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