跟踪补偿（精选7篇）
跟踪补偿 篇1
炼钢生产中, 钢水温度是一项重要的生产技术指标, 有效控制炼钢过程中的钢水温度是提高钢水质量和恒拉速浇铸的重要保证[1]。目前, 对于转炉出钢温度的控制, 除了钢种液相线温度控制和运输过程温降补偿外, 重要的一项就是针对钢包的钢水温度补偿。而多数炼钢厂由于生产钢种繁多、工艺路径复杂, 因此造成钢包人工跟踪困难, 对钢包的温度补偿只能停留在参考钢包包龄、简单的红外测温或凭借经验看包等手段, 无法及时准确地掌握钢包热状态, 使得转炉出钢温度不得不按温度制度上限操作, 常导致高温出钢现象, 造成转炉工序能源上的浪费。因此, 合理对钢包进行温度补偿就成为钢水温度控制中的一项重要工作。
现有钢包管理方面的研究与实践主要有:钢包运行过程的时间控制与温度优化[2,3]、钢包分类管理下的钢水温度控制[4,5]、钢包调度系统的离线仿真[6]、钢包周转过程的计算机跟踪[7]和钢包热状态对钢水温度的影响[8,9,10]等, 但都未能实现在钢包实时跟踪基础上根据钢包热状态进行在线钢水温度补偿。
钢包热状态作为转炉出钢温度补偿的重要依据, 其主要影响因素包括烘烤时间、待用时间和钢包包龄等。为实现对不同热状态钢包中钢水的合理温度补偿, 笔者在已有研究基础上, 以Q炼钢厂钢包为研究对象, 开发出一种基于钢包跟踪的钢水温度在线补偿系统, 通过对钢包实时跟踪获取影响钢包热状态的变量条件, 准确计算出钢包热状态等级, 然后根据待用钢包的热状态进行钢水温度在线补偿。系统于2012年投入应用后, 为合理确定转炉出钢温度和降低炼钢能源消耗提供了重要参考。
1 钢包跟踪
目前, Q炼钢厂有210 t转炉 (BOF) 2座, 板坯连铸机 (CC) 2台, 铸坯断面为 (900~1 600) mm×230 mm, 1座双工位LF精炼炉, 2座CAS精炼炉, 2座双工位RH精炼炉。炼钢厂平面布局如图1所示。
1—铁水包倒包区;2—炼钢平台;3—废钢存放区;4~6—钢包烘烤区;7—中间包存放区;8—中间包烘烤区;9—连铸平台。
炼钢连铸生产中, 钢包周转一次需经过转炉炼钢、精炼、连铸、倒渣和热修等过程, 钢包具体的位置移动由台车和天车配合完成。对钢包的实时跟踪主要通过钢包跟踪技术获得定位数据, 再结合钢包跟踪规则来实现。
1.1 钢包跟踪技术
钢包跟踪技术主要由钢包台车跟踪、钢包天车跟踪和跟踪数据传输3部分组成。
(1) 钢包台车跟踪
系统采用激光测距方式实时监测钢包台车的位置变化。将激光测距仪通过专用安装支架固定在地面上, 使其与安装在钢包台车上部的反光板处于同一水平高度, 从反光板反射回的激光被测距仪接收, 因为钢包台车沿轨道运输钢包 (横坐标不变) , 所以可通过分析反光板与激光测距仪的距离变化, 进而确定钢包的位置坐标。钢包台车的位置信号由激光测距仪产生, 并传送给对应的台车控制PLC, 经过数据处理修正后存入相应的PLC台车位置寄存器中, 同时通过与激光测距仪一并安装在固定支架上的数传电台将位置信息传送给数据采集计算机。
(2) 钢包天车跟踪
为了跟踪钢包在天车上的运行轨迹, 必须确定天车和天车小滑车的具体位置。根据天车定位精度的要求, 沿天车轨道按一定间隔 (如500 mm) 放置位置信息盒。所有位置信息盒都存储有不同的地址编码, 当天车途经或到达位置信息盒时, 车载位置传感器读出该位置信息盒里的地址编码, 并传输到数据采集器。同样, 每台天车的小滑车轨道上安装一台位置传感器, 在小滑车的滑道上安装一排位置信息盒, 当小滑车运行时, 小滑车上的位置传感器读取到位置信息盒里的地址编码, 传输到数据采集器, 得到小滑车当前的地址编码。数据采集器将得到的天车及小滑车的地址编码实时记录, 从而获得天车及小滑车的横、纵坐标位置编码, 并与天车称量的钢包质量数据一起通过车载数传电台汇集到数据采集计算机。
(3) 跟踪数据传输
钢包跟踪数据 (包括台车和天车的横、纵位置坐标及称重信息等) 的信号传输过程如图2所示。
为便于钢包管理, 将数据接收单元和数据采集计算机都置于钢包准备控制室, 用于及时处理钢包信息。为避免炼钢厂内各种信号传输过程中的相互干扰, 天车和台车都按照预先设定的频率传输信号, 信号传输格式为:开始和结束符、台车纵坐标、天车横纵坐标、称重数据等;信号传输频率为:台车为230~240 Hz, 天车为780~790 Hz, 每秒重复传输次数大于5次。
1.2 钢包跟踪规则
为实现钢包的连续跟踪, 保证钢包包号的自动识别, 开发出钢包跟踪规则模型, 通过模型对特定钢包在周转过程中的吊起、落下、到达和离开工序等事件进行判断, 实现钢包周转的全程实时跟踪。其中第1次上线使用的钢包由钢包管理人员对包号和包龄进行初始化操作, 周转过程中特定钢包的包龄通过钢包跟踪逐次累加得到。规则模型主要包括以下几类 (以钢包到达BOF5冶炼为例说明) :
(1) 钢包吊起规则
IF钢包台车当前处于区域B范围
AND钢包I位于台车上
AND天车J位于区域B范围
AND天车J称重数据增大
THEN钢包I被天车J吊起
(2) 钢包落下规则
IF天车J位于区域B范围
AND钢包I处于天车J上
AND天车J称重数据减小
AND钢包台车当前处于区域B范围
THEN钢包I被天车J落下
(3) 钢包到达冶炼工序规则
IF钢包I当前处于BOF5区域A范围
AND钢包I上一时刻不在BOF5区域A范围
AND钢包I位于BOF5台车上
THEN钢包到达BOF5工位
(4) 钢包离开冶炼工序规则
IF钢包I当前不在BOF5区域A范围
AND钢包I上一时刻处于BOF5区域A范围
AND钢包I位于BOF5台车上
THEN钢包离开BOF5工位
钢包跟踪规则模型对接收到的台车和天车位置信号、钢包称重信息进行分析推理, 判断钢包周转的各种运行状态并记录钢包经历转炉、精炼、连铸和热修等工序的开始和结束时刻的关键时间节点, 实现对炼钢厂内钢包周转过程的实时跟踪, 进而以钢包周转过程的关键时间节点作为钢包热状态的表征, 准确掌握钢包包龄、待用时间、离线烘烤时间等影响热状态[10]的变量因素, 结合天车称重和连铸下渣检测得到的冷钢量信息, 实现对不同热状态钢包的判定, 从而精确计算出待用钢包的钢水温度补偿值。
2 钢水温度补偿
已有研究表明, 钢包初始热状态对钢水热损失有重要影响[11]。本课题组对钢包热状态做了大量研究工作, 通过钢包热循环过程传热模型[10], 分析新钢包预热烘烤时间、钢包侵蚀 (主要与包龄有关) 、待用时间 (从连铸浇铸结束到在线烘烤开始前的时间) 和离线烘烤时间 (钢包下线烘烤保温的时间) 等因素[8,9,10,11,12]对钢包热状态及钢水温度的影响, 并定义钢包热状态由以上因素组成。在此基础上对Q炼钢厂钢包进行研究, 具体过程如下。
(1) 利用红外测温装置测得钢包包衬温度后, 通过数值模拟方法建立钢包热循环过程传热模型, 用于分析钢包包龄、新包预热烘烤等因素对钢水温度的影响规律, 计算钢包周转过程中热状态变化造成的钢水温降, 并将影响钢包热状态的各变量对应的温降存成表格, 为后续的温降补偿做准备, 其中包龄和新包预热烘烤时间对应的钢水温度补偿如表1所示, 待用时间和离线烘烤时间对应的钢水温度补偿如表2所示。
℃
℃
以上影响钢包热状态的包龄、预热烘烤时间、待用时间和离线烘烤时间的钢水温度补偿值是由传热模型计算得出的, 而冷钢量作为钢包中钢水温度补偿需要考虑的另一个重要因素, 其温度补偿值根据传热公式计算得到, 具体补偿温度如表3所示。
(2) 根据模拟和计算的结果, 对处于不同热状态的钢包进行分类, 并对钢包热状态进行分级和编码。
新钢包预热烘烤状况在实际生产中根据上线前的预热烘烤时间T1判定, 编码为A~G, 每隔2 h划分一个等级, A代表T1≥20 h的钢包, B代表18 h≤T1<20 h的钢包, 以此类推, G代表8 h≤T1<10 h的钢包;包龄状况直接用数字编码, 如01, 02, …, 123, 表示包龄为1, 2, …, 123次;待用时间由连铸浇铸结束至烘烤开始时间T2判定, 现场要求钢包待用时间不得超过3 h, 由此将0~3 h内的钢包编码为A~E, A代表T2≤1 h的钢包, 以后每隔0.5 h划分一个等级, E代表2.5 h
综上, “新钢包预热烘烤时间 (A~G) +包龄 (01~123) +待用时间 (A~E) +冷钢量 (1~6) +离线烘烤时间 (A~H) ”就构成了钢包热状态分级编码, 如编号B11A1A表示新钢包预热烘烤时间为18~20 h、包龄为11次、待用时间小于1 h、冷钢量小于0.5 t、离线烘烤时间小于1 h。
(3) 根据钢包热状态的分级编码, 将步骤 (1) 中由传热模型计算出的各影响因素的钢水补偿温度查表求和, 从而制定针对不同热状态钢包的钢水温度补偿制度。钢水温度补偿公式如下:
式中, tz为总补偿温度;tx为新包预热烘烤时间等级补偿温度;tb为包龄等级补偿温度;td为待用时间等级补偿温度;tlg为冷钢量等级补偿温度;tlx为离线烘烤时间等级补偿温度。例如, 热状态为B11A1A的钢包, 温度补偿值为5℃;而热状态为F02A1B的钢包, 温度补偿值为10℃。
最后, 将待用钢包所需要的钢水温度补偿值和钢包分级编码及时传递给转炉工序, 为计算和确定最终的转炉出钢温度提供参考。
笔者建立的基于钢包跟踪的钢水温度在线补偿系统, 就是将钢包跟踪和钢水温度补偿有机结合, 准确根据待用钢包的热状态等级进行钢水温度在线补偿。
3 系统实现与应用
笔者选择面向对象的C#语言作为开发工具, 后台选用.NET数据库管理系统, 采用基于多周期的服务器/客户端运行模式, 实现基于钢包跟踪的钢水温度在线补偿系统。系统于2012年11月在Q炼钢厂正式投入使用, 运行程序自动统计后台数据库中钢包热状态影响因素的变化情况, 根据掌握的钢包热状态确定相应的钢水补偿温度。转炉工序的钢水温度补偿画面如图3所示。
通过对系统应用前后炼钢厂生产数据统计, 得出典型钢种SPHC, Q235和S30Y的转炉出钢温度结果, 如表4所示。可以看出, 系统应用后, 自动根据待用钢包的热状态情况进行钢水温度补偿, 有效降低了转炉出钢温度。3个典型钢种SPHC, Q235, S30Y的最高出钢温度分别降低7℃, 6℃和7℃;最低出钢温度分别降低6℃, 5℃和4℃;平均出钢温度分别降低5℃, 6℃和3℃。
4 结论
目前, 基于钢包跟踪的钢水温度补偿系统在Q炼钢厂应用良好, 实现了钢包的准确跟踪, 为炼钢厂生产调度提供了重要的钢包数据保证, 提高了生产计划的执行率;同时, 系统根据钢包热状态在线进行钢水温度补偿, 使转炉出钢温度平均降低3~6℃, 有效节约了炼钢能耗。随着系统的不断优化, 钢水温度补偿更趋合理, 炼钢能源得到了有效利用。系统的实现不仅拓宽了钢包管理的范畴, 而且优化了钢铁企业的生产流程, 特别在钢铁生产的节能降耗方面有很高推广价值。
参考文献
[1]殷瑞钰.冶金流程工程学[M].北京:冶金工业出版社, 2004.
[2]刘青, 赵平, 吴晓东, 等.钢包的运行控制[J].北京科技大学学报, 2005, 27 (2) :235-239.
[3]黄邦福, 田乃媛, 李广双.钢包管理系统的设计与实现[J].冶金自动化, 2011, 35 (1) :41-44, 68.
[4]Keshari K K, Mukhopadhyay B, Das P C, et al.Superheat control with efficient ladle management[C]//14th IAS Steelmaking Conference.San Nicolas:[s.n.], 2003:395-400.
[5]洪军, 李小虎, 李艳爽.高效连铸钢包的周转管理模式[J].钢铁研究, 2001, 120 (3) :22-26.
[6]王秀英, 刘炜, 郑秉霖, 等.钢包调度仿真软件包的设计与实现[J].系统仿真学报, 2007, 19 (13) :2 913-2 916.
[7]Sistilli ER, Erny EL.Computerized steel ladle tracking[C]//The ISS 76th Steelmaking Conference.Dallas:[s.n.], 1993:63-66.
[8]吴鹏飞, 贺东风, 汪红兵.新钢包热状态对钢水温度的影响[J].钢铁研究学报, 2011, 23 (8) :27-30.
[9]吴鹏飞, 徐安军, 贺东风.预热烘烤对钢包热行为的影响研究[J].炼钢, 2011, 23 (8) :45-49.
[10]袁飞.迁钢钢包周转温度和对钢水温降影响规律的模拟研究[D].北京:北京科技大学, 2013.
[11]Samuelsson P, Sohlberg B.ODE-based modeling and calibration of temperatures in steelmaking ladles[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2010, 18 (2) :474-479.
[12]贺东风, 徐安军, 吴鹏飞.炼钢厂钢包热状态跟踪模型[J].北京科技大学学报, 2011, 33 (1) :110-115.
跟踪补偿 篇2
关键词：配电网,消弧装置,自动补偿,研究
(一) 引言
随着电网的发展和城市电缆电路的增多, 配电网电容电流越来越大, 当电容电流大于一定数值时, 如果发生单相接地就不能可靠熄弧, 要么发展为稳定的金属性接地, 要么发展为相间短路, 还容易激发铁磁谐振过电压, 产生弧光接地过电压, 对电网中的电气设备造成危害。因此当单相接地故障电容电流过大, 又需在接地故障条件下运行时, 应采用消弧线圈接地方式。但是, 传统的消弧线圈调谐麻烦, 需要事先对电网的电容电流进行计算和测量, 然后再调整消弧线圈的抽头, 而调整抽头需停电, 跟不上运行方式变化的需要;而且, 传统的消弧线圈残流不易控制, 由于电网电容不但随着网络结构而变, 而配电网网络结构变化频繁, 因而计算和测量往往难以算准测准, 这也就给调整消弧线圈的抽头带来困难, 使补偿后的残流不易控制。若是6kV或10kV电网无中性点引出, 消弧线圈安装也不便。
因此, 传统的消弧线圈在使用上带有很大的局限性, 很难适应现代电网的需要。自动跟踪补偿消弧装置能对电网电容电流进行自动测量, 自动调整补偿电流, 能对电网的运行方式进行自动跟踪, 使补偿后的残流始终控制在最佳状态。
(二) 中性点接地方式对配电系统过电压的影响
目前6~66 kV配电系统中性点主要有三种接地方式, 即中性点不接地、中性点经小电阻接地和中性点经消弧线圈接地。这几种方式各有利弊。
1. 中性点不接地方式。
中性点不接地方式与早期的直接接地相比, 其优点是供电可靠性高, 断路器跳闸次数少, 运行维护工作少, 对通信线路不产生干扰。其缺点是线路单相接地时, 电弧不易熄灭, 易形成弧光接地过电压。此外, 在单相接地或操作时可能引起电压互感器的铁磁谐振过电压。
2. 中性点经小电阻接地方式。
中性点经小电阻接地的突出优点是限制了过电压幅值, 使过电压幅值在2.5Uph以下;能快速切除单相接地故障, 减轻对配电线路和变电站6~10 kV配电装置的绝缘的危害, 限制了单相故障向二相和三相短路发展。但是, 其缺点是单相接地跳闸的几率大大增加, 降低供电可靠性, 增加了断路器的维护工作量, 降低了断路器的使用寿命。中性点经小电阻接地方式需要增加接地变压器及大容量电阻设备。小电阻接地恶化了配电网的电磁环境, 可能对通信构成干扰。
3. 中性点经消弧线圈接地。
中性点经消弧线圈接地, 保留了中性点不接地方式的全部优点, 由于消弧线圈的存在, 补偿了接地电容电流, 同时降低了电弧自熄后故障点恢复电压的速度, 故障点电弧容易熄灭。经消弧线圈接地系统的过电压幅值一般不超过2.5Uph, 从而限制了弧光接地过电压。此外, 经消弧线圈接地还可以消除因单相接地而引发的电压互感器铁磁谐振。采用消弧线圈接地方式存在的问题是6~10kV系统是三角形接线, 无中性点引出, 不能直接安装电容电流补偿设备。因此需要设置接地变压器和消弧线圈, 投资较大。
(三) 自动跟踪补偿消弧装置在配电系统的应用
6~10 kV系统单相接地电容电流未超过10 A时 (电缆线路构成的系统未超过30A时) , 一般采用中性点不接地方式。6~10kV系统中性点不接地的变电站, 如实测单相接地电容电流不超过15A, 可不进行改造。但是, 为防止单相接地引起电压互感器铁磁谐振, 在6~10kV电压互感器开口三角侧要接自动消谐装置。根据过电压规程规定, 35~66kV系统单相接地电容电流大于10 A时, 应加装消弧线圈。对于实测6~10kV系统, 应考虑装设具有自动跟踪功能的消弧线圈装置, 使系统单相接地时, 通过故障点的残流最小, 作为防止6~10kV系统弧光接地过电压的主要措施。自动跟踪消弧线圈装置有4种调节方式:
1. 利用有载分接开关自动调节消弧线圈的分接头以调节消弧线圈电感量。
这种调节方式能自动跟踪监测6~10 kV系统电容电流变化, 装置按整定残流实现闭环自动跟踪调节。图1为这种消弧线圈接线原理图。该装置主要由接地变压器TE, 带有载分接开关的消弧线圈L, 阻尼电阻箱R及自动测量、跟踪控制器等设备组合而成。
图1中接地变压器TE的一次线圈采用三相曲折星形接线, 其中性点引出作为6~10 kV系统人工中性点, 安装消弧线圈用。正序阻抗与普通配电变压器相同, 零序阻抗很小。消弧线圈L为固定铁心气隙, 线圈匝数分级由有载分接开关连接, 可电动控制调节, 通过调节消弧线圈电感实现调谐。阻尼箱由浸在油中的特种合金丝金属电阻和接触器触点组成。电阻器串接在消弧线圈接地端, 用作加大配电系统阻尼率, 降低正常调谐的中性点位移电压。电阻器在系统正常运行和瞬间接地故障时是接入的, 在系统发生单相永久性接地情况下由控制器控制, 用接触器触点将其短接。自动测量跟踪控制器是一套采用微处理器的智能控制系统。它不断检测配电系统响应电容电流变化信号与控制器中设定的残流值进行比较, 指令控制元件将消弧线圈有载分头上调或下调, 减小或加大电感电流对系统进行补偿, 使系统残流最小。这种消弧线圈装置的主要特点是固定气隙, 振动小, 噪声低;补偿电流呈正弦波形, 利于电弧熄灭;电感分级可调, 整套装置改造工艺简单, 产品质量易于得到保证。其主要缺点是调节范围较小, 不连续调节而是阶梯式调节, 调节响应时间较长;分接开关调节频繁, 增加运行检修工作量;所用设备多, 安装占用空间。
2. 以磁阀式电抗器作为消弧线圈, 接地变压器与消弧线圈一体化。
其电路原理如图2所示, 主体结构如图3所示。
装置采用五柱式铁心, 中间三柱为接地变压器三相绕组, 一次绕组三相曲折Z型连接, 星形接线, 中性点引出。两边柱为锯齿特殊小截面铁心柱, 各套2只电抗器线圈。接地变压器与电抗器按图2电路原理接线。电抗器4个对称带抽头绕组, 交叉连接后, 并联接至接地变中性点与地之间。两个晶闸管V1和V2分别接在两心柱电抗器线圈的抽头上, 续流二极管V则横跨在左右交叉绕组中间。
电网正常运行时, 接地变压器三相绕组正序电压在3个铁心柱中的对称磁通, 经上、下铁轭闭合;两边铁心柱有少量的漏磁通, 漏磁通在电抗线圈上产生的电压很低;在二极管V两端输入外加直流励磁, 控制电抗线圈交链的漏磁通变化, 改变电抗阻值大小。系统单相接地时, 系统电压的零序分量产生的零序磁通通过接地变压器中间三心柱与装有电抗线圈的两边铁心柱构成回路。由于接地变压器采用曲折Z型接线, 上、下两绕组感应的电动势大小相等, 方向相反, 将不影响接地变压器端电压;零序电压分量全部加在电抗器线圈两端。在电抗线圈上的晶闸管V1和V2加上触发脉冲, 使V1和V2轮流导通, 电抗器线圈中产生直流电流。该直流电流在两边铁心柱中产生磁通, 经上、下铁轭闭合, 改变V1和V2的触发角, 就可改变电抗器线圈中产生的直流电流的大小, 从而达到改变两边铁芯柱的磁饱和程度, 平滑地调节电抗线圈电抗值的目的。控制系统采集系统的电容电流, 经计算比较控制V1和V2的导通角, 调节电感实现自动跟踪补偿。这种自动跟踪消弧线圈的主要特点是固定气隙, 振动小, 噪声低, 调节响应时间短 (一般在0.2s内) ;可连续平滑调整, 调节范围宽;使用设备少, 一体化, 占地小;无机械动作设备, 运行维护简单, 采用自耦降压整流励磁, 无需外加直流。其缺点是运行中会产生谐波分量。
3. 在铁心中加直流偏磁的自动跟踪调节的消弧线圈。
这种调节方式固定气隙和线圈匝数, 采用裂心式铁心或五柱铁心, 在裂心柱上或五柱中2个带气隙的侧柱上绕以辅助绕组, 外加直流, 调节直流电流的大小, 以改变心柱磁阻, 实行无级调感。其工作原理与第二种自动消弧线圈基本相同, 但由于外加直流系统较为复杂, 而且会注入系统大量谐波, 严重干扰了系统的供电质量, 使用不多。
4. 自动跟踪消弧线圈是固定线圈匝数, 调节可动铁心, 改变铁心气隙大小, 实行无级调感。
这种装置因振动大, 噪声高, 机械故障多, 可靠性差, 且影响时间太长, 使用不广。上述四种自动跟踪消弧线圈各有其优点及缺点, 在改造时, 根据实测的系统电容电流以及当地的具体情况, 选择技术先进、实用的消弧线圈。
参考文献
[1]李燕.自动调谐式接地补偿装置在配电网中的应用[J].内蒙古电大学刊, 2004 (4) :45-46.
[2]张方军, 周艳群.配电系统自动跟踪补偿装置的研究[J].工矿自动化, 2006 (6) :16-19.
[3]陈其明, 姬云东, 汤雨海, 漆晓滨, 马景春.自动跟踪补偿消弧装置在配电系统的应用[J].黑龙江电力, 2006 (3) :217-219.
[4]李景禄, 刘春生, 胡毅, 吴维宁.配电网自动跟踪补偿消弧装置[J].高压电器, 1999 (5) :42-44.
跟踪补偿 篇3
差模跟踪是一种高精度的单脉冲自动跟踪体制,是利用差模电场方向图在天线轴向为零值而在偏轴角度上又有极性的特点来实现自动跟踪[1]。目前,单脉冲的差模自跟踪技术广泛应用在航空测控、航天测控等对跟踪精度要求高的测控系统中。
作为单脉冲自跟踪系统的重要技术指标,方位、俯仰之间的交叉耦合直接影响到天线的跟踪精度和灵敏度[2]。由于天线制造、安装工艺的局限,下行的宽带信号,和、差支路相差等系统误差的存在,都会引起交叉耦合。结合C波段单通道单脉冲跟踪接收机在无人机应用中出现的问题,原理上分析了系统误差的产生,从工程实现的角度提出了一种用数字的方法,在地面跟踪接收机处对系统误差进行补偿,以降低方位、俯仰的交叉耦合。
1系统组成与问题分析
差模单通道单脉冲自跟踪系统组成框图如图1所示[3],是利用TE11模为和模,TE21模为差模的双模跟踪系统;信号为无载波残留的QPSK调制;下行射频带宽600 MHz,间隔1 MHz,共600个频道。
对于单通道单脉冲自跟踪系统,和、差支路通过不同的传输路径,耦合到一起时,需要对和、差支路的相对相位延迟进行补偿。通常是采用信道射频低损耗电缆补偿的方法。这种补偿方法简单、可靠,广泛地应用在飞行器的一维自跟踪系统中。
同样,二维跟踪系统也采用射频低损耗电缆,对和、差支路的相差进行补偿。表1记录的为电缆补偿后,跟踪接收机在频道1测量的输出方位、俯仰误差电压。测试环境为天线的远场,信标推功放,标准喇叭天线输出。从表1可以看出,用电缆校相后,方位、俯仰的交叉耦合1/3左右,由经验可知,在这种情况下很难实现对目标的稳定跟踪,而跑车试验也验证了这一点。
对于二维跟踪系统,射频电缆补偿的方法仅是对和、差支路相位延迟的不一致进行补偿,并且是以下行中间频点为基准。对于宽带的下行信号,补偿方案本身也会带来不小的误差,而且随着射频频率的增大,线缆精度的工艺保证也是个难题。因此,在电缆补偿的基础上,提出了系统误差数字补偿的方法。
2原理分析
跟踪系统中有几个地方会带来交叉耦合,分别为:天线制造工艺的局限,使得天线馈源水平轴和垂直轴不完全正交;天线馈源安装工艺带来的交叉耦合,主要体现在天线的方位、俯仰轴和水平、垂直轴很难完全重合;单通道和、差支路合成之前,和、差支路的相对相位延迟,引入的交叉耦合;不同的下行频道,和、差支路相差的不一致带来的交叉耦合。
天线的方位、俯仰(A_E)轴和水平、垂直(H_V)轴的夹角,可以通过试验测量算出,具体测量过程参见实施方案部分。先不考虑2个坐标系的夹角。其他几处引入的交叉耦合,都可以归纳到系统误差里,系统误差的存在既影响信号的幅度,又影响信号的相位。对于TE11模、TE21模的差模二维跟踪天线,天线-目标空间关系示意图如图2所示[4]。
和信号、差信号分别表示为[5]:
undefined。 (1)
undefined。 (2)
式中,undefined为和路信号;undefined为误差信号;ωct为载波信号;U为和信号幅度;μ为差方向图归一化斜率;θ为目标偏离天线电轴的空间角度;φ为目标在天线平面投影与水平轴的夹角。
误差射频信号经0/π调制后与和信号耦合,再通过下变频,送给跟踪接收机。跟踪接收机完成误差解算,得到方位、俯仰误差信号表达式,分别记为:
EA=μθkAUcosφ, (3)
EE=μθkEUsinφ。 (4)
式中,kA、kE为方位、俯仰支路的传输系数。式(3)和式(4)的推导没有考虑到跟踪系统误差,而实际上跟踪系统误差是存在的。考虑跟踪系统误差的存在,则和、差信号表达式记为:
undefined
此时,跟踪接收机解算输出的方位、俯仰误差信号表达式为:
undefined
式中,ka、ke为系统误差对方位、俯仰误差信号幅度上的影响;φ1为和信道引入的相移;φ2为差信道引入的相移。式(7)和式(8)是考虑到了系统误差的影响,是对和、差支路相差采用电缆补偿后的推导结果;式(3)和式(4)是理想情况下的解算结果,是希望得到的。令Δφ=φ2-φ1,式(3)和式(4)、式(7)和式(8)之间的关系可以写为:
对式(9)取逆运算得:
式(10)中,ka、ke和Δφ的值是未知的,只需求出这些值,即可得到补偿算式:
3实施方案
设两轴之间的夹角为ε,假定逆时针为正。ε角的存在会影响到补偿算式,需要确定ε的值。ε值的大小与频道没有关系,可以通过观察天线和差网络输出的信号来进行测量,计算。ε角的测试步骤如下:
① 信标推功放,通过标准喇叭口天线输出,放置到天线的远场内,通过频谱仪测量地面天线和差网络的输出,找到天线的零深点,记下此时的方位角度、俯仰角度,即为发端相对地面天线的坐标点;
② 保持俯仰角度不变,在天线波束内将天线沿方位轴上移动一定的角度εA,记下此时的方位误差信号,因为存在夹角,此时俯仰轴上也有误差信号,记下该处俯仰误差值;
③ 保持方位角不变,微调俯仰,使得俯仰误差值最小,记下此时俯仰移动的角度εE。由三角关系,容易求得夹角ε。为了提高精度,多次测量取平均值。
由于天线安装工艺的局限,使得天线的H_V轴和A_E轴不可能完全重合,如图3所示。
通过上面的测量,求出了天线H_V轴和A_E轴的夹角ε。由坐标旋转,可以得出H_V坐标系和A_E坐标系之间的关系[6]:
式(12)已得出,下面需要确定式(11)中的未知数ka、ke和Δφ的值。
如同测量角ε一样,建立起相同的测试环境。仅在天线方位轴上移动一定的角度θ1,由于交叉耦合的存在,可以得到一组方位、俯仰的误差值,记为:
undefined
相同的操作步骤,仅在天线俯仰轴上移动相同的角度θ1,又可以得到另一组方位、俯仰的误差值,记为:
undefined
对2组数据联立方程组,便可求得ka、ke和Δφ的值,从而得到对应频道的补偿算式。为了提高精度,可以对同一频道多次测量计算,取平均值。
将式(11)和式(12)代入到地面数字跟踪接收机,对解算的误差电压做处理,就可以对消掉跟踪系统误差。
在外场,选取了几个频道做测试,通过测试得到相对应的补偿算式。通过对跟踪系统采用数字补偿后,方位、俯仰的交叉耦合大大降低,降到1/20以下。测试的结果也验证了该方法理论上的正确性。
跟踪系统误差数字补偿的方法是在传统电缆补偿和、差支路相差的基础上,对系统误差做进一步处理,从而降低方位、俯仰的交叉耦合,提高跟踪的精度。实际上也可以不经过电缆补偿,而直接对跟踪系统误差做数字补偿。方法上没有任何区别,在对系统做数字补偿的同时,也完成了对和差支路的数字校相。可以认为此时和、差支路引入的系统误差过大,但需要对天线和差网络到信道设备电缆的长度,提出一个射频相位上的技术指标,以保证线缆故障后的更换。
4结束语
系统误差数字补偿的方法是针对TE11模为和模、TE21模为差模的二维跟踪系统进行分析和测试的。但是该补偿方法并不只适合差模天线的跟踪系统,对于多喇叭天线的二维跟踪系统同样适用,只是补偿算式的表达式有所区别。补偿算式是针对单频点来分析和测试的,对于宽带的下行信号,可以间隔地选取频点做测试,能够在满足系统指标的前提下降低工作量。采用数字补偿技术的两维单通道单脉冲跟踪系统已经应用到工程中。
参考文献
[1]杨可忠,杨智友,章日荣.现代面天线新技术[M].北京:人民邮电出版社,1993.
[2]赵鸿,黎孝纯.自动校相技术在角跟踪接收机中的应用[C]∥空间电子学学术年会论文集.北京:中国电子学会,2006:509-513.
[3]袁刚,江涛.差模跟踪技术的应用[J].现代雷达,2004,26(1):49-52.
[4]李靖,李强,李硕.单脉冲跟踪接收机相位自动校正的研究[J].无线电工程,2008,38(5):55-58.
[5]赵业福,李进华.无线电跟踪测量[M].北京:国防工业出版社,2003.
跟踪补偿 篇4
包络跟踪功放(ET-PA)是一种对高峰均比信号进行功率放大有效的放大器结构[1]。但是ET-PA对信号支路和包络支路的时间差较为敏感[2]。
为设计方便起见,使用电压控制单元来构造SET-PA[3]。电压控制单元中,为功放供电的电压随着输入包络信号的变化在几个离散的值中进行变化。这种离散的电压选择器降低了包络信号的准确性和设计的复杂度。
在过去的研究中[4,5],功放模型屡次被提出。然而,由于包括了更多的电路组成部分,ET-PA的模型比传统的功放模型更加复杂。A. J. Cann等人在文献[6]中提出了一个非线性的模型。Draxler P. J.等人在文献[7]中提出了一个ET-PA的宏模型,但是数据是使用曲线拟合的方式得到。而本文将ET-PA看作一个黑盒子,我们只关心输入信号和输出信号的关系。
如果输入信号没有和包络信号产生的电压保持实时一致,供电的直流电压可能会大于或者小于所需要的电压。若大于,会降低效率;若小于,则会造成晶体管的饱和。此外,ET-PA的时域不对齐还可能导致一些严重的问题,比如邻道干扰和失真,会降低ACPR和EVM。在工程上,对时域不对齐通用的解决方法是将输入包络信号与输出反馈信号做相关。这样的时域补偿方法在文献[8]和[9]中已有研究。文献[8]和[9]使用信号的幅度做了协方差去估计信号的相位差值。在文献[8]中,使用二次逼近的方法提高了估计相关峰的准确性。文献[9]提出了两个时域校准的方法,一个是使用自动调谐控制,另一个是模型参考控制,其中使用了循环坐标的自由导数法。
本文研究了SET-PA的宏模型,与文献[7]不同的是,本文没有使用曲线拟合的方法,而是使用级联ET-PA中每个模块的方法去建模;与文献[10]不同的是,本人把ET-PA的所有器件考虑在内而不是单独使用映射关系。基于本文所研究的宏模型,分析了AM-AM曲线和AM-PM曲线的特征。在这基础上,使用在无线通信的多径效应研究中的基于MMSE的自适应时间延迟估计方法[11]使用在这里来补偿ET-PA的两个支路的时间差值。与文献[9]不同的是,在比较两个信号的差值的时候,本文避免了求导的操作,避免求导就意味着减小算法复杂度。
本文安排 如下 , 在第二节 , 提出了包 含了SET-PA和时域校准补偿单元的系统模型。第三节研究了基于MMSE的时间差补偿的算法。第四节给出了仿真结果。最后,在第五节得出结论。
1 系统模型
1.1 步进式包络跟踪功法(SET-PA)模型
按照等效低通表示,包络跟踪功放简化系统框图如图1所示。输入信号Si n( n ) 是双载波W C D M A信号,n代表采样点。输入信号通过耦合器耦合到两个支路,射频信号支路和包络支路。由于在包络跟踪的电源设备中,DC-DC电源模块的电压转换速率有着严格的要求,在包络支路,使用低通滤波器去降低带宽,以减小电源纹波[12]。包络信号驱动电压控制器产生相应的电源电压档位为功放供电。电压档位选择离散档位,降低包络信号的准确性和电压控制器的设计复杂性。电压控制器会有一个最小的电压Vmin使晶体管工作,同时会有一个最大的电压Vmax防止晶体管不致损坏。因此,电压控制器提供的电压如式(1)所示。
在式(1)中,β代表包络信号的放大倍数,Senv- fil(n)是通过图1中的低通滤波器之后的包络信号。
1.2 功放模型
在射频信号支路中,Adrian Kotelba等人在文献[8]中提出了一个非线性方程来表示晶体管的AM- AM和AM-PM的特征。如式(2)和式(3)所示。这个模型比文献[6]所提出的Cann模型更加适合ET-PA。
在式(2)和式(3)中,A和VS分别代表信号的幅度和包络电压。参数g0、g1和L均是VS的函数:g0表示PA线性区域小信号增益,g1表示PA非线性区域的(与A2相关)的增益,S是从线性区域到饱和区域的过渡区的参数,与VS无关,参数L表示饱和输出值。各参数如表1[9]所示。
1.3 黑盒子模型
由图2所示,把SET-PA视为一个黑盒子,黑盒子里面包括包络检测器、低通滤波器、电压控制器、功率放大器。这里我们忽略功放的记忆效应,式(4)表示输入输出关系
式(4)中,F代表SET-PA的全部的传输方程,从原始信号中提取的包络信号如式(5)所示,
式(5)中,运算符hilbert代表希尔伯特变换。
式(6)中,运算符filter表示低通滤波器的传输方程。
为功放供电的电压,也就是电压控制器的输出如式(7)所示,
将式(7)代入式(2)和式(3),得到整个系统的传输方程。系统的AM-AM和AM-PM特征将会在第四节讨论。
1.4 时间延迟补偿模型
按照等效低通表示,时间延迟补偿模型简化系统框图如图3所示,假设包络支路中,包络信号的时延为TENV,TENV表示了包含包络检测器、低通滤波器、电压控制器的总时延。TRF表示射频信号支路的时间延迟。在射频信号支路中,可调时延滤波器对射频信号的延时为ΔT。如图4(a)和图4(b)所示,功放可以看作一个准无记忆系统,使用与PA级联的线性滤波器来引入记忆效应。
线性滤波器的传输函数如式(8)所示,
其中,
2 时间误差补偿
为补偿时间差补偿,需要估计出TRF和TENV的差值。首先,计算输入信号Sin(n)和输出信号Sout(n)的幅值协方差
式(9)中,E是求期望算子, 和分别代表输入信号Sin和输出信号Sout的平均值。τ是协方差函数的时间偏移,τmax是相关峰对应的时间偏移。由文献[2]可知,τmax=TFB+(TRF+TENV)/2。为了估计ΔT,需要比较输出反馈信号的相位φout(n-TFB)和输入信号的相位φin(n-TREF)。相位误差信号定义为
式(10)中,e(n)与TFB无关[2]。不失一般性,假设TFB为0。所以相位误差信号为
定义位信号的时间差估计值。使用时间的均方误差作为代价函数,如式(12)所示,
式(12)中2K+1是用来计算的长度。所以,最小的J(n)就代表了最小的e(n)。
根据卷积定理,延时信号φin[n-(TRF+TENV)/2]可以被表示为
式(13)中,求和的无穷上下限可以替换为M,M这个数足够大,以减小截断误差。将式(12)代入式(10),得到
定义一个误差矢量如式(15)所示
式(15)中E(n)和Y(n)是(2K+1)×1的列向量,H [ ( TRF+ TENV) / 2 ] 是 ( 2 M + 1 ) ×1的列向量 , x (n) 是(2K+1)×(2M+1)的矩阵,定义为
(参见下页) (16)
代价函数J(n)对求微分可以得到误差的梯度
(参见下页) (17)
式(17)中,μ是控制自适应过程的收敛因子。把式(14)代入式(16),考虑到微分项,得到
矩阵F(D(n))定义为
式(19)中
最后,计算式(21)的迭代过程
相位误差信号为
经过数次的循环迭代,最终收敛为相位误差信号e(n)达到最小。由于低通滤波器固定,TENV是一个固定的时延,所以,令时延误差最终得到补偿。
3 仿真和讨论
3.1 黑盒子模型特征的分析
使用表1中的参数,按照图4(a)对黑盒子进行无记忆功放仿真,分别得到无记忆功放的AM-AM和AM-PM曲线。通过调节电压的档数,得到了新的AM-AM和AM-PM特性。如图5(a)和图5(b)所示
在图5(a)中,AM-AM特性曲线展示出了一个反向弯曲,这是由于当输入与信号较弱的时候,晶体管尚未完全导通。图5(a)和图5(b)中的弥散效应是包络支路的低通滤波器所带来的记忆效应产生的结果。通过对图5(a)中的正常特性曲线和去低电压特性曲线作比较,反向的弯曲逐渐消除,弥散效应逐渐减弱,通过观察图5(a)中正常特性曲线和去高电压特性曲线,蓝线正向的弯曲表示晶体管接近饱和,而且弥散效应出现在饱和区。这表示,低通滤波器带来的记忆效应对电压档位的选取较为敏感。在图5(b)中,AM-PM特性曲线同样展示出弥散效应的减轻,以及向上的弯曲,这说明输入信号较大时,会引起相移。
图5(c)和图5(d)给出了记忆功放的仿真结果,可以看出记忆效应更加严重。
3.2 时间误差补偿仿真结果
通过仿真,可以得到本文的时间误差误差方法的结果,以双载波WCDMA信号的输出ACPR和EVM来衡量。通过计算输出信号在5MHz<f<10MHz的功率和0MHz<f<5MHz的功率比值,得到ACPR。计算误差矢量的均方差和信号向量最大幅值的比值得到EVM。
图6是输入和输出信号的功率谱密度,可以看到通过时间误差补偿,ACPR提高了6~7d B。选取迭代参数K=5,M=10,μ=0.003。计算EVM的过程中,每次迭代选取100个采样点,连续迭代的EVM结果由图7所示。20次迭代之后,MMSE方法和直接求相关的方法,EVM分别为8.8%和11.3% 。当最终收敛的时候,EVM近似为5%,这是一个在ET-PA中可以接受的数值。比较显示MMSE方法有着更快的收敛速度,这是因为传统的协方差方法需要同时计算信号支路和包络支路的协方差。
4 结论
本文研究了SET-PA的宏模型,数值分析结果表明包络支路的低通滤波器可以引发无记忆功放的记忆效应。通过比较不同的电压档位,可以看到这种记忆效应对电压档位的改变较为敏感。此外,本文利用基于MMSE自适应时延估计方法对ET-PA的时域不对齐进行了校准。通过比较协方差方法和本文的MMSE方法,仿真结果显示MMSE方法有更快的收敛速度,更好的ACPR表现,更低的EVM,证明这在ET-PA应用中是一种合适的方法。
摘要：文章对步进式包络跟踪功率放大器(SET-PA)的宏模型进行了建立分析。基于SET-PA的特殊特点,对时间误差补偿进行了研究。使用一种基于最小均方误差(MMSE)的自适应时延估计的方法估计包络跟踪功率放大器(ET-PA)中两路之间的时间差值。数据结果显示,SET-PA的电压档数对包络支路的低通滤波器对功放带来的记忆效应的影响较为敏感。仿真结果显示,使用最小均方误差的方法去补偿ET-PA的时间差,可以使ACPR提高6-7d B,而且带来更快的收敛速度和更低的EVM。
跟踪补偿 篇5
线路事故中绝大多数是单相接地, 其中瞬间故障占很大比例。只要能将故障点的瞬时性电弧熄灭, 即可消除事故, 中性点加入消弧线圈就是这个目的。消弧线圈是一个具有铁芯 (带有间隙) 的可调电感线圈, 接于变压器中性点与大地之间。其主要作用:1) 当系统发生单相接地时, 可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流, 大大减小故障点接地电流, 从而使故障处的残余电流变得很小或接近于零, 以促使电弧自动熄灭;2) 在电弧熄灭瞬间, 消弧线圈还可减缓故障相电压的恢复速度, 从而减小电弧重燃的可能性。
2. 消弧线圈补偿方式
当消弧线圈正确调谐时, 不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率, 还可以有效的抑制过电压的辐值, 同时也最大限度的减小了故障点热破坏作用及接地网的电压等。所谓正确调谐, 即电感电流接地或等于电容电流, 工程上用脱谐度V来描述调谐程度:
式中:Ic——对地电容电流, A;
IL——消弧线圈电感电流, A。
(1) 当V>0时为欠补偿, 补偿后电感电流小于电容电流, 电网以欠补偿的方式运行。
(2) 当V<0时为过补偿, 补偿后电感电流大于电容电流, 电网以过补偿的方式运行。
(3) 当V=0时为全补偿, 补偿后电感电流等于电容电流, 电网以全补偿的方式运行。
DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定:消弧线圈接地系统, 在正常运行情况下, 中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的1 5%, 消弧线圈宜采用过补偿运行方式。从理论上讲, 全补偿是最佳补偿, 但实际上并不采用这种补偿方式, 因为在正常运行时, 由于系统三相对地电容并不能完全相等, 或者断路器 (包括刀闸) 操作时, 三相触头不能同时闭合等原因, 致使在未发生接地的情况下, 中性点对地之间出现一定的不对称电压, 此电压将引起电力系统串联谐振过电压, 危及电网的绝缘。而欠补偿的方式一般也很少采用, 因为在欠补偿状态下运行, 若切除部分线路, 或者线路一相断线时, 均可使系统中性点对地之间出现不对称电压, 接近或者达到全补偿, 以致出现串联谐振过电压。
运行经验表明, 脱谐度不大于5%, 就能很好地灭弧、维持较理想的残余电流和恢复电压的上升速度。
3. 直流偏磁式消弧自动跟踪补偿装置
3.1 直流偏磁式消弧线圈原理
传统的消弧线圈由于结构的限制, 只能运行在过补偿状态, 脱谐度整定的比较大, 对弧光过电压无抑制效果, 运行中的消弧线圈需要手动调节分接头, 不能随电网对地电容电流的变化及时将分接头调整到最佳的工作位置, 影响了功能的发挥。因此, 消弧线圈必须实现自动化, 即采用消弧线圈自动跟踪调谐装置, 通过欠补、全补和过补的运行方式, 跟随电容电流变化, 能够自动、快速的调整电感值, 使电网的脱谐度处于规定范围之内, 最终可靠熄弧。
目前, 采用动态跟踪补偿的直流偏磁式自动调谐消弧线圈成套装置, 在技术上属国内领先水平。其基本工作原理是在交流工作线圈内布置一个铁心磁化段, 通过改变铁心磁化段磁路上的直流励磁磁通大小来调节交流等值磁导, 实现电感连续可调, 它可以带高压以电的速度调节电感值。该装置采用动态自动跟踪补偿原理和偏磁附加铁心磁化段的特殊构造, 整个装置为全静态结构, 内部无任何运动部件和触点, 并在正常运行时不施加励磁电流, 让消弧线圈远离谐振点, 避免谐振的产生。
偏磁式消弧线圈装置由三部分组成:接地变压器, 电控消弧线圈, 微机控制器。接地变压器提供了人为的中性点, 方便接入消弧线圈。电控消弧线圈在电网正常运行时, 不施加励磁电流, 将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态, 但实时检测电网电容电流的大小, 当电网发生单相接地后, 瞬间调节消弧线圈实施全补偿。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现, 实时传送电容电流、电感电流、装置自检信息、残流和中性点电压等相关参数。
3.2 直流偏磁式消弧线圈动态补偿
偏磁式消弧线圈实施动态消弧补偿的过程是:在电网正常运行状态下, 跟踪检测电网电容电流, 消弧线圈的控制电流维持一很小值或为0, 消弧线圈远离谐振点。电网发生单相接地后, 快速施加励磁, 调谐消弧线圈实现全补偿。接地消除后, 回到跟踪检测状态。偏磁式消弧线圈不是采取限制串联谐振过电压的方法, 而是采用避开谐振点的动态补偿方法, 根本不让串联谐振出现, 即在电网正常运行时, 不施加励磁电流, 将消弧线圈调谐到远离谐振点的状态, 但实时检测电网电容电流的大小, 当电网发生单相接地后, 瞬间调节消弧线圈实施最佳补偿。
3.3 直流偏磁式消弧线圈技术特点
1) 性能可靠
消弧细圈在其额定电流范围内, 可以通过微机控制可控硅调节电感电流, 实现对电网单相对地电容电流自动跟踪动态补偿。调感线性好, 性能可靠, 调节精度高。消弧线圈采用三相五柱式结构, 无机械传动部分, 故反应速度快, 维护量小。
2) 接口方便
该装置具有电网接地电容电流显示、补偿脱谐度显示、电网零序电压值显示、自动跟踪动态补偿状态指示等功能, 同时还具有通信功能, 便于今后变电站自动化系统的连接。
4. 消弧线圈的容量选择
消弧线圈容量应主要根据系统单相接地故障时电容电流的大小来确定, 并应留一定裕度, 以适应系统今后的发展和满足设备裕度的要求等。
(1) 间接测量系统单相接地电流Ic。
(2) 计算消弧线圈容量:
式中Q为消弧线圈的容量, KVA;Un为系统标称电压, KV;Ic为对地电容电流, A。
5. 接地变压器容量选择
接地变压器的容量应与消弧线圈相配合, 当接地变压器只带消弧线圈而不带二次负荷时, 其容量即等于消弧线圈容量;当接地变压器带二次负荷时, 其一次侧容量等于消弧线圈容量加上二次侧负荷容量。
6. 结束语
目前, 偏磁式消弧线圈自动跟踪补偿装置是比较先进的动态补偿装置, 使用情况比较令人满意。由于系统情况各不相同, 其功能还在不断的完善之中, 但其取代以往固定式补偿装置已成必然趋势。
摘要：从消弧线圈的作用、偏磁式消弧线圈的结构、原理与技术特点、容量选择等方面进行了说明。
关键词：消弧线圈,偏磁式,自动跟踪补偿
参考文献
[1]曹梅月, 要焕年.电力系统谐振接地[M].北京:中国电力出版社.2000
[2]DL/T620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合
跟踪补偿 篇6
随着科学技术的不断发展和工业技术的不断提高,工业测量的内容和手段也发生了很大的变化[1]。上世纪初开始,工业发达国家对大尺寸测量的需求越来越多,大尺寸空间坐标测量技术的重要性日益凸显[2,3,4]。激光跟踪测量系统(Laser Tracker System)是工业测量系统中最典型的一种产品[5],它集激光测距技术、精密制造技术、计算机及控制技术、数值计算理论于一体[6],通过测角、测长及相应的计算方法求解出被测物体的空间坐标、几何尺寸和形位误差,具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点,被誉为“便携式坐标测量机(CMM)”[7,8,9]。
激光跟踪仪的测距系统由激光干涉仪(IFM)和激光绝对测距仪(ADM)两部分组成。当激光干涉仪断光时,激光绝对测距仪为激光跟踪仪提供新的起始距离,使干涉仪重新开始测距计数,因此激光跟踪仪测距精度同时取决于IFM和ADM测距精度。而现阶段IFM测距精度远高于ADM测距精度,因此ADM测量精度成为制约激光跟踪仪测距精度的主要因素,提高ADM测距精度对提高激光跟踪仪测量精度是非常重要的。
本文使用API的T3激光跟踪仪ADM测距校准数据,采用三次样条函数对其进行全程ADM测距误差修正,并与直线误差修正方法进行对比,目的是为自行研制激光跟踪仪寻求有效的测距误差补偿算法。
1 激光跟踪仪测距原理
激光跟踪测量系统为极坐标测量系统,由激光测距系统和经纬仪测角系统组成。激光测距系统获得目标到仪器的距离r,经纬仪测出目标方位角A和俯仰角E,通过极坐标与直角坐标转换关系式(1)获得目标的空间直角坐标。
激光跟踪仪的测角精度主要由经纬仪系统保证,即码盘的测量精度保证。激光测距系统由激光干涉仪IFM和激光绝对测距仪ADM两部分组成,当激光干涉仪断光时,由激光绝对测距仪为干涉仪提供新的基准距离,使干涉仪重新开始测距计数,而无需重新回到仪器基点位置。
自主研制的激光干涉测距精度为50m,激光绝对测距精度为3m,由此可见干涉测距的精度远高于绝对测距,因此提高激光绝对测距精度对提高激光跟踪仪测距精度是非常重要的,本文采用IFM测距作为标准对ADM测距进行补偿,从而提高ADM测距精度。
2 三次分段样条拟合
分段样条拟合是柔软有弹性的曲线段通过所有的数据点后形成的拟合曲线,并让端点的斜率自由的在某一位置保持平衡,使得曲线的摇摆最小。它对有多位有效数字精度的测试数据的拟合很有效[10]。
从数学角度分析,在每个区间[xk,xk+1]可构造一个三次函数Sk(x),使得分段曲线y=S(x)和它的一阶导数、二阶导数在更大的区间[x0,xn]内连续。一阶导数连续意味着曲线y=S(x)没有急弯,二阶导数连续意味着每点的曲率半径有定义。本文使用三次样条插值三弯矩法算法,步骤如下:
1)对i=,1,2,3,…,,n,hi-1=xi-xi-1,f[xi-1,xi]=[fi(x)-fi-1(x)]/hi-1;
2)对i=2,13,…,,n-1,依下列式子计算i,i,di,其中
3)S(″x)在xi处连续,即S″(xi-)=S″(xi(10)),得到n-1个方程:
4)计算补充方程中的系数,这里选择自然边界条件S″(x0)(28)S″(xn)=0,即M0=,0Mn=0。待解线性方程组为:
记为RM(28)D,求解M1,M2,…,Mn-1。
3 实验
本文采用激光跟踪仪自身的IFM作为测距标准,获取ADM原始误差数据,为了验证三次样条拟合与直线拟合的优劣,我们在非等间距分布35 m测量范围内,与激光跟踪仪等高的位置上分布了34个测量点,如图1所示。抽取20个测量点作为拟合数据值,如表1所示。剩余的14个测量点作为验证点,如表2所示。
所有数据的原始误差如图2所示,误差波动范围在[0.86mm,0.95 mm]之间,波动范围小,但是误差分布有规律,先下降后上升,因此适合于用曲线拟合消除误差。
本文采用三次样条对测量数据进行拟合,以求得到更精确的误差数据图。图3为利用三次样条函数拟合测量点误差的情景。
mm
mm
在API仪器现场校准中多采用最小二乘直线拟合,图4为最小二乘拟合直线,直线斜率为2.42674e-007,截距为0.894 004 mm。
为比较拟合方法的优劣,图5中列出了两种拟合方法的曲线,可见样条拟合在拟合点处比直线拟合能更好的契合拟合点。
验证点的剩余误差值列于表3,验证点误差曲线如图6所示,可见三次样条函数修正后的剩余误差值更小,分布呈随机误差,说明三次样条函数可以更好的契合误差曲线,改善验证误差均方差,而且曲线通过拟合点,可在测量范围内更好的消除ADM误差。
4 结论
本文采用三次样条函数对激光跟踪仪进行全程ADM测距误差修正,并与直线误差修正方法进行对比,结果显示三次样条函数拟合残差的均方根为0.007 mm,优于最小二乘直线拟合残差的均方根0.029 mm,可以更好的契合误差曲线,因此三次样条函数测距误差修正可提高激光绝对测距测量精度,从而提高激光跟踪仪整体测量精度。本文的研究可为自行研制激光跟踪仪提供测距误差修正参考,同时对类似测量系统的误差修正有一定的参考价值。
参考文献
[1]张滋黎,邾继贵,周虎,等.一种新型自动激光经纬仪引导跟踪方法[J].光电工程,2010,37(4):1-7.ZHANG Zi-li,ZHU Ji-gui,ZHOU Hu,et al.Guidance Tracking Method of a New Automatic Laser Theodolite System[J].Opto-Electronic Engineering,2010,37(4):1-7.
[2]李广云.工业测量系统最新进展及应用[J].测绘工程,2001,10(2):36-40.LI Guang-yun.The state of the art and applications of the industrial measuring systems[J].Engineering of Surveying andMapping,2001,10(2):36-40.
[3]刘影,谢驰,杨府.激光跟踪仪系统测量不确定度预测方法研究[J].中国测试,2010,36(4):25-27.LIU Ying,XIE Chi,YANG Fu.Study of measurement uncertainty forecasting for laser tracking system[J].ChinaMeasurement&Test,2010,36(4):25-27.
[4]郁菁菁,李明,张靓,等.激光跟踪仪现场测量的系统不确定度研究[J].机械设计与研究,2008,24(1):81-83,92.YU Jing-jing,LI Ming,ZHANG Jing,et al.Research on system uncertainty of laser tracker under site measurement[J].Machine Design and Research,2008,24(1):81-83,92.
[5]李广云.LTD500激光跟踪测量系统原理及应用[J].测绘工程,2001,10(4):3-8.LI Guang-yun.The Principle and Application of the LTD500 Laser Tracker System[J].Engineering of Surveying andMapping,2001,10(4):3-8.
[6]刘万里,王占奎,曲兴华,等.激光跟踪测量系统跟踪转镜的误差分析[J].光学精密工程,2008,16(4):585-590.LIU Wan-li,WANG Zhan-kui,QU Xing-hua,et al.Error analysis of tracking mirror for laser tracker system[J].Optics ofPrecision Engineering,2008,16(4):585-590.
[7]张博,彭军.激光跟踪测量系统[J].计测技术,2006,26(4):5-6,41.ZHANG Bo,PENG Jun.Laser tracker system for measurement[J].Metrology&Measurement Technology,2006,26(4):5-6,41.
[8]甘霖,李晓星.激光跟踪仪现场测量精度检测[J].北京航空航天大学学报,2009,35(5):612-614.GAN Lin,LI Xiao-xing.Site measuring accuracy testing of laser tracker[J].Joumal of Beijing University of Aeronauticsand Astronautics,2009,35(5):612-614.
[9]欧阳健飞,刘万里,闫勇刚,等.激光跟踪仪坐标测量精度的研究[J].红外与激光工程,2008,37(增刊):15-18.OUYANG Jian-fei,LIU Wan-li,YAN Yong-gang,et al.Coordinate measuring accuracy of laser tracker[J].Infrared andLaser Engineering,2008,37(supp.):15-18.
跟踪补偿 篇7
我公司的高压供电系统属于小电流接地系统, 通过中性点经消弧线圈接地实现正常运转。通常情况下, 该系统出现故障为单相接地, 此时接地电流虽然较小, 系统非故障电压逐渐升高, 转换成为线电压, 若不能及时处理, 会产生两项短路的现象, 对系统带来不良影响, 使线路故障逐渐扩大。所以电网中发生单相接地故障后, 快速地断开故障线路是缩小事故范围的有效途径。
我公司6k V母线有4段, 6k V线路共计52条线路, 接入两套ACHC微机通过控制消弧线圈自动跟踪补偿装置, 若供电系统出现单相接地故障, 该装置不仅能快速补偿接地电流, 还能迅速准确选出故障线路, 供值班人员断开故障线路, 恢复电网的平静。下面对装置的构成、原理及在日常使用中的维护进行介绍。
2系统结构
微机控制消弧线圈自动跟踪补偿装置由电容调节柜、接地变压器、调容式消弧线圈、微机控制器、零序电流互感器、阻尼电阻箱等, 整体结构如图1所示。
2.1电容调节柜。电容调节柜由真空开关和电容器组成, 结合电网对于低电容电流的采样, 实现侧电容器容量的自动跟踪和二次调节, 进而实现自动补偿系统中出现的单相接地电流。
2.2接地变压器。该系统通过电源中性点接入, 于中性点上完成消弧线圈的接入。接地变压器主要是当电力系统为Y型接线或Δ型接线中性点并未引出时, 采用接地变压器形成该系统的中性点。
2.3调容式消弧线圈。与传统的消弧线圈相比, 调容式消弧线圈增设了二次电容负荷绕组, 其整体结构如图二所示。N1是主绕组, N2是二次绕组, 将真空开关控制电容器设置于二次侧并联若干组内, 实现二次侧电容容抗值的有效调节, 进而实现一次侧电感电流的改变。
2.4微机控制器。微机控制器是该装置的重要组成部分, 肩负着系统中所有计算、通讯、显示及控制任务。主要具有以下功能:自动测量电容电流, 自动进行调节控制;可显示系统电压、消弧线圈电流;具有接地次数统计及对应接地时的系统参数记录功能;可随时打印系统故障信息或查询打印。
2.5零序电流互感器。若该系统出现接地故障时, 零序电流互感器二次侧会输出零序电流。此时, 微机控制器全面采集系统各线路中零序互感器二次侧的总零序电流值, 以判断出系统中的故障线路, 并发出报警信号。
2.6阻尼电阻箱。由于该系统中的自动跟踪消弧线圈残流较小、调节精确度较高, 与谐振点运行极为接近, 可避免串联谐振过电压的产生, 加之线圈接地回路中阻尼电阻的接入, 可确保该系统的正常运行, 中性点位移电压低于15%相电压。
3系统工作原理
消弧线圈是一种可调电感线圈, 其是基于电网中性点上的。当配电网出现单相接地故障时, 消弧线圈可自主提供电感电流, 对单相接地进行补偿, 确保系统电容电流不超过规定值。在该线圈中, 增加二次电容负荷绕组, 并接入若干低压电容器, 实现二次电容器投入数量的合理控制, 这一操作主要通过控制器真空开关的通断来完成。系统通过调节消弧线圈二次容抗改变其一次侧电感电流大小, 进而实现补偿电流的自动调节。
接地选线单元集成于控制器内, 选用调节残流法作为选线方法。当系统出现单相接地故障时, 首先, 应采集和记录系统中各线路中的零序电流;其次, 将消弧线圈改变并控制为一档, 完成各零序电流的二次采集和记录;最后, 计算出消弧线圈在调档前后零序电流的变化量。由于调档前后非接地线路零序电流并无变化, 而接地线路零序电流变化总量为电感电流的调节值, 因此, 接地线路为零序电流变化量的最大者。
4现场维护
通过该装置在现场使用多年, 总结了一些日常应注意的事项, 以保证该装置选线的准确。
4.1零序电流互感器的安装方法必须严格按说明书标注的图例进行安装, 否则将直接影响选线的准确性。
4.2设备停电时避免装置突然断电。设备运行中曾经发生过因装置突然断电, 造成装置恢复时死机、起不来现象。为避免这种状况的发生, 在装置需停电检修时, 必须先断开控制器电源, 再断开装置电源, 避免程序错乱、装置死机。
4.3值班人员加强巡视, 及时发现装置运行异常状况, 及时处理, 以保证装置长期稳定运行。
摘要：本文通过介绍ACHC微机控制消弧线圈自动跟踪补偿装置的结构、原理及现场一些维护方法, 使大家对此装置的构成、性能有所了解, 也为此装置在现场更好地应用提供一些经验。
关键词：消弧线圈,单相接地,零序电流,选线
参考文献