Thiết kế ông tơ điện tử một pha

Cụng tơ điện tử hiện nay là một sản phẩm cụng nghệ hiện đại, để đỏp ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện năng một cỏch hợp lý, cụng tơ điện tử thường cú những tớnh năng như: Đo nă

Trêng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi

Bộ Giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội

_

Nguyễn hữu bình

thiết kế công tơ điện tử một pha

luậ văn thạc sĩ kh n oa họ c NGÀNH ĐI ỀU KHI ỂN V À TỰ ĐỘNG HểA

NGƯ ỜI HƯỚNG D ẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

H À NỘI 2005 -

Công tơ đ ện i là m ột thiết ị quan trọng b kh ng thể thiếu được trong quy ôtrình cung cấp và mua bán đ ện ăng ủa c cô i n c ác ng ty điện lực Công tơ điện tử hiện nay là một sản phẩm công nghệ hiện đại, để đáp ứng được nhu cầu về quản

lý và sử dụng điện năng một cách hợp lý, công tơ điện tử thường có những tính năng như: Đo năng tác dụng, năng lượng phản kháng và năng lượng biểu kiến;

Đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến Đo tần số ; lưới điện, hệ số công suất, góc pha Đo dòng và áp hiệu dụng Công tơ nhiều giá; ; ; Quản lý phụ tải hộ tiêu thụ, ghi lại thời điểm quá tải; Quản lý số lần mất điện, thời gian mất điện Quản lý quá dòng quá áp, sụt dòng sụt áp, ngược chiều công ; suất; Tự động lập hoá đơn và lưu giữ trong bộ nhớ Trao đổi thông tin với với ; các thiết bị quản lý qua: RS232, RS485, cổng quang học, MODEM, với PC; Khả năng truyền số liệu, nối mạng nhiều công tơ Khả năng chống sét lan truyền; ; v.v

M ục đích ủa đề ài c t là nghi n cứu thiết ếê k công tơ đ ện ử ột pha Luận i t m

văn sẽ trình b c bày ác ướcnghiên cứu và thiết k côế ng tơ đ iện t s dụng vi mạch ử ử

tích ợp ính ăng lượng loại AD 775 h t n E 3 c hãủa ng ANALOG DEVICES ới v

những tính ă n ng ưu việt k h v b ết ợp ới ộ vi đ ều khiểni và mạch ời th gian thực để

t ìm ra giải pháp ề v công tơ đ ện ử đa năng với độ tin cậy i t cao, đáp ứng được

những nhu cầu ực tế của c à th ác nh cung cấp ện iđ và khách hàng ti u dùng đ ện ê i

KẾT LUẬN

Công tơ đ ện i là m ột thiết ị quan trọng thứ ếu b , y trong qu trình mua vá à

b ián đ ện, đòi ỏi h có độ chính ác, tin cậy cao v đảm b v h x à ảo ận ành an toàn trong

m ọi điều kiện khắc nhiệt của môi trường Chính vì v ậy việc nghi n c u, thiê ứ ết k ếchế tạo thử nghiệm công tơ đ iện t một ử pha sử ụng vi mạch d ADE 7753 là một

v ó ấn đề kh khăn Song với n l c b âỗ ực ủa ản th n, được ự giúp s đỡ nhiệt tình của

c ác Thầy Cô giáo trong khoa và đặc biệt là s ự chỉ bảo tận tình ủa Th c ầygiáo

hướng ẫn d Ti s ến ỹ Nguyễn Quốc Cường uận văn l tốt nghiệp đạt được m s đã ột ố

v c b ấn đề ơ ản như sau:

Đưa ra mô hình ủa c công tơ đ iện t s dụng vi mạch ử ử ADE7753 làm phần

mạch đ , phần ạch o m iđ ều khi bao gồm b ển ộ vi đ ều khiển, EE ROM, mạch ờii P th gian thực ( Real Time Clock), màn hình hiển thị LCD và đầu ra là cổng truyền tin nối tiếp SPI Nguy; ên lý c côủa ng tơ loại này là s dử ụng vi mạch ADE 7753

để đư a tín hi ệu v nề ăng lượng tiêu thụ ào ộ v b vi điều khiển B vi điều khiển cập ộnhật và s lý ôử th ng tin, điều khiển việc truy cập ữ liệu ê d tr n bộ nhớ EEPROM, đồng h ồ thời gian thực và hiển thị c dác ữ liệu cần thi lên màn hết ình hiển thị

ê í k cô i t m t s dĐưa ra ti u ch thiết ế ng tơ đ ện ử ộ pha ử ụng chip ADE7753 đa

năng đáp ứng được nhu cầu v ề quản lý và s dử ụng iđ ện Kết hợp ới v một vi

mạch ích ợp ADC v t h à b s lý tíộ ử n hiệu DSP cho phép ính ác gi trị ă t c á n ng

lượng, c ng suất, gi trị hiệu dô á ụng, chu kỳ và một s tố ính ăng ph t hiện ự ố n á s c điện

s c s ố ác ự kiện òn ưu giữ ít c l Vì v hậy ướng phát triển tiếp theo của đề t là àinghiên cứuphát tri ển êth m vềphần m ền để khắc phục ác thiếu ót tr n c s ê

V c ới ác đề xuất và kiến nghị tr n, Tô ê i hy vọng ằng ẽ r s nâng cao một bước

v ề nhận thức T i xin bày ỏ ng biết ơn ch n thành ới ác Thầyô t lò â t c Cô giáo trong khoa đã truyền đạt những ki thức, kinh nghiến ệm b ổ ích trong học tập, nghi n ê

c ứu khoa học và trong c ng tác, cuộc ống Đặc biệtô s Tô ô ci v ùng biết ơn Thầygiáo Tiến s ỹ Nguyễn Quốc Cường đã t tận ình chỉ ảo b Tôi trong suốt á qu trình

xây dựng đề ương, thu th c ập s ố liệu và phương pháp nghi n cứu để ê hoàn thành

b ản luận ăn tốt nghiệp v nà y

Do kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nghi n cứuê có h nêạn n nội dung, ý nghĩa, tác dụng ực t c b th ế ủa ản luận ăn này v chắcchắn c òn nhiều thiếu ót, hạn schế Tôi rất mong được s ự tham gia góp ý kiến ủa ác Thày c c Cô ági o và được ự s

cộng ác ủa ác đồng nghiệp./ t c c

- 1-

Chơng 1 Tổng quan

Công suất điện đợc định nghĩa nh là tốc độ của dòng chảy năng lợng từ nguồn tới tải

Công suất trong mạch điện một chiều

P =U.I hay P = I2R, P= U2/R, P =kq

- Trong đó: I dòng trong mạch

-

U điện áp rơi trên tải với điện trở R q- nhiệt lợng toả ra trên phụ tải trên một đơn vị thời gian Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha đợc xác định nh

là giá trị trung bình của công suất trong một chu kì T:

1

Trong đó: u, i là các giá trị tức thời của điện áp và dòng dòng điện Trong trờng hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng đợc tính là:

Hệ số cosϕ đợc gọi là hệ số công suất

Còn đại lợng S = UI gọi là công suất toàn phần hay còn gọi là công suất biểu kiến, nó đợc coi là công suất tác dụng khi phụ tải là thuần trở tức

là, khi cos ϕ = 1

Chơng 1 Tổng quan –

Khi tính toán, để đánh giá hiệu quả của các thiết bị điện, ngời ta còn

sử dụng khái niệm công suất phản kháng Đối với dòng và áp hình sin thì công suất phản kháng đợc tính theo:

Trong trờng hợp chung nếu một quá trình có chu kì với dạng đờng cong bất kì thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài

cos

k

k k k

k U IP

uidt T

Nh vậy công tơ đo năng lợng điện phải bao gồm một bộ phận chuyển

đổi để đo công suất, một bộ tích phân cho phép cộng dồn công suất theo thời gian

Bộ chuyển đổi đo công suất đợc thực hiện theo nhiều phơng pháp

khác nhau, đó là:

- - 3

- Theo phơng pháp điện: Phép nhân đợc dựa trên cơ cấu chỉ thị nh

điện động, sắt điện động, tĩnh điện và cảm ứng, trong đo góc quay α của phần

động là hàm của công suất cần đo

- P hơng pháp điện tử, phép nhân đợc thực hiện bởi các mạch nhân tơng tự cũng nh nhân số điện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần

đo

- Với phơng pháp nhiệt điện thì dùng cách biến đổi thẳng công suất

điện thành nhiệt Phơng pháp này thờng đợc ứng dụng khi cần đo công suất và năng lợng trong mạch tần số cao cũng nh nguồn laze

1.1.1 Đo công suất bằng Wattmet điện động:

Sơ đồ mắc Wattmet nh sau:

Hình 1.1 Đo công suất sử dụng Wattmet điện động

Để đo những Công suất nhỏ ta dùng cơ cấu sắt điện động tức là Cơ cấu

điện động nhng có mạch từ bằng vật liệu sắt từ Cuộn dây dòng điện giữ vai trò nh một Ampemet , còn cuộn dây điện áp thì nh một Voltmet

Chơng 1 Tổng quan –

Wattmet có tính cực tính Nghĩa là khi ta đảo pha cuộn dây dòng hay cuộn dây áp, Wattmet quay ngợc Vì vậy để xác định đợc chiều truyền Công suất ta phải đánh dấu đầu và cuối của cuộn dây áp và dòng

1.1.2 Đo công suất bằng Wattmet dùng bộ nhân điện tử:

1.1.2.1 Cảm biến Hall đo Công suất:

Cảm biến này là một phần tử nhân, bao gồm một mạch bán dẫn có dòng diện chạy qua Khi có từ trờng tác dụng lên mặt của mảnh bán dẫn đó xuất hiện sức điện động Hall

EH = KHBI sinψ

Nếu ta để cho I tỷ lệ với điện áp

B tỷ lệ với dòng điện I và B,I vuông góc với nhau thì

EH = KU.I

EH sẽ là một bộ nhân giá trị tức thời của u và i:

EH=Kp Với p là Công suất tiêu thụ tức thời trên tải, nếu u và i là những hàm hình sin thì công suất tức thời gồm thành phần cố định và thành phần biến thiên

Nếu dụng cụ ở đầu ra có quán tính nhỏ (đầu rung của giao động ký, thiết bị điện tử) ta có công suất tức thời biến thiên theo thời gian

Nếu đầu ra của cảm biến Hall mắc vào cơ cấu cơ điện có quán tính lớn hay một khâu tích phân thì nó sẽ chỉ công suất trung bình: P = UIcosϕ

Ưu điểm của loại Watmet này là không có quán tính, có cấu tạo đơn giản, cho phép công suất xoay chiều với tần số đến hàng trăm MHz

Nhợc điểm: sai số do nhiệt độ lớn

- - 5

Hình 1.2 Đo công suất sử dụng cảm biến Hall

logarithm:

Sơ đồ khối của bộ nhân nh sau

Hình 1.3 Đo công suất sử dụng bộ nhân tơng tự

Hai đại lợng Ux và Uy đợc đa vào hai bộ loga

Sức điện động nhiệt ngẫu : ET = KTI2

KT Hệ số biến đổi của cặp nhiệt ngẫu

-

I Dòng điện chạy qua dây đất nóng của bộ biến đổi

Era = ET1-ET2

Era = KT(IU +II)2 – KT(IU - II)2 = 4KTIUII

và dòng điện 10mV 300mV; 100 àA-3mA.Cosϕ = 0.1 1 tần số 20 100Hz

Hz-1.1.2.4 Bộ nhân bằng A/D và D/A

Sơ đồ biến đổi Công suất thành điện áp nh hình vẽ

Hình 1.4 Đo công suất sử dụng bộ nhân A/D và D/A

UX đa vào Bộ A/D biến thành NX:

Chơng 1 Tổng quan –

1.1.2.5 Bộ nhân bằng số đo công suất tức thời:

Nz là giá trị tức thời của p, nó có giá trị khác nhau ở các thời điểm khác nhau

Để xét sự biến thiên của p theo thời gian NZ đợc lu giữ lại thành một bảng số liệu về giá trị tức thời ở các thời điểm khác nhau và cũng có thể vẽ trên màn hình ở giá trị biến thiên theo t, hoặc in ra

Để đo công suất tức thời p=ui, giá trị tức thời của u và i phải đợc lấy cùng thời gian vì vậy phải dùng bộ lấy mẫu S &H, dùng để ghim giữ giá trị của u và i vào cùng một thời điểm Lúc ấy lại cũng có thể đợc sử dụng một A/D cùng cho cả hai biến u và i

Để giảm sai số lợng tử hoá của p, số lần lấy mẫu cho một chu kỳ phải

đủ lớn, chu kỳ lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến thiên của A/D phải đủ cao Tốc độ tính toán của bộ xử lý phải đủ cao để có thể tính toán theo thời gian thực Khi ta có công thức tức thời p, ta có thể dùng công thức để tính toán công suất trung bình, hay ta có thể tính năng lợng truyền cho tải

W- năng lợng tiêu thụ trong tải

P- Công suất trung bình trong khoảng thời gian t

Từ lâu ngời ta sử dụng cơ cấu cảm ứng làm công tơ đếm năng lợng vì những

Chơng 1 Tổng quan –

Cấu tạo

Dựa trên những tính năng trên , ta phải giải quyết những vấn đề sau:

1/ Để cho Mq =KP ta phải bố trí φu tỉ lệ với U1φi tỉ lệ với I và sinϕ=cosϕ Muốn vậy trong mạch cuộn dây áp ta dùng một mạch từ có lõi thép lớn để thành phần điện cảm lớn hơn điện trở rất nhiều φu tỉ lệ với Iu và vuông góc với

U Tuy nhiên để có thể thay đổi góc ϕ đảm bảo điều kiện sinϕ=cosϕ , ta bố trí trong mạch từ của φu và φi những khâu hiệu chỉnh góc pha

2/ Momen cản đợc tạo nên bởi nam châm vĩnh cửu mạnh mà từ trờng xuyên qua đĩa nhôm Khi đĩa nhôm quay, từ trờng của nam châm vĩnh cửu này cảm ứng lên đĩa nhôm một dòng xoáy tạo ra momen phản kháng

Mc =Kcφ0n n- tố độ quay của đĩa nhôm

3/ Vấn đề thứ ba là chống ma sát hay nói cách khác là bù ma sát của phần quay công tơ tức là của trục quay và bộ đếm cơ học của Công tơ, ma sát này khá lớn vì vậy phải bù ma sát nếu không khi dùng Công suất thấp công tơ không quay Momen bù ma sát đợc tạo ra bằng cách gây ra một từ thông lệch trong không gian và trong thời gian với φu bằng một lá sắt từ đặt trong mạch từ của một cuộn dây điện áp Momen bù Mk =Kφuφisinϕ k Để thay đổi momen

bù này ta thay đổi vị trí của lá sắt từ (bằng một vít chỉnh vị trí mà ta đánh dấu

- 11-

4/ Để công tơ quay đúng giá trị năng lợng điện tiêu thụ, hằng số công tơ phải đợc điều chỉnh cho hằng số thực của Công tơ hoạt động đúng giá trị ghi ở trên công tơ

Muốn điều chỉnh hằng số công tơ ta có thể thay đổi vị trí, hoặc từ thông của nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra momen cản

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

Chương 2 – ĐÔI NÉT VỀ CÁC DẠNG CÔNG TƠ

ĐIỆN TỬ

2.1 Một số tính năng của công tơ điện tử

Công tơ điện tử hiện nay là một sản phẩm công nghệ hiện đại, để đáp ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện năng một cách hợp lý, công tơ điện tử thường có những tính năng sau:

- Đo năng tác dụng, năng lượng phản kháng và năng lượng biểu kiến

- Đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến

- Đo tần số lưới điện, hệ số công suất, góc pha

- Đo dòng và áp hiệu dụng

- Công tơ nhiều giá

- Quản lý phụ tải hộ tiêu thụ, ghi lại thời điểm quá tải

- Quản lý số lần mất điện, thời gian mất điện

- Quản lý quá dòng quá áp, sụt dòng sụt áp, ngược chiều công suất

- Tự động lập hoá đơn và lưu giữ trong bộ nhớ

- Trao đổi thông tin với với các thiết bị quản lý qua: RS232, RS485, cổng quang học, MODEM, với PC

- Khả năng truyền số liệu, nối mạng nhiều công tơ

- Khả năng chống sét lan truyền

2.2 Công tơ điện tử thông thường

Để chế tạo công tơ điện tử một pha người ta biến đổi dòng điện I thành điện áp U1 tỉ lệ với nó: U1=k1I

- 2 -

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

Một điện áp khác tỉ lệ với điện áp vào U:

U2=k2U Qua bộ nhân điện tử ta nhận được điện áp U3 tỉ lệ với công suất P:

U3=k3P Điện áp này sau khi qua bộ biến đổi điện áp tần số hoặc bộ biến đổi A/D, tiếp theo vào bộ đếm và ra chỉ thị số Số chỉ thị của cơ cấu chỉ thị tỉ lệ với năng lượng N=CW trong khoảng thời gian cần đo năng lượng đó

Hình 2.1: Công tơ điện tử thông thường

Tất cả các bộ biến đổi trên đây đều thực hiện bằng mạch điện tử

Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0.5 đến 1%

Thời gian qua, hãng ANALOG DEVICES đã đưa ra thị trường vi mạch tích hợp tính năng lượng, họ AD775X với những tính năng ưu việt ngày càng được nâng cao kết hợp với bộ vi điều khiển và mạch thời gian thực cho ta giải pháp về công tơ điện tử đa năng với độ tin cậy cao và độ chính xác cao, đáp ứng được những nhu cầu của nhà sản xuất và người tiêu dùng điện

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

Như đã nói ở trên, hãng ANALOG DEVICES đã đưa ra thị trường mạch tích hợp ADE77XX cho ứng dụng làm công tơ điện tử một pha và ba pha

Về mô hình nói chung các công tơ điện tử thường có 3 phần, phần mạch đo sử dụng vi mạch ADE77XX và phần mạch điều khiển bao gồm bộ vi điều khiển , EEPROM, mạch thời gian thực ( Real Time Clock), ngoài ra tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể có thể dùng thêm RAM, phần hiển thị gồm có màn hiển thị LCD hoặc truyền trực tiếp lên máy tính

Nguyên lý chung của các công tơ này là: ADE77XX đưa tín hiệu về năng lượng tiêu thụ vào bộ vi điều khiển Bộ vi điều khiển cập nhật và xử lí thông tin, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên bộ nhớ EEPROM, đồng hồ thời gian thực và hiển thị các dữ liệu cần thiết lên màn hình hiển thị

Các dạng công tơ sử dụng vi mạch này ở đây được phân loại theo nguyên lý hoạt động của vi mạch tích hợp ADE77XX Vì vậy ta có thể phân

ra hai loại như sau:

- Loại thứ nhất sử dụng các chip ADE7751, 55 sử dụng cho công tơ một pha và ADE7752 cho công tơ 3 pha Ðầu vào là dòng và áp của tải, đầu

ra là xung tỉ lệ với công suất đo

- Loại thứ hai sử dụng các chip ADE77753, 56,59 cho công tơ một pha

và ADE7754 , ADE7758 cho công tơ 3 pha Đầu vào cũng là dòng và áp của tải, qua bộ xử lý, đầu ra là cổng truyền tin nối tiếp SPI

Ngoài ra còn có một số chip như ADE7757 có thể dùng để chế tạo công

tơ giá rẻ vì nguồn đơn giản và có mạch dao động thạch anh bên trong

ADE7760 tích hợp ADC và DSP bên trong, đầu ra cũng là dạng xung tần số nhưng chip này còn có khả năng phát hiện sự cố điện

- 4 -

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

ADE7768 cùng cho công tơ một pha, đầu ra là xung tần số nhưng có ưu điểm là tích hợp mạch dao động bên trong và có chế độ chỉ chứa công suất dương

Với tiêu chí thiết kế công tơ điện tử một pha đa năng đáp ứng được những nhu cầu về quản lý và sử dụng điện, công tơ điện tử trong đồ án này sử dụng chip ADE7753, một vi mạch tích hợp ADC và bộ xử lý tín hiệu DSP cho phép tính các giá trị năng lượng, công suất, giá trị hiệu dụng, chu kì và một số tính năng phát hiện các sự cố điện

Hình Sơ đồ khối công tơ điện tử sử dụng ADE7753

Các tính năng của ADE7753 sẽ được trình bày trong chương sau để thấy rõ được ưu điểm nổi trội của họ IC này

Hoạt động:

Tín hiệu dòng và áp từ điện lưới được đưa qua các bộ chuyển đổi dòng,

áp để được tín hiệu phù hợp đưa vào vi mạch tích hợp chuyên dụng đo công suất ADE7753 ADE7753 xử lý các tín hiệu và ghi kết quả vào các thanh ghi chức năng Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ cập nhật thông tin từ ADE7753

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

thông qua cổng truyền tin nối tiếp SPI, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên đồng hồ thời gian thực, bộ nhớ EEPROM theo chuẩn I2C, trao đổi thông tin với máy tính thông qua mạch cách ly quang theo chuẩn RS232, điều khiển việc hiển thị thông tin về thời gian, công suất và năng lượng lên màn hình LCD Mạch RTC phục vụ cho việc xác định thời điểm tính cước, thời điểm xảy ra sự cố, ngoài ra có thể được dùng để lưu lại giá trị các thông số liên quan khi xảy ra sự cố điện

Các phím chức năng được thêm vào để thực hiện các menu chức năng của công tơ

2.5 Xu hướng phát triển cho công tơ điện tử

Việc mở rộng các tính năng của công tơ điện tử giúp nhà phân phối kiểm soát được nguồn năng lượng tốt hơn và nâng cao độ tin cậy của khách hàng, Một ưu điểm chính của việc sử dụng công tơ điện tử là cho phép nhà phân phối sử dụng chế độ cung cấp nhiều giá điện theo mùa, theo giờ sử dụng trong ngày Điều này có tác dụng rất lớn trong điều hành lưới điện, cho phép

ổn định biểu đồ phụ tải

Với đặc thù phân phối điện là phạm vi rất rộng, để giảm thờI gian và chi phí, hiện đạ hóa hệ thống quản lý điện ngườI ta lắp đặt hệ thống công tơ i điện tử điều khiển và thu thập số liệu từ xa Số liệu được truyền trên chính đường dây tải điện Theo thời điểm đặt trước, công tơ tự động phát các bản tin

về trung tâm xử lý Ở đây, người ta tiến hành lập hoá đơn thanh toán Việc cài đặt thông số cho công tơ có thể tiến hành từ xa qua thiết bị thu phát quang học

Xu hướng mới cho công việc quản lý điện năng tiêu thụ là dùng công

tơ thẻ, phương thức thanh toán cũng gần giống như điện thoại thẻ hiện nay Đây là xu hướng đầy triển vọng vì nó tạo ra cuộc cách mạng thực sự trong việc quản lý và sử dụng điện năng

Như vậy có rất nhiều xu hướng phát triển cho việc hiện đại hoá việc quản lý và tiêu thụ điện năng mà trước hết với thực tế đất nước, cần phải nghiên cứu triển khai lắp đặt hệ thống công tơ điện tử làm nền tảng cho những

- 6 -

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

phát triển hiện đại hoá sau này Đặc biệt, tình hình sử dụng điện năng ở nước

ta tạo ra một nhu cầu rất bức thiết của ngành điện là cần có hệ thống công tơ

đo nhiều mức giá để giảm chi phí vận hành, chống lãng phí và giảm tổn hao điện năng đồng thời cung cấp cho người sử dụng một nguồn điện năng có chất lượng tốt với giá cả hợp lý hơn, tránh tình trạng giá điện bậc thang như hiện nay

Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

Chương 3 GIỚI THIỆU VI MẠCH ADE 7753

ADE7753 l một vi mạch t ch hợp d ng đ để o năng lượng của tảI

1 pha vói giao diện nốI tiếp SPI vớI c c thiết bị khá á c

Hình 3.1 : Sơ đồ chân linh kiện

3.1 Mô tả chung

ADE7753 l một IC đo năng lượng t ch hợp ADC v DSP cho độ chính x c cao và á ổn định với sự biến ổi khắc nghiệt của m i trường, sử đ ôdụng giao diện nối tiếp SPI với 5 dây (DIN, DOUT, SCLKIN, CS, I RQ

) và một xung ầu ra (CF) tỉ lệ với cđ ông s ất đo được u

Trong ADE7753 c một bộ t ch ph n số, mạch iện p chuẩn, đ ásensor đo nhiệt ộ v bộ xử lđ à ý tín hiệu phục vụ cho việc đo năng lượng

tác dụng, năng lượng phản kh ng, năng lượng biểu kiến, đo chu kì điện á

áp và tính to n gi trị hiệu dụng của điện áá á p và dòng điện

ADE7753 có khả năng tính to n v đá à iều chỉnh các thông số như: điều chỉnh offset các k nh, tíê nh g c pha, tó ính công suất bảo đảm ộ đchính x c cao Đồng thời cá ó khả năng phát hiện sụt p hoặc quá á áp

á ADE7753 có chế độ chỉ l u giữ gi trị dư ương cho phép chỉ l u giữ ưnăng lượng khi c ng suất ti u thụ lô ê à dương Ngưỡng kh ng tải bô ên trong bảo đảm rằng không c ng d khi kh ngcó tải tiêó dò ò ô u thụ Đầu ra phát hiện qua 0 (ZX) phát ra xung đồng bộ với điểm qua 0 của tín hiệu điện

áp T n hiệu n y được dùng trong chế đí à ộ l u giữ năng lượng tác dụng ư

và năng lượng biểu kiến theo chu kì điện lưới cho phép chỉnh định nhanh

hơn

áThanh ghi trạng th i ngắt định nghĩa nguồn ngắt, thanh ghi cho phép ngắt iều khiển sự kiện ngắt vđ à áph t ra chân ngắt I RQ

3.2 Nguyên lý hoạt động của ADE7753

Hình 3.2 Cấu trúc các phần chức năng bên trong của ADE7753

Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

à ADE7753 l một IC chuy n dụng dê ùng đ để o năng lượng điện một pha Tín hiệu điện áp được đưa vào 2 kênh, điện áp V1 vào chân V1P của kênh 1 (kênh dòng ) và V2 vào chân V2P của kênh 2 (kênh áp) Tín hiệu điện áp V1 sẽ được đưa qua bộ khuếch đại vi sai PGA - (Programable Gain Amplifier), tại đây có thể thay đổi hệ số khuếch đại

là 1, 2, 4, 8, 16 Hệ số khuếch đại có thể điều khiển được bằng phần mềm Điện áp cao nhất là 0.5V

Sau khi khuếch đại tín hiệu được đưa vào ADC với tần số lấy mẫu (CLKIN/4) để biến thành tín hiệu số và đưa qua bộ lọc thông cao để loại trừ offset ở đầu ADC , sau đó qua bộ tích phân số ( bộ tích phân này có thể có thể dùng trong mạch hoặc có thể tách ra khi cần thiết)

Tín hiệu V1 sau tích phân được tách ra 2 đường, đường thứ nhất đi vào bộ nhân để nhân với tín hiệu điện áp lấy từ V2 Sau khi nhân, số liệu đầu ra tỉ lệ với tích V1.V2 Số liệu này qua bộ lọc thông thấp để loại trừ dao động tần số cao.Tất các c c tá ín hiệu cần thiết được cất vào c c thanh ághi có chức năng đặc biệt Các dữ liệu cất trong thanh ghi sẽ giao tiếp với c c thiết bị khá ác thông qua giao diện nối tíêp SPI Ngoài ra ADE7753 còn có một bộ biến đổi số thành tấn số để lấy ra tần số CF dùng cho việc khắc độ thiết bị

Đường thứ 2 của tín hiệu V1 sau khi qua bộ tích phân được đưa đến bộ bình phương, sau đó bộ lọc thông thấp Bộ cộng và bộ căn để cho

ra số liệu về điện áp hiệu dụng của U1 và U2 Số liệu này cũng được lấy

ra ngoài thông qua cổng SPI

Các giá trị hiệu dụng của 2 kênh được nhận với nhau để cho số liệu tỉ lệ với công suất biểu kiến

Các số liệu tức thời cũng có thể lấy qua SPI

S ố liệu về cosϕ được tính qua P và S:

S

P

= ϕ cos

Ngoài ra trong ADE7753 có mạch phát hiện qua 0 dùng cho để tính toán chu kỳ và tần số

- 4 -

Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

3.3 - Chức năng và nguyên lý của một số khối cơ bản của

ADE7753

3.3.1 Bộ biến đổi ADC trong ADE7753

Bộ biến đổi t ng tự số trong ADE7753 ươ được chia làm 2 phần Phần thứ nhất là modul (Sigma-Delta) v phần thứ 2 l bộ lọc số thông à à thấp

Tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc thông thấp tương tự RC để lọc các nhiễu cao tần do các nhiễu cao tần của mạch biến dòng hay biến áp

Modul Sigma-Delta biến đổi tín hiệu đầu vào tương tự ra một chuỗi liên tiếp các số 0 và 1 với tần số lấy mẫu (CLKIN/4) Tín hiệu qua

bộ cộng (Singma), sau khi được cộng một LSB tín hiệu được tích phân

và vào bộ so sánh có lưu trữ Đầu ra bộ so sánh tăng hay giảm 1LSB tuỳ theo dấu ra của bộ so sánh Và tín hiệu đi vào một DAC 1bit

Hình 3.3: Bộ ADC trong ADE7753

DAC 1 bit trong vòng lặp phản hồi được điều khiển bởi d ng dữ òliệu nối tiếp Đầu ra DAC b rị t ừ bởi t n hiệu í đầu vào Nếu v ng lặp tiếp òtục ủ lớn giđ á trị trung bình của đầu ra DAC sẽ đ đạt ến giá trị thực của

Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

đầu vào Ta phải lấy giá trị trung bình của một l ợng lớn số mẫu rồi đưa ưqua phần thứ 2 của ADC là bộ lọc số th ng thấp, bộ lọc nô ày phát ra một

từ dữ liệu 24 bit tỉ lệ với mức t n hiệu - í đầu vào

ADC kênh 1 (k nh d ng)ê ò

Trong chế ộ lấy mẫu sđ óng, ADC phát ra một từ dữ liệu 24 bít mã

bù 2 c dấu với tốc ộ lấy mẫu lớn nhất ló đ à 27.9kSPS9 (CLKIN/128)

Khi t n hiệu t ng tự ươ đầu v o l đầy thang ±0.5V thì đầu ra của ADC mã trong khoảng 251ECh (+2,642,412d) và D7AE14h (-2,642,41d)

H ình 3.4 ADC và xử lý tín hiệu trong kênh dòng điện

Lấy mẫu trên kênh 1

óDạng s ng lấy mẫu gửi tới thanh ghi WAREFORM (MODE14:13=1.0) được đọc từ hệ thống chủ MCU Trong chế ộ lấy đmẫu sóng, bit WSMP trong thanh ghi cho phép ngắt phải set lên 1 Việc

- 6 -

Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

tính to n năng lượng tác dụng, biểu kiến, phản kháng bị á giữ lại không được ngắt trong quá ìtr nh lấy mẫu

Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, tần số lấy mẫu tín hiệu có thể được thay đổi với 4 tốc độ lấy mẫu khác nhau bằng cách chọn giá trị bit

11 và 12 của thanh ghi chế ộ (WAVSEL1,0), c Khi đọc một mẫu dạng đsóng mới, chân ngắt IRQ tích cực thấp

óMẫu dạng s ng 24 bit được chuyển từ ADE7753 mỗi lần 1 byte , byte có trọng số cao nhất chuyển trước Chân yêu cầu ngắt IRQ tiếp tục

ỏ mức thấp cho đến khi trình phục vụ ngắt đọc thanh ghi reset trạng thái

H ình 3.5: L ấy m ẫu d ạng s óng k ênh 1 (k ênh d òng)

Tính giá trị hiệu dụng trên kênh 1

Tín hiệu ra của ADC là tín hiệu rời rạc vì vậy giá trị hiệu dụng sẽ được tính theo công thức:

Và như vậy tín hiệu tức thời V(t) ra khỏi ADC sẽ được đưa vào

bộ lọc thông cao để loại trừ offset đầu vào của ADC Sau đó số liệu ấy được tự nhân với chính nó để lấy bình phương sau đó được lấy giá trị trung bình bằng cách cho qua bộ lọc thông thấp LPF3 và bù Offset cộng tính trong ô (∑), thanh ghi IRMSOS 12 bit có dấu Tiếp theo tín hiệu đi qua bộ căn bậc 2 thu được giá trị hiệu dụng của kênh 1