indikÁtor smeru otÁ Čania trojfÁzovej sietediplom.utc.sk/wan/3447.pdf · vektor výslednej...

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta

Katedra experimentálnej elektrotechniky

INDIKÁTOR SMERU OTÁČANIA TROJFÁZOVEJ SIETE

Vojtech Oško

2009

Indikátor smeru otá čania trojfázovej siete

BAKALÁRSKA PRÁCA

VOJTECH OŠKO

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra experimentálnej elektrotechniky

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci bakalárskej práce: doc. Ing. Zdeněk Dostál, CSc.

Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.)

Dátum odovzdania bakalárskej práce: 12.06.2009

LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ 2009

ABSTRAKT

Práca sa zaoberá spôsobom signalizácie smeru otáčania sa 3 fázovej siete.

Z niekoľkých spôsobov signalizácie sa táto práca zameriava na signalizáciu otáčania

pomocou LED diód. V prvej časti sa pojednáva o princípe vzniku striedavého a

trojfázového napätia. Ukazuje niektoré doteraz používané meracie prístroje na princípe

použitého zobrazovacieho prvku, ako aj z funkčného hľadiska.

V ďalšej časti práca popisuje spôsob upravenia fáz. Fázu upravíme na bezpečné

hodnoty napätia a prúdu, v našom prípade 5V. Napätie je galvanicky oddelené, kvôli

väčšej bezpečnosti. Takto upravené napätie zmeníme zo sínusového priebehu na

obdĺžnikový. Vyhodnocovací obvod porovnáva kombinácie, ktoré vznikajú na vstupe

obvodu a signalizuje ju, tým pádom určí aj poradie pripojených fáz na výstupe. Podľa

toho určíme smer otáčania.

LED diódy slúžia k vizuálnemu zobrazeniu smeru otáčania. Z 5 voltov napájame

integrovane obvody ktoré slúžia na ďalšiu úpravu signálu.

THE ABSTRACT

This work deals with a way of signaling the direction of rotation of the 3 phase grid.

For several ways of signaling this work is focuses on the signaling of rotation using LED

diodes. The first part deals with the principle of emergence, and three ac voltage. Shows

some previously used measuring instruments on the principle of the imaging element, as

well as from a functional point of view.

The next section describes how to modify the work phases. Phase adjusted to a safe

voltage and current values, in this case 5V. Voltage is galvanically separated, because of

greater security. Thus provided a voltage change from sinusoidal to rectangular course.

The evaluation circuit compares the combination that creates the input circuit and the

signal it is thus determined by the order of the phases connected to the output.

Accordingly, we determine the direction of rotation.

LEDs are used to visually display the direction of rotation. For 5 volt supply

integrated circuits used for the next signal.

OBSAH

1.ÚVOD ..................................................................................................................................................... 1

2.CIEĽ RIEŠENIA ......................................................................................................................................... 2

3.TEORETICKÁ ČASŤ .................................................................................................................................. 3

3.1.STRIEDAVÝ PRÚD ....................................................................................................................................... 3

3.1.1.TROJFÁZOVÁ SÚSTAVA STRIEDAVÉHO NAPÄTIA .................................................................................... 4

3.1.2.DEFINÍCIA EFEKTU SMERU OTÁČANIA 3F SIETE ...................................................................................... 6

3.2.PRIAMY SPÔSOB MERANIA FÁZ ................................................................................................................. 7

3.2.1.KOMERČNÉ MERACIE PRÍSTROJE ............................................................................................................ 7

3.3.NEPRIAME URČENIE PORADIA FÁZ ............................................................................................................ 9

4.REALIZÁCIA .......................................................................................................................................... 11

4.1.BLOKOVÁ SCHÉMA ................................................................................................................................... 11

4.2.ÚPRAVA SIGNÁLU .................................................................................................................................... 12

4.3.NAPÁJANIE ............................................................................................................................................... 16

4.4.HLAVNÁ ČASŤ OBVODU ........................................................................................................................... 17

4.4.1.REALIZÁCIA DELIČKY F/2 ....................................................................................................................... 19

4.4.2.REALIZÁCIA OBVODU Z MKO ................................................................................................................ 20

4.5.LED SIGNALIZÁCIA .................................................................................................................................... 23

4.5.1.LED DPS ................................................................................................................................................. 26

4.5.2.RESETOVACÍ OBVOD ............................................................................................................................. 27

4.6.UMIESTNENIE DO KRABIČKY A OŽIVENIE ................................................................................................ 29

POUŽITÉ MERACIE PRÍSTROJE ....................................................................................................................... 30

5.TECHNICKO-EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE PRÁCE ................................................................................. 31

6.ZÁVER .................................................................................................................................................. 32

7.ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY ........................................................................................................... 33

8.VYHLÁSENIE O SAMOSTATNOSTI VYPRACOVANIA BAKALÁRSKEJ PRÁCE ............................................. 34

9.POĎAKOVANIE .................................................................................................................................... 34

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

TR Transformátor

ns Nanosekunda

MKO Monostabilný klopný obvod

IO Integrovaný obvod

DPS Doska plošných spojov

CMOS Complementary Metal–Oxide–Semiconductor , Typ IO

LED Svetlo emitujúca dióda

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta

1

1. ÚVOD

Práca sa zaoberá spôsobom signalizácie smeru otáčania sa 3 fázovej siete.

Z niekoľkých spôsobov signalizácie sa táto práca zameriava na signalizáciu otáčania

pomocou LED diód. V prvej časti sa pojednáva o princípe vzniku striedavého prúdu ako

aj trojfázového napätia. Rozoberá doteraz používané meracie prístroje na princípe

použitého zobrazovacieho prvku, ako aj z funkčného hľadiska.

V ďalšej časti práca popisuje spôsob upravenia fáz. Zistenie poradia jednotlivých

fáz zapojených na vstupe a následnú úpravu signálu cez logické členy, aby bolo možné

určiť smer otáčania sa trojfázovej sústavy. V práci sú popísané a vysvetlené jednotlivé

kroky, ktoré sú potrebné pre úpravu signálu a jeho následnú signalizáciu.


2

2. CIEĽ RIEŠENIA

Cieľom mojej bakalárskej práce bolo zostaviť výrobok. Prípravok musel

signalizovať smer otáčania sa pripojenej trojfázovej sústavy. Po pripojení troch fáz

výrobok musel pomocou LED diód určiť, či sa na fázach nachádza napätie a v akom

poradí sú pripojené jednotlivé fázy. LED diódy majú signalizovať otáčavý pohyb. Je ich

potrebné usporiadať a zapojiť do kruhu. V kruhu sa budú postupne rozsvecovať

a zhasínať jednotlivé LED diódy v takom poradí, v akom sú zapojené, aby vytvorili

svetelnú vlnu. Svetelná vlna zapojená do kruhu vytvorí jav otáčavého efektu. Celý

prípravok musí byť galvanicky oddelený od vstupného napätia kvôli väčšej bezpečnosti.

Prípravok bude určený ako učebná pomôcka pri laboratórnych meraniach, kde bude

potrebné určiť smer otáčania sa 3f siete, prípadne poradie pripojených fáz.


3

3. TEORETICKÁ ČASŤ

3.1. STRIEDAVÝ PRÚD

Striedavý prúd je elektrický prúd, ktorého smer a veľkosť sa v závislosti od času

menia. Elektrický prúd v obvyklej elektrickej sieti má sínusovitý priebeh bez fázového

posuvu. Najčastejšou formou striedavého prúdu je tzv. harmonický striedavý prúd, v

ktorom má okamžitá hodnota prúdu i napätia v čase t podobu sínusoidy:

, (1)

, (2)

Elektrická energia sa vyrába v elektrárňach. Alternátor používaný v elektrárňach

funguje tak, že otáčavý pohyb koná elektromagnet, ktorý tvorí rotor alternátora. Striedavé

napätie sa indukuje v sústave cievok v statore. To umožňuje odvádzať prúd z alternátora

pevnými svorkami.

Obr. 1: Vnútorné zapojenie alternátora

V elektrárňach je zdrojom striedavého napätia trojfázový alternátor. Stator

alternátora sa skladá z troch cievok, ktorých osi zvierajú navzájom uhly 120°. Uprostred

medzi cievkami sa otáča cievka napájaná jednosmerným prúdom. V cievkach sa indukujú

striedavé napätia. [5]


4

Indukované napätia majú rovnakú amplitúdu Um a sú navzájom posunuté o

periódy. Platia pre ne rovnice:

(4)

Trojfázové alternátory používané v energetike sú konštruované tak, aby mali veľký

výkon, a preto sú charakteristické svojou mohutnou konštrukciou. Stator týchto

alternátorov tvorí plášť, ktorý je pevne priskrutkovaný na nosnú plošinu generátora,

pretože musí odolávať veľkému momentu sily. Jadro statora sa skladá z tenkých

izolovaných plechov a v jeho drážkach sú uložené vinutia cievok. Konce cievok sú

vyvedené na svorkovnicu alternátora.

Obr. 2: Časový a fázový diagram trojfázového napätia [5]

3.1.1. TROJFÁZOVÁ SÚSTAVA STRIEDAVÉHO NAPÄTIA

Tri navzájom fázovo posunuté napätia z alternátora by sme mali rozvádzať šiestimi

vodičmi. V energetike sa však využíva rozvodná sieť, v ktorej sú vodiče navzájom

vhodným spôsobom prepojené a k rozvodu elektrickej energie postačuje menší počet

vodičov.


5

Najčastejšia je trojfázová sústava striedavých napätí založená na poznatku, že súčet

okamžitých hodnôt striedavých napätí indukovaných v cievkach alternátora je stále

nulový u1 + u2 + u3 = 0 .

Na základe tohto poznatku môžeme spojiť jeden koniec každej z cievok statora do

spoločného bodu – uzla .

Na opačné konce cievok sú pripojené fázové vodiče (L1, L2, L3) a s uzlom je

spojený nulovací vodič (N). Medzi fázovými vodičmi a nulovacím vodičom sú fázové

napätia u1, u2, u3. Napätia u12, u23, u31 medzi ľubovoľnými dvoma fázovými vodičmi

sú združené napätia. Ich efektívna hodnota je √3-krát väčšia než efektívna hodnota

fázového napätia (napr. U12 = U1).

Obr. 3: Spojenie cievok statora alternátora [5]

V elektrickom rozvode spotrebiteľskej siete, t. j. elektrickej siete, ku ktorej

pripojujeme spotrebiče napr. v domácnosti, je fázové napätie 230 V a združené napätie

400 V. V bežnej sieťovej zásuvke je teda fázové napätie, takže jedna jej zdierka je

spojená s nulovacím a druhá s fázovým vodičom. O tom sa môžeme presvedčiť napr.

skúšačkou, ktorou možno fázový a nulovací vodič indikovať.

Rad spotrebičov s väčším elektrickým výkonom, napr. elektromotory, sa pripájajú

súčasne ku všetkým fázovým vodičom. Ich elektrický obvod má tri rovnaké časti zapojené


6

do hviezdy alebo do trojuholníka. Pri spojení do hviezdy sú jednotlivé časti spotrebiča

pripojené k fázovému napätiu (230 V) a pri spojení do trojuholníka sú pripojené k

vyššiemu združenému napätiu. (400 V). Preto je výkon spotrebiča pri spojení do

trojuholníka väčší.

3.1.2. DEFINÍCIA EFEKTU SMERU OTÁČANIA 3F SIETE

Veľký praktický význam trojfázových prúdov je daný možnosťou konštrukcie

jednoduchých a výkonných elektromotorov, ktorými sa elektrická energia mení na

mechanickú energiu. Činnosť elektromotora sa zakladá na pohybe vodiča s prúdom v

magnetickom poli, ktoré vytvára prúd vo vinutí statora.

Cievky sú pripojené na trojfázové napätie. Prúd prechádzajúci cievkami vytvára v

nich magnetické pole. Magnetické indukcie magnetických polí jednotlivých cievok sa

skladajú. Vektor výslednej magnetickej indukcie mení v priestore medzi cievkami svoj

smer postupne tak, ako keby sa otáčal uhlovou rýchlosťou w, ktorá sa rovná uhlovej

frekvencii striedavého prúdu. Jav sa nazýva točivé magnetické pole.

Obr. 4: Vznik točivého magnetického poľa [5]

V hornej časti obrázka je časový diagram prúdu v cievkach a v dolnej časti je

naznačený tvar indukčných čiar výsledného magnetického poľa v časoch


7

(5)

V okamihu TA je prúd vo vinutí fázy L1 nulový, vinutím fáz L2 a L3 prechádza

rovnako veľký prúd opačného smeru. Indukčné čiary a vektor výslednej magnetickej

indukcie smerujú od vinutia fázy L2 k vinutiu fázy L3. Podobnou úvahou nájdeme smer

indukčných čiar v okamihoch TB, TC, TD a zistíme, že indukčné čiary výsledného

magnetického poľa sa budú otáčať s periódou T v smere šípky.

3.2. PRIAMY SPÔSOB MERANIA FÁZ

Na priame meranie poradia fáz sa používajú meracie prístroje. Prístroje fungujú na

rôznych princípoch. Jedny porovnávajú jednotlivé fázy a následne ich vyhodnocujú

samostatne. Iné sú založené na princípe malého indukčného motora a pomalým otáčaním

určujú smer fázy. Navonok sa prístroje odlišujú tvarom a zobrazovacím prvkom.

Z technologického hľadiska funguje prístroj na rôznych princípoch, ktoré si každá

firma stráži, lebo je to ich „know how“. Preto sú prístroje popísané len z katalógových

údajov a nie sú priložené ich schémy a podrobný popis ich fungovania.

3.2.1. KOMERČNÉ MERACIE PRÍSTROJE

Summit SPD 480

Prístroj pracuje na princípe rotujúcich diskov. Po zapojení fáz začne rotovať

diskom, ktorý je umiestnený za priehľadným sklom a otáča sa podľa zapojených fáz.

Otáčať sa môže buď na ľavú alebo pravú stranu. Podľa toho môžeme určiť smer otáčania

a poradia zapojených fáz. Ak sa otáča na ľavú stranu môžeme určiť, že zapojené fázy sú

v poradí L1-L2-L3. Merať môžeme napätia do 400 V na frekvenčnom rozsahu 40 – 70

Hz. Nevýhodou tohto meracieho prístroja je, že pri meraní vyšších napätí môže byť

zapojený len obmedzenú dobu niekoľkých minút.


8

Metra PM 454

Prístroj funguje na princípe detekcií pripojených fáz. Neukazuje smer otáčania, ale

ukazuje poradie zapojenia fáz voči sebe. Ukazuje, ktoré fázy majú aké poradie a tým

môžeme určiť aj posunutie fáz. Tento merací prístroj je vhodnejší na laboratórne úlohy,

keďže má viac funkcií ako len zobrazenie smeru otáčania. Prístroj je schopný merať až do

700 V.[6]

Obr. 6: Merací pristroj METRA PM 454

HDT Skúšačka motorov 8100

Ďalší z prístrojov je HDT skúšačka motorov 8100. Je to indikátor otočného poľa s

detekciou sledu fáz. Bez napäťove určuje pripojenie motora (U,V,W). Bezkontaktne

určuje smer rotácie bežiaceho motora. Ďalej indikuje magnetické pole na AC - valcových

cievkach.

Ako zobrazovací prvok ma LED diódy, ktoré signalizujú danú činnosť. Môže

indikovať fázu od 120 do 440 V pri frekvencií od 2...400 Hz a napäťovom rozsahu od 1

do 440 V. Krytie má IP 40. [6]

Obr. 5: Merací prístroj summit SPD 480


9

Obr. 7: HDT skúšačka motorov

Obr. 8: Rôzne typy meracích prístrojov[6]

Ďalšie typy prístrojov sa funkčne podobajú už na spomenuté, merajú fázu a smer

otáčania. Líšia sa vzhľadom a spôsobom zobrazenia.

3.3. NEPRIAME URČENIE PORADIA FÁZ

Pri nepriamom určovaní poradia fáz sa používajú meracie prístroje ako W-meter a

Voltmeter. Pri kondenzátoroch zapojených do hviezdice W-meter meria jalový výkon. Ak


10

je poradie fáz v správnej postupnosti, ukazuje W-meter zápornú výchylku, pri

nesprávnom poradí fáz má kladnú výchylku.

Obr. 9: Zapojenie W-metra pri C

Pri cievkach zapojených do hviezdice W-meter meria jalový výkon. Ak je poradie

fáz v správnom poradí, ukazuje W-meter kladnú výchylku.

Obr. 10: Zapojenie W-metra pri L

Obr. 11: Meranie napätia pri indukčnej väzbe

Pri správnom označení poradia fáz je Uv < Us.


11

Obr. 12: Meranie napätia pri kapacitnej väzbe

Pri správnom označení poradia fáz je Uv > Us.

4. REALIZÁCIA

Po predchádzajúcich analýzach a podľa požiadaviek zadania som si zvolil realizáciu

prípravku. Keďže vyššie spomenuté prístroje fungujú na uvedených princípoch, navrhol

som si vlastnú schému, ktorá bude plniť zadanie práce.

4.1. BLOKOVÁ SCHÉMA

Zadanie práce bolo, že výrobok má signalizovať smer otáčania fázy, diódami alebo

inými signalizačnými prvkami. Zvolil som si signalizáciu diódami, preto som aj schému

navrhol tak, aby na konci procesu bol smer signalizovaný otáčavým plynulým pohybom

diód, obdobne ako svetelný had.


12

Obr. 13:Logická schéma obvodu

Schéma bola navrhnutá z integrovaných obvodov logických členov typu CMOS.

Hlavná myšlienka bola v tom, že prístroj porovnáva už upravený sínusový signál a podľa

číselnej kombinácie vyhodnotí poradie zapojených fáz, a tak aj smer otáčania danej

trojfázovej sústavy.

4.2. ÚPRAVA SIGNÁLU

Ako prvé som potreboval upraviť vstupné trojfázové napätie na taký signál,

s ktorým môžu pracovať integrované obvody typu CMOS.

Spôsobov na upravenie vstupného napätia je viacero, keďže potrebujem galvanicky

oddeliť cely výrobok, odpadá možnosť použiť odporový delič. Ako ďalší spôsob sa dá

použiť transformátor na zmenšenie signálu na 5 V a súčasne aj na galvanické oddelenie.

Túto možnosť som nepoužil preto, lebo pri realizácii prípravku je nutnosť úpravy troch

fáz. Použitie troch transformátorov by bolo priestorovo aj finančne náročné. Ako finálne

riešenie som volil použitie optočlenov. Optočlen galvanicky oddelí a zároveň pri

správnom zapojení aj upraví signál na požadovaný tvar.


13

Schéma optočlenového zapojenia pre jednu fázu:

Obr. 14: Schéma zapojenia meniča napätia s optočlenom

Na riešenie optočlenového zapojenia som použil optočlen WK 16421. Je to

optočlen s jednou diódou, I max = 50 mA a vstupným napätím 1,5 V. Vstupné hodnoty

kondenzátora C a odporu R1 som volil podľa vypočítanej hodnoty.

Výpočet prúdu pri použití veľkosti C=100 nf

(6)

Diódu na výstupnom smere som použil kvôli ochrane pred prepoľovaním. Na

začiatku som namiesto odporu R2 použil potenciometer, ktorým som si nastavil takú

hodnotu odporu, aby výstupný signál bol harmonický s čo najstrmšími nábežnými

hranami (tr) a zostupnými (tf) hranami. (Obr.17)


14

Toto som riešil preto, aby s ním boli schopné pracovať integrované obvody použité

ďalších častiach. Keďže signál aj po tejto úprave nemal kolmé hrany, na konečnú úpravu

som použil obvod CD4050BC.

t

Obr. 15: Porovnanie signálu za optočlenom (hore) a upraveného signál za IO 4050 (dole)

Znázornenie konkrétneho signálu zobrazeného na osciloskope (Obr. 15). Perióda

signálu je 8ms/d a amplitúda 2V/d. Po prepočte vyšli hodnoty signálu 50Hz a 5 V. 50 Hz

je preto, lebo napätie ktoré privádzame na vstup optočlena je striedavé napätie

s frekvenciou 50 Hz. Veľkosť 5 V je preto, lebo výstupná časť obvodu je napájaná

pomocou transformátora. Zapojenie popíšem v ďalšej časti.

Obvod CD4050BC je 6x neinvertujúci budič CMOS.

Obr. 16: Schéma zapojenia obvodu 4050 [1]


15

IO 4050 je možné napájať od 0,5V do 18V odporúčané hodnoty sú od 3V do 15V.

Obvod funguje tak, že vstupný signál obnovuje na základe preklápacích úrovni. Upravený

signál je časovo posunutý voči vstupnému. Posunutie je len v rádovo desiatkach ns.

Obr. 17: Grafické znázornenie priebehu obvodu 4049 a 4050 [1]

Keďže pracujem s frekvenciou 50Hz, veľkosť posnutia signálu prechodom IO 4050

je prakticky zanedbateľné. Pre ďalšie pracovanie zo signálom som musel použiť aj

invertujúci budič IO 4049. Obvod funguje rovnako ako IO4050 a má aj rovnaké

parametre. Výstupný signál je ale voči vstupnému inverzný. Na základe toho, že som

použil spomenuté IO a všetky časové posunutia sú rovnaké, na výstupe sú všetky signály

3 fáz posunuté rovnako. Na výstupe po upravení vstupných signálov môžem pracovať

s neposunutými signálmi voči sebe, nie už však voči pôvodným signálom. Zariadenie má

signalizovať otáčavý pohyb, ktorý sa dá určiť z upravených signálov, preto nepotrebujem

pôvodný neposunutý signál.


16

Obr. 18: Teoretický priebeh jednotlivých fáz (v ľavo) a ich úprava (v pravo)

Doteraz som popisoval úpravu len jednej časti trojvstupového obvodu. Prípravok

obsahuje 3 časti, úplne identické. Na výstupe optočlenového obvodu dostaneme signály,

ktoré sú znázornené na (Obr.15). Fázy L1, L2 a L3 sú navzájom voči sebe posunuté

o 120º.

Preto aj upravený signál je posunutý voči sebe. Tieto výstupné signály privádzam do

ďalšej časti obvodu, ktorá sním pracuje, a podľa neho určuje smer otáčania.

4.3. NAPÁJANIE

Ako napájací transformátor som použil TR na 12 V. Všetky obvody v obvode sú

napájané 5V, no v prípade nutnosti použitia väčšieho napätia som volil transformátor na

12V. Na napájanie transformátora som použil jednu z troch fáz. Napájanie transformátora

som viedol cez prepínač, ktorý slúži na vypnutie a zapnutie obvodu. Vypínač je vyvedený

na kryte prípravku. Transformátor je 1 watový, keďže integrované obvody použité

v obvode sú typu CMOS a tým pádom nemajú veľký odber. Nebola nutnosť použitia

väčšieho transformátora a 1 watový TR je dostačujúci na dodanie požadovaného výkonu.


17

Ako napájací obvod som použil schému klasického napájacieho obvodu

s Grecrovým mostíkom a stabilizátorom na 5V.

Za transformátor som zaradil mostíkový usmerňovač, zapuzdrený v puzdre typu

RB156. Stanovený prúd mostíka je 1,5A. Za usmerňovacím mostíkom je zaradený IO

LM7805, ktorý som ošetril stanovenými hodnotami kondenzátorov. Pred stabilizátorom je

zaradený vylaďovací kondenzátor.

Na výstupe napájacieho obvodu je 5V jednosmerného napätia. Tento obvod napája

všetky CMOS Integrované obvody, ktoré sa nachádzajú v prípravku, ako aj diódy, ktoré

signalizujú otáčavý pohyb. [ele]

Obr. 19: Schéma zapojenia napájacieho obvodu

4.4. HLAVNÁ ČASŤ OBVODU

Ako som spomenul vyššie, hlavná myšlienka realizácie prípravku bola v detekcii

číselnej kombinácie na vstupe obvodu a následne podľa toho určenie smeru otáčania.

Po úprave trojfázového napätia v predchádzajúcich obvodoch dostaneme 3

periodické, rôzne časovo posunuté signály. Tieto signály použijeme ako číselné údaje,

podľa ktorých môžeme určiť stranu, na ktorú sa bude otáčať motor. Kombinácie

porovnávam k fáze číslo L1. Kombinácia 1, 0, 1 znamená, že fázy sú privedené postupne

v 120 stupňovom posunutí a sú zapojené v postupnosti L1, L2, L3 (motor sa otáča na

pravú stranu). Poradie 1, 1, 0 znamená, že po fáze L1 nasleduje fáza L3 a až na koniec

fáza L2. Zapojené sú v postupnosti L1, L3, L2. (Motor sa otáča na ľavo).


18

Obr. 20: Kombinácie, ktoré môžu vzniknúť na vstupe

Časť signálu s hodnotou 5V nám predstavuje LOG 1 a časť s nulovou hodnotou je

LOG 0. Na vstupe obvodu teda môžu vzniknúť tieto číselné kombinácie zo všetkých 3

vstupov.

Pri číselnej kombinácii 1-0-1, ktorá určuje, že fázy sú zapojené v poradí L1-L2-L3,

som potreboval na výstupe obvodu dostať LOG 1. Druhá kombinácia 1-1-0 určuje

zapojenie fáz L1-L3-L2.

Na to som použil 2 štvorvstupové AND obvody, ktorých výstup je logickým

súčinom všetkých vstupov. Riešil som to tak, že jeden obvod reagoval na kombináciu

1,0,1 a druhý obvod na 1,1,0. Keďže obvod má na výstupe Log 1 iba vtedy, ak sú všetky

jeho vstupy v Log1, potreboval som upraviť vstupné signály. Tento problém som vyriešil

že na jeden vstup AND-u som na druhú pozíciu umiestnil negovací člen a tým som pri

kombinácií 1, 0, 1 získal impulz z výstupu obvodu. Toto isté som spravil aj pri druhom

obvode s tým rozdielom, že negovací člen bol umiestnený na tretiu pozíciu a tým pri

kombinácií 1, 1, 0 bol na výstupe impulz.


19

Obr. 21: Zapojenie vstupných AND obvodov

4.4.1. REALIZÁCIA DELIČKY F/2

Vstupný signál má frekvenciu 50 Hz. Potreboval som ho preto zmenšiť na polovicu

25 Hz, aby ho bolo možné sledovať a aby nebol otáčavý pohyb na výstupe príliš rýchly.

Na vytvorenie OKNA som použil signál z L1. Na spomalenie frekvencie som použil

deličku frekvencie f/2. Ako delička f/2 sa dá použiť preklápací obvod D.

Preklápací obvod D (z angl. Delay – zdržanie) je synchrónny bistabilný preklápací

obvod so vstupom D (Data) a hodinovým vstupom C (Clock). Obvod realizuje 1-bitovú

pamäť. Pri nábežnej hrane hodinového signálu sa momentálna hodnota vstupu D

skopíruje do vnútorného stavu a na výstup, kde zostane zachovaná až do nasledovnej

nábežnej hrany hodinového signálu.

Integrovaný obvod CD4013BC obsahuje 2x preklápací obvod D.

Obr. 22: IO 4013 a jeho pravdivostná tabuľka [2]


20

Kedže som potreboval deličku f/2. Zapojil som obvod tak, že som SET aj RESET

uzemnil. Dalej som spojil výstup zo vstupom DATA. Vstupný signál o frekvencií 50 Hz

som priviedol na hodinový vstup CLOCK. Tým som na výstupe dostal signál o frekvencii

25 Hz. Tento signál som nazval OKNO. OKNO signál som priviedol na štvorvstupový

AND obvod spolu zo signálmi.

Na výstupe AND obvodu som tak dostal tiež periodický signál o frekvencii 25 Hz,

lebo AND obvod pracoval len v tej dobe, keď mal OKNO signál úroveň LOG1.

Obr. 23: Nameraný pôvodný signál (hore) a po výstupe z obvodu IO 4013 podelený

dvoma (dole)

4.4.2. REALIZÁCIA OBVODU Z MKO

Zapojením s AND obvodmi sa mi podarilo určiť, kedy je aká kombinácia na vstupe.

Problém bol ale v tom, že aj jedna, aj druhá číselná kombinácia sa vyskytovala počas

jednej periódy. Rozdiel bol v tom, že keď boli pripojené fázy v poradí L1-L2-L3,

kombinácia 101 sa objavila skôr, ako kombinácia 110. Následkom toho sa zopol najskôr

obvod AND &1 a až potom obvod AND &2. Pri privedení fáz v postupnosti L1-L3-L2 to

bolo opačne, najskôr zopol obvod &2 a až potom &1.


21

Pre zablokovanie druhej časti obvodu som zrealizoval obvod, ktorý sa skladá

z dvoch navzájom prepojených častí, trojvstupového AND obvodu a MKO. Monostabilný

preklápací obvod (skr. MKO) má jeden stabilný stav, z ktorého je možné ho vstupom

preklopiť do nestabilného stavu. Obvod sa sám po určitom čase preklopí naspäť do

stabilného stavu. Oneskorenie je definované časovou konštantou RC obvodu, zloženého z

rezistora a kondenzátora. Po preklopení obvodu do nestabilného stavu sa kondenzátor

začne cez rezistor nabíjať a po dosiahnutí určitého prahového napätia sa obvod preklopí

späť do stabilného stavu. Kondenzátor sa vybije a celý proces sa môže zopakovať.

Ako MKO som použil obvod CD4047BC. Obvod je možné použiť podľa zapojenia

ako bistabilný alebo monostabilný preklápací obvod.

Obr. 24: Rozmiestnenie nôh IO 4047(v ľavo) a vnútorné zapojenie obvodu 4047 (vpravo)

[3]

MKO bolo potrebné nastaviť na danú potrebnú dĺžku, Nastavenie som riešil podľa

odporúčaného tabuľkového zapojenia. Pre monostabilný klopný obvod je zapojenie

nasledovné. Na astabilný vstup č.4 a na napájací vstup sa privedie +5V. Čísla vývodov

5,6,7,9,12 sa uzemnia. Vstupný signál sa privedie na vstup č.8 (+trigger), a výstupný

upravený signál je na výstupe č. 10. (č. 11 je negovaný výstup).


22

Obr. 25: Teoretické časové priebehy MKO [3]

Po zapojení IO do monostabilného módu bolo potrebné nastaviť výstup. Časová

konštanta sa nastavuje veľkosťami odporu a kondenzátora, zapojených medzi výstupmi

IO 3-2 (pre odpor) a medzi 3-1 (pre kondenzátor). Hodnoty odporu R a kondenzátora C

som volil podľa tabuľkových hodnôt na dané časové oneskorenie. Dĺžka impulzu, ktorý

vchádzal do MKO bola 0,008 s. Preto som potreboval nastaviť MKO na veľkosť impulzu

od 0,012 po 0,019. Na sledovanie veľkosti impulzu som použil osciloskop.

Obr. 26: Porovnanie pôvodného signálu 25Hz (hore) a signálu po úprave v MKO (dole)

Použil som kondenzátor o veľkosti 100nF. Namiesto odporu som zapojil do obvodu

potenciometer, na ktorom som postupne zväčšoval hodnotu odporu. Použil som

dvojkanálový osciloskop. Na jednom kanáli som zobrazil vstupný signál, ktorý privádzam

do MKO. Na druhom kanáli som zobrazil výstupný signál z MKO. Zväčšovaním odporu

som sledoval zväčšovanie časovej základne tM . Keď bola veľkosť signálu tM taká, aby

bola v rozmedzí veľkostí od 12 ms po 19 ms, potenciometrom som nastavil fixnú


23

hodnotu. Nameraná hodnota bola 14,4 ms. Tie isté hodnoty som použil aj na druhom

MKO. Druhý MKO som tiež skontroloval na osciloskope kvôli prípadným odchýlkam.

Obr. 27: Schéma zapojenia obvodu s MKO

Hlavnou funkciou obvodu je zistenie, na ktorú časť AND obvodu sa dostane prvý

impulz z predchádzajúceho zapojenia. Obvod som navrhol tak, že po zapnutí prípravku

obvod čaká na signál. Jeden vstup IO AND je nastavený na Log 1 s negovaným nulovým

signálom, ktorý sa nachádza za MKO. Ďalšie vstupy AND obvodu čakajú na príchod

signálu OKNO a krátkeho impulzu z predchádzajúceho obvodu. Po príchode signálu na

AND, obvod zopne a vyšle signál na vstup MKO, ktorý ho predĺži na prednastavenú

časovú hodnotu. Tento predĺžený signál z výstupu MKO som znegoval.

Ak príde ako prvý signál na vstup B, obvod AND3 ho vyhodnotí a na výstupe bude

LOG1. Obvod MKO po detekcii krátkeho impulzu z hradla AND 3 predĺži trvanie

impulzu na už prednastavenú dobu. Aby znegovaný signál zablokoval obvod AND 4 po

dobu, za ktorú sa na ňom objaví signál z predchádzajúceho obvodu, ktorý je prebytočný.

Na výstupe tohto zapojenia sme dostali signál z jednej časti obvodu. Podľa toho z ktorej

časti sme ho dostali, môžeme určiť aká číselná kombinácia je na vstupe a podľa toho aj

v akom poradí sú zapojené fázy.


24

4.5. LED SIGNALIZÁCIA

Posledná časť prípravku spočíva v zobrazení otáčavého pohybu pomocou LED

diód. Z výstupu predchádzajúceho obvodu mám dva periodické obdĺžnikové signály.

Vždy funguje len jeden, podľa toho na akú stranu sa točí sústava.

Spôsobov na zobrazenie otáčavého pohybu bolo viacej. Ja som to riešil pomocou

Integrovaného obvodu typu 4017. Obvod slúži ako čítač do desať.

Obr. 28: Rozloženie nôh IO 4017 [4]

Obvod plne vyhovuje čo sa týka jeho funkčnosti, no pri jeho použití treba ošetriť

jednu vec. Obvod po zapnutí nečaká na príchod periodického signálu, ale v momente, keď

na obvod privediem napätie, obvod sa nastaví do východzieho nastavenia a zopne nultý

výstup. Výsledkom je, že aj bez príchodu periodického signálu obvod signalizuje 0-tý

stupeň. Toto pre mňa nie je až taká požadovaná funkcia. Potrebujem, aby obvod, na ktorý

neprivádzam signál bol vypnutý. Toto ošetrenie popisujem v kapitole RESETOVACÍ

OBVOD.

Pre správnu funkciu obvodu musia byť vstupy RESET a CLOCK ENABLE

uzemnené. Po príchode prvého impulzu z periodického signálu na hodinový vstup

CLOCK ho obvod vyhodnotí. Na výstupe nastaví nultú pozíciu a drží ho zopnutý po

dobu, kým nepríde druhý impulz. Po príchode druhého impulzu obvod nastaví nultú

pozíciu na hodnotu LOG 0 a prvú pozíciu nastaví na hodnotu LOG 1 až po dobu, kým

nepríde ďalší impulz. Na konci (t. j. deviata pozícia na IO) po príchode impulzu resetne


25

a znova pokračuje od nultej pozície. Toto sa opakuje až pokým sa periodický signál

prestane vysielať. Táto funkcia je popísaná v grafe časových priebehov:

Obr. 29: logický časový priebeh obvodu 4017 [4]

Funkciu tohto obvodu som využil pre signalizovanie otáčavého pohybu. Musel som

ale trochu upraviť výstupný signál, ktorý vychádzal z obvodu. Kvôli tomu, že výstup

z obvodu mal malé napäťové a prúdové hodnoty, ktoré boli nedostačujúce na vybudenie

LED diódy. Použil som za každým výstupom neinvertujúci budič, ktorého funkcia bola

popísaná vyššie. Obvod som zapojil tak, že na vstup som priviedol signál z 4017 obvodu

a z výstupu som napájal LED diódy.


26

Obr. 30: Zapojenie LED diód

4.5.1. LED DPS

Posledná časť prípravku sa skladá zo zapojenia LED diód.

Uvažoval som použiť dva spôsoby zobrazenia otáčavého pohybu. Keďže som mal

dva signály, pre každý smer jeden, mohol som použiť dva rôzne kruhy. Jeden pre otáčavý

pohyb do prava a druhý pre pohyb do ľava. Toto riešenie sa mi zdalo ako nepraktické.

Keďže na zobrazenie pohybu na jednu stranu potrebujem 10 diód a rovnaký počet aj pre

zobrazenie na ľavú stranu, použitie 20 diód by bolo náročnejšie na miesto, lebo

umiestnenie 2 kruhov by nevošlo do prípravku.

Ako druhá možnosť bola použitie dvojfarebných diód. Použil som L-59 EGW,

priemer je 5mm, 3 pin. Farby sú červená a zelená, odber prúdu je 20mA. Výhodou bolo,

že zaberú miesto len pre jeden kruh a je možnosť na ňom signalizovať dva otáčavé

pohyby pre každú stranu.

Pre toto zapojenie som si navrhol vlastnú dosku plošných spojov. DPS slúži na

prehľadnejšie zapojenie LED diód. Dosku som realizoval tak, že z každej diódy som

jednu farbu (stranu) vyviedol a zoskupil som ich na jedno miesto na doske pre lepšie

zapojenie káblov.

Usporiadanie LED diód na doske plošných spojov som zvolil nasledovne. Zelenú

farbu, číže smer doľava, som označil na schéme modrými číslami. Postupne som zapájal

výstupy od 0 po 9. Výsledok bol, že diódy postupovali zaradom, a spravili postupnú vlnu.

Červenú farbu čiže smer do prava som zvolil naopak. Začínal som od prvej (nultej)

pozície na doske plošných spojov a postupne som zapájal jednotlivé po sebe idúce vývody


27

na diódy na pravý smer. Výsledok bol taký istý, postupný otáčavý pohyb, ale na pravú

stranu.

Obr. 31: Rozmiestnenie LED diód na DPS

4.5.2. RESETOVACÍ OBVOD

Jeden z problémov, ktoré som musel riešiť bolo to, že integrovaný obvod 4017,

ktorý robí otáčavý pohyb LED diód signalizoval prvú pozíciu aj bez privedeného signálu.

Bolo ho treba ošetriť. Obvod 4017 obsahuje jeden resetovací vstup. Keď na vstup

RESET privediem +5V, obvod sa resetuje a prípadné vybudené výstupy sa zmažú. Ostane

vybudená len 0-tá pozícia. Pre výsledný efekt som potreboval nultú pozíciu vypojiť.

Ako riešenie som použil zapojenie s RELÉ a tranzistorom. Hlavná funkcia tohto

zapojenia spočívala v tom, že ak obvod signalizoval pohyb do jednej strany, tým pádom

bol funkčný len jeden obvod 4017. Druhý obvod sa musel zresetovať. Rovnako sa musela

odpojiť LED dióda, ktorá bola vybudená pri resetovanom obvode.


28

Funkcia obvodu je nasledovná. Po privedení signálu MKO 1 (ľavý otáčavý pohyb)

na obvod sa zopne RELÉ 1. Tým sa prepnú všetky prepínače. Spínač t1 (obr.32) slúži na

zabezpečenie toho, aby po príchode periodického obdĺžnikového signálu zostalo RELÉ 1

stále zopnuté. Inak by relé zopínalo a vypínalo podľa privedeného signálu. RELÉ bude

držať zopnuté tak dlho, pokým bude v obvode napätie. Po vypnutí napájacieho prepínača

prestane celým obvodom tiecť prúd a RELÉ sa odopne. Ďalší prepínač relé 1, t2 (obr.32)

zabezpečuje resetovanie obvodu2, ktorý je v prípade funkčnosti obvodu1 nutné

RESETOVAŤ. Zapojený je tak, že kým sa RELÉ nezopne, vstup RESETU je privedený

na zem. Po zopnutí sa prepne prepínač na +5V a tým bude obvod IO2:4047 resetnutý do

takej doby, kým sa RELÉ neodpojí.

Posledný prepínač slúži na odpojenie LED diódy, ktorá svieti aj po resetovaní 4047.

Je zapojená tak, že keď sa zopne RELÉ, prepínač odpojí LED diódu od obvodu, v ktorom

je zapojená a uzemní ju, tým prestane svietiť.

Druhý obvod funguje presne tak isto, ale spína sa pri opačnom smere točenia

a odpája a resetuje druhý obvod.


29

Obr. 32 Schéma zapojenia obvodu s RELÉ

4.6. UMIESTNENIE DO KRABI ČKY A OŽIVENIE

Celú prácu som realizoval na univerzálnej doske plošných spojov kvôli tomu, že

som postupne realizoval výrobok a postupne som aj odskúšal jednotlivé časti.

Výrobok som umiestnil do typizovanej umelohmotnej krabičky o veľkosti 20x14x4

centimetrov. Dosku plošných spojov som umiestnil naspodok a pripevnil dištančnými

stĺpikmi o spodok dna kvôli fixácii a bezpečnosti. Na vrchnú stranu krytu som umiestnil

vlastnú dosku so signalizačnými LED diódami. Jednotlivé diódy som prispájkoval

k doske pomocou točeného zväzku káblov kvôli prehľadnosti. Do krytu som si nameral

a vyvŕtal diery o priemere 5mm, v takom rozložení v akom boli na DPS. Diódový kruh

má priemer 4cm. Po navŕtaní som do dier umiestnil objímky na LED diódy pre fixáciu


30

a krajší vzhľad. Dosku z LED diódami som tiež pripevnil na kryt dištančnými stĺpikmi

kvôli fixácii.

Na predný kryt som vyviedol vypínač, ktorý odpája obvod od napätia. Na prednom

kryte sú tiež vyvedené svorky pre pripojenie napätia, ktoré sú privedené na dosku

pomocou hrubších káblov. Svorky nie sú zapojené podľa technickej normy. Na krabičke

sú konektory typu zásuvka a napätie sa privádza konektorom typu vidlica.

Posledné sú vyvedené na krabičke signalizačné LED diódy, ktoré signalizujú či sú

pripojené jednotlivé fázy.

Obr. 33: Pohľad do vnútra prípravku a jeho finálna verzia

Oživenie prípravku. Po zamontovaní je výrobok funkčný. Zapneme ho tak, že

pripojíme svorky, s trojfázovým napätím. Po zapnutí trojfázového napätia, bude výrobok

signalizovať jednotlivé pripojené fázy zasvietením LED diód. Výrobok nebude

signalizovať otáčavý smer, až kým nezapneme vypínač. Vtedy sa rozsvieti otáčavý pohyb

na takú stranu, na akú sa otáča pripojená trojfázová sústava.

POUŽITÉ MERACIE PRÍSTROJE OSCILOSKOP


31

Úpravu signálu počas celej realizácie prípravku som kontroloval na osciloskope. Je

to digitálny pamäťový osciloskop typu M526, pripojiteľný k PC pomocou USB.

Osciloskop má dva kanály. Vstupy sú realizované cez BNC konektory a sú kompatibilné

so štandardnými sondami, s minimálnym kompenzačným rozsahom 32pF. Vnútorná

pamäť, 8K pre každý kanál, je používaná ako rýchla vyrovnávacia pamäť na uloženie

meraných priebehov.

Osciloskop poskytuje všetky štandardné funkcie moderných digitálnych

osciloskopov ako sú prerušenie merania, oneskorenie merania, zoom. a mnohé ďalšie

medzi ktoré patrí ukladanie/načítanie priebehov pre ďalšie použitie, export do schránky,

vytlačenie merania spolu s nastavením osciloskopu. Vysoká prenosová rýchlosť umožňuje

časté obnovovanie obrazovky, ktorá vytvára dojem analógového osciloskopu.

Obr. 34: Osciloskop M526, a ukážka pracovného prostredia.

5. TECHNICKO-EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE PRÁCE

Výrobok obsahuje integrované obvody typu CMOS. Sú výhodnejšie oproti starším

TTL obvodom kvôli menšej spotrebe a lepším vlastnostiam. Pri použití CMOS obvodov

klesá celkový odber prúdu v obvode a tým je možnosť použitia menej výkonového

transformátora. Moja realizácia výrobku je galvanicky oddelená. Keby to nebola

bezpečnostná podmienka, použitie transformátora by nebolo nutné a dal by sa nahradiť


32

odporovým deličom. Tým by sa znížila veľkosť a cena celého výrobku. Cena môjho

zariadenia stála približne 33 € (1000,-Sk).

Pre komerčné použitie a sériovú výrobu prípravku by sa celé vnútorné zapojenie

po úprave napätia dalo navrhnúť a osadiť do zákazníckeho integrovaného obvodu. Ten by

v sebe obsahoval celé logické zapojenie popísané v mojej práci a mohli by sa vyrábať

sériovo. Tým by sa veľkosť výrobku zmenšila niekoľkonásobne. Zariadenie by bolo

schopné konkurovať jednoduchým meracím prístrojom, no pre iné funkcie by bolo treba

dorobiť ďalšie časti, ktoré by boli schopné vykonávať zložitejšie operácie.

6. ZÁVER

V bakalárskej práci som popísal striedavé napätie, jeho vznik a vlastnosti. Popísal

som aj vznik trojfázového napätia, metódy a spôsoby jeho merania. Popísané sú základné

meracie prístroje na meranie poradia pripojených fáz. Následne som navrhol vlastnú

schému a zostrojil som prípravok na určene poradia pripojených fáz. Postupoval som

podľa zadania a postupne som v práci popisoval jednotlivé časti, od úpravy signálu až po

signalizáciu.

Pri výrobe prípravku som navrhol vlastný logický náčrt schémy a podľa toho som

postupoval. Výhodou tohto zapojenia ako aj celého zariadenia bolo, že som nepotreboval

použiť zložité schémy založených na presných výpočtoch. Po úprave vstupného napätia

na potrebný signál celé moje riešenie spočívalo na použití logických členov typu AND,

OR, NOR a MKO, ktorých schémy som našiel v priloženej dokumentácií, v ich následnej

kombinácií pre dosiahnutie požadovanej funkcie obvodu.

Prípravok signalizuje pripojené fázy a zobrazuje otáčavý pohyb 3f siete.

Zariadenie sa môže využiť pri potrebe zistenia otáčavého smeru napätia trojfázovej

sústavy. Konkrétny prípad, keď potrebujeme zistiť na akú stranu sa bude točiť pripojený

3f motor. Pred zapojením motora na sieť pripojíme fázy do prípravku a keď bude

prípravok signalizovať otáčavý pohyb do prava, vieme v akom poradí máme zapojiť fázy

na motor aby sa otáčal do správnej strany.


33

7. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] FAIRCHILD, SEMICONDUCTOR tm. Október 1987. Revidovaný Marec 2002.

CD4049BC HEX Inverting Buffers, HEX Non-Inverting Buffers. Dostupné na internete:

http://www.datasheet.free.fr/cd/cd_4049.pdf


CD4013BC. Dostupné na internete: http://www.datasheet.free.fr/cd/cd_4013.pdf


CD4047BC Monostable/Astable Multivibrator. Dostupné na internete:

http://www.datasheet.free.fr/cd/cd_4047.pdf


CD4017BC. Dostupné na internete: http://www.datasheet.free.fr/cd/cd_4017.pdf

[5] KOUBEK, V.: Striedavý prúd v energetike. Dostupné na internete:

http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~koubek/indexDF.htm

[6] MICRONIX s.r.o. Katalóg meracích prístrojov pre revíznych technikov. 2006. Str. 47.

Dostupné na internete: www.poziadavka.sk_4222_10528.pdf


34

[7] Striedavý prúdy, Wikipédia, slobodná encyklopédia. Dostupné na internete:

http://sk.wikipedia.org/wiki/Striedav%C3%BD_elektrick%C3%BD_pr%C3%BAd

[8] VOSTRÝ Š. – TAUŠ G. Elektronika, Bratislava, 2 zmenené vydanie, 63-350-69

8. VYHLÁSENIE O SAMOSTATNOSTI VYPRACOVANIA BAKALÁRSKEJ PRÁCE

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúceho bakalárskej práce doc. Ing. Zdenka Dostála, CSc a používal som len

literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Lipt. Mikuláši dňa .............................. .................................................

podpis bakalára


35

9. POĎAKOVANIE

Chcel by som sa poďakovať môjmu vedúcemu bakalárskej práce, ktorým je doc.

Ing. Zdeněk Dostál, CSc. Za odbornú a technickú pomoc pri navrhovaní schém ako aj pri

samotnom riešení prípravku.

Ďakujem aj môjmu konzultantovi Ing. Štefanovi Grešíkovi, za pomoc pri

zostavovaní výrobku ako aj za poskytnuté meracie prístroje.

indikÁtor smeru otÁ Čania trojfÁzovej sietediplom.utc.sk/wan/3447.pdf · vektor výslednej...

Documents