Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Математическая модель параллельной работы газодизель- генераторов 14
1.1. Математическая модель синхронного генератора 19
1.2. Математическая модель регулятора напряжения 25
1.3. Математическая модель регулятора частоты вращения 30
1.4. Математическая модель газодизеля 35
1.5. Синтез системы управления газодизель-генератора 46
Глава2 Моделирование работы системы газодизель-генераторов при параллельной работе на общую нагрузку 53
2.1. Построение модели системы газодизель-генераторов с применением пакета MATLAB/Simulink 53
2.2. Моделирование параллельной работы газодизель-генераторов на дизельном режиме 62
2.3. Синтез регулятора подачи газа и поддержания запальной дозы дизельного топлива 65
2.4. Моделирование работы газодизель-генератора на газодизельном режиме параллельно с газодизель-генератором на дизельном режиме ...-. 70
2.5. Синтез системы распределения мощности и регулятора поддержания заданной мощности 75
2.6. Моделирование параллельной работы газодизель-генераторов на газодизельном режиме 81
Глава 3 Разработка алгоритмического и управляющего программного обеспечения микропроцессорной системы управления газодизель-генератором 86
3.1. Структура и принципы построения алгоритмов и управляющего программного обеспечения 86
3.2. Алгоритмы управления и обмена микропроцессорной системы 91
3.3. Алгоритм обеспечения защит при работе на газодизельном режиме 98
Глава 4 Экспериментальные исследования микропроцессорной системы автоматического управления газодизель-генераторами 103
4.1. Объект практической реализации системы 103
4.2. Методика разработки и отладки управляющего программного обеспечения 109
4.3. Результаты экспериментальных исследований 11 1
4.4. Экономическая эффективность 122
4.4.1 Основные предпосылки по проведению работ 122
4.4.2 Методические принципы расчета экономического эффекта 122
4.4.3 Расчет экономического эффекта 123
Заключение 128
Список использованных источников
- Математическая модель регулятора напряжения
- Моделирование параллельной работы газодизель-генераторов на дизельном режиме
- Синтез системы распределения мощности и регулятора поддержания заданной мощности
- Алгоритмы управления и обмена микропроцессорной системы
Математическая модель регулятора напряжения
На основании анализа существующих газовых и газодизельных энергетических установок можно сформулировать основные требования, которые ставятся при переводе с дизельного на газодизельное топливо [23], [26], [28], [36], [39]: - реализация при работе на газодизельном топливе такой же мощности, как и на дизельном топливе; - сохранение, по возможности, конструкцию базового дизельного двигателя; - обеспечение возможности перехода с одного вида топлива на другой в процессе работы газодизель-генератора при любой нагрузке; - обеспечение безопасной работы на газодизельном топливе и перехода на дизельный режим работы при возникновении сбоев и аварийных ситуаций; - обеспечение параллельной работы газодизель-генераторов как друг с другом, так и с дизель-генераторами с обеспечением требуемой стабильности напряжения и частоты сети; - поддержание дозы запального дизельного топлива в пределах 5-10 % от полного расхода топлива дизельного двига -10 теля, при любых режимах работы на газодизельном топливе; - обеспечение минимальной длительности переходного про цесса на переменных режимах работы.
При работе газодизельных электростанций переменного тока, как параллельно друг с другом, так и параллельно с дизельными электростанциями возникают проблемы, связанные с колебаниями тока и мощности, которые вызывают нестабильность напряжения и частоты сети [37], [39], [43]. Исследование устойчивости параллельной работы дизель-генераторов с учетом электрических и механических элементов было проведено в трудах Толшина В.И. [43], [44], Михайлова В.А. [37], Крутова В.ЩЗЗ], [34], [35], вопросами данной тематики занимались ученые: Стре-копытов В.В., Коссов Е.Е., Боровков В.М., Зысин Л.В., Урусов И.Д., Колосов Б.П., Горбунов О.А., Улановский Э.А. Возникающие колебания крайне нежелательны по следующим причинам: - электростанции при параллельной работе нельзя нагружать до номинальной величины; - нестабильность напряжения и частоты ухудшают качество электрической энергии; - элементы газодизелей работают в состоянии вибрации большой амплитуды, что отрицательно сказывается на надежности их работы и ресурсе.
Решение этой проблемы зависит от правильного выбора параметров систем управления подачи газа и распределения мощности газодизельных электростанций. Использование в качестве таких систем современных микропроцессорных средств управления и регулирования позволяет найти гибкое, недорогое и эффективное решение проблемы.
Бурное развитие микропроцессорной техники способство вало широкому ее внедрению. Постоянное улучшение эксплуатационных характеристик, усложнение функционального состава, увеличение разрядности и быстродействия, при одновременном снижении стоимости поставило микропроцессорные системы регулирования вне конкуренции по сравнению с механическими, гидравлическими и аналоговыми системами. Кроме того, усложнение современных микропроцессорных систем не приводит к затруднениям в их использовании, так как фирмы-производители обязательно обеспечивают сопровождение аппаратных средств, развитыми, рассчитанными на пользователей, программно-техническими комплексами и пакетами поддержки.
Вместе с тем развивается элементная база периферийных устройств и устройств сопряжения с объектом, необходимых для создания завершенной аппаратной конфигурации микропроцессорной системы управления.
Огромное преимущество микропроцессорных систем управления перед механическими, гидравлическими, аналоговыми состоит в том, что легко организовать связь человек-объект с помощью интеллектуального пульта управления, отображающего текущие параметры системы, индикацию аварийных сообщений и причины их возникновения. Эта возможность облегчает труд оператора и позволяет оперативно локализовать и устранять возникающие неисправности.
Все это в совокупности с разработкой алгоритмов управления работой газодизельной электростанцией во всех режимах работы дает возможность быстрого создания недорогих и эффективных программно-аппаратных средств управления. Кроме этого появляется возможность осуществить в короткие сроки модернизацию эксплуатируемых дизельных электростанций и перевод их на газодизельное топливо, придание электростанциям новых потребительских свойств.
Использование программной реализации всех алгоритмов управления и регулирования обеспечивает гибкость и быструю адаптацию системы к различным внешним факторам (тип дизель-генератора, химический состав газа, особенности характеристик потребителя электроэнергии и т.д.), а также расширения функционального состава задач, решаемых системой.
Массовое внедрение современных технологий, в частности микропроцессорной техники, даст еще больший экономический эффект при комплексном подходе к решению вопроса использования газодизельного топлива на электростанциях. Необходимо также решать вопросы совершенствования всех узлов электростанции: дизеля, топливной аппаратуры, силового оборудования.
В данной работе основной целью является получение научно и технически законченных решений, позволяющих обеспечить устойчивую работу во всех режимах газодизельных электростанций, придание им новых свойств в части улучшения эксплуатационных характеристик, а также использовать новые технологии и технические решения при разработке и изготовлении новых газодизельных электростанций.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач: - разработка математической модели параллельной работы газодизель-генераторов; - исследование математической модели распределенной микропроцессорной системы управления параллельной работой газодизель-генераторов при различных режимах работы; - разработка алгоритмов регулирования подачи газа и поддержания запальной дозы дизельного топлива;
Моделирование параллельной работы газодизель-генераторов на дизельном режиме
При параллельной работе синхронных генераторов наблюдаются колебательные процессы, связанные с обменом активных и реактивных мощностей между машинами [37], [43]. Причинами таких режимов могут являться неравномерность работы первичных двигателей, особенности регуляторов частоты вращения, систем автоматической стабилизации напряжения и распределения активных и реактивных нагрузок. Кроме этого, следует иметь в виду наличие внешних воздействий - изменение нагрузки. При разных крутящих моментах на генераторах, появляется разность ЭДС, которая ведет к появлению уравнительных токов (см. Рис. 2). Если Е, и Е2 ( Е Е:) - ЭДС соответственно первого и второго генераторов, то в замкнутом контуре, образованном обмотками статоров, появится разностная ЭДС:
Векторная диаграмма, поясняющая характер уравнительного тока при параллельной работе синхронных генераторов Вектор тока 1ур по фазе отстает от ДЕ и Е, и опережает Е2 . Таким образом Ср является индуктивным для Е, и создавая продольно-размагничивающую МДС реакции статора, стремится уменьшить эту ЭДС Для Е2 ток 1ур ток является емкостным и подмагничивает машину, увеличивая ЭДС Тем самым 1ур стремится выровнять ЭДС параллельно работающих генераторов. Но так как ур является реактивным током, то практически не нагружает первичные двигатели и не влияет на активную мощность, развиваемую генераторами. Следовательно, воздействием на токи возбуждения генераторов можно перераспределить лишь реактивную мощность. Для распределения же активной мощности необходимо воздействовать ча крутящий момент, развиваемый первичным двигателем, регулируя количество подаваемого топлива. Равномерное распределение мощности между параллельно работающими синхронными генераторами без подрегулировки осуществимо только при полном соответствии как внешних характеристик генераторов, так и скоростных характеристик первичных двигателей, что практически неосуществимо.
Рассмотрим далее постановку задачи анализа устойчивости параллельной работы двух газодизель-генераторов. Обобщенная структурная схема регулирования двух газодизель-генераторов приведена на Рис. 3. В целях упрощения приняты следующие допущения: - муфта, соединяющая генератор и газодизель, является абсолютно жесткой; - генераторы синхронизированы и работают в установившемся режиме; - угловая скорость вращения газодизель-генераторов изменя ется в относительно небольших пределах. Воздействие на систему будет задаваться путем подключе ния мощной статической нагрузки.
Выделим основные элементы системы и связь между ними. Объектами регулирования частоты вращения Ші и со2 и углов 9] и Qi, характеризующих взаимное расположение роторов генераторов относительно друг друга при вращении, являются вращающиеся массы дизель-генераторных агрегатов. Их движение происходит по законам равенства моментов: инерционного, крутящего и электромагнитных, которые обуславливают торможение. Электромагнитные моменты являются выходными параметрами генераторов «Генераторі» и «Генератор2».
Крутящие моменты МС и Мс2 создаются газодизелями «Газодизель 1» и «Газодизель2». Входной величиной газодизелей является суммарная цикловая подача топлива gul, которая равна сумме цикловых подач дизельного топлива glul и приведенной цикловой подачи газового топлива к дизельной gur.
Положение реек топливных насосов h является выходной величиной регуляторов частоты вращения и входной для функционального блока «Топливная аппаратура», преобразующего ее Структурная схема регулирования газодизель-генерагоров, работающих параллельно -18 в цикловую подачу дизельного топлива gIL4. Кроме этого положение реек топливных насосов h является входной величиной для микропроцессорной систем управления 1 и 2, как входной параметр регулятора запальной дозы топлива.
Входной величиной регулятора частоты вращения является частота вращения агрегатов и воздействие Uvlip со стороны микропроцессорной системы на задание частоты вращения регулятора частоты вращения.
Выходными величинами генераторов «Генератор 1» и «Генератора 2» приняты комплексные величины ЭДС Е и Е2 и токов її и Ь. Величины Е и I определяют электромагнитные моменты М)М генераторов.
Регулятор напряжения 1 и 2 включают в себя регуляторы и корректоры напряжения. Входными величинами являются комплексные значения токов 1 и Ь генераторов и и комплексные значения напряжения U, определяемые сопротивлением нагрузки RH. Выходной величиной является напряжение возбуждения генераторов ип и и,т.
«Система управления 1» и «Система управления 2» - микропроцессорные системы управления. Входными величинами являются сигналы от датчика положения реек топливных насосов hi и h2 и сигналы от датчиков активной мощности генераторов обоих агрегатов Р;1І и Pil2. Выходными являются сигналы управления клапаном, регулирующим подачу газа и управление заданием частоты вращения регулятора частоты вращения газодизеля.
Функциональные блоки «Газовый тракт 1» и «Газовый тракт 2» преобразуют входную величину массового расхода газового топлива G,-, в приведенную цикловую подачу газового топлива к дизельному gu,.
Синтез системы распределения мощности и регулятора поддержания заданной мощности
В 2.1 - 2.4 приведена математическая модель объекта регулирования. Основной задачей системы управления является перевод объекта регулирования из одного состояния в другое, которое может осуществляться различными способами. В связи с этим возникает проблема выбора наиболее выгодного способа регулирования. Исходя из требований, предъявляемых к системам регулирования подачи газа ( 1.2), таких как обеспечение минимальной длительности переходного процесса на переменных режимах работы, обеспечение требуемой стабильности напряжения и частоты сети при параллельной работе и точного поддержания запальной дозы дизельного топлива, наиболее приемлемым способом является оптимальное по быстродействию управление. Такое управление обеспечивает минимальное время перехода объекта регулирования из исходного состояния в заданное.
Состояние объекта регулирования определяется в каждый момент времени фазовыми координатами у. Система управления регулирует движение объекта регулирования, формируя управление и. Для синтеза оптимальной по быстродействию системы, необходимо найти функцию управления и, минимизирующую критерий:
Решение системы уравнений (73) может быть найдено и определено управление U(t) как решение уравнения (74). Так как функция (i/ (t), BU(t)) линейна, то каждая из функций Uj (і = 1 ... m) кусочно-постоянна, принимает только значения Cj или -Cj и имеет конечное количество переключений. На Рис. 11 приведено оптимальное по быстродействию управление и фазовая траектория движения системы.
Сигналы, пропорциональные фазовым координатам объекта регулирования, через измерительные датчики поступают на аналогово-цифровой преобразователь. После преобразования, сигналы в цифровой форме поступают в вычислительное устройство, где на программном уровне реализованы регуляторы, формирующие управление u (t). Управление u (t) представляет собой сигнал релейного типа, имеющий три состояния 1, 0, -1. Эти сигналы, через выходные ключи, поступают на исполнительные устройства объекта управления.
Определим основные параметры микропроцессорной системы управления.
В соответствии с теоремой Кательникова, любой процесс с частотным спектром, ограниченным величиной со полностью описывается своими дискретными значениями, отстоящими друг
Отсюда, полагая, что процессы в газодизель-генераторе ограничены спектром шириной 50 Гц можно определить требуемую частоту дискретизации F = 100 Гц. При этом (если микропроцессор в выбранном цикле успевает выполнить все требуемые вычисления) можно пренебречь задержкой, обусловленной последовательным принципом обработки информации. Таким образом, основным циклом обработки информации необходимо принять TU.0CII = 10 мс.
Система управления воздействует на газодизель (управление клапаном, регулирующим подачу газа, управление задатчи-ком частоты вращения регулятора частоты вращения). Определим требуемую дискретность изменения выходных величин hp (положение реек топливных насосов) и сол (частота вращения вала газодизеля) при изменении сигналов управления.
Предположим, что при открытии клапана, регулирующего подачу газа от 0 до lo.e., рейки топливных насосов hp изменяет свое положение с 1 до 0 о.е., при этом время открытия клапана составляет t0TKp. Коэффициент передачи канала регулирования: К,, = АЬр/ЛКку = -1, где Дпр -диапазон перемещения реек топливных насосов; АКку - диапазон открытия клапана, регулирующего подачу газа.
Исходя из требования поддержания запальной дозы дизельного топлива равным 5 - 10 %, примем запальную дозу равной hp.j = 0.1. Найдем время полного открытия клапана t(,T1 p необходимого для поддержания запальной дозы с точностью 3%. Учитывая, что дискретность управления рейками топливных на -51 сосов Ah должна быть не более 1,5 % от заданной величины запального топлива:
Отсюда вытекает требование к дискретности измерения положения реек топливных насосов, которая должна составлять не более Ah/2= 0.00075 о.е.
Рассмотрим требования к контуру поддержания мощности. По [43] максимальное изменение частоты вращения (при колебаниях при параллельной работе) не может превосходить 5% от номинального значения, при этом амплитуда изменения активной мощности будет составлять 100%. Предположим, что при изменении частоты задания со., от 1 до 0.95 о.е., активная мощность изменяется от 1 до 0 о.е. Коэффициент передачи канала регулирования:
Анализ динамики работы системы газодизель-генераторов при параллельной работе является задачей сложной и трудоемкой. С развитием вычислительной техники для анализа подобных систем автоматического управления характеризующихся высокой сложностью, повышенными требованиями к показателям точности, быстродействия и устойчивости появились специализированные пакеты программ. Эти пакеты позволяют проводить моделирование, анализ и синтез систем управления. Для дальней -53 шего исследования полученной математической модели объекта регулирования и синтеза системы управления воспользуемся пакетом программ MATLAB/Simulink, выпущенным фирмой Math Works, Inc.
Разработка модели средствами Simulink [29], [32], [46], [47], [48] основана на использовании технологии Drag - and -Drop (Перетащи и вставь). В качестве «кирпичиков» для построения модели используются модули, хранящиеся в библиотеках Simulink. Блоки, включаемые в модель, могут быть связаны как информационно, так и по управлению.
Модель имеет иерархическую структуру (использован механизм подсистем), т.е. состоит из моделей более низкого уровня. Число уровней иерархии практически не ограничено. Данный механизм подсистем позволяет любую сложную систему представить как совокупность взаимодействующих компонентов, внутренняя структура которых при необходимости может быть скрыта.
При моделировании в среде Simulink наряду с параметрами модели можно задавать способы изменения модельного времени (с постоянным или переменным шагом), а так же условия окончания моделирования.
В ходе моделирования имеется возможность наблюдать за процессами, происходящими в системе. Интересующие характеристики системы могут быть представлены, как в числовой, так и в графической форме.
Модель системы параллельно работающих газодизель-генераторов на общую нагрузку в среде Simulink имеет вид, указанный на Рис. 13. Система включает в себя идентичные по структуре подсистемы «Энергосистема 1» , «Энергосистема 2» и «Система управления 1», «Система управления 2». Эти подсистемы по структуре одинаковые, но при моделировании их параметры можно задавать индивидуально. Кроме этого в систему входят подсистемы линии электропередачи «ЛЭП 6300 V» и «Нагрузка энергосистемы».
Алгоритмы управления и обмена микропроцессорной системы
Теоретические принципы, методы расчета и рекомендации настоящей работы положены в основу при разработке микропроцессорной системы управления газодизель-генератором (СУГД), разработанной в Научно-исследовательском институте тепловозов и путевых машин (ГУП ВНИТИ МПС РФ) совместно с ООО «Конвер». Рассмотрим устройство и функционирование системы СУГД. Функциональная схема системы представлена Рис. 29.
Система СУГД представляет собой микропроцессорную систему управления, осуществляющую контроль состояния объекта с помощью датчиков и преобразователей и управление объектом, вырабатывая соответствующие сигналы управления.
Ядром системы СУГД является блок регулирования микропроцессорной системы управления тяговой электропередачи тепловозов (УСТА) [10], [11], [13], [15], выпускаемый серийно. Блок регулирования осуществляет сбор информации от измерительных преобразователей и контактных аппаратов, а также выдачу управляющих воздействий на исполнительные устройства (за-датчик частоты вращения регулятора частоты вращения, клапан, регулирующий подачу газа, отсечной клапан) и осуществляет обмен информацией с периферийными устройствами (пультом управления, температурным измерителем, отладочным оборудованием и параллельно работающей системой СУГД) в соответствии с прикладным программным обеспечением системы.
Блок регулирования (см. Рис. 30) получает питание от бортовой сети электростанции и вырабатывает напряжения питания для измерительных преобразователей перемещения реек топливных насосов газодизеля и положения заслонки клапана, регулирующего подачу газа.
Для определения состояния системы СУГД в блок регулирования вводятся дискретные сигналы от блокировок и контактов реле. Внешние дискретные сигналы гальванически развязаны от внутренних цепей блока регулирования. Ток, потребляемый от источника сигнала, составляет 10 мА. Опрос производится программно каждые 0.1 с. Для устранения «дребезга» контактов предусмотрена программная фильтрация информации. -преобразователи. Преобразователи гальванически развязаны и преобразуют первичный сигнал в пропорциональный токовый сигнал. Значение тока на выходе при номинальном входном сигнале на нагрузочном сопротивлении 1000 Ом составляет 5мА. При изменении полярности входного сигнала направление выходного тока меняется на противоположное.
Измерительный преобразователь перемещения реек топливных насосов обеспечивает измерение перемещения в пределах от 0 до 13 мм. Преобразователь конструктивно состоит из датчика линейных перемещений трансформаторного типа, электронного блока с выходным сигналом 0 ... 5 мА. Питание преобразователя осуществляется постоянным напряжением (15 ± 0,5) В от блока регулирования СУГД.
Токовые сигналы с выходов измерителей мощности, частоты сети и измерительного преобразователя перемещения реек топливных насосов газодизеля и потенциальный сигнал положения заслонки клапана подаются на внешний разъем блока регулирования. Опрос аналоговых каналов происходит программно каждые 0,01 с.
Управляемые системой СУГД электрические аппараты (реле, бесконтактные переключатели) подключаются к внешнему разъему блока регулирования. Все каналы по цепям управления развязаны друг от друга и внутренних цепей блока регулирования. Программное управление исполнительными электроаппаратами (включение/выключение) происходит каждые 0,01 с.
Блок регулирования осуществляет прием информации с температурного измерителя и прием и передачу информации от пульта управления и отладочной ЭВМ по стандартному последовательному интерфейсу RS232.Управление и задание основных режимов работы газодизель-генератора осуществляется операто -109-ром с пульта управления системой СУГД. На передней панели пульта управления находятся кнопки управления, светодиоды, индицирующие основные режимы работы и жидкокристаллический дисплей, на который выводится информация о состоянии системы и различные информационные сообщения.
Температурный измеритель измеряет сигналы, поступающие от 12 термопар ТХА, подключенных к внешнему разъему. Температура холодного спая измеряется датчиком ТСМ. Температурный измеритель корректирует значение температуры ТХА с учетом температуры холодного спая.
Время измерения температуры составляет 0,8 с. Температурный измеритель передает информацию о температуре двумя пачками по 6 значений, кагкдые 0,4 с.
Методика разработки и отладки управляющего программного обеспечения Развитие микропроцессорной техники идет как в направлении усложнения аппаратных средств и внутренней архитектуры микропроцессоров, так и в направлении разработки и развития программных средств поддержки и обеспечения создания управляющих программ. Первоначально разработка и отладка программного обеспечения-для микропроцессорных систем управления проводилась с использованием Ассемблера и соответствующего отладчика. От разработчика системы требовались хорошие знания структуры микропроцессора, его аппаратных и программных особенностей. Отладка программного обеспечения занимала много времени из-за низкого уровня языка программирования.
В настоящее время, для разработки программ управления имеются различные программные и программно-аппаратные пакеты, предоставляющие пользователю возможность доступа ко всем богатым возможностям современных микропроцессоров, при одновременном обеспечении программирования и отладки управляющих программ на языках высокого уровня (С, C++, Pascal и др.). Последующая отладка алгоритмов программного обеспечения проводится на программных (симуляторах) и на программно-аппаратных отладчиках (внутрисхемных эмуляторах).
