CC BY
19
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
3. Кондрашов В.Е., Королев С.Б. MATLAB как систе- 7. ма программирования научно-технических расчетов.
М. : Мир, 2000. 380 с.
4. Потемкин В.Г. MATLAB 6: среда проектирования инженерных приложений. М. : Диалог-МИФИ, 2003. 360 с.
5. А.с. 1670625 СССР. Способ определения активного сопротивления изоляции и емкости относительно 8. земли трехфазной сети с изолированной нейтралью / Е.Ф. Цапенко, Ю.Г. Бацежев, В.И. Петуров и др. ; опубл. 15.08.1991, Бюл. № 30. 4 с.
6. Пичуев А.В., Петуров В.И., Суворов И.Ф. Влияние 9. нестационарных режимов на электробезопасность при эксплуатации электрооборудования горных предприятий. М. : Горная книга, 2011. 326 с.
Петуров В.И., Дагбаев Б.Ц. Оценка погрешности способа измерения параметров сопротивления изоляции в сетях напряжением 6, 10 кВ. // Электроэнергия от получения и распределения до эффективного использования: материалы Всероссийской научно-технической конференции. Томск : ТПУ, 2010. С. 140-141.
Цапенко Е.Ф., Случевский Ю.Н. Использование вольтметра для определения параметров изоляции фаз в сети с изолированной нейтралью до 1000 В // Измерительная техника. 1983. № 2. С. 33-35. Петуров В.И. Исследование и разработка способов и средств контроля параметров изоляции рудничных электрических сетей : дисс ... канд. техн. наук / В.И. Петуров ; Моск. горн. ин-т. М., 1992. 120 с.
УДК 621.316.9 Пильцов Михаил Владимирович,
аспирант кафедры автоматизации и электроснабжения промышленных предприятий, Ангарская государственная техническая академия, тел. 89041366683, e-mail: mpilcov@yandex.ru
ПРОВЕРКА СТАБИЛЬНОСТИ ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ ЦИФРОВОЙ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
M. V. Pilcov
DIGITAL THERMAL PROTECTION RESPONSE TIME STABILITY CHECK
Аннотация. В статье рассматривается реализация цифровой тепловой защиты на основе 8-битных микропроцессоров семейства AVR и датчика тока ACS712. Данная функция базируется на разработанных ранее математической модели защищаемого объекта и адаптивном алгоритме защиты. На реализованном блоке проводились эксперименты по проверке точности времени срабатывания. Для проведения данного эксперимента были разработаны цифровой секундомер, реализованный на микропроцессоре ATMega 8 и цифровом знакосинтезирую-щем индикаторе LM016L, а также блок управляемой нагрузки, реализованный с использованием ламп накаливания разной мощности, которые подключались параллельно друг к другу. Анализ экспериментальных данных показал, что погрешность времени срабатывания не превышала 1 % в диапазоне времени 0,5-500 секунд. Учитывая то, что современные цифровые автоматы допускают погрешность времени срабатывания ±10 %, можно говорить о большой перспективности разрабатываемой защиты.
Ключевые слова: тепловая защита, автоматический выключатель, цифровой расцепитель, перегрузка.
Abstract. The article discusses the implementation of a digital thermal protection based on 8-bit AVR family of microprocessors and current sensor ACS712. This function is based on a previously developed mathematical model of the protected object and adaptive protection algorithm. On the realized block experiments were performed to verify the accuracy of the response time. To conduct this experiment digital stopwatch implemented on a microprocessor ATMega 8 and digital indicator LM016L were designed, as well as driven load block, implemented using incandescent lamps of different power connected in parallel to each other. Analysis of experimental data showed that the response time error did not exceed 1 % in the range of 0,5-500 seconds. Given that modern digital machines allow time accuracy of ± 10 %, we can talk about the great prospects of the developed protection.
Keywords: thermal protection, circuit breaker, digital release, overload.
Введение
Важнейшей характеристикой автоматического выключателя является точность времени срабатывания тепловой защиты. Варьирование данного параметра в широких пределах может привести к выходу из строя объектов защиты, повреждению изоляции и проводников, которые будут подвержены тепловому воздействию электрического тока.
Принцип обеспечения тепловой защиты в этих устройствах основан на использовании биметаллической пластинки в качестве чувствительного элемента. Она представляет собой соедине-
ние двух хорошо проводящих ток металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения. При её нагреве металлы начинают расширяться, что приводит к изменению формы пластинки, и она прогибается в сторону металла, чей коэффициент расширения меньше. Меняя свою форму, пластинка приводит в действие механизм свободного расцепления, и происходит разрыв защищаемой цепи.
Современный уровень развития цифровой техники позволяет реализовать защиту от перегрузки без использования дорогого и неточного биметалла. При таком подходе тепловая защита
реализуется на использовании датчика тока и микроконтроллера управления. Предполагается, что температура защищаемого объекта определяется косвенно, через протекающий ток.
В работах [1, 2] выведена и предложена следующая математическая модель, описывающая нагревание защищаемого объекта электрическим током произвольной формы:
ёх Б -Х-х
- + -
■ = Я - г С),
(1)
ё О - с
где х - перегрев тела; Б - площадь тела; О -масса тела; / - время; с - удельная теплоемкость; Я - электрическое сопротивление; Х - коэффициент рассеяния тела (определяет способность тела отдавать тепло в окружающее пространство и численно равен количеству тепла, рассеиваемого в единицу времени единицей площади, при нагреве тела относительно температуры среды на 1 градус Цельсия).
Также экспериментально установлено, что довольно простая модель (1) позволяет определять температуру защищаемого проводника с погрешностью, которая не превышает 3 С.
В работе [3] разработан и предложен алгоритм тепловой защиты, основывающийся на модели (1) и методе Рунге - Кутты 4-го порядка. Расчетные формулы данного алгоритма имеют следующий вид:
к1 = к-
Я Т2 ■-1 - а-х
О - с '
к2 = к -
к 3= к ■
к4 = к -
Я т2 /- к, —-£1 -а- (х, + ^ _ О - с 2
Я т2 /- к2.
7;---а- X +
О - с 2
Я
Ос
2 - а - (хг + к3)
X+1 = Хг +
(к, + 2 - к2 + 2 - к3 + к4) 6
где ^.. .к4 - коэффициенты метода Рунге - Кутты; 1г - массив измеренных значений тока; а = Б - Х/О - с - коэффициент уравнения; к - шаг метода.
Метод Рунге - Кутты был выбран в качестве основы алгоритма по следующим причинам:
- несмотря на то, что данный метод требует в 5 раз больше вычислений, чем метод Эйлера, все операции представлены простыми арифметическими действиями, которые современные микропроцессоры и ПЛИС выполняют за малое число тактов;
- поскольку автомат защиты, как правило, работает очень продолжительное время без перезагрузки,
происходит неизбежное накопление погрешности. Для выбранного метода данная погрешность будет минимальна, что является очень важным фактором, обеспечивающим надежное функционирование устройства в продолжительном режиме.
1. Постановка цели исследования
Разработанная математическая модель и полученный на её основе алгоритм тепловой защиты позволяют получать время-токовые характеристики, которые наиболее оптимально описывают тепловые процессы в объекте защиты. Однако необходимо экспериментально проверить, насколько стабильным будет время отключения при реализации данного алгоритма на существующей элементной базе.
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо решить следующий ряд задач:
- определить диапазон времени срабатывания тепловой защиты, который будет проверяться экспериментально;
- разработать установку управляемой нагрузки, которая позволит изменять ток нагрузки с некоторым шагом;
- разработать секундомер, позволяющий с высокой точностью фиксировать моменты времени срабатывания защиты;
- реализовать разработанный алгоритм защиты на базе 8-битного микроконтроллера управления и датчика тока.
2. Разработка экспериментальной установки
Анализ существующих автоматов защиты, работающих в диапазоне номинальных токов от 0,5 до 1600 А, показывает, что время срабатывания тепловой защиты лежит в диапазоне от 500 до 0,5 секунд, это так называемый активный участок её работы. В данном диапазоне времени и будет проводиться эксперимент.
Для тестирования тепловой защиты автомата, имеющего номинальный ток, равный 40 А, требуется установка, способная выдавать токи от 0 до 400 А. Данное обстоятельство весьма затруднительно, поскольку требует дорогостоящих нагрузочных трансформаторов и устройств проверки, стоимость которых превышает 100 тыс. рублей. К тому же стандартной бытовой сети с её выходной мощностью может оказаться недостаточно. Поэтому удобнее провести эксперимент в небольшом диапазоне токов (менее 3 А), варьируя время отключения параметрами модели (1).
В качестве нагрузки наиболее удобно использовать лампы накаливания, подключаемые параллельно друг другу и увеличивающие потребляемый ток. Электрическая схема такой управляемой нагрузки приведена на рис. 1.
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 1. Принципиальная схема управляемой электрической нагрузки
Рис. 2. Принципиальная схема секундомера с жидкокристаллическим индикатором
Использование шести ламп накаливания с мощностью 40-95 Вт в различных комбинациях позволяет получать токи до 2 А с шагом в 0,2 А. Установлено, что в используемой сети колебания сетевого напряжения (10 % от 220 В) приводят к изменению тока, не превышающему сотых долей ампера, что достаточно для проведения данного эксперимента.
Поскольку тепловая защита работает в диапазоне и малых величин времени, требуется секундомер, способный фиксировать момент срабатывания защиты. Наиболее удобно реализовать данное устройство на базе 8-битного микроконтроллера ATMega 8, использующего архитектуру AVR. В качестве тактирования предпочтительней отказаться от внутреннего генератора и использовать внешний кварцевый резонатор, имеющий высокую стабильность частоты. Принципиальная схема разработанного и реализованного секундомера представлена на рис. 2.
Разработанный секундомер работает следующим образом. Низкий логический уровень на входах PC.1, PD.2, PD.3 приводит соответственно к старту, стопу или рестарту таймера. Измеренный
промежуток времени выводится на жидкокристаллический индикатор HL1 в формате 0000.0000 в секундах. Светодиод VD1 предназначен для сигнализации таймера о готовности к работе. Программа для таймера написана в среде CodeVi-sionAVR. Программа построена на использовании встроенного 16-битного таймера, который производит отсчеты с частотой 7812,5 Гц. При переполнении служебная переменная инкрементируется. Когда поступает сигнал «Стоп», подсчитывается количество циклов переполнения таймера и содержимое регистра встроенного таймера. На основании данных параметров высчитывается прошедшее время и выводится на ЖК-дисплей.
Блок тепловой защиты был реализован на микроконтроллере ATMega 16 и датчике тока ACS712, который позволяет измерять токи в диапазоне ±30 А. Датчик работает на эффекте Холла и его выходной сигнал пропорционален току в измеряемой цепи, чувствительность составляет 66 мВ/А. Сигнал с датчика измеряется АЦП микроконтроллера. По данным выборкам на основе разработанного алгоритма вычисляются значения температуры защищаемого объекта. Для вычисле-
ний использовались переменные типа float, которые не рекомендуется использовать в 8-битных микроконтроллерах из-за их разрядности. Схема установки целиком приведена на рис. 3.
3. Описание методики эксперимента
Проверяемые времятоковые характеристики были разбиты на три участка: 0,5-26 секунд, 30100 секунд и 200-500 секунд. Данные характеристики приведены на рис. 4.
Эксперимент заключался в следующем. Для выдерживания заданных время-токовых характеристик (см. рис. 4) были подсчитаны параметры математической модели (см. уравнение (1)) и запрограммированы в программу блока тепловой защиты. Далее каждая точка проверялась путем установки требуемого значения тока. Применялся рандомизированный план эксперимента, при использовании 9 реплик для каждой точки. На основании полученных экспериментальных данных были вычислены значения среднеквадратического отклонения для каждой точки, соответствующей конкретному времени срабатывания тепловой защиты. Результаты эксперимента приведены на рис. 5.
4. Анализ экспериментальных данных
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
- очевидна возможность реализации тепловой защиты на 8-битных микроконтроллерах, достаточность их вычислительной мощности для реализации операций с числами типа float, которые необходимы для этого, при тактовой частоте в 16 МГц;
- очевидна возможность реализации защиты на основе мгновенных замеров тока, без использования усреднений за один или несколько периодов сетевой частоты;
- погрешность времени срабатывания в диапазоне от 0 до 500 сек не превышает 0,5 % по среднеквадратичному значению и 1 % по единичным измерениям.
Повышение погрешности при возрастании времени срабатывания можно объяснить следующими причинами:
- чем больше время срабатывания, тем меньше протекающий ток, следовательно, при обрабатывании такого тока задействуется меньше разрядов АЦП и возрастает влияние собственной
Рис. 3. Схема установки для эксперимента
0 0.4 0.8 1.2 1.6 1,А
t,
сск 95
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 I, А
б)
0.49 0.574 0.658 0.742 0.826 1,А
Рис. 4. Проверяемые время-токовые характеристики
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
погрешности преобразователя, которая может быть вызвана интегральной нелинейностью и другими факторами;
- поскольку принцип работы алгоритма защиты предполагает, что последующее значение температуры защищаемого объекта вычисляется на основе предыдущего, происходит накопление погрешности, т. е. она носит аддитивный характер (включает как погрешность вычисления замеров тока, так и вычислительную погрешность, возникающую при математических операциях с числами с плавающей точкой).
Заключение
В заключение сравним полученные результаты с современными цифровыми аппаратами. В технических характеристиках автоматов защиты, имеющих в своем составе цифровой расцепи-тель МР21 (выпускаемых компанией 1ЕК [4]), указывается, что данные устройства имеют погрешность срабатывания тепловой защиты ±10 %. Электронные расцепители, выпускаемые фирмой «Контактор», имеют погрешность срабатывания, превышающую 10 % (для выдержки времени в 20 сек допускается отклонение ±4 сек, для 5 сек ±1 сек [5]). Очевидно, что по данному параметру разрабатываемая тепловая защита превосходит существующие аппараты.
Следует заметить, что в случае проведения подобного эксперимента с рабочими токами и в реальных условиях погрешность времени срабатывания будет выше. На нее повлияет также собственное время срабатывания автомата, которое не учитывалось в эксперименте. Тем не менее можно отметить большую перспективность разрабатываемой тепловой защиты и её потенциальное преимущество перед существующими устройствами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузнецов Б.Ф., Пильцов М.В. Тепловая модель потребителя распределительной сети // Винеровские чтения : тр. IV Всерос. конф. Ч. I. Иркутск : ИрГТУ, 2011. С. 156-162.
2. Кузнецов Б.Ф., Пильцов М.В. Моделирование объекта тепловой защиты автоматического выключателя // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. Вып. 3 (35). С. 243-250.
3. Кузнецов Б.Ф., Пильцов М.В. Алгоритм тепловой защиты на основе аналитической модели // Вест. АГТА. 2010. № 5. С.64-66.
4. Автоматические выключатели серии ВА88 : каталог. 1ЕК, 2012.
5. Выключатели автоматические. Сер. ВА08 : каталог. Контактор, 2011.
