Разработка математической модели устройств управления возбуждением и состоянием синхронного генератора на микропроцессорной базе с использованием Mathlab Simulink и Arduino Due
Рассмотрение степени подобия физических моделей энергосистем натурным энергосистемам, которое зависит от качества моделирования устройств автоматического регулирования. Управление возбуждением и состоянием синхронного генератора на микропроцессорной базе.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.11.2020 |
| Размер файла | 279,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кафедра «Физики, электротехники и электроэнергетики»
Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ
Разработка математической модели устройств управления возбуждением и состоянием синхронного генератора на микропроцессорной базе с использованием Mathlab Simulink и Arduino Due
Елисеева Анастасия Александровна, старший преподаватель
Аннотация
Статья посвящена рассмотрению Степень подобия физических моделей энергосистем натурным энергосистемам зависит от качества моделирования устройств автоматического регулирования. Технология позволяет быстро получить исходный программный код, однозначно описывающий структуру управления и регулирования. Полученный исходный код вместе с разработанной автором программой позволяет создавать модели систем управления на микропроцессорной базе. Созданная система управления, функционирующая в режиме реального времени, может быть использована при управлении оборудованием физических моделей энергосистем ЦАФК.
Ключевые слова: физическая модель энергосистем, микропроцессорное устройство, автоматическое управление, технология создания, реальное время, моделирование.
Annotation
The article deals With the degree of similarity ofphysical models of power systems to natural power systems depends on the quality of modeling of automatic control devices. The technology allows you to quickly get the source code that uniquely describes the structure of management and regulation. The resulting source code together with the program developed by the author allows you to create models of control systems based on a microprocessor. The created control system, which functions in real time, can be used to control the equipment ofphysical models of the power systems of the CAFC.
Key words: physical model of power systems, microprocessor device, automatic control, creation technology, real time, modeling.
На сегодняшний день задача исследования энергосистем решается с применением ряда подходов. Немаловажную роль в этом вопросе играет применение моделирования. Известно, что при должном уровне обеспечения подобия моделирование позволяет воспроизводить интересующие исследователя явления с заданной точностью. В электроэнергетике для исследований энергосистем используются физические и математические модели. При этом аргументированной критике подвергаются оба указанных типа моделей в виду их естественного несовершенства.
Одним из главных достоинств физического моделирования энергосистем, часто ставящим его на первое место, является обеспечение возможности качественного воспроизведения всех натурных процессов, протекающих в реальных энергосистемах. Кроме того, математическое описание исследуемых процессов нередко имеет ряд пренебрежений, которые иногда могут оказаться существенными и исключить из рассмотрения ряд натурных явлений. В этом случае требуется применение специальных методов и приемов, позволяющих нивелировать указанный недостаток.
Однако ответ на вопрос, каков достаточный для моделирования набор свойств натурного объекта, не всегда очевиден.
С другой стороны, с помощью математического моделирования при условии совершенного математического описания можно максимально точно без видимых ограничений воспроизводить полностью изученные процессы, а также работу элементов, функционирующих за счет реализованного в них математического аппарата (например, устройств управления, регулирования и защиты).
С учетом сказанного, с точки зрения обеспечения подобия привлекательным выглядит сочетание достоинств физического и математического моделирования в едином комплексе устройств.
Первоначальной задачей при создании модели устройства является создание его адекватного математического описания и набора специальных функций, которые могут потребоваться в ходе исследований. Для наглядного создания математических моделей с возможностью их предварительного тестирования существует большое количество разнообразного программного обеспечения. Для разработки технологии создания моделей устройств наиболее привлекательным выглядит использование программного комплекса MATLAB SIMULINK.
Для работы моделей SIMULINK в режиме реального времени создано немало специализированных устройств, однако их высокая стоимость не позволяет полностью оснастить ими оборудование ЦАФК. С другой стороны, существует немало программно-аппаратных средств, имеющих низкую стоимость, но их использование осложняется требованием специализированных знаний, часто привязанных к особенностям конкретных моделей этих устройств.
Одним из примеров систем, обладающих невысокой стоимостью в сочетании с относительной простотой программирования, наличием интегрированных устройств АЦП, ЦАП, дискретных входов и выходов, а также сопровождаемых бесплатными средами разработки, являются устройства типа Arduino DUE (с использованием данной платы в качестве целевой системы выполнена апробация предложенного в настоящей работе подхода). Для работы устройств этого типа необходимо наличие программного кода на языке высокого уровня. Доступ к устройствам ввода/вывода платы не требует специфических знаний и может осуществляться с помощью API-функций среды разработки.
Таким образом, созданную с помощью SIMULINK модель необходимо перевести в программный код. Это можно сделать посредством использования программного пакета MATLAB Coder (MC), разработанного для такого преобразования.
Структуры создаваемых в SIMULINK моделей можно упростить, освободив их от ряда однотипных для различной модели операций. Такими операциями являются первичная обработка сигналов, отвечающих параметрам электрического режима, и получение на их основе различных интегральных величин (ИВ). Таким образом, код, созданный с помощью MC, будет описывать поведение модели на основе интегральных параметров, которые будут подготовлены с помощью кода получения и обработки сигналов объекта управления (далее - код обработки).
Как отмечалось ранее, типовые модели элементов генераторного узла, отвечающие АРВ или турбинам, обычно включают схожий набор исходных данных.
Обычно интегральными величинами являются напряжение и ток прямой последовательности генератора, ток возбуждения, активная и реактивная мощность, частота напряжения. Получение величин этого набора выделено в код обработки. Графически описанная структура приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема устройства
управление синхронный генератор микропроцессорный
Исходная сложность реализуемой модели неизвестна, а значит, доподлинно неизвестно время выполнения одного расчетного цикла модели. Поэтому для обработки синусоидальных величин целесообразно использовать оконное преобразование Фурье с программно задаваемым шагом дискретизации, а частотой дискретизации управлять программными прерываниями, реализуемыми платой. Для снижения времени выполнения кода обработки можно пользоваться методом, описанным ранее, который позволяет снизить количество операций по вычислению ИВ на каждом шаге в 4 раза за счет использования частичных интегральных сумм, полученных ранее. Частичные интегральные суммы формируются каждую четверть периода, а, следовательно, число точек на период промышленной частоты должно быть кратно четырем. Возможна дальнейшая модификация подхода, заключающаяся в использовании дополнительной памяти и позволяющего получать ИВ после каждого опроса АЦП.
С использованием полученных на фиксированном периоде ИВ (коэффициенты Фурье) может быть рассчитана частота напряжения [3]. Частотная погрешность вычисленных ИВ может быть ликвидирована с помощью метода компенсации частотной погрешности при цифровых измерениях параметров электрического тока промышленной частоты [4].
Таким образом, на выходе кода обработки будет типовой набор параметров электрического режима, который может быть использован в коде, полученном в MC на основе SIMULINK модели устройства.
Разработанная технология требует масштабной процедуры тестирования, учитывающей множество особенностей решаемых задач. В настоящей работе приводится только краткое описание первичной процедуры апробации использования предложенной технологии.
Первичная процедура апробации выполнялась с использованием цифрового программно-аппаратного комплекса моделирования энергосистем в режиме реального времени Real Time Digital Simulator (RTDS).
Для первичной апробации технологии целевой системе была реализована математическая модель АРВ. Структурная схема модели представлена на рисунке 2.
Данная модель в дальнейшем вместе с целевой системой и кодом обработки может быть верифицирована согласно методике получения экспериментальных частотных характеристик устройств управления и/или сравнительных экспериментов с промышленным образцом АРВ. Согласно технологии, был получен код модели, который был состыкован с кодом обработки и выполнена прошивка целевой системы. Целевая система была подключена к интерфейсным блокам RTDS. В RTDS была создана простейшая схема «генератор - трансформатор - линия - шины бесконечной мощности». По команде на шины высшего напряжения трансформатора подключалась батарея статических конденсаторов (БСК).
Рисунок 2
Было выполнено ряд экспериментов, включающих различные возмущения. Пример осциллограммы, полученной при подключении и отключении БСК, приведен на рисунке 3. Как видно из рисунка, после включения БСК регулятор отрабатывает воздействие, что свидетельствует о работоспособности технологии.
Рисунок 3. Включение БСК в модели.
Для повышения достоверности и точности моделирования энергосистем целесообразно объединять достоинства физического и математического моделирования.
Использованные источники
1. Марченко Е.А. Электродинамическое моделирование автоматизированных электроэнергетических систем. Учебное пособие. Л.: изд-во ЛПИ, 1984, 80 с.
2. Зеленин А.С., Шескин Е.Б., Штефка Й., Программно-технический комплекс для формирования и реализации цифровых моделей регуляторов возбуждения и мощности энергоблоков // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды III международной научно-технической конференции: сборник статей. В 2 т. Екатеринбург: УрФу, 2012 - С. 238 - 243.
3. Зеленин А.С., Штефка Й.. Расчет частоты по коэффициентам разложения Фурье в трехфазной сети // Известия НТЦ Единой энергетической системы, 2013. 2. №69. С. 32-35.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие понятия и определения в математическом моделировании. Основные допущения при составлении математической модели синхронного генератора. Математическая модель синхронного генератора в фазных координатах. Реализация модели синхронного генератора.
дипломная работа [339,2 K], добавлен 05.10.2008Назначение системы автоматического регулирования (САР) и требования к ней. Математическая модель САР напряжения синхронного генератора, передаточные функции разомкнутой и замкнутой системы. Определение предельного коэффициента усиления системы.
курсовая работа [670,0 K], добавлен 09.03.2012Установившийся режим трехфазного короткого замыкания синхронного генератора. Физические явления при внезапном трехфазном коротком замыкании в цепи синхронного генератора без автоматического регулятора напряжения. Процессы изменения магнитных потоков.
лекция [76,5 K], добавлен 11.12.2013Параллельная работа синхронного генератора с сетью, регулирование его активной и реактивной мощности. Построение векторных диаграмм при различных режимах нагрузки. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа.
контрольная работа [92,0 K], добавлен 07.06.2012Устройство синхронного генератора, экспериментальное подтверждение теоретических сведений о его свойствах. Сбор схемы генератора, пробный пуск и проверка возможности регулирования параметров. Анализ результатов эксперимента, составление отчета.
лабораторная работа [221,2 K], добавлен 23.04.2012Конструкция синхронного генератора и приводного двигателя. Приведение генератора в состояние синхронизации. Способ точной синхронизации. Процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа. Порядок следования фаз генератора.
лабораторная работа [61,0 K], добавлен 23.04.2012Експериментальні способи зняття характеристик трифазного синхронного генератора. Схема вмикання генератора. Зовнішня характеристика як залежність напруги від струму навантаження при сталому струмі збудження. Регулювальна характеристика, коротке замикання.
лабораторная работа [204,2 K], добавлен 28.08.2015Расчет пазов и обмотки статора, полюсов ротора и материала магнитопровода синхронного генератора. Определение токов короткого замыкания. Температурные параметры обмотки статора для установившегося режима работы и обмотки возбуждения при нагрузке.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 20.06.2014Расчет и оптимизация геометрических и электрических параметров трехфазных обмоток статора синхронного генератора. Конструирование схемы обмотки, расчет результирующей ЭДС с учетом высших гармонических составляющих. Намагничивающие силы трехфазной обмотки.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 24.04.2014Свойства и характеристики синхронного генератора. Потеря энергии при преобразовании в синхронном генераторе механической энергии в электрическую. Устойчивость и увеличение перегрузочной способности генератора. Особенности параллельной работы генератора.
реферат [206,4 K], добавлен 14.10.2010Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением: конструкция генератора, схема привода, аппаратура управления и измерения. Определение КПД трехфазного двухобмоточного трансформатора по методу холостого хода и работы под нагрузкой.
лабораторная работа [803,4 K], добавлен 19.02.2012Определение планирования и анализа эксперимента. Матрица планирования с фиктивной переменной. Расчет усредненной оценки дисперсии воспроизводимости. Рассмотрение свойств синхронного генератора. Стабилизация напряжения регулированием тока возбуждения.
курсовая работа [315,8 K], добавлен 11.11.2014Расчет авиационного генератора с параллельным возбуждением. Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и выпрямительного устройства. Выбор схемы выпрямителя. Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.01.2014Оценка величины потребляемой реактивной мощности электроприемников. Анализ влияния напряжения на величину потребляемой реактивной мощности. Векторная диаграмма токов и напряжений синхронного генератора. Описания основных видов компенсирующих устройств.
презентация [1,9 M], добавлен 26.10.2013Электромагнитная мощность генератора постоянного тока, выбор числа пар полюсов и коэффициента полюсной дуги. Расчет обмотки якоря и магнитной цепи, построение характеристики холостого хода. Определение магнитодвижущей силы возбуждения при нагрузке.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 27.10.2011Мощность в функции времени. Топографические и лучевые векторные диаграммы. Резонанс в линейных цепях при гармонических напряжениях и токах. Принцип действия синхронного генератора. Обмотки статора генератора, их обозначение. Явно- и неполюсной ротор.
презентация [1,4 M], добавлен 16.10.2013Технологический процесс пароснабжения с использованием электродного водогрейного котла. Назначение деаэратора ДСА-300. Разработка системы автоматического регулирования агрегата на базе современных технических средств автоматики, выбор типа регулятора.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 03.12.2012Разработка математической модели, описывающей все процессы, происходящие в системе управления двигателем переменного тока с последовательным возбуждением. Получение передаточных функций объекта. Временные и частотные характеристики, коррекция системы.
курсовая работа [680,8 K], добавлен 14.06.2014Системы возбуждения синхронных генераторов. Изменение величины выпрямленного напряжения. Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Изменение тока возбуждения синхронного генератора. Активное сопротивление обмотки.
контрольная работа [651,7 K], добавлен 19.08.2014Составление схемы замещения сети и расчет токов короткого замыкания. Принципы реализации защит блока, подключенного к РУ-110 кВ, на базе шкафа микропроцессорной защиты, разработанной предприятием "ЭКРА", ШЭ1113. Оценка чувствительности некоторых защит.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 14.09.2012
