đò án thiết kế khí cụ điện thiết kế rơ le số bảo vệ quá dòng điện

hiệu đầu vào của rơ le số này được lấy từ dòng điện mạch động lực qua biếndòng điện đưa về dòng tiêu chuẩn 1A sau đó qua mô đun cảm biến dòng đưavề giá trị điện áp thích hợp tương ứng..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN ĐIỆN

ĐÒ ÁN THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN

Đề tài: Thiết kế rơ-le số bảo vệ quá dòng điệnBùi Chí Quyết - 20163443Thiết bị điện - điện tử

HÀ NỘI, 7/2020Lời cảm ơn

Đồ án khí cụ điện đề tài thiết kế rơ le số bảo vệ quá dòng điện có TínGiảng viên hướng dẫn : ThS Đặng Chí Dũng

Sinh viên thực hiện Đặng Ngọc Trường - 20164268Bộ môn

hiệu đầu vào của rơ le số này được lấy từ dòng điện mạch động lực qua biếndòng điện đưa về dòng tiêu chuẩn 1A sau đó qua mô đun cảm biến dòng đưavề giá trị điện áp thích hợp tương ứng Vi xử lý lấy tín hiệu và xử lý nó theothuật toán và các đường cong bảo vệ tiêu chuẩn về rơ le số của IEEE từ đó gửitín hiệu tác động nếu có tới rơ le trung gian qua đó thực hiện việc đóng cắtmáy cắt Rơ le số có 3 thông số đầu vào có thể điều chỉnh bởi người sử dụnglà: điều chỉnh dòng điện tiêu chuẩn (1A) để có thể linh hoạt với dòng điệnđịnh mức của mạch động lực và biến dòng, thời gian cho phép quá dòng khikhởi động, các mức tác động ngắt gồm có tác động chậm, tác động nhanh, tácđộng cực nhanh được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn của IEEE Các công cụ xửdụng về phần cứng gồm có: nguồn dòng tạo tín hiệu dòng điện sau khi đã quabiến dòng, mô đun cảm ứng dòng điện ACS 712-30A, vi điều khiển 8051,.Các phần mềm sử dụng gồm có: Proteus mô phỏng nguyên lí của mạch , KeilC để lập trình cho vi điều khiển 8051.

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN BẢO VỆ QUÁ DÒNG 3

2.1 Nguyên lý bảo vệ quá dòng 3

2.2 Xác định giá trị hiệu dụng của dòng điện 5

2.3 Thuật toán bảo vệ 6

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 8

3.1 Tổng quan về cấu trúc 8

3.2 Cấu trúc thiết kế của đề tài 8

3.2.1 Module cảm biến dòng ACS712-30A 9

3.2.2 Khối xử lý trung tâm 12

3.2.3 Hệ thống tiếp điểm đầu ra 13

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 16

4.1 Sơ đồ thiết kế phần cứng 16

4.2 Lưu đồ thuật toán 17

4.3 Tiến hành mô phỏng 18

TỔNG KẾT 20

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Đồ thị bảo vệ theo tiêu chuẩn IEEE 3

Hình 2 Lưu đồ thuật toán điều khiển role quá dòng 7

Hình 3 Cấu trúc tổng quan của một Rơ le kỹ thuật số 9

Hình 4 Nguyên lí Hall 10

Hình 5 Cấu trúc mạch và hình dạng chip ACS 712 - 30A 11

Hình 6 Mô đun cảm biến dòng ACS 712 - 30A 11

Hình 7 Đặc tính điện áp ứng với dòng điện của ACS 712 - 30A 12

Hình 8 Vi điều khiển 8051 14

Hình 9 Module rơ le 2 kênh 14

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý của mô đun rơ le 2 kênh 14

Hình 11 Sơ đồ mạch tiếp điểm đầu ra của relay số 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu

Trong lịch sử phát triển đã chứng kiến bao thay đổi to lớn trong công nghệchế tạo rơle bảo vệ Rơle điện cơ đã được thay thế bởi rơle tĩnh, và bây giờ làrơle kỹ thuật số, eocr Mỗi thế hệ rơle đều được cải tiến về kích cỡ và các tínhnăng làm cho độ tin cậy của các rơle không ngừng được nâng cao Điều này thểhiện thành công lớn trong việc thiết kế và chế tạo rơle Về mặt kỹ thuật, rơle bảovệ là các thiết bị tự động đóng vai trò canh gác không mệt mỏi, liên tục theo dõitình trạng làm việc của đối tượng được bảo vệ: động cơ điện, máy biến áp, máyphát điện, Những yêu cầu cơ bản của rơle đó là: tin cậy, chọn lọc, tác độngnhanh, nhạy và kinh tế.

Mặc dù, rơ le kỹ thuật số đã xuất hiện khá lâu và được chế tạo cung cấpcho thị trường, nhưng sản phẩm về phát triển phần cứng cũng như phần mềm củaloại rơ le này vẫn luôn là những đề tài được quan tâm từ rất nhiều nhà nghiêncứu và phát triển Sản phẩm về rơ le số hiện nay là hướng tới các thuật toán nhântạo thông minh vào việc phát hiện sự cố trên hệ thống điện Thực tế này, đặt rayêu cầu phải thiết kế mô sản phẩm mô hình rơ le kỹ thuất số để dễ dàng thựchiện việc đo đạc và quan sát quá trình thực nghiệm của thuật toán Với mục đíchnày, mô hình được thiết kế và chế tạo mang những đặc thù hơi khác với nhữngsản phẩm mang tính thương mại nhiều công ty đang bán trên thị trường vì là sảnphẩm sinh viên, chưa phải là mô đun nên khá là lớn Đối với các sản phẩmthương mại, người sử dụng không thể thay đổi phần cứng cũng như phần mềm.Trong khi đó, để có thể sử dụng các thuật toán thông minh, người dùng có thểthay đổi các thông số tác động trực tiếp vào vi xử lý để thao tác thay đổi cácthong số làm việc cho từng loại thiết bị với yêu cầu kỹ thuật khác nhau.1.2 Mục tiêu và nội dung đồ án

Thiết kế mạch điện tử Rơ le điện tử bảo vệ quá dòng cho động cơ điện vớicác thông số:

- Làm việc ở điện áp xoay chiều ba pha 380V, 50Hz- Dải dòng điện làm việc từ 40~200 mA

- Quá dòng: bảo vệ cắt có thời gian O-Time (điều chỉnh được từ 1~120s)- Mất pha: Cắt sau 3s

- Mất cân bằng pha: cắt sau 8s- Ngược thứ tự pha: cắt sau 0.1s

- Kẹt roto: Bảo vệ cắt có thời gian D-Time (điều chỉnh được từ 1~120s)- Ngắn mạch: cắt sau 0.5s

- Tiếp điểm đầu ra: 5A-400VAC1.3 Phương pháp thực hiện

Tìm hiểu về các sự cố động cơ được rơ le bảo vệ và các loại rơ le kỹ thuật

1

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN BẢO VỆ QUÁ DÒNG

2.1 Nguyên lý bảo vệ quá dòng

Bảo vệ quá dòng điện là loại bảo vệ tác động khi dòng điện đi qua phần tửđược bảo vệ vượt quá một giá trị định trước Thời gian kể từ khi xảy ra trạng tháisự cố của mạch cho tới khi tiếp điểm của rơ le thay đổi trạng thái được gọi là đặctính tác động của rơ le Rõ ràng thời gian tác động phụ thuộc vào độ lớn của sự cố(dòng điện) và ảnh hưởng tới tuổi thọ của thiết bị mà nó bảo vệ.

Do ảnh hưởng tới thiết kế của nhiều loại thiết bị điện khác cần được bảovệ, đặc tính tác động của rơ le quá dòng được quy định rất cụ thể trong tiêu chuẩnIEEE C37.112 - 1996 Tiêu chuẩn IEEE C37.112 - 1996 quy định đặc tính tiêuchuẩn của một rơ le bảo vệ quá dòng (hình 4.4 - 1), điều này giúp chúng ta có thểtạo ra các rơ le kỹ thuật số có đặc tính bảo vệ giống với đặc tính của các rơ lethông thường.

Hình 1 Đồ thị bảo vệ theo tiêu chuẩn IEEE

về cơ bản, đặc tính tác động của rơ le được định nghĩa bởi hai vùng làmviệc: vùng tác động và vùng nghỉ.

Vùng tác động được hiểu là khi dòng điện trên tải lớn hơn giá trị dòng điệnđặt Ip Đặc tính thời gian tác động và độ lớn dòng điện đầu vào được định nghĩabởi:

Trong đó A, B và p là các hệ số và được lựa chọn phụ thuộc vào từng loạiđặc tính được quy định bởi tiêu chuẩn IEEE Có ba loại đặc tính được quy định

3

đó là: tác động chậm, tác động nhanh và tác động rấtnhanh Bảng số liệu 4.4 - 1 thể hiện các thông số A, B và ptheo như tiêu chuẩn IEEE.

Vùng nghỉ được hiểu là khi rơle làm việc với dòng điện trên tải nhỏ hơn giá

trị dòng điện đặt Thời gian tác động ở vùng này sẽ được xác định bởi:

Trong đó T là một hệ số phụ thuộc vào loại đặc tính tác động và được nêure

trong số liệu 4.4 - 1 Từ các phường trình ở hai vùng đặc tính khác nhau chota thấy rằng, thời gian tác động sẽ nhận giá trị dương ở vùng tác động trong khinhận giá trị âm ở vùng nghỉ.

Có thể thấy dòng điện trên tải nhỏ hơn dòng điện đặt làm cho giá trị thờigian t(I) khi này nhận giá trị âm, làm giảm giá trị trước đó là [t-1](I) Nhưng nếugiá trị [t-1](I) trước đó đã bằng 0 thì giá trị t(I) bây giờ không thể nhận giá trị âmđược, do đo trong thuật toán khi [t-1](I) = 0 mà giá trị t(I) tiếp tục nhận giá trị âm,ta phải gán giá trị hiện tại về 0.

Các phương trình trên chỉ sử dụng để xác định thời gian tác động khi dòngđiện là không đổi Tuy nhiên, khi dòng điện thay đổi theo thời gian ta phải chiadòng điện thành các đoạn nhỏ và coi như dòng điện không đổi trong khoảng viphân thời gian đó Tổng hài thời gian phải thoải mãn biểu thức biến đổi sau:

Trong đó T là tổng thời gian tác động khi dòng điện thay đổi khi có sự cố.0

Theo ngôn ngữ vi xử lý, phương trình trên được thể hiện dưới dạng số như sau:

NAt l=ot(ĩ)= 1

ự0 = N.Att(I) = (l T.

4

Trong đó A được hiểu là bước tính của thuật toán, giá trị biểu thức trên sẽt

được sử dụng như là yếu tố tác động và nó có giá trị lớn nhất là 1 và nhỏ nhất là0 Từ các phương trình (1), (2), và (4) cho phép ta xác định được thời gian tácđộng của rơ le khi có sự cố xảy ra Tuy nhiên, còn một vấn đề nữa là làm thế nàođể xác định giá trị dòng điện sự cố Dòng điện sau khi được lấy mẫu được lưu lạidưới một chuỗi các giá trị rời dạc và ta phải xác định được giá trị hiệu dụng củadòng điện sự cố.

2.2 Xác định giá trị hiệu dụng của dòng điện tải

Giá trị I có thể được tính toán dựa trên việc xử lý các mẫu giá trị thu đượcrms

trên miền thời gian hoặc trên miền tần số Độ chính xác của giá trị thu được phụthuộc vào bộ biến đổi ADC và phụ thuộc vào thuật toán sử lý tín hiệu Trong báocáo này, tập trung vào việc tính toán giá trị I của dòng điện dựa trên miền thờirms

gian như được đề cập trong tài liệu [1] Đây là một phương pháp đơn giản, tiếtkiệm bộ nhớ và hội tụ nhanh hơn so với các phương pháp khác.

Phương pháp này được xây dựng trên giả định là dòng điện hình sin Khiđó, giá trị trung bình được xác định như sau:

Trong đó I và T là giá trị cực đại và chu kỳ của dòng điện Từ phương trìnhm

(5) ta suy ra được giá trị hiệu dụng như sau:

Để có th i công thức (6), ta phải thể hiện nó ở dạng dời rạc.Giả sử như có m mẫu giá trị dòng ện i(k) ợ từ bộ biến đổi ADCtrong một ch kỳ dòng điện T Kh đó biểu thức (6) có thể biểu thị như sau:

n I n 1 V- ,avg 1 n V

Irms = ^vF = 2V2 m2|ỉ(k)l = mV2'2lỉ(k)l

2.3 Thuật toán bảo vệ

Sau khi xác định được I thời gian tác động có thể được xác định thôngrms

qua một hàm cộng C(I) như sau:T

Tí '-2 sỉn2(rnt + ^) dt

I^ n Iavg —= = -—

V2 2V2

(7)

Trong đó k chỉ số lần lặp của chương trình và T là hằng số chỉ thời gianc

giữa hai vòng lặp liên tiếp của chương trình Thông thường, giá trị T được xácc

định bởi tốc độ lấy mẫu cũng như tốc độ tính toán của từng loại chíp cụ thể Giátrị cụ thể của C(I) sẽ quyết định khi nào chíp vi xử lý gửi tín hiệu tác động Giá trịC(I) sẽ tăng lên khi có quá dòng điện và giảm khi giá trị dòng điện nhỏ hơn giá trịđặt Để tổng kết, hình 2 thể hiện sơ đồ thuật toán bảo vệ quá dòng điện cho rơ lesố Chương trình bắt đầu với khởi tạo các thông số cho chíp vi xử lý Sau đó, giátrị I của dòng điện được ước lượng theo biểu thức (7), giá trị này sẽ xác địnhrms

giá trị của hàm cộng C(I) tương ứng với biểu thức (1) hoặc (2) và (8) Quá trìnhsẽ cứ lặp lại như vậy nếu như giá trị hàm cộng nhỏ hơn 1 Tuy nhiên, khi nó lớnhơn một, vi xử lý sẽ gửi tín hiệu để cấp điện cho cuộn hút của rơ le điện từ vàthay đổi trạng thái tiếp điểm của nó Đồng thời, toàn bộ dữ liệu từ khi có sự cốxuất hiện sẽ được lưu lại bộ nhớ dùng để cho quá trình phân tích sau này Rơ lechỉ có thể quay trở lại làm việc khi nhận được tín hiệu reset sự cố.

6

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG

3.1 Tổng quan về cấu trúc

Cấu trúc tổng quan phần cứng của rơ le kỹ thuật số bảo vệ quá dòng điệngồm các khâu cơ bản sau đây Nó được thể hiện như hình vẽ sau đây:

Hình 3 Cấu trúc tổng quan phần cứng của role kỹ thuật số

- Khối đầu vào (inputs): Bao gồm các đầu vào mang thông tin tương tự cũngnhư tín hiệu vào số để cho rơ le làm việc.

- Khối điều hòa tín hiệu (signal conditioning): Nhiệm vụ của khối này giúplọc bỏ nhiễu của các đầu vào tương tự, đồng thời làm tương thích tín hiệucho khối lấy mẫu phía sau nó.

- Khối biến đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): Các tín hiệu vào có thể baogồm nhiều kênh Do vậy, khối này có nhiệm vụ lấy mẫu, giữ mẫu, dồnkênh (MUX) và lượng tử hóa tín hiệu.

- Khối xử lý trung tâm CPU: đảm nhiệm thực hiện các thuật toán bảo vệ dựatrên tín hiệu đầu vào Từ kết quả thu được sẽ đưa ra các hành động đã đượclập trình.

- Khối bộ nhớ: Lưu trữ số liệu cũng như kết quả tính toán của thuật toán.Việc này giúp người sử dụng phân tích các dữ liệu khi sự cố xảy ra.- Khối truyền thông và hiển thị: Khối này giúp rơ le trao đổi thông tin với

bên ngoài thông qua các màn hình hiển thị hoặc truyền thông tin tới cácthiết bị khác.

3.2 Cấu trúc thiết kế của đề tài

Sau khi tìm hiểu sơ bộ về một cấu trúc tổng quan của một rơ le số, bằng cáckiến thức được học, trong đồ án này em đưa ra cấu trúc của một mô hình rơ le số:- Dòng điện trong mạch cần bảo vệ thường được đưa qua máy biến dòngđiện để biến về dòng điện tiêu chuẩn 1A (trước đây giá trị thường dùng là5A, tuy nhiên hiện nay các rơ le kỹ thuật số đều được xây dựng dựa trêndòng điện tiêu chuẩn 1A).

- Sau đó dòng điện này được đưa qua cảm biến dòng ACS 712-20A để biến

8

- thành giá trị điện áp nhỏ, chuyển đến vi xử lý để thựchiện thuật toán bảo vệ quá dòng.

- Điện áp có được từ đầu ra của cảm biến dòng, qua xử lý được đưa vào bộchuyển đổi tương tự - số ADC để đưa tín hiệu điện áp thành tín hiệu số đểchip có thể xử lý được.

- Vi điều khiển 8051 đóng vai trò trung tâm của rơ le, nó thực hiện các thuậttoán bảo vệ, gửi tín hiệu thay đổi trạng thái các tiếp điểm khi có sự cố3.2.1 Module cảm biến dòng ACS712-30A

a) Cảm biến Hall

Hiệu ứng Hall được phát hiện năm 1879 bởi nhà vật lý Edwin Hall khi ôngđang làm luận án tiến sỹ tại trường đại học Johns Hopkins, Baltimore, Mỹ Trongnỗ lực kiểm nghiệm lý thuyết về dòng chảy electron của Kelvin, tiến sỹ Hall nhậnthấy rằng nếu đặt một từ trường vuông góc với thanh dẫn điện hình chữ nhậtmỏng bằng kim loại thì sẽ xuất hiện một hiệu điện thế giữa hai cạnh bên củathanh dẫn đó như được thể hiện trên hình vẽ:

Ông cũng thấy rằng, điện áp được tạo ra (sau này được gọi là điện áp Hall)tỷ lệ với cường độ dòng điện trong thanh dẫn và mật độ từ trường đặt vuông gócvới thanh dẫn đó.

I Bd e nTrong đó:

- I là cường độ dòng điện- B là cường độ từ trường- d là độ dày của thanh Hall

- e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall- n mật độ các hạt này trong thanh Hall.

Dựa vào hiện tượng này, nếu như giữ dòng điện I không đổi, và đo điện ápHall thì ta có thể xác định được từ trường B Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từtrường, mà từ trường được sinh ra từ một dòng điện bất kỳ, do đó có thể đo cường

(9)

độ dòng chạy qua một dây điện khi đưa dây này gần thiết bị đo.b) Mô đun cảm biến dòng ACS 712 - 20A

Bộ phận trung tâm của mô đun cảm biến dòng này là IC cảm biến dòngACS 712 20A được hãng Allegro Microsystems sản xuất, cho phép đo cảdòng điện xoay chiều và một chiều dựa trên nguyên lý Hall Dòng điện cầnđo sẽ chạy trong phần dẫn bằng đồng hình chữ U để tạo ra từ trường xungquanh cảm biến Hall Điện áp ra ở đầu cảm biến Hall do đó mà tỷ lệ vớidòng điện cần đo.

Hình 5 Cấu trúc mạch và hình dạng chip ACS 712 - 30A

IC cảm biến dòng điện ACS 712 như được thể hiện trên hình, Bên cạnhphẩn tử cơ bản cảm biến Hall, bên trong chip còn bao gồm các mạch khuyếch đạivà lọc nhiễu để đưa ra các tín hiệu tin cậy

10

Hình 6 Mô đun cảm biến dòng ACS 712 - 30A

Dòng điện đầu vào sẽ được nối vào IP + và IP - (đôi với dòng xoay chiều takhông cần phải quan tâm đến chiều) Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòngIp (chưa có tải mắc nối tiếp), thì Vout = 2.5V Khi có dòng xoay chiều Ip (dòngAC) do dòng xoay chiều độ lớn thay đổi liên tục theo hàm sin, nên điện thế Voutsẽ là điện áp xoay chiều hình sin có độ lớn tuyến tính với dòng điện AC Mốiquan hệ giữa điện áp Vout và dòng điện cần đo Ip đầu vào ta có thể tìm được dựatrên đặc tính được cung cấp bởi nhà sản xuất như hình.

Do điện áp đầu ra của cảm biến tuyến tính với dòng điện, nên sử dụngphương pháp nội suy, ta tìm được phương trình thể hiện mối quan hệ này:

Vout = 0,1.I + 2,5Hay I = 10.(Vout - 2.5)

Ta có thể thấy điện áp đầu ra Vout lớn nhất luôn nhỏ hơn 5V, điều này rấtphù hợp cho bộ biến đổi ADC phía sau vì hầu hết các bộ biến đổi này đều lấy điệnáp tham chiếu là 5V.

3.2.2 Khối xử lý trung tâm

Bộ xử lý trung tâm là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thườngđược sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Thông thường, một bộ xử lý trung

Ip (A)

Hình 7 Đặc tuyến điện áp đầu ra ứng với dòng điện đầu vào của ACS 712 - 30A

(10)