Принцип работы экспериментального комплекса

Объектами управления являются три электрических генератора (модель 371.3701), каждый из которых имеет:

• Прямую механическую связь с электрическим двигателем (модель 5АИЕ 71 В2) для приведения генератора в движение.
• Обмотку возбуждения ротора для управления вырабатываемой генератором энергии.
• 3 фазы выходного тока для снятия нагрузки.

Роль источника механического воздействия на генераторы играют электрические двигатели переменного тока, питающиеся от сети 220 Вольт. Вал двигателя и генератора соединен гибкой муфтой, на которой закреплен диск для работы оптического энкодера (модель FC-03). Энкодер служит для получения данных о скорости вращения вала генератора. Полученные данные передаются напрямую в плату управления (модель STM32).

Для снятия нагрузки генераторов используются балластные реостаты (модель РБ - 302) и катушки индуктивности со сварочных аппаратов. При этом одинаковые фазы с 3 генераторов соединены и подключены к 3 разным нагрузочным устройствам. На вторую клемму нагрузочного устройства подключен общий «0» объединенный с трех генераторов.

Получение данных о токе, протекающем через нагрузку обеспечивают 3 датчика переменного тока (модель ACS712) подключенные каждый к соответствующей нагрузке, сигнал с датчиков идет на плату управления.

Плата управления состоит из двух устройств, связанных между собой через UART. Роль вычислительной машины, на которой идет расчет управляющих сигналов выполняет персональный компьютер с установленным пакетом программ MATLAB/Simulink. Вторая плата STM32 предназначена для сбора информации с датчиков, обмена информацией с персональным компьютером и генерации ШИМ-сигнала управления транзисторами. MOSFET транзисторы обеспечивают прохождения необходимого тока через обмотку управления ротора генератора. Имеют внешнее питание 12 Вольт. Для настройки работы транзисторов используются датчики тока в цепи обмотки возбуждения, сигнал с которых идет на плату управления.

Перечень основного оборудования экспериментального комплекса, содержащий наименование и основные характеристики приборов

• Генератор 371.3701. Максимальная мощность 770 Вт, номинальное напряжение 14 В, максимальная сила тока 55 А, частота вращения ротора, соответствующая номинальному напряжению под нагрузкой – 2000 об/мин, 14 В, 35 А.
• Электрический двигатель 5АИЕ 71 В2 (асинхронный). Мощность 750 Вт, номинальная скорость вращения 3000 об/мин.
• Датчик оборотов FC-03 на базе микросхемы LM393. Интерфейс или тип выходного сигнала энкодера: цифровой TTL.
• Датчик тока обмотки возбуждения ACS712 на 20 А.
• Датчик тока на нагрузке линейный AC/DC 57A, CSLA1CD. Максимальный ток измерения – 57 А.
• Нагрузочные устройства. Реостат балластный «РБ-302», который позволяет рассеять до 315 А при напряжении 75 В. На данном реостате нагрузка включается ступенчато, с помощью 6 рубильников, каждый из которых отвечает за свою нагрузочную цепь. Для имитации индуктивной нагрузки используются катушки индуктивности, предназначенные для сварочных аппаратов с пропускной способностью тока до 300 А.
• Блоки питания. Для подключения электроники минимально необходимо постоянное напряжение 12 В (используется компьютерный блок питания 200-400 Вт). Для стенда используется блок питания FSPGroupATX-350PNR на 5 В. Блок питания Faraday 100W/24V используется для обмотки возбуждения на каждом генераторе.
• Компьютер на архитектуре x86. Данное устройство необходимо для запуска и использования Matlab/Simulink.
• Отладочная плата на базе микроконтроллеров Atmega и STM. Данное решение полностью перекрывает необходимые параметры, к тому же позволяет подключиться кабелем USB – microUSB к ПК и передавать данные напрямую с помощью UART

Перечень выполняемых типовых работ

1. Испытание алгоритмов управления сетью электрических генераторов в нормальном режиме работы сети
2. Испытание алгоритмов управления сетью электрических генераторов при внезапном изменении активной и реактивной нагрузок в сети.
3. Отладка алгоритмов управления электроэнергетической сетью.
4. Исследование работы сети электрических генераторов при постоянной и переменной нагрузки в сети.

Перечень применяемых методик измерений

1. Измерение, обработка получаемых сигналов, визуализация и управление осуществляется в реальном времени с применением компьютеризованных средств и привлечения лицензированного программного обеспечения MatLab Simulink RealTime 2015.
2. Минимально достижимый период квантования времени составляет 0.5 сек.
3. Измерение углов поворота ротора - 3 измерения за полный оборот.
4. Измерение токов нагрузки, номинальный интервал 40-50 А.
5. На каждой из трех фаз находятся по 6 рубильников, ступенчато меняющих сопротивление нагрузки.

Степень уникальности стенда

• Онлайн наблюдением за всеми параметрами в сети.
• Онлайн управлением электрическими генераторами.
• Исследованием любых существующих алгоритмов управления.
• Исследованием новых алгоритмов управления электроэнергетической сетью.
• Программированием алгоритмов управления в программной среде Matlab.
• Проектированием алгоритмов управления в виде блок-схем в программной среде Matlab/Simulink.