THIẾT KẾ, XÂY DỰNG RƠ LE BẢO VỆ QUÁ DÒNG KỸ THUẬT SỐ

ĐẶT VẤN ĐỀ1.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài Rơ le bảo vệ kỹ thuật số nói chung và rơ le bảo vệ quá dòng Kỹ thuật số nói riêng là một nội dung trong chương trình giảng dạy tại Bộ mô

THIẾT KẾ, XÂY DỰNG RƠ LE BẢO VỆ QUÁ

DÒNG KỸ THUẬT SỐ

1

2 CHƯƠNG II THIÉT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2 CHƯƠNG II THIÉT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

3 CHƯƠNG III THIÉT KẾ PHẦN MỀM

3 CHƯƠNG III THIÉT KẾ PHẦN MỀM

4 CHƯƠNG IV KIỂM TRA VÀ THỬ NGHIỆM

RƠ LE, ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4 CHƯƠNG IV KIỂM TRA VÀ THỬ NGHIỆM

RƠ LE, ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

ĐẶT VẤN ĐỀ

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài

Rơ le bảo vệ kỹ thuật số nói chung và rơ le bảo vệ quá dòng Kỹ thuật số nói riêng là một nội dung trong chương trình giảng dạy tại Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện Đã có một số công trình nghiên cứu trong nước [2], [5] về loại rơ

le này, tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có Hãng thiết bị điện trong nước nào công bố về việc sản xuất Rơ le bảo vệ

kỹ thuật số nói chung và Rơ le bảo vệ quá dòng Kỹ thuật

số nói riêng, vì vậy việc nghiên cứu thiết kế xây dựng loại

rơ le này nhằm hướng tới tạo ra sản phẩm trong nước, đồng thời tạo cho sinh viên tích luỹ kiến thức cũng như kỹ năng nghiên cứu khoa học, thiết kế, xây dựng rơ le kỹ thuật số nói chung và rơ le bảo vệ quá dòng kỹ thuật số nói riêng

ĐẶT VẤN ĐỀ

2 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế, xây dựng rơ le bảo vệ quá dòng kỹ thuật

số sử dụng trong công nghiệp cũng như trong các thiết bị sinh hoạt.

3 Đối tượng nghiên cứu

Rơ le bảo vệ quá dòng kỹ thuật số sử dụng trong công nghiệp cũng như trong các thiết bị sinh hoạt.

ĐẶT VẤN ĐỀ

4 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế xây dựng sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp và đời sống sinh hoạt là rơ le bảo

vệ quá dòng kỹ thuật số với yêu cầu cụ thể

như sau: thay đổi được dòng điện đặt đến

10A với đặc tính bảo vệ có thời gian tác động độc lập; thay đổi được thời gian tác động của

rơ le.

Sử dụng các kiến thức đã học về tin học, về kỹ thuật vi xử lý - vi điều khiển kết hợp với lý thuyết vè các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số nói chung và rơ le bảo vệ quá dòng kỹ thuật số nói riêng để thiết kế, xây dựng sản phẩm thực, thử nghiệm và đánh giá sản phẩm đã xây dựng.

5 Cách tiếp cận

6 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp, so sánh

và đánh giá :Nghiên cứu tài liệu về các rơ le bảo vệ

kỹ thuật số của một số hãng trên thế giới ; tìm hiểu, phân tích, đánh giá một số rơ le bảo vệ kỹ thuật số của một số hãng trên thế giới để thiết kế, xây dựng

rơ le bảo vệ quá dòng kỹ thuật số phù hợp với điều kiện trong nước về sản xuất và ứng dụng; xây dựng, thử nghiệm và đánh giá sản phẩm thực

1.1 Giới thiệu về rơle kỹ thuật số

Rơ le số là thành quả của tiến bộ khoa học kĩ thuật tổng hợp của các nghành công nghệ vật liệu, kĩ thuật điện, điện tử, toán điều khiển và tin học Tên gọi của các rơ le số cũng được phân loại theo chức năng bảo

vệ chính , vì ở rơ le số thường chứa đựng nhiều chức năng bảo vệ mà một đối tượng cần phải có Rơ le số mang tính tổng hợp, hợp bộ.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RƠ LE KĨ

THUẬT SỐ

1.2 Khái quát về cấu tạo của rơle kỹ thuật số

Hình 1.1 Sơ đồ khối cấu tạo của rơ le số

Ưu điểm của các rơ le số :

- Có độ tin cậy cao, tác động chính xác, công suất tiêu thụ nhỏ, độ nhạy cao, điều chỉnh dễ dàng, độ linh hoạt cao, công suất tác động nhỏ

- Rơ le có khả năng ghi nhớ, lưu trữ số liệu về tình trạng hoạt động và sự cố của đối tượng mà nó bảo vệ

- Rơle số có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy in, giúp cho quá trình vận hành, thao tác được tiện lợi và linh hoạt hơn

- Rơ le số có khả năng nói mạng phục vụ cho điều khiển , giám sát từ xa

- Kích thước, trọng lượng và không gian lắp đặt nhỏ

Nhược điểm :

- Yêu cầu người vận hành, sửa chữa có trình độ cao.

- Giá thành đầu tư cao, đòi hỏi phải có thiết bị bảo

PB0/T0/XCK 1 PB1/T1 2 PB2/AIN0/INT2 3

PB3/AIN1/OC0 4

PB4/SS 5 PB5/MOSI 6 PB6/MISO 7 PB7/SCK 8

RESET 9 XTAL2

12 XTAL113

PD0/RXD 14PD1/TXD 15PD2/INT0 16PD3/INT1 17PD4/OC1B 18PD5/OC1A 19PD6/ICP1 20PD7/OC2 21

PC0/SCL 22PC1/SDA 23PC2/TCK 24PC3/TMS 25PC4/TDO 26PC5/TDI 27PC6/TOSC1 28PC7/TOSC2 29PA7/ADC7

AREF 32AVCC 30U1

ATMEGA16

Q1 2N1711

RL1 D1

10A01

R1 10k

C1 100p

Chuyen doi USB - USART ket noi PC

CRYSTAL

16 MHz 22P

22P

C2

Pl2303HX

D2 10A01

RV1 1k

PC

Trong sơ đồ nguyên lý của rơ le kỹ thuật số mà đề tài thiết

kế có các khối cơ bản sau:

- Khối vi điều khiển;

- Khối trung gian gồm: máy biến dòng điện, bộ chỉnh lưu cầu 1 pha, tụ lọc;

- Khối rơ le trung gian đầu ra: gồm rơ le điện từ trung

gian, transistor khuyếch đại và các linh kiện đi kèm;

- Khối ghép nối rơ le với máy tính PC;

- Khối bàn phím: gồm bàn phím đơn và bàn phím 4x4;

- Khối hiển thị bằng LCD, LED, ma trận LED;

- Khối mạch dao động thạch anh;

- Khối nguồn

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.2 Lựa chọn bộ vi điều khiển

Với tính phổ biến và giá thành rẻ, đồng thời về đáp ứng được yêu cầu về chức năng đặt ra của rơ le thiết kế, đề tài lựa chọn vi điều khiển ATMEGA16 do hãng Atmel (Mỹ) sản xuất [4,5].

ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (một triệu lệnh/s/MHz), tốc độ làm việc 16MIPS với thạch anh 16MHz.

Ngoài ra ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào ra chung,

3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit, ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C,

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.3 Thiết kế mạch dao động thạch anh

Mach dao động thạch anh được chỉ ra ở hình 2 Trrong đó 2 chân

XTAL1, XTAL2 của vi điều khiển được nối với thạch anh 16 MHz và

2 tụ gốm C21, C22 có trị số 22pF và nối đất.

Hình 2.17 Mạch dao động thạch anh

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.5 Thiết kế khối nguồn

Hình 4 Mạch nguồn

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

Vì Atmega16 và các phần tử khác trong rơ le yêu cầu nguồn cung cấp là 5V có độ ổn định cao, nên bài báo lựa IC ổn áp 7805 Sơ đồ mạch nguồn như hình

4, trong đó 1N4007 là điod chỉnh lưu phụ, C16 là tụ phân cực (100 uF, 16V), C17 và C18 là các tụ gốm.

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.6 Thiết kế khối rơ le trung gian

Chọn rơ le trung gian HUIKE HK4100F – DC5V (3A-6 chân) có một tiếp điểm thường mở và một tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm có dòng định mức là 3A, điện áp định mức là 220V AC, 30 V DC Sử dụng transistor C1815 để kết nối giữa cuộn dây rơ le và vi điều khiển.

C13 104

1N4007

C14 104

RELAY

C1815 RL

Vcc

R25

1K

GND Hình 2.21 Mạch ghép nối rơ le

trung gian với vi điều khiển

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.7 Thiết kế mạch phím đơn

Mạch phím đơn có nhiệm vụ thay đổi điện áp đặt, thay đổi thời gian đặt cho rơ le Sơ đồ nguyên lý mạch phím đơn được chỉ ra ở hình 6 Trong đó GND – là nối đất; BT1, BT2, BT3, BT4 là các đầu nối với cổng PB.0, PB.1, PB.2, PB.3 của vi điều khiển

GND

BT1 BT2 BT1 BT1

Phím 1 Phím 2 Phím 3 Phím 4

Hình 2.22 Mạch phím đơn

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.2.8 Lựa chọn và thiết kế khối hiển thị LCD

Hình 2.23 Mạch hiển thị LCD 1602

THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.9 Lựa chọn mạch nạp chương trình, đồng thời cũng là mạch ghép nối giữa máy tính và rơ le

Để ghép nối với máy tính nhằm nạp mã chương trình cho rơ

le, bài báo lựa chọn mạch nạp (MN) USB ISP của Công ty

Cổ phần Công nghệ và sản xuất Minh Hà Sơ đồ chân kết

nối MN và vi điều khiển (VĐK) được chỉ ra ở hình 8 Trong hình 8: chân 1 của MN nối với chân MOSI củaVĐK; chân

5 của MN nối với chân RST của VĐK; chân số 7 của MN nối với chân SCK vủa VĐK; chân số 9 của MN nối với chân MISO của VĐK; chân số 3 của MN không sử dụng; chân số

2 của MN nối với dương nguồn (5V); các chân số 4, 6,8,10 của MN nối với chân nối đất của nguồn (0V)

Hình 8 Sơ đồ chân kết nối mạch nạp và vi điều khiển

2.10 Thiết kế khối tiền xử lý

Chức năng của khối này là biến đổi giá trị dòng điện cần bảo vệ thành tín hiệu áp thay đổi trong phạm vi từ 0V đến giá trị cực đại là 5 V đưa vào chân ADC0 của vi điều khiển Theo thuyết minh rơ le phải bảo vệ được quá dòng trong phạm vi dưới 10A Tuy nhiên để rơ le có thể bảo vệ được với các sự cố ngắn mạch, khi đó dòng quá độ tăng cao, đề tài thiết kế khối tiền xử lý có khả năng chịu được dòng tới 20A

Ngoài ra, một yêu cầu quan trọng của khối tiến xử lý

là tín hiệu điện áp đưa vào vi điều khiển phải tỉ lệ tuyến tính với dòng điện cần bảo vệ và phải được lọc bằng phẳng Để thực hiện các yêu cầu trên có thể sử dụng cảm biến dòng hiệu ứng Hall Tuy nhiên loại cảm biến này không có sẵn ở thị trường Việt Nam và giá thành khá cao (kể cả vận chuyển) Với chi phí hạn chế của đề tài, đề tài lựa chọn thiết bị biến dòng điện

có sẵn trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên đây là phần

tử phi tuyến, để khắc phục tính phi tuyến của biến dòng điện, đề tài sử dụng phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn như hình 2.10.

10 giá trị dòng điện cần bảo vệ 1, 2, …, 10

A Mỗi đoạn được coi gần đúng là đường thẳng

Nối tới ADC0 của vi điều khiển

Tụ lọc

BI Chỉnh lưu cầu

CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Để viết chương trình phần mềm cho rơ le, bài báo sử dụng trình biên dịch trên cơ sở

sử dụng ngôn ngữ lập trình C, CodeVisionAVR, là môi trường phát triển tích hợp và bộ tạo chương trình tự động được thiết kế cho họ các vi điều khiển AVR của Atmel [6] Bên cạnh đó, tác giả viết thêm các module chương trình đặc thù căn

cứ vào chức năng của rơ le.

Bắt đầu

Khởi tạo các cổng

Tạo thời gian trễ Sai

3.1 Lưu đồ thuật toán

Lưu đồ thuật toán của rơ le được chỉ ra ở hình 11

Trong đó: Iđ là trị hiệu dụng điện áp đặt; tđ – là thời gian đặt;

If – là điện áp lưới; TLTTBĐRL – là khối thiết lập trạng thái ban đầu cho rơ le

Khởi tạo ADC, LCD

Hoạt động của lưu đồ thuật toán như sau:

Khi cấp nguồn cho rơ le, phần mềm trong rơ le sẽ khởi tạo các cổng vào/ra cho VĐK, cụ thể các cổng của khối ADC (PORTA) của VĐK là cổng vào, các cổng nối với bàn phím (PORTB.0 đến PORTB.3 là cổng vào, các cổng nối với màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD là các cổng ra (các cổng PORTC.3, PORTC.4, PORTC.5, PORTB.4, PORTB.5, PORTB.6, PORTB.7) Tiếp theo phền mềm khởi tao khối chuyển đổi tương tự số để kích hoạt khối ADC trong vi điều khiển hoạt động nhằm đọc dòng điện pha tương tự lấy từ đầu ra của máy biến dòng điện cách ly

Đồng thời với khởi tạo ADC, phần mềm cũng thực hiện khởi tạo khối hiển thị màn hình tinh thể lỏng LCD, mục đích là kích hoạt thiết bị LCD sẵn sàng làm việc, hiển thị các tham số của rơ le như dòng điện đặt, dòng điện pha bảo vệ, thời gian đặt Tiếp theo, phần mềm cho phép người sử dụng chọn, thay đổi dòng điện đặt Iđ , thời gian đặt tđ , thông qua bàn phím , đồng thời đặt rơ le ở trạng thái ban đầu (chưa tác động)

Hoạt động của lưu đồ thuật toán như sau:

trễ thời gian, thời gian trễ này càng nhỏ nếu dòng điện bảo vệ càng lớn

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Vì nội dung đề tài là xây dựng đặc tính bảo vệ độc lập, nên thời gian trễ được giữ là hàng số ứng với mỗi khoảng dòng điện xác định, các khoảng dòng điện khác nhau có thời gian trễ khác nhau Ngược lại, nếu If<Iđ thì rơ le tiếp tục đọc If, tiếp tục hiển thị các tham số rơ le và lại so sánh với dòng điện đặt Quá trình này được thực hiện trong vòng lặp vô hạn.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Đánh giá lưu đồ thuật toán trong hình 3.1: lưu đồ

thuật toán đã thực hiện được các chức năng cơ bản của một rơ le số đơn chức năng là bảo vệ quá áp với đặc tính thời gian độc lập theo tiêu chuẩn châu

Âu, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế sau: chưa lưu giữ được thông tin sự cố và chưa thực hiện được việc truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trung tâm Đây cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của các tác giả.

3.2 Viết chương trình sử dụng công cụ tạo chương trình

Thông qua phần trợ giúp viết chương trình tự động của

CodeVision Avr, chọn vi điều khiển Atmega16, chọn tần số xung nhịp là 16 MHz và chọn loại loại chương trình là

chương trình ứng dụng

3.2.3 Thiết lập cổng vào/ra

Các cổng vào là các cổng nối với bàn phím, nối với khối xử

lý trung gian để nhận tín hiệu dòng điện pha đưa vào vi điều khiển, các cổng ra là các cổng nối với mạch hiển thị Các cổng vào thì chọn là IN, các cổng ra thì chọn là OUT Các thao tác này được thực hiện thông qua phần trợ giúp viết chương trình tự động của CodeVision Avr

3.2.4 Khởi tạo khối chuyển tương tự- số ADC

Để chuyển tín hiệu dòng điện pha bảo vệ tương tự thành tín hiệu số, ta phải sử dụng khối ADC trong vi điều khiển

Để kích hoạt khối ADC trong vi điều khiển hoạt động, ta phải thực hiện khởi tạo ADC sử dụng phần trợ giúp viết chương trình tự động của CodeVision Avr

3.2.5 Khở tạo màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD

Để sử dụng được các thủ tục hiển thị số, ký tự trên LCD có trong thư viện của CodeVisionAVR, ta phải thực hiện khởi tạo LCD sử dụng phần trợ giúp viết chương trình tự động của CodeVision Avr

Ở bước này, ta phải khai báo việc nối các chân điều khiển

và dữ liệu của LCD với vi điều khiển cũng như loại LCD

mà ta đã sử dụng trong rơ le

3.2.6 Tạo code chương trình

Phần mềm CodeVisionAVR sẽ tự động tạo code chương trình cho những phần đã khởi tạo ở trên thông qua thực

hiện việc chọn Program/Generate,Save and Exit nhờ

phần trợ giúp viết chương trình tự động của CodeVision Avr

3.3 Các module chương trình chức năng đặc thù

3.3.1 Module hiển thị hệ cơ số 10 trên LCD

Chức năng của module này là hiển thị giá trị dòng điện cần bảo vệ đọc được nhờ khối ADC trong bộ vi điều khiển và các giá trị dòng điện đặt, thời gian đặt (thiết lập qua bàn phím) ở dạng hệ cơ số 10 ở trên LCD

void lcd_putnum(signed int so){

unsigned char a,b,c,d;

3.3.2 Module chống rung bàn phím

Bàn phím của chúng ta là bàn phím cơ học, bề mặt tiếp xúc của cơ cấu bên trong phím không phải là phẳng lí tưởng, do vậy, mỗi khi bấm phím hay nhả phím, xung vào vi điều khiển

sẽ không phải là 1 xung thẳng đứng, mà là rất nhiều xung kim

Vì thời gian quét của vi điều khiển rất nhanh, nên tất cả các giá trị tại thời điểm rung đó đều được ghi lại Chúng ta phải tìm cách sao cho vi điều khiển không lấy giá trị tại thời điểm rung Có 2 phương pháp chống rung là chống rung bằng phần cứng và chống rung bằng phần mềm Ở đây bài báo sử dụng chống dung bằng phần mềm

Mỗi khi phát hiện có tín hiệu bấm phím, chúng ta cho vi điều khiển không đọc liên tục giá trị của phím nữa bằng cách cho delay một khoảng thời gian, khoảng trên 10ms, sau khoảng thời gian đó, chúng ta lại đọc phím như bình thường

Ví dụ code như sau :

If (phát hiện bấm phím){

Delay_ms(10);

Tiêp tục làm các công viec khác

3.3.3 Module thay đổi dòng điện đặt

Đoạn code dưới đây sẽ cho phép tăng dòng điện đặt với bước thay đổi là 0,2A (tương ứng với 10 đơn vị của biến dongd)