40. 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.

– 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.

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 SB1и 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. 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:

, (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}. 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.

. (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: ,

. (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. Выходным элементов является реле KA, воздействующее на схему управления электродвигателем. Точность срабатывания устройства зависит от частоты считывания информации о фазных токах, поэтому рекомендуется выполнять более 50 измерений за полупериод их изменения.

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. 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.