U N I V E R Z I T E T U N I Š U ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU TROFAZNI LINIJSKI KOREKTOR NAPONA (Tehničko rešenje) Niš, 2013 1
UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU Naziv dokumenta:tehničko rešenje TROFAZNI LINIJSKI KOREKTOR NAPONA Trofazni linearni korektor je uređaj namenjen za održavanje izlaznog trofaznog napona u uskim granicama pri značajnoj promeni ulaznog napona. Održavanje izlaznog napona u zadatim granicama za svaku fazu posebno vrši se pomoću regulacionog auto-transformatora, step-motora i merno upravljačke elektronike koja je realizovana pomoću mikrokontrolera. Snaga koju može da prenese zavisi samo od snage regulacionog trafoa. U ovom slučaju upotrebljena su 3 regulaciona auto-transformatora svaki snage 3KW. Autori: Doc. dr Darko Mitić, dipl. inž Zoran Icić, Doc. dr Marko Milojković, dipl. inž Stanko Stankov, Prof. dr Vojislav Miltenović, dr Aleksandar Miltenović, dipl. inž Miodrag Spasić, dipl. inž Milan Banić, dipl. inž Nebojša Jotović, dipl. inž Nikola Danković U Nišu, 28.01.2013.godine Doc.dr Darko Mitić POTVRDA o tehničkom rešenju Eviden. broj Institucija Adresa Tehničko rešenje Autori Opis 35005 (projekat) Elektronski fakultet Aleksandra Medvedeva 14, 18000 Niš TROFAZNI LINIJSKI KOREKTOR NAPONA Doc. dr Darko Mitić, dipl. inž Zoran Icić, Doc. dr Marko Milojković, dipl. inž Stanko Stankov, Prof. dr Vojislav Miltenović*, dr Aleksandar Miltenović*, dipl. inž Miodrag Spasić, dipl. inž Milan Banić*, dipl. inž Nebojša Jotović, dipl. inž Nikola Danković *MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU Ovaj uređaj se koristi za održavanje izlaznog trofaznog napona u uskim granicama. Održavanje izlaznog napona u zadatim granicama se vrši za svaku fazu posebno a upravljanje je realizovano pomoću mikrokontrolera. Snaga regulacionog trafoa određuje ukupnu prenosnu snagu sistema, a konkretno u ovom rešenju su implementirana 3 regulaciona auto-transformatora. Ukupna snaga auto-transformatora je 9KW. Zadati napon se postiže okretanjem klizača auto-transformatora pomoću step-motora u odgovarajućem smeru. Upotreba mikrokontrolera pored ostalih prednosti omogućuje i brz odziv sistema. Finoća regulacije, prvenstveno je ogranicena konstrukcijom regulacionog autotransformatora a odnosi se na napon jednog 2
Primena namotaja. Trofazni linijski korektor napona može naći svoju primenu u svakom industrijskom postrojenju u kome je za normalan i optimalan rad potreban stabilan trofazni napon, kao i u sredinama gde se želi usled stalnih varijacija mrežnog napona izvršiti njegova optimizacija i dovođenje na referentnu, željenu vrednost. Napomena Odgovorno lice za tehničko rešenje Doc.dr Darko Mitić Recenzenti 1. Prof. dr Ljiljana Živković, Fakultet zaštite na radu u Nišu 2. Prof. dr Sreten Stojanović, Tehnološki fakultet u Leskovcu Prilog Mišljenje korisnika projekta POSMAK - MEDOŠEVAC, Trg republike 34A, 18000 Niš, Srbija Direktor Miroslav Radenković Klasifikacija tehničkog rešenja M82 INDUSTRIJSKI PROTOTIP 3
SADRŽAJ OPIS TROFAZNOG LINIJSKOG KOREKTORA NAPONA... 5 KOMPONENTE UREĐAJA... 6 UPRAVLJAČKA JEDINICA... 7 Pretvarač napona... 9 Rele... 9 Drajver i napajanje step-motora... 9 Napajanje upravljačke elektronike... 9 ŠEME POVEZIVANJA ELEKTRONIKE UREĐAJA... 9 ALGORITAM FUNKCIONISANJA UPRAVLJAČKE LOGIKE... 11 ZAKLJUČAK... 12 4
OPIS TROFAZNOG LINIJSKOG KOREKTORA NAPONA Funkcija linearnog korektora napona je da vrši stabilizaciju promenljivog ulaznog napona i na izlazu daje konstantnih 220V (±10%). Zadatak ovog uređaja je da izmeri izlazni napon i ukoliko je ta vrednost van željenog opsega izvrši odgovarajuću korekciju napona. Korekcija se vrši aktiviranjem step-motora na taj način sto se sa upravljačke jedinice pošalje odgovarajuća povorka impulsa. Ukoliko je napon manji od željenog, pomoću step-motora se vrši pokretanje klizača regulacionog trafoa (slika 1) u položaj koji će obezbediti povećanje izlaznog napona na željenu vrednost. Isto tako, ukoliko je napon veći od potrebnog, povorka impulse sa upravljačke jedinice će obezbediti takvo kretanje step-motora da će klizač trafoa doći u položaj koji će smanjiti napon na traženu vrednost. Slika 1. Auto-regulacioni trafo sa klizačem Linearnost ovog sistema obezbeđena je koračnim karakteristikama step-motora. Minimalni korak step-motora je proporcionalan naponu jednog namotaja regulacionog trafoa. U ovom slučaju napon jednog namotaja regulacionog trafoa je 2V. Opisana procedura vrši korekciju napona jedne faze, pa je potrebno istu primeniti i za korekciju preostale dve faze. Na slici 2 prikazan je izgled projektovanog trofaznog linijskog korektora napona. Slika 2. Trofazni linijski korektor napona 5
Uređaj je smešten u kućištu dimenzija 150cm 50cm 50cm. Okvir kućišta je od metala, dok su stranice kućišta obložene pleksiglasom. Sa slike se može uočiti da se pri vrhu kućišta nalazi signalizacija za tri dolazne faze u obliku svetlosnih indikatora. Takođe, tu se nalazi on/off prekidač kojim se omogućuje uključenje/isključenje samog uređaja. U unutrašnjem gornjem delu kućišta smešteno je glavno napajanje svih komponenti trofaznog linijskog korektora napona. Između ostalog tu spada i prilagodni stepen za napajanje step-motora (5V/15A) i napajanje upravljačke logike (12V/2A). O ostalim komponentama uređaja biće reči u sledećem poglavlju. KOMPONENTE UREĐAJA Glavne i najvažnije komponente predstavljenog trofaznog korektora napona su trofazni regulacioni trafo, step motori, već pomenuta napajanja uređaja i upravljačke jedinice za svaku fazu ponaosob. Na slikama 3 i 4 predstavljeni su tipični primerci regulacionog trafoa, odnosno step motora respektivno. Slika 3. Regulacioni trafo Slika 4. Step motor Električna šema vezivanja implementiranog step-motora sa štampanom pločom upravljačke jedinice prikazana je sledećoj slici. Slika 5. Šema vezivanja step-motora sa upravljačkom jedinicom 6
Osnovne karakteristike upotrebljenih step-motora pri realizaciji trofaznog linijskog korektora napona prikazane su u tabeli 1. SPECIFIKACIJE STEP MOTORA Ugao jednog koraka stepeni 1.8 Napon V DC 5.0 Struja/Faza A/Faza 1.4 Otpor/Faza Ω/Faza 3.6 Induktansa/Faza mh/faza 10 Moment pri radu N-cm 117 Moment pri blokadi N-cm N/A Inercija rotora g-cm 2 0.3 Težina kg 0.7 Tabela 1. Karakteristike step-motora Možda i najvažnija komponenta uređaja, upravljačka jedinica, biće predstavljena u posebnom poglavlju ovog tehničkog rešenja. UPRAVLJAČKA JEDINICA Upravljačka jedinica uređaja je projektovana da na brz i efikasan način upravlja prethodno opisanim sistemom za stabilizaciju napona. Realizovana je u obliku štampane pločice dimenzije 15cm 15cm na kojoj su smešteni sledeće komponente: pretvarač napona (AC/DC), drajver step-motora, napajanje step-motora, rele i napajanje upravljačke elektronike. Na slici 3 prikazan je izgled upravljačke jedinice. Slika 3. Upravljačka jedinica 7
Na slikama 4 i 5 predstavljeni su PCB grafički prikazi prednje i zadnje strane štampane ploče. Na slici 4 je predstavljena prednja strana štampane ploče na kojoj se mogu uočiti instalirane komponente i njihova pozicija na samoj ploči, dok se na slici 5 može videti zadnja strana štampane ploče i način povezivanja komponenti unutar upravljačke jedinice. Obe slike su urađene pomoću programskog paketa PROTEL. Slika 4. PCB prikaz prednje strane štampane ploče Slika 5. PCB prikaz zadnje strane štampane ploče 8
Pretvarač napona Pretvarač napona vrši konverziju napona u opsegu 0V 500V na napon u opsegu 0V 5V koji se koristi za napajanje odgovarajućih komponenti upravljačke jedinice. Takođe, dobijeni napon služi kao referentna vrednost koja se dovodi na odgovarajući ulaz procesora na osnovu čega se vrši merenje linijskog napona. Rele Rele u okviru upravljačke jedinice ima zaštitnu funkciju celokupnog sistema. Kada je na ulazu sa mreže doveden napon od 220V i ukoliko je izlazni napon u trazenim granicama rele je kratkospojen. To znači da je on aktiviran, da su ulazne i izlazne vrednosti u željenom opsegu i uređaj će normalno funkcionisati. Ukoliko jedan od napona ne odgovara dozvoljenim vrednostima, to znači da postoji opasnost od moguće havarije na uređaju, pa se automatski isključuje kontakt releja. To dalje vodi ka isključenju špulne kontaktora koji isključuje sve tri faze i na taj način se prekida napajanje uređaja i zaustavlja njegov rad. Drajver i napajanje step-motora Drajver step-motora kreira odgovarajuće povorke impulsa na osnovu kojih se vrši okretanje step-motora u jednom ili drugom smeru. Napajanje step motora (5V/2A) implementirano je na upravljačkoj jedinici. Napajanje upravljačke elektronike Napajanje se sastoji iz naponskog pretvarača koji ulazni napon od 220V konvertuje u izlazni napon od 12V. Taj napon omogučuje stabilizatoru 7805 da napaja procesorsku elektroniku naponom od 5V. ŠEME POVEZIVANJA ELEKTRONIKE UREĐAJA Na sledećoj slici prikazana je šema povezivanja regulacionog transformatora za jednu fazu. Slika 6. Šema povezivanja za jednu fazu 9
Na slici 7 prikazana je šema povezivanja elektronike trofaznog linijskog korektora napona na kojoj se mogu uočiti tri redno povezane upravljačke jedinice od kojih svaka vrši upravljanje jednog od tri auto-regulacionih trafoa na prethodno opisani način. Slika 7. Šema povezivanja elektronike uređaja Na slici 8 prikazana je šema po kojoj su povezane svaka od 3 štampane ploče upravljačkih jedinica sa ulaznim odnosno izlaznim elementima uređaja. U ovom slučaju to bi bila jedna faza na ulaznoj (mrežnoj) strani uređaja, odnosno step-motor i auto regulacioni trafo kao izlazne komponente uređaja čijim radom se na izlazu dobija stabilisani napon. Slika 8. Šema povezivanja štampane ploče sa ulaznim i izlaznim elementima uređaja 10
ALGORITAM FUNKCIONISANJA UPRAVLJAČKE LOGIKE Na slici 9 prikazan je uprošćen algoritam upravljanja trofaznim linijskim korektorom napona. Iz algoritma se vidi da se funkcionisanje celokupnog sistema bazira na merenju izlaznog napona (U iz ) koji se kroz algoritam upoređuje sa zadatim naponom (U zad ), tj. naponom kojim napajamo uređaj (potrošač); i sa zadatim maksimalnim naponom (U zadmax ), tj. maksimalnom dozvoljenom vrednošću napona da bi celokupan sistem mogao da radi bez mogućnosti pojave neželjenog stanja. Zaštita uređaja od mogućnosti pojave oscilovanja napona oko kritičnih vrednosti, U zad i U zadmax, ostvarena je unapred zadatim vremenskim kašnjenjem uključenja sistema kako bi došlo do stabilizacije izlaznog napona. Naravno, ovaj algoritam važi za svaku od tri faza. Slika 9. Algoritam funkcionisanja 11
ZAKLJUČAK Primarna uloga trofaznog linijskog korektora napona je održavanje izlaznog trofaznog napona u precizno definisanim granicama. U tu svrhu je u uređaj implementirana po jedna upravljačka jedinica za svaku od 3 faza. Ove jedinice imaju funkciju da pomoću mikrokontrolera vrše upravljanje radom celokupnog uređaja. Mikrokontroler omogućuje brz odziv sistema i kontrolu rada step-motora koji pokreću klizače auto-transformatora, čime se vrši regulacija izlaznog napona. Ukupna prenosna snaga uređaja je 9kW i isključivo zavisi od instaliranih autotransfpormatora. Ovim uređajem je omogućena izuzetno fina kontrola napona, brzo i efikasno se rešava problem varijacija mrežnog napona, i samim tim se omogućuje pouzdan rad bilo kojeg drugog uređaja ili mašine. 12