Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_10

Гл. 10. Микропроцессоры в электрических аппаратах

Рис. 10.10. Структурная схема устройства пуска асинхронного двигателя

стижении которого счетчик таймера останавливается и выдает выходной сигнал. Этот сигнал подается на устройство управления тиристорами и служит для включения соответствующего тиристора. Счетчик таймера сбрасывается на ноль и ждет появления следующего импульса от соответствующей фазы ДНН. Предустановка таймера может изменяться, вместе с этим будет меняться и угол включения α тиристора. Для этого каждый канал таймера подключается к микропроцессору через параллельный интерфейс вывода. На микропроцессор возлагается задача менять предустановки таймера в соответствии с выбранным законом изменения напряжения на двигателе М. Этот закон может быть задан как некоторая функция U(t), ãäå t – текущий момент времени пуска двигателя. В этом случае напряжение будет меняться по жесткому закону U(t) вне зависимости от того, как будет происходить реальное увеличение числа оборотов двигателя n(t). При возможных отклонениях в ус-

ловиях пуска (пуск в холодную погоду, загустевание смазки в подшипниках и т. п.) такой жесткий закон может привести к появлению токовых перегрузок двигателя.

Более надежным способом пуска является использование функциональной связи между напряжением на двигателе U, током I через его обмотки и числом оборотов n: U = f (I, n). Подставив в эту формулу ограничение по току I = Iäîï, получим закон изменения напряжения U(t) = f [Iäîï, n(t)]. Однако для реализации этого закона нужен датчик частоты вращения двигателя (см.рис. 10.5) Такой датчик требует дополнительного канала таймера – канала записи момента – с счетчиком и генератором стабильной частоты.

После разгона двигателя до номинальной скорости, угол α становится равным нулю. Тиристоры имеет смысл зашунтировать силовыми контактами контактора KM, управление которым осуществляет микропроцессор.

276

§ 10.2. Применение микроконтроллеров в электроаппаратостроении

10.2.3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИСПЫТАНИЙ РЕЛЕ

Значения коммутационной и механической износостойкости, приводимые в паспорте на любое электромеханическое реле или контактор, должны быть экспериментально подтверждены испытаниями представительной выборки данных аппаратов. Это означает, что некоторое количество, обычно 1,5–2 десятка аппаратов, следует установить на испытательный стенд, подсоединить предусмотренные для контактов этого реле источник питания и нагрузку и осуществить столько коммутаций, сколько записано в паспорте на изделие. Чтобы подтвердилась записанная в паспорте износостойкость, необходимо, чтобы подавляющее количество установленных на стенд реле выдержали указанное количество циклов, не проявив при этом ни сбоев, ни отказов. Отказ – это необратимое нарушение работоспособности изделия – наличие тока в цепи нагрузки, когда его не должно быть, или, напротив, отсутствие электрического контакта в цепи нагрузки, когда контакт должен быть. Сбой – временное

нарушение работоспособности (хотя бы в течение одного цикла), выражающееся теми же признаками, но самопроизвольно исчезающее впоследствии. Для объективной оценки износостойкости аппарата необходимо фиксировать не только отказы, но и все возникающие сбои. Испытания на износостойкость очень трудоемки и длительны. Так, для герконовых реле, обеспечивающих 100 млн. коммутаций, такие испытания, даже при относительно малом допустимом времени цикла (0,1 с), длятся около 116 сут. беспрерывной работы стенда. Для других аппаратов, имеющих меньшую износостойкость, испытания длятся от нескольких суток до нескольких недель. На сегодняшний день очевидно, что разрешить проблему подобных испытаний может только применение микропроцессорных систем контроля.

Рассмотрим простейшую систему, контролирующую замкнутое и разомкнутое состояния контактов реле, запоминающую все имевшие место

Рис. 10.11. Структурная схема МПУ для испытаний реле

277

Гл. 10. Микропроцессоры в электрических аппаратах

сбои и фиксирующую отказы, производящую вывод текущей информации на индикатор и после выполнения заданной наработки представляющую полный отчет на бумаге с помощью принтера.

Структурная схема устройства приведена на рис. 10.11. Она состоит из N одинаковых ячеек, которые имеют испытуемое реле и одну или несколько цепей нагрузки – по числу контактов реле. Один вывод резистора Rí подключен к общему для всех резисторов нагрузки плюсовому выводу источника питания, а другой – через контакт реле замыкается на нулевой провод. Между Rí и контактом производится подключение датчиков состояния контактов – компараторов напряжения.

Компаратором называется электронная схема, выходной сигнал которой (логический ”0” или логическая 1”) определяется соотношением напряжений на” двух его входах, обозначаемых как +” и ”–”. Åñëè U+ > U− , то на выходе ”1” ïðè U+ <” U−

будет ”0”. Таким образом, компаратор реагирует на знак разности напряжений на его входах.

Для определения замкнутого и разомкнутого состояний каждого контакта необходимо, по крайней мере, два компаратора. Первый компаратор A1 должен реагировать на падение напряжения на замкнутом контакте и определять, таким образом, качество контактирования; второй компаратор A2 должен контролировать утечку через разомкнутый контакт. Соответствующим образом подбираются резисторы R1, R2 è R3 делителя опорных напряжений компараторов. Падение напряжения на R1 должно быть равно максимально возможному напряжению на замкнутом контакте реле. Тогда ”0” на выходе компаратора A1 означает, что контакты замкнуты и падение напряжения на них соответствует норме, в то время как ”1” на выходе A1 свидетельствует об отсутствии контакта или о повышенном их сопротивлении в замкнутом состоянии. Аналогично работает компаратор A2: ”1” на его выходе означает нормально высокое сопротивление межконтактного промежутка у разомкнутых контактов, в то время как ”0” может быть только при замыкании контактов или повышенной утечке в разомкнутом состоянии. Возможны четыре различных сочетания сигналов на выходах A1 è A2, несущих полную информацию о функционировании контактов в реле. Они сведены в табл.10.1.

Если реле имеет несколько контактов, то для каждого из них нужны Rí и пара компараторов. Информацию, снимаемую с компараторов каждого разряда можно назвать двухразрядным словом состояния контакта. У нормально работающих контактов слово состояния принимает последователь-

но значения 00, 11, 00, 11,..., причем 00 появляется у замыкающих контактов при наличии сигнала на приводе, а у размыкающих контактов – при отсутствии сигнала. Появление слов состояния с иным содержанием или же нарушение порядка передачи слов свидетельствует о возникновении сбоя или отказа испытуемого реле или испытательной установки.

Таблица 10.1. Состояние контактов

	Выход À1	Выход À2	Состояние контактов
	0	0	Контакты замкнуты, контактное
			сопротивление в пределах нормы
	1	1	Контакты разомкнуты, утечка
			не превышает допустимую
			Утечка превышает допустимую
	1	0	в разомкнутом состоянии или
			повышенное сопротивление
			замкнутых контактов
	0	1	Неисправность испытательного
			оборудования

Таким образом, МПУ испытательного стенда должно формировать сигнал на управление приводом испытуемых реле, опрашивать состояние компараторов всех контактов всех реле как при нали- чии так и при отсутствии сигналов управления, сравнивать текущее слово состояния контактов с предыдущим словом состояния этой же фазы сигнала управления, формировать информацию о сбое или отказе при обнаружении расхождения в состояниях и, наконец, считать количество выполненных циклов. Информация о наличии сбоя записывается в массив, отведенный для каждого контакта и состоящий из двоичных слов следующего формата (рис. 10.12).

Разрядность слова Ì зависит, в основном, от максимально возможного числа коммутаций при проведении испытаний. Для обеспечения 100 млн. циклов слово рис. 10.12 должно иметь, по крайней мере, 30 двоичных разрядов: 27 разрядов для записи числа циклов и три разряда для нового слова состояния контактов и для информации о сигнале на

Рис. 10.12. Формат элемента массива

278

§ 10.2. Применение микроконтроллеров в электроаппаратостроении

обмотке. Оперативную информацию о номере отказавшего контакта и о номере реле, в котором установлен этот контакт, целесообразно вывести на индикатор. По истечении заданного количества циклов испытания прекращаются и запускается программа вывода протокола испытаний. Программа анализирует массив Ì-разрядных слов каждого контакта различных реле и в соответствии с табл.10.1 анализирует слова состояния, записанные

в элементы массива. Если после нарушения последовательности изменения слов состояния произошло восстановление порядка чередования состояний, то это квалифицируется как сбой; если последовательность состояний не восстановилась, то фиксируется отказ контактов реле. Работа этого устройства не требует, таким образом, участия че- ловека, но МПУ необходимо бесперебойное электропитание в течение всего цикла испытаний.

10.2.4.МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЗАЩИТНОЙ

ÈКОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ

Для того чтобы получить информацию о состоянии аппарата, находящегося в КРУ на электростанции или на подстанции, всю электрическую аппаратуру конструируют со вспомогательными контактами – маломощными контактами, которые замыкаются или размыкаются синхронно с основными контактами аппарата, под действием того же привода. Эта информация бывает очень важна для оператора, наблюдающего за работой всей сети с помощью специального пульта. До недавнего времени пульт представлял собой набор сигнальных лампочек, сигнализирующих о замыкании одного из вспомогательных контактов одного аппарата. Если учесть, что сложные аппараты, такие как выключатели высокого напряжения, имеют несколько вспомогательных контактов, а всего электрических аппаратов на электростанции или подстанции может быть несколько сотен, то пульты получались очень громоздкими и правильная реакция оператора на события в сети требовала большого внимания и навыков работы с пультом.

Для облегчения работы оператора пульты стали снабжать микропроцессорными системами сбора информации, которые непрерывно опрашивая состояние всех вспомогательных контактов, фиксируют изменения этих состояний и выдают оперативную информацию об изменениях в сети. По зажиганию и погасанию лампочек на пультах старого образца оператору бывает очень трудно определить последовательность, в которой срабатывали аппараты в аварийной ситуации, а микропроцессорный пульт зафиксирует эту последовательность абсолютно достоверно и еще укажет временные интервалы между срабатываниями аппаратов. Это позволит оперативно проанализировать ситуацию и принять меры по ликвидации аварии. Кроме того, микропроцессорный пульт выведет протокол всех событий с помощью принтера.

На рис. 10.13. показана структурная схема системы сбора информации о состоянии реле защиты KA1 è KA2 и контактов выключателей высокого

напряжения Q1 è Q2 на трансформаторной подстанции. Если один из проводов, подключенных к вспомогательному контакту, заземлен, а второй идет на параллельный интерфейс МПУ, причем он соединен через резистор R с источником питания + U, то при замыкании вспомогательного контакта на вход параллельного интерфейса поступает низкий потенциал, близкий к 0, а при размыкании – сигнал будет близок к + U. Интерфейс должен воспринимать эти сигналы как логический ”0” или логическую ”1” и передавать их в таком виде в микропроцессор. Микропроцессор периодически опрашивает состояния всех входов параллельного интерфейса и сравнивает с предыдущими состояниями. Если возникают изменения в состоянии вспомогательных контактов, например, сработало одно из двух реле защиты ÊÀ, то это будет тут же зафиксировано микропроцессором как изменение разряда, соответствующего этому реле. Микропроцессорный пульт выведет информацию на бумагу и запишет ее в протокол. Срабатывание реле защиты ÊÀ вызовет срабатывание выключателя Q и повле- чет изменение состояния другого разряда, что тоже будет отражено на индикаторе и в протоколе. В результате оператор будет иметь полную картину событий и сможет проанализировать ситуацию и оперативно принять меры. Опрос вспомогательных контактов современные МПУ сбора информации производят всего за 1–3 мс, что позволяет зафиксировать во времени картину процесса срабатывания защиты, длящегося как правило 10–50 мс.

Микропроцессорная система сбора информации (рис. 10.13) намного удобнее, чем традиционный пульт с лампочками, но она неудобна при монтаже, поскольку от каждого вспомогательного контакта аппарата необходимо выводить свой провод. В современных системах сбора информации параллельный интерфейс заменяют на последовательный, а линии связи соединяют в сеть (см.рис. 10.14). Последовательный интерфейс позволяет кодировать информацию о состоянии вспомогатель-

279

Гл. 10. Микропроцессоры в электрических аппаратах

ного контакта и передавать ее в виде набора импульсов заданной длительности. Причем, если обеспечить разделение во времени передачи ин-

Рис. 10.13. Структурная схема МПУ сбора информации о состоянии аппаратуры

формации от каждого аппарата, то достаточно иметь лишь пару проводов, проходящих через все аппараты и соединенных с приемником последовательного интерфейса, находящимся в МПУ. Коли- чество проводов при этом резко уменьшается, но для организации правильной передачи и синхронизации передачи от электрических аппаратов, приходится на каждый аппарат ставить передатчик последовательного кода и небольшой микропроцессор, кодирующий состояния вспомогательных контактов этого аппарата и управляющий переда- чей данных. Таким образом, в составе каждого электрического аппарата появляются микропроцессорные устройства, но они не влияют на функционирование аппарата, а только собирают информацию о его состоянии и передают ее на пульт.

Приведенные примеры наглядно демонстрируют те новые возможности, которые открываются перед электроаппаратостроением с появлением одноплатных и однокристальных микроконтроллеров. Изучение приемов проектирования и программирования микропроцессорных систем как электрических аппаратов является предметом инженерной подготовки специалистов в этой области. Несмотря на то, что применение сложных электронных схем в электрических аппаратах пока еще связано с рядом технических трудностей (требуется обеспечить защиту от помех, тепловых и электромагнитных воздействий), за аппаратами с микропроцессорным управлением большое будущее.

Рис. 10.14. Современная система сбора информации с последовательным каналом передачи

280

§ 10.2. Применение микроконтроллеров в электроаппаратостроении

Контрольные вопросы

1.Чем микропроцессорное реле защиты асинхронного двигателя от перегрузок отличается от теплового реле? Что между ними общего?

2.Сработает ли микропроцессорное реле защиты двигателя, если защищаемый двигатель заклинит при пуске? Если да, то как это произойдет?

3.В цепи питания асинхронного двигателя стоят микропроцессорное реле защиты двигателя от перегрузки и микропроцессорное устройство пуска двигателя по напряжению. Какое из этих устройств

защитит заклинивший при пуске двигатель от перегрузок по току? Зависит ли ответ на этот вопрос от принятого закона изменения напряжения U(t), заложенного в устройство пуска?

4.Чем определяется отсутствие или наличие сбоев и отказов при испытании электромагнитных реле в автоматизированной системе? Чем ограничено количество циклов испытаний реле? Чем ограничено количество одновременно испытываемых реле?

281