Лекции ЭУПО / Глава1 / Микро-проц / текст

1.15. МИКРОПРОЦЕССОРЫ

В УСТРОЙСТВАХ АВТОМАТИКИ

Применение микропроцессорной техники в электронных устройствах автоматики идет по следующим направлениям:

– использование микропроцессоров как основного функционального логического элемента устройства, выполняющего обработку поступающих сигналов. К ним относят электронно-цифровые управляющие устройства электроприводов, автономных источников электропитания, термо- и светорегуляторы, реле защиты, мощности, направления мощности, фазы и т. п. Микропроцессорная реализация позволяет наилучшим образом согласовать времятоковые характеристики устройств и защищаемого объекта;

– применение микропроцессоров, связанное со сбором информации о состоянии комплектных устройств систем автоматического управления производственными установками. Состояние аппаратуры, прежде всего защитной, свидетельствует как о текущих режимах, так и о возникновении и развитии аварийных ситуаций. Эта информация должна быть использована для управления устройствами и для ее индикации обслуживающему персоналу. Микропроцессорные системы сбора информации вытесняют традиционные пульты управления.

Силовые объекты электрооборудования, в том числе и полиграфического, должны быть защищены от перегрузок, вызывающих их перегрев, что приводит к преждевременному выходу из строя. Однако устройства защиты не должны реагировать на непродолжительные токи перегрузки, не нагревающие объект свыше допустимой температуры. Устройства такой защиты строились на основе физического подобия тепловых процессов нагрева защищаемого объекта и процессов в аппарате защиты. В качестве физически подобных принимались тепловые процессы (нагрев биметаллической пластины или плавкой вставки) и электромеханические процессы (электромагнитные и индукционные системы). Конструкция таких аппаратов не позволяла достичь высоких точностных параметров настройки на времятоковую характеристику объекта. Использование микропроцессора в устройстве защиты дало возможность применения математического моделирования нагрева защищаемого объекта, что повышает их функциональность и обеспечивает надежную работу электрооборудования.

В качестве примера рассмотрим использование микропроцессора в устройстве защиты от перегрузок (тепловая защита), рис. 1.73. Устройство воздействует размыкающим контактом KA на стандартную цепь включения электродвигателя, состоящую из кнопок пуска SB1 и остановки SB2, катушки пускателя KM. Информация о значениях тока в каждой фазе двигателя снимается трансформаторами тока TA1, TA2, TA3 и подается в устройство контроля его нагрева. Кроме этой основной функции трансформаторы тока осуществляют гальваническую развязку силовых цепей питания двигателя и измери­тельных цепей устройства защиты.

Напряжение на выходе трансформаторов тока содержит информацию о потерях теплоты в объекте защиты – асинхронном двигателе. Действительно, можно записать, что мгновенная мощность, выделяемая в виде тепла, равна:

, (1)

где i_A, i_B, i_C – токи в фазах двигателя; r_а = r_B = r_C – активные сопротивления фазных обмоток электродвигателя, эквивалентные их токам. Эта мощность потерь за время работы двигателя опреде­ляет температуру его нагрева относительно температуры окружаю­щей среды t_{окр ср}: Θ = t_нагр – t_{окр ср}. Выделяющаяся тепловая энергия идет частично на нагрев двигателя пропорционально его эквивалентной теплоемкости и частично – в окружающую среду. Уравнение баланса тепловой энергии имеет вид

. (2)

Здесь С_т – теплоемкость электродвигателя; S_охл – площадь поверхности охлаждения; K_т – коэффициент теплоотдачи. Для каждого электродвигателя или другого электротехнического изделия по допустимой температуре нагрева t_доп можно определить допустимый длительный ток фазы I_доп. При I_A = I_B = I_C = I_доп температура Θ стремится к Θ_доп = t_доп – t_{окр ср} и не превы­шает Θ_доп. Тогда

. (3)

С другой стороны мощность Р_доп можно выразить через перегрев объекта в установившемся режиме Θ_доп:

. (4)

Подставив (4) в (3), получаем

. (5)

После подстановки (1) в (2) и деления правой и левой части выражения соответственно на квадрат правой и квадрат левой части выражения (5) и введения обозначений

получим следующее выражение, отражающее нагрев двигателя,

. (6)

Введем постоянную времени нагрева объекта τ_т: ,

тогда имеем

. (7)

Из (7) видно, что относительное значение температуры нагрева определяется интегрированием суммы относительных значений фазных токов двигателя. Решая (7) микропроцессорными средствами относительно ξ, можно следить за функцией и реагировать на ситуацию когда, ξ > 1, т. е. Θ > Θ_доп. Поскольку вычисления функции ξ(t) ведется численными методами, следует в программу корректно ввести значение постоянной времени нагрева, соответствующей защищаемому электродвигателю. Устройства подобного рода снабжаются световой индикацией режимов работы, цифровой индикацией значений токов в фазах и т. п. Выходным элементов является реле KA, воздействующее на схему управления электродвигателем. Для согласования работы измерительного узла токов, имеющих аналоговый характер изменения, с микропроцессором в устройство введен аналого-цифровой преобразователь, который цифровым коммутатором (мультиплексором) подключается к напряжению, снимаемому с трансформаторов тока. Точность срабатывания устройства зависит от частоты считывания информации о фазных токах, поэтому рекомендуется выполнять более 50 измерений за полупериод их изменения. С целью введение разных значений постоянной времени нагрева τ_т предусмотрен набор весовых резисторов, переключающихся выключателями SA1… SA4. В процессе работы устройство сравнивает допустимое значение тока каждой фазы I_доп.i c его действующим значением I_дейст, которое вычисляется по выражению

,

где Т – период переменного тока.

Если нарушается условие I_дейст < I_доп.i, загорается светодиод, сигнализируя о перегрузке и возможном срабатывании устройства. Если за какой-то промежуток времени перегрузка не прекратится, то устройство не сработает, и двигатель будет продолжать работу. В противном случае двигатель нагревается до I_доп и устройство отключает его. Вычисление действующих значений токов в обмотках двигателя расширяет использование микропроцессора в области контроля ненормативных режимов работы двигателя. Во-первых, можно выполнить контроль несимметрии фазных токов, из-за чего возникает дополнительный нагрев машины. Программно производится вычисление разности действующих значений фазных токов и, если она превышает на 15% среднее значение тока фазы, то исполнительное реле KA отключает двигатель. Во-вторых, аналогично определяется обрыв одной из фаз (крайний случай несимметрии). В этом случае двигатель не должен включаться или должен сразу быть отключен, если находился в рабочем состоянии. Отключение двигателя при ξ > 1 или из-за несимметрии фаз сигнализируется светодиодом «Реле сработало». После выяснения причин отключения двигателя кнопкой SB4 «Возврат» реле KA устанавливается в рабочее состояние. В нерабочем состоянии устройства нажатием кнопки SB5 «Контроль» вызывается тест-программа, проверяющая работоспособность реле. Уставка на заданный допустимый ток двигателя выполняется резистором R_уст.

Приведем пример использования микропроцессора в устройстве плавного пуска электродвигателя переменного тока – в полупроводниковом регуляторе напряжения. В таких регуляторах (тиристорных или транзисторных) используется параметрическое изменение напряжения питания двигателя от нулевого значения до номинального с определенной интенсивностью, что позволяет формировать при пуске необходимое значение тока в обмотках двигателя (не превышающее нормативные пусковые токи). Схема уст­ройства плавного пуска трехфазного двигателя с микропроцессорным управлением приведена на рис. 1.74.

Устройство содержит регулятор напряжения с силовыми транзисторными ключами VT1…VT3; систему управления силовыми ключами; датчик скорости двигателя BV; микропроцессорную систему с параллельными интерфейсами ввода/вывода; три счетчика, которые совместно с датчики нулевого значения синусоидального напряжения питания, формируют угол управления силовыми ключами; генератор тактовой частоты управления счетчиками; органы управления регулятором напряжения SB1 – Пуск и SB2 – Стоп; выходной каскад для включения пускателя KM, шунтирующего своими контактами KM.1 силовые ключи VT1…VT3 регулятора напряжения. Микропроцессор с параллельного интерфейса вывода выставляет счетчикам определенные изменяющиеся в соответствии с программой пуска двигателя числа предустановки на каждом полупериоде питающего напряжения. От соответствующего датчика напряжения и при участии генератора тактовой частоты каждый счетчик начинает счет по сигналу, который формируется в момент перехода синусоидального напряжения через ноль. После достижения счетчиком значения предуставки на его выходе формируется импульс для системы управления силовыми ключами, а сам счетчик обнуляется и ожидает следующий импульс от датчика напряжения. Закон изменения угла управления регулятором, а следовательно и характер изменения напряжения на обмотках двигателя, может быть детерминированным, независящим от того, как будет происходить реальное увеличение частоты вращения двигателя. При возможных отклонениях момента статического сопротивления механизма в процессе пуска (пуск при низкой температуре окружающей среды, загустевание смазки в подшипниках, загрязнение подшипников и т. п.) могут возникать токовые перегрузки двигателя. Для соблюдения заданной интенсивности разгона двигателя необходимо введение обратной связи по скорости, что выполняется датчиком скорости BV. Он индивидуальным счетчиком через параллельный интерфейс ввода корректирует работу микропроцессора по формированию угла управления напряжением, поддерживая заданное его изменение. Программированием микропроцессора можно выполнять пуск двигателя не только до характеристики, соответствующей его номинальному напряжению, но и до какой-либо регулировочной характеристики (U_дв < U_ном), чем достигается определенный диапазон регулирования скорости двигателя. Если в конце пуска двигатель работает с номинальным напряжением (угол управления регулятором напряжения равен нулю), то целесообразно в целях облегчения работы регулятора в установившемся режиме зашунтировать его силовые ключи контактами пускателя.