Цифровая обработка сигналов

6.9 Этапы разработки

Организация опытно-конструкторских разработок (ОКР) представляет собой совокупность мероприятий, направленных на создание наилучших условий труда работников, уменьшение сроков разработок и улучшения качества проектируемых изделий. В этих разработках принимает участие коллектив исполнителей объединенных в научные и производственные подразделения. Глубокий анализ этих подразделений, участвующих в проведении данной работы и его состава может помочь в уменьшении сроков производства, или в её повышенном качестве при производстве. Между этими подразделениями образуются многочисленные и сложные взаимосвязи. Творческий коллектив самостоятельно определяет направление научно-технической работы, исполнителей отдельных этапов работ и распределяет обязанности между членами коллектива. ОКР осуществляется группой в составе 8 человек:

Формирование рабочей группы Рис.1

1)разработка ТЗ на ОКР;

Составление проекта ТЗ заказчиком. Проработка проекта ТЗ исполнителем.

Согласование и утверждение ТЗ.

2)техническое предложение;

Выявление дополнительных или уточненных требований к изделию, его техническим характеристикам и показателям качества, которые не могут быть указаны в ТЗ:

· проработка результатов НИР;

· проработка результатов прогнозирования;

· изучение научно-технической информации;

· предварительные расчеты и уточнение требований ТЗ.

3)эскизное проектирование;

Разработка принципиальных технических решений:

· выполнение работ по этапу технического предложения,

· выбор элементной базы разработки;

· выбор основных технических решений;

· разработка структурных и функциональных схем изделия;

· выбор основных конструктивных элементов;

· разработка и испытание макетов.

4)техническое проектирование;

Окончательный выбор технических решений по изделию в целом и его составным частям:

· разработка принципиальных электрических, и других схем;

· уточнение основных параметров изделия;

· проведение конструктивной компоновки изделия и выдача данных для его размещения на объекте;

· разработка проектов ТУ на поставку и изготовление изделия;

· испытание макетов основных приборов изделия в натурных условиях.

5)разработка рабочей документации для изготовления и испытаний опытного образца;

Формирование комплекта конструкторских документов:

· разработка полного комплекта рабочей документации;

· согласование ее с заказчиком и заводом-изготовителем серийной продукции;

· проверка конструкторской документации на унификацию и стандартизацию;

· изготовление в опытном производстве опытного образца;

· настройка и комплексная регулировка опытного образца.

6)изготовление и испытание опытного образца;

Проверка соответствия опытного образца требованиям ТЗ:

· стендовые испытания;

· предварительные испытания на объекте;

· испытания на надежность.

Календарное планирование работ по проектированию осуществляется по директивному графику. Разработка календарного плана производится на основе данных о трудоемкости работ из таблицы 1.

Номер работы	Наименование работы	Должность	Трудоёмкость, чел./дней	Численность	Длительность работы, дней
1	Разработка ТЗ на ОКР	Начальник сектора	20	1	20
2	Техническое предложение и эскизное проектирование	Ведущий инженер	25	1	25
3	Техническое проектирование	Инженер-конструктор II-й категории	30	1	30
		Инженер-разработчик II-й категории	30	1
4	Разработка рабочей документации	Начальник сектора	10	1	30
		Ведущий инженер	10	1
		Инженер-конструктор II-й категории	30	1
		Инженер-разработчик II-й категории	30	1
5	Изготовление и испытание опытного образца	Начальник сектора	10	1	45
		Ведущий инженер	10	1
		Начальник ОП	20	1
		Технолог	45	1
		Монтажник ЭРЭ	45	1
		Регулировщик	45	1
6	Итого		360		150

Общая продолжительность работ составляет 150 дней.

График сроков выполнения опытно-конструкторских работ.

Рис. 2

6.10 Финансовый план

Все работы полностью финансируются из государственного бюджета, прямым сметным финансированием.

6.11 Расчет сметной стоимости ОКР

При разработке устройства и регистрации, и обработки данных реального времени расходы осуществляются по следующим статьям:

· Покупные комплектующие изделия.

· Транспортно-заготовительные расходы.

· Основная заработная плата исполнителей ОКР.

· Дополнительная заработная плата исполнителей ОКР.

· Отчисления на социальные нужды.

· Накладные расходы.

1)Покупные комплектующие изделия (ПКИ).

К этой статье относится стоимость покупных изделий, комплектующих изделий, расходуемых непосредственно в процессе ОКР :

Таблица 2.

№ п/п	Наименование	Количество штук	Стоимость ед. изделия (руб.)	Итого, (руб.)
	Конденсаторы
1	К10-50в-Н90-0,1мкФ ОЖО.460.192ТУ	14	3,7	51,8
2	К53-22-10В-22мкФ20% ОЖО.464.158ТУ	4	30	120
	Микросхемы
3	Стб.3,3В LT1086CM-3.3,LinearTechnology,USA	1	163	163
4	ППЗУ EPC2LC20, Altera, USA	1	323	323
5	ПЛИС EPF10K100AQC240-3, Altera, USA	1	6400	6400
6	Опер.усилитель MAX9690CSA, Maxim, USA	1	1,2	1,2
7	Преобр.ТТЛ-ЭСЛ MC100ELT22D, Motorola, USA	1	80,46	80,46
8	Счетный триггер MC100EL32D, Motorola, USA	1	120,68	120,68
9	Преобр.ЭСЛ-ТТЛ MC100ELT23D, Motorola, USA	1	109,89	109,89
	Индуктивности
10	Феррит 1812-300мА,LI1812C121R,Steward,USA	2	7	14
11	Инд.1812-33мкГн,1812-333K,ABI Delevan,USA	2	12	24
	Резисторы
12	Р1-12-0,125-1 кОм10%-А ОЖО.467.169ТУ	14	5,9	82,6
13	Р1-12-0,125-51 Ом10%-А ОЖО.467.169ТУ	2	5,9	11,8
14	Р1-12-0,125-100 Ом10%-А ОЖО.467.169ТУ	2	5,9	11,8
15	Р1-12-0,125-20 кОм10%-А ОЖО.467.169ТУ	1	45	45
16	Р1-12-0,125-510 Ом10%-А ОЖО.467.169ТУ	6	5,9	35,4
17	Р1-12-0,125-4.7 кОм10%-А ОЖО.467.169ТУ	2	1,5	3
18	Рез.сборка 0603/4 39Ом 742C083390J,CTX,USA	37	2,2	81,4
	Трансформатор
19	T1-1T Case X65, Mini-Circuits,USA	1	200,4	200,4
	Разъёмы
20	Вилка РП15-50 ШВВ ГЕО.364.160ТУ	1	10	10
21	Розетка РП15-32 ГВВ ГЕО.364.160ТУ	1	20	20
22	Вилка РП10-30Л-В ГЕО.364.004ТУ	1	247,49	247,49
23	Вилка РП15-32 ШВВ ГЕО.364.160ТУ	1	23	23
24	Розетка СР-50-165 ФВ ВРО.364.007 ТУ	1	140	140
25	Дискеты	5	12	60
26	Картриджи	1	1370	1370
27	Канцтовары	-/-	-/-	500
	ИТОГО (+транспортные расходы)			11787,4

2)Транспортно-заготовительные расходы (ТЗР) составляют 15% от общей стоимости материалов, покупных и комплектующих изделий:

ТЗР = Х 0,15 = 10249,92•0,15 = 1537,48 руб.

3)Основная заработная плата исполнителей опытно-конструкторских работ.

На данную статью относится основная заработная плата научных сотрудников, участвующих в выполнении конкретной ОКР. Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоёмкости, затрачиваемой ими на выполнение отдельных видов работ, и их средней ставки за один рабочий месяц.

Основная заработная плата (ОЗП) разработчиков рассчитывается по следующей формуле:

где: МО - должностной оклад разработчика;

Т_Ф - количество фактически отработанных дней;

Т_РД - число рабочих дней в месяце (Т_РД?22 дня).

Основная заработная плата исполнителей ОКР:

Таблица 3.

№	Этапы	Длитель-ность в чел.дн.	Должность	Мес. оклад в руб.	Оплата за день руб.	Сумма полученная за работу в руб.
1	Разработка ТЗ на ОКР	20	Начальник сектора	18000	820	16400
2	Техническое предложение и эскизное проектирование	25	Ведущий инженер	15000	680	17000
3	Техническое проектирова-ние	30	Инженер-конструктор II-й категории	12000	550	16500
		30	Инженер-разработчик II-й категории	12000	550	16500
4	Разработка рабочей документации	10	Начальник сектора	18000	820	8200
		10	Ведущий инженер	15000	680	6800
		30	Инженер-конструктор II-й категории	12000	550	16500
		30	Инженер-разработчик II-й категории	12000	550	16500
5	Изготовление и испытание опытного образца	10	Начальник сектора	18000	820	8200
		10	Ведущий инженер	15000	680	6800
		20	Начальник ОП	13000	600	12000
		45	Технолог	11000	500	22500
		45	Монтажник ЭРЭ	11000	500	22500
		45	Регулировщик	9500	430	19350
	Итого	205750

4)Дополнительная заработная плата (ДЗП) исполнителей ОКР.

К ней относятся выплаты, предусмотренные законодательством за не проработанное время: оплата очередных и дополнительных отпусков, выплаты вознаграждений за выслугу лет и др.

В научных учреждениях дополнительная заработная плата составляет 20 % от основной:

ДЗП = Y 0.2 = 205750 0.2 = 41150 руб.

Фонд оплаты труда вычисляется как сумма ОЗП и дзп:

ФОТ = ОЗП + ДЗП = 205750 + 41150 = 246900 руб.

5)Единый соц. налог.

Отчисления на социальные нужды (СН) определяются в процентном отношении (35.6%) от суммы ОЗП и дзп, т.е от ФОТ.

ЕСН = 0.356 ФОТ = 0,356 246900 = 87896,4

ЕСН ? 87896,4 руб.

6)Накладные расходы.

В этом случае учитываются расходы на управление и хозяйственное обслуживание, заработная плата аппарата управления и общехозяйственных служб, затраты на проверку, содержание и текущий ремонт зданий, сооружений, оборудования и инвентаря, амортизационные отчисления на их полное восстановление и ремонт, расходы по охране труда

Накладные расходы (НР) составляют порядка 250% от основной заработной платы:

НР = 2.5 ОЗП = 2.5 205750 = 514375 руб.

7)Расчет договорной цены и норматива прибыли.

Рассчитаем сначала норматив прибыли (НП). Он составляет 30% от стоимости разработки (СР):

НП = СР 0.3 = 860958,800,3 = 258287,64 руб.

Договорная цена (ДЦ) может быть найдена как:

ДЦ = СР + НП = 860958,80 + 258287,64 = 1119246,45 руб.

Сметная стоимость (СС) ОКР:

Таблица 4.

Наименование статей расхода	Стоимость (руб.)
Покупные комплектующие изделия + Транспортно-заготовительные расходы	11787,40
Основная заработная плата персонала	205750
Дополнительная заработная плата персонала	41150
Отчисления на социальные нужды	87896,4
Накладные расходы	514375
Полная себестоимость:	860958,80
НДС	-
Норматив прибыли	258287,64
Договорная цена	1119246,45

6.12 Расчет экономической целесообразности проектируемого изделия

Годовой экономический эффект рассчитывается по формуле

Э_Г= [(U_а + E_н K_а) - (U_пр + E_н К_пр)] N > 0

U_а и U_пр - годовые эксплуатационные расходы по аналогичному и проектируемому изделию;

E_н - коэффициент экономической эффективности капитальных вложений ( 0,2);

K_а и К_пр - цена аналогичного и проектируемого изделия;

N = 10 - число потенциальных потребителей.

Эксплуатационные расходы аналогичного и проектируемого изделий примерно равны, поэтому можно пользоваться формулой интегрального экономического эффекта:

Э_Г = (K_а - К_пр) N;

Э_Г = (1180400 - 1119246,45) 10 = 611535,5 руб.

Из всех выше перечисленных расчётов, при выполнении организационно-экономической части дипломного проекта было доказано, что внедрение данного прибора в производство новой модификации устройства несёт в себе сплошные выгоды.

Сравнительные показатели по базовому и новому вариантам представлены в Таблице 5.

Таблица 5

Критерий	«образец» баллы	Аналог баллы	Экономия руб
1. Надежность	8	7	10000
2. Быстродействие	9	7	20000
3. Эффективность	8	7	10000
4. Безотказность	8	7	10000
5. Безопасность	8	8	-
6. Возможность модернизации	9	7	20000

В результате обнаруживается ряд существенных преимуществ в пользу новой разработки. Повышается надежность, быстродействие, точность новой разработки за счет применения современной, более быстродействующей элементной базы, а именно использование ПЛИС, которая позволяет так же снизить энергопотребление и уменьшить габариты конечного устройства.

В связи с постоянным обновлением элементной базы, а также появлением новых быстродействующих микросхем с меньшей потребляемой мощностью электроэнергии возникает возможность модернизации. Одним из главных же преимуществ использования ПЛИС является возможность программирования или изменения конфигурации устройства непосредственно в системе, что позволяет корректировать работу ячейки.

В разработке данного устройства увеличится быстродействие, точность, надежность, что повысит ее конкурентоспособность на рынке.

6.13 Выводы

Экономической часть дипломного проекта направлена на описание стенда регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени, доказывая, что новая элементная база несёт в себе не только обновления модификации, но и позволяет улучшить работу устройства, и упростить его настройку и использование, ну и конечно является более выгодной и целесообразной с экономической точки зрения. В этом разделе были рассмотрены этапы опытно-конструкторских работ (ОКР) продукта и наиболее вероятные сроки их выполнения. Проведён расчёт сметной стоимости (СС) ОКР и годового экономического эффекта, именно показатели этих двух величин и говорят о целесообразности изготовления проектируемого изделия.

Также в результате проделанной работы было произведено технико-экономическое обоснование данной разработки, приведен график сроков выполнения работ, по которому определено время изготовления изделия, составившего порядка 150 дней.

Обновление элементной базы даст повод задуматься о разработке новых схемных решений, позволяющих получить цифровые устройства, мало того, что не уступающие, а возможно и выигрывающие у более ранних аналогов, а значит приведёт к упрощению технологии производства и экономии мощности потребления.

Благодаря полученным представлениям о программируемых логических интегральных схемах можно сделать предположение о том, что модернизация данного семейства со временем будет набирать всё большее объёмы, что может привести к более простым вариантам устройств подобного функционирования, не уступающим в характеристиках.

Способность отраслей промышленности, предприятий и их подразделений изготавливать максимальное количество продукции находится в непосредственной зависимости от количества и совершенства средств труда, которыми они оснащены. Средства труда, прежде всего их активную часть, следует считать основным фактором формирования производственной мощности предприятий. Это означает, что в случае востребованности данного продукта определённым заказчиком - возрастёт интерес к его разработке, а значит перспективный рост предприятия, что станет гарантом обеспечения его будущего и интерес к нему со стороны потенциальных клиентов.

7. Экологичность и безопасность проекта

7.1 Введение

УЗО (устройство защитного отключения) - это быстродействующий автоматический выключатель, реагирующий на дифференциальный ток (ток утечки), в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Применение УЗО является единственным способом обеспечения защиты при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям. Обязательное применение УЗО в электрощитах вновь строящихся и реконструируемых домов, мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металическим каркасом (торговые павильоны, АЗС, складские сооружения и т.п.), котеджей, гаражей и др. предписывается требованиями ПУЭ 7-го издания (2002г.) и ряда стандартов и норм (ГОСТР51326.1-99, ГОСТ Р 51326.2.1-99, Гост Р 51329-99 комплекс стандартов ГОСТР50571, НПБ243-97, МГСН3.01-96 и др.)

В последние годы в нашей стране внедрение УЗО ведется весьма интенсивно -- УЗО оснащаются в обязательном порядке все вновь строящиеся и реконструируемые жилые здания, действует требование обязательного применения УЗО при эксплуатации электроприборов и электроинструментов в особо опасных помещениях, не допускаются к эксплуатации мобильные здания из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения, не оснащенные УЗО, и т.д.

УЗО применяется для комплектации вводно-распределительных устройств (ВРУ), распределительных щитов (РЩ), групповых щитков (квартирных и этажных), а также для защиты отдельных потребителей электроэнергии.

7.2 Применение УЗО

Применение УЗО целесообразно и оправдано по социальным и экономическим причинам в электроустановках всех возможных видов и самого различного назначения.

Затраты на установку УЗО несоизмеримо меньше возможного ущерба -- гибели и травм людей от поражения электрическим током, возгораний, пожаров и их последствий, произошедших из-за неисправностей электропроводки и электрооборудования. Если учесть, что стоимость одного УЗО не превышает стоимости простого бытового электроприбора, а возможный ущерб, которого можно было бы избежать, если бы УЗО было бы установлено, исчисляется огромными суммами, то становится совершенно очевидной и не требующей дополнительных доказательств необходимость скорейшего и самого широкого внедрения УЗО нового поколения во всех электроустановках.

Исключение составляют электроустановки, не допускающие по технологическим причинам перерыва в электроснабжении. В таких установках для защиты людей от поражения электрическим током должны применяться другие электрозащитные меры -- контроль изоляции, разделительные трансформаторы и др.

Органы Госэнергонадзора, Государственного пожарного надзора и Энергосбыта согласовывают проектную документацию, осуществляют сертификацию электроустановок жилых домов, приемку объектов в эксплуатацию только при условии обязательного использования УЗО.

7.3 Защитное отключение

Согласно классификации по ГОСТ Р МЭК 61140-2000 защитное отключение относится к категории мер защиты: «Защита с помощью автоматического отключения источника питания» и осуществляет защиту человека от поражения в условиях неисправности электроустановки -- повреждении или пробое изоляции электроустановки на корпус.

В настоящее время защитное отключение является одним из наиболее эффективных электрозащитных средств.

Современная система электробезопасности должна обеспечивать защиту человека от поражения в двух наиболее вероятных и опасных случаях:

§ при прямом прикосновении к токоведущим частям электрооборудования;

§ при косвенном прикосновении.

Под косвенным прикосновением понимается прикосновение человека коткрытым проводящим частям оборудования, на которых в нормальном режиме (исправном состоянии) электроустановки отсутствует электрический потенциал, но при каких-либо неисправностях, вызвавших нарушение изоляции или ее пробой на корпус, на этих частях возможно появление опасного для жизни человека потенциала (рис. 1).

Система электробезопасности включает в себя ряд организационных итехнических мероприятий.

Согласно ГОСТ Р 50571.3-93 п. 412 для защиты от прямого прикосновения служат мероприятия, предотвращающие прикосновение к токоведущим частям: изоляция токоведущих частей, применение ограждений и оболочек, установка барьеров, размещение вне зоны досягаемости.

Дополнительная защита от электропоражения при прямом прикосновении достигается путем применения устройств защитного отключения.

Устройство защитного отключения является превентивным электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S, ТТ) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок.

Защита от поражения при косвенном прикосновении (ГОСТ Р 50571.3-93 п. 413) обеспечивается следующими мероприятиями:

§ применением УЗО;

§ применением нулевых защитных проводников вэлектроустановках зданий с системой заземления TN или защитных проводников в электроустановках зданий с системой заземления TT в комплексе с устройствами защиты от сверхтока (предохранителями, автоматическими выключателями).

Рис. 1 Прямое (А) и косвенное (Б) прикосновение

7.4 УЗО -- Эффективное противопожарное и электрозащитное средство

Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, наряду с устройствами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания.

Защита от сверхтока (при применении защитного зануления) обеспечивает защиту человека при косвенном прикосновении -- путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи при коротком замыкании на корпус.

При малых токах замыкания, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от электропоражения.

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением (рис. 2).

Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.

По данным ФГУ ВНИИПО МЧС России более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Короткие замыкания, как правило, развиваются из дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития в короткое замыкание, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.

В отдельных случаях энергии, выделяемой в месте повреждения изоляции при протекании токов утечки, достаточно для возникновения очага возгорания и, как следствие, пожара.

По данным различных отечественных и зарубежных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки.

Рис. 2. График областей физиологического действия на человека переменного тока (50-60 Гц) по МЭК 479-94, гл. 2,3 и времятоковые характеристики УЗО:

1 -- неощутимые токи; 2 -- ощутимые, но не вызывающие физиологических нарушений; 3 -- ощутимые, но не вызывающие опасность фибрилляции сердца; 4 -- ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность < 5%); 5 -- ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность < 50%); 6 -- ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность > 50%); А (I_?n = 10 мА) и В (I_?n = 30 мА) -- времятоковые характеристики УЗО.

Взависимости от материала и срока службы изоляции эта мощность составляет всего 40-60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с уставкой 300мА предупредит выделение указанной мощности, и, следовательно, не допустит возгорания.

Принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты оборудования -- генераторов, линий, трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.

Результатом масштабного внедрения УЗО явилось отмеченное официальной статистикой во всех странах резкое, на порядок и более снижение электротравматизма. УЗО давно стало привычным и обязательным элементом любой электроустановки промышленного или социально-бытового назначения. УЗО оборудованы в обязательном порядке все передвижные объекты (жилые домики-прицепы на кемпинговых площадках, торговые фургоны, фургоны общественного питания, малые временные электроустановки наружной установки, например, устраиваемые на площадях на время праздничных гуляний), ангары, гаражи. УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключаются электроинструмент или бытовые электроприборы, эксплуатируемые в особо опасных -- влажных, пыльных, с проводящими полами и т.п. помещениях.

Представляет интерес еще один аспект применения УЗО -- во Франции устройства, реагирующие на дифференциальный ток, широко применялись в целях борьбы с хищениями электроэнергии путем использования локального заземлителя. Страховые компании при оценке риска, определяющего страховую сумму, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние.

В настоящее время на каждого жителя страны приходится всреднем по два-три устройства. Спрос на УЗО остается стабильно очень большим, поэтому многие зарубежные фирмы продолжают в значительных количествах выпускать эти устройства самых различных модификаций, постоянно их модернизируя и совершенствуя их технические параметры.

Следует отметить, что термин «устройство защитного отключения -- УЗО», принятый в отечественной специальной литературе, наиболее точно определяет назначение данного устройства и его отличие от других коммутационных электрических аппаратов -- автоматических выключателей, выключателей нагрузки, магнитных пускателей и т.д.

За рубежом приняты следующие обозначения:

В Германии, Австрии -- Fehlerstrom-Schutzschalter.

Сокращенно: FI-Schutzschalter.

(F -- Fehler -- повреждение, неисправность, утечка, I -- символ тока в электротехнике, Schutzschalter -- защитный выключатель.

Во Франции -- disjoncteur differentiel (дифференциальный вы- ключатель).

Сокращенно: DD.

В Великобритании -- earth leakage circuit breaker (выключатель тока утечки на землю).

Сокращенно: e.l.c.b.

В США -- Ground Fault Circuit Interrupter (размыкатель тока утечки на землю).

Сокращенно: GFCI.

В настоящее время действует международная классификация УЗО, разработанная международной электротехнической комиссией -- МЭК (IEC) -- (табл. 2). Принято общее название -- residual current protective device -- RCD. Точный перевод -- защитное устройство по разностному (дифференциальному) току.

Таблица 2.

RCD	residual current protective device - защитное устройство по дифференциальному (разностному) току (общее название УЗО)
PRCD	portable residual current protective device - переносное защитное устройство по дифференциальному току
PRCD-S	portable residual current protective device - safety - переносное защитное устройство по дифференциальному току (в кабеле-удлинителе)
SRCD	fixed socket outless residual protective current device - защитное устройство по дифференциальному току (встроенное в розетку)
RCCB	residual current operated circuit-breakers without integral overcurrent protection - защитное устройство по дифференциальному току без встроенной защиты от сверхтоков
RCBO	residual current operated circuit breakers with integral overcurrent protection - защитное устройство по дифференциальному току со встроенной защитой от сверхтоков
RCM	residual current monitor - устройство контроля дифференциального тока (тока утечки)

Термин «УЗО» применяется в России уже многие годы, имея верную смысловую нагрузку, он получил широкое распространение и признание у всех специалистов, занимающихся как разработкой, проектированием, так и практической реализацией систем электробезопасности.

7.5 Принцип действия УЗО

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Принцип действия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов -- дифференциального трансформатора тока.

Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО -- 4-х) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем -- с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 3).

Рис. 3. Дифференциальный трансформатор тока

Суммарный магнитный поток в сердечнике -- Ф_?, пропорциональный разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, i_L и i_N, наводит во вторичной обмотке трансформатора тока соответствующую эдс, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток i_?вт, также пропорциональный разности первичных токов.

Следует отметить, что к магнитному сердечнику трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрезвычайно высокие требования по качеству -- высокая чувствительность, линейность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т. д. По этой причине для изготовления сердечников трансформаторов тока, применяемых при производстве УЗО, используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.

Основные функциональные блоки УЗО представлены на рис.4.

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока.

В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности -- ТТНП, хотя понятие «нулевая последовательность» применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.

Рис. 4. Принцип действия УЗО

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, начувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока -- тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока.

Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I₁, а от нагрузки как I₂, то можно записать равенство:

I₁ = I₂.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф₁ и Ф₁. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток -- ток утечки (ID), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I₁ + I_? в фазном проводнике и I₂, равный I₁, в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение установки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

7.6 Виды УЗО

По техническому исполнению существуют различные виды УЗО. Ниже приведена примерная классификация УЗО.

1. По назначению:

§ УЗО без встроенной защиты от сверхтоков;

§ УЗО со встроенной защитой от сверхтоков.

2. По способу управления:

§ УЗО, функционально не зависящие от напряжения;

§ УЗО, функционально зависящие от напряжения.

УЗО, функционально зависящие от напряжения, в свою очередь, подразделяются:

§ на устройства, автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкой времени или без нее. При восстановлении напряжения одни модели этих устройств автоматически повторно замыкают контакты своей главной цепи, другие остаются в отключенном состоянии;

§ на устройства, не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения. Имеются также две варианта исполнения устройств этой группы. В одном варианте при исчезновении напряжения устройство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока. Во втором варианте, при отсутствии напряжения, устройства неспособны произвести отключение при возникновении дифференциального тока.

3. По способу установки:

§ УЗО, применяемые для стационарной установки при неподвижной электропроводке;

§ УЗО, используемые для подвижной установки (переносного типа) и шнурового присоединения.

4. По числу полюсов и токовых путей:

§ двухполюсные с двумя защищенными полюсами;

§ четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.

5. По условиям регулирования отключающего дифференциального тока:

§ УЗО с одним значением номинального отключающего дифференциального тока;

§ УЗО с несколькими фиксированными значениями отключающего дифференциального тока.

6. По условиям функционирования при наличии составляющей постоянного тока:

§ УЗО типа АС, реагирующие на синусоидальный переменный дифференциальный ток, медленно нарастающий, либо возникающий скачком;

§ УЗО типа А, реагирующие как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком.

7. По наличию задержки по времени:

§ УЗО без выдержки времени -- тип общего применения;

§ УЗО с выдержкой времени -- тип S (селективный).

8. По способу защиты от внешних воздействий:

§ УЗО защищенного исполнения, не требующие для своей эксплуатации защитной оболочки;

§ УЗО незащищенного исполнения, для эксплуатации которых необходима защитная оболочка.

9. По способу монтажа:

§ УЗО поверхностного монтажа;

§ УЗО утопленного монтажа;

§ УЗО панельно-щитового монтажа.

10. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков):

§ типа В;

§ типа С;

§ типа D.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:

УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования -- выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для устройства сам сигнал -- дифференциальный ток, на который оно реагирует;

УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается вэнергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.

Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, несмотря на их относительную дешевизну, более ограничено в силу их меньшей надежности (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большей подверженности электронных схем воздействию внешних факторов и др.

Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно -- при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, нефункционирует, ана электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.

Коммутационная аппаратура и аппаратура управления определяет следующие требования к УЗО, функционально зависящим от напряжения питания: п. 531.2.2. Выбор устройств (УЗО) с учетом их функциональной зависимости от напряжения питания. п. 531.2.2.1. Устройства защиты (УЗО), управляемые остаточным током, могут иметь или не иметь вспомогательный источник питания, принимая во внимание требования пункта 531.2.2.2. п. 531.2.2.2. Применение устройств защиты, управляемых остаточным током, со вспомогательным источником питания, не отключающего автоматически защищаемую цепь в случае отказа вспомогательного источника, разрешается только при выполнении одного из двух условий:

§ защита от непрямого контакта по п. 413.1 обеспечивается даже в случае отказа вспомогательного источника;

§ устройства монтируюся в установках, управляемых, испытываемых ипроверяемых обученным (ВА4) или высококвалифицированным (ВА5) персоналом.

В конструкции «электронных» УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах (рис.5.), как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания.



Рис. 5. «Электронное» УЗО с функцией отключения сети

1 -- дифференциальный трансформатор тока; 2 -- электронный усилитель; 3 -- тестовая цепь; 4 -- удерживающее реле; 5 -- блок управления; Н -- нагрузка; Т -- кнопка «Тест».

Эта функция конструктивно реализуется с помощью электромагнитного реле, работающего в режиме самоудерживания. Силовые контакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю). При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорь реле отпадает, при этом силовые контакты размыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО обеспечивает гарантированную защиту от поражения человека в электроустановке ивслучае обрыва нулевого проводника.

К сожалению, в нашей стране, в отличие от общепринятой в мировой практике концепции, целый ряд предприятий выпускает электронные УЗО на базе типового автоматического выключателя.

Конструктивно такие устройства представляют из себя электронный модуль, реагирующий на дифференциальный ток, скомпонованный с автоматическим выключателем и управляющий этим выключателем. Электронный модуль, содержит в себе трансформатор тока, источник питания -- выпрямитель, питающийся через резисторы от контролируемой сети, электронный усилитель с пороговым устройством и исполнительное устройство -- тиристор или реле. В большинстве устройств такого типа автоматический выключатель выполняет свои функции лишь частично (по одному полюсу), так как катушка токовой отсечки второго полюса выключателя исключается из цепи рабочего тока. Эта катушка модифицируется (увеличивается количество витков) и подключается к выходу усилителя электронного модуля, выполняя функции исполнительного устройства -- при подаче на нее тока производит отключение автоматического выключателя. При применении таких устройств важно соблюдать фазировку входных цепей, чтобы оставшаяся в одном полюсе токовая отсечка автоматического выключателя была включена в цепь фазного, а не нулевого проводника.

Еще одним серьезным недостатком этих устройств является их не инвариантность по стороне подключения питающей сети и нагрузки, в отличие от электромеханических УЗО, к которым сеть и нагрузка могут быть подключены с любой стороны. Это вызывает большие неудобства при монтаже щитов.

Функционируют такие электронные устройства следующим образом.

При возникновении дифференциального тока с модуля защитного отключения на скомпонованный с модулем автоматический выключатель подается либо электрический сигнал (на модифицированную катушку токовой отсечки), либо с якоря промежуточного реле через поводок осуществляется механическое воздействие на механизм свободного расцепления выключателя. В результате автоматический выключатель срабатывает иотключает защищаемую цепь от сети.

При отсутствии напряжения навходных зажимах такого устройства (например, при обрыве нулевого проводника до УЗО по направлению к источнику питания), во-первых, из-за отсутствия питания не функционирует электронный усилитель, во-вторых, отсутствует энергия, необходимая для срабатывания автоматического выключателя.

Таким образом, в случае обрыва нулевого проводника в питающей сети устройство неработоспособно и не защищает контролируемую цепь.

При этом в данном аварийном режиме (при обрыве нулевого проводника) опасность поражения человека электрическим током усугубляется, так как пофазному проводнику через неразомкнутые контакты автоматического выключателя в электроустановку выносится потенциал.

Электромеханические УЗО производят ведущие европейские фирмы -- ABB, AEG, ABL Sursum, Baco, Circutor, GE Power, Hager, Kopp, Legrand, Merlin-Gerin, Siemens и др.

В России большое распространение получили электромеханические устройства -- АСТРО*УЗО. Более 50 модификаций АСТРО*УЗО серийно производятся государственным предприятием -- ОПЗ МЭИ.

Существует класс приборов -- УЗО со встроенной защитой от сверхтоков (RCBO), так называемые «комбинированные» УЗО (рис.6.).

Рис. 6. Устройство УЗО со встроенной защитой от сверхтоков

1 -- катушка токовой отсечки; 2 -- биметаллическая пластина; 3 -- дифференциальный трансформатор тока; 4 -- магнитоэлектрический расцепитель, реагирующий на дифференциальный ток; 5 -- тестовый резистор; 6 -- силовые контакты; Н -- нагрузка; Т -- кнопка «Тест».

Практически все фирмы-производители УЗО имеют в своей производственной программе УЗО со встроенной защитой от сверхтоков. Как правило, их доля в общем объеме выпускаемых устройств защитного отключения не превышает одного-двух процентов. Это объясняется довольно ограниченной областью их применения -- сравнительно небольшая, неизменяемая нагрузка, автономные электроприемники и т.п.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Конструктивной особенностью УЗО со встроенной защитой от сверхтоков является то, что механизм размыкания силовых контактов запускается при воздействии на него любого из трех элементов -- катушки с сердечником токовой отсечки, реагирующей на ток короткого замыкания, биметаллической пластины, реагирующей на токи перегрузки и магнитоэлектрического расцепителя, реагирующего на дифференциальный ток.

Применение УЗО со встроенной защитой от сверхтоков целесообразно лишь в обоснованных случаях, например, для одиночных потребителей электроэнергии.

7.7 Обеспечение электробезопасности дипломного проекта

Во избежание поражения человека электрическим током в проекте необходимо предусмотреть установку устройства защитного отключения. В самом стенде как такового блока питания нет, он не питается от 220В. На входе стенда 5В и -5В (потребление не более 1А), то есть блок питания - внешний. Блок питания подсоединяется к сети 220В 50Гц, соответственно устройство защитного отключения необходимо поставить до блока питания.

Номинальное напряжение, номинальный ток, номинальный отключающий дифференциальный ток - все эти параметры выбираются на основе технических параметров проектируемой электроустановки.

Качество и надежность работы УЗО определяется рядом параметров, прежде всего номинальным условным током короткого замыкания (Inc) и номинальной включающей и отключающей (коммутационной) способностью (Im). Номинальный условный ток короткого замыкания - характеристика, определяющая надежность и прочность устройства, качество исполнения его механизма и электрических соединений (минимально допустимое значение Inc=3 кА.). Коммутационная способность УЗО согласно требованиям норм, должна быть не менее десятикратного значения номинального тока или 500 А. [4]

Качественные устройства имеют, как правило, гораздо более высокую коммутационную способность -- 1000, 1500 А. Это означает, что такие устройства надежнее, и в аварийных режимах, например, при коротком замыкании на землю, устройства защитного отключения, опережая автоматические выключатели, гарантированно произведут отключение. [4]

Выбор устройства защитного отключения зависит от параметров сети (1 или 3 фазы и номинальный ток). Однако основной показатель при выборе -- это значение тока утечки. Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превышать 1/3 номинального тока УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки сети -- из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника.

Приблизительные значения токов утечки, возникающих при использовании бытового и офисного электрооборудования, составляют: принтер <1мА; компьютер 1 -- 2мА; ксерокс 0,5 -- 1мА; электробытовой прибор <0,75мА. [4]

То есть, если в лаборатории имеются компьютеры, ксероксы, факсы, следует выбирать УЗО класса А. Достаточно подключить в контур розеток одно УЗО, рассчитанное на ток утечки в 30 мА.

Исходя из параметров и класса оборудования для нашего проекта необходимо УЗО со следующими параметрами:

§ без встроенной защиты от сверхтоков;

§ функционально не зависящее от напряжения;

§ применяемое для стационарной установки при неподвижной электропроводке;

§ двухполюсное с двумя защищенными полюсами;

§ типа А, реагирующее как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком;

§ без выдержки времени.

Номинальное напряжение (UН) - действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО;

UН = 220В.

Номинальный ток нагрузки (IН) - значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы. Поскольку УЗО должно быть защищено последовательным защитным устройством (ПЗУ), номинальный ток нагрузки УЗО должен быть скоординирован с номинальным током ПЗУ. В нашем случае ПЗУ - 10А, следовательно:

IН = 16A.

Номинальный отключающий дифференциальный ток (I?Н) - значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО в условиях эксплуатации; Согласно требованиям ПУЭ номинальный дифференциальный отключающий ток УЗО должен быть не менее чем в три раза больше суммарного тока утечки защищаемой цепи электроустановки - I?.

I?Н > = 3 I?.

1. длина силового питающего кабеля ~ 132 м (ток утечки 1,32 мА)

2. длина греющих секций ~ 48 м (ток утечки 0,48 мА)

3. ток нагрузки греющих секций - примерно 4,4 А (1,8 мА)

Если суммировать только токи 1. и 3. то можно взять УЗО на 10 мА
А если суммировать все три величины, то уже надо применять УЗО 30 мА.

Соответственно: I?Н = 0,3A.

Номинальный неотключающий дифференциальный ток (I?НО) - значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации;

I?НО =0,5 I?Н., следовательно I?НО = 0,15А

Предельное значение неотключающего сверхтока (IНМ) -

минимальное значение сверхтока при симметричной нагруз-

ке двух и четырех полюсных УЗО;

IНМ = 6 IН., IНМ = 100А

Номинальный условный ток короткого замыкания (ток термической стойкости) (IНС) - действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий - плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО;

IНС = 10000А.

Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания (I?С) - действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность;

I?С = 10000А.

В электроустановке здания с типом системы заземления TN-C-S является отсутствие в зоне действия УЗО любых соединений нулевого рабочего проводника (N) с заземленными элементами электроустановки и нулевым защитным проводником (PE). В точке разделения PEN-проводника необходимо предусмотреть раздельные зажимы или шины нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников. PEN-проводник, совмещающий функции рабочего и защитного, должен подключаться к зажиму, предназначенному для нулевого защитного проводника. [3]

Рис. 1. Схема электроснабжения (электрическая сеть системы заземления TN-C-S)

При этом монтаж УЗО должен осуществляться только квалифицированным персоналом, имеющим лицензию на выполнение электромонтажных работ. При монтаже УЗО необходимо будет провести внимательное исследование системы заземления в конкретной электроустановке и выполнить четкое разделение нулевого рабочего и нулевого защитного проводников в зоне защиты УЗО. Для правильного функционирования УЗО необходимо, чтобы в зоне защиты УЗО нулевой рабочий проводник не имел электрического контакта сзаземленными элементами установки. [1]

7.8 Вывод

Таким образом из возможных модификаций устройств защитного отключения (УЗО) наиболее подходящим для данного дипломного проекта является АСТРО*УЗО Ф-1211.

Заключение

В рассматриваемом дипломном проекте был спроектирован стенд регистрации и обработки данных реального времени. По сформированному техническому заданию была выбрана и обоснованна структурная и электрическая принципиальная схема устройства.

Была произведена оценка и расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства, расчёт и моделирование тестовых сигналов. Был проведён эксперимент, где мы оценили правильность работы устройства и работу программного обеспечения.

В ходе дипломного проектирования было обоснованно использование современной элементной базы, а именно, ПЛИС. Учитывая что архитектурные особенности ПЛИС как нельзя лучше приспособлены для реализации, а также, автоматизированный и удобный процесс создания проектов в САПР (Altera MAX Plus II, Quartus II) и возможность программирования или изменения конфигурации непосредственно в системе становится понятно, что переход на ПЛИС открывает широкие перспективы и делает процесс создания цифровых устройств значительно более удобным.

В конструкторской части были описаны основные конструктивные особенности стенда. В технологической части была описана технология многослойных печатных плат примененная при изготовлении устройства. Также был обоснован выбор именно данной технологии.

В экономической части был составлен бизнес-план работ по производству стенда, а также доказана целесообразность перехода на современную элементную базу.