ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА

Transcript

1 ЕЛЕКТРОНСКОМ ФАКУЛТЕТУ У НИШУ ОБРАЗАЦ ЗА ПРИЈАВУ ТЕХНИЧКОГ РЕШЕЊА У складу са одредбама Правилника о поступку и начину вредновања, и квантитавном исказивању научноистраживачких резултата истраживача, који је донео Национални савет за научни и технолошки развој Републике Србије («Службени гласник РС», бр. 38/2008) достављам следеће податке: Обавезни подаци: Aутор/аутори решења: Драган Манчић, Зоран Стојановић, Игор Јовановић, Милан Радмановић, Зоран Петрушић, Угљеша Јовановић Назив техничког решења: Трофазни десетоканални регулатор напона за рефлекторско осветљење снаге 15kW Категорија техничког решења: М85 Прототип, нова метода, софтвер, стандардизован или атестиран инструмент, нова генска проба, микроорганизми - лабораторијски прототип За кога је решење рађено и у оквиру ког пројекта МНТР: Решење је рађено за фирму NT SOFT из Ниша, на пројекту са ев. бр. ТР33035: Развој, реализација, оптимизација и мониторинг мрежног модуларног ротирајућег фотонапонског система снаге 5kW (руководилац пројекта: проф. др Драган Манчић); Ко решење користи, тј. ко је прихватио примењује решење Корисник овог резултата пројекта је фирма NT SOFT из Ниша Година када је решење урађено: г. Како су резултати верификовани (од стране ког тела): Верификација резултата је извршена од стране: - Комисије за одобравање техничких решења Електронског факултета; - Научно-наставног већа Електронског факултета; - Овлашћеног лица корисника резултата NT SOFT из Ниша На који начин се резултати користе: Уређај је инсталиран у фирми NT SOFT из Ниша Област на коју се техничко решење односи: Електроника Проблем који се техничким решењем решава: Реализовано је јефтино техничко решење за рефлекторско осветљење. Конструисан је уређај који се састоји из две целине, контролног и енергетског дела. Енергетски део

2 регулише напон на десет рефлектора (максималне снаге од по 1.5kW по рефлектору) и комуницира са контролним делом преко RS485 магистрале. Контролна табла је тако пројектована да обезбеђује регулацију осветљења које се може применити за осветљавање простора или објеката, као и у системима специфичне намене. Стање решености тог проблема у свету: Постоје нека слична решења уређаја за ову намену, која се користе првенствено за осветљавање сцене у позориштима. Карактеристично за та решења је да су она превише наменска и немају универзалну примену као реализовани уређај. Нека од постојећих решења су сувише компликована и скупа, у поређењу са реализованим системом. Објашњење суштине техничког решења и детаљан опис са карактеристикама, укључујући и пратеће илустрације и техничке цртеже: Изглед реализованог лабораторијског прототипа приказан је на слици 1, док је детаљан технички опис система дат у Прилогу. Слика 1. Изглед реализованог лабораторијског прототипа регулатора напона Како је решење реализовано и где се примењује, односно које су могућности примене: Уређај се састоји из две целине, које чине контролна табла и сам реостат, односно тиристорски регулатор снаге на потрошачу. Оне међу собом комуницирају преко RS485 магистрале, с обзиром да се због тиристора генеришу сметње око самог енергетског дела уређаја. Реостат може независно да управља светлосним флуксом десет рефлектора максималне снаге од 15kW укупно, односно 1.5kW по рефлектору. Контролна табла на себи има 23 линијска потенциометра који омогућавају континуалну контролу нивоа осветљености. Ови потенциометри су подељени у три групе. Две групе чине по 11 потенциометара, а трећу само један потенциометар који омогућава сценско подешавање светла на објекту. Реализовани систем се може користити и за контролу референтног извора светлосног зрачења приликом различитих калибрација фотонапонских система у лабораторијским условима. Подносилац пријаве др Драган Манчић, ванр. проф.

3 PRILOG Opis tehničkog rešenja - laboratorijskog prototipa

4 1. Основни подаци Уређај се састоји из две целине, контролног дела (контролне табле) и енергетског дела. Енергетски део регулише напон на десет рефлектора (максималне снаге од по 1.5 kw по рефлектору) и комуницира са контролном таблом преко RS485 магистрале. Контролна табла је пројектована на такав начин да се може применити за регулацију нивоа осветљености неког простора или објекта. Енергетски део уређаја, у даљем тексту реостат, пројектован је тако да се омогући монтажа у стандардним орманима. Кућиште реостата је метално и има обезбеђене одговарајуће отворе за вентилацију. Предвиђено је и принудно хлађење са вентилаторима које ће по потреби укључивати термостат. На задњем панелу кућишта постављене су контакт клеме на стандардној ДИН шини од 35mm, на које је могуће дирекно повезати потрошаче или монофазне прикључнице. На предњем панелу кућишта реостата позиционирани су: 1. Десет заштитних аутоматских прекидача који штите уређај од кратког споја по сваком каналу посебно, а омогућавају и физичко искључење напона напајања на жељеном рефлектору. 2. Преклопник који омогућава избор фазног напона за напајање електронике унутар уређаја. 3. Главни прекидач за укључење/искључење уређаја. 4. LED диода за индикацију укључености уређаја. Контролна табла садржи 23 линијска потенциометра који омогућавају континуалну контролу светлосног флукса рефлектора. Ови потенциометри су подељени у три гупе. Две групе чине по 11 потенциометара, а трећу групу само један потенциометар који омогућава сценско подешавање светла на објекту. Улога потенциометара на контролној табли је следећа: По десет потенциометара из прве две групе врше подешавање напона на потрошачу. Први потенциометар подешава напон на првом излазном каналу, други на другом итд. Једанаести потенциометар из прве две групе има улогу појачања (опсег од 0 до 1) по сваком потенциометру (којих има по десет у групи). Потенциометар из треће групе, односно 23. потенциометар, има улогу селектора прве две групе. Значи, он има неутрални положај, а крајњи положаји дају максимално појачање једној од две групе од по 11 потенциометара. Напајање контролне табле изведено је преко комуникационог кабла како би се избегли додатни каблови и обезбедила што већа мобилност саме табле. Кабл за RS485 комуникацију може да има дужину и до 30m. Уређај је пројектован за температурни опсег од -10 C до +60 C, а очекује се његов стални рад у опсегу од +10 C до +40 C.

5 2. Енергетски део пројектованог уређаја - РЕОСТАТ У наставку овог поглавља приказане су електронске шеме, слојеви штампане плоче, распоред компонената на штампаној плочи, 3D приказ пројектоване штампане плоче и списак употребљених електронских компонената за енергетски део реализованог уређаја. Главна електронска шема, која је приказана на слици 2.1, поред електронских компенената које се налазе на њој, састоји се из следећих блокова: 1. Енергетска шема (слика 2.2); 2. Детектор нуле фазних напона (слика 2.3); 3. Блок за напајање електронског уређаја (слика 2.4). На главној шеми (слика 2.1) се налази десет микроконтролера (PIC12F629-I/P), где сваки понаособ контролише активирање тријака (који се налазе на енергетској шеми, слика 2.2), а, такође, периодично прихватају пакете података преко RS485 магистрале, које шаље контролна табла. Разлог имплементације десет микроконтролера је ограничени број тајмера које микроконтролери поседују, па је самим тим оправдано овакво техничко решење. Цена одабраног микроконтролера је занемарљиво мала, па иако их има десет, то је свакако јефтиније од најјефтинијих FPGA кола. На комуникационим линијама имплементирани су инвертори који имају улогу бафера, како сметње које се генеришу од стране тријака не би изазивале неправилности у раду овог уређаја. На енергетској шеми (слика 2.2) је изабран тријак BTA41-600B за регулацију фазног напона на потрошачу. Иако је тиристор поузданија компонента, одабран је тријак само из разлога цене и једноставности галванског раздвајања које је овде имплементирано употребом оптокаплера MOC3023. На слици 2.3 приказана је електронска шема детектора нуле фазног напона. Искоришћено је крајње једноставно техничко решење и имплементирано галванско раздвајање фазних напона од виртуелне масе самог уређаја. Помоћу зенер диоде D 1 и отпорника R 54, изведена је заштита Opto1 улазног кола оптокаплера, како би оптокаплер био имун на промене у амплитуди фазног напона. Исто је урађено код преостала два канала. На слици 2.4 приказана је електронска шема блока за напајање уређаја. Ово је стандардно решење које се често примењује. Наизменични напон се са секундара трансформатора (који напаја цео електронски склоп), преко DB9 конектора води на контролну таблу, где се усмерава, регулише и филтрира. Слојеви пројектоване штампане плоче реостата налазе се на сликама 2.5 и 2.6, док се распоред електронских компонената на штампаној плочи налази на сликама 2.7 и 2.8. Тродимензионални приказ пројектоване штампане плоче налази се на сликама 2.9 и За већи део употребљених електронских компонената 3D приказ је реализован у програмском пакету SolidWorks2008.

6 Слика 2.1. Главна електронска шема реализованог система

7 Слика 2.2. Енергетска шема реализованог система

8 Слика 2.3. Детектор нуле фазних напона Слика 2.4. Блок за напајање уређаја

9 Слика 2.5. Горњи слој штампане плоче реостата Слика 2.6. Доњи слој штампане плоче реостата

10 Слика 2.7. Распоред компонената у горњем слоју штампане плоче реостата Слика 2.8. Распоред компонената у доњем слоју штампане плоче реостата

11 2.1. Тродимензионални изглед реостата Слика 2.9. Тродимензионални приказ штампане плоче реостата (први поглед) Слика Тродимензионални приказ штампане плоче реостата (други поглед)

12 2.2. Списак употребљених компонената за реостат Референтна ознака компоненте Опис компоненте Ознака компоненте Количина C1, C2, C5, C6, C9, C10, C13, C14, C17, C18 CW47nF 400VDC 10% CW47nF 400VDC 10 MKP10 10% MKP10 C3, C4, C7, C8, C11, C12, C15, C16, C19, C20 CX2 100nF 280Vac 10% CX2 100nF 275VAC 10 RM15mm C21, C22, C23, C24, C25, C26, C33, C34, C35, C36, C37, C38, C45, C46, C47, C48, C49, C50, C57, C58, Cu1, Cu2, Cu3, Cu4 100n 100nF C C27, C28, C29, C30, C31, C32, C39, C40, C41, C42, C43, C44, C51, C52, C53, C54, C55, C56, C59, C60 27pF CML 27pF 50V COG 20 C61, C64, C65 100nF 100nF 50V Y5V P2.5 3 C62a, C63a 2200u 25v polar 2200u 25v 2 capacitor Con1, Con2, Con3, Con4, Con5, Con6, Con7, Con8, Con9, Con10 HD-107-2P HD-107-2P 10 Con11 DB9BMR DB9BMR male pcb 1 Con12, Con13a, Con14a, Con15a TS-501-2P TS-501-2P 4 Con16, Con17, Con18, Con19, Con20, Con21, Con22, Con23, Con24, Con25 Keystone 1287 x3 KEYSTONE 1287 x3 10 D1, D2, D3 BZX55C5V1 BZX55C5V1 (DO-35) 3 Fuse1 FUSE FF20X5 80mA FF20X5 80mA 1 L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8, L9, L10 E25/7(EF25/7.5) K2006 E2513VSSF 10 (coilformer) 1psc Opto1, Opto2, Opto3 LTV817 LTV817 DIP-4 3 R1, R3, R5, R6, R9, R11, R13, R14, R17, R19, R21, R22, R25, R27, R29, R30, R33, R35, R37, R38 360R 360R 0.25W (RW25CF 360R) 20 R2, R4, R10, R12, R18, R20, R26, R28, R34, R36 470R 470R 0.25W (RW25CF 470R) R7, R8, R15, R16, R23, R24, R31, R32, R39, R40 100R 1W 100R 1W (R1WCF R) R41, R42, R43, R44, R45, R46, R47, R48, R49, R50 1k R0805 1k R0805 1% 10 R51 120R 120R 1% R R52x, R56x, R60x 680R 680RR 0.25W 3 (RW25CF 360R) R53, R55 680R 680R 0.25W 2 (RW25CF 360R) R53a, R57a, R61a R10WCRM 15K 15 k 3 R54, R58, R62 360R 360R 0.25W 3 (RW25CF 360R) T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T10 BTA41-600B BTA41-600B TOP3 10 Tr1 BULTRAF-EI ST- BULTRAF-EI ST-004 U1, U2, U3, U4 74HC14N 74HC14N DIP-14 4 U5a, U6a, U7a, U8a, U9a, U10a, U11a, U12a, U13a, U14a MOC-3023 MOC-3023 (DIP-6) 10 U15, U16, U17, U18, U19, U20, U21, U22, U23, U24 PIC12F629-I/P PIC12F629-I/P 10 U25 SN75176B SN75176B DIP8 1 RS485/RS422 U26, U27, U28, U29 DB-107 DB VR1a 78S05(2A) 78S05(2A TO-220) 1 Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8, Y9, Y10 20 MHz Q MHz HC-49S 10 10

13 2.3. Прорачун индуктивности у анодном колу тријака За регулацију снаге на потрошачу отпорности R p, употребљен је тријак BAT41-600B према шеми са слике Напон напајања је U eff =230Vac и допуштене су следеће вредности за тријак:, Вредности за RC коло су: R=100W, C=100nF. Потребно је одредити вредност индуктивности L. Слика Ако тријак не проводи, укључивањем прекидача P важи (погледати слику 2.12): Слика Из претходног израза долази се до једначине: Пошто је di/dt максимално када је i=0, следи: односно:

14 [μh] Такође, приликом укључења прекидача P, у тренутку t=0+, важи следећи израз: где је U a напон аноде тријака. Диференцирањем последњег израза, узимајући у обзир да је: након сређивања долази се до израза: Ако би се из последњег израза изразила променљива R, узимајући да је L=6.486μH, након рачунице добија се да је R=10Ω. Ова вредност отпорности R је мала јер може код укључења тријака, приликом пражњења кондензатора C, да пропусти велику вршну вредност струје. Из тог разлога за RC коло су узете следеће вредности: R=100Ω, C=100nF. На основу последњег израза за индуктивност L се добија: [μh] За наведене и прорачунате вредности елемената у колу са слике 2.11, у условима прелазног режима (погледати слику 2.12), под условом да је R p =0 (што је најгори могући случај), на сликама које следе приказани су таласни облици напона на анодама тријака, као и његов извод пo времену (слика 2.13 и слика 2.14): Слика (L=65μH) Слика (L=65μH) Иако сам произвођач полупроводника, као што је STMicroelectronics, гарантује за du a /dt минималних 500V/μS (за BTA41-600B), за индуктивност у анодном колу тријака треба одабрати нешто већу вредност од прорачунате и зато је коначно узета вредност: За случај да је L=70[μH], таласни облици напона на анодама тријака, као и његов извод по времену приказани су на сликама 2.15 и 2.16:

15 Слика (L=70μH) Слика (L=70μH) Уколико се посматра прелазни режим у колу са слике 2.17, где се у истом тренутку затвара прекидач P и отвара триjак при нултим почетним условима, за струју кроз триjак у комплексном домену важи следећи израз: Слика Применом инверзне Лапласове трансформације на последњи израз долази се до једначине за струју тријака у временском домену, која гласи: Диференцирањем последње једначине по времену долази се до израза: Таласни облици струје тријака у прелазном режиму, као и њен извод по времену, приказани су на сликама које следе, при чему је за R p узета вредност од 10Ω (слика 2.18 и слика 2.19):

16 Слика (L=70μH, R p =10Ω) Слика (L=70μH, R p =10Ω) Са слике 2.19 јасно се види да за наведене вредности елемената услов: је више него задовољен. Са друге стране, вредности R, L и C су тако одабране да се код прелазног режима не појављују простопериодичне пригушене осцилације напона на анодама тријака. Уколико би се усвојило да је R=10Ω (C=100nF, L=70μH, R p =10Ω), таласни облик напона на анодама тријака изгледао би као на слици 2.20, при анализи кола са слике Слика Контролни део пројектованог уређаја У наставку су приказане електронске шеме, слојеви штампане плоче, распоред компонената на штампаној плочи, 3D приказ пројектоване штампане плоче и списак употребљених електронских компонената за контролни део пројектованог уређаја. На главној електронској шеми контролне табле (слика 3.1), налази се 25 потенциометара за регулацију фазног напона на рефлекторима, као и 25 зелених LED диода које су позициониране непосредно испод потенциометара. Ово је урађено због потребе да се омогући употреба овог уређаја у слабо осветљеним просторијама. Како је употребљен микроконтролер PIC16F676-I/P, било је неопходно употребити аналогне мултиплексере HCF4051BF да би се свих 25 аналогних вредности напона са потенциометара довело на три аналогна улаза AD конвертора поменутог микроконтролера. Пошто су употребљени аналогни мултиплексери, то је захтевало појачање свих аналогних вредности напона који потичу са потенциометара, што је приказано на слици 3.2. Комуникација између контролне табле и реостата обавља се преко RS485 магистрале

17 с тим што је сама комуникација једносмерна, односно реостат се увек налази у стању пријема. Пошто угао провођења тријака може да буде произвољан, контролна табла шаље више пута у току једне периоде мрежног напона пакете података који у себи носе информације о угловима провођења свих тријака. То омогућава било ком микроконтролеру у реостату, уколико врши обраду прекида за време пријема пакета података (где прекид генерише подешени тајмер, који активира тријак) да у истој периоди мрежног напона прихвати следећи пакет података. Тиме је обезбеђена континуалност регулације мрежног напона на потрошачу у свакој периоди мрежног напона. Иначе, пре слања сваког пакета података, врши се аналогно-дигитална конверзија свих напона са потенциометара. Слојеви пројектоване штампане плоче контролне табле налазе се на сликама 3.3 и 3.4, док се распоред електронских компонената на штампаној плочи налази на сликама 3.5 и 3.6. Тродимензионални приказ пројектоване штампане плоче контролне табле налази се на сликама 3.7 и 3.8. У поглављу 3.2, наведен је списак употребљених компонената. Све компоненте се са лакоћом налазе на нашем тржишу.

18 Слика 3.1. Главна електронска шема контролног дела

19 Слика 3.2. Баферовање аналогних сигнала на контролној табли

20 Слика 3.3. Горњи слој штампане плоче контролне табле Слика 3.4. Доњи слој штампане плоче контролне табле

21 Слика 3.5. Распоред компонената у горњем слоју штампане плоче контролне табле

22 Слика 3.6. Распоред компонената у доњем слоју штампане плоче контролне табле

23 3.1. Тродимензионални изглед контролне табле Слика 3.7. Тродимензионални приказ штампане плоче контролне табле (први поглед) Слика 3.8. Тродимензионални приказ штампане плоче контролне табле (други поглед) 3.2. Списак употребљених компонената за контролну таблу Референтна ознака компоненте Опис компоненте Ознака компоненте C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, Capacitor 100nF 50V Y5V C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, P2.5 C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, C24, C25, C26, C27, C28, C31, C32, C33, C34, C37, C38, C39, C40, C41, C42, C43, C44, C45, C46, C47, C48, C49, C50, C51, C52 C29, C u 25v Polarized Capacitor 2200u 25v Fujicon C35, C36 Capacitor CML 27pF 50V COG C53 Polarized Capacitor 100u 16v (5mm RM2.5mm) Fujicon Количина

24 Con1 Receptacle Assembly, 9 Position, Right Angle D1 Silicon Epitaxial Planar Zener Diode (0.3 to 0.5W) DS1, DS2, DS3, DS4, DS5, DS6, DS7, DS8, DS9, DS10, DS11, DS12, DS13, DS14, DS15, DS16, DS17, DS18, DS19, DS20, DS21, DS22, DS23, DS24 DB9BMR male pcb 1 1 MLL Fuse1 FF20X5 1A, Keystone 3518p P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18, P19, P20, P21, P22, P23 POTSL60V3-LIN10K Linearni 10k potenciometar sa klizacem od 60mm POTSL60V3- LIN10K comet Q1 BC639 High Current Transistor NPN BC639 TO-92 1 Silicon R1, R3, R5 Resistor W 3 (RW25CF 680) R2, R4, R7 Resistor 100k 0.25W 3 (RW25CF 100k) R6 Resistor 22k 0.25W 1 (RW25CF 22k) R8, R9 Resistor W 2 (RW25CF 100) R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, Resistor 560R 1% R R17 RZC Resistor 120R R0805 1% 1 Tas1 TS-06X 1 U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7, U8, U9, U10, U11, U12, U13 LinCMOS Precision Dual Operational Amplifier TLC272CD so-8 TI U14, U15, U18 Analog Multiplexer/Demultiplexer HCF4051BF U16 1 Amp Single Phase Bridge Rectifier 50 to 1000 Volts U17 FLASH-Based 8-Bit CMOS Microcontroller, 10-Bit A/D, 1K (x14-bit words) FLASH, 64 Bytes SRAM, 14-Pin PDIP, 2.0 to 5.5V Supply Range, Industrial Temperature DB PIC16F676-I/P 1 U19 SN75176B DIP8 1 RS485/RS422 VR1 Voltage Regulator 7805(1A,TO ) Y1 20MHz Q MHz 1 ЗАКЉУЧАК У овом прилогу дато је пројектовање уређаја за регулацију напона чијом применом на рефлекторима се врши промена светлосног флукса, односно нивоа осветљености. Употребљено техничко решење има прихватљив однос између цене и техничких карактеристика. Како је извршни елемент енергетског дела уређаја тријак, могуће је побољшати техничке карактеристике употребом IGBT транзистора. Иако је регулација осветљења на овај начин задовољавајућа, пројектовани уређај не задовољава данашње европске стандарде по питању загађења електро-дистрибутивне ниско-напонске мреже. У анодном колу тријака је уграђена само индуктивност која га штити од брзе промене интензитета струје, али нису уграђени филтри који треба да елиминишу у што већој мери хармонике које генерише пројектовани уређај. Филтри за тиристорску платформу су великог габарита и скупи, па је употребом IGBT транзистора и FPGA кола у енергетском делу решив и овај проблем. Уз примену PWM побуде IGBT транзистора од стране FPGA кола, знатно би се редуковао хармонијски спектар (парни хармоници готово потпуно) у односу на онај који генерише тиристорска регулација.

25 Приликом пројектовања контролне табле и реостата било је неопходно користити следеће програмске алате: - Altium Designer Summer OrCad 16.2 (Capture CIS, Pspice AD) - Mathematica 6 - SolidWorks MikroC - PI Expert Suite 7.1