Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Textová časť
2007 Juraj Kučera
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
A n o t a č n ý z á z n a m
Priezvisko a meno : Kučera Juraj Školský rok: 2006/2007 Názov práce: Model vodnej elektrárne – návrh riadenia Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov Počet strán:........42........Počet obrázkov:......36......Počet tabuliek:......9........... Počet grafov:…....1........Počet príloh:.............2........Použitá lit.:...........15.......... Anotácia v slovenskom (českom) jazyku: Diplomová práca sa zaoberá vyhotovením virtuálneho prístroja v prostredí LabVIEW,
na riadenie a meranie modelu vodnej elektrárne. Virtuálny merací prístroj poskytuje
meranie analógových veličín, reguláciu alternátora a trysky, zahŕňa v sebe základne
ochrany elektrickej časti modelu a umožňuje vykonávať merania a zápis meraných
veličín do súboru.
Anotácia v cudzom jazyku ( angl. resp. nemecký): The diploma thesis deals with the creation of virtual instrument in the LabVIEW
program, which is used for controlling and measurement of the hydro-electric power
plant model. Virtual instrument provides the measurement of analog values, the control
of the alternator and the jet. It also includes basic protection for electric part of the
model and it enables the measuring of requested values and their recording into the file.
Kľúčové slová: LabVIEW, virtuálny prístroj, meranie, regulácia, riadenie, DAQ hardvér, softvér Vedúci práce: Ing. Roch Marek Recenzent: Dátum odovzdania práce: 18. 5. 2006
Obsah
1 Úvod......................................................................................................................... 1
2 Výber vhodného SW nástroja - vývojové prostredie LabVIEW ............................ 2
2.1 Vytvorenie programu v LabVIEW ................................................................... 2
3 Bloková schéma modelu vodnej elektrárne.............................................................4
3.1 Model vodnej elektrárne ................................................................................... 5
3.2 Ovládacie a meracie obvody............................................................................. 6
3.2.1 Ovládací obvod čerpadla .......................................................................... 6
3.2.2 Ovládací obvod dýzy ................................................................................ 6
3.2.3 Ovládací obvod budenia ........................................................................... 6
3.2.4 Merací obvod alternátora ........................................................................10
3.2.5 Napajací obvod ....................................................................................... 11
3.3 PC.................................................................................................................... 13
3.3.1 Front panel .............................................................................................. 13
3.3.2 Blok panel ............................................................................................... 13
4 Regulácia dýzy, front panel ................................................................................... 14
4.1 Regulácia dýzy, blok panel............................................................................. 15
5 Realizácia riadenia budenia alternátor................................................................... 18
5.1 Samostatne pracujúci generátor ...................................................................... 18
5.2 Popis funkcie regulátora napätia..................................................................... 19
5.3 Regulácia budenia, front panel ....................................................................... 20
5.4 Regulácia budenia, blok panel ........................................................................ 20
6 Meranie na alternátore, front panel........................................................................ 23
6.1 Meranie na alternátore, blok panel ................................................................. 23
7 Poruchy synchrónneho generátora......................................................................... 25
7.1 Izolačné poruchy stroja................................................................................... 25
7.1.1 Zemné spojenie statora ........................................................................... 25
7.1.2 Spojenie medzi vinutiami ....................................................................... 25
7.1.3 Medzi závitové spojenie statora.............................................................. 26
7.1.4 Vonkajší skrat mimo vinutia................................................................... 26
7.1.5 Medzi závitové spojenie rotora............................................................... 26
7.1.6 Zemné spojenie rotora ............................................................................ 26
7.1.7 Ložiskové poruchy.................................................................................. 26
7.2 Nenormálne podmienky chodu stroja ............................................................. 27
7.2.1 Preťaženie ............................................................................................... 27
7.2.2 Prepätie ................................................................................................... 27
7.2.3 Samobudenie........................................................................................... 27
7.2.4 Stráta budenia ......................................................................................... 27
7.3 Realizácia softvérových ochrán ...................................................................... 27
7.4 Ochrany, front panel ....................................................................................... 28
7.5 Ochrany, blok panel........................................................................................ 29
8 Tabuľka, front panel .............................................................................................. 31
8.1 Tabuľka, blok panel ........................................................................................32
9 Zapojenie svorkového poľa karty PCI 6221 ku hardvérovým súčastiam.............. 36
9.1 Popis meracej karty PCI 6221 ........................................................................ 35
10 Záver ...................................................................................................................... 40
11 Zoznam použitej literatúry..................................................................................... 41
1 Úvod
V dnešnej dobe kvalitne vybavených školských laboratórií vznikla myšlienka
vytvoriť netradičnú didaktickú pomôcku – model vodnej elektrárne. Cieľom bolo
vytvoriť model, ktorý by čo najvernejšie napodobňoval činnosť vodnej elektrárne.
Postupnou analýzou tejto myšlienky vznikali ciele a úlohy, ktorých realizáciou by bolo
možné zabezpečiť, aby vytvorený model čo najvernejšie spĺňal svoj účel. Jednou z úloh
bolo vytvorenie monitorovacieho a riadiaceho systému modelu.
V súčasnej dobe sú elektrárne riadené pomocou riadiacich informačných
systémov založených na počítačoch. Preto vznikla požiadavka vytvoriť podobný nástroj
aj pre zhotovovaný model vodnej elektrárne. Základnou požiadavkou na riadiaci systém
bola možnosť monitorovania a riadenia činnosti modelu, ktorá by navyše umožňovala
poukázať na čo najviac oblastí spojených s prevádzkou vodnej elektrárne pracujúcej
v ostrovnej prevádzke.
Po zvážení možných vstupov a výstupov, možnostiach softvérových produktov
a ich dostupnosti bol na riadenie modelu vybraný softvér NI LabVIEW. Tento softvér je
primárne určený na meranie, riedenie a vizualizáciu dejov. Jeho výstupom je virtuálny
prístroj, ktorý je schopný spracovávať údaje z meracích kariet, zobrazovať ich
v požadovanom formáte a taktiež umožňuje riadiť iné zariadenia.
Na splnenie požiadavky na riadenie cez počítač vznikla potreba ovládať prietok
vody dopadajúcej na lopatky turbíny, potreba regulácie generátora a merania na modeli.
Vzhľadom na to, že je táto problematika komplexná a zložitá, bola rozdelená na dve
samostatné úlohy. Ja v mojej práci riešim problematiku merania, regulácie a pripojenia
modelu ku počítaču. Úloha riadenia prietoku vody pomocou krokového motorčeka bola
zadaná ako samostatná diplomová práca. No súčasne vznikla požiadavka, aby riadenie
prietoku bolo plne integrované do riadiaceho systému.
Pretože generátor modelu elektrárne má pracovať v ostrovnej prevádzke, bol
pre reguláciu jeho budenia navrhnutý a realizovaný hardvérový obvod a taktiež
naprogramovaný softvérový regulátor. Ďalšou úlohou bolo realizovať softvérové
ochrany. Ich úlohou je chrániť najmä elektrické zariadenia modelu pred preťažovaním
a možnou deštrukciou. Poslednou úlohou bolo umožniť zaznamenávať hodnoty
meraných veličín z virtuálneho prístroja a zapisovať ich do súboru, aby sa umožnilo ich
následné spracovanie.
2 Výber vhodného SW nástroja - vývojové prostredie
LabVIEW
V súčasnosti je na softvérovom trhu k dispozícii rad integrovaných grafických
vývojových prostredí, ktoré sú určené pre meranie, zber a spracovanie dát. Ako príklad
možno spomenúť vývojové prostredia Matlab, LabVIEW, LabWindows/CVI, Control
Web, HP VEE, DASYLab, TestPoint a mnohé ďalšie. Vzhľadom na zadanie bol pre
softvérovú realizáciu zvolený nástroj LabVIEW od National Instruments Corporation.
Jedná sa o vývojové prostredie založené na grafickom programovaní, ktoré slúži
na tvorbu virtuálnych prístrojov podľa požiadaviek používateľa. Konečnou formou
vývoja je vývojový diagram a panel meracieho systému. Toto vývojové prostredie
poskytuje HW podporu (DAQ karty – A/D, D/A, DIO, čítače; a zbernice – GPIB, RS-
232, ...), rad funkcií (zber dát, analýza signálu, štatistika, interpolácia, diferenciálne
rovnice, integrály, optimalizačné algoritmy, prekladanie kriviek, vyhľadávanie maxím,
FFT, filtre, generovanie priebehov, šumov, ukladanie do súboru) a grafické
používateľské prostredie (ovládače pre prístroje).
2.1 Vytvorenie programu v LabVIEW
Postup návrhu virtuálneho prístroja zväčša pozostáva zo 4 základných krokov:
a) návrh predného panelu:
• voľba vstupov a výstupov (controls/indicators);
• definícia dátových vstupov;
• umiestnenie a editácia vstupov a výstupov;
b) vytvorenie blokovej schémy:
• spojenie vstupov a výstupov s ostatnými prvkami pomocou „drôtov“ (wires);
• implementácia aritmetických a logických operácií;
• spracovanie nameraných dát;
c) overenie funkčnosti a odladenie programu;
d) návrh okna ikona/konektor.
Vychádza sa z poznatku, že jedincom, ktorý vie, čo merať, ako analyzovať a ako
prezentovať dáta, je technik, ktorý nemusí byť sám skúseným programátorom. Svoje
predstavy teda odovzdáva programátorovi obvykle v podobe blokovej schémy.
Programátor túto schému potom prevádza do syntaxe zvoleného programovacieho
jazyka, čo je činnosť pomerne zdĺhavá a náročná na presnosť a neprináša už do procesu
merania obvykle žiadne ďalšie nové informácie. Cieľom vývojového prostredia
LabVIEW je to, aby bloková schéma bola koncovým tvarom aplikácie, ktorý sa už ďalej
nebude transformovať do textovej podoby. LabVIEW obsahuje knižnice pre vytváranie
aplikácií zameraných na oblasť merania vo všetkých fázach tohto procesu – t.j. zberu,
analýzy a prezentácie nameraných dát. Podporuje všetky štyri základné spôsoby zberu
dát do počítača (z meracích prístrojov cez rozhranie RS 232 alebo GPIB, zo zásuvných
multifunkčných kariet a zo systému na báze VXI zbernice). Poskytuje používateľovi
plnohodnotný programovací jazyk so všetkými zodpovedajúcimi dátovými a
programovými štruktúrami v grafickej podobe - tzv. G jazyk (Graphical Language).
LabVIEW je teda vývojovým prostredím na úrovni napr. C jazyka, ale na rozdiel od neho
nie je orientovaný textovo, ale graficky. Výsledný produkt tohto vývojového prostredia
sa nazýva virtuálnym prístrojom (Virtual Instrument), pretože svojimi prejavmi a
činnosťou pripomína klasický prístroj vo svojej fyzickej podobe.
Virtuálny prístroj ako základná jednotka aplikácie vytvorenej v tomto vývojovom
prostredí obsahuje:
– interaktívne grafické rozhranie (Graphical User Interface - GUI) pre koncového
používateľa, tzv. čelný panel (Front Panel), ktorý simuluje čelný panel fyzického
prístroja. Obsahuje prvky na ovládanie a indikáciu (gombíky, tlačidlá, LED indikátory,
grafy ...). Tento čelný panel ovláda používateľ myšou alebo z klávesnice;
– činnosť virtuálneho prístroja je daná jeho blokovou schémou (Block Diagram). Táto
bloková schéma je vytvorená ikonami reprezentujúcimi v koncových blokoch
ovládacie a indikačné prvky čelného panelu a vo svojich uzlových blokoch sú to bloky
spracovávajúce prechádzajúce dáta. Tento blokový diagram je zdrojovou podobou
každej aplikácie;
– virtuálny prístroj má hierarchickú a modulárnu štruktúru. Možno ho používať ako celý
program alebo jeho jednotlivé podprogramy, ktoré sa nazývajú podriadenými
virtuálnymi prístrojmi (Sub-VI). Súčasťou každého virtuálneho prístroja je jeho ikona,
ktorou je prezentovaný v blokovej schéme a konektor s prípojnými miestami pre
vstupné a výstupné signály.
Týmito charakteristickými znakmi napĺňa vývojové prostredie LabVIEW podmienky
modulárneho programovania. Svoju aplikáciu delí používateľ na jednotlivé úlohy, pre
ktoré vytvára čiastkové virtuálne prístroje (subVI) a z nich potom buduje celú aplikáciu
ich spájaním do výsledného virtuálneho prístroja. Na záver možno celú aplikáciu
preložiť do EXE tvaru a spúšťať nezávisle na vývojovom prostredí. Vďaka možnosti
vyskúšať funkciu každého čiastkového virtuálneho prístroja nezávisle od iných a vďaka
ladiacim prostriedkom je ladenie aplikácie ľahké.
Celý vývojový systém (full development package) pozostáva zo základnej časti (Base
Package – základ vývojového systému bez knižnice Advanced Analysis, obsahuje však
knižnice GPIB, RS- 232, Data Acquisition, a Base Analysis), rozšírenej analyzačnej
knižnice (Advanced Analysis Library - štatistika, lineárna algebra, operácie s poľami,
generovanie signálov, spracovávanie signálov, digitálne filtre, okienkové funkcie). Dá sa
ďalej doplniť napr. o prekladač aplikácií do tvaru *.EXE (Application Builder) alebo o
ďalšie nadstavby pre rozšírenie knižníc (SQL toolkit pre podporu databáz, PID regulátor,
VXI knihovňa a pod.). Vývojové prostredie LabVIEW je k dispozícii pre viaceré
štandardne používané platformy. Na úrovni zdrojového kódu sú aplikácie medzi týmito
platformami prenositeľné. Pre operačný systém Windows prešlo vývojové prostredie
postupne verziami 2.5 až po súčasnú aktuálnu verziu 8.2. V diplomovej práci je použitá
verzia 7.1 oficiálne dostupná na KVES.
3 Bloková schéma modelu vodnej elektrárne
Konštrukčné usporiadanie systému vodnej elektrárne je na obr. 3.1. Systém sa
skladá z troch častí:
1. Model vodnej elektrárne
2. Ovládacie a meracie obvody
3. PC.
Obr. 3.1. Bloková schéma systému vodnej elektrárne
3.1 Model vodnej elektrárne
Čerpadlo premieňa časť elektrickej energie na potenciálnu a kinetickú energiu
vody. Takže emuluje spád vody, ktorý je na vodných dielach vytvorený vzdúvacím
zariadením a pri prečerpávacích vodných dielach dvomi nádržami. Voda je privedená do
dýzy, ktorá slúži na reguláciu prietoku vody a zároveň usmerňuje prúd vody do
súvislého lúča. Tento lúč je privedený na lopatky Peltonovej turbíny. Jej úlohou je
premieňať kinetickú energiu vody na mechanický krútivý moment na hriadeli.
Alternátor pripojený na hriadeli vyrába elektrickú energiu. Podrobný popis je v literatúre
[1]
Čerpadlo Dýza Turbína Alternátor Transformátor
Hardvérová karta NI PCI 6221
Ovládací obvod čerpadla
Ovládací obvod dýzy
Ovládací obvod budenia
Výstupy karty Vstupy karty
PC
Blok panel
Front panel
Meranie Regulácia Ochrany Zápis do súboru
Softvér NI LabVIEW
Merací obvod alternátora
Model vodnej elektrárne
3.2 Ovládacie a meracie obvody
3.2.1 Ovládací obvod čerpadla
Je tvorený tranzistorom v spínacom režime, ktorý je ovládaný digitálnym
výstupom karty PCI 6221. Spínací kontakt relé pripája čerpadlo k sieťovému napätiu.
Obr. 3.2. Schéma ovládacieho obvodu čerpadla
3.2.2 Ovládací obvod dýzy
Obvod reguluje frekvenciu indukovaného napätia alternátora pomocou
krokového motora, ktorý pohybuje ihlou dýzy. Zmenou polohy sa mení prietok
kvapaliny a tým sa menia otáčky turbíny, ktorej hriadeľ je mechanicky spojený s
hriadeľom alternátora. Čiže pri otvorení dýzy stúpajú otáčky a stúpa tým aj frekvencia
indukovaného napätia alternátora a naopak. Obvod reguluje frekvenciu napätia na 50Hz.
Ihneď po štarte obvodu prejde krokový motorček do nulovej polohy. Potom čaká na
ovládaciu frekvenciu. Pri frekvencii 0 až 10 Hz nereaguje, ak frekvencia indukovaného
napätia prekročí 10 Hz, tak obvod automaticky doreguluje toto napätie na frekvenciu 50
Hz. Podrobnejší popis obvodu je v literatúre [2]
3.2.3 Ovládací obvod budenia
Pri návrhu ovládacieho obvodu budenia sa vychádzalo zo základných
požiadaviek na tento obvod:
• musí byt dostatočne výkonovo dimenzovaný,
• nesmie preťažovať výstup karty PCI 6221,
• má slúžiť ako lineárny prevodník napätia na prúd.
Výkon budiaceho systému musí byt väčší ako výkon odoberaný budiacim
obvodom alternátora. Pre výpočet výkonu budiacim obvodom Pb je použitá nameraná
hodnota odporu budenia Rb a menovitý štítkový prúd budenia Ibn, ktorého hodnota
je 2 A. Odpor vinutia budenia bol nameraný voltampérovou metódou pre meranie
malých odporov (viď tab. 3.2) a jeho priemerná hodnota je 5,63 Ω. Výkon Pb som
vypočítal podľa vzťahu 3.2.
Tab. 3.2. Namerané hodnoty
U (V) 2,5 5,6 7 10,3 I (A) 0,44 0,96 1,24 1,87
Rb (Ω) 5,68 5,83 5,64 5,45 Rb = 5,63 Ω
W52,22263,5 22bnbb =⋅=⋅= IRP (3.2)
Ω=== 2000005,010
I
UZ (3.3)
Minimálna impedancia Z (viď vzťah 3.3), akou je možné zaťažiť analógový
výstup karty PCI 6221, je nepriamo daná výrobcom. Na jej výpočet sú použité
katalógové hodnoty výrobcu.
Všetky vyššie uvedené požiadavky spĺňa obvod TDA 2050. V tab. 3.3 je stručný
prehľad parametrov daných výrobcom. Ide o výkonový operačný zosilňovač určený pre
oblasť audiotechniky. Použité je invertujúce zapojenie, ktorého schéma je na obr. 3.3.
Analógový výstup karty PCI 6221 je pripojený na ovládací vstup Uin obvodu
zosilňovača. Trimrom R1 a odporom R2 je nastavené napäťové zosilnenie Au
investujúceho zosilňovača (3.4). Napätie Uout je priamo pripojené na svorky budenia
generátora. V prípade zlyhania obvodu TDA 2050, poistka T chráni obvod budenia
generátora pred nadprúdmi. Naopak dióda D5 chráni obvod TDA 2050 pred prepätiami
vzniknutými prechodovými javmi v obvode budenia generátora. Ako napájací obvod
som použil štandardné mostíkové zapojenie spolu z filtrom C1 obr. 3.4. Tento obvod je
napájaný transformátorom 230 V/14 V 40 VA.
Tab. 3.3. Medzné parametre obvodu TDA 2050
Parameter Hodnota Maximálny výstupný prúd (A) 5
Maximálne výstupné napätie (V) 30
Maximálny napájacie napätie (V) 50 Maximálny stratový výkon (W) 25
Obr. 3.3. Schéma zapojenia obvodu TDA2050
Obr. 3.4. Schéma napájacieho obvodu
12
u R
RA −= (3.4)
12
in
out
R
R
U
U −=
Napätie na budiacom obvode generátora Uout pri nominálnom budiacom prúde Ibn je
bbnout RIU ⋅=
Napätie Uin potrebné na vybudenie zosilňovača na nominálny budiaci prúd Ibn je
21
bbnin R
RRIU ⋅⋅−=
Po dosadení hodnôt
V 3,5101001047
63,52 3
3
in −=⋅⋅⋅⋅−=U [V, A, Ω]
Na dosku plošných spojov (viď obr. 3.5) je umiestnený napájací obvod spolu
s obvodom zosilňovača. Označenie súčiastok na plošnom spoji zodpovedá so schémami
na obrázkoch 3.2 a 3.3.
Obr. 3.5 Doska plošných spojov
Zoznam súčiastok:
R1 .....................................................100 kΩ
R2 .....................................................47 kΩ
D1 až D5 ...........................................4 A,1000 V
T ........................................................T 2,5 A
C1 ......................................................3,3 mF/35 V
IO .......................................................TDA 2050
Meranie som urobil z dôvodu overenia predpokladaných vlastností vyrobeného
obvodu. Meral som závislosť Uin = f(Ib). Vstup zosilňovača som pripojil na jeden
z analógových výstupov karty PCI 6221 a výstup na svorky budenia generátora.
Postupne som zvyšoval merané napätia Uin a odčítaval príslušne napätie Uout. Prúd
budením Ib nie je meraný priamo. Jeho hodnota je vypočítaná pomocou odporu
budiaceho vinutia Rb . Z nameraných hodnôt som zostrojil tabuľku 3.4 a graf 3.1.
Tab 3.4 Namerané hodnoty výstupnej charakteristiky
Uin (V) 0,5 0,98 1,58 2,1 2,8 3,6 4,58 5,8 6,8 7,51 Uout (V) 1 2 3,06 4,23 5,7 7,3 9,1 11,5 13 ,9 Ib [A] 0,18 0,36 0,54 0,75 1,01 1,30 1,62 2,04 2,31 2,47
Ui=f(Ib)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0,18 0,36 0,54 0,75 1,01 1,30 1,62 2,04 2,31 2,47
Ib[A]
Uin[V]
Graf 3.1 Výstupná charakteristika ovládacieho obvodu budenia
Obr. 3.6. Fotografia ovládacieho obvodu budenia
3.2.4 Merací obvod alternátora
Na meranie prúdov 3-fáz a budiaceho prúdu alternátora sú použité Hallové
sondy. Ďalšou zvažovanou alternatívou bolo meranie prúdu pomocou odporového
bočníka. Vzhľadom na to, že alternátor pracuje s malým napätím a úbytky na bočníku by
predstavovali značnú časť tohto napätia, bola táto alternatíva zavrhnutá.
Ide o bezkontaktné meranie prúdu. Meraný prúd tečúci vodičom vytvára
magnetické pole, ktoré vyvolá napätie na hallovej sonde. Toto napätie je zosilnené
operačným zosilňovačom, ktorý je súčasťou meracej sondy. Použite sú sondy HXS 20-
NP od firmy LEM. Tieto sondy spĺňajú základné kritéria, ako je vyhovujúci merací
rozsah, jednoduché napájanie a nízka cena. Sondy sú zapojené podľa katalógového
zapojenia daného výrobcom, pričom je použité zapojenie na meranie prúdov do 15 A pri
citlivosti 125 mVA-1. Schéma zapojenia je na obr. 3.7.
Obr. 3.7. Schéma zapojenia sondy HXS20-NP
Sondy sú napájané jednosmerným jednoduchým napätím 5V. Na vývod Uref je
privedené napätie 2,6V, je to vstupno-výstupný vývod. Vývod Uout je výstup sondy. Na
vývody Iin a Iout je pripojený meraný prúd.
3.2.5 Napájací obvod
Na napájanie meracieho obvodu alternátora a ovládacieho obvodu čerpadla je
použité zapojenie na obr. 3.8. Napájací obvod je napájaný jednoduchým
nestabilizovaným napätím, ktorého schéma je na obr. 3.3. Obvod sa skladá z dvoch
integrovaných obvodov, ktoré stabilizujú napätie na 5 a 12 V. Kondenzátory C1 až C3
sú blokovacie. Dióda D1 je zenerová dióda.
Obr. 3.8. Schéma zapojenia napájacieho obvodu
Obvody, ktorých schémy sú na obr. 3.2, 3.7, 3.8 sú umiestnené na jednej doske
plošných spojov. Vstupy a výstupy sú vyvedené na svorkách, okrem výstupov
z meracích sond. Tie sú vyvedené tienenými káblami zaletovanými priamo do dosky
plošných spojov. Relé je umiestnené mimo dosky plošných spojov.
Obr. 3.9. Doska plošných spojov zo strany spojov
Obr. 3.10. Doska plošných spojov zo strany súčiastok
Obr. 3.11. Fotografia plošného spoja
Zoznam súčiastok:
S1 až S4 ............................................ LEM HXS 20-NP
R1 ......................................................10 kΩ
D2 ......................................................1 A,1000 V
D3 ...................................................... 2,4 V, 0,5 W
T1 ...................................................... BC 550C
C1 až C3 ............................................ 220 nF/35 V
IO1 ..................................................... LM 7805
IO1 ..................................................... LM 7812
Relé .................................................... Finder 12 V, 250 V, 10 A
3.3 PC
Ako hardvérová časť je použitá karta NI PCI 6221. Jej podrobný popis
je v kapitole 9.1. Softvérová časť je tvorená blok panelom a front panelom. Front panel
je predná prezentačná časť virtuálneho prístroja. Blok panel je programovacia časť
virtuálneho prístroja.
3.3.1 Front panel
Mojou snahou bolo vytvoriť prehľadný a intuitívne ovládateľný virtuálny
prístroj. Prístroj sa skladá zo štyroch častí:
1. Meranie (kapitola 6)
2. Ovládanie (kapitola 4 a 5.3)
3. Ochrany (kapitola 7.4)
4. Tabuľka (kapitola 8).
3.3.2 Blok panel
Obrázok blok panelu je pre jeho veľkosť umiestnený v prílohe. Jeho časti sú
popísané v kapitolách 4.1, 5.4, 6.1, 7.5 a 8.1.
Obr. 3.12. Front panel virtuálneho prístroja
4 Regulácia dýzy, front panel
Je umiestnená v ovládacom paneli virtuálneho prístroja. Umožňuje dva typy
regulácie (automatickú a manuálnu). Pri automatickej regulácii je indukované napätie
stroja regulované na žiadanú frekvenciu. Jej veľkosť si užívateľ nastaví na front paneli
virtuálneho pristroja pomocou tlačidla Žiadaná frekvencia v rozmedzí 40-60Hz. Pri
manuálnej regulácii užívateľ stlačením tlačidla + a – otvára a zatvára ihlu v dýze, čím sa
zvyšuje a znižuje frekvencia indukovaného napätia stroja.
Obr. 4.1. Regulácia dýzy front panel
4.1 Regulácia dýzy, blok panel
Na reguláciu dýzy je použitý obdĺžnikový signál, ktorý je privedený
z analógového výstupu karty PCI 6221 do ovládacieho obvodu dýzy. Tento signál je
generovaný pomocou bloku Simulate Signal.
Obr. 4.2. Vypnuté čerpadlo
Ihneď po zapnutí virtuálneho prístroja je čerpadlo vypnuté a blok Case Structure
má hodnotu False obr. 4.2. Blok Knob je naplnený hodnotou 100 a pomocou bloku
Property Node s názvom F(virtual) je táto hodnota privedená na ovládací vstup bloku
Simulate Signal, ktorý generuje signál s frekvenciou hodnoty F(virtual). Pripojený
ovládací obvod dýzy na frekvenciu 100 Hz reaguje zatváraním ihly, až pokiaľ sa ihla
nedostane do nulovej polohy a nezastaví sa. Bloky Property Node zástupcovia tlačidiel
+ a – sú naplnené hodnotou 2, preto sú tlačidla na front paneli neaktívne.
Po zapnutí čerpadla je ihla dýzy v nulovej polohe, takže je zatvorená. Aby sa
stroj rozbehol je nutné pootvoriť ihlu. Tento stav je ošetrený v časti bloku z názvom
automatický rozbeh obr. 4.3.
Obr. 4.3. Automatický rozbeh
Pomocou blokov Property Node s názvom Frekvencia a Čerpadlo, ktorým je
ovládaný blok Case Structure je do bloku Formula Node privedená hodnota skutočnej
frekvencie f získaná pri meraní prvej fázy alternátora a stav čerpadla c. V tomto bloku je
napísaná podmienka. Ak je táto podmienka splnená tak ma premenná y hodnotu 1. Do
ovládacieho obvodu dýzy je posielaná frekvencia 25 Hz, čiže ovládací obvod otvára ihlu
v dýze a stroj sa rozbieha. Ak frekvencia indukovaného napätia prekročí hodnotu 20 Hz,
tak má premenná y hodnotu 0 a pripojený blok Case Structure sa prepne na hodnotu 0.
Do bloku tejto hodnoty je vložený blok Property Node s názvom F(virtual).
Obr. 4.4. Automatická regulácia dýzy
Po zapnutí čerpadla sa blok Case Structure prepne na hodnotu True, v ktorej je
naprogramovaná regulácia dýzy. Ak je stroj rozbehnutý, ovládací obvod dýzy
automaticky reguluje indukované napätie alternátora na frekvenciu 50 Hz. Blok Case
Structure je ovládaný tlačidlom Boolean s názvom Regulácia dýzy. Pri automatickej
regulácii má blok Case Structure hodnotu False obr. 4. 4. Pomocou bloku Subtract sa od
skutočnej frekvencie odpočíta hodnota, ktorá je v bloku Ring s názvom Žiadaná
frekvencia priradená ku hodnotám žiadanej frekvencie tab.4. 1. Takže je hodnota
F(virtuálna) posunutá o priradenú hodnotu zodpovedajúcu žiadanej frekvencii
nastavenej na front paneli od skutočnej frekvencie indukovaného napätia alternátora.
Bloky Property Node zástupcovia tlačidiel + a – sú naplnené hodnotou 2, preto sú
tlačidla na front paneli neaktívne.
Tab. 4.1. Tabuľka priradených hodnôt v bloku Ring s názvom Žiadaná
frekvencia
Žiadaná Frekvencia Priradená hodnota 60 10 59 9 58 8 57 7 56 6 55 5 54 4 53 3 52 2 51 1 50 0 49 -1 48 -2 47 -3 46 -4 45 -5 44 -6 43 -7 42 -8 41 -9 40 -10
Obr. 4.5. Manuálna regulácia dýzy
Tlačidlá Boolean + a – sú nastavené ako Switch until released, ich hodnota
a zmení z False na True iba počas stlačenia tlačidla. Bloky Case Structure ovládané
tlačidlami + a – sú pri hodnote False naplnené hodnotu 0. Takže je pri manuálnej
regulácii a za predpokladu, že nie sú stlačené tlačidlá + alebo – privádza do ovládacieho
obvodu dýzy nulová frekvencia a ovládací obvod nereaguje. Ak užívateľ stlačí tlačidlo
+, tak sa blok Case Structure prepne na hodnotu True a blok Knob je naplnený hodnotou
25, ovládací obvod dýzy otvára dýzu. Pri stlačení tlačidla – je naplnený hodnotou 100.
ovládací obvod dýzy zatvára dýzu.
Tab. 4.2. Zoznam použitých blokov blok panelu Regulácia dýzy.
Boolean Button
Boolean Button
Ring
Property Node
Subtract
Add
Knob
Simulate Signal
Formula Node
5 Realizácia riadenia budenia alternátora
5.1 Samostatne pracujúci generátor
Chod a prevádzkové stavy synchrónneho generátora sú najčastejšie popisované
za takého stavu, keď je pripojený ku elektrickej sieti. Malé synchrónne generátory
pracujú často samostatne, ako samostatný zdroj elektrickej energie. Najdôležitejšie
požiadavky u takýchto systémov je udržanie konštantného napätia na kotve generátora
pri meniacej sa záťaži. Hnací stroj, ktorý poháňa generátor musí mať konštantnú
rýchlosť nezávisle od momentu, ktorým ho generátor zaťažuje. Regulácia veľkosti
napätia na kotve generátora je najčastejšie realizovaná samočinným regulátorom,
ktorého úlohou je regulovať budiaci prúd generátora. Pričom sa najčastejšie vychádza zo
zjednodušenej náhradnej schémy (viď obr. 5.1). Veľkosť indukovaného napätia stroja je
závislá na rýchlosti otáčania, magnetickej indukcie a dĺžke vodičov vložených
v elektromagnetickom poli (viď vzťah 5.1).
vlBU i ..= (5.1)
Obr. 5.1. Náhradná schéma synchrónneho generátora
Dĺžka a za predpokladu ideálneho hnacieho zariadenia aj rýchlosť sú konštantné.
Magnetická indukcia vzniká v rotore generátora. Jej veľkosť je závislá na veľkosti prúdu
budenia. Na obr. 5.2 je znázornená závislosť indukovaného napätia od prúdu budením.
Obr. 5.2. Hysterézna krivka generátora
5.2 Popis funkcie regulátora napätia
Principiálne sa jedná o diskrétny P-regulátor z pásmom necitlivosti. Jeho
výhodou je jednoduchosť prevedenia. Naopak nevýhod je v porovnaní s PI a PID-
regulátorom viac. Jedna z hlavných nevýhod je dlhý čas doregulovania regulovanej
veličina na hodnotu žiadanej veličiny. Keďže odozva celého vodného systému, teda
hnacieho zariadenia, sa pohybuje rádovo v sekundách, tak je čas doregulovania v tomto
prípade zanedbateľný. Ďalšou nevýhodou, tak ako pri každom P-regulátore je fakt, že sa
regulovaná veličina nikdy neustáli, preto som zaviedol na vstup pásmo necitlivosti na
ktoré regulátor nereaguje. Takže sa regulovaná veličina ustáli na hodnote, ktorej
maximálna nepresnosť je daná šírkou pásma necitlivosti. Na obr. 5.3 je znázornená
schéma regulátora. Do rozdielového člena vstupuje hodnota žiadaného napätia Užiadane
a regulovaného napätia Us. Ich rozdiel U sa porovnáva s pásmom necitlivosti S. Ak je
rozdiel U väčší ako S tak je dekrementovaná hodnota budiaceho prúdu. Pokles
budiaceho prúdu má za dôsledok pokles indukovaného napätia (obr. 5.2) teda aj napätia
Us a rozdielu U. Dekrementácia je v cykle vykonávaná až dovtedy, kým je podmienka
U je väčšie ako S nesplnená. Naopak, keď je rozdiel U menši ako S, tak sa hodnota
budiaceho prúdu inkrementuje.
Obr. 5.3. Schéma regulátora
5.3 Regulácia budenia, front panel
Je umiestnená na ovládacom paneli virtuálneho prístroja. Umožňuje dva typy
regulácie (automatickú a manuálnu). Pri automatickej regulácii je výstupné svorkové
napätie stroja regulované na hodnotu Un, ktorú si užívateľ nastaví na ovládacom prvku.
Pri automatickej regulácii užívateľ nastavuje hodnotu budiaceho prúdu Ib[%].
Obr. 5.4. Front panel regulácia budenia
5.4 Regulácia budenia, blok panel
Regulácia je naprogramovaná v prostredí NI LabVIEW. Na obr. 5.5 a obr. 5.6
je schéma blok panelu regulácie. Blok Regulácia budenia je tlačidlo typu Boolean a
slúži na prepínanie typu regulácie (automatická alebo manuálna). Tlačidlo Regulácia
ovláda hodnotu bloku Case Structure, ktorý nadobúda hodnoty True (manuálna
regulácia) a False (automatická regulácia). Na obr. 3.5 je blok panel automatickej
regulácie tvorený P-regulátorom.
Obr. 5.5. Blok panel automatickej regulácie
Bloky Knob s názvom Ib[%] a Un sú ovládané z front panelu. Un predstavuje
žiadanú hodnotu napätia. Blok Us1 je Property Node nastavený ako Value a určený na
čítanie. Predstavuje hodnotu napätia prvej fázy alternátora získanú z merania. Ku
hodnote Un sa pripočíta (blok Add) a odpočíta (blok Subtract) pásmo necitlivosti
S s hodnotou 0,15. V blokoch menší (Less) a väčší (Greater) sa táto hodnota porovnáva
z hodnotou Us1. Ak je Us1 väčšie ako U n+S, tak je výsledkom porovnávania bloku
Greater hodnota True. Čiže blok Case Structure tiež nadobúda hodnotu True. Vnútri
bloku Case Structure sú bloky Property Node nastavené ako Read a Write, medzi ktoré
je pripojený blok Decrement. Jeho úlohou je v cykle dekrementovať hodnotu Ib[%].Ak
je Us1 menšie ako U n – S, tak je výsledkom porovnávania bloku True a hodnota Ib[%] sa
inkrementuje. Ak je výsledkom blokov Less a Greater hodnota False, tak je hodnota Us1
v rozmedzí Un+ –S. Bloky Case Structure pripojené ku blokom Less a Greater sú pri
hodnote False nenaplnené, regulátor je v pásme necitlivosti a hodnota Ib[%] je ustalená.
Blok Property Node nastavený ako Disable je zástupca bloku Knob Ib[%] je naplnený
hodnotou 1, preto sa nedá kurzorom myši ovládať jeho veľkosť z front panelu pri
automatickej regulácii. Naopak blok Property Node Un je naplnený hodnotou 0 a je
nastavený na priame ovládanie z front panelu. Blok panel manuálnej regulácie je na
obr. 5.6.
Obr. 5.6. Blok panel manuálnej regulácie
Užívateľ z front panelu nastavuje hodnotu Ib[%]. Blok Property Node nastavený
ako Value zástupca Us1 je plnený hodnotou totožného bloku Un. Čiže blok Knob Un na
front paneli zobrazuje veľkosť meraného napätia Us1 a jeho Property Node nastavený
ako Disable má hodnotu 1. Výstupom oboch typov regulácie je hodnota Ib[%], ktorá
predstavuje percentuálnu hodnotu budiaceho prúdu. Táto hodnota je podelená príslušnou
konštantou a pripojená pomocou bloku DAQ Assistance na analógový výstup karty PCI
6221. Toto napätie je zosilnené pomocou ovládacieho obvodu budenia.
Tab. 5.1. Zoznam použitých blokov blok panelu Regulácia
Boolean Button
Case Structure
Property Node
Knob
Add
Subtract
Less
Greater
Increment
Decrement
6 Meranie na alternátore, front panel
Je realizované v záložkách Fáza 1, 2, 3. Zobrazujú sa tu merané veličiny
jednotlivých fáz alternátora. Na ľavej strane virtuálneho prístroja sú zobrazované
celkové výkony, otáčky, frekvencia a teplota alternátora. Ďalej je tu zobrazované
budiace napätia a prúd.
Obr. 6.1 Front panel virtuálneho prístroja zo záložkou Fáza 1
6.1 Meranie na alternátore, blok panel
Obr. 6.2. Block panel meranie fáz alternátora
Blok DAQ Assistant slúži ako komunikačný prostriedok medzi softvérom
a hardvérovou kartou PCI 6221. Na vstupy tejto karty je privedené napätie Us a prúd Is.
Prúd Is je privedený do karty v podobe napätia privádzaného z halovej sondy. Čiže jeho
veľkosť je násobkom prúdu. Z dôvodu vzájomnej synchronizácie bol použitý iba jeden
blok DAQ Assistance a merané veličiny sú pripojené na jeden virtuálny kanál. Výstup
signál je typu Dynamic data a je rozdelený na napätie a prúd pomocou bloku Split
signals. Ďalej je blokom Multiply vynásobené napätie konštantou 0,707 a prúd
konštantou 5,5. Takže do blokov Tone Measurement vstupujú efektívne hodnoty napätia
a prúd. Tvar prúdu a napätia je zobrazovaný front paneli pomocou bloku Waveform
Graph, do ktorého je signál privedený z bloku Merge Signals. Úlohou bloku Tone
Measurements je vyhodnocovať amplitúdu frekvenciu a fázu signálu. Odčítaním fázy
napätia a prúdu pomocou bloku Subtract získavame fázový posuv Ψ. Pri prvej skúške
virtuálneho wattmetra som zistil, že meraná fáza zodpovedá skutočnej, ale je náhodné
zobrazovaná s posunutím π2 . Preto je ošetrená jej veľkosť pomocou bloku Formula
Node. Fáza je ďalej spracovaná v bloku Formula a je z nej vypočítaný účinník podľa
vzťahu 180
coscosπψϕ ⋅= .
Tab. 6.1. Zoznam použitých blokov blok panelu Wattmeter
DAQ Assistance
Multiply
Tone Measurements
Subtract
To Long Integer
Merge Signals
Waveform Graph
Formula
Knob
Num Indicator
Formula Node
Gauge
Split Signals
Pomocou účinníka napätia a prúdu sú v blokoch Formula vypočítané výkony P,
Q a S. Vypočítané a merané hodnoty sú pripojené na bloky Knob meter Gauge a Num
Idicator a sú zobrazované na Front paneli virtuálneho prístroja.
7 Poruchy synchrónneho generátora
Poruchy synchrónnych generátorov môžeme rozdeliť na dve základne skupiny:
a) izolačné poruchy stroja,
b) nenormálne podmienky chodu stroja.
Na obr. 7.1 a 7.2 sú znázornené izolačné poruchy na statore a rotore generátora.
7.1 Izolačné poruchy stroja
7.1.1 Zemné spojenie statora Vzniká tu skrat dôsledkom prerazenia izolácie vinutia statora. Skratový prúd sa
uzavrie cez vinutie a železo statora na zem. Je to porucha, ktorá nemusí byť nebezpečná
tak ako skrat. Samozrejme je nutné, aby bolo zemné spojenie zistené čo najskôr
a ochrana tak mohla pohotovo zareagovať. Vzhľadom k tomu, že sa jedná o internú
poruchu, je nutné, aby na ňu nepôsobila ochrana zemného spojenia vedenia. Táto
ochrana je blokovaná nadprúdovou ochranou na strane vvn blokového transformátora.
Obr. 7.1. Izolačné poruchy statora
7.1.2 Spojenie medzi vinutiami
Túto poruchu spoľahlivo detekuje diferenciálna ochrana. Pripája sa cez
prístrojové transformátory prúdu na začiatok a koniec vinutia. Krátky reakčný čas
pomáha minimalizovať škody nadmerným prúdom.
7.1.3 Medzizávitové spojenie statora
Pri skrate časti vinutia statora prechádza vinutím pomerne veľký prúd, lebo
impedancia je statorového vinutia je veľmi malá. Závitový skrat spôsobí nevyváženie
svorkového napätia stroja. Na detekciu tejto poruchy sa používa meranie nulovej zložky
napätia.
7.1.4 Vonkajší skrat mimo vinutia
V minulosti sa používala nadprúdová ochrana blokovaná podpäťovou ochranou.
Jej hlavnou nevýhodou je obmedzená selektivita a dlhší reakčný čas. Táto ochrana bola
nahradená impedančnou ochranou.
Obr. 7.2. Izolačné poruchy rotora
7.1.5 Medzi závitové spojenie rotora
Táto ochrana sa projektuje len zriedkavo. Používa sa Skalková ochrana, ktorá
využíva osový magneticky tok.
7.1.6 Zemné spojenie rotora
Ako ochranu pri zemnom spojení môžme použiť striedavú alebo jednosmernú
superpozíciu.
7.1.7 Ložiskové prúdy
Magnetickou nesúmernosťou môže vzniknúť napätie medzi hriadeľom rotora
a statorom. Z tohto dôvodu sú ložiská odizolované od statora. Používa sa nadprúdová
ochrana a prúd sa meria prístrojovým transformátorom prúdu, ktorý je umiestnený na
hriadeli stroja.
7.2 Nenormálne podmienky chodu stroja
7.2.1 Preťaženie
Pri chode stroja vznikajú tepelné straty. Stroj je konštruovaný tak, aby bol
bezpečne chladený. Teplo vzniknuté stratami sa musí odvádzať, aby nedošlo k
nebezpečnému prehriatiu stroja. Ak je stroj preťažovaný, tak dochádza k prehrievaniu
vinutí, čo má za dôsledok znižovanie životnosti izolácií. Môže dôjsť aj ku druhotným
chybám, ako je zemné spojenie a skrat. Pri veľkých elektrárenských blokoch, ktoré sú
chladené tekutým vodíkom sa používa prúdová nezávislá ochrana. Naopak pri menších
blokoch chladených vodou alebo vzduchom je vhodné použiť závislú prúdovú ochranu.
Ako ďalšiu nezávislú ochranu je možné použiť aj teplotnú ochranu, ktorá stroj nemusí
vypínať, ale dá len popud na zapnutie prídavného chladenia.
7.2.2 Prepätie
Pri náhlom odľahčení jalového výkonu môže dôjsť k poškodeniu regulátora
napätia. Úlohou tohto je regulátora je aj ochrana transformátora pred nežiaducim
vysokým napätím, preto je regulátor istený prepäťovou ochranou, ktorá musí byť
napájaná z iného prístrojového transformátora napätia ako regulátor napätia.
7.2.3 Samobudenie
Tento jav vzniká pri chode generátora, ktorý napája kapacitnú záťaž. Jedná sa
o prebudený generátor. Používa sa prepäťové relé istené minimálnym budiacim prúdom.
7.2.4 Strata budenia
Pri strate budenia dochádza k zániku asynchrónneho chodu generátora. A to
najme u strojov s vyjadrenými pólmi. V tomto prípade prejde stroj do asynchrónneho
režimu. Otáčky mu mierne vzrastú a stredný prenášaný výkon zostane približne rovnaký.
Pri takomto chode stroja vznikajú prídavné straty, a to najmä v obvode rotora.
Používa sa jednosystémová impedančná offset ochrana.
7.3 Realizácia softvérových ochrán
Na ochranu boli vybrané len najdôležitejšie ochrany, ktorých úlohou je chrániť
elektrické zariadenia systému pred možnou deštrukciou, alebo pred preťažovaním.
Chránené sú všetky tri fázy alternátora a transformátora. Vzhľadom na malé pracovné
napätie na alternátore neboli použité ochrany pred izolačnými poruchami. Tento stroj
pracuje blízko stavu nakrátko, ale menovitá hodnota prúdu statora nie je za normálnych
okolností prekračovaná. Ako ochrana pred prekročením menovitého prúdu statora bola
použitá ochrana s názvom Preťaženie. Stroj pracuje pri nižších otáčkach, ako sú
najnižšie otáčky doporučené výrobcom. Teda v stroji vzniká menšie prúdenie vzduchu
ako za normálnych okolností. Tento fakt môže viesť ku značnému prehrievaniu vinutí
stroja a celej jeho konštrukcie. Preto je ďalšou použitou ochranou stroja Tepelná
ochrana. Poslednou použitou ochranou stroja je ochrana s názvom Skrat na svorkách.
Na ochranu transformátora je použitá ochrana s názvom Prepätie. Jej úlohou je chrániť
transformátor pred nadmerným sýtením. Transformátor je na primárnej a nepriamo na
sekundárnej strane chránený ochranou alternátora s názvom Preťaženie pred možnými
nadprúdmi.
7.4 Ochrany, front panel
Panel ochrán je na obr. 7.3 v záložke Ochrany virtuálneho prístroja. Ak
zareaguje ochrana, virtuálny prístroj sa prepne do tejto záložky a alternátor sa
automaticky odbudí. Tým je zaručené odľahčenie na alternátore. Reguláciu a meranie
jednotlivých fáz nie je možné spustiť alebo ovládať pokiaľ užívateľ nestlačí tlačidlo
Kvitovať.
Obr. 7.3. Front panel zo záložkou Ochrany
7.5 Ochrany blok panel
Ochrany sú navrhnuté tak, aby bola zaručená selektivita ich vypínania. Blok
panel je na obr. 7.4.
Obr. 7.4. Blok panel Ochrany
V bloku Case Structure s hodnotou True je skupina blokov Property
Node, ktorých hodnota je vynásobená blokom Multiply hodnotou 100. Ďalej sú hodnoty
typu 64bit Real prevedené pomocou bloku To Long Integer na hodnoty typu Integer 32.
Táto operácia bola nutná, pretože blok Formula Node nepodporuje hodnoty typu 64bit
Real. Vzhľadom k tomu že, Integer 32 sú celé čísla, tak boli pred prevodom vynásobené,
aby sa dosiahlo väčšej citlivosti. Preto bolo nutné vynásobiť hodnotou 100 aj hodnoty
v bloku Formula Node. V tomto bloku je skupina podmienok ochrán. V hornej časti sú
zadeklarované premenné. Prvá podmienka [if(u1<150&i1>300)] y=1,c=1,v=1; je
ochrana proti skratu. Ak je napätie menšie ako 1,5 V a prúd väčší ako 3 A, podmienka je
splnená. Premenné y, c, v sa naplnia hodnotou 1, v blokoch Equal sa táto hodnota
porovnáva z hodnotou 0. Výsledkom porovnávania sú hodnoty True a False. Ak je
výsledkom False, tak bloky Boolean Indicator indikujú poruchu. Rozsvietia sa
indikátory z menovkami Zareagovala ochrana, Skrat na svorkách a Fáza 1. Obdobným
spôsobom fungujú aj všetky ostatné ochrany. Pri zareagovaní ktorejkoľvek ochrany je
premenná y naplnená hodnotou 1. Pomocou bloku Equal je táto hodnota prevedená na
hodnotu False a je ňou naplnený blok Property Node s názvom truefalse, takže sa blok
Case Structure naplní hodnotou False. Jeho obsah je na obr. 7.5.
Obr. 7.5. Case Structure s hodnotu False
Hodnotou False je pripojená k ďalšiemu bloku Case Structure, v ktorého
hodnote True je naprogramovaná regulácia budenia a hodnota False je obr. 7.6.
Obr. 7.6. Case Structure s hodnotu False
V tomto bloku je vynulovaná hodnota Ib[%]. Ďalej sú bloky Property Node
z menovkami Un a Ib[%] naplnené hodnotou 1, preto sa nedajú ovládať z front panelu
virtuálneho prístroja. Blok Property Node z menovkou Tab Control je naplnený
hodnotou 3, tak že po zareagovaní ochrán sa automaticky prepne na front paneli štvrtá
záložka Ochrany. Hodnotou bloku Property Node z menovkou Us1 je naplnený totožný
blok z menovkou Un. Na front paneli virtuálneho prístroja je zobrazovaná veľkosť
indukovaného napätia alternátora Us1 pomocou bloku Knob z menovkou Un.
Tab. 7.1. Zoznam použitých blokov blok panelu Ochrany
Boolean Button
Boolean Indicator
Property Node
Divide
Multiply
To Long Integer
Formula Node
Equal
Case Structure
8 Tabuľka, front panel
Táto časť virtuálneho prístroja bola vytvorená pre študentov. Študent môže
venovať viac pozornosti samotnému meraniu a sledovaniu interakcií dejov pri ovládaní,
pritom sa nemusí zameriavať na zapisovanie hodnôt meraných veličín do zošitu.
Zapisovanie hodnôt veličín vykonáva pedagóg alebo študent, ktorý obsluhuje virtuálny
prístroj. Virtuálny prístroj z názvom Tabuľka je navrhnutý tak, aby bolo možné vytvoriť
si vlastný typ merania. V prvom kroku užívateľ zadá počet veličín zapisovaných do
tabuľky a vyberie veličiny zobrazované v tabuľke obr. 8.1. Po stlačení tlačidla Zobraz
tabuľku sa zobrazí druhá záložka z tabuľkou a tlačidlom naspäť ku výberu obr. 8.2.
V pravom dolnom rohu ovládacieho prístroja sa zobrazí tlačidlo Zápis do súboru,
ktorým sa zapisujú hodnoty do súboru a do tabuľky.
Obr. 8.1. Virtuálny prístroj so záložkou Tabuľka, editačná časť
Obr. 8.2. Virtuálny prístroj so záložkou Tabuľka,
8.1 Tabuľka blok panel
Všetky použité bloky v blok paneli Tabuľka sú v tab. 8.1.
Obr. 8.3. Blok panel Tabuľka
Na ľavej strane schémy je skupina blokov Property Node nastavených ako Value
určených na čítanie. Sú priradené k meracím prístrojom a reprezentujú ich hodnotu
plnenú v cykle meracieho procesu. Pomocou blokov Merge Signals sú veličiny zlúčené
do jedného signálového kanálu typu Dynamic Data. V bloku Convert from Dynamic
Data je zo signálu vytvorené pole. Pole je ďalej privedené na štrnásť blokov Index
Array. Ich úlohou je podľa vkladanej hodnoty čísla n vyberať n-tý prvok z poľa hodnôt.
Pomocou bloku Ring je užívateľom z front panelu nastavená veličina, ktorá sa bude
zapisovať do tabuľky. Ku každej veličine je priradené číslo n, ktoré zodpovedá
poradiu, v akom sú veličiny vkladané do poľa. Teda výstupom blokov Index Array sú
hodnoty veličín v poradí, ktoré si užívateľ nastavil vo front paneli. Na spätné vytvorenie
takto „rozobratého“ poľa je použitý blok Build Array. Ďalej je v bloku Delete from
Array obmedzený počet veličín, ktoré sa budú zapisovať do tabuľky. Tento blok je
ovládaný číselnou hodnotou n (počet vymazaných hodnôt od poslednej hodnoty poľa).
Na ovládanie tohto bloku som použil blok Ring. Výsledné pole je znovu prevedené na
typ Dynamic Data pomocou bloku Convert from Dynamic Data. Ďalej je signál
privedený ku bloku Write LabVIEW Measurement File a Build Table. Blok Write
LabVIEW Measurement File slúži na vytvorenie textového súboru, do ktorého sa
zapisujú namerané hodnoty. Blok Build Table slúži na vytvorenie dvojrozmerného poľa
hodnôt. Obidva bloky majú dva ovládacie vstupy, write slúži na zápis a reset na
vymazanie. Vstupy sú ovládané užívateľom z front panelu. Zápis je realizovaný
tlačidlom typu Boolean s názvom Zápis, vymazanie pri stlačení tlačidla Naspäť ku
výberu. Ďalej je dvojrozmerné pole hodnôt pripojené ku bloku Inser Into Array viď. Tu
sa do nultého riadku zapíše názov všetkých veličín zobrazovaných v tabuľke. Takto
editované pole sa zobrazí v bloku Table, ktorý ma priamy výstup na front panel
meracieho prístroja. Ďalším poľom vytvoreným v blok paneli meracieho prístroja je pole
typu String. Je vytvorené pomocou bloku Build Array. Vstupujú do neho bloky String
Constant naplnené menovkami veličín v rovnakom poradí ako hodnoty veličín v poli
hodnôt. Na editáciu poľa znakov je použitých štrnásť blokov Index Array obdobne ako
pri poli hodnôt. Bloky Index Array, určených pre pole znakov sú paralelne prepojené
s ovládacími vstupmi blokov Index Array pre pole hodnôt. Výstupom blokov Index
Array určených pre pole znakov sú menovky veličiny v poli hodnôt. Obdobne ako
pri poli hodnôt je na spojenie znakov do poľa použitý blok Build Array. Jeho výstup je
pripojený ku bloku Insert Into Array, do ktorého vkladá pole znakov zobrazovaných
v prvom riadku tabuľky. Na vstup Comment bloku Write LabVIEW Measurement File je
pripojený blok Concatenate Strings, ktorého úlohou je zapisovať menovky z pola
znakov do textového súboru. Znaky sú do tohto bloku privedené z blokov Index Array
a sú vkladané do nepárnych vstupov. Do párnych vstupov je pripojený blok String
Constant, do ktorého je vložená medzera. Takže je medzi každé dva znaky vložená
medzera. Ďalšou častou blok panelu je ovládacia časť front panelu Tabuľka obr. 8.4.
Obr. 8.4. Ovládanie front panelu Tabuľka
Je tvorená blokom Case Structure nadobúdajúcim hodnotu True a False. Jeho
hodnota je ovládaná tlačidlom typu Boolean s názvom meranie. Ak nadobúda blok Case
Structure hodnotu False, tak je do bloku Tab Control privedená hodnota 0. Číže je Tab
Control prepnutý do prvej záložky (viď obr. 8.1.) a Property Node nastavený na Disable
nadobúda hodnotu 2. Preto je tlačidlo Zápis do súboru na front paneli neaktívne. Po
stlačení tlačidla meranie na front paneli s názvom Zobraz tabuľku sa hodnota Case
structure prepne na True. Do bloku Tab control je privedená hodnota 1, čize je Tab
Control prepnutý do druhej záložky obr. 8.2. Do bloku Property Node tlačidla Zápis do
súboru vstupuje hodnota 0, takže tlačidlo je aktívne. Pomocou tlačidla Boolean
s názvom Naspäť ku výberu sa prepne blok Case structure naspäť na hodnotu False
a zároveň sa pomocou bloku Property Node privedeného na vstupy Reset blokov Build
Table a Write LabVIEW Measurement File. Takže po stlačení tlačidla Naspäť ku výberu
sa vymaže obsah tabuľky a zároveň sa uloží textový dokument s nameranými
hodnotami. Virtuálny prístroj sa prepne do editačnej časti a je pripravený na ďalšie
meranie.
Tab. 8.1. Zoznam použitých blokov blok panelu Tabuľka
Property Node
Merge signals
Convert from Dynamic Data
Index Array
Ring
Build Array
Delete from Array
Build Table
Write LabVIEW Measurement File
Boolean Button
Insert Into Array
Build Table
String Constant
Concatenate Strings
Tab Control
Case Structure
9 Zapojenie svorkového poľa karty PCI 6221 ku
hardvérovým súčastiam
Všetky merané napätia, okrem Ub sú pripojené priamo ku analógovým vstupom
karty PCI 6221. Napätie Ub je pripojené cez odporový delič, pretože prekračuje merací
rozsah analógových vstupov karty, ktorého maximálna veľkosť je ±10 V. Vstupy, na
ktoré sú pripojené napätia z meracích prúdových sond, sú nastavené na maximálny
merací rozsah ±5 V. Je tým dosiahnutá väčšia presnosť meraného napätia. Tepelný
termoelektrický senzor je pripojený ku analógovému vstupu, ktorého DAQ Assistant je
nastavený na meranie teploty pomocou termoelektrických senzorov typu K. Jeho
výstupom je teplota v stupňoch Celzia. Tento vstup bolo treba kalibrovať, lebo rozdiel
medzi skutočnou a meranou hodnotou teploty bol cca. 10 °C.
Tab. 9.1. Zoznam pripojených vstupov karty PCI 6221 ku meraným napätiam
Vstup Merané napätie AI 0 Us1
AI 1 Is1
AI 2 Us2
AI 3 Is2
AI 4 Us3
AI 5 Is3
AI 6 Ub AI 7 Ib
AI 15 Teplotný senzor
Tab. 9.2. Zoznam pripojených výstupov karty PCI 6221 ku ovládacím obvodom
Výstup Ovládací obvod AI 0 Ovládací obvod budenia AI 1 Ovládanie dýzy P0.0 Ovládací obvod čerpadla
9.1 Popis meracej karty PCI 6221
Analógové vstupy
Počet kanálov
NI 6220/NI 6221 8 diferenčných alebo 16 samostatných
Analógovo – číslicový prevodník 16 bitový
DNL Garantované žiadne strácajúce kódy
Vzorkovacia rýchlosť:
Maximum 250 KS/s
Minimum 0 S/s
Presnosť časovania 50 ppm na vzorkovaciu rýchlosť
Oneskorenie časovania 50 ns
Vstupná väzba DC
Vstupné napätie ±10 V, ±5 V
±1 V, ± 0,2 V
Maximálne pracovné napätie
pre analógové vstupy ±11V proti AI GND
CMRR (DC až 60 HZ) 95 dB
Vstupná impedancia
Analógový vstup až AI GND >10 GΩ pri 100 pF
Vstupný ustálený prúd ±100 pA
Presluh (pri 100 kHz)
Susedné kanály -75 dB
Vzdialené kanály -90 dB
Šírka pásma (-3 dB) 700 kHz
Vstupno výstupná rýchlosť 4,095 vzoriek
Skenovacia rýchlosť pamäte 4,095 položiek
Prenos dát DMA (priamy prístup do pamäte)
Prepäťová ochrana
Zapnutého zariadenia ± 25 V
Vypnutého zariadenia ± 15 V
Vstupná prúdová ochrana ± 20 mA max/AI pin
Analógové výstupy
Počet kanálov 2
Číslicovo-analógový prevodník 16 bitový
DNL ±1 LSB
Monotónnosť 16 bit (garantovaná)
Maximálna obnovovacia rýchlosť
1 kanál 833 kS/s
2 kanály 740 kS/s
Presnosť časovania 50 ppm
Oneskorenie časovania 50 ns
Výstupné napätie ±10 V, DC
Výstupný prúd ±5 mA
Výstupná impedancia 0,2 Ω
Prepäťová ochrana ±25 V
Nadprúdová ochrana 10 mA
Výstupná vstupno-výstupná veľkosť 8,191 vzoriek sa rozdelí medzi používané
kanály
Prenos dát DMA (priamy prístup do pamäte)
Doba ustálenia rozsahu plného kroku
15 ppm (1 LSB) 6 µs
Rýchlosť zmeny 15 V/µs
Zmena napätia
Hodnota 100 mV
Trvanie 2,6 µs
Kalibrácia (analógového vstupu a výstupu)8
Odporučená doba zahrievania 15 minút
Kalibračný interval 1 rok
Digitálny vstup - výstup/PFI
Statické charakteristiky
Počet kanálov 24 celkovo
8 (P0 <0..7>)
16 (PFI2 <0..7> / P1
PFI <8..15> / P2)
Ovládanie Každý terminál je individuálne
programovateľný ako vstup alebo výstup
Port 0 <0..7> (krivkové charakteristiky)
Port/vzorkovanie do 8 bitov
Časovanie (Digitálny výstup alebo vstup)
Frekvencia 0 až 1 MHz
PFI/Port 1/Port 2 – funkcia Statický digitálny vstup
Statický digitálny výstup
Časovací vstup
Časovací výstup
Frekvenčný generátor
Počet kanálov 1
Základne časovanie 10 MHz, 100 kHz
Deliče 1 až 16
Základná presnosť časovania 50 ppm
Tab. Odporučené pracovné hodnoty
Úroveň Minimum Maximum
Vstupná logická jednotka 2,2 V 5,25 V
Vstupná logická nula 0 V 0,8 V
Výstupný prúd logickej jednotky
P0 <0..7> - - 25 mA
PFI <0..15>/ P1/P2 - - 16 mA
Výstupný prúd logickej nuly
P0 <0..7> - 24 mA PFI <0..15>/ P1/P2 - 16 mA
Obr. Popis pinov meracej karty
10 Záver
V mojej diplomovej práci som sa zaoberal vyhotovením virtuálneho prístroja na
meranie, riadenie a reguláciu modelu vodnej elektrárne pomocou programovacieho
prostredia LabVIEW. Pri návrhu grafického vzhľadu virtuálneho prístroja bolo mojou
snahou dosiahnuť čo najväčšiu prehľadnosť zobrazovaných veličín a dosiahnuť
intuitívne ovládanie jeho ovládacej časti.
V úvode práce som sa venoval programu LabView, kde som sa snažil priblížiť
čitateľovi tento program. Zahrnul som tu základne vlastnosti programu, popis práce
v ňom a jeho možnosti.. Ďalej som sa venoval popisu celého modelu vodnej elektrárne a
návrhu a popisu ovládacích hardvérových komponentov, pomocou ktorých je model
pripojený ku PC.
Alternátor pracuje v ostrovnej prevádzke a je regulovaný na konštantné svorkové
napätie kotvy pomocou budiaceho prúdu. Vzhľadom na to, že hnacia turbína je mäkký
mechanický zdroj a doregulovanie otáčok je zdĺhavé, zvolil som na reguláciu alternátora
diskrétny P – regulátor s pásmom necitlivosti. Tento regulátor je naprogramovaný
v prostredí LabVIEW. Ovládanie regulátora je umiestnené na ovládacom paneli
virtuálneho prístroja a umožňuje manuálny a automatický chod.
Na ovládanie hardvérového obvodu dýzy je použitý obdĺžnikový signál. Tento
signál je generovaný z prostredia LabVIEW. Ovládanie je umiestnené na ovládacom
paneli virtuálneho prístroja a umožňuje automatickú manuálnu reguláciu dýzy. Do
obvodu vstupuje ovládacia frekvencia príslušné upravená tak, aby bolo možné regulovať
frekvenciu indukovaného napätia alternátora v rozmedzí 40-60 Hz.
Ďalšou častou virtuálneho prístroja je meranie na alternátore. Merané sú všetky
prúdy a napätia na kotve aj budiacom obvode. Meranie prúdu som realizoval pomocou
halových sond. Z meraných hodnôt sú vyhodnocovaný účinník cosφ a výkony P, Q, S.
Na ochranu modelu vodnej elektrárne som zrealizoval softvérové
ochrany, pomocou ktorých sú chránené elektrické časti modelu pred možným
preťažením, alebo deštrukciou. Sú to ochrany preťaženie, skrat, prepätie a tepelná
ochrana.
Poslednou funkciou virtuálneho prístroja je zápis do súboru. Zrealizoval som ho
tak, aby bol možný výber veličín zapisovaných do súboru.
11 Zoznam použitej literatúry
[1] Höger, M.: Model vodnej elektrárne, diplomová práca, v Žiline 2007
[2] Barka, J.: Pohon škrtiacej klapky pre model vodnej elektrárne, diplomová práca,
v Žiline 2007
[3] Dohnálek, P.: Ochrany pro průmysl a energetiku v Prahe 1 1991
[4] Votrubec, R.: LabVIEW for Windows. Technická univerzita v Liberci, 2000
[5] Žídlek, J: Grafické programování ve vývojovém prostředí LabVIEW. VŠB –
Technická univerzita Ostrava, 2002
[6] Dušička P, Gabriel P, Hodák T, Čihák F, Šulek P.: Malé vodní elektrárny
v Bratislave 2003, ISBN 80-88905-45-1
[7] Hrabovcová V, Rafajdus P, Franko M, Hudák P.: Meranie a modelovanie
elektrických strojov v Žiline 2004, ISBN 80-8070-229-2
[8] National Instruments: Manuál k meracej karte NI 622x
[9] http://siz.q-azy.sk/es/es52.html
[10] http://www.spslevice.sk/SOC/SOC%20-%20PRI/6tematicky_celok.htm
[11] http://www.elektroworld.info/modules.php?name=News&file=print&sid=101
[12] http://www.odbornecasopisy.cz/automa/2004/au040445.htm
[13] http://www.ni.com
[14] http://www.findernet.com/
[15] http://ns.spsknm.sk/~padysak/eln/oz/oz.htm
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Prílohová časť
2007 Juraj Kučera
Zoznam príloh
Príloha 1 str. 1
Bloková schéma virtuálneho prístroja, časť meranie
Príloha 2 str. 2
Bloková schéma virtuálneho prístroja, časť ovládanie, ochrany a tabuľka
- 52 -
Príloha 1
Bloková schéma virtuálneho prístroja, časť meranie
Obr. 1 Bloková schéma prístroja pre meranie na alternátore
- 53 -
Príloha 2
Bloková schéma virtuálneho prístroja, časť ovládanie, ochrany a tabuľka
Obr. 2 Bloková schéma prístroja pre časť ovládania ochrán a tabuľky