Управляющий модуль устройства проверки автоматических выключателей первичным током

В состав устройства входят: блок регулировочный, блок трансформаторный (1 или 2 шт.). Регулировочный блок предназначен для выдачи регулируемого напряжения питания трансформаторных блоков, а также для измерения параметров испытываемого оборудования. Блок трансформаторный представляет собой силовой трансформатор, предназначен для трансформации регулируемого напряжения, поступающего с блока регулировочного, в ток большой величины. Максимальный выходной ток трансформаторного блока составляет 15 кА, двух - 30 кА.

Блок регулировочный состоит из регулируемого источника напряжения, построенного на автотрансформаторах Т1 с делителем и Т2 с регулированием выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью переключателей «Грубо» и «Точно»; встроенного вольтметра и цифрового секундомера; встроенного килоамперметра первичного тока РА1 и встроенного амперметра вторичного тока РА2 . При помощи автоматического выключателя SA1 на схему подается напряжение питающей сети 380В, 50 Гц, и устройство переходит в режим готовности. Схема управления, измерения и индикации производит включение и отключение силовой схемы с помощью симмисторного ключа VS1, в момент перехода напряжения питания через ноль. Это позволяет обеспечить отсутствие апериодической составляющей и искажений формы выходного тока.

Рисунок 1.1 - Структурная схема РЕТОМ-30КА

Напряжение питания подается на регулировочный автотрансформатор Т2, через делительный автотрансформатор Т1. С помощью автотрансформатора Т1 и переключателя SA1 выбирается напряжение необходимое для режима работы: полное напряжение сети - для испытаний автоматических выключателей, пониженное - для предварительной установки тока.

При режиме предварительной установки тока по нагрузке протекает ток в десятки раз меньший устанавливаемому току, поэтому не происходит перегрева нагрузки. При этом на индикаторе отображается не реальный ток, а тот, который будет протекать при переключении в режим «Работа». Точность предварительной установки тока напрямую зависит от линейности цепи нагрузки.

Автотрансформатор Т2 имеет ряд отводов, соединенных с переключателями «Грубо» и «Точно», с помощью которых осуществляется ступенчатая грубая и плавная регулировка напряжения, пропорционального току нагрузки, на выходе XS1 («0…380В»).

Регулируемое напряжение с выхода автотрансформатора Т2 через розетку XP1 поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов блоков трансформаторных. Силовой трансформатор блока трансформаторного имеет две одинаковые выходные обмотки, на каждой из которых установлено по одному токовому датчику. Токовые датчики подключены к схеме измерителя, с выхода которого напряжения, пропорциональные выходным токам обмоток, поступают на вход килоамперметра РА1. Килоамперметр PA1 производит сложение или усреднение измеренных токов в зависимости от режима измерения, определяемого способом соединения обмоток трансформаторных блоков.

В данном дипломном проекте будет подробнее рассмотрен управляющий модуль регулировочного блока, с помощью которого происходит включение и отключение силовой схемы, измерение параметров и их индикация.

1.2 Обзор аналогов устройства и управляющего модуля

Устройство РЕТОМ-30КА имеет ряд российских и зарубежных аналогов:

устройство для проверки токовых расцепителей автоматических выключателей УПТР-2МЦ (ООО «НПФ «Энергострой», г. Москва);

устройство прогрузки автоматов защиты УПА (ООО "ПРОМТЕХЭНЕРГО", г.Кировоград);

многофункциональная система для проверки трансформаторов тока, трансформаторов напряжения, силовых трансформаторов, всех типов реле защиты, счетчиков энергии и датчиков Т/3000 (ЗАО «Чебоксарская электротехническая компания», г. Чебоксары);

система испытания первичным током ODEN AT (фирма «GE ENERGY Programma Electric AB», Швеция).

Рассмотрим подробнее два из вышеперечисленных аналогов.

Устройство для проверки токовых расцепителей автоматических выключателей УПТР-2МЦ разработано ООО «НПФ «Энергострой», г. Москва. Оно предназначено для проверки характеристик электромагнитных, тепловых и электронных расцепителей автоматических выключателей переменного и постоянного тока посредством подачи определённой величины синусоидального тока частоты 50 Гц на расцепитель и замером времени его прохождения. Кроме того, УПТР-2МЦ может быть использован для проверки релейных защит.

Устройство состоит из двух блоков: регулировочного и нагрузочного. В регулировочном блоке находится регулятор напряжения, схема синхронизации подачи измерительного тока и измерительный комплекс. В нагрузочном блоке собраны нагрузочный и измерительный трансформаторы.

УПТР-2МЦ может генерировать ток величиной 13500 А. У РЕТОМ-30КА эта величина более чем в два раза больше.

Кроме этого РЕТОМ-30КА превосходит УПТР-2МЦ в 2 раза по массе, в то время как по габаритным размерам он не намного больше.

Зарубежный аналог ODEN AT - устройство контрольно-измерительное для испытаний первичным током. Оно разработано шведской фирмой «GE ENERGY Programma Electric AB».

Устройство ODEN AT предназначено для использования в среде высоковольтной коммутационной аппаратуры и в промышленной среде, а также для лабораторных и тестовых целей. Среди возможностей ODEN AT можно выделить следующие: тестирование оборудования релейной защиты, тестирование низковольтных выключателей со встроенной функцией отключения при перегрузке по току, определение коэффициента трансформации для трансформаторов тока.

ODEN AT состоит из блока управления, оборудованного панелью управления, который может быть подсоединен к одному, двум или трем блокам тока. Устройство так же, как и РЕТОМ-30КА, включает в себя несколько нагрузочных блоков, что позволяет генерировать переменный ток некоторым количеством комбинаций ток/напряжение.

ODEN AT может генерировать ток величиной 21000 А. В особых случаях максимальный ток может достигать 21900 А. Величина этого параметра меньше, чем у РЕТОМ-30КА.

Блок управления контролирует генерацию тока токовыми блоками. Он оборудован сложной аппаратурой измерения. Аналогично РЕТОМ-30КА блок управления ODEN AT включает в себя измерительную секцию, содержит таймер, цифровой амперметр, дополнительный канал для измерения напряжения и вторичного тока, средства для измерения фазового угла и коэффициента мощности.

Управляющий модуль предоставляет следующие возможности:

непосредственное отображение коэффициента трансформации трансформатора тока;

значения тока и напряжения при необходимости могут быть выражены как процент от номинальных значений;

быстродействующая функция фиксирования. Измеренные значения могут быть зафиксированы в ответ на появление сигнала на входе останова и/или при прерывании тока.

ODEN AT позволяет начать генерацию в любое время; повторить измерение, просто нажав кнопку, при этом не требуется сбрасывать показания дисплея; сохранить десять различных установок для устройства в десяти различных ячейках памяти.

Таким образом, принципиально шведский аналог не отличается от РЕТОМ-30КА, хотя имеет некоторые преимущества и недостатки по сравнению с нашим устройством. К достоинствам РЕТОМ-30КА можно отнести величину генерируемого тока, контроль наличия апериодической составляющей, синусоидальность подаваемого тока, точность измерений.

1.3 Анализ и выбор элементной базы

От выбора элементной базы зависит эффективность и надежность разработки устройства, а также затраты на его производство.

При выборе элементов необходимо оценить большое количество различных факторов и выбрать из множества аналогов именно тот, который подходит для нашей разработки по характеристикам и по цене.

1.3.1 Микроконтроллер

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений при разработке управляющего модуля.

Для снижения стоимости устройства необходимо выбрать менее дорогой микроконтроллер, который в то же время должен удовлетворять требованиям устройства по производительности, надежности, условиям применения и т.д. На производительность системы может сильно повлиять выбор прикладного языка программирования (высокого уровня вместо ассемблера).

Микроконтроллеры можно разделить на 8, 16 и 32-разрядные по размеру их арифметических и индексных регистров. В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разрядные микроконтроллеры.

Некоторые микроконтроллеры, в основном ранних разработок, имеют узкий диапазон допустимой тактовой частоты, в то время как другие могут работать вплоть до нулевой частоты. Тактовая частота определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. С повышением тактовой частоты увеличиваются вычислительная мощность, потребляемая мощность и стоимость устройства. Цена системы при повышении частоты увеличивается из-за стоимости не только микроконтроллера, но также и всех требующихся дополнительных микросхем, таких как RAM, ROM, PLD и контроллеры шины.

За счет достижения более высокого уровня интеграции и надежности при сохранении низкой цены все микроконтроллеры оснащены встроенными дополнительными устройствами, такими как устройства памяти, порты ввода/вывода (I/O), таймеры, системные часы/генератор, которые выполняют определенные функции под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера. Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM) и электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM) память.

Таймеры включают в себя часы реального времени и таймеры прерываний. Следует принимать во внимание диапазон и разрешение таймера, так же как и другие подфункции, такие как функции сравнения и/или захвата входных линий при измерении длительности сигнала.

Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD).

Другими, реже используемыми, встроенными ресурсами являются внутренняя/внешняя шина, таймер слежения за нормальным функционированием системы, сторожевая схема, система обнаружения отказов тактового генератора, возможность выбора конфигурации памяти и системный интеграционный модуль (SIM).

Технология интеллектуального управления энергопотреблением

Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.

Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.

Для этого используется сочетание аппаратных и программных компонентов, совместно выполняющих динамическое управление напряжением питания («power scaling») по технологии интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM.

Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах, но недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.

Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM

Микроконтроллерное ядро ARM было разработано английской компанией «Advanced RISC Machines» (ARM), организованной в 1990 году. В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разрядных встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разработчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров. В настоящее время разработано шесть основных семейств: ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10, ARM11 и SecurCore. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale и StrongARM.

Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребление 1 мкВт/МГц.

Проведем сравнительную характеристику наиболее известных микроконтроллеров, основанных на ядре ARM7TDMI: TMS 470 (Texas Instruments), AT91 (Atmel), Micro Converter (Analog Device), LPC2000 (Philips).

Наиболее преуспевающей в разработке аналоговой периферии можно считать компанию Analog Device, которая производит 12-разрядные АЦП и ЦАП класса 1МГц.

Компания Atmel разработала АЦП класса 2ГГц, но еще не интегрировала его в 32-разрядный микроконтроллер. Но у микроконтроллеров Atmel есть и преимущества: экономичность, низкая стоимость и тот факт, что при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера требуется только подача одного напряжения питания.

Для микроконтроллеров Texas Instruments характерна избыточная представительность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов.

Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) отличаются наличием УАПП, совместимого со стандартным УАПП 16C550, а также наличием модемного интерфейса и режима аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips есть микроконтроллеры с расширенным температурным диапазоном -40…+105°C. Кроме того, в микроконтроллерах Philips LPC-2141-2-4-6-8 имеется интерфейс USB 2.0. Таким образом, из всех перечисленных микроконтроллеров LPC2000 являются наиболее оптимальными по рассматриваемым критериям.

Для разрабатываемого управляющего модуля устройства РЕТОМ-30КА был выбран микроконтроллер LPC2148 фирмы Philips Semiconductor, разработанный на базе 32-разрядного ядра ARM7TDMI-S.

Основные характеристики микроконтроллера:

40 Кбайт статической памяти RAM;

512 Кбайт памяти программ Flash;

32 Кб ОЗУ;

программирование Flash в двух режимах - In-System/In-Application Programming (ISP/IAP);

USB 2.0 Full Speed Device контроллер с 8 Кбайт встроенной памяти RAM доступной для USB через DMA;

два 10-разрядных АЦП со временем преобразования 2.44мкс на канал;

один 10-разрядный ЦАП;

два 32-разрядных таймера/счетчика с 4 каналами захвата/сравнения;

6-канальный ШИМ (PWM);

сторожевой таймер (watchdog);

часы реального времени (RTC) с независимым питанием и источником тактирующих импульсов (32 кГц);

два UART (16C550), два I2C (400 Кбит/с), SPI и SSP;

контроллер векторных прерываний с возможностью конфигурирования приоритетов и адресов векторов;

до 45 выводов общего назначения, толерантных к 5В;

частота работы ядра 60МГц, достигается с помощью ФАПЧ (PLL);

встроенный осциллятор, функционирующий с внешним кристаллом (1-30МГц) и внешним осциллятором (до 50МГц);

режимы энергопотребления - Idle mode и Power-down mode;

Страницы: 1, 2, 3