Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами

Реферат: Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами містить мікропроцесор, пов'язаний зв'язками з індикатором стану, чотирирозрядним дисплеєм, з схемою джерела опорної напруги, схемою вимірювання струму з фільтром та електромагнітними реле, що програмуються; схема джерела опорної напруги пов'язана зв'язком з схемою вимірювання струму з фільтром; мікропроцесор пов'язаний двонапрямними зв'язками з кнопковим пристроєм вводу інформації та дискретними входами управління. Додатково введено схему вимірювання опору ізоляції з фільтром, з'єднану з зв'язком із мікропроцесором; схему джерела живлення з захистом по струму та напрузі, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром; схему вимірювання напруги з фільтром, з'єднану зв'язком із мікропроцесором та схемою джерела живлення з захистом по струму та напрузі; модуль з годинником реального часу та пам'яттю подій, з'єднаний двонапрямним зв'язком із мікропроцесором, модуль зовнішнього інтерфейсу системи та модуль внутрішнього інтерфейсу системи, які з'єднані двонапрямними зв'язками із мікропроцесором; програмно налаштовувані входи дискретних сигналів, з'єднані зв'язком із мікропроцесором; схему джерела опорної напруги, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром та схемою вимірювання напруги з фільтром; дискретні входи управління мають дискретні виходи. UA 113489 U (12) UA 113489 U UA 113489 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, а саме до пристроїв для захисту, контролю та автоматичного управління трифазними електродвигунами потужністю 1…200 кВт в мережі з глухозаземленою нейтраллю. Найбільш близьким аналогом до мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами є мікропроцесорний контролер МПЗК-150, який містить мікропроцесор, пов'язаний зв'язками з індикатором стану, чотирирозрядним дисплеєм, з схемою джерела опорної напруги, схемою вимірювання струму з фільтром та електромагнітними реле, що програмується; схема джерела опорної напруги пов'язана зв'язком з схемою вимірювання струму з фільтром; мікропроцесор пов'язаний двонапрямними зв'язками з кнопковим пристроєм вводу інформації та дискретними входами управління (Режим доступу: http://ventilator.ua/pdf/manual mpzk-150.pdf). http://ventilator.ua/pdf/manual mpzk-155.pdf. Недоліком є низька ефективність експлуатації та вузькі функціональні можливості. В основу корисної моделі поставлено задачу створення такого мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами, в якому за рахунок конструктивних змін з'являється можливість підвищення ефективності експлуатації та розширення функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується тим, що мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами, який містить мікропроцесор, пов'язаний зв'язками з індикатором стану, чотирирозрядним дисплеєм, з схемою джерела опорної напруги, схемою вимірювання струму з фільтром та електромагнітними реле, що програмуються; схему джерела опорної напруги, пов'язану зв'язком з схемою вимірювання струму з фільтром; мікропроцесор, пов'язаний двонапрямними зв'язками з кнопковим пристроєм для вводу інформації та дискретними входами управління; схему вимірювання опору ізоляції з фільтром, з'єднану з зв'язком із мікропроцесором; схему джерела живлення з захистом по струму та напрузі, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром; схему вимірювання напруги з фільтром, з'єднану зв'язком із мікропроцесором та схемою джерела живлення з захистом по струму та напрузі; модуль з годинником реального часу та пам'яттю подій, з'єднаний двонапрямним зв'язком із мікропроцесором, модуль зовнішнього інтерфейсу системи та модуль внутрішнього інтерфейсу системи, які з'єднані двонапрямними зв'язками із мікропроцесором; програмно налаштовувані входи дискретних сигналів з'єднані зв'язком із мікропроцесором; схему джерела опорної напруги, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром та схемою вимірювання напруги з фільтром; дискретні входи управління мають дискретні виходи. На кресленні зображено схему мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами та його зв'язки. Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами, який містить мікропроцесор 1, пов'язаний зв'язками з індикатором стану 2, чотирирозрядним дисплеєм 3, з схемою джерела опорної напруги 4, схемою вимірювання струму з фільтром 5 та електромагнітними реле 6, що програмуються. Схема джерела опорної напруги 4 пов'язана зв'язком з схемою вимірювання струму з фільтром 5; мікропроцесор 1 пов'язаний двонапрямними зв'язками з кнопковим пристроєм для вводу інформації 15 та дискретними входами управління 7. Схема вимірювання опору ізоляції з фільтром 8 з'єднана зв'язком із мікропроцесором 1 та має можливість підключення до головного об'єкту управління 16. Схема джерела живлення з захистом по струму та напрузі 9 з'єднана зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром 8. Схема вимірювання напруги з фільтром 10 з'єднана зв'язком із мікропроцесором 1 та схемою джерела живлення з захистом по струму та напрузі 9. Модуль з годинником реального часу та пам'яттю подій 11 з'єднаний двонапрямним зв'язком із мікропроцесором 1, а модуль зовнішнього інтерфейсу системи 12 та модуль внутрішнього інтерфейсу системи 13, які з'єднані двонапрямними зв'язками із мікропроцесором 1. Програмно налаштовувані входи дискретних сигналів 14 з'єднані зв'язком із мікропроцесором 1, а схема джерела опорної напруги 4 з'єднана зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром 8 та схемою вимірювання напруги з фільтром 10, а дискретні входи управління 7 мають дискретні виходи. Електромагнітні реле 6, що програмуються, мають можливість підключення до головного об'єкту управління 16 та допоміжного об'єкту управління 17. Головний об'єкт управління 17 з'єднаний з об'єктом, що захищається, 18. Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами працює наступним чином, який показано на узагальненому прикладі виконання алгоритму управління головним об'єктом управління 16 та додатковими об'єктами управління 17. Під час ввімкнення відбувається початковий скид мікропроцесора 1, після чого робота відбувається під управлінням циклічновиконуємої програми, попередньо записаної в його 1 UA 113489 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 довготривалу пам'ять, а завершується робота тільки в разі зникання всіх трьох напруг живлення від мережі (на схемі не показано). Після початку роботи мікропроцесора 1 дані робочих параметрів об'єкту, що захищається, 18 надходять: на схему джерела опорної напруги 4, яка виконує формування нормуючої напруги; на схему вимірювання струму з фільтром 5, яка виконує узгодження та нормування сигналів; на схему джерела живлення з захистом по струму та напрузі 9, яка виконує перетворення напруг мережі живлення; на схему вимірювання напруги з фільтром 10, яка виконує узгодження та нормування сигналів напруги; на схему вимірювання опору ізоляції з фільтром 8 яка має можливість підключення до головного об'єкту управління 16 та виконує перевірку опору ізоляції об'єкту, що захищається, 18 перед його ввімкненням. Після чого дані про робочі параметри аналізуються в мікропроцесорі 1 та узгоджуються за допомогою модулів: модуля з годинником реального часу та пам'яттю подій 11, який виконує функцію зберігання часу подій; в модуль зовнішнього інтерфейсу системи 12, який виконує функцію підключення мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами; в модуль внутрішнього інтерфейсу системи 13, який виконує функцію зв'язку мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами з програматором та пристроями розширення системи (на схемі не показано). За допомогою дискретних входів управління 7 мають дискретні виходи обирається режим роботи. У разі потреби аналізу інших параметрів здійснюється підключення зовнішніх пристроїв (на кресленні не показано) до програмно налаштовуваних входів дискретних сигналів 14, які з'єднані зв'язком із мікропроцесором 1. Після аналізу робочих параметрів в модулі з годинником реального часу та пам'яттю подій 11, в модулі зовнішнього інтерфейсу системи 12, в модулі внутрішнього інтерфейсу системи 13, дані аналізу повертаються в мікропроцесор 1. Якщо робочі параметри знаходяться у межах норми, то об'єкт, що захищається, залишається 18 під'єднаним до мережі живлення (на кресленні не показано), а робочий цикл повторюється. В разі відхилення робочих параметрів від норми відбувається вивід даних про робочі параметри на чотирирозрядний дисплей 3, спрацьовує індикатор стану 2 та мікропроцесор 1 вимикає електромагнітні реле 6, що програмуються. Після чого вимикається головний об'єкт управління 16 і допоміжний об'єкт управління 17 та знімається напруга з об'єкту 18, що захищається. Усі відхилення від норми робочих параметрів зберігаються в мікропроцесорі 1 та їх можна переглянути за допомогою кнопкового пристрою вводу інформації 15 на чотирирозрядному дисплеї 3 в будь-який момент часу. Збереження електричної енергії стає важливою частиною загальної тенденції щодо захисту навколишнього середовища. Електродвигуни, що призводять в дію системи в побуті і на виробництві, споживають значну частину виробленої енергії. Однак більшість електродвигунів працюють в нерегульованому режимі і, отже, з низькою ефективністю. Для охорони навколишнього середовища та зниження парникових газів уряди багатьох країн світу вводять правила, які вимагають від виробників побутового електрообладнання і промислових підприємств виробляти продукцію більш економічно витрачаючи електроенергію. Найбільш часто цього досягають за рахунок ефективного управління швидкістю електродвигуна. Прогрес в напівпровідникової індустрії, особливо в силовій електроніці і мікроконтролерах, зробили приводи з регулюванням швидкості більш практичними і дешевшими. Сьогодні приводи з регулюванням швидкості потрібні не тільки в високопрофесійних і потужних промислових застосуваннях, таких як обробні машини або підйомні крани, але все більше і більше в побутовій техніці, наприклад, в пральних машинах, компресорах, невеликих насосах, кондиціонерах повітря і т. ін. Ці приводи, керовані по розвиненим алгоритмам за допомогою мікроконтролерів, мають ряд переваг: збільшення енергетичної ефективності системи; регулювання швидкості знижує втрати потужності в двигунах; удосконалення функціонування; цифрове управління може додати такі властивості, як інтелектуальні замкнуті контури, зміна частотних властивостей, діапазону контрольованих несправностей і здатність до взаємодії з іншими системами. Тому конструкція мікроконтролера є одним з найважливіших рішень, яке здатне забезпечити ефективну роботу електродвигуна. Розроблена конструкція мікроконтролерного пристрою для 2 UA 113489 U 5 10 15 20 25 30 35 захисту та управління промисловими електродвигунами на відміну від аналогічних конструктивних рішень є ефективнішою та має розширені функціональні можливості. Оскільки за рахунок нових конструктивних рішень враховують більш розширене коло параметрів контролю та дозволяють більш оперативно реагувати на відхилення від нормативних параметрів під час роботи. Окрім того запропонована конструкція мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами за рахунок використання двонапрямних зв'язків дозволяє не тільки оперативно реагувати на відхилення контрольованих параметрів але й накопичувати інформацію, обробляти її та швидко реагувати на зміни. Запропонована конструкція є ефективнішою та досконалішою на відміну від аналогічних конструктивних рішень, тому що дозволяє більш ефективно керувати промисловими електродвигунами, за рахунок розширення функціональних можливостей конструкції мікропроцесорного контролера захисту та управління промисловими електродвигунами. Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами призначений для захисту та контролю трифазних електродвигунів потужністю 1…200 кВт в мережі з глухозаземленою нейтраллю за допомогою автоматичного управління електромагнітними реле і забезпечує: гнучкий вибір функцій трьох електромеханічних реле, що програмуються; перевірку опору ізоляції знеструмленого двигуна; управління місцеве або дистанційне (за стандартом ModBus RTU); чотири входи для підключення датчиків (кондуктометричного, з PNP- або NPN-типом виходу); вимірювання частоти перемикання сигналу на дискретних входах (до 1000 Гц з точністю 0.001 Гц); індикацію струмів, напруг, частоти мережі, активної та реактивної потужностей, стану входів та їх частоти перемикання, типа аварії, поточного часу; запам'ятовування причини відімкнення реле або факту зміни параметрів (ведення журналу подій); безперервний аналіз діючого значення напруги в мережі (RMS); безперервний аналіз діючого значення струму (True RMS); дозвіл роботи за розкладом (чотири добових інтервалу часу, що коректується користувачем) або по таймеру; робота в ручному або автоматичному режимах. Список розширених функцій запропонованого мікроконтролерного пристрою для захисту та управління промисловими електродвигунами в порівнянні з МПЗК (прототипом) наведений в табл. Таблиця Робочі функції 1 Кріплення на Din-рейку Виносні датчики струму Індикація робочого струму ЕД, коду захисту та інш. параметрів на дисплеї Контроль Min напруги мережі Контроль Мах напруги мережі Збереження роботоздатності під час живлення від будь-якої з фаз Захист ЕД при недопустимій асиметрії фаз Захист ЕД при обриві фаз Захист ЕД від перевантаження Захист ЕД від струмів короткого замикання Захист ЕД від роботи під час холостого ходу (обрив муфти та ін.) Захист ЕД під час появи пульсацій струму ЕД внаслідок нечіткого ввімкнення (дребезга) пускача Захист від частих ввімкнень агрегату Автоматичний рестарт після аварій, що виникають Захист ЕД під час ушкодження ізоляції та кабелю, що до нього підводиться 3 МПЗК (аналог) 2 Запропонована конструкція 3 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + UA 113489 U Продовження таблиці 1 Алгоритми роботи по датчикам рівня, реле тиску (кондуктометричні типи СК) Алгоритми роботи по індуктивному датчику (лічильник води, РКС, …) Алгоритм роботи по часу Алгоритм роботи за таймером 1 Під'єднання термістора, датчика температури Захист від роботи по "сухому ходу" Захист від роботи під час "сході стрічки" Від'єднання та налаштування функцій захисту та управління Доступний користувачеві журнал подій Перевірка достовірності введених даних налаштування Підтримка інтерфейсу зв'язку RS485, ModBus RTU Кількість релейних виходів (D-out) Налаштування функцій реле користувачем Модульна система пристрою (гнучка система конфігурації за рахунок під'єднання додаткових модулів: введення/виведення, комунікаційних ін.) Призначено для роботи з пристроями плавного та частотного пуску 2 3 + + + 2 + + + + 3 + + + + + + + 3 + + 1 + + + ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Мікроконтролерний пристрій для захисту та управління промисловими електродвигунами, який містить мікропроцесор, пов'язаний зв'язками з індикатором стану, чотирирозрядним дисплеєм, з схемою джерела опорної напруги, схемою вимірювання струму з фільтром та електромагнітними реле, що програмуються; схема джерела опорної напруги пов'язана зв'язком з схемою вимірювання струму з фільтром; мікропроцесор пов'язаний двонапрямними зв'язками з кнопковим пристроєм вводу інформації та дискретними входами управління, який відрізняється тим, що додатково введено схему вимірювання опору ізоляції з фільтром, з'єднану з зв'язком із мікропроцесором; схему джерела живлення з захистом по струму та напрузі, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром; схему вимірювання напруги з фільтром, з'єднану зв'язком із мікропроцесором та схемою джерела живлення з захистом по струму та напрузі; модуль з годинником реального часу та пам'яттю подій, з'єднаний двонапрямним зв'язком із мікропроцесором, модуль зовнішнього інтерфейсу системи та модуль внутрішнього інтерфейсу системи, які з'єднані двонапрямними зв'язками із мікропроцесором; програмно налаштовувані входи дискретних сигналів, з'єднані зв'язком із мікропроцесором; схему джерела опорної напруги, з'єднану зв'язком із схемою вимірювання опору ізоляції з фільтром та схемою вимірювання напруги з фільтром; дискретні входи управління мають дискретні виходи. 4 UA 113489 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5