Устройство защиты трёхфазных двигателей на PIC16F676

Чаще всего трёхфазные двигатели выходят из строя из-за перекоса фаз питающего напряжения или перегрева при работе в тяжёлом режиме. Предлагаемое устройство защиты трёхфазного двигателя выключает двигатель при обрыве фазы, отклонении напряжения любой фазы (перекосе фаз) более чем на ±30 В или нагреве корпуса двигателя выше 60°С.

Устройство построено на микроконтроллере (МК) PIC16F676 и микроконтроллерном датчике температуры DS1820. Возникновение аварийной ситуации в каждой фазе и превышение температуры корпуса двигателя индицируется включением соответствующих сигнальных светодиодов. Для измерения и сравнения используется среднее выпрямленное напряжение фаз относительно нулевого провода.

Алгоритм работы программы МК показан на рисунке 1.

Рисунок 1

После включения МК выполняется инициализация его регистров и включается управляющий выход. Во время пуска двигателя (или группы двигателей) возможны провалы или скачки напряжений в фазах, поэтому устройство защиты по напряжению начинает работу спустя одну минуту после включения двигателя. Задержка реализована путем последовательного включения предделителя, таймера TMR0 и двух делителей, каждый из которых имеет коэффициент деления 30.

Далее последовательно выполняются измерения напряжения фаз А, В, С. После каждого измерения фаза проверяется на обрыв. Если измеренное напряжение равно нулю, то выход сразу выключается. Затем следует проверка значений измеренных напряжений на выход за пределы диапазона 190...250 В - в этом случае включается счётчик ошибок, который необходим для повышения помехоустойчивости устройства. При декрементировании восьмиразрядного счётчика от нуля до нуля его коэффициент деления получается равным 256. При периоде прохождения всей программы, равном 7 мс, время задержки выключения двигателя приблизительно равно 1,8 с. Для каждого сравнения имеется свой счётчик, поэтому если следующее измеренное напряжение войдёт в норму, то данный счётчик обнуляется. Таким образом, для выключения двигателя необходимо подряд 256 ошибок измерения.

После сравнения напряжений фаз А-В, В-С, С-А их разность проверяется на превышение значения 30 В. Если перекос фаз больше 30 В, то включается счётчик ошибок. Выключение выхода происходит аналогично описанному выше, через 1,8 с.

При выключении выхода из-за любой ошибки устанавливается флаг ошибки, который сбрасывается только после перезапуска МК. При отсутствии ошибки подтверждается включение выхода, и МК переходит к подпрограмме измерения температуры двигателя.

Измерение температуры начинается с инициализации термодатчика DS1820 и выдачи команды на разрешение преобразования. После приёма данных от датчика температуры проверяется флаг «двух секунд». Дело в том, что первые данные, которые приходят от датчика, недостоверны, поэтому для стабилизации данных необходимо некоторое время. Для этого введена задержка начала сравнения по температуре, равная 1,8 с. Поскольку за такое короткое время двигатель не успеет нагреться до температуры 60°С, подобная задержка не снижает качества защиты двигателя.

После отработки времени задержки устанавливается флаг «двух секунд», и каждое следующее измеренное значение температуры проверяется на превышение 60. Если температура превысит 60°С, выход выключается. Программа переходит к новому циклу измерения напряжения по фазам.

Схема устройства показана на рисунке 2.

Рисунок 2

Напряжение фаз понижается делителями напряжения на резисторах R1...R3 и R10...R12, имеющими коэффициент деления 1 : 100. Переменное напряжение фаз выпрямляется однополупериодным выпрямителем, состоящим из диодов VD1...VD3 и стабилитронов VD7...VD9, сглаживается конденсаторами фильтра С4...С6 и поступает на входы RA0...RA2 МК DD2. Линия связи термодатчика DD1 с входом RC4 МК имеет «подтягивающий» резистор R13.

Тактируется МК от внутреннего генератора частотой 4 МГц. Частоту тактового генератора, делённую на четыре (1 МГЦ), можно наблюдать на выходе RA4 (вывод 3 МК), контролируя, таким образом, работоспособность МК.

Выход RC3 МК через оптотиристор U1 и симистор VS1 включает пусковое реле К1. Его контакты К1.1...К1.3 включают/выключают подачу напряжения на двигатель. Светодиоды HL1...HL4 сигнализируют о возникновении аварийной ситуации. Гасящие резисторы R6...R9 подбирают в зависимости от выбранного типа светодиодов и необходимой яркости свечения (на схеме дано значение сопротивлений для светодиодов типа КИПД21-ПК). Кнопка SB1 «Сброс» необходима для перезапуска МК и включения двигателя после устранения аварийной ситуации.

Гасящий конденсатор C3 типа К73-17 с допустимым напряжением не менее 400 В. Стабилитрон VD4 типа 1N4733A можно заменить любым стабилитроном с напряжением стабилизации 5,1 В. Это напряжение является опорным для АЦП МК, поэтому если установить стабилитрон с меньшим напряжением стабилизации (например, 4,7 В), то потребуется пропорциональное изменение коэффициента деления входных делителей напряжения. Стабилитроны VD7...VD9 можно заменить стабилитронами типа КС147А. Датчик температуры DS1820 можно не устанавливать, но тогда не будет работать защита двигателя от перегрева (линия связи должна оставаться нагруженной резистором R13).

Налаживание устройства выполняют без МК. Сначала проверяют напряжение питания МК, которое должно быть равно 5,1 В. При испытаниях VD4 заменялся пятью экземплярами стабилитронов типа 1N473ЗА, и все они удовлетворяли этому условию. Перед установкой резисторов R10...R12 подбирают их номинал с точностью 1%. При этом не имеет значения отклонение от величины 2 кОм (можно использовать резисторы сопротивлением 1,9...2.1 кОм), главное - обеспечить равенство номиналов между собой.

Далее подбирают значения резисторов R1...R3 так, чтобы на входах 11...13 МК постоянное напряжение было равно входному напряжению, делённому на 100. При этом на все входы может быть подано напряжение одной фазы. Практически можно подобрать номинал одного резистора, а остальные резисторы устанавливают с номиналом, идентичным подобранному. Это будет справедливо при тщательном подборе резисторов R10...R12. После установки запрограммированного МК устройство готово к работе.

Работа с устройством сводится к анализу состояния светодиодов при возникновении аварийной ситуации. Если двигатель отключился и при этом ни один светодиод не горит, то произошёл обрыв фазы. Если горит один из светодиодов АВ, ВС, СА, то возможен выход напряжения фазы за пределы диапазона 190...250 В. При этом первая буква обозначения светодиода указывает аварийную фазу. При перекосе фаз надпись под горящим светодиодом соответствует тем фазам, разность напряжения которых больше 30 В. Как правило, одновременно включаются два светодиода, например, АВ и СА. В этом случае напряжение фазы А имеет отклонение от напряжения фаз В и С более чем на 30 В.

После устранения аварийной ситуации двигатель включают нажатием кнопки «Сброс».

Автор: Заец Н. (Белгородская обл.)