Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Автоматика

Устройство защиты электросети

Опубликовано 20.08.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети существует практически на любом предприятии, особенно при работе от источников трёхфазного напряжения. Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную опасность представляет так называемый «перекос фаз» – случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину, что приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя. Очень часто встречается и обрыв одной фазы.

 Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда в результате аварии в цепи питания может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220 В. относительно земли, но при этом две из них замкнуты между собой («слипание» фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.

В ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [1] определено, что качество электрической энергии — это степень соответствия параметров электрической энергии их установленным значениям.

Показателями качества электроэнергии, согласно [1], являются:

- отклонение напряжения от своего номинального значения;

- колебания напряжения от номинала;

- несинусоидальность напряжения;

- несимметрия напряжений;

- отклонение частоты от напряжения номинального значения;

- длительность провала напряжения;

- импульс напряжения;

- временное перенапряжение.

Основные показатели качества электроэнергии при условии нормальной работы электроприемников должны в течении не менее 23 часов каждых суток не выходить за пределы своих номинальных значений ±10%, а в послеаварийных режимах – за пределы определенных максимальных значений ±20%.

Однако, довольно часто, показатели качества электрической энергии не соответствуют требованиям, определённым в межгосударственном стандарте. В первую очередь эти несоответствия бывают вызваны аварийными режимами работы распределительной электросети или её перегрузок, что приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования.

 Для защиты оборудования от таких случаев выпускается большое количество различных реле контроля напряжения (реле контроля фаз, мониторы напряжения).

Существует целый ряд международных и европейских стандартов, определяющих параметры устройств защиты для различных классов защищаемого оборудования. Наиболее часто европейские производители электронного оборудования ссылаются на стандарт IEEE 446-1995, известный так же как кривые ITIC (Information Technology Industry Council). Данному стандарту энергетических систем для промышленных и коммерческих применений [2] соответствует практически всё промышленное оборудование. Стандарт IEEE 446-1995 описывает способность оборудования выдерживать отклонения напряжения питания от номинального, в зависимости от амплитуды и длительности этих отклонений. Интервал длительности события в части отклонения значения напряжения от номинала между двумя сходящимися кривыми (рисунок 1), образует сегмент, в пределах которого при соответствующих отклонениях от номинального напряжения в течение определенного интервала времени электронное оборудование должно функционировать непрерывно и без сбоев.



Закрашенная область на рисунке 1 отображает допустимый диапазон отклонений напряжений, не приводящий к сбою в работе оборудования по отношению к времени отклонения.

Но эти соображения будут справедливы для электрических сетей, с «европейским» качеством электроэнергии.

На практике, многие потребители электроэнергии получают её с большими отклонениями от стандартных 220 В. ±10%.

Реально автору этой статьи, проживая в сельской местности, приходилось сталкиваться с отклонениями сетевого напряжения в диапазоне от 150 до 270 В. в течение длительного времени.

При повышенном напряжении в электросети уменьшается срок службы почти всего электронного и электрооборудования. В первую очередь перегорают лампы накаливания. При этом оборудование не выходит из строя даже при кратковременных скачках напряжения до 300В. Это напряжение можно принять крайним верхним пороговым напряжением для защитного устройства. Время срабатывания, для исключения ложных срабатываний, должно быть не менее 0.2 секунд, но и не более 0.5 секунд. Но при некоторых видах аварий на линии (например - обрыв нуля на вводе в многоэтажный дом) в розетке потребителя может оказаться скачком напряжение до 300-400В. В этих случаях устройство защиты должно отключать потребителей электроэнергии мгновенно. Но любому электромеханическому устройству коммутации требуется некоторое время на переключение. Как правило, время реакции устройства на отклонения напряжения от допустимых параметров не превышает 10 – 30 мс.

Для защиты от импульсных высоковольтных помех, как правило, используют мощные варисторы, встроенные в устройство защиты. Использование варистора предпочтительно последующим причинам:

- будучи установленным в вводном квартирном щитке он блокирует мощные высоковольтные импульсы в распределительной электросети, не пропуская их за пределы устройства защиты;

- при длительных скачках напряжения он ограничивает напряжение на относительно безопасном уровне до срабатывания электромеханического реле (15 – 20 мс.);

- защищает само устройство защиты от воздействия импульсов высокого напряжения.

Фактически варисторная цепь выполняет функции устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), т.е. обеспечивает защиту по III классу, согласно ГОСТ 51992-2002 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний» (класс D по европейской классификации) [3].

Практика показывает, что при снижении напряжения до 160 – 170 В. бытовые приборы в основном сохраняют работоспособность. Если сетевое напряжение опускается ниже данного уровня, то основная часть оборудования выходит из строя.

При включении мощного потребителя напряжения, например электродвигателя или холодной спирали лампы накаливания, напряжение в электросети может кратковременно снижаться до значения 150 – 170 В. на время до 10 секунд. Соответственно, время реакции устройства на снижение напряжения должно быть не менее 10 – 20 секунд.

В случае если произошло короткое замыкание, а автомат токовой защиты не сработал, то уровень сетевого напряжения будет понижен до значения 110 – 130 В.  и менее, при этом отключение потребителей электрической энергии от электросети должно происходить максимально быстро, без задержки.

В настоящее время зарубежной промышленностью, в том числе и Российской, освоена к производству и широко реализуется масса изделий для защиты потребителей электрической энергии от опасных факторов. Однако лишь некоторые из них своими техническими характеристиками и возможностями способны удовлетворить потенциальных покупателей. Немаловажным сдерживающим фактором спроса на подобные технически сложные изделия является и их цена.

Большинство устройств аналогичного назначения выполнено на основе использования аналоговой схемотехники.

Использованные в дешёвых устройствах конденсаторные источники питания (рисунок 2) не обеспечивают гальваническую развязку устройства от электрической сети, а использованные схемотехнические решения, не позволяют прибору нормально функционировать при входных напряжениях более 280 В.

Более дорогие устройства реализованы с применением микроконтроллеров и микропроцессоров и измеряют уже мгновенное значение сетевого напряжения с последующим пересчётом измеренного значения в действующее. Источники питания в подобных устройствах выполнены с использованием понижающих трансформаторов малой мощности, что так же не обеспечивает нормальную работу устройства при значительном повышении сетевого напряжения. Для исключения выхода трансформатора питания из строя при значительном повышении напряжения питания устройства производители, как правило, используют трансформаторы, рассчитанные на напряжение питания 380 – 450 В. В трёхфазных устройствах защиты такие трансформаторы питания включают, как правило, между двумя фазами электросети в линейное напряжение, стараясь таким образом, уменьшить вероятность отказа оборудования защиты и выхода из строя самого трансформатора. Однако применение трансформаторов для получения питающего напряжения требует применения дорогостоящего стабилизатора напряжения, который при повышении входного напряжения в электросети, будет рассеивать значительную мощность в виде теплового излучения и работать с перегрузкой. В импортных, дорогостоящих устройствах, как правило, применяются импульсные источники питания на базе обратноходового (реже прямоходового) преобразователя (рисунок 3).

В качестве измерительного элемента в аналоговых устройствах используется операционный усилитель или компаратор, включенный по схеме сравнения напряжений (рисунок 4). Подобные устройства измеряют  выпрямленное амплитудное значение сетевого напряжения.



 В цифровых устройствах на базе микропроцессоров используется резистивный делитель напряжения, а измерение напряжения производится аналого-цифровым преобразователем (АЦП). При этом специализированные микросхемы АЦП как правило не используются, так как их применение, ведёт к существенному удорожанию устройства защиты. Обычно для этих целей используют микроконтроллер со встроенным АЦП. Для синхронизации моментов измерения сетевого напряжения используется, как правило, вход внешнего прерывания микроконтроллера (рисунок 5).



Проанализировав функциональные возможности аналогичных устройств и требования действующих стандартов надёжности работы и защиты электрооборудования, были сформулированы технические и программные требования к разрабатываемому устройству защиты:

  • Нормальная работа устройства от электросети с частотой 40…70 Гц. и действующим значением напряжения от 150 В. до 320 В. при наличии напряжения хотя бы на одной из фаз электрической сети.
  • Измерение действующего значения сетевого напряжения независимо по всем трём фазам электросети в диапазоне от 50 В. до 320 В.
  • Наличие буквенно-символьного жидкокристаллического дисплея для индикации текущих параметров электросети (частоты, действующих значений напряжений, порядка чередования фаз) и режимов работы устройства.
  • Отключаемая функция контроля порядка чередования фаз.
  • Функция контроля «слипания» фаз.
  • Наличие дух верхних и двух нижних порогов контроля сетевого напряжения.
  • Четырёхпороговый контроль отклонений фазных напряжений от номинальных значений раздельно для каждой фазы сетевого напряжения.
  • Раздельная установка значений порогов напряжений и времени защитного отключения для каждого из порогов напряжения.
  • Регулируемые пределы отклонения частоты сетевого напряжения, при которых происходит отключение нагрузки.
  • Индикация на дисплее оставшегося времени до включения нагрузки при выходе параметров электросети за установленные пределы.
  • Индикация на дисплее параметра электросети не соответствующего допустимым значениям.
  • Раздельное отключение фаз сетевого напряжения при отклонении параметров фаз от нормы.
  • Общее отключение всех трёх фаз нагрузки общим электромагнитным реле при отклонении параметров хотя бы одной из фаз от нормы.
  • Наличие функции контроля частоты сетевого напряжения и отключение общего защитного реле при выходе частоты за установленные пределы.
  • Регулируемая яркость подсветки дисплея.
  • Возможность подстройки показаний (калибровка) прибора.
  • Настройка всех параметров устройства с использованием функционального меню и кнопок управления.
  • Связь с персональным компьютером (ПК) по интерфейсу RS-485.
  • Настройка основных параметров устройства в автономном режиме.
  • Настраиваемые пороги перекоса фаз, при которых происходит общее отключение всех трёх фаз нагрузки.

В устройстве защиты необходимо обеспечить раздельное отключение фаз электросети при выходе параметров электросети за допустимые пределы. Для этих целей необходимо предусмотреть наличие трёх ключей для раздельной коммутации каждой из фаз сетевого напряжения. Также необходимо предусмотреть отключение трёхфазного электрооборудования при возникновении различных внештатных ситуаций и возникновении перекоса фаз. Для этих целей необходимо введение дополнительного ключа общей коммутации фаз, который управляя подключенным к нему мощным трёхфазным контактором, осуществлял бы коммутацию трёхфазной электросети для всех трёх фаз сетевого напряжения. Наличие общего трехфазного ключа необходимо для коммутации трёхфазных нагрузок, например электродвигателей, или при использовании устройства в составе аппаратуры автоматического ввода резерва.

В результате анализа существующих технических решений и приняв во внимание выдвинутые требования к проектируемому устройству защиты, была разработана структурная электрическая схема устройства защиты (рисунок 6).

Устройство содержит:

- трёхфазный импульсный источник питания;

- микроконтроллер управления со встроенным АЦП;

- LCD дисплей;

- высоковольтный трёхфазный делитель напряжений;

- три разделительных трансформатора;

- клавиатуру ручного управления устройством

- конвертер интерфейсов USART/RS-485;

- блоки синхронизации микроконтроллера с электросетью;

- коммутационные ключи;

- исполнительные реле.

Трёхфазный импульсный источник питания, вырабатывающий постоянные напряжения 5 В. и 12 В., необходимые для питания устройства включает в себя следующие функциональные блоки:

- трёхфазный сетевой выпрямитель;

- фильтр выпрямленного сетевого напряжения;

- обратноходовый преобразователь напряжения;

- высокочастотный выпрямитель напряжения 5 В.;

- высокочастотный выпрямитель напряжения 12 В.



Трёхфазный сетевой выпрямитель служит для выпрямления переменного напряжения трёхфазной электросети в пульсирующее напряжение, которое затем подаётся на сглаживающий LC-фильтр. Обратноходовый преобразователь выполняет преобразование выпрямленного сетевого напряжения в переменное напряжение высокой частоты и содержит в себе высокочастотный понижающий трансформатор. Высокочастотные выпрямители преобразуют переменное напряжение высокой частоты, поступающее со вторичной обмотки высокочастотного трансформатора в пульсирующее, которое затем сглаживается фильтрующим конденсатором.

Трёхфазный высоковольтный делитель напряжений служит для снижения уровня напряжения, подаваемого на входы АЦП микроконтроллера через разделительные трансформаторы малой мощности, служащие для гальванической развязки схемы устройства от трёхфазной электросети.

Блоки синхронизации с электросетью служат для формирования прямоугольных импульсов, следующих синхронно с моментами смены полярности сетевым напряжением трёхфазной электросети. Формируемые блоками синхронизации импульсы поступают на входы внешнего прерывания микроконтроллера и тем самым сообщают программе управления процессора о смене полярности сетевого напряжения той или иной фазы электросети (переходе сетевым напряжением через нулевое значение).

LCD дисплей служит для индикации параметров электросети и режимов работы устройства и управляется непосредственно от центрального микроконтроллера.

Клавиатура ручного управления предназначена для ручного управления устройством и представляет собой группу нормально разомкнутых контактов без фиксации положения.

Конвертер интерфейсов USART / RS-485 предназначен для преобразования интерфейса последовательного порта управляющего микроконтроллера USART в промышленный последовательный симметричный интерфейс RS-485.

Ключи управления реле и выходные реле устройства защиты образуют выходные цепи схемы и предназначены для управления мощными исполнительными цепями коммутации. Подключенные к реле управления контакторы будут непосредственно подавать питание на защищаемое устройством оборудование, в случае если параметры электросети находятся в пределах установленной нормы.

Принципиальная электрическая схема разработанного устройства защиты приведена на рисунке 8.

Центральной частью устройства защиты является микроконтроллер AT Mega16A. При разработке устройства важно правильно распределить имеющиеся в микроконтроллере ресурсы (порты ввода-вывода, интерфейсы передачи данных, входы внешних прерываний).

Для синхронизации микроконтроллера с фазами электропитания трёхфазной сети необходимо использовать все три имеющиеся входа внешних прерываний INT0 – INT2. Входы внешнего прерывания INT0 и INT1 в микроконтроллере выведены на входы 2 и 3 порта D (PORTD), а вход внешнего прерывания INT2 имеет внутреннее соединение с входом 2 порта В (POTRB) микроконтроллера. Подобное распределение входов внешних прерываний микроконтроллера создаёт определённые неудобства при программной обработке сдвига фаз электросети, существенно усложнит и замедлит программу управления. Для упрощения программного обеспечения микроконтроллера и ускорения процесса определения сдвига фазных напряжений в электросети необходимо задействовать имеющийся в микроконтроллере вход 4 порта D (PD4), соединив его параллельно со входом внешнего прерывания микроконтроллера INT2 (рисунок 8).

Поскольку используемый в схеме синхронизации устройства аналоговый компаратор имеет выход с открытым коллектором, то необходимо наличие подтягивающих резисторов, включенных между положительным выводом источника питания и входами внешнего прерывания микроконтроллера.

Для измерения напряжения в электросети необходимо задействовать три входа АЦП микроконтроллера из имеющихся восьми. Используем входы ADC0 – ADC2, выведенные на выводы PA0 – PA2 PORTA микроконтроллера (рисунок 8  - Принципиальная электрическая схема устройства - приведён в архиве в конце статьи).

Оставшиеся свободными выводы PORTA используем для управления ключами коммутации нагрузки и индикаторным светодиодом HL1.

Для подключения шести кнопок ручного управления устройство (SB1 – SB6) воспользуемся портом В (PORTB) микроконтроллера, подключив кнопки к оставшимися свободными выводами PB0, PB1, PD4 –  PB7 (рисунок 8). Поскольку при программном декодировании нажатий на кнопки ручного управления будет использоваться чтение логических уровней на выводах порта В микроконтроллера, то для обеспечения изменения логического уровня с единицы на ноль, при нажатии на кнопки управления, достаточно задействовать встроенные в PORTB подтягивающие резисторы, включив их программно. В этом случае отпадает необходимость использования внешних подтягивающих резисторов, что способствует уменьшению конечной стоимости устройства и минимизации его габаритов.

Для подключения ЖК индикатора по 4-х проводной шине данных необходимо задействовать четыре вывода одноного из портов микроконтроллера. Дополнительно понадобиться ещё три вывода для формирования управляющих сигналов RS, R/W, E индикатора. Для этих целей задействуем оставшийся свободным порт С (PORTC) микроконтроллера.

ШИ модулятор таймера 2 микроконтроллера AT Mega16A выведен на вывод PD7 PORTD. Для управления яркостью подсветки ЖК индикатора подключим к этому выходу согласующий транзистор  (рисунок 8).

Для обеспечения гарантированного сброса микроконтроллера при колебаниях напряжения питания, возникающих при запуске обратноходового преобразователя, используем RC-цепь сброса, подключив её к выводу RESET (рисунок 8). Диод VD1, подключенный параллельно резистору R3, предназначен для быстрого разряда конденсатора C1 при отключении питания устройства и способствует быстрому повторному запуску микроконтроллера при кратковременных провалах сетевого напряжения.

Коротко остановлюсь на программной части устройства:

Разработанная на языке C++ в среде программирования WinAVR 20100110 программа управления состоит из 13 файлов, которые транслируются компилятором в программные коды микроконтроллера.

Наименование и назначение файлов программы микроконтроллера следующее:

  • main.c – главный исполняемый файл программы;
  • main.h – заголовочный файл программы;
  • keydriver.c – программы декодирования номера и длительности нажатий на кнопки клавиатуры ручного управления;
  • keydriver.h – заголовочный файл декодирования номера и длительности нажатий на кнопки клавиатуры ручного управления;
  • lcd_menu.c – программа вывода информации на дисплей и навигации по меню устройства;
  • key_menu.c – программа обработки последовательностей нажатий на кнопки клавиатуры и навигации по меню устройства;
  • diagramma.c – программа вывода линейных диаграмм на дисплей;
  • usart.c – программы обработки прерываний USART и команд управления, принятых по последовательному порту микроконтроллера;
  • copyright.c – программа индикации на ЖК дисплее бегущей строкой сведений о программе;
  • lcd_lib.c – драйвер ЖК дисплея;
  • lcd_lib.h – заголовочный файл драйвера ЖК дисплея;
  • codetable.h – файл, содержащий таблицу перекодировки символов для вывода на ЖК дисплей;
  • Makefile – файл, содержащий сведения о параметрах компиляции программы.

Исходные коды программы имеют объём около 2000 строк и доступны для загрузки на сайте редакции.

Откомпилированная программа занимает в памяти микроконтроллера 15432 байта из 16384 байт доступной flash памяти программ. Энергонезависимой памяти eeprom, в которой расположены данные о текущей настройке системы, используется 56 байт из 512 имеющихся в распоряжении программы. В ОЗУ микроконтроллера при работе программы занято 204 байта из 1024 доступных.

Поскольку требуется обеспечить синхронизацию микроконтроллера и достоверность измерений сетевого напряжения при наличии хотя бы одной из трёх фаз сетевого напряжения необходимо использовать все три внешних прерывания микроконтроллера. Обработчики внешних прерываний должны содержать в себе подпрограммы и функции определения частоты электросети, порядка чередования фаз и другие. Расчёт частоты электрической сети целесообразно проводить на основе значения счётного регистра 16-ти разрядного таймера-счётчика Т1. Для этого при каждом вызове обработчика внешнего прерывания необходимо в первую очередь прочитать значение, содержащееся в счётном регистре TCNT1 таймера Т1. Данное значение, при частоте тактового генератора микроконтроллера 16 МГц. и предварительном делении частоты на восемь, будет инкрементироваться на единицу каждые 0.5 мс., что соответствует шагу измерения частоты 25 - 10-6 Гц.

Далее в программе обработки внешнего прерывания необходимо загрузить в регистр TCNT1 таймера-счётчика Т1 нулевое значение, необходимое для отсчёта временного интервала 5 мс. для запуска преобразования АЦП на пике синусоиды сетевого напряжения и последующим вычислением частоты сетевого напряжения при очередном вызове программы обработки одного из внешних прерываний. Далее необходимо выбрать вход АЦП на котором будет производиться измерение сетевого напряжения. Для этого в регистр ADMUX микроконтроллера необходимо занести число, соответствующее номеру входа. После выполнения описанных действий целесообразно произвести чтение состояния порта D (регистр PIND) микроконтроллера. Данное действие позволит определить порядок чередования фаз в электросети. Далее, с учётом порядка чередования фаз становиться возможным произвести расчёт частоты напряжения в электросети по одной из формул, приведенных в таблице 1.

При расчёте частоты используется деление целочисленных двухбайтных значений с отбрасыванием остатка. Ввиду особенностей работы аппаратного делителя микроконтроллера, расчёт значений частоты в виде двухбайтных переменных типа Int16,  позволит значительно повысить скорость вычисления частоты сетевого напряжения, по сравнению с использованием в вычислениях чисел с плавающей запятой.

При выполнении расчёта по одной из указанных в таблице 1 формул, в зависимости от обнаруженного порядка чередования фаз, будет получено четырёхзначное десятичное число (например, 4998). Два старших десятичных знака этого числа будут содержать значение частоты в Герцах (49, для указанного случая), а два младших, соответственно, десятую и сотую доли Герца (49,98 Гц., для указанного значения 4998).

Дальнейшее операции целочисленного деления на 100 и взятия остатка от деления на 100, позволят в основном цикле программы выделить целую и дробную части значения частоты для вывода на ЖК дисплей.

Для коррекции момента времени измерения напряжения на пике синусоидального сигнала, в дальнейшем, необходимо произвести перерасчёт значения, которое будет заноситься в регистр сравнения таймера-счётчика Т1 и вызовет прерывание, запускающее процесс измерения напряжения. Расчёт данного значения необходимо выполнить на основе рассчитанного значения частоты электросети.

Перезапущенный с нулевого значения счёта, при обработке внешнего прерывания таймер-счётчик Т1, по достижении рассчитанного и записанного в регистр сравнения значения, вызовет прерывание по совпадению. При обработке данного прерывания первоочередной задачей является запуск АЦП микроконтроллера, так как именно в момент возникновения прерывания по совпадению счётчика Т1 необходимо произвести измерение мгновенного значения напряжения в электросети. После этого для обеспечения возможности контроля слипания фаз необходимо повторно прочитать состояния порта D микроконтроллера в переменную, содержащую порядок чередования фаз в электросети.

По завершению преобразования АЦП произойдёт вызов программы обработчика соответствующего прерывания. Программа обработки прерывания должна прочитать измеренное мгновенное значение напряжения в массив U[N], где N – номер фазы электросети (от 0 до 3). Для упрощения процесса преобразования измеренного мгновенного значения напряжения, в √2 раз больше среднеквадратичного, и ускорения работы программы микроконтроллера, критичной ко времени выполнения, решено отказаться от работы с числами с плавающей запятой и деления на квадратный корень из двух. Вместо этого верхний предел измерения устройством действующего значения напряжения был расширен до значения 340 В. Это позволило проводить измерения напряжения с приемлемой погрешностью на уровне ±0,5% и шагом измерения около 1/3 В. и при этом существенно упростить разработку управляющей программы микроконтроллера и ускорить её работу.

Таким образом, при обработке прерывания по завершению преобразования АЦП достаточно произвести деление полученного в регистре ADC АЦП целочисленного значения (в диапазоне от 0 до 1024) на целочисленное значение равное трём, с последующим аппаратным округлением в меньшую сторону. В результате путём минимальных преобразований рассчитывается среднеквадратичное значение сетевого напряжения .

В случае возникновения ошибки синхронизации с электрической сетью (например, при пропуске двух и более полупериодов всех трёх фаз сетевого напряжения и продолжении работы устройства от заряженных конденсаторов источника питания) будет осуществлено аппаратное переполнение таймера-счётчика Т1. Подпрограмма обработки прерывания по переполнению этого счётчика должна произвести аварийное отключение всех трёх фазных и общефазного реле и установить флаг ошибки синхронизации с электросетью, обнулив измеренные значения напряжений фаз (приложение Г).

Для подсчёта длительности интервалов времени и анализа измеренных значений параметров электросети используем таймер-счётчик Т0. Таймер, путём загрузки в счётный регистр TCNT0 начального значения счёта равное 100 и коэффициенте деления частоты тактового генератора равном 1024 будет срабатывать каждые T = 1 / (16 - 106 / (1024 - (256 – 100))) = 10 мс.

При обработке прерывания необходимо проверить соответствие параметров электросети, полученных в процессе измерений и расчётов на допустимость значений, путём их сравнения с заданными пороговыми значениями. При превышении напряжения какой либо из фаз сетевого напряжения верхнего порога быстрого отключения Umax_H должно незамедлительно отключаться защитное реле данной фазы, а так же общефазное реле. То же должно происходить и при снижении напряжения какой либо из фаз сетевого напряжения нижнего порога быстрого отключения Umin_L (приложение Г).

При снижении напряжения какой либо из фаз до установленного уровня замедленного отключения Umin_H или ниже, а также при достижении напряжением верхнего порога замедленного отключения Umax_L, программа обработки прерывания инкрементирует соответствующее время задержки на отключение. В дальнейшем производится проверка полученных значений задержек на достижение заданных пороговых значений.

В случае превышения заданных пороговых значений должно незамедлительно отключаться защитное реле данной фазы, а так же общефазное реле, а таймер отсчёта времени обратного включения реле загружаться необходимая задержка.

Далее необходимо произвести расчёт разности фазных напряжений и аналогичным образом произвести отключение общефазного реле с осуществлением необходимой задержки на отключение.

Сравнение измеренного значения частоты напряжения с верхним и нижним установленными порогами так же целесообразно производить в программе обработки прерывания по переполнению таймера-счётчика Т0. В случае отклонения от заданных пределов необходимо аналогичным образом произвести отключение общефазного реле с осуществлением задержки на отключение.

Таймер Т0 целесообразно использовать и для отсчёта временных интервалов. Для этого необходимо организовать соответствующие счётчики вызовов подпрограммы обработки прерывания.

Прежде чем осуществить обработку прерываний микроконтроллер при запуске должен выполнить настройку прерываний и устройств, а так же осуществить инициализацию ЖК дисплея. Первоначально, при включении питания, основная программа микроконтроллера должна настраивать порты ввода вывода (вход или выход, включен или отключен встроенный резистор подтяжки), после чего разрешить необходимые прерывания и установить условия, при которых прерывания будут обрабатываться. После чего необходимо произвести чтение ранее записанных в энергонезависимую память eeprom микроконтроллера переменных, содержащих настройки пороговых значений параметров электросети, длительности задержек на включение и отключение защитных реле и уровня яркости подсветки ЖК дисплея, предшествующих выключению питания устройства. Далее программа управления должна инициализировать ЖК индикатор на работу в четырёхбитном режиме, загрузить в него дополнительные символы индикации, не предусмотренные стандартным знакогенератором и вывести на дисплей приветственную надпись, содержащую название устройства и версию программного обеспечения. Далее в знак приветствия пользователя устройство защиты трижды плавно мигнёт подсветкой и осуществит общее разрешение прерываний и, соответственно, мониторинг параметров электросети.

В целях исключения подачи напряжения питания на защищаемые цепи целесообразно ввести задержку на включения защитных реле при включении питания устройства. Данная задержка выбрана длительностью 5 секунд, так как способна обеспечить мониторинг 250 периодов синусоидального напряжения электросети (без учёта задержки на синхронизацию микроконтроллера с электрической сетью), что вполне достаточно для предварительной оценки параметров электрической сети.

Далее основная программа микроконтроллера проверяет, путём сравнения измеренные за пятисекундную задержку, параметры электросети на нахождение в допустимых пределах и включает соответствующие реле или загружает в таймер задержки включения реле необходимое время. После чего в бесконечном цикле программа микроконтроллера обновляет показания ЖК-дисплея и обрабатывает команды клавиатуры в соответствии с порядком нажатия на управляющие кнопки.

Для освобождения процессорного времени микроконтроллера и устранения необходимости мониторинга последовательного порта приёмопередатчика UASRT, при работе с персональным компьютером посредством интерфейса RS-485, решено использовать возможность генерации прерывания, возникающего по завершению приёма очередного байта. Для реализации возможности адресации конкретного устройства системы управления, в программе обработки прерывания предусмотрено сравнение принятого адреса с собственным внутренним адресом устройства и адресом широковещания. В случае совпадения адреса система декодирует принятую команду и выполняет её, а в случае необходимости формирует необходимый пакет данных для ответа.

Для разгрузки микроконтроллера от необходимости контролировать процесс передачи ответного пакета данных воспользуемся имеющимся в микроконтроллере прерыванием по завершению передачи данных приёмо-передатчика USART. При возникновении прерывания, свидетельствующего о завершении передачи очередного символа, в случае необходимости программа обработки прерывания начнёт передачу следующего.

Для передачи в ПК информации о напряжении во всех трёх фазах электросети и частоте необходимо использовать (3 + 1) х 2 = 8 информационных байт. Для обеспечения адресации устройств в сети RS-485 необходимо обеспечить передачу адресного и стартового байта.

В качестве стартового байта при обмене данными стандартное значение флага передачи данных, используемое в сетях телекоммуникаций 0b01111110. Структура передаваемого пакета данных приведена на рисунке 9.

Скорость обмена данными выбрана равной 2400 бод. Выбор сталь низкой скорости обмена данными обусловлен малым объёмом передаваемой информации (всего десять байт) и необходимостью обеспечения высокой помехоустойчивости передачи информации в сетях RS-485.

Используя описанный протокол связи с персональным компьютером любому читателю, знакомому с программированием дл персонального компьютера не сложно будет получить показания прибора на экране персонального компьютера.
В конце статьи прилагается простая программа, которая выводит показания частоты тока и напряжения фаз на экран ПК. Вид главного окна программы приведён на рисунке 10.
 

Скачать исходные коды программы, принципиальную электрическую схему, перечень элементов, необходимых для сборки устройства и дополнительные материалы можно по ссылкам ниже.

Ну и в заключение фото тестовой платы устройства, на которой отлаживался весь функционал, виды экранов устройства в различных режимах работы и структура меню.











СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
 

  1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
  2. IEEE SA - 446-1995 - IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications – Электронные данные. – Режим доступа:  http://standards.ieee.org/findstds/standard/446-1995.html
  3.  ГОСТ 51992-2002 Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний.
  4. УЗМ-50 испытания – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.meandr.ru/texts/text4a.html
  5. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. Микроконтроллеры и Технологии – Электронные данные. – Режим доступа: http://radioparty.ru/index.php/device-pic/272-mcu-avr-semeystva-tiny-and-mega
  6. Проектирование МПС – Электронные данные. – Режим доступа: http://dfe.karelia.ru/koi/posob/projmps/vved1.html
  7. ATmega16A, 8-разрядный микроконтроллер с 16 Кб внутрисистемно программируемой Flash памяти – Электронные данные. – Режим доступа: http://catalog.gaw.ru/index.php? page=component_detail&id=12066
  8. Atmel Corporation – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.atmel.com/Images/doc8154.pdf
  9. Вольтмастер, WH-1602L-YYH-CT, ЖКИ 16х2 англ_рус (DV-16210S1FBLY-H_R) – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.voltmaster.ru/cgi-in/qwery.pl?id=200048829&group=21103
  10. МЭЛТ. Знакосинтезирующие ЖК индикаторы. – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.melt.com.ru/shop/indikatory-zhk/znakosinteziruyuschie-zhk-indikatory.html
  11. Вывод информации на ЖКИ. Статьи– Электронные данные. – Режим доступа: http://mega-avr.ucoz.ru/publ/ codevisionavr_out_information_in_display_library_function/1-1-0-5
  12. ГОСТ Р МЭК-61312. Защита от электромагнитного импульса молнии.
  13. Обратноходовый преобразователь – Электронные данные. – Режим доступа: http://4108.ru/u/obratnohodovyiy_preobrazovatel
  14. Схемы компьютерных блоков питания. ATX Codegen JNS KME FSP Sunny Colors It PowerMaster InWin PowerMan Hiper Microlab Antech MaxPower Green Tech – Электронные данные. – Режим доступа: http://electro-tech.narod.ru/schematics/power/comp.htm
  15. Стандарт RS-485 – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.softelectro.ru/rs485.html
  16. Устройства связи – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.pkp.by/oven/ustrojstva-svjazi.html
  17. ГОСТ 30030-93 Трансформаторы разделительные и безопасные разделительные трансформаторы. Технические требования.
  18. Amplifiers and Linear - Comparator - LM339 - TI.com – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.ti.com/product/ lm339?CMP=AFC-conv_SF_SEP&partnerName=DSA
  19. RS-485 для чайников. Описание RS-485 на русском. – Электронные данные. – Режим доступа: http://mayak-bit.narod.ru/rs485.html
  20. Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232 – Электронные данные. – Режим доступа: http://bookasutp.ru/Chapter2_3.aspx




Файлы:
Принципиальная электрическая схема устройства
Файлы прошивки МК
Исходные коды прошивки МК
Программа ПК в формате exe
Перечень элементов принципиальной схемы устройства


Все вопросы в Форум.


ID: 1354

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

9 1 2
3 3 1
Подробно