Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động hệ số công suất trong công nghiệp

Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011 về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: Đối với các doanh nghiệp phải thực hiện ngay các giải phá

- -

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

TỰ ĐỘNG HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

Cơ quan chủ trì: VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

Chủ nhiệm đề tài: Ths Mai Văn Tuệ

9174

HÀ NỘI - 12/2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

Phần 1: MỞ ĐẦU 4

1.1 Hệ số công suất là gì? 4

1.2 Tại sao cần phải nâng cao hệ số công suất? 6

1.3 Làm thế nào để nâng cao hệ số công suất? 8

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng: 8

Phần 2: Thiết kế phần cứng 14

2.1 Thiết kế hệ thống 14

2.1.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài 14

2.1.2 Các đặc điểm cơ bản của bộ HTC-PFC12 16

2.1.2.1 Các thông số kĩ thuật 16

2.1.2.2 Các tính năng cơ bản 17

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ HTC-PFC12 18

2.2.1 Module đo lường và điều khiển đầu ra Relay 18

2.2.1.1 Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự: 18

2.2.1.1.1 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi điện áp 18

2.2.1.1.2 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi dòng điện 21

2.2.1.2 Thiết kế bộ lọc anti-aliasing cho các đầu vào dòng điện và điện áp 23

2.2.1.2.1 Tại sao cần bộ lọc anti-aliasing? 23

2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào? 24

2.2.1.2.3 Thiết kế bộ lọc 26

2.2.1.3 Bộ biến đổi tương tự sang số 26

2.2.1.5 Bộ xử lí trung tâm 27

2.2.1.5 Bộ điều khiển đầu ra Relay 29

2.2.2 Module HMI 29

2.2.2.1 Màn hình hiển thị 29

2.2.2.2 Các LED hiển thị 31

2.2.2.3 Bàn phím 31

2.2.2.4 Khối truyền thông 31

2.2.3 Nguồn cấp 31

Phần 3: Thiết kế phần mềm 33

3.1 Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng 33

3.2.1 Giao tiếp bàn phím và GLCD 35

3.2.2 Truyền thông nội bộ PFC 36

3.2.3 Truyền thông PFC với máy tính và thiết bị khác 36

3.3 Chương trình phần mềm xử lí tính toán 37

3.3.1 Chương trình phân tích, xử lý tín hiệu tương tự 37

3.3.2 Chương trình tính toán các thông số điện 38

3.3.3 Chương trình điều khiển tụ bù 40

3.4 Phần mềm máy tính PFC-Monitor 44

Phần 4: THỬ NGHIỆM 49

4.1 Các chức năng cần thử 49

4.2 Phương pháp thử 49

4.3 Thực hiện và kết quả 49

4.3.1 Trong phòng thí nghiệm 49

4.3.1.1 Chuẩn bị 49

4.3.1.2 Thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều 50

4.3.1.2.1 Sơ đồ đấu nối 50

4.3.1.2.2 Kết quả thử nghiệm 50

4.3.2 Thử nghiệm thực tế 53

4.3.2.1 Chuẩn bị 53

4.3.2.2 Kết quả thử nghiệm 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các loại công suất tải tiêu thụ 5

Hình 1.2: Giản đồ vector công suất 5

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ 7

Hình 1.4: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF .8

Hình 1.5: Model APFC336 của Selec 11

Hình 1.6: Model PFR serial của Mikro 12

Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12 15

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P 19

Hình 2.3: Sơ đồ đấu nối LV 20-P 20

Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714 21

Hình 2.5: Đặc tính vào ra của ACS714 22

Hình 2.6: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng 23

Hình 2.7: Bộ lọc thông thấp bậc 2 thụ động và tích cực 24

Hình 2.8: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc 25

Hình 2.9: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau 25

Hình 2.10: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ 26

Hình 2.11: Sơ đồ chân LTC1865 27

Hình 2.12: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A 28

Hình 2.13: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108 .29

Hình 2.14: Khối truyền thông của PFC 31

Hình 3.1: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC 34

Hình 3.2: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC 35

Hình 3.3: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu 36

Hình 3.4: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi 36

Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán quá trình xử lý tín hiệu tương tự 38

Hình 3.7: Thuật toán điều khiển đóng cắt tụ bù 42

Hình 3.8: Minh họa việc chọn lựa tổ hợp tụ 43

Hình 3.9: Minh họa ảnh hưởng của việc cài đặt hệ số C/k 44

Hình 3.11 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính 46

Hình3.12 : Tab ” thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính 47

Hình3.13 : Cửa sổ truy vấn số liệu đo 48

Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều .50

Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm đo lường thực tế tại trạm trộn Asphalt 54

Hình 4.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm điều khiển thực tế tại trạm trộn Asphalt 57

Phần 1: MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, mặc dù được chú trọng đầu tư và phát triển nguồn và lưới điện nhưng nước ta vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp điện Đặc biệt trong các tháng mùa khô, nhất là khi hạn hán kéo dài không đủ nước cho các nhà máy thủy điện phát điện thì vấn đề đảm bảo cung cấp điện còn khó khăn hơn

Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011 về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: Đối với các doanh nghiệp phải thực hiện ngay các giải pháp tiết kiệm điện như xây dựng các giải pháp tiết kiệm điện hiệu quả, sử dụng đúng công suất và biểu đồ phụ tải như trong đăng kí mua bán điện,…

Ngày nay khi mà các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp thì vấn đề tiết kiệm điện càng trở nên cấp thiết Việc tiết kiệm điện không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn tối ưu hóa về mặt kĩ thuật Một trong những phương pháp đơn giản để tiết kiệm điện năng là nâng cao hệ số công suất

- Công suất tác dụng (kW) – Công suất tiêu thụ thật (để sinh công) – Active Power

- Công suất phản kháng (kVAR) – Dùng để duy trì điện từ trường – Reactive Power Tổng của hai loại công suất trên là công suất biểu kiến (kVA) – Apparent Power

Hình 1.1: Các loại công suất tải tiêu thụ

Trong trường hợp là sóng sine thuần túy, tỉ lệ giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến được gọi là hệ số công suất (power factor – PF) và nó chính là cosine của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sóng sine Chính vì thế mà một số tài liệu người ta gọi luôn hệ số công suất là cosϕ Hệ số công suất không có đơn vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả như một tỉ lệ phần trăm như PF = 50% Công thức tính:

Trong đó: P là công suất tiêu thụ

S là công suất biểu kiến

Hình 1.2: Giản đồ vector công suất

Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng dòng hoặc áp không sine), chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng đặc biệt là trong công nghiệp như các bộ biến tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, Chúng là các nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong hệ thống điện Như vậy, với sự phát triển

không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao Quan niệm truyền thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và

áp hình sine lúc này không hoàn toàn phù hợp Trong trường hợp này người ta đưa ra công thức mở rộng để tính hệ số công suất:

Trong đó: THDV và THDI là độ méo hài dòng tổng và áp tổng được tính theo công thức:

Un và In là hài bậc n của của điện áp và dòng điện

Trong trường hợp dòng điện là sóng sine thuần túy, dòng điện không chứa các hài bậc cao tức Un = I n =0 và do đó PF c= osϕ

1.2 Tại sao cần phải nâng cao hệ số công suất?

Hệ số công suất thấp đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng điện năng thấp Việc nâng cao hệ số công suất mang lại những hiệu quả về kinh tế và tối ưu hóa về kĩ thuật:

- Tiết kiệm tiền điện: Trong hoạt động sản xuất kinh doanh, theo qui định việc tiêu thụ năng lượng phản kháng lớn hơn giá trị cho phép sẽ phải đóng tiền phạt Việc nâng cao hệ số công suất nhằm giảm công suất phản kháng tiêu thụ từ lưới

- Tối ưu hóa về kĩ thuật:

+ Hệ số công suất lớn sẽ giảm tổn thất nhiệt trên máy biến áp, các thiết bị phân phối và truyền tải điện, nâng cao tuổi thọ các thiết bị

+ Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt

và đường cáp truyền tải nhỏ hơn

+ Hệ số công suất cao giúp ổn định mức điện áp

Hình chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và hệ số công suất Xét trên hai hệ thống truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn thì sẽ có dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng kích thước dây điện truyền dẫn Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao hơn với cùng một công suất thực được truyền tải

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ

Ví dụ, để có được 1kW công suất tiêu thụ thực trong điều kiện hệ số công suất là tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có 1kVA công suất biểu kiến được truyền đi Nhưng trong điều kiện hệ số công suất thấp, ví dụ như 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền đi

Tại sao phải quan tâm tới việc này? Mặc dù công suất phản kháng thật sự không sinh ra công nhưng khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn Vì phải cung cấp cả công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công” nên nguồn điện (máy phát điện, máy biến thế,…) cũng như hệ thống dây truyền tải tới phụ tải phải được thiết kế với kích thước dây lớn hơn để có thể chịu được

Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng

cá nhân, nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ số công suất cao hơn Nhà phân phối điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các thiết bị đo chuyên dùng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp hơn tiêu chuẩn

1.3 Làm thế nào để nâng cao hệ số công suất?

Một trong những phương pháp đơn giản nhất là sử dụng tụ bù Như chỉ ra ở hình 1.4, các tụ làm việc như một máy phát công suất phản kháng Thay vì phải sử dụng công suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng công suất phản kháng lấy từ

tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ giảm

Hình 1.4: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng:

Do các yêu cầu thực tế là các thiết bị điện ngày càng được sử dụng rộng rãi nên điện

đã trở thành một sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị lớn Do đó các nhà cung cấp

năng và tiết kiệm điện Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm

và hiệu quả, đã được Thủ tướng chính phủ ký Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg Mục tiêu của chương trình cụ thể là nhằm từng bước đạt được mục tiêu tiết kiệm 5-8% tổng mức tiêu thụ năng lượng vào năm 2015, giảm một phần mức đầu tư phát triển hệ thống cung ứng năng lượng, mang lại lợi ích về kinh tế - xã hội; đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, thực hiện phát triển kinh tế -

xã hội bền vững

Trong lĩnh vực công nghiệp, chi phí cho tiền điện chiếm một phần không nhỏ trong hoạt động sản xuất kinh doanh Các doanh nghiệp ngoài việc phải chịu mức giá tiêu thụ điện cao hơn mức bình thường thì việc tiêu thụ năng lượng phản kháng lớn hơn mức qui định sẽ phải trả tiền theo giá hiện hành cũng là một vấn đề Một trong những biện pháp đơn giản mà hiệu quả tiết kiệm điện cũng rất lớn đó là giải pháp nâng cao hệ số công suất phụ tải Biện pháp này mang lại các hiệu quả như:

- Đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là giảm tiền điện

- Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt

và cáp nhỏ hơn v.v… đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện

- Hệ số công suất cao cho phép tối ưu hoá các phần tử cung cấp điện Khi ấy các thiết bị điện không cần định mức dư thừa

Như ta đã biết, công suất điện năng luôn được quan niệm như một đại lượng đã được đo và sử dụng rộng rãi để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay mức độ tiêu thụ năng lượng điện của tải với giả thiết điện áp và dòng điện có dạng hình

sine Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng

dòng hoặc áp không sine), chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng đặc biệt là trong công nghiệp Chúng ta có thể thấy các thiết bị này rất quen thuộc như các bộ biến tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, Chúng là các nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong hệ thống điện Như vậy, với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử

công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao Quan niệm truyền thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc này không còn phù hợp để đánh giá, đặc biệt trong các ứng dụng phát triển các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc giảm thiểu nhiễu hài Vì vậy việc chế tạo bộ tự động điều chỉnh hệ số công suất trên

cơ sở phân tích các hài dòng điện và hài điện áp (để từ đó có thể tính toán được hệ số công suất chính xác hơn cho quá trình điều chỉnh hệ số công suất) trở nên cấp thiết

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ở nước ngoài

Nắm bắt được xu thế đã nêu ở trên, nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo các bộ điều chỉnh hệ số công suất có tính đến ảnh hưởng của các hài bậc cao Với

sự phát triển mạnh mẽ của công cụ xử lí số tín hiệu, cùng sự hỗ trợ của các chip DSP đã giúp cho các nhà sản xuất thực hiện được điều đó Một số hãng có thể kể đến như Ducati của Italy, Mikro của Malaysia, Shizuki của Nhật… Nhìn chung các sản phẩm của các hãng có tính năng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đo hệ số công suất từ

đó làm có sở cho việc điều khiển đóng ngắt các tụ điện để đạt được hệ số công suất mong muốn

Trên hình 1.5 và 1.6 mô tả tính năng của bộ PFC của Mikro và của Selec Cũng giống như hầu hết sản phẩm của các hãng khác, các bộ PFC này sử dụng 3 Led 7 thanh kết hợp các phím bấm chức năng phục vụ việc hiển thị và cài đặt các thông số như hệ số công suất, chế độ làm việc, các cảnh báo,…

Hình 1.5: Model APFC336 của Selec

Hình 1.6: Model PFR serial của Mikro

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước

Trong thời gian vừa qua, ở nước ta cũng đã có những đơn vị, cá nhân có các công trình nghiên cứu về các giải pháp tiết kiệm năng lượng và được đăng trên các tạp chí khoa học công nghệ Chẳng hạn tác giả Nguyễn Kim Ánh với nội dung nghiên cứu “Thiết

kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện và bù công suất phản kháng cho nguồn lò nấu thép cảm ứng” được đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 4(trang 33), 2009 Tác giả đã chỉ ra khả năng nâng cao hệ số công suất lên đến gần 1 nhờ các bộ lọc tích cực Tuy nhiên ứng dụng của việc bù này chỉ mang tính cục bộ, ứng với loại tải là cụ thể

và mới chỉ dừng ở tính toán và mô phỏng trên Matlab Công ty cổ phần chế tạo biến thế

và vật liệu điện Hà Nội cũng đã có đề tài:”Nghiên cứu thiết kế chế tạo tủ bù hệ số công suất cho phụ tải điện năng” (2009) Tuy nhiên đề tài này theo quan niệm coi dòng điện, điện áp là sine thuần túy Quan niệm này không còn phù hợp đối với các phụ tải phi tuyến ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp Về vấn đề đo phân tích các thông số

về điện, năm 2010 Viện Nghiên cứu Điện tử Tin học và Tự động hóa đã thực hiện xong

đề tài cấp bộ: ”Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phân tích điện năng trong hệ thống điện”, với một số kết quả làm cơ sở cho việc kế thừa và phát triển của đề tài 2011

Trong lĩnh vực ứng dụng, một phần do yêu cầu của nhà cung cấp điện, một phần nhằm tiết kiệm điện năng, giảm chi phí sản xuất nên các doanh nghiệp trong nước sử dụng các bộ bù công suất tự động ngày càng nhiều Tuy nhiên, chưa có sản phẩm nào có tính năng tương tự như sản phẩm đề tài đã đăng kí được thương mại hóa Các sản phẩm ứng dụng trong nước được nhập ngoại Một số hãng như: Ducati và Enerlux của Italia, Shizuki của Nhật Bản, Selec của Ấn độ, Mikro của Malaysia, Nhìn chung sản phẩm của các hãng có tính năng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đóng cắt các tụ điện để đạt được hệ số công suất mong muốn

Trên cơ sở kế thừa và bổ sung thêm các tính năng còn thiếu của các sản phẩm đang có trên thị trường, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài:” Nghiên cứu thiết kế chế tạo

bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp” Ngoài các tính năng tương đồng với các sản phẩm có sẵn trên thị trường, sản phẩm của đề tài hướng tới các tính năng nổi bật:

- Khả năng đo và hiển thị hệ số công suất có tính đến các hài bậc cao

- Khả năng đo và hiển thị thành phần điện áp cơ bản và hài bậc cao

- Khả năng đo và hiển thị thành phần dòng điện cơ bản và hài bậc cao

- Khả năng đo và hiển thị công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến

- Cho phép truyền số liệu về máy tính với phần mềm quản lý trên máy tính Như vậy việc tích hợp thêm tính năng phân tích các thông số điện tiêu thụ giúp người

sử dụng thống kê, đánh giá kết quả để từ đó làm cơ sở cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống điện là một việc làm cần thiết phù hợp với xu thế phát triển chung, đặc biệt khi yêu cầu kiểm toán điện tiêu thụ nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng điện, tránh lãng phí điện năng đang là vấn đề cấp thiết của nước ta cũng như thế giới nói chung

Phần 2: Thiết kế phần cứng 2.1 Thiết kế hệ thống

2.1.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài

Một bộ PFC bao gồm hai phần cơ bản là phân tích chất lượng điện năng và phần điều khiển Phân tích chất lượng điện là quá trình thu thập, phân tích, xử lí tín hiệu thô thành các thông tin có ích Quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện bằng cách đo lường liên tục điện áp và dòng điện Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực xử lí tín hiệu số, quá trình phân tích và xử lí tín hiệu được thực hiện nhờ các chip chuyên dụng với khả năng tính toán nhanh Một vấn đề cần quan tâm trong khi thiết kế bộ PFC là liên quan đến hài cao nhất có thể phân tích được Theo các chuyên gia, thì ngay cả máy phân tích chất lượng điện năng cũng chỉ cần đến hài bậc 15 là có thể phân tích các vấn đề về điện năng Khi đó theo định luật Nyquist thì yêu cầu tần số lấy mẫu ít nhất phải 1500 mẫu/giây, nói cách khác trong một chu kì lưới điện cần phải lấy tối thiểu 30 mẫu Việc lấy mẫu với tần

số càng cao càng phản ánh chính xác dạng sóng Tín hiệu sau khi được xử lí sẽ là cơ sở cho việc điều khiển và hiển thị

Xu hướng chung của các hãng sản xuất là ứng dụng các công nghệ mới nhất trong lĩnh vực điện tử, công nghệ để tạo ra các sản phẩm có nhiều tính năng hơn, thân thiện với người dùng hơn Trên cơ sở kế thừa các sản phẩm có sẵn của các hãng trên thế giới đồng thời mở rộng thêm các tính năng mới, nhóm thực hiện đề tài thiết kế bộ PFC có sơ đồ khối thiết bị được thể hiện trên hình 2.1 Sản phẩm của đề tài bao gồm bộ PFC (với tên HTC-PFC12) và một phần mềm giám sát trên máy tính (với tên PFC-Monitor) Bộ HTC-PFC12 bao gồm hai Module cơ bản sau:

Module xử lí tín hiệu và điều khiển bao gồm các thành phần:

- Khối xử lí đầu vào: Bao gồm bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự và bộ lọc tương tự chống chồng phổ

o Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự: Làm nhiệm vụ cách li phần điện áp cao với mạch điện tử, đồng thời định mức điện áp phù hợp cho các khối xử lí phía sau như bộ lọc chống trùng phổ và bộ biến đổi ADC

o Bộ lọc tương tự chống chồng phổ: Các bộ lọc thông thấp được sử dụng

để tránh sai số lấy mẫu do trùng phổ

- Bộ biến đổi tương tự sang số: Tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu tương tự

để đưa vào bộ xử lí trung tâm

- Bộ xử lí trung tâm: Xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để thực hiện các thuật toán phân tích và xử lí tín hiệu số

- Bộ điều khiển đóng cắt các tụ bù

Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12

Module HMI bao gồm các thành phần:

- Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các hài dòng điện, hài điện áp, độ méo hài tổng, tần số, công suất, hệ số công suất,…

- Cài đặt các thông số

- Cảnh báo lỗi, thông báo trạng thái làm việc,…

- Thực hiện chức năng truyền thông

Nguyên lí hoạt động của bộ PFC: Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của bộ PFC được đưa qua các bộ biến đổi điện áp và biến đổi dòng điện sau đó đưa tới bộ điều chỉnh tín hiệu và biến đổi tương tự sang số (ADC) Các ADC thực hiện việc biến đổi tín hiệu tương tự đầu vào thành các tín hiệu số đầu ra trước khi được đưa tới khối xử lí trung tâm (DSP) Các DSP sẽ thực hiện phân tích và xử lí tín hiệu số (sử dụng thuật toán DFT

để phân tích tín hiệu) Số liệu sau khi được phân tích sẽ được lưu trữ, tính toán các thông

số phục vụ cho các mục đích điều khiển và hiển thị

2.1.2 Các đặc điểm cơ bản của bộ HTC-PFC12

2.1.2.1 Các thông số kĩ thuật

- Đầu vào điện áp:

o Số lượng đầu vào: 1 đầu vào đo điện áp giữa 2 pha

o Dải đo: Tới 500V

- Đầu vào dòng điện:

o Số lượng đầu vào: 1 đầu vào

o Dòng điện đầu vào: +/- 5A

- Dải tần số: 50Hz+/-5%

- Nguồn nuôi

o Mức điện áp +5VDC cho CPU, Relay, Led,…

o Mức điện áp ±5VDC cho các bộ chuyển đổi dòng điện, ADC,…

o Mức điện áp ±12VDC cho khuếch đại thuật toán

- Hiển thị: Màn hình LCD 128x64

o Công suất phản kháng (kVAR)

o Công suất biểu kiến (kVA)

o Điện áp (V): Từ hài cơ bản đến hài 20

o Dòng điện (A): Từ hài cơ bản đến hài 20

o Tổng méo hài điện áp: THD V(%)

o Tổng méo hài dòng điện: THD I(%)

o Tần số (Hz)

o Hệ số công suất

o Tổng điện năng tiêu thụ

- Khả năng giám sát và điều khiển:

o Hệ số C/k

o Chế độ đóng cắt tụ

o Số bước bù và giá trị bước nhỏ nhất

o Thời gian trễ đóng/mở tụ

Môi trường công nghiệp là môi trường nhiều nhiễu điện từ có ảnh hưởng không tốt đến các thiết bị được sử dụng và vận hành trong nó Việc thiết kế, chế tạo các sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp phải đảm bảo sao cho các nhiễu ngoài không ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bị Đối với các bộ PFC, các nguyên nhân ảnh hưởng đến hoạt động của nó bao gồm:

- Các hoạt động đóng cắt, chuyển mạch gây ra các xung áp cao trên đường dây, tác động đến tín hiệu vào của bộ PFC

- Các nguyên nhân bên ngoài như sét đánh, nhiễu radio,…

Do đó khi thiết kế cũng như lựa chọn các linh kiện cho bộ PFC phải đảm bảo rằng nó

có tính tương thích với môi trường

2.2.1 Module đo lường và điều khiển đầu ra Relay

2.2.1.1 Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự:

2.2.1.1.1 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi điện áp

Để đo điện áp lưới ta có thể dùng máy biến áp để giảm mức điện áp xuống dải đo được của mạch đo đồng thời đảm bảo cách li điện giữa phần cao áp và mạch điện tử Nhưng việc sử dụng máy biến áp cũng có hạn chế như: cồng kềnh và có hệ số chuyển đổi không đồng nhất theo tần số nên gây méo với các hài bậc cao vì vậy giải pháp này không phù hợp với bộ PFC Để đảm bảo dạng điện áp lưới không đổi khi vào đến mạch đo, chúng tôi lựa chọn bộ chuyển đổi điện áp LV 20-P của LEM Đây là bộ chuyển đổi sử dụng hiệu ứng Hall cho việc đo điện áp AC/DC với cách li điện áp sơ cấp và thứ cấp là 2.5kV, hệ số chuyển đổi dòng là 2500:1000 Hình 2.3 minh họa cho sơ đồ kết nối của LV 20P

Các thông số của LV - 20P:

- Dải đo dòng sơ cấp: I P = ÷ ±0 14mA

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P

Sơ đồ đấu nối mạch đo sử dụng LV20-P được thể hiện trên hình 2.3 Dòng thứ cấp

Is được tạo ra tỉ lệ với dòng đầu vào Ip Bỏ qua điện áp giữa 2 lối vào của mạch LV20-P

ta có công thức tính điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:

Để đảm bảo dòng đầu vào nằm trong dải cho phép: I P = ÷ ±0 14mA, kết hợp với dải

đo điện áp đầu vào cần đạt, giá trị R1 và RM phù hợp là:R1=50kΩ@ 4W , R M =100Ω Khi đó:

380* 2

2.687

Pm out

V

Điện áp đầu ra nhỏ nhất:

min min

380* 2

2.687

P out

2.2.1.1.2 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi dòng điện

Đối với đầu vào dòng điện, ngoài việc phải đảm bảo cách li giữa phần cao áp và mạch điện tử, cần thiết kế thêm bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang điện áp và mạch chia tỉ lệ sao cho điện áp trước khi đưa vào ADC nằm trong dải 0 5V÷ Dựa trên những yêu cầu trên, chúng tôi chọn cảm biến dòng ACS714LLCTR-5B-T của Allegro Đây là loại cảm biến dòng hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall có đầu ra điện áp tỉ lệ tuyến tính với đầu vào dòng điện, điện áp cách li giữa mạch sơ cấp và thứ cấp là 2.1kV Hình 2.4 minh họa sơ đồ khối chức năng của ACS714 và hình 2.5 minh họa đặc tính của điện áp đầu ra với dòng đầu vào của IC này

Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714

Các thông số kĩ thuật và tính năng của ACS714:

- Nguồn cung cấp: V cc =5V

- Điện áp đầu ra tỉ lệ với dòng đầu vào với độ nhạy: 185mV/A

- Điện áp ra với dòng đầu vào I P =0 là V cc*0.5

- Dải dòng điện vào: − 5A÷ 5A

- Khử nhiễu tốt

- Đầu ra cực kì ổn định với điện áp offset

- Thời gian đáp ứng với sự thay đổi dòng đầu vào: t r =5µS

- Tổng sai số đầu ra: X G = ±1.5% ở T A =250C

- Điện áp cách li: Viso =2.1kV

- Nhiệt độ làm việc: T A = − ÷40 800C

Hình 2.5: Đặc tính vào ra của ACS714

Với dòng lớn nhất cho phép là 5A, khi đó đầu ra điện áp lớn nhất sau ACS714 là :

R7 30k

AVCC Viout

Hình 2.6: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng

2.2.1.2 Thiết kế bộ lọc anti-aliasing cho các đầu vào dòng điện và điện áp

2.2.1.2.1 Tại sao cần bộ lọc anti-aliasing?

Tín hiệu sau khi được cách li và định mức điện áp có thể đưa trực tiếp đến ADC

để thực hiện việc số hóa Tuy nhiên trước đó nó cần qua bộ lọc thông thấp chống trùng phổ Vậy tại sao lại cần bộ lọc này? Để trả lời câu hỏi này ta xét quá trình lấy mẫu của ADC Một quá trình lấy mẫu được mô tả bởi quan hệ:

Với x(n) là tín hiệu rời rạc có được bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự xa(t) vào các thời điểm cách nhau T giây Khoảng thời gian T được gọi là chu kì lấy mẫu và Fs = 1/T là tốc độ lấy mẫu

Theo định lý lấy mẫu Nyquist, với một tín hiệu liên tục có tần số lớn nhất Fmax thì tín hiệu được lấy mẫu với tần số Fs>=2Fmax có thể khôi phục chính xác với các mẫu rời rạc x(nT) Với tần số lấy mẫu Fs<=2Fmax thì sẽ xảy ra sai số lấy mẫu do trùng phổ (aliasing) Hay nói một cách khác với tần số lấy mẫu cố định là Fs thì tần số cao nhất của tín hiệu lấy mẫu là Fmax = Fs/2 Để hiểu rõ hơn ta xét một ví dụ:

Cho hai tín hiệu liên tục hình sin có tần số là 50Hz và 10Hz

x t =c π t và x t2( )=cos2 (50)π t

Lấy mẫu hai tín hiệu này với tần số lấy mẫu Fs=40Hz ta thu được hai tín hiệu rời rạc:

2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào?

Theo định nghĩa, bộ lọc là một thiết bị cho phép tín hiệu điện ở tần số nhất định hoặc dải tần số qua nó trong khi ngăn những tần số khác [1] Bộ lọc được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng Trong truyền thông, lọc dải thông được dùng cho xử lí tiếng nói với dải tần sóng âm (0 – 20kHz) Hệ thống thu thập dữ liệu đòi hỏi có bộ lọc anti-aliasing low-pass trong giai đoạn tiền xử lí tín hiệu,…

Ở tần số cao (>1MHz), gần như tất cả các bộ lọc đều sử dụng các phần tử thụ động như cuộn cảm (L), điện trở (R) và tụ điện (C) và do đó người ta gọi là bộ lọc LRC Tuy nhiên ở dải tần thấp hơn (1Hz – 1MHz), giá trị của các cuộn cảm trở nên rất lớn và khá cồng kềnh thì các mạch lọc tích cực lại trở lên thông dụng Các mạch này sử dụng phần

tử tích cực (các phần tử khuếch đại thuật toán) kết hợp với một vài điện trở và tụ điện để tạo mạch lọc gần giống bộ lọc LRC nhưng ở tần số thấp

C

VoVi

Vo Vi

Hình 2.7: Bộ lọc thông thấp bậc 2 thụ động và tích cực

Bộ lọc thông thấp Butterworth có độ phẳng của dải thông là lớn nhất nên nó thường được dùng trong các bộ lọc anti-aliasing trong các ứng dụng biến đổi dữ liệu nơi

mà tín hiệu có độ chính xác cao đi qua nó phải đảm bảo nguyên vẹn Bộ lọc có bậc càng cao thì phẩm chất càng tốt, tuy nhiên việc thiết kế sẽ phức tạp và mạch trở lên cồng kềnh Đối với đề tài, chọn bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 là hợp lí

Hình 2.8: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc

Hình 2.9: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau

2.2.1.2.3 Thiết kế bộ lọc

Trong Đăng kí đề tài , bộ PFC có thể phân tích các hài đến bậc 20 Với tần số danh định là 50Hz thì hài bậc 20 có tần số là 1kHz Do đó để đảm bảo chống sai số lấy mẫu do trùng phổ thì bộ lọc được thiết kế với tần số cắt 1kHz Hình 2.10 thể hiện bộ lọc thông thấp Sallen-key bậc 4, bao gồm 4 cực thông thấp Butterworth với tần số cắt là 1kHz, sử dụng OpAmp AD706AR là loại OA chính xác cao có dòng và áp Offset rất nhỏ

R6

-12V -12V

104

C4

104 C6 103

C3

103 C5

2.2.1.3 Bộ biến đổi tương tự sang số

Các tín hiệu điện áp và dòng đầu vào sau khi qua bộ lọc và chuẩn hoá mức thì được

số hoá bằng các bộ ADC Việc lựa chọn độ phân giải của ADC có tính quyết định đến độ chính xác của các phép xử lí sau này Lựa chọn ADC độ phân giải càng cao độ chính xác càng lớn tuy nhiên giá thành lại rất đắt Hơn nữa việc chọn ADC độ phân giải cao cũng không quá cần thiết Tham khảo lựa chọn ADC của một số hãng, cũng như dựa vào yêu cầu của đề tài về việc phân tích các hài thì một ADC có độ phân giải 16 bit là hợp lí Đặc biệt trước khi chuyển đổi cần phải có mạch Sample/Hold để đảm bảo độ chính xác Trong

đề tài chúng tôi sử dụng ADC LTC1865 của Linear Technology ADC này hoạt động theo nguyên tắc xấp xỉ liên tiếp với mạch Sample/Hold được tích hợp bên trong, tốc độ lấy mẫu 250ksps, thời gian biến đổi 3,2us Với thời gian lấy mẫu và chuyển đổi như vậy hoàn toàn có thể sử dụng một chip 2 kênh cho cả áp và dòng Đặc biệt ADC này có khả năng giao tiếp với MCU theo chuẩn SPI rất tiện dùng Hình 2.11 minh họa sơ đồ chân của ADC này Một số thông số kĩ thuật chính của ADC LTC1865:

- Nguồn cấp 5V

- Dòng cung cấp thấp: 850uA

- Độ phân giải 16 bit, tốc độ lấy mẫu 250ksps

- Tự động Shutdown khi dòng cung cấp giảm 2uA và 1ksps

- Hai kênh đầu vào tương tự

- Hỗ trợ giao tiếp SPI

- Nhiệt độ làm việc đến 1250C

CH0

2 CS 1

CH1 Din 5

CLK 7Dout 6

Hình 2.11: Sơ đồ chân LTC1865

2.2.1.5 Bộ xử lí trung tâm

Đối với bộ PFC, các thuật toán phân tích DFT từ đó làm cơ sở cho việc tính toán các hài điện áp, dòng điện, P, Q, PF, là những kĩ thuật phức tạp đòi hỏi phải có bộ xử lí trung tâm với cấu hình đủ mạnh và có cấu trúc phần cứng phù hợp cho giải thuật DFT Vì vậy đề tài đã chọn Bộ điều khiển xử lí tín hiệu số DSPIC30F6014A của MicroChip làm

bộ xử lí trung tâm

Bản thân DSPIC30F6014A là một chip xử lí mạnh với bộ xử lí 16 bit, dựa trên kiến trúc RISC có tốc độ tính toán cao, đặc biệt nó có khả năng thực hiện chức năng của

bộ xử lí tín hiệu số DSP Các đặc điểm kĩ thuật chính của DSPIC30F6014A:

- Tập lệnh tối ưu cho ngôn ngữ lập trình C với chế độ địa chỉ linh hoạt

- 144kB bộ nhớ Flash có thể xóa, nạp 10000 lần

- 8kB bộ nhớ RAM

- 4kB bộ nhớ EEPROM có thể xóa nạp 100000 lần

- Tốc độ xử lí tối đa với 30 triệu lệnh mỗi giây

- 44 nguồn tạo ngắt với 5 nguồn ngoài, 8 mức ưu tiên ngắt

- 16 thanh ghi 16 bit

- 5 bộ timer/counter 16 bit với tính năng Input Capture, Output Compare và PWM

- 2 Module mạng can với chuẩn CAN 2.0B

- Hỗ trợ giao tiếp truyền thông SPI, IIC, DCI, UART

- 16 kênh ADC 12 bit với tốc độ lấy mẫu lên tới 200ksps

- Watchdog Timer on chip

- Tích hợp module xử lí số với các tính năng:

o Nhập dữ liệu kép

o 2 bộ tích lũy 40 bit với tính năng bão hòa logic

o Bộ nhân phần cứng 17x17 bit chỉ trong một chu kì lệnh

o Tất cả các lênh DSP được thực hiện trong một chu kì

Hình 2.12: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A

2.2.1.5 Bộ điều khiển đầu ra Relay

Dựa trên đăng kí của đề tài với số bước tụ bù là 12, cùng với 1 đầu ra Alarm và 1 đầu ra Fan, do đó cần 14 Relay điều khiển Đề tài đã chọn Relay với các thông số chính sau:

- Điện áp điều khiển: 5VDC

- Điện áp lớn nhất chịu được 250VAC

Hình 2.13: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108

Các GLCD 128x64 dùng chip KS0108 thường có 20 chân trong đó chỉ có 18 chân thực sự điều khiển trực tiếp GLCD còn hai chân còn lại là Anode và Cathode của LED nền Trong 18 chân còn lại thì có 4 chân cung cấp nguồn còn 14 chân điều khiển dữ liệu

Mô tả chức năng từng chân của GLCD :

1

Ghi Đọc Điều khiển GLCD

2.2.2.4 Khối truyền thông

Đề tài sử dụng hai chuẩn truyền thông là RS232 và RS485 để giao tiếp PFC với các thiết bị khác Đây là hai chuẩn truyền thông được sử dụng chủ yếu trong các mạng truyền thông công nghiệp Việc truyền thông này cho phép PFC gửi kết quả các phép đo lường, các báo động hoặc các sự kiện tới các thiết bị giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu Việc chọn lựa chuẩn truyền thông là RS232 hoặc RS485 được thực hiện thông qua các Jump trên mạch Để đảm bảo an toàn cho các linh kiện bên trong PFC, đề tài thiết kế Module truyền thông cách li hoàn toàn về điện với modul Vi xử lý chính bằng việc sử dụng các optocoupler và nguồn cách li Hình 2.14 mô tả sơ đồ nguyên lý của khối truyền thông

C1+

1 VDD 2 C1- 3 C2+

4 C2- 5

VEE 6

T2OUT 7

R2IN 8R2OUT 9 T2IN

10 T1IN11

R1OUT

12 R1IN 13 T1OUT 14

GND 15

VCC 16

IC17

MAX232ACPE

10uF C18

10uF C19

10uF C16

10uF C17

+5V@2

1 2 3 4 5

6 7 8 9

11 10

J232/485

RE 2 R 1 VCC 8

GND 5

DE 3

A 6

B 7

D 4

IC18

SN75176AD

10k R37 680 R38

10k R39

100k R32

100k R33

470

R34

+5V@2

3k9 R35 3k9 R36

TX232/485

RXD

RXD

232 485

104 CIC13

+5V@2

+5V@2 +5V@2

104 CIC17

Hình 2.14: Khối truyền thông của PFC

Căn cứ vào việc lựa chọn các linh kiện trên, đề tài đã thiết kế bộ nguồn với các tính năng:

- Điện áp đầu vào 380V@50Hz

- Cung cấp điện áp mức 5VDC@560mA

- Cung cấp điện áp mức -5VDC@100mA

- Cung cấp mức điện áp 12VDC@100mA

- Cung cấp mức điện áp -12VDC@100mA

Phần 3: Thiết kế phần mềm

3.1 Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng

Trên cơ sở cấu hình phần cứng của bộ PFC như đã được đề cập trong mục 2.1: Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài, phần mềm của bộ PFC cũng được phân thành ba Module: Phần mềm phân tích xử lý tính toán và điều khiển, phần mềm HMI và phần mềm quản lý giám sát trên máy tính Phần mềm xử lý tính toán, điều khiển bao gồm các chức năng: Phân tích các hài dòng điện và điện áp tới bậc 20, tính toán công suất, hệ số công suất, các chỉ số độ méo hài tổng của dòng, áp, đồng thời dựa trên các số liệu đã tính toán được để điều khiển đóng cắt các tụ điện Phần mềm HMI có chức năng trao đổi dữ liệu nội bộ với các Module khác, đồng thời tương tác với người sử dụng thông qua giao diện phím bấm và màn hình hiển thị Phần mềm quản lý giám sát trên máy tính có chức năng lưu trữ, giám sát các thông số từ Module HMI gửi lên Các phần mềm này được cài đặt tương ứng lên các board mạch phần cứng như đã được mô tả trong mục 2.1: “Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài.”

Quá trình trao đổi dữ liệu giữa Module HMI và Module xử lý tính toán và điều khiển được thực hiện thông qua chuẩn giao tiếp SPI - một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc

độ cao do Motorola đề xuất Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó chip Atmega644 trong Module HMI sẽ đóng vai trò là Master điều phối quá trình truyền thông, còn chip Dspic30F6014 trong Module xử lý tính toán và điều khiển đóng vai trò là Slave SPI là một cách truyền song công và theo kiểu truyền thông đồng bộ với xung nhịp giao tiếp trên chân SCK do Master tạo ra Giao thức truyền thông giữa hai Module do nhóm thực hiện đề tài tự thiết kế

Trao đổi dữ liệu giữa bộ PFC với Module quản lý giám sát trên máy tính được thực hiện thông qua chuẩn truyền thông RS232/485 với giao thức truyền thông Modbus RTU

Toàn bộ chương trình phần mềm có thể mô tả thông qua lưu đồ trạng thái được minh họa trong hình 3.1

Hoạt động của các Module phần mềm có thể được tóm gọn như sau:

™ Phần mềm xử lý tính toán và điều khiển:

1 Khởi tạo ADC và timer lấy mẫu

2 Sau khi lấy đủ 128 mẫu cho tín hiệu điện áp và tín hiệu dòng điện thì gọi thủ tục tính DFT để lọc ra các hài dòng điện và điện áp

™ Phần mềm HMI

1 Nhận thông số cài đặt từ bàn phím

2 Hiển thị các thông số lên màn hình GLCD

3 Truyền thông với Module xử lý tính toán và điều khiển

4 Truyền thông với máy tính

™ Phần mềm PFC-Monitoring

1 Quản lý, giám sát và báo cáo

2 Giao tiếp với cơ sở dữ liệu

3 Truyền thông với khối HMI

3.2.1 Giao tiếp bàn phím và GLCD

Như đã đề cập, một trong những chức năng của Module HMI là giao tiếp với người sử dụng thông qua các phím bấm và màn hình GLCD Căn cứ vào các mã phím được ấn, phần mềm sẽ lựa chọn lệnh tương ứng và điều khiển sự truy nhập menu, đồng thời màn hình GLCD sẽ được cập nhật theo Đối với quá trình cài đặt thông số, sau khi hoàn tất, các thông số sẽ được lưu trong bộ nhớ EEPROM Hình 3.2 mô tả các menu cơ bản trong cây menu của bộ PFC

Hình 3.2: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC

3.2.2 Truyền thông nội bộ PFC

Ngoài việc tương tác với người dùng, Module HMI còn có nhiệm vụ trao đổi thông tin với các Module khác Việc trao đổi thông tin với Module xử lý tính toán và điều khiển được thực hiện theo chu kỳ thông qua chuẩn truyền thông SPI và giao thức truyền thông do nhóm thực hiện đề tài thiết kế

Việc gửi yêu cầu trao đổi thông tin được bên Master chủ động theo chu kỳ với định dạng khung truyền được mô tả theo hình 3.3 Trong mỗi bản tin do Master gửi đi được bắt đầu bởi một header qui định bản tin là ghi dữ liệu hay đọc dữ liệu

Hình 3.3: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu

Do truyền thông theo chuẩn SPI là song công nên ngay khi nhận được bản tin yêu cầu của Master, Slave sẽ đặt bản tin trả lời vào khung truyền Bản tin trả lời của Slave bao gồm 2 phần: Đặt lại địa chỉ của dữ liệu do bên Master gửi và phần dữ liệu tương ứng với địa chỉ đó

Hình 3.4: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi

Mô tả header trong khung bản tin yêu cầu của Master:

3.2.3 Truyền thông PFC với máy tính và thiết bị khác

Bộ PFC có một cổng truyền thông cho phép kết nối với các thiết bị khác theo chuẩn RS-232 hoặc RS-485 và đóng vai trò như một Slave Giao thức được sử dụng là Modbus RTU là một giao thức đơn giản và thông dụng

3.3 Chương trình phần mềm xử lí tính toán

3.3.1 Chương trình phân tích, xử lý tín hiệu tương tự

Các tín hiệu tương tự đầu vào bao gồm điện áp và dòng điện sau khi qua khối cách

ly và được chuẩn hóa thành các tín hiệu điện áp nằm trong dải 0 5VDC− Các tín hiệu điện áp tương ứng được đưa qua bộ lọc thông thấp với tần số cắt 1kHz trước khi đi vào các kênh ADC Việc lấy mẫu các tín hiệu này được thực hiện theo định lý lấy mẫu Nyquist Với việc cần phân tích phổ đến bậc 20, tương ứng với tần số lớn nhất của tín hiệu cần lấy mẫu:

xử lý sẽ tiến hành phân tích Fourier rời rạc để tách các hài của dòng điện và điện áp từ thành phần cơ bản đến hài bậc 20

Phân tích Fourier là một công cụ toán học dựa trên việc phân tích một tín hiệu thành các dạng sóng hình Sine Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) là một dạng của phân tích trên được sử dụng với tín hiệu đã được số hóa Một cách tổng quát, việc tính toán DFT được thực hiện theo phương trình:

1 0

Trong đó x[i] là tín hiệu trong miền thời gian cần phân tích, ReX[k]&ImX[ ]k là tín hiệu

đã được tính toán trong miền tần số c k[] cos(2 ki)

Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán quá trình xử lý tín hiệu tương tự

3.3.2 Chương trình tính toán các thông số điện

™ Tính toán các trị số hài dòng điện và điện áp

Áp dụng công thức (3-1) và (3-2), thành phần thực và ảo của dòng điện và điện áp tính theo công thức:

1 Re

[ ] [ ] arctan

[ ]

V

V k k

V k

Im Re

[ ] [ ] arctan

D

i i V

V TH

V

=

(3-13)