CC BY
4
9. B. Joumet, G. Bazin, C. Durieu. An Unique Certain to Estimate the Performances of Some Laser Range Finders", SPIE, 2001. Vol. 4420. P. 32-41.
Малмыгин Ярослав Сергеевич, аспирант, yar.2@mail.ru, Россия, Иркутск, Иркутский Национальный Исследовательский Технический Университет,
Гусева Алина Евгеньевна, аспирант, gusevaae@irk.ru, Россия, Иркутск, Иркутский Национальный Исследовательский Технический Университет,
Гриднев Семён Олегович, канд. техн. наук, доцент, gridnevso@irk.ru, Россия, Иркутск, Иркутский Национальный Исследовательский Технический Университет
CREATION OF A PHASE LASER RANGEFINDER BASED ON A RUSSIAN ELEMENT BASE.
Ya.S. Malmygin, A.E. Guseva, S.O. Gridnev.
The article considers the possibility of creating a domestic laser rangefinder from cheap radio components. The methodology of development and design is based on the simplicity of calculations and computer modeling of individual circuit nodes. A reflector is required for this rangefinder, since avalanche photodiodes are not used in its design. It will be used in geodesy and surveying as an additional high-precision device for tracking deformations of the sides of the quarry.
Key words: laser rangefinder, signal generator, laser emitter, laser receiver, amplifier, transistor.
Malmygin Yaroslav Sergeyevich, postgraduate, yar.2@mail.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Guseva Alina Evgenievna, postgraduate, gusevaae@irk.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Gridnev Semyon Olegovich, candidate of technical sciences, docent, gridnevso@irk.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-260-261
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПИД-РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА СУДНЕ
В.А. Кучеренко, М.В. Чупаков, В.В. Святский
В статье представлен способ решения такой проблемы, как восстановление изоляции обмоток электродвигателей систем электроснабжения на судне с использованием разработанного устройства - ПИД-регулятора. Рассмотрена выбранная элементная база, органы управления и датчик температуры для осуществления работы устройства, разработан алгоритм и исходный код для микроконтроллера Arduino UNO. Так же разработана система защиты от перегрева обмоток электродвигателей.
Ключевые слова: ПИД-регулирование, судовые системы, электрические машины, восстановление изоляции обмоток электродвигателей.
Автоматизация производственных процессов на судне позволяет обеспечить надежность и контроль за работой особо ответственных механизмов, требующих повышенного внимания. Для решения этой проблемы используются системы, содержащие пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор. Эта система включает в себя обратную связь в виде датчиков, которые принимают заданные параметры и впоследствии суммируются в виде сигналов рассогласования в самом контуре управления и передаются на регулирующий механизм. Таким образом, повышается точность управления переходными процессами. В статье представлен способ решения такой задачи, как восстановление изоляции обмоток электродвигателей систем электроснабжения на судне с использованием разработанного устройства - ПИД-регулятора. Такое устройство позволит автоматизировать этот процесс и ускорить время восстановления вышедших из строя электродвигателей из-за снижения сопротивления изоляции обмоток из-за загрязнения, образования конденсата на обмотках или попадания влаги. Устройство разработано на базе микроконтроллера Arduino, в качестве обратной связи используется аналоговый датчик температуры, механизм управления - лампа накаливания с нихромовой нитью накаливания.
260
Проблема восстановления изоляции обмотки электродвигателя на судне. При измерении сопротивления изоляции обмоток электромашин и получения результата ниже допустимых значений, требуется производить разбор электродвигателя, для уточнения и устранения причины падения сопротивления изоляции. В большинстве случаях сопротивление изоляции обмоток электродвигателей уменьшается в следствии перегрева их, или же попадание влаги в статор. На судах в качестве приводов якорно-швартовой лебедки, шлюпочной, лоцман-трапа и других, используются электродвигатели. Расположение таких приводов в большинстве случаях на открытой палубе, что является непосредственным источником попадания влаги внутрь привода и следствием уменьшения сопротивления изоляции. Так же, из-за разницы температур окружающей среды и статора электрической машины может скапливаться конденсат на обмотках. Для устранения конденсата внутри машины, на современных судах, в полости статора может интегрироваться электрический подогреватель. Однако, данный подогреватель не устранит непосредственное попадание влаги внутрь машины и так же может выйти из строя.
На данный момент на судах нет бюджетных устройств, которые могли бы обеспечить восстановление изоляции обмотки. И они также имели бы возможность подключаться к информационно-измерительной системе судна для удаленного получения измеренных параметров.
Устройство для восстановления изоляции обмотки двигателя. В качестве устройства для восстановления изоляции обмотки электрического двигателя используется ПИД-регулятор, реализованный на базе микроконтроллера Arduino, а также вспомогательных устройств, который реализуют регулируемое управление источником нагрева, вывод информации о выбранных параметрах настроек ПИД-регулятор, температуры.
Статор или ротор электродвигателя помещается в специальный отсек, изолированный от окружающей среды, где благодаря внешнему нагревателю происходит сушка обмоток электрической машины.
Подключение к информационно-измерительной системе согласно протоколу NMEA, допускается удаленный вывод информации о температуре и значений коэффициентов Kp, Ki, Kd. в контрольно-измерительную систему.
Используемая элементная база. Плата Arduino UNO выбрана в качестве основного элемента электронного блока управления. Выбор в пользу UNO был сделан из-за его компактности, которая позволит уменьшить конечные размеры готового устройства.
Плата Arduino UNO (рис. 1) построена на базе микроконтроллере ATmega328.
Характеристики микроконтроллера Arduino UNO:
Микроконтроллер ATmega328;
Напряжение питания на выходе 5 В;
Входное напряжение питания 7-12В;
Предельное входное напряжение 6-20 В;
Цифровые входы/выходы 14 (6 из которых могут использоваться в качестве ШИМ-выходов);
Аналоговые входы 6;
Постоянный ток через вход/выход 40 мм;
Постоянный ток на выходе 3,3 В 50 мА;
Флэш-память 32 кбайт, в то время как 0,5 кбайт используется для загрузчика;
Оперативная память 2 Кбайт;
EEPROM 1 Кбайт;
Тактовая частота 16 МГц
Рис. 1. Плата Arduino Nano
Не рекомендуется использовать электромеханические реле для коммутации внешнего нагревателя, они могут выйти из строя из-за частого переключения.
Правильным решением будет использовать твердотельное реле или модуль с симистором для требуемого тока, например G3MB-202P (рис. 2) Характеристики G3MB-202P: Переключаемое переменное напряжение; Тип реле нормально разомкнутое; Ток нагрузки 2 А;
Управляющее напряжение от 4 В до 6 В; Напряжение нагрузки от 75 В до 240 В;
Сопротивление в закрытом состоянии не менее 1000 Мом при напряжении 500В; Тип корпуса 4^1Р;
Размеры 24x20x0,5 мм.
Рис. 2. Твердотельное реле
Аналоговый датчик температуры LM35 для измерения температуры в обмотках электрической машины (рис. 3)
Характеристики датчика LM35:
Значение температуры откалибровано по шкале Цельсия;
Линейное значение выходного напряжения с коэффициентом 10 мВ/°С;
Гарантируется точность 0,5°С (при 25°С);
Параметры нормализованы для всего температурного диапазона -55 ... +150 °С; Они удобны для использования в устройствах с удаленным подключением датчиков; Он работает в широком диапазоне питающих напряжений от 4 до 30 В; Потребляемый ток составляет менее 60 мкА;
Низкий уровень самонагрева составляет 0,08°С при неподвижном воздухе; Нелинейность составляет всего ±0,25°С;
Низкое выходное сопротивление - 0,1 Ом, при токе нагрузки 1 мА.
Рис. 3. Аналоговый датчик температуры ЬМ35
Уоит
-Уз
Рис. 4. Схема включения ЬМ35 в качестве датчика температуры с полным диапазоном
измерений -55...+150°С
Схема ПИД-регулятора. Внешним источником нагрева, а также регулируемым устройством является лампа накаливания с высок мощностью. Управление нагревателем осуществляется с помощью реле на симисторе, в зависимости от настроек ПИД-регулятора и температуры, микроконтроллер падает сигнал на реле и тем самым происходит коммутация управляемого органа.
Использование твердотельного симистора вместо электромеханического реле обусловлено тем, что переключение нагревательного элемента происходит в довольно частом диапазоне, что приведет к быстрому выходу из строя контактов обычного реле. Для измерения температуры окружающей среды используется аналоговый датчик LM35, на выходе датчика формируется напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия, значение напряжения составляет 10,0 мВ при 1°С, то есть при температуре датчика 25°С на выходе датчика 250 мВ., аналоговый датчик измеряет температуру в широком диа-
пазоне, что в конечном итоге позволяет более плавно регулировать выходной сигнал, сам датчик является обратной связью в системе управления. Датчик выдает сигнал, который поступает в электронный блок управления, выходной сигнал от блока управления (и) определяется тремя слагаемыми:
u{t) = Кр •e(t) + Kr /0 e(t) • d,
dt'
где Kp, Ki, Kd - коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора. Изменение значения которого влияет на диапазон переключения лампы накаливания и, следовательно, на регулирование температуры в разные моменты времени (изменение гистерезиса).
Выходной сигнал (понижение или повышение температуры) подается на орган управления (твердотельное реле на симисторе) и, в связи со значением коэффициентов усиления, поддерживается заданное значение температуры [4,5].
Исходный код ПИД-регулятора.
int computePID(float input, float setpoint, float kp, float ki, float kd, float dt, int minOut, int maxOut)
{
float err = setpoint - input; static float integral = 0, prevErr = 0;
integral = constrain(integral + (float)err * dt * ki, minOut, maxOut); float D = (err - prevErr) / dt; prevErr = err;
return constrain(err * kp + integral + D * kd, minOut, maxOut);
}
*»■2200
3JV Arfano ВО
5V Uno Oll
ш ою
то 09
т os
DJ
т
АО 05
AI Dt
А2 03
A3 Dt
м DI
Л5 OS
1Y
IM «
Ш
H8H
4L.
Oul 4
Our в 1
w
A3
№
Рис. 5. Электрическая схема ПИД-регулятора
Устройство работает следующим образом. Датчик выдает выходное напряжение, которое зависит от температуры окружающей среды, на аналоговый вывод АО, АМшпо, следовательно от коэффициентов Кр, К М, в заданных в программном коде, выдает сигнал на твердотельное реле на симисторе, которое коммутирует лампу накаливания на 220 В переменного тока, с мощность 70 Вт. В процессе, лампа оказывает нагрев до заданной температуры.
На жидкокристаллическом экране отображается информация о температуре окружающей среды, измеренной датчиком, и заданной температуре.
При нажатии на кнопку энкодера, входим в меню настройки установочный температуры, в зависимости от положения энкодера меняем температуру.
При нажатии кнопки энкодера внешний нагреватель будет выключен по соображениям безопасности. Кроме того, когда температура поднимается выше 60 градусов, на устройстве вывода будет отображаться ошибка "Высокая температура", которая указывает на то, что температура равна или превышает максимальное значение. Если температура опуститься ниже 50 градусов, устройство вернется в свое нормальное рабочее состояние, и ошибка автоматически исчезнет. До тех пор, пока ошибка не будет устранена, предупреждение будет сохраняться, и твердотельное реле не будет коммутировать внешний нагреватель.
Td=29.3C° Ту=44.0С°
Рис. 6. Тс1 - температура окружающей среды, Ту - желаемая температура
Кр=2.0@ Kd=l.50 Ki=5.00
Set Ту-45.0С + <— —> ■
Рис. 7. Коэффициенты ПИД-регулирования Рис. 8. Настройка желаемой температуры
High Temperature
Рис. 9. Ошибка перегрева
Алгоритм работы устройства. При подачи питания на плату Arduino, аналоговый датчик температуры, в зависимости от температуры окружающей среды, выдает выходное напряжение, это напряжение поступает на аналоговый выход платы A0, Arduino выдает сигнал, который зависит от коэффициентов усиления, сигнал поступает на реле и коммутирует лампу накаливания на 220В переменного напряжения, которая в свое время является внешним нагревателем.
Кнопкой SA1 выбираем меню экрана, по умолчанию меню установлено на отображение температуры с датчика и установочной температуры, нажатием на кнопку переходим в меню настройки коэффициентов усиления, повторное нажатие возвращает в меню отображения температуры.
Кнопкой SA2 перемещаем флажок который указывает параметр, двойным нажатием входим в меню регулировки значения.
Регулировку значения обеспечиваю кнопки SA3 и SA4, при нажатии SA3 производится увеличение значения выбранного параметра, соответственно SA4 уменьшает значение.
Подсветка жидкокристаллического экрана осуществляется потенциометром 110.
Повторное включение^
Рис. 10. Алгоритм работы устройства
264
Заключение. Разработано устройство, которое не только удешевит и ускорит процесс восстановления изоляции обмоток электродвигателя, но и сможет полностью автоматизировать этот процесс. Использование такой системы позволит как можно скорее возобновить работу судовых электрических машин, это особенно важно для таких электродвигателей, используемых для перекачки топлива, пожарных насосов и других специальных промышленных устройств. Устройство имеет устройство вывода, на котором отображаются температурные параметры. Можно регулировать желаемую температуру с помощью датчика, а также имеет защиту, которая отключает внешний нагреватель, когда он достигает 50 градусов.
Список литературы
1. Неелов А.Н. РД 31.21.30-97 Правила технической эксплуатации судовых технических средств и сооружений / А.Н.Неелов, А.С. Брикер, Б.М.Левин, А.Ю.Смольник, В.А.Сорокин, В.Д.Филимонов - ЗАО "ЦНИИМФ", 1997. 343 с.
2. Голиков С.П. - Высоковольтное судовое оборудование и высоковольтное электрооборудование: учебное пособие. Керчь: Керченский государственный морской технологический университет, 2016. 187 с.
3. Сергиенко Л.И., Миронов В.В. Системы электроснабжения морских судов: Учебное пособие для морских вузов. М.: Транспорт, 1991. 264 с.
4. Идентификация гармонического состава токов и напряжений в автономной энергосистеме при нестабильной частоте тока / П. П. Поделенюк, С. Г. Черный, Т. Д. Кайнова, А. А. Жиленков // Электротехника. 2022. № 6. С. 51-55. DOI 10.53891/00135860_2022_6_51. EDN JRAUHO.
5. Определение интергармоник тока асинхронного двигателя с переменной периодической нагрузкой / Б.А. Авдеев, С.Г. Черный, И.С. Моисеев, А.А. Жиленков // Электротехника. 2022. № 6. С. 3944. DOI: 10.53891/00135860_2022_6_39. EDN QJGBTW.
Кучеренко Владислав Александрович, ассистент, vlad.kucherenko 1 @mail. ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Чупаков Максим Викторов, канд. техн. наук, доцент, maxim. vor2012@yandex.ru, Россия, Севастополь, Черноморское высшее военно-морское училище имени П. С. Нахимова,
Святский Виталий Владимирович, ассистент, vetal-s25-009@mail. ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
THE USE OF A PID CONTROLLER TO RESTORE THE INSULATION OF THE WINDINGS OF ELECTRIC
MOTORS OF POWER SUPPLY SYSTEMS ON A SHIP
V.A. Kucherenko, M.V. Chupakov, V.V. Svyatsky
The article presents a method for solving such a problem as restoring the insulation of the windings of electric motors of power supply systems on a ship using the developed device - the PID controller. The selected element base, controls and temperature sensor for the operation of the device are considered, an algorithm and source code for the Arduino UNO microcontroller are developed. The system of protection against overheating of the windings of electric motors has also been developed.
Key words: PID regulation, ship systems, electric machines, restoration of insulation of electric motor
windings.
Kucherenko Vladislav Alexandrovich, assistant, vlad.kucherenko 1 @mail.ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University,
Chupakov Maxim Viktorov, candidate of technical sciences, docent, maxim.vor2012@yandex.ru, Russia, Sevastopol, Black Sea Higher Naval School P.S. Nakhimov,
Svyatsky Vitaly Vladimirovich, assistant, vetal-s25-009@mail. ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
