thiết kế và chế tạo rơle bảo vệ sa thải tải theo tần số

Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết.

II Một số chủng loại Rơle thành bộ ngày nay 6

1 Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu 18

2.2 Cấu trúc bộ nhớ 24

2.5 Watchdog Timer của bộ vi điều khiển 302.6 Truy cập dữ liệu với EEPROM trong 31

3 Khối ngoại vi (LCD, Phím, RTC, EEPROM) 37

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo

vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết Ở nước ta các nhà máy ,xí nghiệp càng ngày càng nhiều ,nhu cầu tiêu thụ điện sinh hoạt của người dân càng ngày càng tăng thì vấn đề bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện lại càng trở nên cấp bách hơn Nhưng các thiết bị bảo vệ của nước ta đa số là nhập ngoại,giá thành của các thiết bị lại cao, đây là một phần nguyên nhân ảnh hưởng tới giá điện của nước ta Nếu ta tự sản xuất được thiết bị thì có thể khắc phục nguyên nhân này

Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp vừa qua,chúng em đã thiết kế và chế tạo rơle

bảo vệ “sa thải tải theo tần số” Với mong muốn đem những kiến thức đã học

của mình đóng góp một phần nhỏ vào cuộc sống ,chúng em hy vọng thiết kế này

sẽ được ứng dụng vào lưới điện của nước ta

Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Tuấn Ninh đã nhiệt tình giúp

đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này.Chúng em xin cám ơn bộ môn

Đo lường và Tin học Công nghiệp đã giúp đỡ chúng em về các thiết bị thí

nghiệm và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG IĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ

I Đặt vấn đề

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân Do đó ngành công nghiệp năng lượng đóng một vai trò rất quan trọng trong tiến trình đó Đặc biệt là ngành Điện, một ngành

có vai trò then chốt quyết định sự phát triển của các ngành kinh tế khác Để thực hiện được mục đích công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngành điện phải đi trước một bước, tạo điều kiện tiền đề để các ngành công nghiệp khác phát triển

Ở nước ta trong suốt một thời gian dài , nhiệm vụ hàng đầu của ngành điện lực là sản xuất ra điện để sử dụng, yếu tố chất lượng được đặt xuống hàng thứ hai Với chính sách đổi mớivà mở cửa của nước ta nền kinh tế phát triển nhanh

đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp bách về chất lượng dòng điện và điều này đòi hỏi ứng dụng rộng rãi hơn vào các thiết bị tự động hoá trong hệ thống điện với trình độ công nghệ ngày càng tiên tiến hơn

Rơle bảo vệ là bộ phận quan trọng trong số các thiết bị tự động hoá dùng trong ngành điện lực Chúng có vai trò bảo vệ các phần tử của hệ thống điện trong các điều kiện làm việc bất thường bằng cách cô lập các sự cố càng nhanh càng tốt thông qua các thiết bị đóng Khi sự cố xảy ra trong hệ thống mà không thực hiện các biện pháp phục hồi tức thời và có hiệu quả, từng phần hay toàn bộ

hệ thống có thể ngưng làm việc Điều này gây ra thiệt hại trực tiếp cho hệ thống điện và các hộ tiêu thụ đồng thời nhiều khi con để lại hậu quả gián tiếp lớn hơn cho nền kinh tế do việc ngưng cung cấp năng lượng gây ra Do đó những thiết bị bảo vệ này ngày càng phải được cải tiến về chức năng bảo vệ và độ tin cậy

Do điều kiện lịch sử , cho đến nay các loại rơle bảo vệ ở nước ta phần lớn

có xuất xứ từ các nước xã hội chủ nghĩa cũ (Liên Xô) Chúng thường là các loại

Rơle điện cơ, một số khác là rơle tĩnh Trong quá trình khai thác và sử dụng các loại rơle này bộc lộ ít nhiều nhược điểm như:

 Độ nhạy và độ chính xác bảo vệ chưa cao,dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

 Chi phí khai thác, sử dụng cao ( chi phí duy trì điều kiện làm việc, chi ohí kiểm tra, chỉnh lại các tham số bảo vệ thường xuyên theo định kỳ, hay thiệt hại do việc ngừng cung cấp điện do các công việc này gây ra)

 Khả năng mềm dẻo kém do các chức năng bảo vệ đã được nối cứng

 Khả năng cung cấp thông tin về hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường và khi sự cố chưa cao nên gây nhiều khó khăn cho việc xác định nguyên nhân cũng như vị trí sự cố khi nó xảy ra

 Tốc độ phát hiện và cách ly sự cố chưa nhanh

Việc áp dụng rơle số một cách đồng bộ để thay thế rơle kiều cũ cho phép khắc phục những nhược điểm trên và điều này đặc biệt tỏ ra cấp thiết đối với lưới truyền tải, nơi mà yều cầu về tốc độ thao tác của thiết bị bảo vệ ngày một trở nên gay gắt Nhưng công việc này gặp phải một số vấn đề nan giải Trước hết đó là vấn đề phải có số vốn đủ lớn để thay thế đồng loạt các rơle theo thứ tự

ưu tiên từ cấp truyền tải xuống Thực tế hiện nay, hàng năm ngành Điện đầu tư hàng ngàn tỷ đồng vào việc nâng cấp hệ thống lưới điện và trạm phân phối Để tăng được hiệu quả của đồng vốn đầu tư, ngoài việc tăng cường quản lý tài chính thì việc giảm bớt tỷ trọng thiết bị nhập ngoại cũng là một yếu tố quyết định.Các loại rơle mua của những hãng nổi tiếng của nước ngoài có giá thành rất đắt trung bình là vài ngàn đôla Mỹ, trong đó giá thành các linh kiện điện tử chỉ chiếm tỷ trọng từ 10% - 15% còn lại là giá thành của phần mềm và thiết kế Chính vì lẽ đó việc chế tạo rơle số, các thiết bị đo lường điều khiển trong nước

sẽ làm cho giá thành của thiết bị rẻ hơn, chỉ bằng 1/2 thậm chí bằng 1/3 so với giá của nước ngoài mà chất lượng vẫn đảm bảo yêu cầu

Đề tài nghiên cứu chế tạo rơle sa thải tải theo tần số trên cơ sở vi xử lý nhằm phục vụ cho mục đích chung của ngành là từng bước tiến đến chế tạo tất

cả các loại rơle dùng trong ngành

II Nhiệm vụ thư:

Với mục đích từng bước tiến đến chế tạo tất cả các loại rơle dùng trong

ngành Điện Thầy Ths Nguyễn Tuấn Ninh đã hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề

tài nghiên cứu và chế tạo rơle bảo vệ đường dây với chức năng chính như sau:

• Sa thải tải tần số

• Giao tiếp đơn giản dễ dàng với người dùng (đặt các thông số config

và setting nhanh, dễ)

• Lưu giữ lịch sử lịch sử sự cố

• Truyền tin với máy tính chủ

Mặc dù chức năng của rơle này không nhiều nhưng nó cũng mở ra một hướng đi trong lĩnh vực chế tạo rơle số dùng trong ngành Điện

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG CỦA RƠLE SỐ MỚI CÁC LOẠI SỰ CỐ BẢO VỆ CỦA RƠLE BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY PHÂN

PHỐI

I khái niệm về rơle số

Rơle số là loại khí cụ điện tử, thiết kế thành bộ từng loại để bảo vệ cho một loại thiết bị điện bằng cách đóng hay cắt nhứng máy cắt để kịp thời loại trừ một hoặc nhiều sự cố của thiết bị điện ấy

Rơle số sử dụng kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển và vi điện tử Đó là những công cụ thực hiện rất tốt những công việc cơ bản của rơle như: lọc các tín hiệu vào, đo nhanh nhiều biến (ba dòng, ba áp, thời gian, tần số và các đại lượng khác…), tính toán nhanh những xử lý phức tạp (số học, giải tích, đếm, phân tích phổ…), và so nhiều ngưỡng… có thể lưu trữ dữ liệu thu thập với khối lượng lớn

Có thể cài đặt vào máy in để in dữ liệu dạng số hay đồ thị

Rơle số có những bộ phận chính sau:

• Bộ phận đo canh:

Là chức năng đầu tiên và quan trọng nhằm đo, lọc tính ra những thông số mạch điện mà rơle phải canh Các lượng đầu vào nói chung là: dòng 3 pha, dòng trung tính , áp 3 pha, áp thứ tự zero

Số lượng đầu vào cụ thể tuỳ theo yêu cầu cụ thể của từng kiểu rơle Những lượng này khi không có sự cố thường là hình sin và cân bằng, dòng trung tính,

áp thứ tự zero bằng không Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành phần thứ tự ngược và zero Một nét đặc biệt quan trọng khác nữa là kèm theo đó thường sinh ra những thành phần quá độ tự do lớn, không chu kỳ, khiến dòng áp quá độ sự cố mất dạng hình sin

Do đó những dòng áp cần đo được :

- Biến nhỏ bằng những biến dòng CT (current transformer), biến áp

VT (voltage transformer) đặc biệt không bão hoà và dải rộng

- Lọc thông thấp ra thành phần tần số công nghiệp gồm lọc cứng khi cần kết hợp với lọc mềm, do tất cả các rơle tính toán bằng giá trị hiệu dụng hình sin của U, mà các đại lượng U,I khi sảy ra sự cố đều không có hình sin nên phải lọc để có tín hiệu hình sin Ví dụ khi đo tần số bằng phương pháp đo chu kỳ thì phải tạo ra xung vuông từ xung hình sin đi qua điểm không Do đó muốn có kết quả đo chính xác thì phải tiến hành lọc thông thấp.(Những công việc trên chủ yếu thực hiện bằng phần cứng)

Tính các biểu thức đặc trưng sự cố, so ngưỡng để phát hiện sự cố

Cắt hay không cắt trong khoảng bao nhiều thời gian (Tất cả những công việc sử lý tính toán trên được thực hiện bằng phần mềm)

• Bộ phận máy cắt : Đây là bộ phận theo dõi việc cắt máy (thời gian chuẩn bị cắt máy cắt, thời gian tác động máy cắt)

• Bộ phận đóng lại

• Bộ phận lịch thời gian

• Bộ phận ghi chép sự cố, đèn báo, còi báo

• Bộ phận đối thoại phím

• Bộ phận truyền tin, đối thoại đọc viết của PC

• Bộ phận nguồn cung cấp ổn áp một chiều hoặc từ xoay chiều

Phần lớn các bộ phận ấy chạy bằng phần mềm theo các modul:

Truyền tin

Khởi động Power – on

o Chuẩn hoá đo canh

II Một số chủng loại rơle thành bộ ngày nay.

1 Rơle bảo vệ đường dây truyền tải.

Đường dây truyền tải được chia thành các loại:

- Cao và siêu cao áp từ 200 đến 500 kV hoặc cao hơn

- Trung và cao áp 6 – 22 – 35 – 66 và 110 kV

Hình ?: Sơ đồ kết cấu của rơle số

Phím

Đèn Còi

Mạch cắt MẠCH

CHUẨN HOÁ

ADC

VI ĐIỀU KHIỂN

INT

U , I

Trong các bảo vệ đường dây cao áp và siêu cao áp bao gồm các bảo vệ chính sau:

- So dọc phương hướng và khoảng cách giữa các miền (có thể từ 3 đến 4 miền)

− Khoảng cách giữa các miền, giữa pha và từng pha

− Quá dòng 4 đoạn thứ tự không

− Báo hư hỏng biến điện áp, biến dòng, cầu chì

Các chức năng đo lường và giám sát, có thể có một vài hoặc tất cả các chức năng sau:

− Đo tổng hợp các thông số

− Báo vùng sự cố

− Ghi lại các sự cố trước đó

− Ghi lại các sự kiện(có thể từ vài chục đến 100 sự kiện trước đó)

− Giám sát dòng cắt

− Flexible oscillography (vẽ hình dáng của dòng chạm đất)

− Tự kiểm tra chuẩn đoán

− Giám sát liên tục

Giao diện người sử dụng có thể có các khả năng sau:

− Bàn phím

− Màn hình tinh thể lỏng hay LED 7 thanh

− Đèn led hiển thị trạng thái rơle

− Đèn led hiển thị trạng thái báo động

− Cổng truyền thông nối tiếp RS 232 hoặc RS 485

− Protocols ASCII hoặc tuỳ theo từng hãng chế tạo

− Đầu vào IRIG-B

2 Rơle bảo vệ đường dây phân phối.

Chức năng đo lường giám sát có thể có chức năng sau:

− Báo vùng sự cố, ghi lại sự cố

− Vận hành máy cắt khi hư hỏng

− Đầu vào tương tự

− Dòng hồ quang tổng của máy cắt

− Ghi lại các sự kiện

− Truyền thông RS 232 hay RS 485, RS 422

− Truyền thông tin bằng cáp quang

3 Rơle bảo vệ máy biến áp.

Bao gồm các bảo vệ sau:

Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau:

− Ghi lại sự kiện

− Đo và ghi lại các thông số: V, I, Hz, MVAR

− Kiểm tra và chuẩn đoán

− Phân tích thành phần điều hoà

− Biên độ nhiệt độ

− Bộ biến đổi tương tự đầu vào

Giao diện người sử dụng:

− Bàn phím

− Màn hình hiển thị thông tin

− Đèn led hiển thị trạng thái

− Cổng truyền tin RS 232, RS 485

− Truyền thông tin bằng cáp quang

4 Rơle bảo vệ động cơ.

Bao gồm các bảo vệ sau:

− Quá dòng

− Quá tải

− 8 tiêu chuẩn của đường cong quá tải

− Người sử dụng xác định đường cong quá tải mềm dẻo

− Ngắn mạch

− Chạm đất

− Nhiệt độ vòng dây Stato

− Dáng điệu của quá nhiệt độ

− Giảm công suất khi mất tải

− Cuộn dây điều khiển máy cắt điện

Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau:

− Dòng motor (ampe, % tải)

− Dung lượng nhiệt của motor

− Ghi lại giá trị trước khi cắt sự cố của motor

− Ghi lại trạng thái dữ liệu của motor

− Liên tục tự kiểm tra

− Dòng chạm đất

− Lựa chọn các loại đo chất lượng của năng lượng như: V, W, Var, Hz, MWh…

Giao diện người dùng:

− Các đèn Led chỉ thị trạng thái của motor

− Màn hình hiển thị thông tin

− Bàn phím và phím điều khiển

− Cổng truyền thông RS 232 , RS 485

− Truyền thông tin bằng cáp quang

5 Rơle bảo vệ máy phát.

Bao gồm các bảo vệ sau:

− So lệch

− Công suất ngược

− Quá dòng tức thời

− Hạn chế điện áp pha quá dòng

− Khống chế quá dòng liên tiếp

− Dáng điệu của quá nhiệt độ và độ rung

− Sự tiếp thêm năng lượng máy phát một cách không thận trọng

− Logic đóng ngắt thường xuyên

− Quá tốc độ

− Dò tìm hư hỏng máy cắt

− Dò tìm hư hỏng biến dòng

− Cuộn dây quản lý đóng cắt

Chức năng đo lường và giám sát:

− Đầu vào IRIG – B

6 Rơle bảo vệ thanh cái.

Gồm có thể có các chức năng bảo vệ sau:

− So lệch quá dòng với phần trăm hạn chế

− Ổn định điện trở

− Công suất ngược

− Chức năng nhạy cảm so lệch dòng

− Chạm đất

− Quá dòng, ngắn mạch

− Các lựa chọn chức năng báo hư hỏng máy cắt

− Các lựa chọn giám sát điều khiển quá dòng

− Cắt độc lập và báo động đầu ra

Đo lường và giám sát có các chức năng sau:

− Ghi lại sự kiện

− Giám sát các chức năng

− Đo điện áp và dòng điện

− Tự kiểm tra

− Đầu vào IRIG – B

Giao diện người dùng:

− Màn hình hiển thị và bàn phím

− Lựa chọn hệ thống bảo vệ và kiểm tra

− Truyền thông RS 232, RS 485…

− Có thể truyền thông tin bằng cáp quang

7 Rơle bảo vệ từng chức năng riêng rẽ khác.

Bảo vệ tần số, bảo vệ quá dòng, bảo vệ công suất có xu hướng, bảo vệ chạm đất…Nói chung các rơle cơ khí có loại nào thì rơle số có loại đó Xu hướng chung là tổng hợp chúng thành bộ như trên song trên thực tế vẫn còn nhiều nơi cần những bảo vệ đơn lẻ hoặc các bảo vệ để liên kết các bộ lớn, do vậy hiện nay người ta vẫn chế tạo song song hai loại

III Các loại sự cố bảo vệ của rơle số hoá bảo vệ đường dây phân phối.

Rơle số làm việc dựa trên nguyên tắc đo lường số Các trị số của đại lượng tương tự dòng, áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng và biến điện áp là những đầu vào của rơle Rơle số hoạt động theo hệ thời gian thực, cứ

50ms nó thực hiện việc đo các biến đầu vào để phát hiện sự cố trên đường dây,

nó có thể bảo vệ các loại sự cố sau:

+ Bảo vệ quá tải

+ Bảo vệ quá dòng, tự động đóng lại

+ Bảo vệ sa thải theo tần số

Khi xảy ra quá tải, nhiệt độ đường dây tải sẽ tăng lên, làm cho dây yếu đi

về mặt cơ khí, gây hư hỏng đường dây, đồng thời tăng tổn thất nhiệt trên đường dây

Do công suất yêu cầu ở Việt Nam trong những năm gần đây tăng lên nhiều, cho nên thường xảy ra tình trạng quá tải Do đó rơle trung áp này chỉ báo cho người trực biết mà không thực hiện việc cắt máy cắt

Do vậy những người trực vận hành ở các lưới điện khu vực phải theo dõi các thông số trên thiết bị và đường dây truyền tải thuộc khu vực mình quản lý để phát hiện sự cố quá tải, thông báo cho điều phối viên hệ thống điện quốc gia biết

để xử lý, đưa ra phương thức vận hành hợp lý hơn với kết cấu điện hiện tại nhằm giảm thiểu tình trạng quá tải các đường dây truyền tải

− Ngắn mạch giữa các pha với nhau.( giữa hai pha ab, bc,ca, hai ba pha abc.)

− Ngắn mạch giữa hai pha với đất, ba pha với đất.( không có ngắn mạch 1 pha với đất)

b Đối với mạng trung tính nối đất, có các loại sự cố sau:

− Chập mạch giữa các pha với nhau

− Một pha chạm đất, hai pha chạm đất, ba pha chạm đất

* Nguyên nhân của chập mạch :

Nguyên nhân chung và chủ yếu của chập mạch là do cách điện của lưới điện bị hỏng hoặc cách điện giữa các pha với nhau không đảm bảo (hoặc bị phá vỡ) Lý do cách điện bị hỏng là do già cỗi do làm việc lâu ngày, chịu tác động

cơ khí gây vỡ nát, bị tác động của nhiệt độ gây phá huỷ môi chất Xuất hiện điện trường mạnh làm phóng điện chọc thủng vỏ bọc

Những nguyên nhân tác động cơ khí có thể do con người, loài vật, hay do bão làm gãy cây đổ cột, dây dẫn chập nhau… Sét đánh gây phóng điện cũng là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng chập mạch (tạo ra hồ quang dẫn điện giữa các dây dẫn)

Chập mạch còn có thể do thao tác nhầm, ví dụ như đóng điện sau khi sửa chữa mà quên tháo dây nối đất…

* Hậu quả của chập mạch:

Chập mạch là loại sự cố nguy hiểm, vì khi chập mạch dòng điện đột ngột tăng lên rất lớn (2 ÷ 20) Iđm chạy trong các phần tử của hệ thống điện Dòng điện chập mạch có thể gây ra các hậu quả sau:

− Phần tử hư hỏng bị tia hồ quang và nhiệt lượng của dòng ngắn mạch phá huỷ Ngắn mạch càng tồn tại lâu thì mức độ phá huỷ càng lớn vì nhiệt

lượng toả ra trên một phần tử bằng Q = KI 2 Nrt.

− Sinh ra lực cơ khí lớn giữa các phần tử của thiết bị điện, làm biến dạng hoặc phá huỷ các bộ phận như: Sứ đỡ thanh dẫn…

− Gây sụt áp lưới điện, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng các phụ tải tiêu thụ điện như : làm động cơ ngừng quay…

− Gây mất ổn định hệ thống do công suất phát của các máy phát điện và công suất tiêu thụ của lưới điện bị mất cân bằng gây phá huỷ máy phát

− Tạo ra các thành phần dong điện không đối xứng, gây nhiễu các đường dây thông tin ở gần

− Khi bảo vệ tác động, nhiều phần của mạng điện bị cắt ra để loại trừ điểm ngắn mạch, vì thế làm gián đoạn việc cung cấp điện

Do các hậu quả như trên mà các sự cố chập mạch luôn được ưu tiên trước hết Khi xảy ra chập mạch, tuỳ theo điểm chập mạch xảy ra ở xa hay gần nguồn

mà có thể có dòng chập mạch lớn hay nhỏ

Chập mạch thường xảy ra bên ngoài máy cắt của các lộ Trong trường hợp đó,

hệ thống rơle của đường dây sự cố và của máy cắt tổng đều phát hiện ra sự cố (pick up) và phải đảm bảo tính lựa chọn, chỉ cắt nhanh lộ của đường dây phân phối mà không cắt ngay lộ tổng, đồng thời ở các lộ nhánh cũng phải có sự lựa chọn, lộ nào có dòng điện lớn hơn thì sẽ cắt trước

* Đóng lặp lại:

Sự cố quá dòng ( hay chập mạch trên đường dây) có thể là sự cố thoảng qua giữa các pha do sứ bị phóng điện bề mặt, do sét đánh, do gió mạnh làm dây dẫn chập nhau, vật có thể bắc qua như cành cây, rắn bò chim đậu… gây chập mạch

Khi đó với những chập mạch do vật thể lạ (cây cối, rắn rết, dây diều…)vắt qua đường dây gây ngắn mạch sẽ được loại trừ sau khi tia lửa điện (hồ quang)

đã đốt cháy vật lạ Nếu vật thể nhỏ thì dòng chập mạch lúc đó có thể đốt cháy vật thể và hết sự cố chập mạch Như vậy đa số trường hợp hỏng hóc trên đường dây tải điện trên không nếu sau kh cắt máy một khoảng thời gian đủ để cho môi trường chỗ hư hỏng khôi phục lại tính chất cách điện, ta lại đóng đường dây thì đường dây lại hoạt động bình thường, nhanh chóng khôi phục lại cung cấp điện cho hộ tiêu thụ, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn địnhcảu hệ thống Tuy nhiên nếu

vật lớn quá thì một lần đốt vật gây chập mạch đó chưa cháy hết thì cần phải tiến hành đốt nhiều làn theo chu trình:

Trip1 → t1 → close1 → Trip2 → t2 → close2 → Trip3 → t3→ close3

Số lần đóng lại người dung có thể đặt, thông thường khoảng 3 lần Nếu sau 3 lần mà vẫn phát hiện thấy có sự cố thì cắt hoàn toàn đường dây bị sự cố

3 Sự cố tần số thấp.

Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất của nguồn phát ra tức là thiếu hụt công suất làm cho tần số lưới điện giảm xuống thấp – đó là sự cố tần số thấp Khi tần số không ổn định ở 50Hz làm cho chất lượng vận hành kém đi, gây hư hỏng thiết bị như: máy phát điện bị nóng, động cơ không đồng bộ quay không đúng tốc độ…

Do đó rơle trung áp làm nhiệm vụ phát hiện tần số thấp (thấp hơn so với ngưỡng của người lập trình) thông báo cho người sử dụng biết và có thể cắt máy cắt nếu người dùng muốn

1 Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu

Rơle làm việc với những tín hiệu điện nối với hệ thống thông qua máy biến dòng biến áp Chúng còn được gọi là máy biến đổi đại lượng đầu vào hoặc máy biến đổi đo lường, có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía

hệ thống, đồng thời giảm biên độ của điện áp và dòng điện của hệ thống xuống đến những trị số chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ đo lường và điều khiển

1.1 Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp

Tín hiệu vào của rơle là áp từ: 0 ÷ 220V

LCD RTC Phím EEPROM

Hình 2: Sơ đồ khối của Relay

Rơle

U, f

Truyền tin máy tính RS 232

Mạch lọc thông thấp: Có tác dụng chặn lại những tín hiệu có tần số cao

làm méo tín hiệu hình sin với sơ đồ trên thì tần số cắt của mạch lọc là:

Lọc thông thấp

Mạch chuẩn hoá

Ura 1 chiều 5V Tần số lưới

Hình 3: Sơ đồ khối mạch lọc và chuẩn hoá Biến áp

-U 1 A

L M 3 2 4 A 3

-U 1 B

L M 3 2 4 A 5

Tc = 2Π*(R4+R5)*C1

Wc = (R4+R15)*C1

Hàm truyền đạt của mạch lọc :

4 1 1 4 3 1

4 3 3

1 1 4 1

R pC g g pC

g g g

pC g

K

+

= +

= +

=

4 1 1

1

* 3

4

R pC R

R K

+

=

Vậy ta có :

1 0

1

1

* 3

4

K K w

w R

R K

=

c

w w K

V R

R

R U

2 , 2 10

2 , 2 12 2 1

2

+

= +

=

Vậy để áp ra khỏi mạch chuyển đổi chuẩn hoá này đạt được 5V thì hệ số

khuếch đại của mạch lọc này là 3 , 2

7 , 4

15 3

4

−

= Ω

bỏ sai số do điện trở gây ra

Điện áp ra khỏi mạch lọc được đưa vào mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ sau

đó lọc san phẳng bằng 1 tụ hoá C2 = 4.7(µF)

Cũng từ điện áp ra khỏi mạch lọc này được đưa vào mạch biến đổi điện áp hình sin ra thành xung vuông có cả phần âm và phần dương Hoạt động của mạch là so sánh điện áp vào với 0 nhờ một mạch so sánh LM393

 Khi Uvào > 0 thì Ura của LM393 là +5V

 Khi Uvào < 0 thì Ura của LM393 là -5V

Tần số của xung vuông này chính bằng tần số đầu vào từ máy biến áp của mạch Để cắt bỏ phần âm của tín hiệu ta dùng một diode Vì trong đồ án này sử dụng phương pháp đo tần số bằng cách đo chu kỳ do đó tìn hiệu xung vuông tần

số được đưa vào chân ngắt INT0 để khởi động timer sau đó ta đếm thời gian của

2 lần ngắt chính là chu kỳ cần đo Và ta có tần số f = 1/T

2 Khối xử lý và điều khiển

Dòng vi điều khiển AVR là dòng xử lý 8 bit với cấu trúc havard, tập lệnh RISC với 118 lệnh, phần lớn là lệnh thực hiện trong một chu kỳ Nhằm tìm hiểu những tính năng mạnh của dòng vi điều khiển này, trong đồ án này đã sử dụng loại vi điều khiển AT90S8535 Đây là sản phẩm của hãng Atmel và nó có những đặc tính như sau:

Bao gồm:

 32 thanh ghi đa chức năng 8 bít

 Có thể đạt tới tốc độ 8 triệu lệnh/ giây với tần số đạt vào là 8 MHz

 8k bộ nhớ chưng trình flash có giao tiếp SPI ghi xoá được 1000 lần

 512 byte EEPROM ghi xoá 100,000 lần

 512 byte SRAM trong

Chức năng ngoại vi gồm có :

 1 ADC 10 bit 8 kênh

 2 Timer 8 bit các tần số định trước, và chế độ so sánh

 1 Timer 16 bit với tần số định trước có chế độ compare và capture

 Lập trình cho watchdog timer với tần số trên chíp

 Có bộ so sánh tưng tự trên chíp

Và có một số chức năng đặc biệt khác như :

 Khởi động bằng mạch khởi động.

 Có mạch Realtime clock với mạch dao động riêng và chế độ đếm

 Các nguồn ngắt trong và ngắt ngoài

 Ba chế độ ngủ: Idle, power save, power down

2.1 Cổng vào ra song song:

Vi điều khiển AT90S8535 có 4 cổng và ra song song đó là PortA, PortB, PortC, PortD Mỗi cổng của AVR có 3 thanh ghi đó là thanh ghi điều khiển hướng vào ra của dữ liệu (Data Direction Register), thanh ghi dữ liệu (Data Register), và thanh ghi PIN (Port Input Adress) khi đọc dữ liệu vào từ port thì ta chỉ việc đọc giá trị từ PIN

Port A: Là cổng 8 bit 2 chiều Các chân của cổng có sẵn điện trở treo cao bên trong Đệm đầu ra cổng A có dòng sink 20mA và có thể điều khiển LED trực tiếp.Port A cũng có thể được dùng như các đầu vào của ADC Các chân cổng A là 3 trạng thái khi Reset, và khi không có clock

Port B Là cổng 8 bit 2 chiều Các chân của cổng có sẵn điện trở treo cao bên trong Đệm đầu ra cổng A có dòng sink 20mA và có thể điều khiển LED trực tiếp Các chân cổng B còn có các chức năng khác như :

Các chân Chức năng

PB0 T0 (đầu vào ngoài của T/C 0)

PB1 T1 (đầu vào ngoài của T/C 1)

PB2 AIN0(đầu vào dương của bộ so sánh tương tự)

PB3 AIN1(đầu vào âm của bộ so sánh tương tự)

PB4 SS (SPI slave select input)

PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)

PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)

PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock)

Port C: Là cổng 8 bit 2 chiều vào ra, các thanh ghi điều khiển là DDRC, PORTC, PINC Cũng như các cổng khác bộ đệm vào của port C có khả năng hút dòng tới 20mA nên có thể điều khiển trực tiếp LED Còn hai chân PC6 và PC7

được nối với một bộ tạo dao động thạch anh 32.768 kHz để làm tần số hoạt động cho timer2 hoạt động như một bộ RTC Khi đó hai chân này không còn chức năng là chân vào ra của cổng này nữa.

Port D Là cổng 8 bit 2 chiều vào ra, các thanh ghi điều khiển là DDRD, PORTD, PIND Cũng như các cổng khác bộ đệm vào của port C có khả năng hút dòng tới 20mA nên có thể điều khiển trực tiếp LED Ngoài ra các chân của Port D còn có các chức năng khác như sau:

PD4 OC1B (Timer/Counter1 output compare B match

output)PD5 OC1A (Timer/Counter1 output compare A match

output)PD6 ICP (Timer/Counter1 input capture pin)

PD7 OC2 (Timer/Counter2 output compare match output)

2.2 Cấu trúc bộ nhớ:

Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ Flash, dung lượng là 8k, được tổ chức 4kx16 bit Bộ nhớ chương trình được truy nhập theo từng chu kỳ đồng hồ, và một lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh Thanh ghi lệnh nối với tệp 32 thanh ghi bằng cách lựa chọn xem thanh ghi nào sẽ được ALU sử dụng để thực thi lệnh Lối ra của thanh ghi lệnh được giải mã bằng bộ giải mã lệnh để quyết định chọn tín hiệu nào sẽ được kích hoạt để hoàn thành lệnh hiện tại

Bộ nhớ chương trình bên cạnh các lệnh lưu trữ, cũng chứa các vector ngắt bắt đầu từ địa chỉ $0000h Chưong trình hiện tại sẽ bắt đầu ở vị trí phía bên kia vùng dùng cho các vetor ngắt AVR có 13 vector ngắt như sau:

Địa chỉ Vector Giải thích

$0001 EXT_INT0 ;IRQ0 handler

$0003 ETIM_CAPT ;Timer1 capture handler

$0004 TIM1_COMA ;Timer1 compareA handler

$0005 TIM1_COMB ;Timer1 compareB handler

$0006 TIM1_OVF ;Timer1 over flow handler

$0007 TIM0_OVF ;Timer0 oveflow handler

$0008 SPI_STC ;SPI transfer complate handler

$0009 UART_RxC ;UART Rx complate ;handler

$000A UART_DRE ;UART UDR empty handler

$000B UART_TxC ;UART Tx complate handler

$000C ANA_COMP ;Analog compare handler

Bộ nhớ dữ liệu có tất cả 5 phần khác nhau:

 Một tệp thanh ghi (register file) với 32 thanh ghi 8 bit từ R0÷R31

 64 thanh ghi vào ra (I/O), mỗi thanh 8 bit

 Bộ nhớ SRAM bên trong, có dung lượng 512 byte Bộ nhớ SRAM được sử dụng cho ngăn xếp cũng như để lưu trữ các biến Trong thời gian ngắt và đoạn gọi chưng trình con, giá trị hiện tại của con trỏ chưng trình được lưu trữ trong ngăn xếp Kích thước của ngăn xếp phụ thuộc vào SRAM trên chip Vị trí của ngăn xếp được chỉ bởi con trỏ ngăn xếp Con trỏ ngăn xếp là thanh ghi có độ dài 2 byte Con trỏ ngăn xếp cần được khởi tạo sau khi reset, và trước khi ngăn xếp được sử dụng

 Bộ nhớ SRAM bên ngoài, sử dụng các cổng để truy nhập bộ nhớ và

dữ liệu bên ngoài

 EEPROM được truy nhập theo bn đồ bộ nhớ riêng AVR 908535 có

512 EEPROM, địa chỉ bắt đầu từ $000 Việc đọc EEPROM diễn ra nhanh hơn việc ghi vào có thể ghi được 100,000 lần

2.3 Một số thanh ghi của AVR AT90S8535:

 Thanh ghi trạng thái SREG:

Thanh ghi trạng thái có 8 bit cờ đóng vai trò báo hiệu trạng thái hiện tại của

bộ xử lý Tất c các bit đó được xoá khi reset và có thể được đọc và ghi bởi chương trình

H : half carry flag Chỉ cho thấy sự nhớ một nửa trong một số lệnh số học

S : sign flag Bit này là kết quả của EXOR giữa cờ phủ định N và cờ tràn Overflow

 Thanh ghi con trỏ ngăn xếp

Thanh ghi này có độ rộng 2 byte được gọi là SPH và SPL Bởi vì SP được khởi tạo bằng $0000 khi reset nên chương trình người dùng cần khởi tạo SP cho thích hợp vì địa chỉ bắt đầu của Interal SRAM dùng làm ngăn xếp bắt đầu từ

$60

 Thanh ghi che ngắt chung GIMSK

GISMK general Interupt Mask Register được sử dụng để cho phép hoặc cấm các ngắt ngoài riêng biệt bằng cách đặt lại các bit có liên quan Đồng thời khi đó bit I trong thanh ghi SREG được set bằng 1 thì ngắt mới được xảy ra.

 Thanh ghi cờ ngắt chung GIFR

General Interupt Flag Register chỉ báo cho thấy nếu một ngắt đã xuất hiện Nếu một ngắt ngoài xuất hiện thì cờ INT tương ứng trong GIFR được đặt thành 1.Thanh ghi này điều khiển cho phép hay cấm ngắt ngoài INT0 hay INT1 thông qua hai bit 7,6 của thanh ghi này

- Thanh ghi điều khiển toàn cục MCUCR

Các bit trong thanh ghi điều khiển toàn bộ vi điều khiển (MCU Control Register) Điều khiển các chế độ cho phép hay cấm truy nhập bộ nhớ ngoài, chế

độ ngủ, và điều khiển sự phát hiện ngắt ngoài

Bit 7: SRE cho phép SRAM ngoài

Bit 6: SRW bit trạng thái chờ truy nhập SRAM ngoài

Bit 5: SE cho phép ngủ

Bit 4: SM chế độ ngủ SM=1 là chế độ ngủ, SM=0 chế độ gim dòng tiêu thụ

Bit 3,2: ISC11, ISC10 bit điều khiển nhạy cm ngắt (ngắt theo sườn hay mứcBit 1,0: ISC01, ISC00 chọn ngắt ngoài theo sườn hay mức, tích cực thấp hay cao

 Thanh ghi trạng thái bộ xử lý MCUSR

Cung cấp thông tin về nguồn tín hiệu reset (reset ngoài hay reset do watchdog timer)

 Thanh ghi TIMSK

Đây là thanh ghi điều khiển cho phép ngắt của Timer/Counter

OCIE2 : Timer/Counter2 output compare match interrupt enable

TOEI2 : Cho phép ngắt tràn của Timer/Counter2

TICIE1: Cho phép ngắt Input Capture của Timer/counter1

OCIE1A: Cho phép ngắt Output compareA của Timer/counter

OCIE1B: Cho phép ngắt Output compareB của Timer/counter

TOIE1: Cho phép ngắt tràn của Timer/counter1

TOIE0: Cho phép ngắt tràn của Timer/counter0

 Thanh ghi cờ ngắt timer TIMSK (Timer/counter Interrupt Flag)

OCF2: Cờ ngắt output compare của Timer/counter2

TOV2: Cờ ngắt tràn của Timer/counter 2

ICF1 : Cờ ngắt Input capture của Timer/counter1

OCF1A: Cờ ngắt Output compareA của Timer/counter1

OCF1B: Cờ ngắt Output compareB của Timer/counter1

TOV1 : Cờ ngắt tràn của Timer/counter1

TOV0 : Cờ ngắt tràn của Timer/counter0

2.4 Timer/Counter của AVR 908535

AVR 908535 cung cấp 3 Timer trong đó có 2 timer/counter 8 bit và T1 và

1 Timer 16 bit Timer/Counter2 có thể lựa chọn tín hiệu đồng hồ từ nguồn dao động ngoài Nguồn dao động ngoài tối ưu cho T2 là có tần số 32.768 MHz, nó

có thể cho phép T2 hoạt động như mạch đồng hồ thời gian thực (RTC) T0,T1 lựa chọn tần số chia trước từ cùng một bộ chia tần 10 bit T2 sử dụng bộ chia tần riêng Những Timer/Counter này có thể hoạt động như Timer với tín hiệu đồng

hồ bên trong hoặc như những Counter với đầu vào tín hiệu bên ngoài

Từ sơ đồ của mạch chia tần dùng cho T2 ta thấy nguồn tín hiệu cho bộ chia tần này là PKC2 mặc định nối với đồng hồ của hệ thống(CK) Để T2 hoạt động như mạch RTC thì ta set bit AS2 trong thanh ghi ASSR, khi đó bộ chia tần của T2 lấy xung clock để hoạt động từ chân PC6(TOSC1) Khi AS2=1 thì chân PC6 và PC7 được ngắt ra khỏi cổng C và được sử dụng để nối bộ dao động riêng cho T2 Bộ dao động này thường có tần số 32.768MHz

 8 bit-Timer/Counter 0:

Timer/Counter 0 8 bit có thể chọn tín hiệu clock từ đồng hồ hệ thống (CK), hay từ chân ngoài Thanh ghi dùng để điều khiển T0 8 bit là TCCR0 Cờ báo tràn nằm trong thanh ghi cờ tràn TIFR Việc cho phép và cấm ngắt đối với T0 được tìm thấy trong thanh ghi TIMSK Khi T0 được giữ nhịp từ bên ngoài, thời gian cực tiểu giữa hai lần xảy ra sự chuyển mức tín hiệu đồng hồ ít nhất cũng phi bằng 1 chu kỳ xung đồng hồ bên trong CPU Tín hiệu giữ nhịp bên ngoài được lấy mẫu theo sườn dương bằng xung đồng hồ bên trong CPU Bộ Timer/Counter0 8 bit thể hiện cả độ phân giải cao lẫn độ chính xác cao và luôn

ưu tiên số chia tần số thấp hơn

 16 bit-Timer/Counter 0:

Timer/Counter 16 bit có thể lựa chọn xung clock nguồn từ Ck hoặc từ chân bên ngoài Các tín hiệu điều khiển T1 nằm trong thanh ghi TCCR1A và TCCR1B, các trạng thái khác cũng tìm thấy trong hai thanh ghi này như: cờ

tràn, compare match và capture event Việc cho phép và cấm ngắt nằm trong thanh ghi interupt Mask register TIMSK Khi T1 được giữ nhịp từ bên ngoài, tín hiệu bên ngoài được đồng bộ với tần số dao động của CPU, thời gian cực tiểu giữa hai lần xy ra sự chuyển mức tín hiệu đồng hồ ít nhất cũng phi bằng 1 chu

kỳ xung đồng hồ bên trong CPU Tín hiệu giữ nhịp bên ngoài được lấy mẫu theo sườn dưng bằng xung đồng hồ bên trong CPU Bộ Timer/Counter1 16 bit thể hiện cả độ phân giải cao lẫn độ chính xác cao và luôn ưu tiên số chia tần số thấp hơn

Timer/Counter1 16 bit còn có chức năng output compare sử dụng thanh ghi output compare register 1A và B (OCR1A ,OCR1B) dữ liệu nguồn nằm trong thanh ghi này được so sánh với nội dung của T1 T1 cũng có thể sử dụng các chế độ điều chế độ rộng xung 8,9,10 bit Chức năng Input capture cho phép lấy nội dung của T1 vào thanh ghi ICR1 Thanh ghi điều khiển timer/counter 1 (TCCR1B) sẽ quy định các sự kiện capture

 8 bit-Timer/Counter 2:

Nguồn xung clock của T2 là PCK2 hay bộ chia tần riêng của T2 Việc điều khiển hoạt động của T2 thông qua thanh ghi TCCR2 Cờ tràn và cờ compare match nằm trong thanh ghi trạng thái ngắt TIFR Việc cho phép hay cấm ngắt thông qua thanh ghi TIMSK Trong chế độ so sánh T2 dùng thanh ghi OCR2 làm nguồn dữ liệu để so sánh với nội dung của timer/counter Timer/Counter 2 cũng có thể dùng ở chế độ điều chế độ rộng xung 8 bit

2.5 Watchdog Timer của AVR 908535