого подмодуля и метод сравнения с опорным напряжением. Приведено содержание высших гармоник в выходном линейном напряжении ММС для трех перечисленных способов модуляции. Показано, что в методе сравнения с опорным напряжением уровень THD напряжения на входных зажимах конвертера составляет значение порядка 4 % при частоте коммутации силовых ключей 300 Гц.
Бесплатно
Бесконтактное измерение параметров движения длинномерных материалов
Статья научная
Рассмотрены и проанализированы основные известные бесконтактные способы контроля параметров движения длинномерных материалов (ДМ). Показано, что в качестве идентификационного признака, т. е. первичной информации, в бесконтактных устройствах измерения целесообразно использовать сигнал, пропорциональный физико-механическим свойствам ДМ. Предложен новый способ измерения скорости перемещения и длины ДМ, основанный на реализации пространственно-координатного принципа идентификации его отдельных участков. В качестве информационных параметров предложено использовать пространственные координаты между локальными соседними неоднородностями ДМ с экстремальными значениями линейной плотности, причем с целью упрощения схемотехнической реализации способа полученную «шкалу» пространственных координат преобразовывать в соответствующую «шкалу» составной последовательности временных интервалов между этими неоднородностями. Это позволяет повысить точность измерения. Описано одно из возможных устройств, реализующих данный способ измерения, имеющее сравнительно простую аппаратную реализацию и обеспечивающее высокую точность измерения. Реализация предложенного метода измерения позволит создать ряд устройств для бесконтактного измерения параметров движения длинномерных физических объектов в различных отраслях промышленности.
Бесплатно
Векторная ШИМ для двухсекционного преобразователя частоты
Статья научная
Статья посвящена вопросам анализа режимов работы двухсекционного преобразователя частоты (ДСПЧ) на основе двух последовательно включенных инверторов напряжения. Рассматривается вопрос реализации векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для исследуемого преобразователя. Представлены схемы включения преобразователя и векторная диаграмма состояний выходного напряжения. Показано, что диаграмма состояний соответствует традиционному трехуровневому преобразователю. Предложен алгоритм векторной ШИМ, обеспечивающий удвоение частоты переключений фазного напряжения по отношению к частоте коммутации силовых ключей инверторов. Представленный в статье алгоритм векторной ШИМ позволяет исключить необходимость компенсации 2-й и 4-й гармоник, возникающих в предложенном ранее подходе к синтезу системы управления двухсекционным преобразователем с использованием односторонних опорных сигналов в узле ШИМ. Также данный прием несколько улучшает гармонический состав выходного напряжения ДСПЧ в высокочастотной области. Однако несколько увеличивается нагрузка на ключи одного из инверторов за счет дополнительных переключений нулевых векторов. Для реализации представленного алгоритма удобно использовать модуль ПЛИС. В статье приводятся временные диаграммы фазного напряжения на выходе преобразователя и его спектральный состав.
Бесплатно
Динамические характеристики развертывающего преобразователя с частотно-широтно-импульсной модуляцией
Статья научная
Рассматриваются динамические характеристики интегрирующего развертывающего преобразователя с частотно-широтно-импульсной модуляцией (РП-ЧШИМ) в широком частотном диапазоне входного гармонического сигнала, включая область частот замедленной дискретизации, когда высокочастотный сигнал преобразуется в составляющие, низкочастотный спектр которых находится в полосе рабочих частот системы управления.Показаны структурная схема, временные диаграммы сигналов, а также основные соотношения для статического и динамического режимов работы РП-ЧШИМ. Приведена методика анализа динамических характеристик. Результаты исследований представлены в виде пространств динамического состояния объекта. Обобщенная оценка и сопоставительный анализ динамики интегрирующего преобразователя производились по среднестатистическому отклонению коэффициента заполнения импульсов и частоты на пространстве динамического состояния объекта, рассчитанные в заданном диапазоне частот входного гармонического сигнала. Полученные характеристики выполнены в относительных единицах.Дан сравнительный анализ РП-ЧШИМ с характеристиками развертывающего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией, в частности, построенного на основе выборки мгновенных значений сигнала управления, например, с ШИМ-1.Статья предназначена для специалистов в области теории управления, автоматизированного элекропривода и элементов систем автоматики, а также может быть полезна для магистров при изучении соответствующих дисциплин.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается интегрирующее устройство синхронизации (УС) с псевдоследящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети. Устройство предназначено для вентильных преобразователей, работающих в условиях высокого уровня внешних помех и коммутационных искажений напряжения сети. Проведено моделирование УС и получены рекомендации по выбору соотношения частоты собственных автоколебаний развертывающего преобразователя и частоты напряжения сети. Показано, что устройство синхронизации обладает высокой помехоустойчивостью со стороны синхронизирующего канала, а также свойством адаптации к колебаниям амплитуды напряжения сети. Объяснены причины, по которым данный тип УС не рекомендуется использовать в системах управления с питанием от автономных источников электроснабжения, где «просадки» напряжения сети могут сопровождаться нестабильностью его частоты. Даны практические рекомендации по выбору параметров УС и рациональным областям его применения.
Бесплатно
Статья научная
Матричные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах переменного тока являются одним из перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода переменного тока. Возможность рекуперативного торможения позволяет расширить сферу применения частотных преобразователей и улучшить их эксплуатационные характеристики. В работе использованы общие положения теории цепей, методы математического и численного моделирования, линейная алгебра, теория нелинейных и дискретных систем управления и теория цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования в данной работе является метод математического моделирования. При обработке результатов исследований широко применялось современное программное обеспечение. Произведен полный математический анализ силовой схемы матричного преобразователя частоты вместе с вычислением коммутационных циклов (алгоритма коммутации) как для низкого коэффициента передачи напряжения (0,5), так и для максимального коэффициента передачи напряжения (0,866). Рассмотрена работа преобразователя частоты матричного типа, представляющего собой комбинацию виртуального активного выпрямителя и виртуального автономного инвертора напряжения с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции. Разработаны имитационные модели такой системы и представлены результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink. Представленные результаты исследований показывают, что высокие качественные показатели электропривода с матричным преобразователем частоты, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Данный вид преобразователей может с успехом найти применение в машинах двойного питания для ветрогенераторов, на производственных линиях в стальном производстве, на погрузочно-разгрузочных устройствах, лифтах, подъемниках, в стендах обкатки двигателей внутреннего сгорания, а из-за меньших массогабаритных показателей матричный преобразователь частоты может найти применение в тех областях промышленности, где размер и вес преобразователя имеют жизненное значение, а ограничение величины выходного тока некритично, как например в аэро- и космической промышленности. Однако несмотря на все свои преимущества над схемами обычных преобразователей частоты, схемы матричных преобразователей пока не нашли широкого применения ввиду большого количества полупроводниковых приборов и сложных алгоритмов управления.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена базовая структура и принцип действия многозонного интегрирующего регулятора, в основе которого лежит частотно-широтно-импульсная модуляция. В среде MATLAB + Simulink разработана виртуальная модель многозонного регулятора, на ее основе построены временные диаграммы регулятора. Приведены основные расчетные соотношения и статические характеристики многозонного регулятора: амплитудная и модуляционная характеристики. Отмечены достоинства и недостатки устройств данного класса. Предложены два способа организации «эстафетных» режимов работы релейных элементов, входящих в состав многозонного интегрирующего регулятора. В частности, рассмотрены многозонный регулятор с параметрическим и с число-импульсным «эстафетными» алгоритмами работы релейных элементов. Главным достоинством «эстафетных» режимов является их возможность обеспечивать равномерное распределение потерь мощности между выходными силовыми ключами, что позволяет повысить энергетические показатели системы управления и ее надежность. Приведены структуры многозонных регуляторов с «эстафетными» режимами работы и временные диаграммы их сигналов. Показан пример построения на основе многозонного регулятора переменного напряжения системы управления температурой в электронагревательной установке. При «эстафетном» режиме работы электронагревателей создается «вращающееся» тепловое поле, в результате чего снижается не менее чем в 3-5 раз неравномерность температуры по объему печи. Статья может быть интересна для специалистов, работающих в области информационной и силовой электроники, автоматизации технологических процессов и электропривода в целом.
Бесплатно
Моделирование полупроводниковых преобразователей энергии для питания электромагнитного сепаратора
Статья научная
Рассматриваются электромагнитные сепараторы, разработанные в Курганской ГСХА, предназначенные для очистки пластичных жидких материалов от металломагнитных частиц. Приведена методика расчета параметров катушек устройства, а также методика моделирования выпрямителя и осциллограммы переменных. Для моделирования выпрямителя совместно с нагрузкой определены параметры нагрузки (активное сопротивление и индуктивность). Сопротивление катушек определено путем непосредственного измерения параметров катушки. Для определения индуктивности был выполнен расчет катушки в программе Elcut. Моделирование выпрямителя в программе Simulink позволило определить требуемые параметры источника питания и его составляющих: номинальная мощность: 0,140 кВт; номинальный ток: 0,2 А; номинальный ток диодов: 5 А; обратное напряжение диодов: 500 В; сечение соединительных проводов: 0,4 мм. С использованием результатов моделирования изготовлен лабораторный экземпляр электромагнитного сепаратора.
Бесплатно
Статья научная
Приводятся результаты сопоставительного анализа качества передачи гармонического сигнала в двухтактных многозонных развертывающих преобразователях (МРП) с различными законами модуляции. Рассматриваются МРП с широтно-импульсной модуляцией и с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Приведены структурные схемы, временные диаграммы сигналов преобразователей при гармоническом входном воздействии, основные расчетные соотношения, а также характеристики, полученные в результате моделирования в среде Matlab+Simulink.Результаты исследований могут представлять интерес для специалистов в области силовой и информационной электроники, электропривода и автоматизации технологических процессов.
Бесплатно
Погрешность цифрового вольтметра переменного тока, обусловленная квантованием по уровню
Статья научная
При проектировании цифрового вольтметра переменного тока необходимо, исходя из поставленных в тоническом задании параметров прибора, определить оптимальную конфигурацию используемой электроники, позволяющей достичь требуемых характеристик. Одной из таких характеристик является точность. Помимо шумов и наводок извне аппаратная методическая погрешность является базой, которая определяет максимально доступную точность измерения. Задача, решаемая в статье, состоит в выборе минимально допустимой разрядности квантования по уровню, при учете того, что известен диапазон измерения и предполагаемый класс точности. В статье получена и апробирована модель методической погрешности квантования по уровню и получены результаты для учета квантования по времени цифрового вольтметра переменного тока. Найдена зависимость погрешности от отношения минимальной измеряемой амплитуды сигнала к шагу квантования АЦП. Получены аналитические модели погрешности квантования по уровню, приведенные к выходу цифрового вольтметра, для идеального фильтра низких частот. Найденные выражения позволяют определить минимально допустимый шаг квантования АЦП или ЦАП для известного допустимого уровня погрешности и минимальной амплитуды входного сигнала, без учета квантования по времени и шума в измеряемом сигнале, при условии использования метода измерения напряжения путём его дискретизации по времени и уровню посредством АЦП.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена анализу статических и динамических спектральных характеристик интегрирующего преобразователя с многозонной частотно-широтно-импульсной модуляцией. Дается понятие статического и динамического спектра выходного сигнала многозонного преобразователя, приведена его структурная схема и временные диаграммы сигналов, а также основные расчетные соотношения. Анализ спектральных характеристик проводился в среде MatLab+Simulink при воздействии на вход многозонного преобразователя постоянного и гармонического входного сигнала с переменной амплитудой и частотой, изменяющейся в широком диапазоне. Характеристики представлены в виде пространств статического и динамического спектрального состояния многозонного преобразователя, показаны графики его переходных процессов. Результаты исследований могут представлять интерес для специалистов в области силовой и информационной электроники, электропривода и автоматизации технологических процессов.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются принцип построения, структура и основные технические характеристики тиристорного регулятора напряжения (ТРН) с адаптивной интегрирующей системой управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей и силовыми ключами «тиристор-диод». ТРН предназначен для работы в условиях высокого уровня внешних помех, включая коммутационные искажения сети, а также при нестабильности амплитуды и частоты промышленной сети, что позволяет использовать его на объектах с «проблемной» сетью. Высокая помехоустойчивость и адаптивные свойства системы достигнуты за счет интегрирующих развертывающих преобразователей с частотно-широтно-импульсной модуляцией, работающих в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети.Приведены технико-экономические результаты реконструкции асинхронных электроприводов технологических объектов Челябинского трубопрокатного завода с применением ТРН. Экономический эффект от внедрения оборудования составил более 6,9 млн руб. в год и получен за счет экономии электроэнергии при переводе асинхронных электроприводов в повторно-кратковременный режим работы и сокращения расходов на ремонт и обслуживание силового электрооборудования технологических установок.
Бесплатно
Управление тиристорными ключами на первичной стороне вольторегулирующих трансформаторов
Статья научная
Статья посвящена анализу работы тиристорных ключей на первичной стороне вольтодобавочных и вольтовычетающих трансформаторов. Показана взаимосвязь углов выключения тиристорных ключей и начальной магнитной индукции на момент их включения. Даны рекомендации по выбору углов включения тиристорных ключей, обеспечивающих работу трансформаторов без выбросов тока намагничивания. Предложена схема компенсации тока холостого хода вольтодобавочного трансформатора, позволяющая управлять тиристорными ключами с фиксированным углом включения при изменении тока нагрузки почти от холостого хода до номинального значения. Отмечено отличие в управлении тиристорными ключами вольтодобавочного и вольтовычетающего трансформаторов. Приведены диаграммы токов, напряжений и магнитной индукции, иллюстрирующие работу вольтовычетающего трансформатора. Результаты работы могут представлять интерес для специалистов в области силовой электроники и полупроводниковой преобразовательной техники.
Бесплатно
Статья научная
Проведенный анализ особенностей функционирования известных типов феррозондов показал, что конструктивные и технологические методы повышения их эксплуатационных характеристик в рамках традиционных решений в основном себя исчерпали. Предлагается способ возбуждения феррозондов на новом физическом принципе, основанном на эффекте магнитоэлектрического взаимодействия. Анализируется и обосновывается возможность получения магнитоэлектрического эффекта в локальных неоднородностях твердотельных структур ферритовых элементов феррозондов при воздействии на них переменного электрического поля. При этом во всем объеме ферромагнитного сердечника на совпадающих частотах электромеханического и магнитного резонансов возбуждают модулирующий физический процесс в виде стоячей магнитоэлектрической волны, создающей соответствующую магнитную модуляционную структуру во всем объеме ферромагнитной системы феррозонда. Рассматривается вариант конструкции модулятора феррозонда, реализующий новый способ возбуждения феррозондов, содержащий стержневую ферромагнитную систему в виде двух ферритовых стержневых полуэлементов, расположенных соосно и состыкованных между собой ферритовым постоянным магнитом с намагниченностью вдоль оси стержней. Проведены экспериментальные исследования нового метода возбуждения феррозондов. На основе предлагаемого способа возбуждения феррозондов открываются широкие возможности для исследований в области нового направления в науке - спинтроники, в частности, прикладного использования магнитоэлектрического взаимодействия, которое можно эффективно использовать при создании феррозондов на новых физических принципах функционирования.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается принцип построения регулятора переменного напряжения с частотно-широтноимпульсной модуляцией, способного адаптироваться к нестационарным параметрам источника электроснабжения. Приведена структура системы управления и ее временные диаграммы сигналов. Показано, что подобного рода регуляторы имеют практически неограниченный диапазон регулирования, повышенную точность и помехоустойчивость, обусловленную применением в алгоритме управления метода интегрирующего развертывающего преобразования. Разработана система управления сушильной камерой, в состав которой входит адаптивный регулятор переменного напряжения и система «непрерывного» контроля изоляции изделия, подвергаемого термообработке. Статья предназначена для научных и инженерных работников, специализирующихся в области силовой преобразовательной техники, а также может представлять интерес для студентов энергетического направления.
Бесплатно
