Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 18 Đối với các rơle dùng cả áp lẫn dòng nh rơle khoảng cách có thể có tất cả các đầu vào nh trên (8 đầu vào). Các giá trị định mức của BU, BI đợc sử dụng tại các đầu vào tơng tự cần phải đợc cài đặt trong bộ nhớ của rơle. Các đầu vào tơng tự đợc nối tới các cuộn biến dòng hoặc biến áp trung gian đầu vào đặt bên trong rơle. Các bộ biến đổi này ngoài nhiệm vụ làm phù hp các giá trị tơng tự cho mạch tín hiệu tiếp theo mà còn có chức năng ngăn cách về mặt vật lý giữa đầu vào và mạch bên trong rơle để bảo vệ phần điện có công suất thấp. 3.2/ Đầu vào số. Đầu vào số hay con gọi là đầu vào trạng thái, cung cấp thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống điện. Các đầu vào này có thể chia làm 3 loại và thay đổi tùy theo từng rơle bảo vệ. Thông tin do đối tợng bảo vệ cung cấp nh máy cắt, dao tiếp đất ở trạng thái đóng, mở (do tiếp điểm phụ cung cấp) MC không làm việc vv Thông tin do các bảo vệ cung cấp nh bảo vệ khí của máy biến áp (bảo vệ Bucholz) cảnh báo hay tác động, tín hiệu khóa hay cho phép trong sơ đồ cắt liên động, tín hiệu cắt trực tiếp từ bảo vệ cấp dới vv Tín hiệu điều khiển từ xa của ngời sử dụng nh giải trừ các cảnh báo, giải trừ rơle, điều khiển đóng, cắt máy cắt, lấy thông tin nhật ký làm việc của Rơle và bản ghi các sự kiện vv Tín hiệu đầu vào thờng là tín hiệu áp đợc lấy từ nguồn phụ một chiều (U phụ ). Nguồn này có thể là nguồn 1 chiều nuôi rơle hoặc điện áp có các giá trị định mức nh sau: 24, 30, 60, 110, 220 V. Thông thờng một rơle đợc chế tạo có khả năng làm việc với nhiều điện áp tín hiệu ở đầu vào số khác nhau. Việc chuyển đổi điện áp làm việc đợc thực hiện bằng các cầu nhảy (Jumper) hay để nguyên hoặc cắt các dây nối tại một vài vị trí trên bản mạch thiết bị. Về mặt cấu tạo, sơ đồ mạch tín hiệu đầu vào thờng là các bộ cách ly làm việc theo 2 nguyên tắc khác nhau có tác dụng bảo vệ thiết bị chống sự cố bên ngoài. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 19 Bộ cách ly đầu vào sử dụng Comparator có sơ đồ nh hình 1 - 2 Hình 1 - 2: Bộ cách ly đầu vào sử dụng Comparator Nó sử dụng khuếch đại thuật toán với tổng trở đầu vào lớn. Tín hiệu đầu ra của bộ Comparator khi điện áp tín hiệu lớn hơn U ngỡng . Ta có: U d = U ngỡng -U phụ nên: Khi U d >0 tức là U ngỡng >U phụ suy ra U ra =V sat . Khi U d <0 tức là U ngỡng <U phụ suy ra U ra = - V sat . Cuộn L: Có tác dụng chặn các xung nhiễu ở đầu vào điốt D: Đóng vai trò tạo ngỡng cho mạch đầu vào. Bộ cách ly đầu vào sử dụng bộ chuyển đổi quang điện Hình 1 - 3: Bộ cách ly đầu vào sử dụng bộ chuyển đổi quang điện Khi có điện áp tín hiệu điốt phát quang sáng làm mở thông Tranzitor truyền tín hiệu điện áp vào mạch bên trong. Bộ chuyển đổi quang điện đợc thiết kế với cổng có điều khiển ở đầu vào, nó chỉ cho tín hiệu vào bên trong khi bộ vi xử lý quét đến đầu vào số đang xét, điều này làm giảm công suất tiêu thụ của mạch đầu vào số trong chế độ chờ. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 20 3.3/ Đầu ra số. Các tín hiệu đầu ra số có thể phân biệt theo 4 nhóm: Nhóm tín hiệu điều khiển. Nó đợc đóng, cắt mạch bởi các rơle đầu ra thờng sử dụng rơle có tiếp điểm làm phần tử thao tác đầu ra. Điẹn áp làm việc của chúng thờng là dòng một chiều dới 24V. Tiếp điểm có khả năng làm việc với dòng cắt lớn. Tiếp điểm điều khiển thờng có công suất cắt và dòng làm việc lớn hơn tiếp điểm báo hiệu. Đôi khi để tăng độ tin cậy thao tác ngời ta sử dụng các cặp tiếp điểm kép mắc song song để giảm khả năng tiếp điểm bị hở khi khép mạch. Trên hình 1- 4 giới thiệu sơ đồ làm việc có kết hợp giữa đầu vào và đầu ra số với cuộn điều khiển máy cắt. Hình 1- 4: Sơ đồ làm việc kết hợp giữa đầu vào/đầu ra số của rơle số Khi MC mở, cuộn cắt bị khóa bởi tiếp điểm phụ 2 của MC. Tiếp điểm phụ 3 đóng thì đầu vào số MC mở nhận đợc tín hiệu điện áp. Khi tiếp điểm Rơle đầu ra Đóng MC khép mạch, cuộn đóng CĐ có điện tiếp điểm phụ MC sẽ khóa cuộn đóng và đa cuộn cắt CC vào tình trạng sẵn sàng làm việc. Điện áp biến mất ở đầu vào I 2 , đồng thời ở đầu vào I 1 thông báo trạng thái MC đóng. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 21 Nhóm các tín hiệu điều khiển. Cũng sử dụng các rơle có tiếp điểm để đi báo tín hiệu bằng đèn, còi vv Nhóm tín hiệu điều khiển đèn LED Trên mặt trớc của rơle thông báo các thông tin cơ bản nhất về tình trạng làm việc của rơle. Các tín hiệu này không sử dụng tiếp điểm đầu ra vì điện áp làm việc của đèn LED rất bé (<3V), mà lấy trực tiếp đầu ra của các vi mạch số phần lôgic sau khi đã đợc khuếch đại. Mỗi đèn LED tơng ứng với một thông tin cần báo cho ngời sử dụng hoặc nó cũng có thể gán thông báo nào đó bằng cách lập trình từ bàn phím do ngời sử dụng thực hiện (marshaling). Nhóm các tín hiệu trạng thái bên trong rơle. Trong nhiều rơle số thờng đặt một số thanh ghi để ghi nhận trạng thái của các phần tử lôgic và các chức năng bảo vệ dới dạng tham số. Qua đó ngời sử dụng có thể hiển thị các tham số này trên màn hình của rơle hoặc truy suất từ xa qua cổng tuần tự. 4/ Xử lý tín hiệu tơng tự. 4.1/ Các bộ biến đổi đầu vào. Hình 1 - 5: Sơ đồ nối các BU,BI với các bộ biến đổi đầu vào. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 22 Đó là các biến dòng, biến áp đầu vào. Trên hình 1-5 Là sơ đồ khối các BU,BI với các bộ biến đổi đầu vào. R: Đóng vai trò là bộ loc dòng. Trong nhiều trờng hợp ngời ta có thể không sử dụng biến dòng và biến áp TTK mà dùng biến dòng pha mắc theo sơ đồ hình sao và các biến điện áp pha mắc theo sơ đồ tam giác hở. 4.2/ Các bộ lọc sơ bộ và khuếch đại. Tín hiệu đầu ra của các bộ biến đổi tín hiệu đầu vào thông qua các bộ lọc tần số thấp. Chức năng của bộ lọc này là cho dòng điện tần số thấp đi qua mà biên độ không bị suy giảm, đồng thời làm giảm mạnh dòng điện ở tần số cao. Các bộ lọc này thờng có kiểu L - C . Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi tín hiệu cha thể phù hợp ngay với giá trị đầu vào của bộ chuyển đổi tơng tự - số. Vì vậy ngời ta thờng dùng các bộ biến đổi và khuếch tín hiệu dòng, áp thành giá trị phù hợp. Trong rơle số thì bộ khuếch đạit hờng dùng là khuếch đại thuật toán. 4.3/ Bộ chuyển đổi tơng tự-số (ADC). Trong ADC, tín hiệu đầu vào là liên tục, tín hiệu số mã hóa ở đầu ra là rời rạc. Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu với tín hiệu tơng tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định. Sau đó chuyển các giá trị mẫu đó thành số lợng đầu ra. Vì vậy, quy trình chuyển đổi AD nói chung gồm 4 bớc: lấy mẫu, nhớ mẫu, lợng tử hóa và mã hóa thành cơ số 2. Từ 8 giá trị và áp đầu vào ( I a , I b , I c , I o và U a , U b , U c , U o ) khi qua bộ biến đổi tạo ra 11 tín hiệu liên tục ( I a , I b , I c , I o và U a , U b , U c , U o , U ab , U bc , U ca ). Chúng đợc trích và giữ mẫu với tần số N khoảng từ 8, 12, 16 lần trong 1 chu kỳ 20 ms tùy từng rơ le. Ví dụ: Rơle so lệch N = 8 Rơle khoảng cách SEL - 231 N = 16 Bộ ADC thờng có 12 bite trong đó có 11 bite dữ liệu và 1 bite dấu . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 23 Hình 1- 6: Bộ chuyển đổi tơng tự số nhiều dải đo Vì tín hiệu đầu vào biến thiên rất lớn (Dòng I nm có thể đạt giá trị 100 lần dòng định mức) nên ngời ta phải sử dụng bộ ADC 2 dải đo, dải đo với dòng nhỏ và dải đo với dòng lớn. Việc chuyển dải đo này có thể đợc thực hiện theo 2 phơng pháp là phơng pháp phần mềm hoặc phơng pháp phần cứng. Trên hình 1 - 6 trình bày sơ đồ chuyển dải đo bằng phơng pháp phần cứng, khi tín hiệu đầu vào lớn (vợt quá 3,125 lần I đm ) các bit đầu ra số của bộ chuyển đổi bị tràn, bộ chuyển đổi sẽ phát tín hiệu cờ báo để chuyển mạch trích và giữ mẫu SH sang làm việc với dải đo mới bằng cách thay đổi hệ số khuyếch đại của mạch. Khi đó mỗi bit cơ số 2 của bộ ADC sẽ có giá trị gấp 32 lần giá trị trong chế độ dải đo thấp. Trong một số rơle số do tốc độ thu thập thông tin nhanh, ngời ta phải trang bị một bộ vi xử lý và bộ nhớ riêng có công suất lớn để điều khiển vài bộ ADC. 5/ Các bộ lọc số. Tín hiệu rời rạc nhận đợc ở đầu ra của bộ chuyển đổi tiếp tục đợc xỷ lý để sử dụng cho các ứng dụng thuật toán tiếp theo. Cũng giống nh bộ lọc tơng tự, các bộ lọc số cũng có thể chia thành các nhóm sau. Lọc tần số thấp. Lọc dải. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 24 Lọc tần số cao. Lọc loại bỏ một dải tần số nào đó (lọc chắn). Có 3 chỉ tiêu cơ bản để đánh giá hoạt động của một bộ lọc số trong các ứng dụng bảo vệ và điều khiển. Truyền các thành phần cần thiết của tín hiệu với độ chính xác thỏa đáng và loại bỏ có hiệu quả tất cả các nhiễu. Tín hiệu đầu ra nhanh chóng ổn định khi tín hiệu đầu vào thay đổi mạnh. Sử dụng tối thiểu các khả năng của hệ thống nh tính toán là ít nhất . Đáng tiếc là các yêu cầu trên lại mâu thuẫn với nhau và mỗi bộ lọc đều phải hòa hợp chúng 6/ Bộ nguồn dùng cho rơle số. Ngoài tín hiệu lấy từ BI, BU để cho rơle số làm việc đợc nó phải đợc cấp nguồn từ bên ngoài. Nguồn này thờng là nguồn một chiều cấp từ ắcquy hoặc từ bộ chuyển đổi xoay chiều - một chiều (AC/DC). Trong rơle số nguồn một chiều thờng có điện áp sau: 24, 30, 48, 60, 110, 220V. Trong rơle số có bộ chuyển đổi một chiều - một chiều (DC/DC) sử dụng điện áp một chiều cao ở đầu vào để tạo ra các điện áp thấp hơn ở đầu ra phục vụ cho các mục đích khác nhau nh nuôi vi mạch số, bộ khuếch đại thuật toán, điều khiển cuộn đóng, cắt của rơle đầu ra. Mức điện áp thờng sử dụng là 5, 12, 15 và 24V. Trên hình 1- 7 giới thiệu sơ đồ khối của bộ nguồn DC/DC dùng cho rơle bảo vệ. Hình 1-7: Bộ nguồn một chiều DC/DC của Rơle số . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 25 Ngời ta cho điện áp đầu vào E b có một giá trị dã nêu ở trên. Nhờ có bộ lọc cao tần H f -f t và bộ lọc đầu vào f t , các thành phần chu kỳ bị loại bỏ. Tiếp điểm điện tử SW đợc đóng mở tùy theo tín hiệu điều khiển lấy từ bộ biến điệu theo độ rộng xung M n . Mạch áp đầu ra làm việc theo chế độ phân chia thời gian mỗi cấp áp sẽ lần lợt đợc so sánh với giá trị ngỡng, ở đây mạch ngỡng S n bao gồm điốt ổn áp và điện trở so sánh, áp sai lệch so với giá trị ngỡng sẽ đợc bộ M n biến đổi thành độ rộng xung. Bộ tạo xung/chia tần O s /D i tạo tín hiệu điều khiển sẽ mở tiếp điểm điện tử lâu hay chóng tùy thuộc vào áp vi sai. Nhờ có mạch phản hồi âm tại sơ đồ tổng hợp áp I n , áp này đơc điều chỉnh về không, khi đó điện áp ra sẽ đạt bằng giá trị ngỡng và đợc bộ khuếch đại đầu ra OP khuếch đại công suất và giữ lại trên các tụ áp đầu ra. Điện áp đầu ra 6.6 V và 19.5 V đợc các vi mạch ổn áp7805, 7815 và 7915 đa về điện áp 5 V, 15 V để đi nuôi các vi mạch số và tơng tự. Điện áp 24 V đợc đa thẳng đến cuộn đóng cắt của rơle đầu ra. Để các bộ ổn áp làm việc tốt, các điện áp ra của bộ chuyển đổi DC/DC phải cao hơn một chút so với điện áp định mức của các vi mạch ổn áp. Nếu vì nguyên nhân nào đó điện áp đầu ra bị suy giảm, bộ phát hiện giảm áp U vm sẽ phát tín hiệu cảnh báo. 7/ Cổng vào ra thông tin tuần tự. Ưu điểm nổi bật của rơle số là nó có khả năng trao đổi thông tin với thiết bị ở xa. Chức năng này đợc thực hiện thông qua giắc cắm chữ D có 9 hoặc 25 chân đặt ở mặt trớc hay mặt sau của rơle. Đó chính là các cổng vào ra thông tin tuần tự đợc nối tới bộ giao diện vào/ra thông tin số. Bộ giao diện này có những chức năng sau: Phối hợp giữa bộ phận truyền thông tindạng song song bên trong rơle số với bộ phận truyền thông tin tuần tự ở bên ngoài. Đồng bộ về mặt thời gian giữa phần thu và phần phát. Bình thờng các bộ thu và phát thuộc các thiết bị khác nhau nên thông tin trong chúngđợc truyền với tốc độ khác nhau. Vì vậy phải đồng bộ hóa chế độ làm việc của hai phía về mặt thời gian. Phối hợp về mức điện áp và mã số của tín hiệu đợc truyền. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 26 Để các thiết bị thu phát có thể làm việc có hiệu quả và không gặp rắc rối khi làm việc phối hợp, từ lâu ngời ta đã đặt ra tiêu chuẩn cho các cổng vào ra tín hiệu tuần tự trong các thiết bị số. Đó là tiêu chuẩn RS-232C, với giắc cắm chữ D dao động từ 4 đến 37 chân (4, 9, 15, 25, 37 chân). Trong các rơle số thờng dùng loại giắc cắm 9 chân và loại 25 chân. Chuẩn RS-232 quy định mức áp, tốc độ truyền và chức năng của các chân của giắc. Để truyền tín hiệu xa hơn và nối tới nhiều thiết bị đầu cuối hơn ngời ta dùng chuẩn RS-485. Nguyên lý làm việc của giao diện vào/ra số liệu tuần tự. Tín hiệu tuần tự đợc trao đổi với rơle thông qua thông tin hữu tuyến hoặc cáp quang, trong mọi trờng hợp đợc đa về dạng mã số tuần tự hoặc song song. Bộ phận chính của thiết bị giao diện là mạch thu phát vạn năng không đồng bộ UART, thực chất là bộ ghi dịch đợc chế tạo thành vi mạch chuẩn. Vi mạch này gồm 3 phần chính: đầu thu, đầu phát và mạch điều khiển. Nhiệm vụ của nó là phối hợp 2 thiết bị có xung đồng bộ khác nhau theo phơng thức gọi là thông tin liên lạc không đồng bộ. Điều này có nghĩa là các bit thông tin đợc trao đổi qua lại không kèm theo tín hiệu đồng bộ thời gian để chỉ điểm đầu và điểm cuối của gói thông tin. Trên đơng truyền các bit dữ liệu có thể bị sai lệch vì vậy, để phát hiện ra sai lệch của gói thông tin ngời ta sử dụng thêm bit chẵn lẻ (Parity) đặt ở vị trí có nghĩa cao nhất (bên trái) của bit dữ liệu. Ví dụ: Mã ASCII của chữ Alà: 1000001 Sau khi sử dụng bite chẵn lẻ có mã: 11000001 Bite chẵn lẻ là: 1 Có 2 kiểu bite chẵn lẻ là chẵn và lẻ. Nếu bit theo kiểu lẻ thì tổng các số 1 trong các bit dữ liệu cộng với bit chẵn lẻ phải là số lẻ. Nếu bite theo kiểu chẵn thì tổng các số 1 trong các bit dữ liệu cộng với bit chẵn lẻ phải là số chẵn. Bit chẵn lẻdo đầu phát tính toán và ghi lại. Đầu thu nhận dữ liệu sẽ kiểm tra bit chẵn lẻ và khi phát hiện ra lỗi sai sẽ yêu cầu đầu phát của tín hiệu ngoại vi phát lại. Trên hình vẽ giới thiệu giắc cắm 25 chân. . Đồ án tốt nghiệp Trần Văn Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 27 Hình 1 - 8: Nguyên lý làm việc của giao diện thông tin tuần tự Chân 1 và 7 nối đất, chân 2 (TD) là đờng truyền dữ liệu theo một chiều tới thiết bị bên ngoài. Các tín hiệu tuần tự đợc truyền từ đầu phát của bộ UART tới đầu vào đảo (-) của bộ KĐTT làm việc theo chế độ so sánh. Nếu tín hiệu hiện tại (-) là 5 V và cao hơn điện áp 1.5 V tại (+), điện áp đầu ra của bộ KĐTT sẽ là - 12V, tơng ứng với mức logic 1. Nếu tín hiệu vào tại (-) là 0 V và nhỏ hơn điện áp tại (+), điện áp đầu ra của bộ KĐTT sẽ là +12V, tơng ứng với mức logic 0. Chân 3 (RD) là đờng nhận dữ liệu của đầu vào tuần tự. Các tín hiệu ngoại vi truyền tín hiệu tới rơle qua chân này và điốt tạo ngỡng đến đầu vào đảo (-) của bộ Comparator. Đầu vào không đảo của nó đợc giữ ở 2V, khi điện áp vợt quá 2.5V điốt sẽ thông mạch, bộ Comparator dẫn điện theo chiều từ đầu ra tới đầu vào và điện áp đầu ra của nó tụt xuống 0V tơng ứng với mức logic 0. Khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn +2.5V, bộ Comparator sẽ không dẫn điện, điện áp ở đầu ra là +5V tơng ứng với mức logic 1. Khi tín hiệu đầu vào đổi trạng thái, đầu ra của bộ Comparator cũng thay đổi và làm cho các bit của thanh ghi dịch cung thay đổi từ D 0 đến D 7 . . . cắm 9 chân và loại 25 chân. Chuẩn RS -23 2 quy định mức áp, tốc độ truyền và chức năng của các chân của giắc. Để truyền tín hiệu xa hơn và nối tới nhiều thiết bị đầu cuối hơn ngời ta dùng chuẩn. rơle qua chân này và điốt tạo ngỡng đến đầu vào đảo (-) của bộ Comparator. Đầu vào không đảo của nó đợc giữ ở 2V, khi điện áp vợt quá 2. 5V điốt sẽ thông mạch, bộ Comparator dẫn điện theo chiều. Quỳnh - Điện 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNNI-Hà Nội 25 Ngời ta cho điện áp đầu vào E b có một giá trị dã nêu ở trên. Nhờ có bộ lọc cao tần H f -f t và bộ lọc đầu vào f t , các thành phần chu