Разработка функциональной схемы системы управления объектом электропотребления

Сначала для функциональной схемы системы управления объектом электропотребления следует определить требования к разрабатываемой системе, исходя из выбранного метода управления. Например:

На основе выбранного метода управления объектом электропотребления можно выделить ряд требований, предъявляемых к схеме управления:

- высокое быстродействие элементов схемы, которое могло бы обеспечить стабильную работу объекта (двигателя);

- простота и низкая стоимость элементов схемы;

- наличие устройств, позволяющих контролировать напряжение, ток и температуру двигателя, и визуально наблюдать за этими параметрами;

- наличие устройств автоматической регулировки скорости;

- наличие устройств защиты от заклинивания;

-  наличие аналоговых защитных устройств (тепловое реле, предохранители и т.п.).

При разработке функциональной схемы системы управления объектом электропотребления необходимо определить, какие блоки должны входить в состав разрабатываемой системы и указать их назначение. Например:

Исходя из требований, предлагается в функциональную схему управления объектом электропотребления внести следующие блоки:

- блок питания;

- блок аналоговых защит;

- силовой блок;

- блок синхронизации с сетью;

- вычислительно-информационный блок;

- блок фазового управления (или ШИМ, ЧМ, ФИМ, ЧУ и т.д.).

- контрольно-измерительный блок;

Блок питания предназначен для обеспечения необходимым уровнем напряжения электронных устройств. Это стандартный блок, имеющий малые габаритные размеры и необходимую мощность.

Блок аналоговых защит предназначен для обеспечения надежной работы силовой части системы управления. Его основные функции это защита от короткого замыкания и перегрева в случае отказа в работе электронных устройств или выхода за допустимые пределы параметров электрической сети. В его состав входят предохранители и тепловое реле.

Силовой блок состоит из силовых тиристоров или симисторов, а также устройств гальванической развязки. Этот блок предназначен для непосредственного формирования уровня напряжения, определяемого блоком фазового управления, на объекте управления.

Блок синхронизации с сетью предназначен для обеспечения синхронной работы блоков фазового управления с сетью. В его состав должны входить устройство гальванической развязки, устройство формирования прямоугольных импульсов – информационных сигналов.

Вычислительно-информационный блок предназначен для обработки и индикации информации, полученной от контрольно-измерительного блока, выработки сигналов управления. В его состав входят цифровое вычислительное устройство (микропроцессор, ОЗУ, ППЗУ, устройства ввода - вывода и т.д.) и устройство индикации (ЖКИ).

Блок фазового управления предназначен для реализации фазового метода управления силовой частью системы управления в зависимости от управляющего воздействия на блок. В его состав должны входить устройство задержки импульсов в зависимости от уровня напряжения управляющего воздействия, а так же устройство формирования импульсов синхронно с сетью. Для двигателя управляющие сигналы формируются в соответствии с заданным пользователем значением.

Контрольно-измерительный блок предназначен для контроля таких параметров как температура и ток нагревателей, скорость вращения и ток двигателя, а так же передачу данной информации на вычислительно-информационный блок. В его состав входят датчики температуры, скорости вращения, напряжения и тока, вторичные преобразователи, а так же аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Далее необходимо описать взаимодействие блоков в системе между собой, определить их подчиненность и зависимость друг от друга. Например:

Блок питания обеспечивает низковольтным напряжением необходимого номинала вычислительно-информационный блок и контрольно-измерительный блок.

Блок аналоговых защит располагается между силовой сетью и силовым блоком, обеспечивая защиту полупроводникового преобразователя и управляемого устройства для случаев, когда вычислительно-информационный блок или контрольно-измерительный блок вышли из строя.

Силовой блок обеспечивает преобразование маломощных и низковольтных сигналов управления от вычислительно-информационного блока в изменение формы, амплитуды и частоты питающего напряжения, чем оказывает прямое воздействие на объект управления.

Блок синхронизации с сетью обеспечивает вычислительно-информационный блок информацией о моменте перехода синусоидального напряжения через ноль. От этого момента откладывается фазовый угол α.

Вычислительно-информационный блок осуществляет управление всей системой. Собирает и обрабатывает в соответствии с записанной программой информацию о значении напряжения, тока, температуры и скорости вращения двигателя, о переходе синусоиды напряжения через ноль и.т.д. На основе собранной информации вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на силовой блок.

Блок фазового управления предназначен для формирования заданного фазового угла α относительно момента перехода синусоидального напряжения через ноль. Этот угол задается пользователем путем ввода данных через устройства ввода/вывода (матричная клавиатура или кнопки управления, подключенные к одному из портов микроконтроллера). Поэтому блок фазового управления неразрывно связан с вычислительно-информационным блоком и фактически поглощается им.

В состав контрольно-измерительный блока входят датчики тока, напряжения, температуры, и скорости вращения. Сигналы от этих датчиков поступают на вычислительно-информационный блок. Причем практически всегда эти сигналы преобразуются вторичными преобразователями в электрические сигналы приемлемые для вычислительно-информационного блока.

После этого необходимо указать особенности блоков с учетом предположительно-выбираемых устройств.

Реализовать систему управления объектом электропотребления без использования дешевых современных микропроцессорных устройств практически невозможно. Современные микропроцессорные устройства позволяют на одном микроконтроллере частично реализовать блок фазового управления (встроенный аналоговый компаратор и соответствующие выводы портов микроконтроллера подключены к элементам оптической развязки напрямую), контрольно-измерительный блок (встроенный АЦП) и вычислительно-информационный блок. Причем следует заметить, что к последнему блоку частично относится так же и устройство индикации, поскольку в этом блоке формируются соответствующие сигналы для ЖКИ.

В функциональной схеме блоки изображаются в виде прямоугольников, внутри которых располагается их название. В ней необходимо показать описанные связи между боками, которые изображаются в виде прямых или изогнутых линий со стрелками, причем стрелка указывает информационное направление.

В этом случае функциональная схема управления системой управления объектом электропотребления будет выглядеть, как показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Функциональная схема управления объектом электропотребления