Размещено на http://www.allbest.ru/

Система регулирования температуры электрогенератора



Введение

Электрогенераторы широко применяются в различных сферах деятельности для обеспечения автономного электропитания. При работе такие генераторы теряют часть энергии, которая превращается в тепло. Для отвода этого тепла используются различные системы охлаждения. Чем лучше система охлаждает автономную электростанцию, тем ее КПД , долговечность и безопасность работы выше.

Существует два вида систем охлаждения: воздушная и жидкостная. Система воздушного охлаждения представляет собой установку из вентилятора и радиатора, рассеивающего тепло. Основным элементом жидкостного охлаждения является хладагент, который циркулирует по трубам, поглощая тепло. Правильное и бесперебойное функционирование этой системы позволяет избежать перегрева электрогенератора и его последующего выхода из строя. Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.



1.Описание объекта управления

Система регулирования температуры электрогенератора является воздушной системой охлаждения, предназначенной для поддержания заданных температурных режимов электрогенератора на уровне 45 0С. Нагретый воздух поступает в прямоточный трубчатый двухкамерный теплообменник (воздухоохладитель), где под действием охлаждающей воды, закачиваемой из открытого водоема, охлаждается и вентилятором подается для охлаждения генератора. Регулирование температуры воздуха и охлаждающей воды осуществляется по способу дросселирования охлаждающей воды с помощью двухходового регулирующего клапана с электрическим исполнительным механизмом. Используемый способ регулирования приводит к значительным изменениям параметров объекта регулирования, а одноконтурная система регулирования снижает ее быстродействие. Схема объекта управления представлена на рисунке 1

Рисунок 1. Схема ОУ



2.Синтез регуляторов

В ходе курсовой работы были спроектированы ПИД- и ППИ-регуляторы и проведён их анализ и сравнение.

2.1 ПИД-регулятор

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор -- устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса.

ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе -- интеграл сигнала рассогласования, третье -- производная сигнала рассогласования. Достоинством ПИД-регулятора является то, что он позволяет скомпенсировать сразу две постоянные времени . Он включает в себя 3 составляющие : пропорциональную, интегральную и дифференцирующую.

1)Пропорциональная составляющая - уменьшает статическую ошибку системы в раз (К - коэффициент пропорциональности?), увеличивает степень колебательности, следовательно, и запас устойчивости.

2)Интегральная составляющая -устраняет статическую ошибку и делает систему астатической; условие устойчивости системы с И-регулятором:

, согласно этому соотношению, чем больше величина , тем больше будет запас устойчивости, но увеличение данного параметра снижает быстродействие системы.

3)Дифференцирующая составляющая -её добавление в систему обеспечивает ей высокое быстродействие и увеличение запаса устойчивости как по амплитуде, так и по фазе.

Рисунок 1. Кривые разгона при настройке ПИД-регулятора

2.2 ППИ-регулятор

ППИ-регулятор является модификацией предиктора Смита, которая распространена в АСУ ТП более широко, чем сам предиктор Смита. ППИ-регулятор отличается от обычного ПИ-регулятора только тем, что вместо единицы во внутренний контур положительной обратной связи введен элемент запаздывания, время запаздывания которого рано времени запаздывания объекта. ППИ-регулятор компенсирует запаздывание только по каналу управления и практически не компенсирует возмущающие воздействия.



Рисунок 2. Кривые разгона с ПИД-(1) и ППИ-(2)регуляторами

2.3 Моделирование регуляторов

Модель ПИД-регулятора представлена на рисунке 3

Рисунок 3. Модель ПИД-регулятора

Результат моделирования :

Рисунок 4. Результат моделирования ПИД-регулятора



Моделирование ППИ-регулятора:

Рисунок 5. Модель ППИ-регулятора

Результаты моделирования представлен на рисунке 6:

Рисунок 6. Результат моделирования ППИ-регулятора

Для сравнительного анализа ПИД- и ППИ-регулятора необходимо иметь некоторые числовые характеристики ,позволяющие оценить, какой из двух регуляторов будет более эффективным. Эти числовые характеристики называются критериями качества.

Сравним временные показатели качества системы регулирования, которые определяются по её переходной характеристике.

1.Находим запас устойчивости , оценивающийся по перерегулированию:



Значение перерегулирования для ПИД-регулятора :

=15%

Перерегулирование для ППИ-регулятора:

=18%

На основании полученных значений перерегулирования можно сказать, что запас устойчивости является достаточным, так как величина не превышает 10-30%.

2.Оцениваем быстродействие по времени переходного процесса:

а) ПИД-регулятора составляет 6000 мс;

б) ППИ-регулятора - 4000 мс.

Достоинствами ПИД- и ППИ-регуляторов является обеспечивание большого запаса устойчивости,а также устранение статической ошибки.

ППИ-регулятор имеет большее преимущество перед ПИД-регулятором, т.к. время у него меньшее время переходного процесса, а ,значит, система будет более быстродействующей.



3.Анализ системы управления

Передаточная функция объекта управления имеет следующий вид:

Запишем дифференциальное уравнение ОУ. Представим как , произведём замену , положим, что . Преобразовывая заданную ПФ, получаем ДУ вида:

Для анализа системы управления были воспроизведены такие характеристики, как:

1)Переходная характеристика - это реакция системы на единичное ступенчатое воздействие:



Рисунок 7. Переходная характеристика системы

моделирование температурный электрогенератор

По полученной переходной характеристике можно сделать вывод о том, что система устойчивая. Время переходного процесса составляет 10000 секунд .

2)Импульсная характеристика-это реакция системы при подаче на вход воздействия в виде -функции :



Рисунок 8. Импульсная характеристика системы

3)Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика(ЛАЧХ) и фазово-частотная характеристика(ФЧХ):

Рисунок 9. ЛАЧХ и ФЧХ системы

Воспроизведённые ЛАЧХ и ФЧХ показывают, что система обладает большим запасом устойчивости по амплитуде и по фазе.

4)Диаграмма Найквиста- является одним из критериев устойчивости (относится к частотным критериям) . Согласно данному критерию, замкнутая система является устойчивой, если АФЧХ разомкнутой системы не пересекает точку (-1; j0):

Рисунок 10. Построение диаграммы Найквиста

По полученной диаграмме можно сделать вывод, что условие устойчивости по данному критерию выполняется.



4. Технические средства

моделирование температурный электрогенератор

В процессе эксплуатации генераторов изоляция обмоток постепенно стареет. Причиной этого являются загрязнение, увлажнение, окисление кислородом воздуха, воздействие электрического поля и электрических нагрузок и т.д.

Однако главной причиной старения изоляции является ее нагрев. Чем выше температура нагрева изоляции, тем быстрее она изнашивается, тем меньше срок ее службы.

Срок службы изоляции класса В при температуре нагрева ее до 120°С составляет около 15 лет, а при нагреве до 140°С - сокращается почти до 2 лет. Та же изоляция при температуре нагрева 105°С (т.е. в пределах ГОСТ) стареет значительно медленнее и срок службы ее увеличивается до 30 лет. Поэтому во время эксплуатации при любых режимах работы генератора нельзя допускать нагрева его обмоток свыше допустимых температур. Для того чтобы температура нагрева не превышала допустимых значений, все генераторы выполняют с искусственным охлаждением.

В данном разделе курсовой работы рассматриваются основные элементы, входящие в систему охлаждения электрогенератора .



4.1 Датчик температуры

На рисунке 9 представлен интегральный датчик температуры DS18B20:

Рисунок 11. Датчик температуры DS18B20

Назначения выводов:

Рисунок 12. Назначения выводов датчика

DS18B20- это цифровой измеритель температуры, с разрешением преобразования 9 - 12 разрядов и функцией тревожного сигнала контроля за температурой. Параметры контроля могут быть заданы пользователем и сохранены в энергонезависимой памяти датчика. DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire.

Особенности цифрового датчика DS18B20:

1)Для однопроводного интерфейса 1-Wire достаточно одного порта связи с контроллером.

2)Каждое устройство имеет уникальный серийный код длиной 64 разряда.

3)Возможность подключения нескольких датчиков через одну линию связи.

4)Нет необходимости во внешних компонентах.

5)Возможность получать питание непосредственно от линии связи. Напряжение питания в пределах 3,0 В … 5,5 В.

6)Диапазон измерения температуры -55 ... +125 °C.

7)Погрешность не превышает 0,5 °C в диапазоне -10 ... +85 °C.

8)Разрешение преобразования 9 … 12 бит. Задается пользователем.

9)Время измерения не превышает 750 мс при максимально возможном разрешении 12 бит.

10)Возможность программирования параметров тревожного сигнала.

11)Тревожный сигнал передает данные об адресе датчика, у которого температуры вышла за заданные пределы.

12)Совместимость программного обеспечения с DS1822.

13)Крайне широкие области применения.



4.2 Цифровой датчик уровня воды в теплообменнике ДАРИН-ПРО

Рисунок 13. Датчик уровня воды в теплообменнике ДАРИН-ПРО

Прибор обеспечивает управление насосом фильтра и нагревом воды в теплообменнике, кроме того прибор имеет встроенную защиту насоса фильтра по току.

Характеристики:

1)Микропроцессорный прибор с программированием времени работы насоса фильтра по электронному таймеру.

2)Цифровой электронный термостат.

3)Подсвечиваемый ЖК-дисплей с индикацией текущего времени и температуры.

4)Светодиодные индикаторы режима работы насоса фильтра, нагрева, срабатывания защиты по току.

5)Энергонезависимая память, резервное питание для сохранения текущего времени.

6)Программируемая электронная защита по току электродвигателя насоса (до 10 Ампер).

7)В комплект входит датчик температуры РТ 1000 с кабелем 3 м.

Основные параметры:

1)питание- 220 В;

2)мощность подключаемого насоса непосредственно- до 1,5кВт;

3)класс защиты корпуса- IP 65;

4)размеры- 201 мм

Наряду с цифровым датчиком уровня воды в теплообменнике существует контроллер уровня воды. CLD1EA1CM24 - контроллер уровня с одним зондом с функциями включения, выключения, задержки времени для приложений наполнений или слива. Время задержки может быть установлено от 1 до 30 секунд. Этот контроллер на основе м-процессора уровня имеет широкий диапазон чувствительности, от 5 KЩ до 150 KЩ. Питание устройства - 24 В переменного/постоянного тока. Датчик имеет низкое напряжение, максимум 5 В переменного тока и 2 мА тока максимум. Светодиодная индикация: выход включен, питание включено.

Рисунок 14- контроллер уровня воды CLD1EA1CM24

4.3 Контроллер электрогенератора

В качестве контроллера электрогенератора берём контроллер Datakom DKG-105. является цифровым микропроцессорным устройством, имеющим все необходимые функции, необходимые для автоматического управления электрогенератором.

В автоматическом режиме производится контроль трех фаз сети и автоматическое управление запуском двигателя, его остановкой и переключением нагрузки. Во время работы электростанции происходит отслеживание состояния датчиков защиты двигателя и дополнительных входов защиты.

Контроллер DKG-105 имеет весь необходимый набор программируемых таймеров и пороговых значений величин. Программирование конфигураций реле, дает возможность работы с различными двигателями, включая бензиновые. Программирование производится при помощи кнопок на передней панели контроллера.

Контроллер представлен на рисунке:

Рисунок 15. Контроллер электрогенератора DKG-105

Основные возможности:

· входы сети / генератора: 3/1;

· входы пороговых датчиков: давление масла, температура;

· автоматический запуск и остановка электрогенератора;

· релейные выходы: топливный соленоид, стартер, контакторы сети и генератора, дополнительный программируемый;

· программирование с передней панели;

· цифровой дисплей указания частоты генератора и фазных напряжений;

· программируемые параметры и таймеры;

· стандартные монтажные размеры (72х72х76 мм).

Характеристики:

1)Управление: 8 bit микропроцессор.

2)Напряжение сети: до 277 В (фаза-нейтраль)

3)Частота сети: 50/60 Гц

4)Напряжение генератора: до 277 В (ф-н)

5)Частота генератора: 0-100Гц

6)Категория измерений: CAT II

7)Напряжение питания: от 9 до 33 В; от 4 до 33 В (при работе стартера)

8)Потребление: 60 mA в режимах AUTO 200 mA (при открытых релейных выходах)

9)Максимальный ток для выходных реле по постоянному току: 10A-DC.

10)Максимальный ток для выходных реле по переменному току: 10A-AC.

11)Максимальный ток по каждому выводу: 10A-RMS.

12)Рабочая температура: -20°C до + 70 °C

13)Температура хранения: -30°C до 80 °C

14) Максимальная влажность: 95% без конденсата

15)Размеры: 72 x 72 x 76 mm

16)Размеры окна для установки: 68 x 68mm

17)Вес: 240 g (ориентировочно)

18)Точность: Фазные напряжения: 2% + 1 В Частота генератора: +/- 0.5 Гц

19)Материал корпуса: Огнеупорный жаропрочный полимер ABS (UL94-V0, до 110°C)

Соответствие :

-2006/95/EC (по низкому напряжению)

-2004/108/EC (по электромагнитной совместимости)

-EN 61010 (требования по безопасности)

-EN 61326 (требования электромагнитной совместимости)



Заключение

В процессе курсовой работы был выполнен ряд задач:

1. Проведён анализ математической модели объекта управления, в ходе которого были построены следующие характеристики: переходная, импульсная, ЛАЧХ, ФЧХ. По результатам анализа был сделан вывод, что система устойчивая.

2. Синтез ПИД- и ППИ-регуляторов, сравнение работы системы с различными регуляторами. При сравнении двух регуляторов были найдены значения перерегулирования и времени переходного процесса.

Для ПИД-регулятора:

- ;

-.

Для ППИ-регулятора:

-

- .

ППИ-регулятор характеризуется большим быстродействием.

3.Выбраны технические средства для работы системы охлаждения генератора:

- датчик температуры DS18B20

- цифровой датчик уровня воды в теплообменнике ДАРИН-ПРО

- контроллер уровня воды CLD1EA1CM24

- контроллер электрогенератора DKG-105



Список использованных источников

моделирование температурный электрогенератор

1.Авдеева О.В. Основы управления техническими системами (Теория линейных систем): учеб. пособие/ О.В. Авдеева,Д.В.Артамонов,А.Д. Семёнов Пенза : Изд-во ПГУ,2015.-246 с.

2. Авдеева О. В., Артамонов Д. В., Семёнов А. Д. Проектирование систем управления : метод. Указания к практическим занятиям по курсу «Автоматизация проектирования систем и средств управления». - Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. - 154 с.



Приложение

Текст программы

T1=63

T2=2095

s=tf('s')

wtf=exp(-129*s)*1/((T1*s+1)*(T2*s+1))

step(wtf) % переходная характеристика системы

figure(1)

grid on

figure(2)

nyquist(wtf)% диаграмма Найквиста

grid on

figure(3)

bode(wtf)%ЛАЧХ и ФЧХ

grid on

figure(4)

impulse(wtf) % Импульсная характеристика

figure(4)

grid on

Размещено на Allbest.ru

...