1

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

2

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 35005 (projekat)

Institucija Elektronski fakultet

Adresa Aleksandra Medvedeva 14, 18000 Niš

Tehničko rešenje TROFAZNI LINIJSKI KOREKTOR NAPONA

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

*MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU

Opis 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

3

namotaja. Primena 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

4

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

5

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

6

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

7

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-cm2 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

8

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

9

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

10

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

11

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 (Uiz) koji se kroz algoritam upoređuje sa zadatim naponom (Uzad), tj. naponom kojim

napajamo uređaj (potrošač); i sa zadatim maksimalnim naponom (UzadMAX), 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,

Uzad i UzadMAX, 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

12

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 auto-transfpormatora. 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.