ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCA

Transcription

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV DIPLOMOVÁ PRÁCA Textová časť 2007 Juraj Kučera

2 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 systémov Katedra výkonových elektrotechnických Počet strán: počet obrázkov: počet tabuliek: Počet grafov: počet príloh: použitá lit.: 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: Recenzent: Ing. Roch Marek Dátum odovzdania práce:

3 Obsah 1 Úvod Výber vhodného SW nástroja - vývojové prostredie LabVIEW Vytvorenie programu v LabVIEW Bloková schéma modelu vodnej elektrárne Model vodnej elektrárne Ovládacie a meracie obvody Ovládací obvod čerpadla Ovládací obvod dýzy Ovládací obvod budenia Merací obvod alternátora Napajací obvod PC Front panel Blok panel Regulácia dýzy, front panel Regulácia dýzy, blok panel Realizácia riadenia budenia alternátor Samostatne pracujúci generátor Popis funkcie regulátora napätia Regulácia budenia, front panel Regulácia budenia, blok panel Meranie na alternátore, front panel Meranie na alternátore, blok panel Poruchy synchrónneho generátora Izolačné poruchy stroja Zemné spojenie statora Spojenie medzi vinutiami Medzi závitové spojenie statora Vonkajší skrat mimo vinutia Medzi závitové spojenie rotora Zemné spojenie rotora Ložiskové poruchy... 26

4 7.2 Nenormálne podmienky chodu stroja Preťaženie Prepätie Samobudenie Stráta budenia Realizácia softvérových ochrán Ochrany, front panel Ochrany, blok panel Tabuľka, front panel Tabuľka, blok panel Zapojenie svorkového poľa karty PCI 6221 ku hardvérovým súčastiam Popis meracej karty PCI Záver Zoznam použitej literatúry... 41

5 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.

6 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

7 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

8 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.

9 3 Bloková schéma modelu vodnej elektrárne Konštrukčné usporiadanie systému vodnej elektrárne je na obr Systém sa skladá z troch častí: 1. Model vodnej elektrárne 2. Ovládacie a meracie obvody 3. PC. Model vodnej elektrárne Čerpadlo Dýza Turbína Alternátor Transformátor PC Ovládací obvod čerpadla Ovládací obvod dýzy Ovládací obvod budenia Merací obvod alternátora Výstupy karty Vstupy karty Hardvérová karta NI PCI 6221 Softvér NI LabVIEW Blok panel Front panel Meranie Regulácia Ochrany Zápis do súboru Obr 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]

10 3.2 Ovládacie a meracie obvody Ovládací obvod čerpadla Je tvorený tranzistorom v spínacom režime, ktorý je ovládaný digitálnym výstupom karty PCI Spínací kontakt relé pripája čerpadlo k sieťovému napätiu. Obr Schéma ovládacieho obvodu čerpadla 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] 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.

11 Výkon budiaceho systému musí byt väčší ako výkon odoberaný budiacim obvodom alternátora. Pre výpočet výkonu budiacim obvodom P b je použitá nameraná hodnota odporu budenia R b a menovitý štítkový prúd budenia I bn, 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 P b som vypočítal podľa vzťahu 3.2. Tab Namerané hodnoty U (V) 2,5 5,6 7 10,3 I (A) 0,44 0,96 1,24 1,87 R b (Ω) 5,68 5,83 5,64 5,45 Rb = 5,63 Ω 2 b b bn = 2 P = R I = 5, ,52 W (3.2) U 10 Z = = = 2000 Ω (3.3) I 0,005 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 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 Analógový výstup karty PCI 6221 je pripojený na ovládací vstup U in obvodu zosilňovača. Trimrom R1 a odporom R2 je nastavené napäťové zosilnenie A u investujúceho zosilňovača (3.4). Napätie U out 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 Tento obvod je napájaný transformátorom 230 V/14 V 40 VA. Tab Medzné parametre obvodu TDA 2050 Parameter Hodnota Maximálny výstupný prúd (A) 5 Maximálne výstupné napätie (V) 30

12 Maximálny napájacie napätie (V) 50 Maximálny stratový výkon (W) 25 Obr Schéma zapojenia obvodu TDA2050 Obr Schéma napájacieho obvodu A u U U out in R2 R1 = (3.4) R2 = R1 Napätie na budiacom obvode generátora U out pri nominálnom budiacom prúde I bn je U out = I bn R b Napätie U in potrebné na vybudenie zosilňovača na nominálny budiaci prúd I bn je U in = I bn R1 Rb R2 Po dosadení hodnôt U in = 2 5, = 5,3 V [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.

13 Obr. 3.5 Doska plošných spojov Zoznam súčiastok: R kω R 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 U in = f(i b ). Vstup zosilňovača som pripojil na jeden z analógových výstupov karty PCI 6221 a výstup na svorky budenia generátora. Postupne som zvyšoval merané napätia U in a odčítaval príslušne napätie U out. Prúd budením I b nie je meraný priamo. Jeho hodnota je vypočítaná pomocou odporu budiaceho vinutia R b. Z nameraných hodnôt som zostrojil tabuľku 3.4 a graf 3.1. Tab 3.4 Namerané hodnoty výstupnej charakteristiky U in (V) 0,5 0,98 1,58 2,1 2,8 3,6 4,58 5,8 6,8 7,51 U out (V) 1 2 3,06 4,23 5,7 7,3 9,1 11,5 13,9 I b [A] 0,18 0,36 0,54 0,75 1,01 1,30 1,62 2,04 2,31 2,47

14 8 Uin[V] 7 Ui=f(Ib) ,18 0,36 0,54 0,75 1,01 1,30 1,62 2,04 2,31 2,47 Ib[A] Graf 3.1 Výstupná charakteristika ovládacieho obvodu budenia Obr Fotografia ovládacieho obvodu budenia Merací obvod alternátora Na meranie prúdov 3-fáz a budiaceho prúdu alternátora sú použité Hallové sondy. Ďalšou zvažovanou alternatívou bolo meranie prúdu pomocou odporového

15 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 Obr Schéma zapojenia sondy HXS20-NP Sondy sú napájané jednosmerným jednoduchým napätím 5V. Na vývod U ref je privedené napätie 2,6V, je to vstupno-výstupný vývod. Vývod U out je výstup sondy. Na vývody I in a I out je pripojený meraný prúd Napájací obvod Na napájanie meracieho obvodu alternátora a ovládacieho obvodu čerpadla je použité zapojenie na obr Napájací obvod je napájaný jednoduchým nestabilizovaným napätím, ktorého schéma je na obr 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.

16 Obr 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 Doska plošných spojov zo strany spojov Obr Doska plošných spojov zo strany súčiastok

17 Obr Fotografia plošného spoja

18 Zoznam súčiastok: S1 až S4... LEM HXS 20-NP R kω D2...1 A,1000 V D3... 2,4 V, 0,5 W T1... BC 550C C1 až C 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 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 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) 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.

19 Obr 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 Regulácia dýzy front panel

20 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 Vypnuté čerpadlo Ihneď po zapnutí virtuálneho prístroja je čerpadlo vypnuté a blok Case Structure má hodnotu False obr 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.

21 Obr 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 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 Pomocou bloku Subtract sa od skutočnej frekvencie odpočíta hodnota, ktorá je v bloku Ring s názvom Žiadaná frekvencia priradená ku hodnotám žiadanej frekvencie tab 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.

22 frekvencia Tab Tabuľka priradených hodnôt v bloku Ring s názvom Žiadaná Žiadaná Frekvencia Priradená hodnota Obr 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

23 25, ovládací obvod dýzy otvára dýzu. Pri stlačení tlačidla je naplnený hodnotou 100. ovládací obvod dýzy zatvára dýzu. Tab 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). U i B. l. v = (5.1)

24 Obr 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 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 PIDregulátorom 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

25 maximálna nepresnosť je daná šírkou pásma necitlivosti. Na obr. 5.3 je znázornená schéma regulátora. Do rozdielového člena vstupuje hodnota žiadaného napätia U žiadane a regulovaného napätia U s. 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 U s 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 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 U n, ktorú si užívateľ nastaví na ovládacom prvku. Pri automatickej regulácii užívateľ nastavuje hodnotu budiaceho prúdu I b [%]. Obr Front panel regulácia budenia 5.4 Regulácia budenia, blok panel

26 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 Blok panel automatickej regulácie Bloky Knob s názvom I b [%] a U n sú ovládané z front panelu. U n predstavuje žiadanú hodnotu napätia. Blok U s1 je Property Node nastavený ako Value a určený na čítanie. Predstavuje hodnotu napätia prvej fázy alternátora získanú z merania. Ku hodnote U n 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 U s1. Ak je U s1 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 I b [%].Ak je U s1 menšie ako U n S, tak je výsledkom porovnávania bloku True a hodnota I b [%] sa inkrementuje. Ak je výsledkom blokov Less a Greater hodnota False, tak je hodnota U s1 v rozmedzí U n + S. Bloky Case Structure pripojené ku blokom Less a Greater sú pri hodnote False nenaplnené, regulátor je v pásme necitlivosti a hodnota I b [%] je ustalená. Blok Property Node nastavený ako Disable je zástupca bloku Knob I b [%] je naplnený hodnotou 1, preto sa nedá kurzorom myši ovládať jeho veľkosť z front panelu pri automatickej regulácii. Naopak blok Property Node U n je naplnený hodnotou 0 a je

27 nastavený na priame ovládanie z front panelu. Blok panel manuálnej regulácie je na obr Obr Blok panel manuálnej regulácie Užívateľ z front panelu nastavuje hodnotu I b [%]. Blok Property Node nastavený ako Value zástupca U s1 je plnený hodnotou totožného bloku U n. Čiže blok Knob U n na front paneli zobrazuje veľkosť meraného napätia U s1 a jeho Property Node nastavený ako Disable má hodnotu 1. Výstupom oboch typov regulácie je hodnota I b [%], ktorá predstavuje percentuálnu hodnotu budiaceho prúdu. Táto hodnota je podelená príslušnou konštantou a pripojená pomocou bloku DAQ Assistance na analógový výstup karty PCI Toto napätie je zosilnené pomocou ovládacieho obvodu budenia. Tab Zoznam použitých blokov blok panelu Regulácia Boolean Button Case Structure Property Node Knob Add Subtract Less Greater Increment Decrement

28 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 Meranie na alternátore, blok panel

29 Obr Block panel meranie fáz alternátora Blok DAQ Assistant slúži ako komunikačný prostriedok medzi softvérom a hardvérovou kartou PCI Na vstupy tejto karty je privedené napätie U s a prúd I s. Prúd I s 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 2 π. Preto je ošetrená jej veľkosť pomocou bloku Formula Node. Fáza je ďalej spracovaná v bloku Formula a je z nej vypočítaný účinník podľa vzťahu ψ π cosϕ = cos. 180 Tab Zoznam použitých blokov blok panelu Wattmeter DAQ Assistance

30 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 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.

31 Obr Izolačné poruchy statora 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 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 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 Izolačné poruchy rotora

32 7.1.5 Medzi závitové spojenie rotora Táto ochrana sa projektuje len zriedkavo. Používa sa Skalková ochrana, ktorá využíva osový magneticky tok Zemné spojenie rotora superpozíciu. Ako ochranu pri zemnom spojení môžme použiť striedavú alebo jednosmernú 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.

33 7.2 Nenormálne podmienky chodu stroja 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 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 Samobudenie Tento jav vzniká pri chode generátora, ktorý napája kapacitnú záťaž. Jedná sa o prebudený generátor. Používa sa prepäťové relé istené minimálnym budiacim prúdom 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.

34 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.

35 Obr 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 Obr Blok panel Ochrany

36 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 Obr 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 Obr Case Structure s hodnotu False

37 V tomto bloku je vynulovaná hodnota I b [%]. Ďalej sú bloky Property Node z menovkami U n a I b [%] 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 U s1 je naplnený totožný blok z menovkou U n. Na front paneli virtuálneho prístroja je zobrazovaná veľkosť indukovaného napätia alternátora U s1 pomocou bloku Knob z menovkou U n. Tab 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 Po stlačení tlačidla Zobraz tabuľku sa zobrazí druhá záložka z tabuľkou a tlačidlom naspäť ku výberu obr V pravom dolnom rohu ovládacieho prístroja sa zobrazí tlačidlo Zápis do súboru, ktorým sa zapisujú hodnoty do súboru a do tabuľky.

38 Obr Virtuálny prístroj so záložkou Tabuľka, editačná časť Obr Virtuálny prístroj so záložkou Tabuľka, 8.1 Tabuľka blok panel Všetky použité bloky v blok paneli Tabuľka sú v tab. 8.1.

39 Obr 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

40 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 Obr 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

41 structure prepne na True. Do bloku Tab control je privedená hodnota 1, čize je Tab Control prepnutý do druhej záložky obr 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.

42 Tab 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

43 9 Zapojenie svorkového poľa karty PCI 6221 ku hardvérovým súčastiam Všetky merané napätia, okrem U b sú pripojené priamo ku analógovým vstupom karty PCI Napätie U b 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 Zoznam pripojených vstupov karty PCI 6221 ku meraným napätiam Vstup AI 0 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 AI 5 AI 6 AI 7 AI 15 Merané napätie U s1 I s1 U s2 I s2 U s3 I s3 U b I b Teplotný senzor Tab 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

44 9.1 Popis meracej karty PCI 6221 Analógové vstupy Počet kanálov NI 6220/NI 6221 Analógovo číslicový prevodník DNL 8 diferenčných alebo 16 samostatných 16 bitový Garantované žiadne strácajúce kódy Vzorkovacia rýchlosť: Maximum Minimum Presnosť časovania Oneskorenie časovania Vstupná väzba Vstupné napätie Maximálne pracovné napätie pre analógové vstupy CMRR (DC až 60 HZ) Vstupná impedancia Analógový vstup až AI GND Vstupný ustálený prúd Presluh (pri 100 khz) Susedné kanály Vzdialené kanály Šírka pásma (-3 db) Vstupno výstupná rýchlosť Skenovacia rýchlosť pamäte Prenos dát Prepäťová ochrana Zapnutého zariadenia Vypnutého zariadenia Vstupná prúdová ochrana 250 KS/s 0 S/s 50 ppm na vzorkovaciu rýchlosť 50 ns DC ±10 V, ±5 V ±1 V, ± 0,2 V ±11V proti AI GND 95 db >10 GΩ pri 100 pf ±100 pa -75 db -90 db 700 khz 4,095 vzoriek 4,095 položiek DMA (priamy prístup do pamäte) ± 25 V ± 15 V ± 20 ma max/ai pin

45 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

46 Digitálny vstup - výstup/pfi Statické charakteristiky Počet kanálov Ovládanie Port 0 <0..7> (krivkové charakteristiky) Port/vzorkovanie Časovanie (Digitálny výstup alebo vstup) Frekvencia 24 celkovo 8 (P0 <0..7>) 16 (PFI2 <0..7> / P1 PFI <8..15> / P2) Každý terminál je individuálne programovateľný ako vstup alebo výstup do 8 bitov 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 Deliče 1 až 16 Základná presnosť časovania 10 MHz, 100 khz 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> ma PFI <0..15>/ P1/P ma Výstupný prúd logickej nuly P0 <0..7> - 24 ma PFI <0..15>/ P1/P2-16 ma

47 Obr. Popis pinov meracej karty

48 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 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.

49 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 [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 [7] Hrabovcová V, Rafajdus P, Franko M, Hudák P.: Meranie a modelovanie elektrických strojov v Žiline 2004, ISBN [8] National Instruments: Manuál k meracej karte NI 622x [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

50 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV DIPLOMOVÁ PRÁCA Prílohová časť 2007 Juraj Kučera

51 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