Устройство защиты от опасных напряжений в трёхфазной электросети «SOKOL UZP-3F».
Часто причиной выхода из строя дорогостоящего оборудования, в первую очередь промышленного, является отклонение сетевого напряжения от нормы. Любой современный электрик не раз сталкивался с ситуацией, когда пониженное сетевое напряжение приводит к остановке различных электродвигателей, работающих со значительными нагрузками, и как следствие полному выгоранию обмотки статора. А ведь пониженное напряжение это основная причина выхода из строя и домашних холодильников. Не менее опасным является и повышенное напряжение. При помощи нижеописанного устройства мне, удалось предотвратить выход из строя бытовых электроприборов в ситуации, когда в результате аварии на трансформаторной подстанции на одной из фаз присутствовало напряжение более 300 В. Особенно оправдано применение устройства защиты от опасных напряжений на промышленных предприятиях, а так же в жилых домах, находящихся в сельской местности. Послужит «SOKOL UZP-3F» и владельцам дорогостоящих настенных газовых котлов.
Основные возможности устройства:
•Изменение и индикация на двустрочном ЖК-дисплее действующего значения напряжения для каждой из трёх фаз в диапазоне 0…300В.; •Отключение трёхфазного защитного реле для обесточивания нагрузки через 3 мкс. (зависит от быстродействия применяемого реле) после обнаружения отклонения от заданных пределов на пике синусоиды; •Отключение фазного защитного реле для обесточивания нагрузки на соответствующей фазе через 4,5 мкс. (зависит от быстродействия применяемого реле) после обнаружения отклонения от заданных пределов на пике синусоиды; •Раздельная установка верхнего и нижнего порогов напряжений для каждой из трёх фаз сетевого напряжения в диапазоне 150…295 В.; •Раздельная подстройка показаний (калибровка) для каждой из трёх фаз сетевого напряжения; •Устанавливаемое посредством системного меню время автоматического включения нагрузок по «возвращении» напряжений в заданные пределы в диапазоне 10 сек…1 час; •Настраиваемая, в пределах 0...5 секунд с шагом в 20 миллисекунд, задержка на отключение реле при выходе напряжения за заданные пределы; •Задержка на включение нагрузок 5 сек. после подачи сетевого напряжения, в случае если фазные напряжения находятся в заданных пределах; •Запоминание максимальных и минимальных напряжений по фазам за определённый пользователем промежуток времени с возможностью последующего просмотра через системное меню; •Отключаемый прерывистый звуковой сигнал при выходе напряжении за установленные пределы; •Возможность монтажа на DIN-рейку во вводном электрическом щитке и защита всего электрооборудования здания; •Короткие звуковые сигналы подтверждения нажатия клавиш; •Регулируемая в диапазоне 0,5…100% яркость подсветки ЖК-дисплея; •Раздельная светодиодная индикация нахождения напряжений в заданных пределах для каждой фазы; •Отображение на дисплее оставшегося до включения нагрузки времени или слова «НОРМА», если нагрузки включены, а сетевое напряжение находится в заданных пределах; •Автоматический выход из системного меню через 30 секунд при отсутствии нажатий на клавиши навигации; •Подстройка
внутреннего генератора микроконтроллера для достижения максимальной точности
измерений непосредственно из меню устройства; •Удобное меню системных настроек, осуществляемых посредством четырёх клавиш.
Отдельно следует упомянуть лишь о резисторах образующих делители напряжений. Для повышения надёжности устройства верхние плечи делителей составлены они из двух последовательно соединённых резисторов МЛТ-0,125 номиналом 510 кОм. А нижние, для возможности грубой подстройки показаний вольтметров, составлены из двух параллельно соединённых резисторов номиналами 15 кОм и 120 кОм.
В качестве ЖК-дисплея используется BC1602 или аналогичный 2-х строчный индикатор по 16 символов в строке. Трансформатор Т1 может быть любым малогабаритным с напряжением на вторичной обмотке около 12 В. и выходным током не менее 200 мА.
Положение перемычек разъёма XS1 определяет, что будет отключено при выходе напряжения за установленные пределы: в положении, указанном на схеме, будет отключено реле только на той фазе, на которой будет зафиксировано отклонение от нормы; при установке перемычек в правое по схеме положение, будут отключены все три фазных реле, независимо от того, напряжение на какой из фаз вышло за установленные пределы. Можно вовсе отказаться от перемычек и установить одно трёхфазное реле (лучше электронный тиристорный пускатель) для упрощения схемы устройства, если нет необходимости в раздельном отключении фаз. Светодиоды VD5-VD7 индицируют, что напряжение на соответствующей фазе находится в установленных пределах.
При выходе напряжения за заданные пользователем пределы начинается подсчёт периодов сетевого напряжения "не укладывающихся" в заданные "рамки" и когда будет достигнуто значение, установленное пользователем в меню "Задержка отключения" устройство начнёт подавать прерывистый звуковой сигнал и на дисплее появится установленное значение времени автоматического включения, а соответствующее реле разомкнёт свои контакты и нагрузка обесточится. Упреждая вопросы, которые могут возникнуть у читателей, отмечу, что подсчёт времени и измерение напряжения ведётся по каждой фазе отдельно, что исключает все возможные непредвиденные ситуации. Звуковой сигнал можно отключить, войдя в соответствующее меню. По возвращении напряжения в установленные пользователем «ворота», прерывистый звуковой сигнал тут же отключится, и начнётся обратный отсчёт времени до включения защитного реле с соответствующей индикацией на ЖК-дисплее.
Обращаю внимание читателей, что на индикацию выводится максимальное время из
трёх отсчитываемы микроконтроллером.
Если был зафиксирован кратковременный выброс или провал напряжения (например включился компрессор холодильника или импульсный источник питания с большим током заряда фильтрующих конденсаторов), длительность которого не превысила разрешённой пользователем длительности, то устройство на него никак не отреагирует. Следует учесть, что если установить задержку отключения равной нулю, то при малейшем кратковременном выходе напряжения за пределы, например включении обычной лампы накаливания с холодной спиралью, защитное реле тут же разомкнёт свои контакты. Для домашнего использования оптимальной является задержка 60...100 мс. Для удобства в пункте меню "Задержка отключения" индицируется расчётное время отключения а не количествопериодов сетевого напряжения в течение которого устройство не будет реагировать на отклонения. Именно по этой причине шаг установки времени составляет 1/50 секунды или 20 мс.
По окончании отсчёта, время на LCD будет заменено на слово «НОРМА», а защитное реле своими контактами подаст питание на нагрузку.
Следует учесть, что при подключении устройства следует соблюдать порядок чередования фаз, так как изменение напряжения производится на пике синусоиды каждой положительной полуволны соответствующей фазы, с последующим пересчётом пикового значения в среднеквадратичное. Синхронизация измерений осуществляется от фазы A. Измерение по фазе A производится через 5 мс. после перехода сетевого напряжения через ноль, по фазе В через 11 2/3 мс., а по фазе С – через 18 1/3 мс после получения сигнала синхронизации от фазы А. При неправильном подключении показания напряжений второй и третьей фаз будут равны нулю.
При включении питания устройство защиты отобразит начальную заставку с указанием версии прошивки и трижды плавно мигнёт подсветкой в знак приветствия.
Структура меню устройства, через которое осуществляется доступ ко всем возможным настройкам и соответствующий вид ЖК-дисплея изображён на рисунке (щёлкните для загрузки).
Навигация по меню предельно проста и интуитивно понятна. Нажатием кнопки SB1 – “Menu/Ok” осуществляется вход в системное меню и различные подменю, а так же сохранение настроек после выполнения регулировок. Кнопка SB2 – “Cancel/Reset” осуществляет перезагрузку устройства из основного режима работы и выход из меню или подменю без сохранения параметров. Кнопками SB3 – “-“ и SB4 – “+“ осуществляется переход, соответственно, к предыдущему или следующему подменю, а так же изменение параметров в сторону уменьшения или увеличения. Следует учесть, что в зависимости от длительности удержания кнопок SB3 и SB4, скорость изменения регулируемой величины имеет три различные градации. Если включён звуковой сигнал, то каждое нажатие клавиш сопровождается коротким «ПИКом» бипера. В пункте меню "Просмотр отклонений напряжений" смена показаний между максимальными и минимальными зафиксированными напряжениями осуществляется кнопками SB3 – “-“ и SB4 – “+“. Выход из этого пункта меню осуществляется по нажатию клавиш SB1 – “Menu/Ok” и SB2 – “Cancel/Reset”. Следует учесть, что при нажатии кнопки SB2 предыдущие сохранённые значения отклонений будут обнулены и "учёт" начнётся заново, при выходе из подменю по нажатии кнопки SB1 "учёт" отклонений продолжится без сброса предыдущих значений.
В случае отсутствия нажатий на клавиши навигации по истечение 30 секунд произойдёт выход из меню, а все не сохранённые изменения настроек будут сброшены при перезапуске устройства.
При первом включении необходимо удерживать в нажатом состоянии кнопку “Menu/Ok”.
В этом случае «SOKOL» самостоятельно запишет в ееprom микропроцессора значение
настроек по умолчанию. Верхний и нижний пороги напряжений будут установлены
равными соответственно 260 и 200 Вольт, время отключения нагрузок – 1 минута,
звуковой сигнал – включён, яркость подсветки дисплея – 60%, задержка на
отключение нагрузок при выходе напряжения за допустимые пределы – 1000
миллисекунд.
Если при подключении устройства был соблюден порядок чередования фаз, то на индикаторе сразу же отобразятся все три напряжения. Возможно, показания прибора будут отличаться от истинных значений напряжений, всё зависит от точности номиналов резисторов, образующих цепи делителей напряжений. Для исключения необходимости кропотливой «подгонки» резисторов, введена программная коррекция напряжений.
Обновление показаний напряжений при работе устройства, для исключения «болтания» младшего разряда, производится один раз в секунду.
Настройку «SOKOLa» следует производить в следующем порядке:
1.Нажать
кнопку “Menu/Ok” и удерживая её подать питание на устройство. После появления на
дисплее текущих напряжений сети - отключить устройство. Это действие необходимо
для начальной инициализации, сопровождающейся записью в
eeprom микроконтроллера параметров по умолчанию.
2.Нажать и удерживать в нажатом
состоянии одновременно кнопки“+”и “-”, после чего снова подать питание на
устройство. После появления на дисплее текущих напряжений сети и индикации в
нижней строке LCD надписи "OSCCAL"
выполнить калибровку внутреннего генератора микроконтроллера. Для манипулируя
кнопками “+”и “-”
добиться максимальных показаний напряжений на дисплее, после чего сохранить
изменения нажатием кнопки “Menu/Ok”.
3.Поочерёдно подключая образцовый вольтметр к фазам A – C проверить истинность показаний прибора. Если на какой либо из фаз имеются значительные (более
10%) отклонения индицируемых напряжений от реальных значений, то подбором резисторов R4, R8 и R13, соответственно для фаз А, В и С «подгоняют» показания. Следует учесть, что лучше пусть показания прибора будут немного занижены, чем завышены, так как при цифровой подстройке «софтовое» снижение показаний чревато соответствующим уменьшением верхнего предела измерений прибора.
4.После губой подстройки входят в меню устройства и нажатием кнопок SB3 и SB4 добиваются точного соответствия показаний реальным значениям напряжений
для каждой из трёх фаз.
Только после выполнения всех описанных процедур
(п.1 - п.4), можно приступать к настройке порогов срабатывания и других параметров.
Печатную плату устройства в формате *.lay можно
скачать здесь. Её общий вид приведён на
рисунке ниже...
Демонстрационную версию прошивки микропроцессора для микроконтроллера ATMega8 в формате hex можно скачать
здесь.
Ограничения демонстрационной версии следующие:
• нагрузка не включается после прихода напряжений в норму (для включения реле
необходимо перезагружать устройство нажатием кнопки "RESET");
• отсутствует пункт меню "Просмотр отклонений напряжений"; • отсутствует
калибровка внутреннего генератора микроконтроллера".
Следите за обновлениями ПО на сайте.
Здесь также выложено описание однофазного устройства защиты, подобного описанному выше.
Фузе биты микропроцессора AT Mega8 программируются исходя из следующих условий:
• WDT отключен; • Включено тактирование от внутреннего генератора с частотой 8 МГц.; • Включен детектор пониженного напряжения питания. Напряжение срабатывания установлено равным 4 В.
Положение остальных fuse-переключателей не принципиально для нормальной работы устройства.
ВНИМАНИЕ! Устройство имеет гальваническую связь с сетью переменного тока напряжением 0,4 кВ. Соблюдайте необходимые меры предосторожности при монтаже и настройке прибора. Автор не несёт ответственности за возможные последствия, включая травматизм, порчу оборудования, упущенную выгоду и т.п., связанные с использованием или невозможностью использования описанного в статье прибора.
Часто причиной выхода из строя дорогостоящего оборудования, в первую очередь промышленного, является отклонение сетевого напряжения от нормы. Любой современный электрик не раз сталкивался с ситуацией, когда пониженное сетевое напряжение приводит к остановке различных электродвигателей, работающих со значительными нагрузками, и как следствие полному выгоранию обмотки статора. А ведь пониженное напряжение это основная причина выхода из строя и домашних холодильников. Не менее опасным является и повышенное напряжение. При помощи нижеописанного устройства мне, удалось предотвратить выход из строя бытовых электроприборов в ситуации, когда в результате аварии на трансформаторной подстанции на одной из фаз присутствовало напряжение более 300 В. Особенно оправдано применение устройства защиты от опасных напряжений на промышленных предприятиях, а так же в жилых домах, находящихся в сельской местности. Послужит «SOKOL UZP-3F» и владельцам дорогостоящих настенных газовых котлов. 
