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Carte intelligente pour contrôler les charges d'alimentation triphasées


Nous poursuivons le développement des microcontrôleurs de la famille Kinetis .

Une maison ou un bâtiment intelligent ne se limite pas aux capteurs de température ou à l'éclairage. Il y a également des ascenseurs, divers ascenseurs pour les personnes handicapées, des ascenseurs à marchandises, des portails, des barrières, des pompes, des ventilateurs et d'autres articles ménagers. Traditionnellement, ce sont des domaines conservateurs; les concepts de maison intelligente sont difficiles à pénétrer. Cette carte vous permet de mettre à niveau les solutions établies et d'ajouter une intégration à l'IoT (Internet des objets).


Voici à quoi ressemble habituellement l'unité de contrôle d'une centrale électrique:

dans ce cas, il s'agit d'un boîtier de commande de portes roulantes à grande vitesse qui couvrent les chambres froides.

Sa fonction est simplement d'élever ou d'abaisser rapidement le portail. Mais la complexité est impressionnante!
Il a probablement fallu quelques jours pour assembler, marquer et tester l'assemblage de cette boîte. Une histoire distincte avec l'installation et le support de tels équipements. Ici, le projet de loi est déjà en cours depuis des semaines, car davantage de personnel peu qualifié y est engagé. Et la présence d'un contrôleur programmable ici ne facilite même pas, mais complique l'installation et le support. La logique de ce contrôleur étant masquée, elle n'est ni intuitive ni documentée. Afin de réduire les coûts, les fabricants économisent sur la fonctionnalité des contrôleurs et les capacités d'autodiagnostic du système sont minimes et peu pratiques.
La réparation de ces boîtes peut durer des mois, jusqu'à ce que l'entrepreneur trouve un spécialiste approprié prêt à s'occuper du câblage.

Et puis l'idée est venue de développer une carte assez universelle qui porte les éléments standard de base des systèmes de contrôle pour les entraînements triphasés et d'autres charges avec un puissant microcontrôleur intégré, un système d'exploitation en temps réel et des outils d'intégration dans l'IoT. Un circuit imprimé avec des éléments d'alimentation placés dessus réduit le volume de l'installation manuelle des câbles, réduit le nombre d'erreurs d'installation, accélère le processus d'assemblage des systèmes de contrôle et simplifie les réparations. Et même sa redondance fonctionnelle serait compensée par les avantages qui en résulteraient.

La carte a été fabriquée à l'aide du microcontrôleur MK60FN1M0VLQ12 de la famille Freescale Kinetis .
À propos de ces microcontrôleurs et des développements basés sur ceux-ci peuvent être lus ici:

Le logiciel est basé sur le système d'exploitation en temps réel Freescale MQX .
Pour se connecter à Internet, un module Wi-Fi CC3100BOOST de TI a été sélectionné .
Mais à propos de ces composants dans les articles suivants, et ici nous décrirons brièvement le bloc d'alimentation.

Circuit imprimé puissance


Un circuit de contrôle de charge triphasé simplifié est illustré dans la figure ci-dessous.

Commandes principales: module thyristor SK45UT08 (47 A, 800V) et trois contacteurs K1, K2, K3. Chaque canal du module thyristor peut également être shunté par un relais séparé (non représenté sur le schéma), pour réduire la génération de chaleur sur le module thyristor lorsqu'il est complètement allumé.

Si le moteur à courant alternatif asynchrone agit comme une charge, alors pour changer le sens de sa rotation, les contacteurs K1 et K2 sont utilisés, commutant entre eux deux des trois phases.
Un élément obligatoire dans les systèmes de commande de l'entraînement des ascenseurs est la soi-disant chaîne de sécurité avec un élément coupant le circuit de puissance. Cet élément du circuit est le contacteur K3.

De plus, la carte de circuit imprimé du circuit de puissance contient des détecteurs de tension nulle de précision, des capteurs de courant et des capteurs de tension.

Principe de gestion


Le module thyristor par la méthode de contrôle de phase contrôle la puissance moyenne pour la période fournie à la charge.
Le contrôle de phase des gradateurs domestiques bien connus peut également démarrer et ralentir les moteurs en douceur, sans utiliser de convertisseurs de fréquence.

Dans certains cas, l'absence de conversion de fréquence a ses avantages: il n'y a pas de bruits acoustiques spécifiques, il n'y a pas d'émission électromagnétique haute fréquence, la base de l'élément est moins chère. En particulier, l'émission électromagnétique des convertisseurs de fréquence peut causer beaucoup de problèmes au stade de la certification.

Le contrôleur à thyristors, à son tour, est capable de supporter des surcharges beaucoup plus importantes qu'un convertisseur de fréquence. Par exemple, cette carte a résisté à des surcharges allant jusqu'à 10 kW pendant les tests, soit 3 fois plus que sa puissance nominale. Les convertisseurs de fréquence rares sont capables de fournir plus de 150% de puissance au-dessus de la valeur nominale.

Pour obtenir un contrôle précis de la vitesse pendant les phases d'accélération et de décélération, la carte dispose d'une entrée pour connecter un codeur en quadrature. Un codeur en quadrature est monté sur l'arbre du moteur et sert à mesurer sa vitesse de rotation. Pour les codeurs absolus numériques, la carte a une interface RS485.

Spécifications clés



La puissance de charge commutée est de 3 kW, à une tension de 380 V.

CPU


  • Microcontrôleur de la famille Kinetis - MK60FN1M0VLQ12
  • Fréquence d'horloge - 120 MHz
  • Capacité RAM - 128 Ko
  • Capacité du flash - 1 Mo
  • SPI Data Flash 128 4



  • CAN – 1
  • RS485 – 1
  • RS232 ( 1.5 /c) – 2
  • SDHC SD – 1
  • Wi-Fi CC3100BOOST UART SPI (20 /)
  • JTAG/SWD — 1



  • , 16- — 4
  • 16- — 12
  • NTC — 1
  • — 1
  • 3- — 3
  • 3- — 3
  • — 3



  • 0 10 , 10 — 1
  • 24, 6 — 2
  • 50 , 50 — 8
  • 220 , 1 — 2
  • 220, 10 — 1



  • 12-24 .





Comme le montre le schéma, l'entraînement électrique nécessite une attitude prudente. Il doit être démarré et arrêté en douceur pour éviter les surcharges dues aux chocs. Il ne doit pas être surchauffé, c'est-à-dire vous devez surveiller sa température. Après l'arrêt, les freins doivent être serrés à l'heure exacte. Il faut veiller à ce que l'entraînement ne dépasse pas les positions autorisées ou autrement, le freiner et le mettre hors tension le plus rapidement possible. Sans parler du fonctionnement des interrupteurs de fin de course intermédiaires et auxiliaires supplémentaires, des solénoïdes des freins auxiliaires, etc.
C'est de là que vient la complexité de tous ces boîtiers de commande!

Par conséquent, la compacité du système de contrôle, les hautes performances, la flexibilité et un cycle court de modernisation des algorithmes, la possibilité de contrôler à distance, la quantité accrue d'informations de diagnostic, les journaux accumulés tout au long de la durée de vie, la planification via les services cloud - tout cela peut considérablement simplifier la vie du développeur avec cette carte.

Les matériaux de conception des cartes sont publiés ici - https://github.com/Indemsys/SB200BE

Source: https://habr.com/ru/post/fr383263/

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