3. Обоснование структурной схемы электронной системы

   1. Разработка структурной схемы

Структурная схема цепи управления печью Таммана:

Рис. – Структурная схема цепи управления печью Таммана

Печь Таммана питается от сети синусоидальным напряжением стационарной частоты (50Гц), через понижающий трансформатор. Напряжение первичной обмотки =220В, а вторичной =0..6В. Соответственно коэффициент трансформации :

Ток первичной обмотки =0..100A, поскольку сопротивление печи очень мало, ток вторичной обмотки может достигать 3кА.

Управление током печи осуществляется с помощью регулировки напряжения на первичной обмотке трансформатора Регулировка происходит при помощи симисторов серии ТС-160. Справочные данные симистора приведены в приложении 1.

Симиcтop — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель(ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

В свою очередь симистором в режиме ключа управляет оптрон MOC 3062.

Оптрон MOC3062 представляет собой идеальный элемент для оптической гальванической развязки (изоляции) низковольтной управляющей части схемы и силового тиристорного ключа. Он рассчитан на напряжение между низковольтной и высоковольтной частями 7500 В. Максимальное напряжение в закрытом состоянии 600 В. Его конструктивное исполнение позволяет обеспечить расстояние между дорожками низковольтной и высоковольтной частей на печатной плате в соответствии со стандартами США, Евросоюза, России и других стран. Так что он подходит для использования в схемах коммутации сетевого напряжения.

Оптрон представляет собой изолированные друг от друга низковольтную и высоковольтную части, связанные оптически. Низковольтная часть представляет собой светодиод. Высоковольтная часть состоит из фототиристора и детектора нуля (Z - на схеме). Детектор нуля обеспечивает невозможность открытия тиристора при напряжении на нем больше определенного значения. Это гарантирует минимальные помехи, броски тока и коммутационные потери. Схемы с применением этих оптопар включаются только в момент, когда переменное напряжение достигает нулевого значения. Если на выводы 1, 2 подан открывающий ток, то оптрон откроется только в начале следующего полупериода.

Это свойство MOC3061, MOC3062, MOC3063 очень полезно в переключающих схемах, где нужно сначала отключить одну цепь, а потом, включить вторую (например, при переключении обмоток трансформатора в стабилизаторах напряжения). Если одновременно отключить управляющий ток от одного оптрона и подать на другой, то первый закроется в конце полупериода, а второй откроется в начале следующего, что обеспечит переключение в момент нулевого напряжения. Паспортные данные МОС 3062 приведены в приложении .

Сигнал на МОС подается с микроконтроллера управления, который будет выполнять несколько функций, а именно:

-считывать информационные данные;

-передавать данные на компьютер и блок цифровых семисегментных индикаторов;

-получать данные, задаваемые оператором в виде сигнала с персонального компьютера, либо с регулировочного стенда;

-обрабатывать данные, полученные от оператора и регулировать подачу напряжения сети при помощи MOC 3062.

2. Постановка требований к структурным блокам

   1. Температура

Для наглядного проведения опытов на данной печи необходимо непосредственное измерение температуры происходящего в печи процесса. Данную задачу может решить термопара.

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Принцип действия термопары основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной температурой Т2 появиться термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и холодным спаем ΔТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев

Исходя из температуры процесса плавки в печи целесообразно использовать вольфрамрениевую термопару «ВР 5/20», так как она подходит для проведения опытов на данном стенде.

Температура в печи достигает 1800 , при этом термопара ВР 5/20 выдает почти 27 мВ выходного ТЭДС. Паспортные данные термопары ВР5/20 приведены в приложении .

2. Напряжение, ток, мощность

Напряжение, как информационные данные будет измеряться во вторичной обмотке понижающего трансформатора. Оно необходимо для наглядного показа проходящего процесса и будет использоваться оператором для дальнейшего управления печью. Напряжение на нагрузке (на самой печи)может достигать 6 В.

Ток, как и напряжение будет использоваться оператором, который в свою очередь будет регулировать мощность приходящуюся на печь.

Мощность в ходе проведения экспериментов на печи Таммана будет рассчитана косвенно исходя из имеющихся значений тока и напряжения по известному закону:

P=U*I

3. Канал передачи данных

В ходе решения проблемы создания электронной системы управления печью Таммана возникает необходимость передачи данных на расстояние. В ходе исследования предложено использование физического уровня для асинхронного интерфейса типа RS-485.

RS-485 (англ. Recommended Standard 485)— стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

Технические характеристики интерфейса RS-485

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

1. Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

2. Стандарт RS-485 не оговаривает:

   • параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений, отражения в длинных линиях)

   • типы соединителей и кабелей,

   • гальваническую развязку линии связи,

   • протокол обмена.