Разработка микропроцессорного устройства контроля сетевого напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема магистерской диссертации

«Разработка микропроцессорного устройства контроля сетевого напряжения»

Введение

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электрооборудования позволяет легко и экономически выгодно приводить в движение разнообразные рабочие механизмы: конвейеры, оборудование на железнодорожном автоматика телемеханика, насосы, защита бытовой техника и любой электроаппаратуры от «скачков» и резких отклонений сетевого напряжения. Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости электрооборудования короткозамкнутым устройствами является наиболее распространенным защита бытовой техника и любой электроаппаратуры от «скачков» и резких отклонений сетевого напряжения. Свыше 85% всех электрических оборудование - это бытовой техника и любой электроаппаратуры. По статистике сейчас в общественном производстве России находится не менее 50 млн. единиц однофазных автомат защиты от перепадов сетевого напряжения 220В. Электрооборудования обычно рассчитаны на определенный срок службы, при условии их правильной эксплуатации. Под правильной эксплуатацией понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электроаппаратура. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это, в первую очередь, плохое качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы электрооборудования. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электрооборудования например, 60% скважных устройства, ломаются чаще одного раза в году. Выход из строя электрооборудования приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электроаппаратура. Ремонт электрической устройства мощностью до 1кВт обходится в 5-6$ США. Чтобы оценить, во что обойдется ремонт более мощной машины, надо просто умножить эту цифру на мощность электрооборудования. Помимо этого, работа на аварийных режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности. Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы электрооборудования, сократит расход электроэнергии и эксплуатационные расходы. Но, для того, чтобы выбрать эту защиту необходимо знать, как и от чего необходимо защищать электрооборудования систем железнодорожной автоматики и телемеханики, а также специфику процессов протекающих в них в случае аварий.

ГЛАВА I. Постановка задачи

1.1 Аналитический обзор

Все потребители электроэнергии сталкиваются с проблемами аварий в электросети. Сгоревшее оборудование или электроприборы - это только малая часть проблем, которые могут появиться вследствие этих аварий: пожары, взрывы, техногенные катастрофы, - далеко не полный перечень трагических последствий. По данным МЧС, более трети всех пожаров имеют электротехническое происхождение. Трудно оценить материальный ущерб, даже если не произошло трагедии. Стоимость сгоревшего оборудования порой ничтожно мала по сравнению с потерями, связанными с остановкой производства, простоем технологических процессов, демонтажам - монтажом, ремонтом или заменой вышедшей из строя установки на ж.д. транспорте. Электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения и требования селективности. Кроме того, должны быть защищены от перегрузки осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети, для бытовых и переносных электроприемников, а также в пожароопасных зонах; силовые сети на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях - только в случаях, когда по условиям технологического процесса или по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников. В понятие «защита электрооборудования», вкладывается смысл защиты последнего от токов короткого замыкания и перегруза, которые могут появиться в электрических сетях. Это связано с тем, что при возникновении короткого замыкания в сети протекают токи, намного превышающие допустимые и приводящие к серьезным повреждениям. Коротких замыканий (КЗ) очень много и всех их предвидеть и предусмотреть невозможно. Однако, если проанализировать причины появления КЗ в электрооборудовании, можно сказать, что большинство их - следствие некачественного сетевого напряжения. Например, для асинхронных электродвигателей более 80% внутренних повреждений, связаны напрямую или косвенно, с некачественным сетевым напряжением. Под некачественным напряжением будем понимать отклонения его параметров, от строго установленных ГОСТами.

Пики или действующие значения. Сетевого напряжения из теории электротехники известно, что самое правильное срабатывать по действующему значению напряжения. Однако если бы напряжение было строго синусоидальным, то действующее значение определяется как максимум, деленный на корень из 2. Но на практике форма сетевого напряжения отличается от синусоида. (Кстати, еще одно отклонение от ГОСТ). Действующее значение периодической функции можно определить только с помощью применения сложного математического расчета. Работа по пикам только в некоторых случаях может оказаться достоверной - когда этот пик достаточно продолжительный.

Временя срабатывания. Оно должно быть, с одной стороны, как можно меньше, с другой - есть виды отклонений по напряжению, возникающие достаточно часто, но действующие кратковременно и не оказывающие ощутимого вредного воздействия. Кратковременные посадки напряжения, связанны с пуском электродвигателей и включением нагрузки.

В эпоху рыночной экономики, нет недостатка в предложении схем реализации устройств защиты от перечисленных неопрятностей, основанные на использовании реле. Перед разработчиком неизбежно встает вопрос, по каким параметрам следует выбирать реле. С одной стороны оно должно стать надежным заслоном на пути недоброкачественной энергии от электросети к нагрузке, с другой стороны быть и недорогим.

Защитные устройства должны быть цифровыми, т. к. реализовать сложную логику действий, точность и надежность, возможно лишь на базе микропроцессорной техники.

Принятие решений о выходе за контролируемые параметры должно осуществляться по действующему или близкому к нему среднему за период значению напряжения. Работа по пиковым значениям напряжения приводит к ложным срабатываниям.

Схема питания устройства должна быть организована от самого измеряемого напряжения, Наличие простой и логичной индикации, степень защищенности и климатических условий, это весь перечень основных параметров, по которым можно произвести сравнительный анализ устройства, контроля напряжения.

Многие разработчики производят контроль по пиковым значениям напряжения, что сужает возможность использования их продукции в энергонасыщенных производствах, где электрические сети изобилуют «лишними» гармониками, коммутационными возмущениями, длительными переходными процессами, мощными электромагнитными помехами. Нет отдельной регулировки времени, как правило, задержка на срабатывание, является задержкой на включение, что сужает возможность их использования для управления электрооборудованием с длительными переходными процессами, например, компрессорным и холодильным оборудованием.

Растущее энергопотребление предприятий, энергонасыщенность бытового потребителя приводят к увеличению числа сетевых аварий, в том числе и на железнодорожном транспорте. Остро назрела необходимость привести правила технической эксплуатации к нормам международного права в данной области. Эти правила должны не только регламентировать необходимость, место и способы защиты, но и ввести общие требования к приборам, защищающим от аварий сетевого напряжения. В замен аналоговым приборам приходят на смену цифровые - микропроцессорные. Сегодня стало возможно на базе микропроцессоров создавать приборы практически с логикой любой сложности. О преимуществах цифровой технологии, в том числе, применительно к защитным устройствам, сказано много и ни у кого не вызывает сомнений в явных преимуществах техники нового поколения перед аналоговыми приборами. По-настоящему цифровые микропроцессорные устройства с широким набором защитных функций и сложной логикой действия для широкого потребления, т.е. низкие по цене, создать весьма затруднительно.

Рынок на сегодняшний день предлагает большой выбор стабилизаторов напряжения. Потребитель имеет возможность приобрести его не только в зависимости от необходимых технических параметров, а также в зависимости от качества и цены изделия.

Устройство АСН-300 предназначено для защиты бытовых электроприборов мощностью 300Вт (пусковой мощностью до 900Вт) от перепадов напряжения в сети 220В, 50Гц. Обеспечивает автоматический контроль, регулировку напряжения сети, а также защиту от высоковольтных импульсов.

АСН-300 имеет цифровой измеритель напряжения сети питания, индикатор уровня входного напряжения, выходного напряжения и мощности потребления подключенного прибора. Устройство оснащено тепловой защитой и защитой от перегрузки.

Стабилизатор напряжения АСН-300 - это однофазный релейный стабилизатор матричного типа, в котором стабилизация напряжения осуществляется переключением обмоток трансформатора силовыми реле.

В матричном типе отсутствует ситуация одновременного включения нескольких обмоток трансформатора, не требуется задержка на время срабатывания реле, количество реле меньше при большем количестве комбинаций - это разрешает повысить не только быстродействие стабилизатора, а также делает его ещё более надежным.

Особенности, которыми обладает модель АСН-300 в сравнении с аналогами:

Индикация выходной мощности, входного и выходного напряжения.

Быстрая реакция - работает как обтекатель.

Синусоидальное выходное напряжение.

Стабилизатор оборудован системой самодиагностики, которая дополнительно контролирует параметры выходного напряжения.

Рабочий диапазон входного напряжения (Uвх) -- 130...280В

Номинальное значения выходного напряжения при Uвх=160...280В-220±14В

Мощность нагрузки АСН-300 - 300Вт

Максимальная кратковременная мощность перегрузки (до 2с) -- 900Вт

Форма выходного напряжения -- синусоидальная

Время отключения нагрузки при Uвх>280В, не более -- 0,04с

Время отключения при высоковольтном импульсе в сети, не более -- 0,01с

Время срабатывания защиты при нагрузке >300Вт -- 2с

Время включения после аварии в сети (задается пользователем) -- 0-999с

Температура срабатывания тепловой защиты -- 90?С

Ошибка индикации входного и выходного напряжения АСН-300 -- ±1В

Способ коммутации обмоток трансформатора стабилизатора -- релейный

В начале 2009 года компания «ЛВТ» разработала новую модель автоматического стабилизатора напряжения АСН-600 на базе PIC контроллера американской фирмы Microchip Technology Inc. Стабилизатор предназначен для бытовых холодильников, систем управления автономным отоплением (газовые котлы), а также другой электронной аппаратуры с асинхронными электродвигателями общей мощностью потребления до 600Вт. Модель в первую очередь отличается улучшенным интерфейсом пользователя и упрощенной системой управления настройками стабилизатора. Новая модель имеет цифровой измеритель мощности потребления подключенного бытового прибора, выходного и входного напряжения. А также прибор оборудован тепловой защитой и защитой от перегрузок.

Стабилизатор напряжения АСН-600 (Автоматический регулятор напряжения) предназначенный для работы с бытовыми электроприборами с мощностью потребления до 600Вт в сети 220В, 50Гц, обеспечивает автоматический контроль и регулирование напряжения сети, а также защиту от сниженного и повышенного напряжения и высоковольтных импульсов. АСН-600 предназначен в первую очередь для защиты бытовых холодильников, одно компрессорных и двух компрессорных морозильных камер, систем управления автономного отопления и другой электроаппаратуры с асинхронными электродвигателями общей мощностью потребления до 600Вт (пусковой до 1800ВА).

АСН-600 имеет цифровой измеритель и индикатор напряжения сети питания, исходного напряжения и мощности потребляемой нагрузкой.

Устройство оборудовано защитой от перегрузки, тепловой защитой.

При понижении напряжения в электрической сети ухудшаются условия работы пусковой обмотки электродвигателя компрессора холодильника. При этом пуск двигателя затягивается, пусковая обмотка нагревается, преждевременно стареет и со временем может перегореть. Именно по этой причине происходит 70% отказов компрессорных холодильников.

Для лучшей защиты холодильников при аварийных ситуациях в сети рекомендуется выбирать время повторного включения 200сек.

Особенности модели:

На базе РІС контролера американской компании Microchip Technology Inc.

Предусмотрена возможность установки времени восстановления после срабатывания одной из защит: 5 или 200сек. Для лучшей защиты холодильников при аварийных ситуациях в сети рекомендуется выбирать этот параметр равным 200сек.

Стабилизатор напряжения ЛВТ АСН-600, Технические характеристики

Рабочий диапазон входного напряжения (Uвх) -- 145...280В

Номинальное значение выходного напряжения при Uвх 160-280В--220±14В

Форма выходного напряжения -- синусоидальная

Время отключения нагрузки при превышении напряжения сети более 280В,не больше 0,04с

Время отключения при высоковольтном импульсе в сети, не больше 0,01с

Время срабатывания устройства защиты при перегрузке до 1800Вт -- 2,5с

Время включения после аварии в сети (задается пользователем) 5 или 200с

Температура срабатывания тепловой защиты -- 105?С

Погрешность индикации входного и выходного напряжений -- ±1%

Максимальная постоянная мощность нагрузки -- 600Вт

Максимальная кратковременная мощность перегрузки (до 2,5с) -- 1800Вт

АСН имеют цифровой индикатор входного напряжения сети, выходного напряжения и мощности потребления подключенного прибора.

Устройство оснащено 5 видами защиты: тепловой защитой, защитой от перегрузки, от перепадов напряжения, от высоковольтных импульсов и от короткого замыкания.

Электронная защита от превышения мощности. Защита срабатывает за 2сек, если нагрузка будет от 600Вт до 1800Вт и за 0,1сек. если больше 1800Вт. Такой тип защиты предохраняет стабилизатор от перегрузок и дальнейшего выхода из строя.

Защита от высоковольтных импульсов. Высоковольтный импульс -- сильное кратковременное увеличение напряжения в сети (до 0,01сек.), что может быть связано с грозовым разрядом, пуском двигателя на токарном станке, сварочными работами, включением подстанции после аварийного отключения и др. Высоковольтные импульсы могут вывести электронику бытовых приборов из строя. Чтобы этого не произошло, стабилизатор отфильтровывает их и превращает в тепло.

Защита от длительных превышений и скачков напряжения. Скачек напряжения - кратковременное увеличение напряжения в сети (больше 0,01сек.), что может быть связано с резким уменьшением нагрузки, например, после того, как отключится мощный электрический обогреватель, чайник, остановился лифт в подъезде. Если напряжение превысит 280В, микропроцессорная система отключит потребителя от сети на время, пока входное напряжение не уменьшится до рабочей величины 145-280В. Например, входное напряжение понизилось с 290 до 270В, после окончания времени задержки стабилизатор подаст на выход напряжение 220В±7%.

Защита от короткого замыкания. Вследствие короткого замыкания в бытовом приборе, срабатывает программная защита по мощности и сгорит предохранитель в стабилизаторе. Таким образом, достигается общая безопасность эксплуатации сети.

1.2 Анализ влияния напряжения питания на работу микроэлектронных устройств

Показатели качества электроэнергии. Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определенной электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные кондуктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств. Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Требования к качеству электрической энергии на территории РУз. определяет Межгосударственный стандарт: "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" ГОСТ 13109-97. К основным показателям качества электрической энергии относятся:

· отклонения напряжения, связанные с графиком работы нагрузки;

· колебания напряжения при резко переменном характере нагрузки;

· не симметрия напряжений в трехфазной системе при несимметричном распределении нагрузки по фазам;

· не синусоидальность формы кривой напряжения при нелинейной нагрузке;

· отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения; провалы напряжения - внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения;

· временные перенапряжения - внезапное и значительное повышение напряжения (более 110% Uном) длительностью более 10 миллисекунд;

· импульсные перенапряжения - резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд, достигающие тысяч вольт.

Причин, вызывающих, ухудшение КЭ множество. Назовем лишь некоторые: аварии на подающей подстанции, КЗ в распределительной сети, грозовые и коммутационные возмущения, неравномерность распределения нагрузки по фазам, резкие сбросы электроэнергии, срабатывание средств защиты и автоматики, электромагнитные и сетевые возмущения, связанные с работой мощной нагрузки, пр. ГОСТ устанавливает два вида норм для ПКЭ: нормально-допустимые и предельно-допустимые. Рассмотрим, на примере отклонения напряжения от номинальных значений, чем грозит электрооборудованию выход за допустимые значения (см. табл. №1) ГОСТ устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно Uyнор=±5% и Uyпред=±10% номинального напряжения сети.

Очевидно, что работа электрооборудования даже на пределах допустимых значений, не только значительно сокращает срок его службы и снижает эффективности работы, но зачастую приводит к выходу его из строя. В конечном итоге, все сводится к пробою изоляции - по причине ее ускоренного старения, связанного с нагревом, вызванным пониженным напряжением, нарушением симметричности и полнофазности пробою, связанным с резким и значительным повышением напряжения, прочее.

Таблица № 1. Анализ влияние отклонения напряжения на электрооборудование

Электрооборудования	Снижение на 10% от Uн	Превышение на 10% от Uн
электрооборудования Момент электрооборудования изменяется пропорционально квадрату напряжения	Момент электрооборудования снижается на 19%. Температура повышается на 70С. Увеличивается время пуска. Скольжение повышается на 27,5%, ток механизма - на 14%, ток устройства 10%.	Увеличенный момент электрооборудования, служит причиной перегрузки валов, ременных передач, увеличивается пусковой удар. Пусковой ток повышается на 12%, работы момент на 21%, коэффициент мощности снижается на 5%.
Осветительные приборы (лампы накаливания, люминесцентные, инфракрасные, ртутные, газонаполненные, балластные сопротивления, стартеры, конденсаторы) Срок службы ламп накаливания изменяется пропорционально напряжению в степени 13,1, светоотдача - 3,4, светоотдача на 1кВт-час - в степени 1,8	Для нормального освещения потребуется на 30% больше ламп накаливания, на 15% - люминесцентных. Световой поток снижается на 10%.	Срок службы ламп накаливания снижается в 2,5 раза. Возрастает температура балластных сопротивлений, инфракрасные источники света увеличивают выделение тепла на 21%.
Электронная аппаратура Срок службы электронных компонентов сокращается в 4 раза. Возникают ошибки цифровой техники. Выходит из строя программное обеспечение.	Тиратроны выходят из строя в течение нескольких минут	Сгорают сетевые фильтры, блоки питания, адаптеры

В настоящее время при построении микропроцессорных систем широко используются специализированные ИС - супервизоры. Супервизоры предназначены для выполнения функций генерации сигнала сброса при включении питания, при понижении питания и во время выбросов и провалов напряжения сети, защиты ОЗУ от записи недостоверных данных, выдачи предупреждения о возможной аварии питания, переключения на питание от резервной батареи, сторожевого таймера. Эти функции жизненно необходимы микропроцессорным системам, т. к. гарантируют устойчивость от отказов, связанных со сбоями по цепям питания. Некоторые из этих функций реализованы в МК, но эти МК не всегда могут диагностировать свои собственные сбои. Чтобы система была эффективной и надежной, схема монитора питания должна находиться во внешней ИС супервизора.

Рассмотрим функции, выполняемые супервизором, более детально.

Приведенные выше схемы формирования сигнала сброса при подаче напряжения питания просты, однако не всегда надежно выполняют свои функции. Если напряжение питания системы нарастает относительно медленно, то простая RC-цепь не сможет сформировать сигнал сброса с необходимой малой длительностью фронтов. Схема формирования сигнала сброса супервизора включает в себя источник опорного напряжения, компаратор, таймер и буферный элемент, формирующий сигнала сброса.

При подключении системы к питанию схема начинает «отсчет» интервала задержки выдачи сигнала сброса только тогда, когда напряжение питания достигает своего минимально-допустимого уровня, что гарантирует надежный запуск микропроцессорной системы. Обычно супервизоры способны формировать импульс сброса как высокого, так и низкого уровней.

МП (МК) должен функционировать до тех пор, пока напряжение питания остается в допустимых для него пределах. Для гарантии надежной работы система должна контролировать напряжение питания на предмет его понижения. Понижения напряжения питания редко обладают разрушительными аппаратными последствиями, но они могут вызывать непредсказуемые действия МП (МК), ведущие к сбою программы. После восстановления напряжения питания программа также будет выполняться некорректно, т. е. нормальное функционирование системы не восстановится. Следовательно, МП (МК) должен быть перезапущен сигналом сброса от внешнего устройства - супервизора.

При снижении питания и непредсказуемых действиях МП (МК) в ОЗУ системы может быть записана посторонняя информация - «мусор». Это вызывает потерю данных, которые не могут быть восстановлены последующим сбросом. Чтобы предотвратить эти потери, супервизор имеет возможность подавить сигнал разрешения работы памяти во время провалов или выбросов напряжения питания.

ИС ОЗУ обычно питаются от того же самого источника питания, что и МП (МК). Если требуется хранить большой объем данных после отключения питания, а использование Flash-памяти невозможно, то в системе предусматривают резервный источник питания ИС ОЗУ. В момент выключения микропроцессорной системы ОЗУ подключается к резервной батарее и сохраняет свое содержимое, потребляя от нее очень малый (до нескольких мкА) ток. Схема, которая переключает ОЗУ с главного питания на резервное, должна постоянно находиться в активном состоянии, чтобы выполнить обратное переключение. Поэтому супервизор также подключается к резервной батарее при выключении основного источника питания.

Надежная защита может потребовать большего, чем обнаружение пониженного напряжения и генерация сигнала сброса, т. к. при организованном выключении могут потребоваться другие действия до генерации сигнала сброса. Например, МП (МК) может потребоваться перед отключением или перезапуском сохранить содержимое какого-нибудь регистра в энергонезависимой памяти. Выполнение таких действий возможно, если перед стабилизатором источника питания находятся конденсаторы большой емкости. Напряжение на конденсаторах на несколько вольт больше напряжения питания системы, поэтому после отключения входного напряжения система может некоторое время работать за счет запасенной в них энергии. Контролируя напряжение на конденсаторах, можно получить сигнал раннего предупреждения о пропадании питания. Этот сигнал обычно подается на вход немаскируемого прерывания, что позволяет МП (МК) программно подготовиться к отключению.

Сторожевой таймер, реализованный в супервизоре, несколько отличается от подобных устройств, встроенных в МК. Если в МК для предотвращения срабатывания сторожевого таймера требуется периодически заносить информацию в специальный регистр, то супервизор должен периодически принимать от МП (МК) сигнал подтверждения нормальной работы.

ВЫВОДЫ

При повышении питания возможно аппаратное разрушение микросхем.

При снижении питания и непредсказуемых действиях МП (МК) в ОЗУ системы может быть записана посторонняя информация - «мусор».

Это вызывает потерю данных, которые не могут быть восстановлены последующим сбросом. Понижения напряжения питания редко обладают разрушительными аппаратными последствиями, но они могут вызывать непредсказуемые действия микропроцессоров, ведущие к сбою программы. После восстановления напряжения питания программа также будет выполняться некорректно, т. е. нормальное функционирование системы не восстановится. Следовательно, микропроцессор должен быть перезапущен сигналом сброса от внешнего устройства, либо защищен внешними аппаратными устройствами от перепадов напряжения.

Растущее энергопотребление предприятий, энергонасыщенность бытового потребителя приводят к увеличению числа сетевых аварий, в том числе и на железнодорожном транспорте.

Актуальным стала задача создания защитных устройств, устанавливаемых непосредственно у потребителя, с набором функций, обеспечивающих полноценную и достоверную защиту.

Требования к качеству электрической энергии на территории РУз. определяет Межгосударственный стандарт: "Электрическая энергия.

Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". К основным показателям качества электрической энергии относятся:

· отклонения напряжения, связанные с графиком работы нагрузки;

· колебания напряжения при резко переменном характере нагрузки;

· не симметрия напряжений в трехфазной системе при несимметричном распределении нагрузки по фазам;

· не синусоидальность формы кривой напряжения при нелинейной нагрузке;

· отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения; провалы напряжения - внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения;

· временные перенапряжения - внезапное и значительное повышение напряжения (более 110% Uном) длительностью более 10 миллисекунд;

· импульсные перенапряжения - резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд, достигающие тысяч вольт.

Причин, вызывающих, ухудшение КЭ множество. Назовем лишь некоторые: аварии на подающей подстанции, КЗ в распределительной сети, грозовые и коммутационные возмущения, неравномерность распределения нагрузки по фазам, резкие сбросы электроэнергии, срабатывание средств защиты и автоматики, электромагнитные и сетевые возмущения, связанные с работой мощной нагрузки, пр. ГОСТ устанавливает два вида норм для ПКЭ: нормально-допустимые и предельно-допустимые.

микроконтроллер контроль напряжение схема

ГЛАВА II. Принцип действия и характеристика устройств контроля напряжения

2.1 Общие сведения

Предлагаемый автомат защиты от перепадов сетевого напряжения выключает нагрузку при помощи реле, если напряжение в сети будет выходить за пределы установленного значения, и включает ее после пропадания аварийной ситуации. Диапазон устанавливаемых значений по минимуму - 170...215В, по максимуму - 220...280В. Погрешность срабатывания защиты 1В и зависит от стабильности напряжения питания микроконтроллера. Автомат можно устанавливать как для защиты одного прибора, так и для защиты электрооборудования системы железнодорожной автоматики и телемеханики.

Предлагаемый прибор предназначен для защиты электрооборудования от перепадов сетевого напряжения. Эта защита от повышенного напряжения в сети. Если учесть, что суточное изменение напряжения сети от 200 до 240В является обычным, то становится понятна, необходимость прибора для защиты электрооборудования от перепадов сетевого напряжения.

Актуальность данной темы можно также проследить по большому числу публикаций.

Предлагаемая защита основана на прямом измерении амплитудного значения сетевого напряжения в течение положительного полупериода с выводом измеренного значения на индикатор. Основой устройства является микроконтроллер Р1С16Р873, имеющий встроенный десятиразрядный АЦП. Использование микроконтроллера и индикатора позволило сделать автомат с установкой порогов срабатывания по минимальному и максимальному напряжению в широких пределах.

Потребляемый прибором ток (без учета тока через обмотку реле) с включенной индикацией -- 30мА, с выключенной индикацией -- 6мА, что составляет 6,6ВА, а с выключенной индикацией 1,32ВА.

Устройство управляется тремя кнопками. Кнопкой «Разряд» выбирают разряд установки. Индикация выбранного разряда осуществляется перемещением запятой по индикатору. Кнопкой «Установка» увеличивают значение цифровых разрядов (0--2) на единицу, а в разряде режима индикации (3) выбирают необходимый режим. Кнопка «Индикация» необходима для включения-выключения индикации.

2.2 Построение функциональной схемы устройства

Для решения задачи по защите устройств от некачественного питания, а именно перенапряжения или снижения ниже допустимого, предлагается устройство с использованием аналогового цифрового преобразователя на основе микроконтроллера типа PIC16F873. Для питания устройств автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте используется электросеть с несколькими фидерами питания. С целью обеспечения контроля качества входного напряжения предлагается микропроцессорное устройство для контроля сетевого напряжения, которое выполняет функции автомата защиты от перепадов сетевого напряжения, выключает нагрузку при помощи реле, если напряжение в сети будет выходить за пределы установленного значения, и включает ее после пропадания аварийной ситуации. Диапазон устанавливаемых значений по минимуму -- 170...215В, по максимуму -- 220...280В. Погрешность срабатывания защиты 1 В и зависит от стабильности напряжения питания микроконтроллера. Автомат можно устанавливать как для защиты одного прибора, так и для защиты нескольких устройствам СЦБ. Для синтеза микропроцессорного устройства контроля сетевого напряжения, необходима разработать функциональную схему. Функциональная схема рис.2.1 устройства содержит следующие элементы: 1). Входной блок (ВхБ), обеспечивающий подключение устройства к сети местного питания; 2) Блок питания (БП) с встроенным трансформатором, подключаемым к соответствующим фазам сети, к выходу трансформатора подсоединен выпрямитель. 3) Измеряющее устройства (ИУ), выполнено на основе микроконтроллера; 4) ГТЧ генератор тактовых частота кварцевого резонатора настроенный на частоту 4,096МГц 5) Коммутирующие устройства (КУ), которое отключает потребителя от сети; 6) Блок индикатор; 7) Семисегментный (СИ), предназначенный для, вывода показаний текущего значения сетевого напряжения; 8) Нагрузка (Н); Отрицательное влияние на электрооборудование.

Рис.2.1 Функциональная схема устройства

2.3 Разработка алгоритма работы устройства

В работе программы микроконтроллера используются три подпрограммы «Прерывания». Прерывания по переполнению таймера 0 необходимы для отсчета интервалов времени 5мс. Это время, равное четверти периода частоты сетевого напряжения, необходимо для привязки включения модуля АЦП на вершине синусоиды. Прерывание по изменению сигнала на входе КВ0 синхронизирует генератор 5мс с частотой сети. Прерывания по переполнению таймера 1 отрабатывают интервалы времени повторного включения автомата для измерения напряжения в режиме ожидания.

Если сетевое напряжение превышает установленное значение, то автомат выключает реле, индикацию и переходит в режим ожидания.

Повторное измерение напряжения будет выполнено через 2мин. Если величина напряжения не пришла в норму, то следующее измерение будет через 10мин. Последний интервал времени можно устанавливать программно до 8,5ч.

После пуска и инициализации микроконтроллера включается счетчик прерываний, построенный на последовательном включении предварительного делителя с К=4 и таймера ТМК0 с К=256. При использовании кварцевого резонатора на частоту 4,096МГц прерывания по переполнению таймера будут происходить через 1мс. После прерывания инкрементируются счетчики 5мс; 0,5с; 1с. После переполнения счетчиков устанавливаются.

Алгоритм работы программы автомата защиты от перепадов сетевого напряжения показан на рис.2.2--2.5

После пуска и инициализации микроконтроллера (рис.2.2) включается счетчик прерываний, построенный на последовательном включении предварительного делителя с К=4 и таймера ТМК0 с К=256. При использовании кварцевого резонатора на частоту 4,096МГц прерывания по переполнению таймера будут происходить через 1мс. После прерывания инкрементируются счетчики 5мс; 0,5с; 1с. После переполнения счетчиков устанавливаются флаги 5мс; 0,5с; 1с. Отметки времени 5мс используются для индикации одного разряда, а 0,5 и 1с для смены индикации в режиме измерения. Далее процессор производит выборку из памяти ранее установленных минимального и максимального значений. Если индикация разрешена, то выбранные из памяти значения максимальной установки выводятся на индикацию. После вывода на индикацию каждого разряда ожидается установка флага 5мс. После индикации третьего разряда выполняется проверка состояния кнопок. Во время ожидания прерывания постоянно проверяются флаги ошибки и выключения индикации. Если они включены, то программа переходит к выключению индикации.



Рис.2.2 Алгоритм работы программы автомата защиты от перепадов сетевого напряжения

Выключается индикация и проверяется флаг индикации. Если флаг включен, то программа возвращается к индикации, но такая ситуация возможна только после того, как будет нажата кнопка «Индикация». Далее проверяется состояние флага ошибки. Если флаг выключен, но установлен флаг включения АЦП, то производится измерение напряжения и проверяются кнопки. Цикл повторяется с проверки флага включения индикации. Выход из этой подпрограммы возможен или на индикацию по состоянию флага индикации, или на включение таймера 1. Этот таймер отрабатывает временной интервал, через который будет выполнено измерение входного напряжения при установленном флаге ошибки. При этом запрещаются прерывания по входу КВ0.

Рассмотрим подробнее алгоритм работы подпрограммы измерения напряжения, приведенный на рис.2.3. Аналого-цифровое преобразование в микроконтроллере выполняется методом последовательного приближения. На время преобразования величина входного напряжения запоминается на конденсаторе устройства выборки-хранения (УВХ). Поэтому после включения выбранного входа необходима задержка для полного заряда конденсатора.

После выполнения задержки включается АЦП-преобразование. Младший разряд преобразования отбрасывается как недостоверный из-за возможного «дрожания» амплитуды измеряемого напряжения. Двоичное значение младшего восьмиразрядного регистра преобразования проверяется на превышение максимального или минимального установленного значения. В случае положительного результата сравнения выключается выход, который управляет реле нагрузки. Иначе подтверждается включение реле и программа возвращается из подпрограммы. Если девятый разряд равен единице, то сравнение младших восьми разрядов не выполняется и программа выключает реле.

Для уменьшения числа ложных срабатываний автомата при возникновении сетевых помех выключение реле происходит по серии непрерывных ошибок. В зависимости от состояния сети это число может колебаться в небольших пределах. Автором выбрано число непрерывных ошибок, равное пяти, что соответствует задержке выключения исполнительного реле 100мс после возникновения первой ошибки. При заполнении счетчика ошибок включается флаг ошибки. Далее выполняется перекодировка ранее измеренного значения входного напряжения из двоичного кода в двоично-десятеричный, и результат переписывается в текущие регистры.

Проверяются флаги индикации 0,5 и 1с. Если ни один флаг не включен, то каждое измеренное значение выводится на индикацию. В этом режиме хорошо наблюдать стабильность напряжения. Однако при колебаниях напряжения будет происходить мигание от одного до трех разрядов, что затруднит чтение показаний индикатора. Для облегчения чтения индикатора введена возможность обновления индикации через 0,5 и 1с. Если один из флагов включен, то текущие измеренные значения напряжения переписываются в регистры индикации. При этом сбрасываются флаги и следующий вывод на индикацию будет после их включения в блоке подпрограммы установки флагов. Рассмотрим работу подпрограммы проверки кнопок (рис.2.4).

После первого прохождения подпрограммы выявляются нажатые кнопки и устанавливаются соответствующие флаги кнопок. Пока кнопка нажата, дальнейшее выполнение программы не производится. При последующих прохождениях подпрограммы, если обнаруживаются включенные флаги, программа переходит к изменению разряда или выключению индикации или к установке.

Выбор разряда никаких особенностей не имеет, кроме того, что направление перемещения запятой происходит от старшего разряда к младшему. Если включен флаг установки включений индикации, то состояние флага индикации изменяется на противоположное. Если индикация была включена, то она выключается, и наоборот. Если при изменении флага индикации будет включен флаг ошибки, то включаются индикация и исполнительное реле, сбрасывается флаг ошибки и разрешаются прерывания по изменению сигнала на входе. Это происходит в момент окончания времени ожидания. Алгоритм работы подпрограммы установки показан на рис.2.5.

Рис.2.3 Алгоритм работы программы автомата зашиты от перепадов сетевого напряжения. Измерение напряжения



Рис.2.4 Алгоритм работы программы автомата защиты от перепадов сетевого - напряжения. Проверка кнопок



Рис.2.5 Алгоритм работы программы автомата защиты от перепадов сетевого напряжения

ВЫВОДЫ

Предлагаемая защита основана на прямом измерении амплитудного значения сетевого напряжения в течение положительного полупериода с выводом измеренного значения на индикатор. Основой устройства является микроконтроллер РIС16F873, имеющий встроенный десятиразрядный АЦП. Использование микроконтроллера и индикатора позволило сделать устройство с установкой порогов срабатывания по минимальному и максимальному напряжению в широких пределах.

Потребляемый прибором ток (без учета тока через обмотку реле) с включенной индикацией -- 30мА, с выключенной индикацией -- 6мА, что составляет 6,6ВА, а с выключенной индикацией 1,32ВА.

Устройство управляется тремя кнопками. Кнопкой «Разряд» выбирают разряд установки. Индикация выбранного разряда осуществляется перемещением запятой по индикатору. Кнопкой «Установка» увеличивают значение цифровых разрядов (0--2) на единицу, а в разряде режима индикации (3) выбирают необходимый режим. Кнопка «Индикация» необходима для включения-выключения индикации.

Алгоритм работы программы устройства защиты от перепадов сетевого напряжения показан на рис.2.2--2.5.

ГЛАВА III. Разработка микроэлектронного устройства контроля напряжения

3.1 Выбор типа микроконтроллера

Анализ функциональной схемы устройства показал, что для его реализации необходим контроллер, имеющий два полноценных 8-ми разрядных порта и один усеченный. Этим требованиям удовлетворяет микроконтроллер РIС16F873.

Предлагаемое устройство разработано на основе 28-выводного микроконтроллера РIС16F873, имеющего 10-разрядный АЦП.

Можно считать что микроконтроллер (МК) - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. Его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые различные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы).

Достаточно широкое распространение имеют МК фирмы ATMEL, функциональные возможности которых охватывают все перечисленные задачи.

Применение МК можно разделить на два этапа: первый - программирование, когда пользователь разрабатывает программу и прошивает ее непосредственно в кристалл, и второй - согласование спроектированных исполнительных устройств с запрограммируемым МК. Значительно облегчают отладку программы на первом этапе - симулятор, который наглядно моделирует работу микропроцессора. На втором этапе для отладки используется внутрисхемный эмулятор, который является сложным и дорогим устройством, зачастую недоступным рядовому пользователю.

В тоже время в литературе мало уделено внимания вопросам обучения программированию некоторых недорогих МК, в сочетании с реальными исполнительными устройствами.

Разработка макета программатора отличающегося простотой, наглядностью и низкой себестоимостью, становиться необходимой как для самого программирования кристаллов, так и для наглядного обучения широкого круга пользователей основам программирования МК.

В настоящее время микроконтроллеры принимают все большее распространение. Однако, информации по вопросам обучения программированию микроконтроллеров в соединении с внешними исполнительными бывает не достаточно.

В работе рассмотрены архитектура, аппаратные и программные средства распространенных и недорогих микроконтроллеров. Анализ методики программирования в интегрированной среде разработке позволил объединить практические рекомендации с некоторыми особенностями обучения программирования микроконтроллеров. На основании этого предложен алгоритм обучения.

Предложен макет программатора, который позволяет, как программировать, так и обучать этому процессу. Приведен набор типовых задач, которые могут быть реализованы на вспомогательных платах внешних устройств, подключаемых к программатору через соответствующие порты.

Так же приведены решения четырех типовых задач по работе с памятью, индикацией, устройство «кодовый замок» и устройство измерителя частоты звукового диапазона. В приложениях приведены тексты программ и справочные данные на рассмотренные AVR микроконтроллеры.

Если представить все типы современных микроконтроллеров (МК), то можно поразиться огромным количеством разнообразных приборов этого класса, доступных потребителю. Однако все эти приоры можно разделить на следующие основные типы:

Встраиваемые (embedded) 8-разрядные МК;

16- и 32-разрядные МК;

Цифровые сигнальные процессоры.

Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и.т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром [3]. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы «оживет» и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

Схема начального запуска процессора (Reset);

Генератор тактовых импульсов;

Центральный процессор;

Память программ (E(E)PROM) и программный интерфейс;

Средства ввода/вывода данных;

Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Общая структура МК показана на рис.3.1.Эта структура дает представление о том, как МК связывается с внешним миром.

Более сложные встраиваемые МК могут дополнительно реализовывать следующие возможности:

Встроенный монитор/отладчик программ;

Внутренние средства программирования памяти программ (ROM);

Обработка прерываний от различных источников;

Аналоговый ввод/вывод;

Последовательный ввод/вывод (синхронный и асинхронный);

Параллельный ввод/вывод (включая интерфейс с компьютером);

Подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения МК и делают более простым процесс разработки систем на и основе.

Рис.3.1 Структура микроконтроллера

Некоторые МК (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Они применяются в системах, где требуется большой объем памяти и относительное не большое количество устройств (портов) ввода/вывода. Типичным примером применения такого МК с внешней памятью является котроллер жесткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (порядка нескольких мегабайт). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) - относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы, обрабатывать данные и формировать соответствующий отклик в реальном масштабе времени. Они обычно входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, и не предназначены для автономного применения.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис.3.2.В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0» (низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на него выводится «1», то светодиод будет выключен.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного цикла можно сократить. Например, у PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip за счет использования конвейера удалось уменьшить длительность машинного цикла до 4 периодов кварцевого резонатора. Длительность же машинного цикла AVR составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны обеспечить заданную производительность при более низкой тактовой частоте. Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой.

Резистор сопротивлением 220Ом используется для ограничения тока, т.к. слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай, включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на «землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис.3.2 Подключение светодиода к микроконтроллеру

Семи сегментный индикатор. Вероятно, самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных данных - это использование семи сегментного индикатора (ССИ). Такие индикаторы были очень популярны в 70х годах, но в последствии их место заняли жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Но светодиодные индикаторы до сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа (см. рис.3.3)

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A, B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с общим катодом или с общим анодом.

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для каждого светодиода. Решение этой задачи в начале выполнения проекта упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое значение выходного тока МК, то для управления оком включается дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет находиться в активном состоянии.

Рис.3.3 Семи сегментный индикатор

На рис.3.4.показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течении очень короткого интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения, подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми ССИ цифры должны выводиться со скоростью 400 раз в секунду.