В качестве резисторов R выбираем резисторы

advertisement
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра Электрических и
Электронных Аппаратов
Электронный расцепитель для
автоматического выключателя
Расчетно-пояснительная записка
к курсовому проекту по курсу
«Применение микропроцессоров в электрических аппаратах»
Студент:
Мурзакаев П.В.
Группа:
ЭЛ-12-07
Консультант:
Кваснюк А.А.
Москва 2011
Лист
1
Содержание:
1. Введение
стр. 3
2. Определение необходимых внешних устройств
стр. 4
3. Блок схема устройства
стр. 5
4. Схема устройства
стр. 6
5. Элементы устройства
стр. 7
5.1. Микроконтроллер со встроенным интерфейсом
стр. 7
5.2. Расцепитель
стр. 8
5.3. Схема сопряжения расцепителя с микроконтроллером
стр. 9
5.4. Жидкокристаллический дисплей
стр. 11
5.5. Клавиатура
стр. 12
5.6.Трансформатор тока
стр. 12
5.7. Датчик тока
стр. 14
5.8. Схема сопряжения датчика тока Холла, трансформатора тока с
микроконтроллером.
стр. 15
5.9. Датчик напряжения
стр. 17
5.10. Схема сопряжения датчика напряжения с микроконтроллером
стр. 17
5.11. ЦАП напряжения
стр. 18
5.12. Сигнализация
стр. 19
5.13. Схема сопряжения сигнализации и микроконтроллера
стр. 20
5.14. USB порт и драйвер USB порта
стр. 21
5.15. Блок питания
стр. 23
6. Вывод
стр. 25
7. Список используемой литературы
стр. 25
Лист
2
1. Введение
Целью курсового проекта является разработка электроники, электрической
схемы и конструкции микропроцессорного устройства (МПУ) электронного
расцепителя для автоматического выключателя. Основа устройства –
однокристальный микроконтроллер
со
встроенным
аналого-цифровым
преобразователем. Необходимо подобрать и рассчитать устройства сопряжения
микроконтроллера с внешними устройствами, а также источники питания.
Лист
3
2. Определение необходимых внешних устройств
Электрическая схема электронного расцепителя содержит:

Микроконтроллер со встроенным АЦП

Датчики напряжения и схемы их сопряжения с микроконтроллером

Датчики тока и схемы их сопряжения с микроконтроллером

Клавиатура

Устройства сигнализации

Драйвер устройств сигнализации

Драйвер USB порта

USB порт

Жидкокристаллический дисплей

Блок питания

Расцепитель и его схему сопряжения с микроконтроллером
Электронный расцепитель, который разрабатывается в данном курсовом
проекте, является внешним устройством и подключается к автоматическому
выключателю Masterpact NT08 через независимый расцепитель MX.
Разрабатываемый электронный расцепитель получает информацию о состоянии
сети с помощью датчиков тока и напряжения. Обрабатывая полученную
информацию, выполняет функции защиты от перегрузок, селективной токовой
защиты, максимальной токовой защиты, дифференциальной защиты, защиты от
перенапряжений и провалов напряжений, функции измерения и сигнализации. В
качестве устройств ввода/вывода используются шестикнопочная клавиатура и
жидкокристаллический дисплей. В качестве сигнализации используются
светодиоды. Для соединения с персональным компьютером используется USB
порт. Питание осуществляется от сети.
Лист
4
2. Блок схема устройства
Блок схема устройства представлена на рис.1.
Рис.1. Блок схема устройства
Цепи питания – штриховой линией, цепи управления – сплошной.
Лист
5
3. Схема устройства
На рис.2 представлена электрическая схема микропроцессорного устройства.
VD
Рис.2. Электрическая схема микропроцессорного устройства
Лист
6
5. Элементы устройства
5.1. Микроконтроллер со встроенным интерфейсом
Для нашего МПУ необходим микроконтроллер с встроенным АЦП, достаточным
количеством цифровых входов и выходов и последовательным портом, этим требованиям
удовлетворяет микроконтроллер PIC16F77-PLCC44, его характеристики:
Ядро: PIC16FXX
Разрядность: 8
Тактовая частота: 20МГц
Объем ROM-памяти: 8к
Объем RAM-памяти: 368
Внутренний АЦП, количество каналов: 8
Допустимая температура окружающей среды: -40÷85°С
Напряжение питания: 5В
Рассеиваемая мощность: 1Вт
Максимальный выходной ток: ±20мА
Его внешний вид представлен на рис.3.
Рис.3. Внешний вид микроконтроллера PIC16F77-PLCC44
На рис.4 представлена его структурная схема.
Лист
7
Рис.4. Структурная схема микроконтроллера PIC16F77-PLCC44
5.2. Расцепитель
В качестве расцепителя выберем стандартный независимый расцепитель MX для
выключателя Masterpact.
Его характеристики:
Напряжение питания: Uпит= 24…30В
Потребляемая мощность: S=4.5ВА
Время отклика: 50мс
Его внешний вид представлен на рис.5.
Лист
8
Рис.5. Внешний вид независимого расцепителя MX
5.3. Схема сопряжения расцепителя с микроконтроллером
Для сопряжения расцепителя с микроконтроллером нам необходим силовой ключ,
который будет замыкать/размыкать цепь питания расцепителя. Выбираем схему с биполярным
транзистором, которая представлена на рис.6.
I
Ðàñö.
U
I
U
âûõ.ÌÊ
VD
Z
I
ÌÊ.ìàõ
ïèò
Ð à ñ ö.
Á
VT
R1
R2
Рис.6. Схема сопряжения независимого расцепителя MX с микроконтроллером
Рассчитаем резисторы R1 и R2:
R1 
R2 
U в ых.МК  U БЭ 5  0.6

 220Ом принимаем с запасом R1=240 Ом
I м к. max
20 мА
U бэ
I м к. max
 10 
0,6  10
 300Ом
2 мА
В качестве резистора R1 выбираем резистор: С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 240 Ом
В качестве резистора R2 выбираем резистор: С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 300 Ом
Внешний вид резисторов С1-4 имп. 0.25 Вт представлен на рис.7.
Лист
9
Рис.7. Внешний вид резисторов С1-4 имп. 0.25 Вт
Рассчитаем ток Iрасц.:
I расц. 
S
4.5

 190 мА
U пит 24
Необходимые условия для выбора транзистора:
Определяем ток коллектора транзистора Iк = 200 мA
β> Iк/ Iб=200/20=10
Этим требованиям удовлетворяет транзистор 2SC2053
Производитель:Mitsubishi
Характеристики транзистора представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики транзистора 2SC2053
Внешний вид транзистора представлен на рис.8.
Рис.8. Внешний вид транзистора 2SC2053
Лист
10
В качестве обратного диода выбираем защитный диод P4KE24, его характеристики:
Минимальное напряжение открывания: 21.6В
Максимальное напряжение открывания: 26.4В
Напряжение закрывания: 19В
Максимальное допустимоё напряжение: 34.7В
Максимальный пиковый ток: 12.0А
Его внешний вид представлен на рис.9.
Рис.9. Внешний вид защитного диода P4KE24
5.4. Жидкокристаллический дисплей
Для отображения информации, выбора уставок, просмотра журнала событий нам
необходим дисплей, который может отображать довольно большое количество символов и
цифр. Для этого подходит ЖК дисплей PC 2404-A, его характеристики:
Напряжение питания:4.5÷5.5В
Напряжение логических входов : 5÷7 В
Потребление тока дисплея: 4мА
Потребление тока подсветки: 320мА
Потребляемая мощность: 1.625 Вт (с подсветкой)
Внешний вид ЖК дисплея PC 2404-A изображен на рис.10.
Рис.10.Внешний вид ЖК дисплея PC 2404-A
На рис.11 представлена схема соединений ЖК дисплея PC 2404-A
Лист
11
Рис.11. Схема соединений ЖК дисплея PC 2404-A
5.5. Клавиатура:
В качестве клавиатуры выбираем шестикнопочную плёночную клавиатуру CH-08
фирмы «Николь», её характеристики:
Максимальное коммутируемое напряжение: 36В
Максимальный коммутируемы ток: 50мА
Контактное сопротивление: не более 100 Ом
Допустимая температура окружающей среды: -40÷50°С
Её внешний вид и выводы клавиатуры CH-08 представлены на рис.12.
Рис.12. Внешний вид и выводы клавиатуры CH-08
5.6.Трансформатор тока
Для измерения тока в переделах до 15∙IN нам необходим трансформатор тока, который
сможет измерять ток в столь большом диапазоне и выдерживать перегрузки, этим условиям
удовлетворяет трансформатор тока SASK 61.10 S 50-2509 J, его характеристики:
Номинальный первичный ток: INД.Т.=2000А
Номинальный вторичный ток: I2=5A
Полная мощность вторичной цепи: S=15ВА
Номинальная частота: f=50Гц
Термический кратковременный ток: Ith=60∙IN
Термический длительно допустимый ток: Iдд=1.2∙IN
Класс защиты: 10P10
Максимальное напряжение: Um≤0.72кВ
Допустимая температура окружающей среды: -5÷40°С
Лист
12
Внешний вид трансформатора тока представлен на рис.13.
Рис.13. Внешний вид трансформатора тока SASK 61.10 S 50-2509 J
На рис.13. представлена кривая точности измерений выбранного трансформатора тока,
где F[%] – относительная ошибка, выраженная в процентах от номинального тока первичной
цепи.
Рис.13. Кривая точности измерений выбранного трансформатора тока.
Из рис.13 видно, что выбранный трансформатор тока позволяет измерять ток в пределах
от 0 до 20∙IN с точностью до 10%. Точность при номинальном токе расцепителя составляет
приблизительно 1.5%
Лист
13
5.7. Датчик тока
Датчик тока необходим для измерения тока вторичной цепи трансформатора тока, он
должен измерять ток в диапазоне от 0 до 150А с большой точностью, это позволит
разрабатываемому МПУ производить измерения тока сети в диапазоне от 0 до 15∙IN.
Выбираем датчик тока Холла LEM CRSK 50-NP
Его характеристики:
Номинальный первичный ток: INД.Т.=50А
Диапазон измерений: 0±150А
Номинальное напряжение питания: Vc=5В±5%
Выходное напряжение: 0.375÷4.625В
Допустимая температура окружающей среды: -40÷105°С
Пиковый первичный ток (≤20нс): 20 ∙INД.Т
Частота: f=0÷100кГц
Внешний вид датчика тока представлен на рис.14.
Рис.14. Внешний вид датчика тока Холла LEM CRSK 50-NP
На рис.15. представлена упрощенная электрическая схема выбранного датчика тока
Холла.
Рис.15. Упрощенная электрическая схема выбранного датчика тока Холла
На рис.16. представлена кривая точности измерений выбранного датчика тока, где по
оси ординат отложена относительная ошибка измерений в процентах от номинального тока
первичной цепи.
Лист
14
Рис.16. Кривая точности измерений выбранного Датчика тока Холла
Из рисунков 13 и 16 видно, что суммарная относительная ошибка измерений при
измерении тока равна:
INвыкл=800А  

5∙INвыкл=4000А  
  ТТ (0.5I NТ .Т . )   (5 А)  1.3  0.05  1.35%
  ТТ (2.5I NТ .Т . )   (25 А)  1.5  0.05  1.55%

10∙INвыкл=8000А  

15∙INвыкл=12000А  

  ТТ (5I NТ .Т . )   (50 А)  1  0.00  1%
  ТТ (7.5I NТ .Т . )   (75 А)  1.5  0.05  1.45%
То есть, в пределах измерения от 0 до 15∙INвыкл погрешность не превышает ±2%.
5.8. Схема сопряжения датчика тока Холла, трансформатора тока с
микроконтроллером.
Для осуществления мгновенной токовой защиты воспользуемся компаратором на
операционном усилителе. Для этого необходим компаратор с малым временем задержки и
напряжением питания не больше 5В, данным требованиям удовлетворяет микросхема
AD790SQ.
Её характеристики:
Напряжение питания: Uпит=4.7÷7В
Мощность рассеяния: 60мВт
Время задержки: 45нс
Напряжение смещения нуля: Uсм0max=1.5мВ
Напряжение гистерезиса: Uг.max=2мВ
Максимальный входной ток: 8мкА
Внешний вид микросхемы представлен на рис.17.
Лист
15
Рис.17. Внешний вид микросхемы AD790SQ
На рис.18 изображены обозначения выводов и схема подключения микросхемы.
Рис.18. Обозначение выводов и схема подключения микросхемы AD790SQ
На рисунке 19 изображена схема сопряжения микроконтроллера с компаратором и
датчиком тока.
U âõ.ÀÖÏ
U âûõ
Ä.Ò.
AD750SQ
U âûõ.ÖÀÏ
U âõ.ÌÊ
Рис.19.Схема сопряжения микроконтроллера с компаратором и датчиком тока
Лист
16
5.9. Датчик напряжения
Для фазного напряжения нам необходим датчик напряжения с большим диапазоном
измерений, данным условиям удовлетворяет датчик напряжения CV3-500, его характеристики:
Производитель: LEM
Номинальное первичное напряжение: VPN=350В
Измеряемое напряжение: 0... ±500В
Выходной сигнал: 0÷10В
Точность измерений: 0.2%
Частотный диапазон: 0÷300Гц
Пиковое первичное напряжение: 2кВ
Допустимая температура окружающей среды: -40÷85°С
Напряжение питания: ±15В±5%
Потребляемая мощность: 3.1Вт
Внешний вид датчика напряжения CV3-500 представлен на рис.20.
Рис.20. Внешний вид датчика напряжения CV3-500
Схема выводов датчика напряжения CV3-500 представлена на рис.21.
Рис.22. Схема выводов датчика напряжения CV3-500
5.10. Схема сопряжения датчика напряжения с микроконтроллером
Для защиты от провалов напряжения и перенапряжений воспользуемся компаратором на
операционном усилителе. Для этой задачи подойдет ранее выбранный компаратор AD790SQ.
На рис.23. изображена схема сопряжения датчика напряжения и микроконтроллера.
Лист
17
U
âõ.ÀÖÏ
R
R
U
âûõ.Ä.Í.
Рис.23. Схема сопряжения датчика напряжения и микроконтроллера
В качестве резисторов R выбираем резисторы С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 51 кОм.
5.11. ЦАП напряжения
Для обеспечения мгновенной токовой защиты нам необходим ЦАП напряжения,
содержащий как минимум 4 аналоговых выводов. Этим условием удовлетворяет ЦАП MAX537.
Его характеристики:
Напряжение питания: 5В±10%
Потребление тока: 1.0мА
Тактовая частота: 5МГц
Количество аналоговых выходов: 4
Допустимая температура окружающей среды: -40÷85°С
Внешний вид ЦАПа MAX537 представлена на рис.24.
Рис.24. Внешний вид ЦАПа MAX537
На рис.25 представлена функциональная схема и выводы ЦАПа MAX537.
Лист
18
Рис.26. Функциональная схема и выводы ЦАПа MAX537
5.12. Сигнализация
В качестве устройств сигнализации выбираем светодиоды:
Зеленый светодиод: сигнализирует нормальный режим работы.
Желтый светодиод: сигнализирует перегрузку.
Красный светодиод: сигнализирует аварию.
Выбираем светодиоды серии СДК.
СДК-Ж 589-20-16 – Желтый.
СДК-К 624-24-16 – Красный.
СДК-Л 522-12-10 – Зеленый.
Их характеристики:
Предельный прямой ток: 70мА
Предельно допустимый прямой ток в импульсном режиме: 90мА
Рабочий прямой ток: 40мА
Допустимая температура окружающей среды: -60÷80°С
Максимальное прямое напряжение: 2.3В
Внешний вид светодиодов серии СДК представлен на рис.27.
Лист
19
Рис.27. Внешний вид светодиодов серии СДК
5.13. Схема сопряжения сигнализации и микроконтроллера
Для сопряжения светодиодов с микроконтроллером нам необходим силовой ключ,
который будет замыкать/размыкать цепи питания светодиодов. Выбираем схему с биполярным
транзистором, которая представлена на рис.28.
I
VD
I
U
I
ÌÊ.ìàõ
âûõ.ÌÊ
Á
ïð.ìàõ
Rá
U
ïèò
VT
R1
R2
Рис.28. Схема подключения светодиода к микроконтроллеру.
Драйвер управления индикатором сделаем на биполярном транзисторе
I пр.max =70 мА
R1 
R2 
Rб 
U в ых.МК  U БЭ 5  0.6

 220Ом принимаем с запасом R1=240 Ом
I м к. max
20 мА
U бэ
I м к. max
 10 
0,6  10
 300Ом
20 мА
U пит  U пр  U БЭ
I пр. max

5  2,1  0.6
 32Ом
70 мА
В качестве резистора R1 выбираем резистор: С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 240 Ом
В качестве резистора R2 выбираем резистор: С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 300 Ом
В качестве резистора Rб выбираем резистор: С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 51 Ом
Необходимые условия для выбора транзистора:
Iк =70 мA
β> Iк/ Iб=70/20=7.5
Лист
20
Этим требованиям удовлетворяет транзистор BF420 TO92
Производитель: NXP Semiconductor
Характеристики транзистора представлены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики транзистора BF420 TO92
Внешний вид транзистора представлен на рис.29.
Рис.29. Внешний вид транзистора BF420 TO92
5.14. USB порт и драйвер USB порта
Для сопряжения микроконтроллера с USB портом необходим специальный драйвер RS
232. Для этого нам подойдет микросхема ADM101E.
Её характеристики:
Скорость передачи данных: 460 кбит/с
Напряжение питания: 5В±10%
Выходное напряжение: 4.2В
Потребляемый ток: 0.5мА
Количество приёмо/передатчиков: 1
Допустимая температура окружающей среды: -40÷85°С
Её внешний вид представлен на рис.30.
Лист
21
Рис.30. Внешний вид микросхемы ADM101E
Её схема соединений изображена на рис.31.
Рис.31. Схема соединений микросхемы ADM101E
Для этой микросхемы необходимо выбрать 3 конденсатора ёмкостью 0.1мкФ, выбираем
керамические конденсаторы 0.1мкФ X7R 10%, 0402, 16В, GRM155R71C104K их внешний вид
представлен на рис.32.
Рис.32. внешний вид конденсаторов GRM155R71C104.
В качестве USB порта выбираем USB розетку USBA-1JS, её характеристики:
Максимальный ток: 1.5А
Максимальное рабочее напряжение: 30В
Крепление: 4 прямых вывода, присоединение на плату
Её внешний вид представлен на рис.33.
Рис.33. Внешний вид USB розетки USBA-1JS
Лист
22
5.15. Блок питания
Для питания усройств, входящих в наше МПУ необходимы три напряжения: 5В, 15В,
24В DC. Для этого выберем два источника питания с выходами 5В и 24В и один
преобразователь напряжения с выходом 15В.
В качестве источника питания на 24В выбираем KAM 1005 AC/DC, его характеристики:
Номинальное выходное напряжение: 5В
Максимальный ток нагрузки: 2А
Мощность: 10 Вт
Количество выходов: 1
Механическая подстройка выходного напряжения: ± 10%
Коэффициент преобразования энергии (КПД): 72 %
Уровень пульсаций (размах): 100 мВ
Электрическая прочность изоляции: 3000 В
Входное напряжение AC: 85...265 В
Входное напряжение DC: 120...370 В
Комплекс защит от короткого замыкания
Его внешний вид изображен на рис.34.
Рис.34. Внешний вид источника питания KAM 1005 AC/DC.
В качестве преобразователя напряжения выбираем TMV0515S DC-DC, его
характеристики:
Минимальное входное напряжение: 4.5В
Максимальное входное напряжение: 6.0В
Номинальное входное напряжение: 5.0В
Количество выходов: 2
Номинальное выходное напряжение: 15В
Номинальный выходной ток: 65мА
Мощность: 1Вт
Коэффициент преобразования энергии (КПД): 78%
Электрическая прочность изоляции: 3кВ
Лист
23
Допустимая температура окружающей среды: -40÷85°С
Его внешний вид представлен на рис.35.
Рис.35. Внешний вид преобразователя напряжения TMV0515S DC-DC
В качестве источника питания на 24В выбираем МС15Е 15 Вт AC/DC, его
характеристики:
Номинальное выходное напряжение: 24В
Мощность: 15Вт
Количество каналов: 1
Входное напряжение: 160…260В, 50Гц.
Максимальный ток нагрузки: 0.63А
Уровень пульсаций (размах): 100 мВ
Коэффициент преобразования энергии (КПД): 82%
Допустимая температура окружающей среды: 0÷50°С
Электрическая прочность изоляции: 1.5кВ
Встроенная защита от токов короткого замыкания: срабатывание при токе нагрузке
0.75…0.90А
Внешний вид источника питания представлен на рис.36.
Рис.36. Внешний вид источника питания МС15Е 15 Вт AC/DC
Лист
24
6. Вывод
В рамках данного курсового проекта было разработано МПУ электронный расцепитель
для автоматического выключателя Masterpact NT08. Был выбран микроконтроллер со
встроенным аналого-цифровым преобразователем, внешние устройства и их схемы сопряжения
с микроконтроллером. Данное устройство обеспечивает достаточную точность измерений тока
в пределах от 0 до 15∙INвыкл, может работать в температурном диапазоне окружающей среды
0÷50°С. В ходе работы изучены функции различных современных цифровых и аналоговых
устройств, получены навыки их выбора и применения. Данный курсовой проект разрабатывался
для учебных целей, но с некоторыми доработками, вполне может быть использован на
практике.
7. Список используемой литературы
1. Калатог продукции Интернет-магазина «Чип и Дип» (www.chipdip.ru)
2. Каталог продукции фирмы F.W. Bell (http://www.fwbell.com/)
3. Каталог продукции фирмы DEIF (http://www.deif.com/)
4. Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин Промышленная Электроника, Энергопромизадат 1988
Лист
25
Скачать