Віртуальний комплекс-тренажер для дослідження систем захисту асинхронних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, Кременчук

ВІРТУАЛЬНИЙ КОМПЛЕКС-ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМ ЗАХИСТУ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ. Урахування тенденції зростання обсягу самостійної роботи студентів із одночасним зменшенням кількості аудиторних занять, недостатньою їх кількістю, а іноді й відсутністю сучасної літератури з технічних дисциплін, необхідністю матеріальних витрат на організацію традиційного лабораторного практикуму призводить до необхідності створення універсальних комп'ютеризованих віртуальних лабораторних комплексів (ВЛК) [1, 2].

ВЛК призначені для відпрацювання обсягу завдань лабораторного практикуму, передбаченого навчальним планом: засвоєння умінь і навичок роботи з лабораторним обладнанням; вивчення роботи електротехнічних пристроїв у всіх режимах, включаючи аварійні тощо. ВЛК дослідницькі призначені для проведення наукових досліджень, виконання розрахунків, експериментальних робіт, створення проектів тощо.

Метою роботи є синтез такого віртуального комплексу-тренажера, який поєднуватиме два напрями.

МАТЕРІАЛ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ. Віртуальний комплекс-тренажер являє собою спеціалізований імітатор, призначений для реалізації елементів методу активного навчання та набуття навичок у предметній області з питань захисту асинхронних двигунів (АД). Комплекс утворений із підсистем (програмних модулів) функціонально пов'язаних між собою та має модульну структуру (рис. 1). До переліку програмних модулів належать інтерфейс користувача, підсистеми: «Модель мережі живлення», «Модель АД», «Модель навантаження» та підсистема «Моделі захисту».

Певну групу підсистем (рис. 1) виділено у два умовних блоки. Блок «Візуалізація» являє собою інтерфейс користувача. Блок «Розрахунок» містить підсистеми, призначені для виконання розрахункових задач, тобто є «обчислювальною системою» імітатора.

Рисунок 1 - Загальна структура віртуального комплексу

До інтерфейсу, насамперед, відноситься підсистема «Система управління», яка забезпечує інтерфейс між іншими підсистемами імітатора та користувачем, зокрема, функції визначення режиму роботи АД: «СТОП», «ПУСК», «РОБОТА», «АВАРІЯ»; керування потоками даних; має функцію «внутрішнього» керуванням роботою підсистем імітатора (наприклад, пуск МСЗ - максимального струмового захисту, таймерів для витримок часу тощо); містить графічні об'єкти керування та контролю, систему меню, засоби подання числової, текстової та графічної інформації; дозволяє здійснювати інтерактивний вплив під час функціонування імітатора на процеси, що імітуються. Так, залежно від вимог користувача та задачі, яку він вирішує, можна попередньо до запуску імітатора та безпосередньо під час його роботи задавати та відповідно змінювати параметри, які містять блоки: «Параметри мережі», «Параметри АД» та «Модель навантаження», «Вставки».

Підсистема «Модель АД» містить сукупність моделей, які забезпечують імітацію роботи АД у різних режимах при імітації передаварійної та аварійної ситуацій. За базову обрано модель АД, записану системою диференційних рівнянь для трифазної системи координат. Уведення електромагнітних значень параметрів здійснюється за допомогою блоку «Параметри АД».

Підсистема «Модель мережі живлення» призначена для моделювання трифазної мережі живлення шляхом задання первинних її параметрів (амплітуди, частоти, фази за кожною фазою мережі), що забезпечується блоком «Параметри мережі». Це надає можливість для формування якості електропостачання за показниками ГОСТ 13109-97 (несиметричність, несинусоїдальність) та зовнішніх впливів (короткі замикання).

Підсистема «Модель навантаження» призначена для формування навантаження шляхом задання моменту на валу АД.

Підсистема «Моделі захисту» містить математичні моделі функцій захисту АД відповідно до ППЕ (правила пристроїв експлуатації): захист від перевантаження; захист мінімальної напруги; захист від коротких замикань на землю, та додаткових функцій:

- тепловий захист;

- контроль пускового режиму двигуна;

- реєстрацію та осцилографування даних.

Блок «Уставки» надає можливість завдання значень уставок для зазначених типів захисту.

Важливим є те, що усі зазначені підсистеми реалізовано з можливістю ітерактивного впливу на їхні параметри як до запуску імітатора, так і під час проведення досліджень, що, у свою чергу, забезпечує імітацію роботи АД у різних режимах.

Блок «Результати» містить засоби виведення вихідної інформації поточних результатів у вигляді масивів числових значень та текстових повідомлень, які формуються під час роботи імітатора.

На рис. 2 наведено інтерфейс користувача розробленого ВЛК. Інтерфейс містить кілька вікон призначених для відображення статичної та динамічної інформації. Імітатор електромеханічної системи містить АД, під'єднаний через автоматичний вимикач (АВ) до трифазної мережі електропостачання, систему захисту (МТЗ) на яку з датчиків напруги (ДН) та струму (ДТ) надходять відповідні дискретні значення.

Рисунок 2 - Інтерфейс користувача віртуального комплексу

Панель «МТЗ» (рис. 2) містить світлову індикацію для оповіщення стану запуску (або спрацювання) захисту, обраного при конфігурації функцій захисту. Для зміни режиму навантаження призначений віртуальний прилад, який являє собою підсистему «Модель навантаження» та відноситься до системи керування імітатором. Навантаження задається шляхом завдання у відносних одиницях відносно номінального моменту на валу двигуна.

Структурна та функціональна побудова системи меню забезпечує активізацію дій, що закріплені за пунктами меню. Пункти меню «Сеть», «АД» забезпечують завдання стану та параметрів моделей, які відображені в їх назві. Причому завдання стану та параметрів моделей можна виконувати як до запуску імітатора так і в процесі його роботи.

Група кнопок «параметри» (у системі) дозволяє викликати програмні модулі «Модель сети» і «Модель АД» - кнопки «Сеть» і «АД» відповідно.

Для ініціалізації та деініціалізації застосовано засоби пакету, які дозволяють завантажити в оперативну пам'ять дані, що зберігаються на диску, та вивантажити їх. Функціональна побудова ініціалізації і деініціалізації зазначених модулів у головному модулі має вигляд, зображений на рис. 3. Така реалізація основана на застосуванні засобів роботи з файлами та їх Property Node.

Рисунок 3 - Фрагмент програмного коду ініціалізації та деініціалізації модулів «Модель мережі» і «Модель АД»

Останньою у цій групі є «спискова» кнопка, призначена для активізації певного типу захисту («МТЗ», «Тепловая защита», «ОЗЗ», «ЗМН») та встановлення значень вставок у ділянках відповідних закладок (по замовчанню - при завантаженому ВЛС і вони недоступні). Для реалізації використано віртуальні інструменти: Menu Ring, Tab Control. Роботу з даними режимами роботи системи управління розглянуто нижче.

Для індикації поточного режиму роботи АД призначено поле режим. Залежно від поточного режиму надпис змінюється («СТОП», «ПУСК», «РОБОТА», «АВАРІЯ») і підсвічується кольором відповідно режиму: білим, жовтим, зеленим (або жовтим - попереджувальним), червоним. На рис. 4 зображено реалізацію виконання даної функції.

Відповідно до визначеного режиму роботи АД з масиву констант Array Constant за номером, що надходить до функціонального оператора Index Array обирається відповідне повідомлення і за допомогою структури Case обирається відповідна комбінація для завдання кольору індикатора. Значення двох однакових елементів зумовлена забезпеченням можливості індикації аварійно небезпечного режиму, тобто проміжного між нормальним і аварійним, так як такий режим теж є робочим. Після індикації номер даного режиму є активним і передається як вихідний вектор параметрів.

Рисунок 4 - Фрагмент коду, що реалізує індикації поточного режиму роботи АД

Екранна форма містить ділянку «Статус», в якій відповідно до поточного режиму роботи АД - ідентифікованому стану та стану активізованої групи захисту виводиться відповідна інформація. Причому, крім текстового повідомлення наводиться час, приведений до астрономічного, у який даний стан був зафіксований підсистемою «Модель захисту». Реалізація даної можливості виконана на основі двох блоків (рис. 5 а-б). Перший забезпечує ініціалізацію виконання даної функції (рис. 5 а) з режимом «СТОП», а другий - безпосереднє виконання в процесі роботи ВЛКС залежно від поточного режиму.

Рисунок 5 - Фрагмент коду, що реалізує індикації процесів захисту АД

Перший блок містить сукупність функціональних операторів, які забезпечують отримання поточного часу, завдання кількості рядків для виводу (константа 10), формування рядка виводу та занесення його до масиву передісторії.

Другий має майже таку саму структуру, але поміщений у структуру Case, яка є активною при визначеній зміні стану АД та змін, що пов'язані з роботою підсистеми «Модель захисту» і наявність вектору констант стандартних повідомлень. Вхідне і вихідні з'єднання необхідні для забезпечення збереження передісторії.

Для оперативного контролю за параметрами, які характеризують роботу електромеханічної системи з боку мережі і двигуна, призначений блок індикації, який містить індикатор періоду (рис. 6), за який здійснюється розрахунок миттєвих значень та діючих значень напруги і струму, а також температури обмотки статора АД, у якій струм є максимальним. Розрахунок цих значень також реалізовано у головному модулі ПЗ.

З визначенням періоду (рис. 6) усередині відповідної структури Case здійснюється на основі масивів, що містять дискретні значення струмів (рис. 7). Шляхом звернення до SubVI виконується розрахунок діючих значень і їх виведення на екран дисплею.

Рисунок 7 - Фрагмент коду, що реалізує індикації процесів захисту АД

Крім того, визначається найбільш завантажена струмом фаза й здійснюється визначення температури (рис. 8).

Рисунок 8 - Фрагмент коду, що реалізує індикації процесів захисту АД

Реалізація даного фрагменту здійснюється відповідно до математичної моделі. ЇЇ особливість полягає в тому, що застосовується структура Sequence для забезпечення розрахунків як за параметрами конфігурації ВЛС, так і за параметрами, заданими користувачем.

На рис. 9 зображено фрагмент коду ПЗ головного модуля ВЛКС, який забезпечує завдання початкових умов для підсистеми «Модель АД»: у - вектор початкових значень для системи диференціальних рівнянь, x - значення початкового модельного часу, h - крок інтегрування, кнопки pusk, stop («ON/OFF», «STOP»), блоки підсистем «Параметри АД», «Модель АД» і «Модель мережі». віртуальний імітатор асинхронний двигун

На рис. 10 зображено фрагмент коду головного модуля ВЛК з пунктом меню «Reset».

Наприклад, за рис. 10, при активній кнопці «Reset» у структурі Case із значенням True приймають нульове значення періоду та температур, на індикаторі режиму роботи виводиться стан СТОП на білому фоні. У протилежному випадку (значення структури Case має значення False) відповідні з'єднання з лівого та правого боку структури Case є нероз'ємними.

Зазначимо, що підсистему «Модель АД» утворюють два блоки: «Параметри АД» і власно «Модель АД», які є невід'ємними частинами ПЗ ВЛС: вихідні дані першої є вхідними даними другої. Відповідно до розробленої структури блок «Параметри АД» реалізовано у вигляді SubVI (рис. 11), який з'являється при натисненні кнопки меню «АД».

Рисунок 11 - SubVI «Параметри АД» у режимі розробка

Цей SubVI реалізований як кластер (Claster), що містить відповідні значення параметрів, об'єднаних у групи: «Параметры АД», «Активные сопротивления (Ом)», «Реактивные сопротивления (Ом)» і є його входом і виходом.

Власно «Модель АД» також реалізовано у вигляді SubVI (рис. 12) із застосуванням script-мови пакету. Відповідно методу Рунге-Кутта 4-го порядку з постійним кроком інтегрування використовується конструкція циклу з параметром, вхідні дані, що розташовані ліворуч також входять до структури Formula Node, проміжні дані (масиви у0 та у1) і результати: струми (масив ІІ) та масив рішень, оформлені зв'язками через Shift Register.Основними функціональними структурами, що реалізують модуль «Модель АД» є:

- підпрограма create matrix - утворення системи лінійних алгебраїчних рівнянь;

- підпрограма gauss - вирішення утвореної системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно струмів;

- структура Formula Node із надписом «break phazs» містить співвідношення, що мають відношення до імітації режиму «Обрив фази»;

- найбільша структура Formula Node призначена для обчислення правих частин системи диференційних рівнянь - моделі АД;

- структура Formula Node, що лишилася і є власно реалізацією методу Рунге-Кутти.

Підсистему «Модель мережі» також утворюють два блоки: «Параметри мережі» і власно «Модель мережі». Вихідні дані першого є вхідними даними другого (рис. 13).

Відповідно до розробленої структури підсистему мережі, як зазначалося вище, реалізовано у вигляді окремого модуля відповідно до математичної моделі, який з'являється при натисненні кнопки меню «АД». SubVI підсистеми «Параметри мережі» у режимі «Розробка» зображено на рис. 14.

При реалізації даного SubVI застосовано масиви для завдання значенб, за необхідності, кожної гармоніки амплітуди, частоти, зсуву фази для кожної фази мережі електропостачання за допомогою вкладеного SubVI, зображеного на рис. 14. Бібліотечні елементи пакету Vertical Toggle Switch (рис. 13) використовуються для імітації короткого замикання на затискачах клемної коробки двигуна.

Рисунок 13 - SubVI підсистеми «Параметри мережі» у режимі «Розробка»

Рисунок 14 - SubVI підсистеми «Параметри мережі» у режимі Розробка

Модуль підсистеми «Модель захисту» за призначенням реалізує функції захисту АД відповідно до обраних користувачем типів захисту і заданих вставок спрацювання і розробленої вище його структури. Програмна реалізація даної підсистеми містить наступні алгоритмічні структури: ініціалізація змінних стану, автоматів, що реалізують математичні моделі функцій захисту. Ініціалізація змінних стану виконується при запуску ВЛС або натисненням кнопки меню «Reset» і являє собою масив бітових значень, відповідно яким «запускається» той чи інший автомат. На рис. 15 зображений фрагмент коду головного автомата при контролі режиму роботи АД у стані «РОБОТА».

Pисунок 15 - Фрагмент коду головного автомата

До селектору структури Case надходить змінна поточного стану. У даному стані виконуються програмні одиниці, що реалізують математичні моделі функцій захисту. Наприклад, на рис. 16 зображено реалізацію автомату захисту за моделлю МЗС-3.

На селектор Case автомату поступає значення логічної змінної, значення якої визначається кнопкою МТЗ-3 (Dialog CheckBox) - вибір даної функції захисту. У даній структурі визначається, чи не перевищило максимальне значення поточного струму значення вставки. Якщо «так», то за внутрішнім селектором Case і відповідному значенню номера обраної зворотної характеристики 1 (на рис. 15 селектор «1» - «нормально інверсна»), виконується SubVI MTZ-3. Даний SubVI має два входи: одним є значення струму, обчислене відносно значення вставки, а другим - значення витримки часу. Звісно, що значення вставок повинні бути заданими користувачем при конфігурації даної функції захисту. Виходом даного SubVI є значення часу, яке «подається» до «таймеру».

Рисунок 16 - Фрагмент коду реалізації автомату захисту за моделлю МЗС-3

У даній структурі Case також містяться константи 3 (для вектору зовнішніх змінних стану) і 1 (для вектору внутрішніх змінних стану), які визначають аварійно небезпечний режим і запуск МЗС-3 відповідно. Ці значення передаються до операторів. Логічна константа зі значенням True є додатковою константою й призначена для світлової індикації даної функції. Аналогічно розглянутому реалізовані й інші 6 зворотно залежних характеристик даної функції захисту.

Інші функції захисту функціонально реалізовані аналогічно розглянутій реалізації функції захисту МЗС-3. Наприклад, функції захисту ЗМН, рис. 17.

При спрацюванні будь-якого захисту «робота» АД припиняється і на екран дисплею у модельному вікні (One Button Dialog) виводиться повідомлення «СПРАЦЮВАННЯ ЗАХИСТУ» й очікується натиснення на клавішу «OK». У режимі «АВАРІЯ», крім світлової та текстової інформації, додатково передбачена можливість, реалізована аналогічно вищезазначеній, виведення відповідного повідомлення.

Рисунок 17 - Фрагмент коду реалізації автомату захисту за моделлю ЗМН

Розроблені структури алгоритмічного і програмного забезпечення відповідають вимогам, висуненим у технічному завданні і забезпечують можливість відпрацювання найпростіших навичок захисту електромеханічних систем з АД.

Варто зазначити, що програмну реалізацію підсистеми «Модель захисту» здійснено, застосовуючи метод, в основі якого лежить технологія безпосередньої реалізації програмного забезпечення керуючого автомата за графом переходів [3, 4], і використовується для розв'язання задач логічного керування, коли і для формулювання задачі, і для її реалізації пропонується застосовувати графи переходів автоматів, що взаємодіють між собою.

Усі зазначені підсистеми ВЛК реалізовано засобами LabView у вигляді SubVI. Визначені вимоги щодо реалізації комплексу задач ВЛК передбачають можливість його модернізації для розширення його функціональних можливостей [5, 6].

Висновки

Створений віртуальний лабораторний комплекс тренажер дозволяє забезпечити його використання у навчальному процесі при підготовці студентів технічних спеціальностей з метою ознайомлення, відпрацювання та набуття ними практичних навичок щодо застосування методів захисту асинхронних двигунів при підготовці до лабораторних робіт та самостійної роботи, а також для застосування у науково-дослідній роботі студентів та аспірантів.

Список використаної літератури

1. Чорний О. П. Віртуальні комплекси і тренажери - технологія якісної підготовки фахівців у галузі електромеханіки, автоматизації та управління / О. П. Чорний, Д. Й. Родькін // Вища школа: Наук. практ. видан. - 2010. - № 7-8. - Освітні технології. - С. 23 - 34.

2. Загірняк М. В. Віртуальні лабораторні системи і комплекси - нова перспектива наукового пошуку і підвищення якості підготовки фахівців з електромеханіки / М. В. Загірняк, Д. Й. Родькін, О. П. Чорний // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. - Кременчук : КДПУ, 2009. - Вип. 2 (6). - С. 8 - 12.

3. Шалыто А. А. Switch-технология - автоматный подход к созданию программного обеспечения «реактивных» систем / А. А. Шалыто, Н. И. Туккель // Программирование. - 2005. - № 5. - С. 45 - 62.

4. Свідоцтво авторського права на твір. Заявка № 12481 Україна. Програмний продукт «Віртуальний лабораторний комплекс дослідження електромеханічних систем» /

О. П. Чорний (UA), Д. Й. Родькін (UA), Ю. В. Лашко (UA), Т. В. Величко (UA), О. В. Котлярова (UA), О. А. Булавін (UA). - заявл. 01.02.2005 ; опубл. 24.03.2005; № 12512.

5. Свідоцтво авторського права на твір. Заявка № 32284 Україна. Програмний продукт «Віртуальний лабораторний комплекс для дослідження систем захисту асинхронних двигунів» / О. П. Чорний (UA), Д. Й. Родькін (UA), Ю. В. Лашко (UA), Є. В. Остапенко(UA), В. В. Герасимович (UA). - заявл. 01.02.2005 ; опубл. 25.06.2010; № 33902.

Аннотация

Розглянуте питання програмного синтезу віртуального комплексу-тренажера. Віртуальний комплекс призначений для застосування у навчальному процесі при підготовці студентів технічних спеціальностей з метою ознайомлення, відпрацювання та набуття ними практичних навичок щодо застосування методів захисту асинхронних двигунів при підготовці до лабораторних робіт та самостійної роботи, а також для його застосування у науково-дослідній роботі студентів та аспірантів кафедри. Віртуальний комплекс являє собою спеціалізований імітатор, призначений для реалізації елементів методу активного навчання та набуття навичок у предметній області з питань захисту асинхронних двигунів. Усі зазначені підсистеми віртуального комплексу реалізовано засобами LabView у вигляді БиЬУІ.

Визначені вимоги щодо реалізації задач віртуального комплексу, які передбачають можливість його модернізації для розширення функціональних можливостей.

Ключові слова: віртуальний комплекс, тренажер, захист, асинхронні двигуни.

Рассмотрен вопрос программного синтеза виртуального комплекса-тренажера. Виртуальный комплекс предназначен для применения в учебном процессе при подготовке студентов технических специальностей с целью ознакомления, отработки и приобретения ими практических навыков по применению методов защиты асинхронных двигателей при подготовке к лабораторным работам и самостоятельной работы, а также для его применения в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов кафедры. Виртуальный комплекс представляет собой специализированный имитатор, предназначенный для реализации элементов метода активного обучения и приобретения навыков в предметной области по вопросам защиты асинхронных двигателей. Все указанные подсистемы виртуального комплекса реализовані средствами LabView в виде SubVI.

Определены требования к реализации задач виртуального комплекса, которые предусматривают возможность его модернизации для расширения функциональных возможностей.

Ключевые слова: виртуальный комплекс, тренажер, защита, асинхронные двигатели.

Размещено на Allbest.ru