Nghiên ứu hệ đo vạn năng ao áp không biến dòng và biến điện áp ao áp

Với ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là ứng dụng vi hệ thống biến đổi các đại lượng điện vạn năng kết hợp với vi hệ thống truyền tin không dây để tránh dùng các biến dòng và biến

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN C ỨU HỆ ĐO VẠN NĂNG CAO ÁP KHÔNG BIẾN DÒNG

VÀ BI ẾN ĐIỆN ÁP CAO ÁP

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hà N ội, 2006

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131519531000000

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN C ỨU HỆ ĐO VẠN NĂNG CAO ÁP KHÔNG BIẾN DÒNG VÀ

BI ẾN ĐIỆN ÁP CAO ÁP

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :

TS.NGUY ỄN TRỌNG QUẾ

Hà N ội, 2006

Lời mở đầu

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, công nghệ chế tạo và ứng dụng số hoá trong cuộc sống cũng như trong sản xuất công nghiệp nói chung và ngành đo lường nói riêng thì việc ứng dụng và thay thế các thiết

bị đo lạc hậu, cồng kềnh bằng các thiết bị đo số thông minh, nhanh nhạy, gọn nhẹ đã là xu hướng chung của xã hội, của thời đại Cụ thể là công nghệ chế tạo vi hệ thống đo lường (IC) đã mở ra một khả năng to lớn trong lĩnh vực đo lường như chế tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm, xây dựng các hệ đo và giám sát với khả năng đáp ứng nhanh, chính xác, Với nhu cầu cần thiết ứng dụng trong thực tế, tôi đã chọn đề tài này làm luận văn thạc sĩ khoa học

Mục đích của đề tài là đưa ra một mẫu của hệ đo vạn năng cao áp không biến dòng và biến áp cao áp

Nội dung cơ bản của luận văn được trình bày trong 5 chương với các vấn

đề cần giải quyết là dùng vi hệ thống ADE7753 biến P, Q, U, I thành số; dùng

vi xử lý để đo các giá trị số; dùng vi hệ thống Bluetooth truyền tin không dây

về máy tính trung tâm

Với ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là ứng dụng vi hệ thống biến

đổi các đại lượng điện vạn năng kết hợp với vi hệ thống truyền tin không dây

để tránh dùng các biến dòng và biến áp đo lường cao áp

Trong bản luận văn do điều kiện thời gian cũng như điều kiện nghiên cứu còn hạn chế nên vẫn còn thiếu sót Rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp, đồng môn đề đề tài sau này phát triển hơn nữa

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy giáo PGS Nguyễn Trọng Quế, người rất quan tâm và hết lòng chỉ bảo hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn Đo lường

& Tin học công nghiệp và các bạn đồng nghiệp, đồng môn đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài!

Lêi më ®Çu Trang 1

Chương 3 - Các thuật toán đo các đại lượng điện

của ADE7753

31

Chương 5 - tổ chức chương trình phần mềm 58

Chương 1 - phương hướng cơ bản của đề tài

1.1 - Vai trò của kỹ thuật đo điện

Nước ta đang trong quá trình thực hiện công nghiệp hoá và hiện đại hóa các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân Do đó các ngành công nghiệp

đóng một vai trò quan trọng trong tiến trình đó Trong đó ngành đo lường là một trong những ngành luôn đứng ở vị trí quan trọng Trải qua nhiều thập kỷ, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành đo lường điều khiển đã

đạt được những thành tựu đáng kể, việc đổi mới quá trình công nghệ trong sản xuất công nghiệp và trong mọi lĩnh vực khác đều liên quan đến sự phát triển của kỹ thuật đo

Kỹ thuật đo là một lĩnh vực khoa học thực nghiệm với hai hướng nghiên cứu chính là phương pháp đo và thiết bị đo Phương pháp đo và thiết bị đo là hai mặt có liên hệ mật thiết và bổ xung cho nhau của kỹ thuật đo Một thiết bị

đo chỉ có thể xây dựng trên phương pháp đo xác định Nhưng ngược lại sự phát triển của công nghệ chế tạo dụng cụ đo lại thúc đẩy việc tìm ra các phương pháp đo mới

Cho tới nay, ngành kỹ thuật đo điện đã trải qua các giai đoạn chính sau:

• Giai đoạn của các dụng cụ chỉ thị và tự ghi cơ điện:

- Với dụng cụ chỉ thị cơ điện: Chỉ đánh giá được định lượng đại lượng Con người phải thực hiện nhiệm vụ đọc kết quả đo, ghi kết quả đo, xử lý kết quả và đưa ra lệnh điều khiển đối tượng theo yêu cầu Các dụng cụ đo này thường lớn về kích thước, dải đo hẹp, thời gian đo chậm

- Với dụng cụ tự ghi cơ điện: Con người chỉ giảm nhẹ được việc đọc, giá trị đo được ghi theo thời gian

• Giai đoạn của các dụng cụ đo điện tử tương tự và điện tử số đơn giản:

ở giai đoạn này, chủ yếu là cải thiện được các đặc tính của dụng cụ đo và cải thiện được một phần việc tự động hoá các quá trình đo lường - điều khiển

Nhìn chung các thiết bị đo số có độ chính xác cao hơn các thiết bị đo tương tự, dải đo rộng, thời gian đo nhanh hơn, kết quả đo có thể được truyền đi xa, mà ít chịu tác động của nhiễu, có thể sử dụng các algorithm đo khác nhau để xây dựng mạch đo và quá trình xử lý kết quả Các dụng cụ đo này được lắp từ những mạch rời nên kích thước còn lớn, độ chính xác thường đạt 0,5%; 1%,

• Giai đoạn ra đời của vi xử lý (àP) và vi điều khiển (àC):

Mở ra một giai đoạn mới của kỹ thuật đo, giúp tạo ra các thiết bị đo giảm

đáng kể về kích thước, trọng lượng nhưng chức năng tăng lên gấp bội Tuy nhiên hiện nay cùng với sự phát triển vượt bậc trong công nghệ chế tạo thì sự

ra đời của các họ vi xử lý chuyên dụng sử dụng trong lĩnh vực đo lường đã

đem lại cho ngành kỹ thuật đo nói chung và kỹ thuật đo lường điện nói riêng

sự phát triển mạnh mẽ

Sự phát triển này đem lại những ưu điểm sau:

- Thời gian đo nhanh, độ chính xác và độ nhạy cao

- Dễ dàng thực hiện tự động hoá quá trình đo

- Các thiết bị đo điện chế tạo nhỏ gọn, đơn giản hơn

- Giá thành sản phẩm thấp

- Có thể tích hợp đo nhiều đại lượng trên cùng một thiết bị

- Các phương pháp đo điện được dùng rất thuận tiện để đo các đại lượng không điện (như nhiệt độ, trọng lượng, áp suất, lưu lượng, di chuyển ) Bằng cách dùng các chuyển đổi sơ cấp, ta có thể biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện, từ đó thực hiện các phép đo đại lượng điện

Và có thể đo được các đại lượng điện ở cao áp, trung áp hay hạ áp

1.2 - Sơ đồ hệ đo lường ở một lộ cao áp

Đối với hệ đo cao áp này, có thể đo được các đại lượng sau: UR A R, UR B R, UR C R,

IR A R, IR B R, IR C R, P, Q, S, ER a R, ER r R, f, cosϕ Nhưng hệ này cần phải có nhiều dụng cụ, thiết bị riêng rẽ, các biến áp và biến dòng phải cách điện rất dày nên kích thướng kồng kềnh và tốn kém Sai số thiết bị lớn: sai số (V) là 1,5%; (A) là 1,5%; (W) là 2,5%; (E) là 2%

CR B R là hằng số

B là cảm ứng từ

l là chiều dài vùng từ trường tác dụng

Hai phương pháp này mới chỉ dừng lại ở nghiên cứu, độ chính xác của phương pháp đo này không cao

1.4 - Phương hướng cơ bản của đề tài

- Dùng phương pháp không tiếp xúc

- Các thông số của lưới điện được đo ở cao áp và truyền tin về trung tâm bằng phương tiện không dây

- Sử dụng các vi hệ thống và vi điều khiển:

+ Vi hệ thống biến đổi các đại lượng điện

+ Vi hệ thống truyền tin không dây

+ Vi điều khiển để tổ chức thu thập số liệu, tổ chức bảo vệ

Các thông số điện ở cao áp được đo bằng: Chuyển đổi dòng thông qua biến dòng thông thường (TI), dùng điện trở Sun chuyển đổi về điện áp; Chuyển đổi điện áp thông qua biến áp thông thường (TU) Sau đó đưa vào hai kênh vào tương tự của vi hệ thống biến đổi (ADE7753) Tổ chức đo lường

được lập trình bằng vi điều khiển (MCU); truyền tin không dây thông qua phần tử Bluetooth ở cao áp xuống hạ áp; thu thập hiển thị vào máy tính hay một thiết bị đầu cuối

Điện áp vào kênh 1 (kênh đo IR ~ R = IR 1 R): VR 1

VR 1 R = IR 2 R.RR S R với: IR 1 R/IR 2 R = WR 2 R/WR 1

Điện áp vào kênh 2 (kênh đo UR ~ R): VR 2

V2 = U2 = U1.W’2/W’1

2 2

U I

L

C

ωω

Như vậy, kết quả cần đo trên đường dây cao áp được truyền về đầy đủ theo yêu cầu người sử dụng

Chương 2 - Giới thiệu các vi hệ thống 2.1 - Giới thiệu vi hệ thống ADE7753

2.1.1 - Mô tả chung

Họ vi hệ thống ADE77xx (Analog Devices Energy) của hãng Analog Devices ra đời năm 1999 là một họ vi hệ thống chuyên dụng, đa năng, có tính năng vượt trội trong đo lường Đến nay họ vi hệ thống đo các đại lượng điện của Analog Devices đã có nhiều loại: ADE7750, ADE7751, ADE7753, ADE7754, ADE7755, ADE7756, ADE7757, ADE7758, ADE7761, ADE7763,

Cùng với sự ra đời của họ ADE77xx, là một bước đột phá lớn trong lĩnh vực đo lường, cho phép thực hiện nhiều phép đo trên một hệ thống với độ chính xác cao, phạm vi rộng, đặc biệt là các đại lượng điện một pha như đo giá trị hiệu dụng (RMS) dòng điện (IR RMS R), điện áp (VR RMS R), công suất tức thời (p(t)), công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), biểu kiến (S), năng lượng tác dụng (ER a R), năng lượng phản kháng (ER r R), tần số (f), chu kỳ (T), hệ số công suất (cosϕ) và đo các đại lượng điện một chiều (IR = R, UR = R) Ngoài ra còn có thể thực hiện các Algorithm đo các đại lượng như điện trở R (điện trở trung bình, điện trở cách điện, điện trở nối đất, điện trở mối nối, ), điện cảm L,

điện dung C, đồng thời cũng có thể thực hiện đo các đại lượng không điện (như nhiệt độ, trọng lượng, độ rung, ) trên cơ sở đo các đại lượng điện

Vi hệ thống được tích hợp các ADC có độ chính xác cao, tốc độ lớn của Analog Devices, với các hàm xử lý số tín hiệu (DSP) hiện đại của Texas Instrument, cho phép thực hiện các phép biến đổi tương tự số, lọc số thông thấp, thông cao, phép nhân, tích phân số đảm bảo cho hệ thống đạt chính xác 0,1% trong dải thang đo 1:1000 Đó là điều mà không một hệ thống đo nào khi lắp bằng mạch rời có thể đạt được Với độ chính xác mà vi hệ thống đạt

được, nó ngang bằng với độ chính xác của dụng cụ đo mẫu trước đây

ADE7753 là một vi mạch của hãng Analog Devices Vi hệ thống được tích hợp các hàm xử lý tín hiệu nhanh, tính toán với độ chính xác cao Do đó

được dùng rộng rãi trong đo lường và đặc biệt tiện ích trong việc đo các đại lượng điện trong mạch điện một pha

Họ vi hệ thống ADE77xx đều dựa trên 2 định nghĩa về đo giá trị hiệu dụng:

=

i i

n

U

1 2

P

0

) (

=

i i

p n

P

1

Với giá trị tức thời của công suất: p(t) = u.i

Để đảm bảo tính chính xác, chất lượng cao, Analog Devices đã sử dụng các biện pháp sau:

- Điện áp vào được khuyếch đại bằng phần mềm, sau đó vào ADC chính xác cao, tốc độ nhanh (24 bit, 900kS/s)

- Để đảm bảo sai số 0,1% của toàn bộ hệ thống, độ chính xác của ADC ít nhất phải đạt 0,01% tức tối thiểu 100ppm, như vậy điện áp mẫu UR ref R của ADC phải đạt 0,003% tức 30ppm

- Giá trị mẫu có tính ổn định rất cao (30ppm) nhờ có bù nhiệt độ cho UR ref R

ADE7753 cho phép hoạt động ổn định trọng một thời gian dài Việc hiệu chỉnh các hệ số thực hiện bằng phần mềm nhờ có vi xử lý hoặc máy tính

Các thông số đặc trưng:

- Độ chính xác cao 0,1% trong dải thang đo 1:1000

- Có thể ghép nối trực tiếp với các sensơ rất linh hoạt như: biến dòng, điện trở sun, đặc biệt là các sensơ dòng có đầu ra dạng di/dt vì trên chíp được tích hợp bộ tích phân số

- Khả năng tính toán và đo được các đại lượng: công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S, năng lượng, giá trị dòng điện,

điện áp hiệu dụng, tần số f, chu kỳ T , hệ số công suất của lưới điện, lấy mẫu giá trị tức thời dòng điện, điện áp Ngoài ra còn có thể sử dụng để tạo

ra thiết bị đo các đại lượng điện một chiều, các thông số mạch điện như

điện trở R, điện cảm L, điện dung C, điện trở nối đất, điện trở cách điện,

điện trở tiếp điểm của các thiết bị đóng cắt,

- Bộ đặt ngưỡng điện áp trên chíp có thể lập trình được và bộ giám sát sự sụt áp và quá áp của lưới điện

- Cho phép hiệu chỉnh offset các giá trị công suất, pha, tín hiệu vào

- Phù hợp với giao diện nối tiếp SPI

- Có bộ biến đổi năng lượng tiêu thụ ra tần số CF

- Có các thanh ghi, và chân yêu cầu ngắt IRQ

- Nguồn cung cấp 5V

- Công suất tiêu thụ thấp (25mW)

2.1.2 - Sơ đồ cấu trúc của ADE7753

2.1.2.1 - Sơ đồ khối chức năng

Hình 2.1 là sơ đồ khối chức năng của ADE7753

Vi hệ thống ADE7753 là một vi hệ thống on-chip biến đổi đại lượng điện

1 pha Gồm 2 kênh tín hiệu vào tương tự V1P - V1N và V2P - V2N Mỗi kênh vào có một bộ PGA (Programmable Gain Amplifier) dùng để khuyếch đại tín

hiệu có thể lập trình được Vi hệ thống được tích hợp 2 bộ biến đổi tương tự số ADC Σ-∆ 24 bit

LPF (Low Pass Filter): Bộ lọc thông thấp

HPF (High Pass Filter): Bộ lọc thông cao

DFC (Digital-to-Frequency Converter): Thực hiện biến đổi năng lượng sang tần số, đưa tần số ra chân CF

Có sẵn khối tạo điện áp chuẩn bên trong ADE Thực hiện thuật toán tính toán bằng phần cứng thông qua các khâu sau: PGA, ADC, LPF2, khối tích phân số, khối dịch pha sử dụng để tính công suất phản kháng Q, các khối bình phương tín hiệu (xP

2

P), khối lấy căn bậc 2, các khối nhân, tổng

Ngoài ra bên trong ADE7753 còn có các thanh ghi dùng để hiệu chỉnh,

bù sai số, có sensơ nhiệt độ

2.1.2.2 - Sơ đồ chân và ý nghĩa các chân của ADE7753

ADE7753 gồm 20 chân, sơ đồ chân được mô tả trên hình 2.2 và bảng 2.1

Bảng 2.1 - Mô tả chức năng các chân của ADE7753 Chân Ký hiệu 0BChức năng

Chân Reset ADE7753 Tích cực ở mức thấp, khởi động lại toàn bộ vi mạch ADE7753

ADE7753 Nguồn cung cấp có giá trị 5V±5%

trong ADE7753 Nguồn cung cấp có giá trị 5V±5%

Lấy điện áp chuẩn trên chip Điện áp chuẩn trên chip

có giá trị 2,4V±8% Nguồn điện áp chuẩn bên ngoài cũng có thể được nối với chân này

10 DGND

Chân GND của nguồn cung cấp cho các mạch số của ADE7753 như bộ nhân, lọc số, bộ biến đổi năng lượng - tần số

Công suất tác dụng được biến đổi thành tần số và đưa

ra chân CF Đầu ra CF được dùng cho nhiều mục đích hiệu chỉnh và hoạt động Tỷ lệ thang đo của tần số đầu

ra được điều chỉnh thông qua hai thanh ghi CFDEN và CFNUM

Đầu ra qua điểm không của điện áp trên kênh 2 Chân

ZX sẽ lật trạng thái từ mức logic cao về mức logic thấp khi tín hiệu kênh 2 chuyển từ nửa chu kỳ dương sang nửa chu kỳ âm qua điểm không (zero crossing)

Kích hoạt ở mức thấp Khi không có qua điểm không

được phát hiện hoặc là ngưỡng điện áp thấp đi qua

Xung nhịp chính cho ADC và bộ xử lý tín hiệu số, xung nhịp bên ngoài có thể được cung cấp thông qua chân CLKIN Tần số xung nhịp 3,579545 MHz Mạch dao động được nối qua chân CLKIN và chân CLKOUT

CLKOUT

Kích hoạt ở mức thấp, cho phép ADE7753 kết nối với các thiết bị ngoại vi

2.1.3 - Các đầu vào tương tự và bộ biến đổi ADC

Điện áp vào lớn nhất của kênh 1 V1P/V1N và kênh 2 V2P/V2N bằng

±0,5V Các tín hiệu vào được đưa qua bộ khuyếch đại có thể lập trình được (PGA) với các hệ số tỷ lệ bằng 1, 2, 4, 8, 16 Việc lựa chọn các hệ số khuyếch

đại dùng phần mềm bằng cách viết vào thanh ghi GAIN[7:0]

Bit 0, 1, 2 dùng cho PGA kênh 1

Bit 5, 6, 7 dùng cho PGA kênh 2

Ngoài PGA, kênh 1 còn có thể chọn dải tỷ lệ đầu vào cho ADC thông qua bit 3, 4 của thanh ghi GAIN Đầu vào tương tự ADC có các dải ±0,5V;

±0,25V; ±0,125V Để thay đổi mức tín hiệu vào ADC kênh 1, điều chỉnh điện

áp Uref của ADC tương ứng là 2,42V; 1,21V; 0,6V

Kênh 1 thường dùng cho các bộ chuyển đổi dòng điện như cuộn dây Rogowski (đầu ra dạng di/dt) hoặc sensơ dòng như điện trở sun, biến dòng (CT)

Kênh 2 thường dùng cho các bộ chuyển đổi điện áp Mức tín hiệu đầu vào ±0,5V Cả hai đầu vào đều có mạch bảo vệ phóng điện (ESD) Tuy nhiên

-

-

- Gain = 1 Gain = 2 Gain = 4 Gain = 8 Gain = 16

-

-

- Gain = 1 Gain = 2 Gain = 4 Gain = 8 Gain = 16

Các hệ số khuyếch đại và lựa chọn Uref được điều khiển thông qua thanh ghi GAIN , địa chỉ 0x0F

Trong chế độ lấy mẫu tín hiệu tức thời của 2 kênh, có 4 tốc độ có thể chọn thông qua bit 11 và 12 của thanh ghi chế độ MODE là: 27,9kSPS; 14kSPS; 7kSPS hoặc 3,5kSPS

2.1.3.1 - Lấy mẫu kênh 1

Như vậy kênh 1 có 7 thang đo: 7,81mV đến 500mV (bảng 2.2) Đối với kênh1, đầu ra ADC là một số bù hai 24 bit ở tốc độ lấy mẫu 900kSPS (CLKIN/4), với thang đo là 0,5V (hoặc 0,25V; 0,125V) ADC có giá trị đầu

ra từ 0x2851EC (+2.642.412) đến 0xD7AE14 (-2.642.412) Giá trị lấy mẫu

được lưu giữ trong thanh ghi lấy mẫu (MODE[14,13=1,0])

Trong chế độ lấy mẫu giá trị tức thời, bit WSMP (bit 3) trong thanh ghi cho phép ngắt phải dựng bằng 1 Quá trình tính giá trị năng lượng, công suất biểu kiến, tác dụng được liên tục trong suốt quá trình lấy mẫu

Giá trị lấy mẫu tức thời được truyền từ ADE7753 có độ dài 1 byte, byte

0,5V Tuy nhiên trước khi được đưa vào thanh ghi giá trị tức thời, giá trị đầu

ra ADC được đưa qua bộ lọc thông thấp ở tần số cắt 140Hz

Trong việc đo năng lượng, đầu ra ADC được đưa thẳng tới bộ nhân Quá trính xử lý số liệu của kênh 2 được mô tả trong hình 2.4

2.1.4 - Các thanh ghi và chế độ hoạt động của ADE7753

Các thanh ghi của ADE7753 được liệt kê trong bảng 2.4

Bảng 2.4 - Các thanh ghi của ADE7753

(reset về 0 khi được đọc)

0x06 RVAENERGY 24 Thanh ghi năng lượng toàn phần

(reset về 0 khi được đọc)

(reset về 0 khi được đọc)

dụng

công suất

lượng

(reset về 0 sau khi đọc)

(reset về 0 sau khi đọc)

B¶ng 2.5 - Néi dung cña thanh ghi sau khi reset

2.1.5 - Bộ biến đổi năng lượng sang tần số (DFC)

Vi mạch ADE7753 có bộ biến đổi năng lượng - tần số ở điều kiện tải ổn

định năng lượng tiêu thụ hoặc công suất tác dụng tỷ lệ với tần số đầu ra

Tần số đầu ra lớn nhất khi tín hiệu vào đầy thang đo và CFNUM = 0x00, CFDEN = 0x00 xấp xỉ 23kHz

ADE7753 dùng hai thanh ghi không dấu 12 bit CFNUM và CFDEN để

điều chỉnh tần số đầu ra CF

2.1.6 - Phát hiện điện áp lưới bị sụt và giá trị đỉnh

ADE7753 cũng có thể được lập trình để phát hiện sự sụt áp của lưới so với giá trị điện áp đỉnh trong một số chu kỳ của lưới điện Khi điện áp lưới sụt xuống ngưỡng đặt trong một số chu kỳ đặt trước, thì chân SAG tích cực ở mức thấp, khi đó cờ SAG trong thanh ghi trạng thái ngắt bằng 1, chân IRQ tích cực

ở mức thấp Chân SAG chỉ trở về mức logic cao khi điện áp lưới vượt qua giá trị đặt trong thanh ghi SAGLVL

ADE7753 cũng có thể được lập trình để phát hiện giá trị dòng điện, điện

áp đỉnh khi chúng vượt qua giá trị đặt trong thanh ghi VPKLVL, IPKLVL Khi đó cờ PKV, PKI trong thanh ghi trạng thái ngắt dựng, đồng thời chân IRQ tích cực ở mức thấp Cả hai kênh đều được giám sát tại cùng một thời điểm

2.1.7 - Phát hiện qua điểm không (zero crossing)

ADE7753 có mạch phát hiện qua điểm không trên kênh 2 Chân ZX chuyển từ mức logic thấp lên mức logic cao khi tín hiệu chuyển từ âm qua dương (qua điểm không) Tín hiệu ZX được dùng trong chế độ hiệu chỉnh, đọc

số liệu, khởi đầu cho bù nhiệt độ trong ADE

2.1.8 - Một số thanh ghi đặc biệt

2.1.8.1 - Thanh ghi chế độ hoạt động (MODE, 0x09)

Thanh ghi MODE xác định các chế độ hoạt động cho ADE7753, nội dung được mô tả chi tiết trong bảng 2.6

Bảng 2.6 - Thanh ghi MODE

định

Mô tả

DISLPF2 =1

DISCF=1

không hoạt động

Bít này tự động reset khi quá trình kết thúc

V1N nối với ADC2

DPRT1 DPTR0 Tốc độ

0 0 27,9kSPS (CLKIN/128)

0 1 14kSPS (CLKIN/256)

1 0 7 kSPS (CLKIN/512)

1 1 3,5 kSPS (CLKIN/1024)

ghi tức thời WAVEFORM WAVSEL1 WAVSEL0 Nguồn

0 0 Công suất tác dụng

0 1 Dự trữ

1 0 24 bít kênh 1

1 1 24 bít kênh 2

2.1.8.2 - Thanh ghi trạng thái ngắt STATUS (0x0B); Thanh ghi trạng thái ngắt reset RSTSTATUS (0x0C); Thanh ghi cho phép ngắt IRQEN (0x0A)

Thanh ghi trạng thái ngắt được sử dụng bởi vi điều khiển để xác định

tương ứng trong thanh ghi trạng thái ngắt dựng lên 1 (mức logic cao) Nếu bit cho phép ngắt đối với cờ này dựng lên 1 trong thanh ghi cho phép ngắt, đầu ra

IRQ kích hoạt ở mức thấp Khi vi điều khiển phục vụ ngắt, đầu tiên thực hiện

đọc từ thanh ghi trạng thái ngắt để xác định nguồn gây ngắt

Bảng 2.7 - Thanh ghi STATUS, RSTSTATUS, IRQEN

Bit Cờ ngắt 1BMô tả

ghi năng lượng tác dụng chuyển từ 0 lên 1

5 TEMP Chỉ ra kết quả biến đổi nhiệt độ có trong thanh ghi

nhiệt độ

vai trò trong thanh ghi cho phép ngắt

ghi năng lượng toàn phần chuyển từ 0 lên 1

2.1.8.3 - Thanh ghi CH1OS (0x0D)

Bit có trọng số lớn nhất của thanh ghi này dùng để kích hoạt bộ tích phân

số trong kênh 1 của ADE7753 Bit 0 đến bit 5 chỉ ra giá trị hiệu chỉnh offset của trong kênh 1

Bảng 2.8 - Thanh ghi CH1OS

0 đến

5

là bit dấu và từ bit 0 đến bít 4 xác định độ lớn của giá trị offset

INTEGRATOR =1: kích hoạt

INTEGRATOR =0: không kích hoạt

2.1.8.4 - Thanh ghi truyền thông

Thanh ghi truyền thông là một thanh ghi 8 bit, điều khiển việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa ADE7753 và vi điều khiển, mọi hoạt động truyền dữ liệu phải bắt đầu với việc viết tới thanh ghi truyền thông Dữ liệu được viết tới thanh ghi truyền thông sẽ xác định hoạt động tiếp theo được đọc hoặc viết và xác định thanh ghi được truy nhập

Bảng 2.9 - Thanh ghi truyền thông

Xác định thanh ghi cho hoạt động truyền dữ liệu,

địa chỉ thanh ghi xác định theo bảng 2.4

- - - bít 7 = 1: Thực hiện viết (W) tới ADE7753 Bít 7 = 0: Thực hiện đọc (R) từ ADE7753

Giản đồ thời gian đọc, ghi dữ liệu từ ADE7753 hình 2.6

Có thể nói không có một bộ biến đổi nào lắp bằng IC rời có thể đạt chất lượng cao như các IC vi hệ thống của hãng Analog Devices

2.2 - Giới thiệu vi hệ thống truyền tin Bluetooth

- Bluetooth sử dụng rất thông dụng hiện nay, dùng để kết nối và truyền tin dữ liệu nhanh đồng bộ không dây giữa các thiết bị, máy tính, điện thoại, PDA, Laptop, máy in, máy scan,

- Bluetooth là vi hệ thống tạo nên sự kết nối vật lý giữa 2 hay nhiều thiết bị

đầu cuối với nhau hình thành mạng không dây để chia sẻ nguồn thông tin, dữ liêu

- Giao thức làm việc của Bluetooth theo nguyên tắc chủ/tớ (masters/slaves), theo kiểu điểm - nhiều điểm (function of the type point to multiple point)

- Bluetooth sử dụng sóng radio để kết nối và truyền tin trong vùng không gian với khoảng cách bán kính 10 m, có thể đến 100 m

- Tốc độ truyền tin từ 1 Mbps đến 10 Mbps

- Có 4 chế độ quản lý: Active Mode, Sniff Mode, Hold Mode, Park Mode

- Có hai kiểu kết nối là: đồng bộ (SCO) và không đồng bộ (ACL)

- Bluetooth có thể ghép nối phần cứng với các thiết bị thông qua đường bus RS232, RS485 hoặc USB

2.3 - Giới thiệu vi điều khiển PIC18F2320

- Họ PIC của hãng Microchip có kiến trúc kiểu Harvard (RISC) được sử dụng rất thông dụng hiện nay, giá thành rẻ PIC18F2320 là một dòng vi

điều khiển thuộc họ PIC

- PIC không có ô nhớ riêng nào dành cho Stack Stack của PIC18F2320 có

31 mức (level) x 21 bit là một khối riêng và một con trỏ stack 5 bit Stack hoạt động giống như một bộ đệm vòng, coi stack như một thanh ghi truy cập nhanh

- Có 3 thanh ghi định địa chỉ cổng tương ứng với cổng A, B ,C là TRISA, TRISB, TRISC Bit “1” tương ứng là trở kháng cao ở port; bit “0” là đặt nội dung của bộ chốt ở đầu ra tương ứng

- Có chế độ đọc - sửa - ghi (read - modify - write) Đọc port tương ứng là

đọc chân, ghi port tương ứng là đọc latch

- Có 4 bộ Timer: timer0, timer2: 8 bit; timer1, timer3: 16 bit

- Khi reset các cổng định nghĩa là đầu vào và xoá tất cả các bộ đếm chia

- Có 16 dãy (bank) bộ nhớ dữ liệu: từ 000h đến FFFh

Timers 8/16 bit: 2/3

2.4 - Kết hợp giữa ADE7753 - PIC18F2320 - Bluetooth

Sử dụng các tính năng vượt trội của ADE đồng thời kết hợp với vi điều khiển (MCU) bằng cách nối các ADE với MCU thông qua giao diện cổng nối tiếp (SPI) cho phép xây dựng một hệ thống đo điện vạn năng hoặc bảng thử nghiệm đa năng nhỏ gọn về kích thước, trọng lượng nhưng tính chất và chức năng của hệ sẽ tăng lên gấp bội Thiết bị đo ADE - MCU - Bluetooth có những

ưu điểm lớn sau:

• Cho phép thực hiện đo nhiều đại lượng điện khác nhau, dễ dàng thực hiện algorithm đo phức tạp trên vi hệ thống ADE

• Độ chính xác và độ nhậy cao, vượt qua yêu cầu về độ chính xác trong công nghiệp: theo chuẩn IEC61036 cấp chính xác là 1, chuẩn ANSI cấp chính xác 0,2, tuy nhiên khi sử dụng ADE độ chính xác có thể đạt được 0,1%

• Thời gian đo nhanh, bên trong ADE có thanh ghi tức thời (WAVEFORM)

do đó có thể khôi phục đường đặc tính của tín hiệu

• Cho phép ghép nối linh hoạt với các chuyển đổi sơ cấp (sensơ) ở đầu vào như sun, biến dòng (CT), sensơ Rogowski (tín hiệu ra dạng di/dt)

• Có khả năng chống nhiễu cao, hiệu chỉnh các sai số hệ thống (như tự chỉnh Zero, pha, hệ số khuyếch đại, bù kết quả đo do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ ) bằng phần mềm thông qua giao diện cổng nối tiếp, giúp cho hệ thống tạo ra các hệ đo linh hoạt, chính xác hơn các hệ đo hiện có và hoạt động ổn định trong một thời gian dài

• Có khả năng tự động lựa chọn thang đo thích hợp với dải tín hiệu đầu vào

• Ngoài nhiệm vụ hiển thị kết quả đo, dữ liệu còn có thể được lưu trữ nhờ các

bộ nhớ ngoài và truyền đi xa qua đường truyền RS232, RS485, USB hoặc

đường truyền không dây Bluetooth về trung tâm

• Giám sát chất lượng điện năng, ADE ghi nhận các mức điện áp, dòng điện

đỉnh, sự sụt áp của lưới điện Và có khả năng bảo vệ tốt cho lưới điện

Chương 3 - các thuật toán đo các đại lượng điện

của ADE7753 3.1 - Một số phương pháp xử lý tín hiệu trước đây

Trước đây, trong kỹ thuật đo lường để tạo ra một thiết bị đo chỉ thị số hay một thiết bị có sử dụng vi điều khiển thì việc đầu tiên ta cần phải biến đổi tín hiệu đo f(x) thành những đại lượng tỷ lệ Và thông thường ba đại lượng dễ dàng thực hiện việc số hoá nhất là: tần số, chu kỳ, điện áp một chiều

- Phương pháp đo tần số: Biến tín hiệu có tần số fR x R cần đo thành dãy xung

có cùng tần số, rồi dùng bộ đếm, đếm số xung đó trong một khoảng thời gian TR đo R xác định trước:

NR x R = (TR đo R/TR x R) = TR đo R.fR x R (3.1)

- Phương pháp số đo khoảng thời gian: Lấp đầy khoảng thời gian TR x R cần

đo bởi dãy xung có chu kỳ TR 0 R Đếm số xung lấp đầy, ta được:

NR x R = (TR x R/TR 0 R) = fR 0 R.TR x R (3.2)

- Phương pháp số đo điện áp một chiều: Có nhiều phương pháp, nhưng nguyên lý chung có thể gộp thành các nhóm sau: Điện áp một chiều được

so sánh với điện áp chuẩn, biến điện áp thành khoảng thời gian, biến điện

áp sang tần số hoặc độ rộng xung

Để đo đại lượng xoay chiều như dòng điện hiệu dụng, điện áp hiệu dụng với phương pháp số cũ ta phải biến đổi về một trong 3 đại lượng kể trên Thường dùng các mạch điện tử để biến điện áp xoay chiều thành một chiều và khi đo dòng xoay chiều ta dựa trên đo điện áp rơi trên điện trở chuẩn (sun), hoặc dùng các cấp biến dòng đo lường, sau đó dùng mạch chuyển đổi dòng

áp

nguyên tắc biến đổi góc lệch pha giữa hai tín hiệu thành khoảng thời gian Sau

đó lấp đầy khoảng thời gian đo bằng các xung với tần số chuẩn Thực hiện

đếm tần số ta xác định được góc lệch pha

Đo công suất tác dụng P, phản kháng Q, toàn phần S bằng phương pháp số: Thường dùng các bộ đổi điện tử analog để biến đổi công suất cần đo sang

điện áp một chiều tỷ lệ với công suất

Phương pháp số đo thông số mạch điện R, L, C thường dựa trên 3 nguyên

lý chủ yếu sau:

- Nguyên lý cầu cân bằng

- Biến đổi thông số R, L, C cần đo thành điện áp một chiều tỷ lệ

- Biến đổi R, L, C thành khoảng thời gian hoặc tần số

Tóm lại: Một số phương pháp số thông thường đã trình bày sơ lược ở trên, đã khắc phục phần nào về độ chính xác, thời gian đo so với các phương pháp đo sử dụng cơ cấu cơ điện Tuy nhiên, do được lắp đặt từ những linh kiện rời nên đòi hỏi người thiết kế một khối lượng công việc nặng nề về thiết kế phần cứng, độ chính xác của thiết bị phụ thuộc vào nhiều khâu, vẫn có thể bị

ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, Việc hiệu chỉnh không linh hoạt do phải hiệu chỉnh bằng phần cứng Để tạo ra được một thiết

bị đo vạn năng đảm bảo độ chính xác thì kích thước sẽ lớn

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sản xuất vi hệ thống, vi điều khiển trong những năm trở lại đây cho phép các kỹ sư đo lường có trong tay một công cụ mạnh để thu thập và xử lý số liệu Nhiều thuật toán tính toán, xử lý số liệu được tích hợp trên một IC, cho phép xây dựng một thiết bị đo vạn năng

đảm bảo độ chính xác cao tạo ra một hệ đo vừa hiển thị, lưu giữ kết quả, giám sát, điều khiển, quản lý hệ thống và hoạt động ổn định trong một thời gian dài Như vậy để đo một đại lượng điện có rất nhiều phương pháp đo khác nhau, tuy nhiên việc ra đời vi họ vi hệ thống ADE77xx là một bước ngoặt lớn trong việc tạo ra các thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm, các hệ đo vạn năng Giải pháp của hãng Analog Devices là sử dụng phương pháp lọc thông thấp để đo các đại lượng điện xoay chiều dựa trên cơ sở phân tích và xử lý tín hiệu bằng phần cứng kết hợp với phần mềm hiệu chỉnh

ADE7753 còn có thể thiết kế để đo các đại lượng một chiều như U, I, P

đồng thời trên cơ sở đó xác định được thông số của mạch điện như R, đo điện trở cách điện, điện trở nối đất, bằng cách không sử dụng bộ lọc thông cao trong cấu trúc của ADE7753 Khi đó sử dụng vi điều khiển viết giá trị 1 vào bit DISHPD của thanh ghi MODE địa chỉ 0x09

3.2 - Đo giá trị hiệu dụng dòng điện IRRMS

Đối với tín hiệu xoay chiều thông số đo yêu cầu là giá trị hiệu dụng IR RMS R

Từ định nghĩa về giá trị hiệu dụng ta có: Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều i(t):

1

)

Trong đó:

TR S R là chu kỳ lấy mẫu

N là số lần lấy mẫu trong một chu kỳ tín hiệu T (ở các thời điểm 1, 2, ) i(kTR S R) là giá trị dòng điện tại thời điểm kTR S

Tuy nhiên để đo dòng điện thường biến nó về dạng điện áp tỷ lệ Ví dụ như dựa trên đo điện áp rơi trên điện trở chuẩn (điện trở sun) hoặc dùng các biến dòng đo lường sau đó dùng mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp ADE7753 sử dụng phương pháp lọc thông thấp: Đầu vào tín hiệu tức thời

được lấy bình phương Giả sử tín hiệu dòng điện: i(t) = IR RMS R 2sin(ωt)

Khi đó:

) cos(

) sin(

hiệu dụng bình phương được hiệu chỉnh thông qua thanh ghi IRMSOS, sau đó lấy căn bậc hai ta được giá trị hiệu dụng cần tìm

3.3 - Đo giá trị hiệu dụng điện áp URRMS

Giá trị hiệu dụng tính theo tín hiệu liên tục u(t) được định nghĩa:

VRMS

0

2

) (

VRMS

1

2

) (

Tuy nhiên ADE7753 sử dụng phương pháp lọc thông thấp: Đầu vào tín hiệu tức thời được lấy bình phương:

) cos(

)

bỏ nhiễu đảm bảo độ chính xác, giá trị hiệu dụng được hiệu chỉnh bằng thanh ghi VRMSOS Hình 3.2 mô tả sơ đồ đo điện áp xoay chiều trong kênh 2 của ADE7753 Giá trị lớn nhất trên thanh ghi VRMS khi tín hiệu vào lớn nhất là

0x17D338 Kết quả giá trị hiệu dụng được lưu trong thanh ghi không dấu 24 bít (VRMS)

Tốc độ cập nhật của quá trình đo giá trị hiệu dụng là CLKIN/4 Để chuyển đổi các giá trị trong thanh ghi VRMS ra Volt, dùng vi điều khiển bên ngoài ghép nối với ADE7753

3.4 - Đo công suất tác dụng P

Công suất tác dụng tức thời được định nghĩa là p(t):

Trong một chu kỳ T công suất tác dụng trung bình:

dt t i t u T dt t p T P

T T

∫

=

0 0

) ( ).

(

1 ) (

Từ công thức trên ta thấy nếu đồng thời lấy mẫu các giá trị dòng điện và

điện áp N lần trong một chu kỳ T (ở các thời điểm 1, 2, 3, ) Ta có thể dùng phương pháp tích phân số giống như dòng điện và điện áp để tính công suất tiêu thụ P như sau:

P

1

) ( ).

(

Đối với tín hiệu xoay chiều hình sin: Giả sử giá trị dòng, áp tức thời có biểu thức như sau:

u(t) = UR RMS R 2sin(ωt) (V) (3.12)

Trong đó:

u(t) là giá trị điện áp tức thời; i(t) giá trị dòng điện tức thời

UR RMS R, IR RMS R là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tương ứng

Khi đó công suất tác dụng tức thời được định nghĩa:

p(t) = u(t).i(t) = UR RMS R 2sin(ωt) IR RMS R 2sin(ωt + ϕ) (3.14) Công suất tác dụng trung bình trong một chu kỳ T:

dt t i t u T dt t p T P

T T

∫

=

0 0

) ( ).

(

1 ) (

Trong đó: T là chu kỳ tín hiệu

Mặt khác:

p(t) = UR RMS R.IR RMS R.cosϕ - UR RMS R.IR RMS R.cos(2ωt + ϕ) (3.16)

Từ công thức (3.15) và (3.16) ta nhận xét thấy: giá trị công suất tác dụng

là thành phần một chiều của công suất tác dụng tức thời Trên cơ sở đó ADE7753 thực hiện tính P theo phương pháp lọc thông thấp, sử dụng LPF để tách lấy thành phần một chiều P Sơ đồ thực hiện quá trình tính P ở hình 3.3:

Khi đặt MODE[14:13] = [0:0] và đặt bit WSMP (bit 3) trong thanh ghi IRQEN, công suất tác dụng P sẽ được đọc từ thanh ghi WAVEFORM

3.5 - Đo công suất phản kháng Q

Ta có công suất phản kháng được định nghĩa theo công thức: