Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками

в 12:18, , рубрики: Интернет вещей, Микроконтроллеры Kinetis, программирование микроконтроллеров, Производство и разработка электроники, силовая электроника, схемотехника, тиристорный регулятор, умный дом, метки:

Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками - 1
Продолжаем разработку на микроконтроллерах семейства Kinetis.

Умный дом или здание не ограничиваются только датчиками температуры или освещением. Там также присутствуют лифты, различные подъемники для людей с ограниченными физическими возможностями, грузовые подъемники, ворота, шлагбаумы, насосы, вентиляторы и прочее хозяйство. Традиционно это консервативные области, в них концепции умного дома проникают с трудом. Данная плата позволяет модернизировать устоявшиеся решения и добавить в них интеграцию в IoT (интернет вещей).

Вот так обычно выглядит блок управления какой-либо силовой установкой:
Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками - 2
В данном случае это ящик для управления скоростными рулонными воротами, закрывающими холодные помещения.
Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками - 3
Его функция просто быстро поднять или опустить ворота. Но сложность впечатляет!
Чтобы собрать этот ящик наверняка потребовалось пару дней на монтаж, маркировку, тестирование. Отдельная история с инсталляцией и поддержкой такого оборудования. Здесь уже счёт идёт на недели, поскольку занимается этим более низкоквалифицированный персонал. И наличие здесь программируемого контроллера даже не облегчает, а усложняет инсталляцию и поддержку. Поскольку логика этого контроллера скрыта, не интуитивна и не документирована. Стремясь снизить себестоимость, производители экономят на функциональности контроллеров, а возможности самодиагностики в системе минимальны и неудобны.
Ремонт таких ящиков может длиться месяцами, пока фирма исполнитель не найдет соответствующего специалиста готового разобраться с проводкой

И тут возникла идея разработать достаточно универсальную плату, несущую на себе основные стандартные элементы систем управления 3-х фазными приводами и прочими нагрузками с встроенным мощным микроконтроллером, операционной системой реального времени и средствами интеграции в IoT. Плата с размещенными на ней силовыми элементами уменьшает объем ручного проводного монтажа, сокращает количество ошибок монтажа, ускоряет процесс сборки систем управления, упрощает ремонт. И даже ее функциональная избыточность была бы компенсирована получаемой выгодой.

Плата была выполнена с применение микроконтроллера MK60FN1M0VLQ12 семейства Kinetis фирмы Freescale.
Об этих микроконтроллерах и разработках на их основе можно прочитать здесь:

Программное обеспечение базируется на операционной системе реального времени Freescale MQX.
Для подключения к интернету выбран Wi-Fi модуль CC3100BOOST фирмы TI.
Но об этих компонентах в следующих статьях, а здесь кратко опишем силовую часть.

Силовая цепь платы

Упрощенная схема управления 3-х фазной нагрузкой показана на рисунке ниже.
Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками - 4
Основные элементы управления: тиристорный модуль SK45UT08 (47 А, 800В) и три контактора K1, K2, K3. Каждый канал у тиристорного модуля также может шунтироваться отдельным реле (на схеме не показаны), для уменьшения тепловыделения на тиристорном модуле при полном включении.

Если в качестве нагрузки выступает асинхронный двигатель переменного тока, то для изменения направления его вращения применяются контакторы K1 и K2, переключающие две из трёх фаз между собой.
Обязательным элементом в системах управления приводом подъемников является так называемая цепь безопасности с разрывающим силовые цепи элементом. Этим элементом в схеме является контактор K3.

Помимо этого, плата в силовых цепях содержит прецизионные детекторы перехода напряжения через ноль, датчики тока и датчики напряжения.

Принцип управления

Тиристорный модуль методом фазового управления регулирует среднюю мощность за период подаваемую в нагрузку.
Фазовым управлением хорошо известным по бытовым регуляторам яркости освещения можно также плавно запускать и тормозить двигатели, без использования частотных преобразователей.

В некоторых случая отсутствие частотного преобразования имеет свои преимущества: нет специфических акустических шумов, отсутствует высокочастотная электромагнитная эмиссия, дешевле элементная база. В частности, электромагнитная эмиссия частотных преобразователей может доставить много неприятностей на этапе сертификации.

Тиристорный регулятор в свою очередь способен выдерживать гораздо большие перегрузки чем частотный преобразователь. Например, данная плата при испытаниях выдерживала перегрузки до 10 кВт, это в 3 раза больше её номинальной мощности. Редкие частотные преобразователи способны выдавать мощность более 150% выше номинальной.

Чтобы добиться точной регулировки скорости на этапе разгона и торможения плата имеет вход для подключения квадратурного энкодера. Квадратурный энкодер устанавливается на валу двигателя и служит для измерения скорости его вращения. Для цифровых абсолютных энкодеров плата имеет интерфейс RS485.

Основные технические характеристики

Коммутируемая мощность нагрузки– 3 кВт, при напряжении 380 В.

Процессор

  • Микроконтроллер семейства Kinetis — MK60FN1M0VLQ12
  • Тактовая частота – 120 МГц
  • Объем ОЗУ – 128 кБ
  • Объем Flash – 1 мБ
  • Внешняя SPI Data Flash от 128 кБ до 4 мБ
  • Энергонезависимые часы

Интерфейсы

  • Интерфейс CAN – 1
  • Интерфейс RS485 – 1
  • Интерфейс RS232 (до 1.5 Мбит/c) – 2
  • Разъем для SDHC микро SD карты – 1
  • Интерфейс Wi-Fi модуля CC3100BOOST с подключением по UART и SPI (20 Мбит/с)
  • Интерфейс JTAG/SWD — 1

Входы

  • Аналоговых входов, подключаемых к выключателям в цепи безопасности с 16-и битным разрешением — 4
  • Аналоговых входов с 16-и битным разрешением — 12
  • Вход NTC термосенсора — 1
  • Вход квадратурного энкодера — 1
  • Входов измерения напряжения в 3-х фазах — 3
  • Входов измерения токов в 3-х фазах — 3
  • Входов детекторов перехода напряжения через ноль — 3

Выходы

  • Аналоговый выход от 0 до 10 В, 10 мА — 1
  • Выходов ШИМ управления соленоидами до 24В, 6 А с контролем тока — 2
  • Цифровых выходов до 50 В, 50 мА с открытым коллектором — 8
  • Релейных выходов управление дополнительными исполнительными устройствами 220 В, 1 А — 2
  • Релейных выходов дополнительного исполнительного устройства 220В, 10А — 1

Питание

  • 12-24 В от отдельного источника.

Типичная схема подключения привода подъемного устройства

Умная плата для управления силовыми 3-х фазными нагрузками - 5

Как видно из схемы силовой привод требует бережного отношения. Его нужно плавно запускать и останавливать во избежание ударных перегрузок. Его нельзя перегревать, т.е. нужно следить за его температурой. После остановки нужно в точное время включить тормоза. Нужно следить чтобы привод не вышел за пределы допустимых положений или иначе как можно быстрей его затормозить и обесточить. Это еще не говоря о функционировании дополнительных промежуточных и вспомогательных конечных выключателей, соленоидах вспомогательных тормозов и проч.
Вот откуда берется сложность всех этих ящиков управления!

Поэтому компактность управляющей системы, высокая производительность, гибкость и короткий цикл модернизации алгоритмов, возможность удаленного управления, повышенный объем диагностической информации, накапливаемые логи в течении всего времени жизни, диспетчеризация через облачные сервисы — все это кардинально может облегчить жизнь разработчику с данной платой.

Материалы по проекту платы публикуются здесьhttps://github.com/Indemsys/SB200BE

Автор: Indemsys

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля