U N I V E R Z I T E T U N I Š U ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU UREĐAJ ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA. (Tehničko rešenje)

Transcript

1 U N I V E R Z I T E T U N I Š U ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU UREĐAJ ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA (Tehničko rešenje) Niš, 2010

2 UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU Naziv dokumenta:tehničko rešenje UREĐAJ ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA Praktično realizovan uređaj za zaštitu asinhronih motora je kompaktan, standardnih dimenzija (91x91 mm) i koncipiran je na bazi kontrolera AT mega, sa originalnim rešenjem. Poseduje veliki broj zaštitnih funkcija, kao što su: detekcija asimetrije faza, zaštita motora od preopterećenja, podnaponska i prenaponska zaštita, prekostrujna i termička zaštita. Ovim uređajem se vrši merenje i prikazivanje napona i struja u svim fazama, kao i indikacija zaštite koja je proradila. U uređaju je integrisana i funkcija zvezda trougao. Ugrađena je i logika za merenja nivoa (zaštita od rada na suvo, min, max), tako da se može koristiti i za zaštitu pumpnih postrojenja. Sve funkcije se prikazuju na sedmosegmentnim displejima (ili LCD), a podešavanje granica zaštitnih funkcija se vrši preko tastature. Pored navedenog, odlika uređaja je visoka preciznost, pouzdan rad i niska cena. Autori: Zoran Icić, Dragan Antić, Zoran Jovanović, Stanko Stankov i Dejan Mitić U Nišu, godine Prodekan Prof.dr Dragan Janković POTVRDA o tehničkom rešenju Eviden. broj Institucija Adresa Tehničko rešenje Autori Opis Primena (projekat) Elektronski fakultet Aleksandra Medvedeva 14, Niš UREĐAJ ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA Zoran Icić dipl.inž., Prof. dr Dragan Antić, Doc. dr Zoran Jovanović, Stanko Stankov dipl.inž i Dejan Mitić dipl.inž Uređaj je kompaktan, standardnih dimenzija (91x91 mm) i koncipiran je na bazi kontrolera AT mega, sa originalnim rešenjem. Poseduje veliki broj zaštitnih funkcija, kao što su: detekcija asimetrije faza, zaštita motora od preopterećenja, podnaponska i prenaponska zaštita, prekostrujna i termička zaštita. Ovim uređajem se vrši merenje i prikazivanje napona i struja u svim fazama, kao i indikacija zaštite koja je proradila. U uređaju je integrisana i funkcija zvezda trougao. Ugrađena je i logika za merenja nivoa (zaštita od rada na suvo, min, max), tako da se može koristiti i za zaštitu pumpnih postrojenja. Sve funkcije se prikazuju na sedmosegmentnim displejima (ili LCD), a podešavanje granica zaštitnih funkcija se vrši preko tastature. Pored navedenog, odlika uređaja je visoka preciznost, pouzdan rad i niska cena. 2

3 Napomena Odgovorno lice za tehničko rešenje Odgovorno lice za Elektronski fakultet Zoran Icić dipl.inž. Prodekan Prof. dr Dragan Janković Recenzenti 1. Prof. dr Nenad T. Pavlović, Mašinski fakultet u Nišu 2. Doc. dr Miloš Milošević, Mašinski fakultet u Nišu Prilog Klasifikacija tehničkog rešenja Mišljenje korisnika projekta Direkcije grada, Grad Niš, Srbija M82 INDUSTRIJSKI PROTOTIP 3

4 SADRŽAJ OPIS UREĐAJA ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA... 5 BLOK ŠEMA UREĐAJA... 5 MERENJE NAPONA I STRUJA... 6 UPRAVLJAČKA JEDINICA... 7 MERENJE TEMPERATURE... 7 MERENJE NIVOA... 8 JEDINICA NAPAJANJA I TASTATURA... 9 IZLAZNA JEDINICA... 9 DISPLEJ IZGLED KOMPLETNOG UREĐAJA I POJEDINIH KOMPONENTI ZAKLJUČAK

5 OPIS UREĐAJA ZA ZAŠTITU ASINHRONIH MOTORA Široka upotreba asinhronih motora nametnula je potrebu za zaštitnim uređajima. Sve je više uređaja renomiranih svetskih proizvođača koji pružaju zaštitne funkcije u cilju obezbeđenja potpune zaštite motora. U ovom radu će biti predstavljen jedan takav uređaj koji osim kompleksne zaštite sadrži u sebi i logiku za merenje nivoa tečnosti i logiku zvezda trougao, tako da se može upotrebiti kod pogona koji ne zahtevaju režime rada sa čestim uključenjima/isključenjima, kada se ne mora koristiti frekvencijska regulacija. Osnovne karakteristike predloženog uređaja su: RS 232 komunikacija (ili neki drugi protokol komunikacije) Sat realnog vremena Termička zaštita motora Logika za merenje nivoa tečnosti Merenje svih napona struja trofaznog sistema Podnaponska/prenaponska zaštita Prekostrujna zaštita Merenje cos ϕ Detekcija asimetrije faza Logika zvezda - trougao Logika za naizmenično uključivanje motora u određenom vremenskom intervalu BLOK ŠEMA UREĐAJA Na sl.1. prikazana je blok šema uređaja, koji se posmatra kao multivarijabilni sistem, gde je: r T = [U L1, U L2, U L3, I L1, I L2, I L3, T, L g1, L d1, L g2, L d2, ], e T = [± u L1, ± u L2, ± u L3, ± i L1, ± i L2, ± i L3, T, ± L d1, ± L g1, ± L d2, ± L g2 ], y T = [u L1, u L2, u L3, i L1, i L2, i L3, T, L d, L g ], r, y, e, u, d, m su vektori ulaznih (referentnih) vrednosti, izlaznih veličina, greške, upravljanja, poremećaja i mernih šumova respektivno, U Li, I Li, i = 1,2,3 su zadate vrednosti napona odnosno struja, ± u Li, ± i Li, i = 1,2,3 su odstupanja (greške) napona odnosno struja, u Li, i Li, i = 1,2,3 su tekuće (merene) vrednosti napona odnosno struja, T dozvoljena temperatura, T povećanje temperature iznad dozvoljene L d, L g su zadati nivoi, ± L d1, ± L g1, ± L d2, ± L g2 su odstupanja (greške) nivoa 5

6 d r e u y P(s) K(s) G(s) PREDFILTER UPRAVLJAÈKA LOGIKA OBJEKAT UPRAVLJANJA Displej F(s) z M(s) MERNI PRETVARAÈI REGULATOR SENZORI m Slika 1. Funkcionalna blok šema uređaja za zaštitu asinhronog motora MERENJE NAPONA I STRUJA Šema kola za merenje napona i struja data je na sl. 3. Kolo sa sl. 3 (a) služi za merenje napona u sve tri faze, pri čemu se analizira samo pozitivna poluperioda, a kolo sa sl. 3 (b) služi za merenje linijskih struja. Na sl. 2. prikazana je šema ulaznog kola za merenje struja. Merenje se vrši preko odgovarajućih strujnih transformatora. strujni senzor AC /1 Up ~ 1,2 kω Uadc~ 220 Ω 2,4 kω Uk ~ 100 nf il Slika 2. Šema ulaznog kola sa strujnim transformatorima za merenje faznih struja Na krajevima sekundara svakog transformatora indukuje se napon U p proporcionalan linijskoj struji i L, koja teče kroz primar. Ovaj napon se preko RC kola (1,2 kω, 100 nf), koje služi za eliminaciju pikova visokih učestanosti, vodi na AD konvertor (napon U adc ), koji je u sastavu mikrokontrolera. AD konvertor je podešen tako da posle završenog ciklusa konverzije izaziva prekid. Za vreme prekida nalazi se maksimum od dve uzastopne vrednosti upoređivanjem. U trenutku kada je tekuća vrednost manja od prethodne za određeni iznos, prethodna vrednost se proglašava za maksimum. Podešavanjem potenciometra omogućuje se da maksimum odgovara srednjoj vrednosti. Za svaki ulaz se traže dva maksimuma od kojih se nalazi srednja vrednost. Posle merenja jedne veličine, prelazi se na drugu itd. Uzimanje odbiraka se vrši sa 6

7 periodom T=100µs. U slučaju da dođe do resetovanja procesora na bilo koji način, softver ispituje uzrok reseta i na osnovu toga vraća processor na mesto iskakanja iz procedure. K3.5 L1 120 kω,2w R29 D7 D8 R44 2,2 kω 1,2 kω R31 R30 PC4 C6 i L1 STR. TRAFO 1 K3.3 str.tr. L1 R41 i L1 1.2kΩ 250 Ω R40 K3.4 COM PC2 0 K3.6 L2 K3.7 L3 K kω,2w R32 D9 120 kω,2w R35 D11 D10 R46 R45 2,2 kω 2,2 kω D12 R33 R36 1,2 kω R34 1,2 kω R37 PC5 C7 PC3 C8 i L3 i L2 STR. TRAFO 2 STR. TRAFO 3 K3.2 str.tr. L2 R41 i L1 250 Ω R40 K3.4 COM K3.1 str.tr. L2 R41 i L1 250 Ω R40 K3.4 COM 1.2kΩ 1.2kΩ P 0 PC0 0 a) b) Slika 3. Šema za merenje napona (a) i struja (b) UPRAVLJAČKA JEDINICA Pri konstrukciji ovog uređaja iskorišćene su mnoge pogodnosti koje pruža mikrokontroler AT mega8 (sl. 4.). Zahvaljujući njegovim izvanrednim svojstvima mnogi problemi, koji su se rešavali ranije hardverski, prevaziđeni su sofrverskim putem. Osmobitna arhitektura i brzina obrade programskih rutina su sasvim zadovoljavajući pri rešavanju izloženih zahteva. MERENJE TEMPERATURE Kao pretvarač promene otpornosti Pt 100 elementa (kojim se meri temperature namotaja motora) u napon služi operacioni pojačavač A1 (OP 07). To je linearno integrisano kolo u kombinaciji sa RC elementima (sl. 5.), koje vrši i linearizacija naponskog signala tako da se na ulaz multipleksera koji je u mikrokontroleru, dovodi signal U = kf ( t ). Napon se sa izlaza pretvarača vodi na integrator (R = 47 kω, C = 10 µf) a zatim na ulaz multipleksera koji ga bez promene 7

8 prosleđuje na svoj izlaz. PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PD0/RX PD1/TX PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 ATmega8 I RES PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 P PC0 Vcc 7 8 AVCC AREF PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 P PC0 Vcc 100 nf C2 C3 2.2 µf 100 nf Vcc R2 10 Ω R p + 3,3 kω 1% R2 27 kω 1% P1 470 Ω R3 1,1 kω 1% +V ref 3,5 kω, 1% R6 +V cc C2 R4 A1 1,1% nf OP 07 1 R nf 150 kω,1% C3 -Vee R7 360 kω,1% P2 50 kω R00 47 kω C00 10 µf Vin (0-100 mv) T (0-100 C) + PC6 Slika 4. Šema 8 bitnog mikrokontrolera AT mega 8 Slika 5. Šema mernog pretvarača za Pt100 MERENJE NIVOA Logika za merenje nivoa tečnosti prikazana je na sl. 6. Pri dodiru neke sonde sa provodnom tečnošću počinje da teče struja koja aktivira NPN transistor. Merenje nivoa K4.8 Lg2 gornji nivo K V K4.7 Ld2 donji nivo 22 µf 22 µf T1 R2 BC R3 T2 R2 BC R3 +24V R4 +24V R4 PC817 PC817 R5 R5 PB5 PD6 Zaštita od rada na suvo K4.5 Lg1 gornji nivo K µf +24V K4.4 Ld1 donji nivo 22 µf T3 R2 BC R3 T4 R2 BC R3 +24V R4 +24V R4 PC817 PC817 R5 R5 PB4 PB3 PB2 Slika 6. Logika merenja nivoa tečnosti 8

9 Provođenjem ovog tranzistora postaje provodna i LED u opto kapleru, tako da procesorska jedinica ima informaciju da je dostignut određeni nivo. Procesor na osnovu statusa nivoa aktivira rele na izlazu za uključenje/isključenje motora (pumpe). JEDINICA NAPAJANJA I TASTATURA Za napajanje uređaja koristi se klasična konfiguracija (sl. 7.) sa stabilisanim izvorom +5V DC. Tastatura (sl. 8.) služi za zadavanje i pregled parametara. Tasterom T1 bira se kanal koji se prikazuje, a tasterima T2 i T3 podešavaju se cifre na displeju. Problem baunsinga je rešen softverski. K1.1 L1 230V/ 20V, 50Hz 0 K1.2 VAR. 7K391 T D1 D2 G 4* D4 D3 100 µf, 25V C2 100 nf V C3 470 µf, 25V +Vcc C4 100 nf PB2 PB1 PB0 PD7 R21 3.3kΩ R22 3.3kΩ R23 3.3kΩ R24 3.3kΩ T1 T2 T3 Slika 7. Modul ispravljača Slika 8. Tastatura IZLAZNA JEDINICA Izlazna jedinica (sl. 9.) je realizovana relejima i R2. Na osnovu merenih vrednosti, upravljačka logika preko izlaznih tranzistora T1, T2 uključuje/isključuje motore (pumpe). PD5 PB7 3.3kΩ R25 10kΩ R26 3.3kΩ R27 10kΩ R28 T1 BC T2 BC V D1 12V/16A,250V +V D2 R2 12V/16A,250V K3.5 K1.3 Kon K3.5 K1.2 NC STOP/START Rad K1.4 K3.5 K2.3 Kon K3.5 K2.2 NC STOP/START Rad K2.1 Slika 9. Izlazna jedinica 9

10 DISPLEJ Očitavanje parametara vrši se na sedmosegmentnim ili LCD. Zbog uočavanja vrednosti parametara sa veće distance u ovom slučaju su izabrani sedmosegmentni indikatori, koji su prikazani sa odgovarajućim drajverima (tranzistori T3 - T7) na sl. 10. PD4 PB3 PB2 PB1 PB kω 0 R8 R6 R4 1 R9 R7 R5 R3 3.3 kω 3.3 kω 3.3 kω T7 T6 T5 T4 T3 3.3 kω Vcc PD6 PB0 PB1 PB3 PB4 PB5 PB2 PD R20 8*470 Ω d dp e g a b f c f e a g d b c dp f a g d b c dp f a g d b c dp f a g d b c dp f a g d b c dp LTS546AWCJ DISP 5 LTS546AWCJ DISP 4 LTS546AWCJ DISP 3 LTS546AWCJ DISP 2 LTS546AWCJ DISP 1 Slika 10. Šema sedmosegmentnog indikatora IZGLED KOMPLETNOG UREĐAJA I POJEDINIH KOMPONENTI Kompletan uređaj za zaštitu asinhronih motora 10

11 Zaštita pumpi elektronske pločice komplet na faze i nulu T S RN prebacivanje zvezda trougao sonde: nivostata Ut Us Ur Iz, N Ir Is It nivg nivd niv24 zasg zasd zas24 POVEZIVANJE N F N F T S R struje faze rele zaštite Faza napajanje Nula zaštite na suvo Komponente uređaja za zaštitu asinhronih motora 11

12 ZAKLJUČAK U ovom uređaju malih dimenzija realizovan je najveći broj zaštitnih funkcija za kojima se javlja potreba u eksploataciji motora. Uređaj je realizovan sa minimalnim hardverom na račun relativno složenog softvera, što doprinosi povećanju pouzdanosti sistema i smanjenju gabarita razvodnog ormara. Ovaj uređaj integriše više konvencionalnih uređaja (bimetal, detektor asimetrije faza, voltmetar, ampermetar, vatmetar, cos ϕ metar, sistem Y-, merač nivoa). Dimenzije uređaja bi mogle da se dodatno smanje upotrebom SMD tehnologije. U poređenju sa sličnim stranim uređajima ovaj uređaj ne zaostaje po performansi, prednost mu je znatno niža cena, integrisana logika za merenje nivoa kao i logika za upuštanje zvezda trougao. 12