387

УДК 621.315

А.В. Казаков

Пермский государственный технический университет

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Рассмотрены принципы и методологические аспекты создания комплексного устройства для исследования времятоковых характеристик плавких предохранителей.

В связи с современными тенденциями развития науки и техники, применение сложных устройств на основе полупроводников возникает необходимость в обеспечении защиты последних от вероятных критических режимов работы. Таким образом, к устройствам защиты полупроводниковых приборов предъявляются повышенные требования по быстродействию. Оценить степень быстродействия подобных защитных устройств, простейшим из которых является плавкий предохранитель, можно посредством так называемой времятоковой характеристики, отражающей скорость срабатывания предохранителя (время перегорания плавкой вставки) в зависимости от превышения тока его номинального значения.

Стандартный метод получения данной характеристики состоит во включении в цепь, состоящей из регулируемого источника тока, таймера и амперметра, исследуемого образца с последующей визуальной фиксацией тока, задаваемого экспериментатором заранее, и времени, прошедшего с момента подачи тока до прекращения тока в цепи (т.е. до сгорания плавкой вставки). Приборы, используемые для этих целей, обычно не отличаются точностью и удобством использования, т.к. состоят из нескольких функционально разрозненных блоков, собираемых в единый комплекс непосредственно перед серией опытов. Часто использующиеся приборы не отвечают требованиям точности или удобства работы (аналоговые стрелочные амперметры, механические секундомеры и т.п.).

Предварительный анализ рынка готовых устройств, позволяющих проводить полный цикл работ по проверке аппаратов токовой защиты,

111

выявил отсутствие доступных для применения образцов. В связи с этим было принято решение о разработке такого устройства.

Проектируемый стенд позволяет испытывать плавкие предохранители с номинальным током сгорания до 10 А с удобным рабочим интерфейсом и буквенно-цифровым выводом информации о результатах замера.

Всего предусмотрено 2 режима работы прибора:

1.Регулирование тока происходит внешними элементами схемы (например, используется регулируемый источник тока или внешний реостат, играющий роль переменной активной нагрузки). В этом случае прибор только фиксирует силу тока и время от подачи тока до сгорания предохранителя. Также прибор при помощи электронного ключа коммутирует испытуемый образец к источнику тока, что позволяет достичь высокой точности замеров и предотвратить возникновение тлеющего разряда, характерного для работы механических контактов.

2.Во втором режиме регулирование тока происходит непосредственно прибором при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что позволяет обойтись минимумом внешних элементов (фактически остается только внешний источник энергии). При этом происходит автоматический выбор токов, на которых исследуются образцы: при каждом новом опыте одной серии эксперимента рассчитанное при первом запуске значение тока будет автоматически выставляться в цепи предохранителя, что сводит настройки прибора оператором к минимуму.

Результаты каждого замера, а также текстовые подсказки для оператора по режимам работы прибора выводятся на буквенно-циф- ровой знакогенерирующий жидкокристаллический дисплей.

Органами оперативного контроля прибором являются кнопка на передней панели, отвечающая за запуск опыта, дисплей и двуцветная подсветка кнопки, отражающая состояние прибора и текущую стадию эксперимента.

Для предотвращения поражения оператора током гнездо, в котором фиксируется исследуемый образец, на время проведения опыта закрывается защитной прозрачной крышкой, позволяющей визуально наблюдать момент перегорания плавкой вставки. При открытии защитной крышки для удобства смены образца включается подсветка гнезда. При этом посредством электромеханического реле происходит

112

гальванический разрыв в цепи предохранителя, что защищает оператора от воздействия электрического тока в момент замены образца.

Стенд в своей работе не использует потенциально опасные для человека напряжения (цифровая часть работает от источника +5 В), что исключает возможность получения оператором или окружающими лицами серьезного ущерба здоровью при какой-либо нештатной ситуации при использовании прибора.

Ядром устройства является 8-разрядный микроконтроллер серии AVR фирмы Atmel (1) ATMega8-16PU, имеющий в своем составе 8 килобайт программируемой flash-памяти, 512 байт EEPROM, три таймера-счетчика, 6-канальный АЦП, встроенный тактовый генератор. При сравнении микроконтроллеров указанного семейства с аналогами других производителей (в частности, PIC16C72 компании MicroChip (2)) у последнего обнаруживается куда более скромный функционал при более высокой цене.

ЖК-индикатор – двустрочная 16-символьная панель на основе аналога микроконтроллера HD44780 фирмы HITACHI с подсветкой, что облегчает считывание информации, а также позволяет привлечь внимание оператора к дисплею (посредством мигания подсветкой).

Вкачестве датчика тока используется резистивный шунт, включенный последовательно в цепь исследуемого образца. Падение напряжения на нем усиливается дифференциальным каскадом на основе операционного усилителя и подается на вход АЦП микроконтроллера.

Основным коммутирующим элементом электронного ключа является полевой MOSFET-транзистор с встроенным защитным диодом, что предотвращает выход транзистора из строя от воздействия статического электричества.

Неверные действия оператора или наступление нештатной ситуации дополнительно обозначаются звуковым сигналом, реализуемым посредством пьезоэлектрического зуммера.

Всоответствии с вышеизложенными функциями и составными частями прибора была разработана следующая принципиальная схема (рис. 1).

Для обеспечения функционирования разработанной схемы в среде CodeVision [3] была написана программа, скомпилированная в последствии в бинарный код для непосредственной прошивки в ПЗУ микроконтроллера. Для оперативной отладки схемы на стадии проектирования

113

использовался программный комплекс Proteus VSM v6.9sp4 компании

Labcenter Electronics [4].

Общий вид проектируемого прибора представлен на рис. 2. Данный прибор будет использоваться для проведения лабора-

торных работ по курсу «Электрические и электронные аппараты», поэтому помимо самого прибора была разработана методика проведения и порядок выполнения работ.

Рис. 1. Принципиальная схема прибора: 1 – жидкокристаллический дисплей; 2 – микроконтроллер ATmega8; 3 – кнопки запуска теста с подсветкой; 4 – электронный ключ; 5 – датчик тока; 6 – электромагнитное реле;

7 – подсветка гнезда предохранителя

Отличительной особенностью прибора также является его универсальность. Иными словами, не меняя схемотехники стенда, можно испытывать не только плавкие предохранители, но и автоматические токовые выключатели, а также иные средства токовой защиты цепей. После небольшой программной доработки прибор можно использовать в качестве опорного источника тока (0–10 А) с внутренней стабилизацией; в качестве амперметра; в качестве таймера, способного фиксировать интервалы времени наличия тока в цепи и т.п.

После незначительной программно-аппаратной доработки можно создать более универсальный комплекс, соединив описываемый прибор с персональным компьютером. После такой доработки все

114

управление стендом и съем необходимой информации можно будет осуществлять удаленно, из «ручных» останется только одна операция

– замена перегоревшей вставки на новую.

Рис. 2. Общий вид прибора

Использование современных цифровых приборов, получение навыков проведения серий замеров, визуальное наблюдение за сгораемым предохранителем, а также возможность изучения «открытой» схемотехники разовьют у студентов, выполняющих лабораторную работу с использованием предлагаемого стенда, навыки и умения, необходимые каждому квалифицированному инженеру, независимо от отрасли приложения своих знаний.

Библиографический список

1.http://www.atmel.com/

2.http://www.microchip.ru:80/

3.http://www.hpinfotech.com

4.http://www.labcenter.co.uk/

5.Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel / В.В. Гребнев. – М.: ИП РадиоСофт, 2002.

Получено 29.01.2007

115

УДК 519.876.3

В.П. Казанцев, А.В. Ромодин, А.Б., А.Б. Петроченков, И.Г. Друзьякин, И.С. Калинин, О.Г. Паршиков

Пермский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Рассматриваются вопросы применения экспериментальной установки, предназначенной для изучения теплоэнергетических процессов в системах водяного отопления. Приводится структурная схема системы автоматического регулирования температуры и расхода установки, а также принципиальная схема установки.

Энергосбережение является актуальной задачей для многих отраслей народного хозяйства. Наибольшего внимания требует оптимизация потребления энергоресурсов [1, 2, 3]. Необходимы специалисты, способные наиболее эффективно использовать теплоэнергетические ресурсы и находить пути экономии потребления теплоносителей.

С целью изучения теплоэнергетических процессов, происходящих

всистемах водяного отопления, разработана и создана экспериментальная установка, включающая в себя упрощенную модель системы отопления. Установка также предназначена для демонстрации принципов энергосбережения в системах теплоснабжения жилых и общественных зданий, централизованно получающих тепловую энергию. Установка оптимальна как для проведения испытаний в системе водяного отопления, так и для проведения лабораторных работ и будет использоваться в качестве учебного стенда для студентов специальностей 140211 «Электроснабжение» и 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» по дисциплинам «Энергоаудит» и «Микропроцессорные устройства». В процессе выполнения лабораторных работ студенты получат навыки работы с тепловычис-

116

лителями, теплорегуляторами и адаптерами, ознакомятся с основами регулирования и учета теплопотребления, а также автоматизацией тепловых пунктов и зданий.

При разработке установки была поставлена задача осуществления регулирования параметров теплоносителя с использованием отечественного теплоконтроллера, который должен вести учет и регулирование тепловой энергии на действующей модели системы отопления типового бюджетного учреждения.

Расчет регулирования теплоснабжения основывается на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи теплопотребляющих приборов (радиаторы, калориферы, водонагреватели и т.д.). При установившемся стационарном режиме количество теплоты Q (Вт) , поступающей в прибор за время его работы n часов, равно количеству теплоты, отдаваемой прибором нагреваемой среде,

где Wп – эквивалент расхода первичной (греющей) среды, кг/с; τ1 τ2 и τ2 – температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него, К или o C ; k – коэффициент теплопередачи нагревательных приборов, Вт/(м2К) ; ∆t – средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой, К или o C ; F – поверхность теплообмена прибора, м2 .

Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметическими температурами греющей и нагреваемой среды

где tср – средняя температура нагреваемой среды; t2 , t1 – температу-

ры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него из него.

Как следует из (1), (2), количество теплоты и температура первичной среды на выходе из нагревательного прибора определяется следующим образом:

Из совместного решения (1), (2), (3) можно определить нагрузку тепловой сети:

Как видно из данного выражения, тепловая нагрузка принципиально может регулироваться за счет изменения пяти параметров: коэффициента теплопередачи нагревательных приборов k , площади включенной поверхности нагрева F , температуры греющего теплоносителя на входе в прибор τ1 , эквивалента расхода греющего тепло-

носителя Wп , времени работы прибора n .

Для регулирования из перечисленных параметров практически в экспериментальной установке можно использовать только τ1 и Wп ,

поскольку возможный диапазон изменения τ1 и Wп в реальных условиях, как правило, ограничен.

При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом τ1 является обычно температура, требуемая для горячего водоснабжения (обычно 60 o C ). Верхний предел τ1 определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети из условия невскипания воды. Верхний предел Wп определяется располагаемым напором на ГТП

(тепловых пунктах при групповом регулировании) или МТП (тепловых пунктах при местном регулировании) и гидравлическим сопротивлением абонентских установок. Что же касается параметров k , F и n , то ими можно пользоваться для изменения расхода теплоты, как правило, только при местном регулировании.

Обычно при эксплуатации зданий и сооружений задача регулирования состоит в поддержании расчетной внутренней температуры tв.р в отапливаемых помещениях.

При преобладании отопительной нагрузки центральное регулирование отпуска теплоты целесообразно осуществлять по эквивалентной наружной температуре. Под эквивалентной наружной температурой tн.э понимается наружная температура, при которой теплопотери

зданий от теплопередачи через наружные ограждения равны фактическим теплопотерям этих зданий с учетом инфильтрации холодного воздуха и солнечной радиации.

118

Эквивалентная наружная температура

где ∆tин – перепадтемператур, учитывающийэффектинфильтрации, o C ,

∆tин = µ(tв.р −tн) , (6)

где µ− коэффициент инфильтрации; ∆tc.p – перепад температур, учитывающий эффект солнечной радиации, o C ,

где a – коэффициент поглощения солнечных лучей наружной поверхностью ограждающих конструкций; qc.p – удельная интенсив-

ность солнечной радиации на данную поверхность, Вт/м2 или ккал/(м2 ч) ; αн – коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к поверхности наружных ограждений, Вт/(м2 К) или ккал/(м2·ч·°С).

Рассматриваемую систему автоматизированного управления экспериментальной установкой в динамическом отношении можно представить как систему автоматического регулирования температуры

ирасхода. Задача системы заключается в регулировании температуры

ирасхода теплоносителя посредством универсального регулятора, получающего информацию от датчика температуры наружного воздуха, датчиков температуры теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе, датчика расхода и тепловычислителя, управляющего регулирующим системы отопления.

Как видно из рис. 1, сигнал обратной связи приходит от датчика температуры и расхода, а сигнал задания вводится в универсальный регулятор. По полученному после сравнения двух значений температур рассогласованию универсальный регулятор формирует управляющее воздействие и отправляет его на рабочий орган (регулирующий клапан с электроприводом). Структурная схема САР температуры и расхода выглядит, как показано на рис. 2.

Рис. 1. Схема системы автоматического регулирования

119

Была рассмотрена каскадная с ПИ-регулятором температуры, которая продемонстрировала наилучшие показатели по времени по сравнению с одноконтурной системой. Структурная схема САР температуры и расхода экспериментальной установки показана на рис. 3.

Рис. 2. Структурная схема САР температуры и расхода

Рис. 3. Структурная схема САР температуры и расхода экспериментальной установки

Созданная тепловая модель позволит для заданных условий окружающей среды при заданном графике регулирования температуры теплоносителя определить потребную тепловую мощность на отопление, производить реализацию ночного режима отопления. В процессе работы системы производится формирование электронного архива данных, в котором содержатся текущие дата, время, температура наружного воздуха итеплоносителя, количество потребленной тепловойэнергии.

Разработанный стенд оборудован вводом и выводом водяного теплоносителя на базе энергосберегающего электродного котла «ГА-

120