Đo điện năng từ xa qua mạng RS485

Đo điện năng từ xa qua mạng RS485

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 1 PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG NĂNG LƯNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chương 1 : Khái quát các phương pháp đo điện năng Chương 2 : Giới thiệu IC đo điện năng AT73C540 (hãng Atmel) Chương 3 : Giới thiệu IC đo điện năng AD7755 (hãng Analog Devices) Chương 4 : Giới thiệu IC đo điện năng SA2002H (hãng Sames) GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 2 CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN NĂNG LỜI GIỚI THIỆU Những thay đổi quan trọng đã và đang xảy ra trong ngành công nghiệp đo lường năng lượng. Việc bãi bỏ tính độc quyền cung cấp đã tạo ra một môi trường cạnh tranh gay gắt hơn đối với những nhà cung cấp điện năng. Vì vậy nhu cầu quản lý và đo lường điện năng đòi hỏi một mức độ cao hơn trước đây. Các nhà cung cấp điện năng sẽ phải cung cấp những dòch vụ tiện ích cho người sử dụng với chi phí thấp nhất có thể được. Và một trong những dòch vụ đó là lắp đặt đồng hồ đo điện năng theo công nghệ mới hiện nay (công nghệ solid state). Ngoài những lợi ích trước mắt như độ chính xác cao, gọn nhẹ đồng hồ này còn cho phép khả năng linh hoạt hơn trong lắp đặt và sửa chữa, quản lý và cập nhật thông tin nhanh và chính xác hơn thông qua mạng. CẤU TẠO MỘT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG Một đồng hồ đo điện năng chủ yếu dựa trên một trong hai công nghệ chính là xử lý tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Xử lý tín hiệu ở đây liên quan đến việc nhân và lọc để tạo ra thông tin cần thiết (ví dụ như kWh…). Đồng hồ cơ đo điện năng đang được sử dụng phổ biến hiện nay được xếp vào loại đồng hồ dạng này. NHỮNG NHƯC ĐIỂM CỦA ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG DẠNG TƯƠNG TỰ Xử lý tín hiệu tương tự là một kỹ thuật không linh hoạt. Một đồng hồ dạng này không thể dễ dàng tái thiết lặp để phù hợp với một yêu cầu mới hoặc nhu cầu nâng cấp lên sau khi đã sử dụng. Đồng hồ dạng tương tự không có tính ổn đònh đối với những thay đổi lớn của điều kiện môi trường và thời gian. Đồng hồ dạng tương tự có cấu tạo phức tạp, chi phí sản xuất cũng như chuẩn hoá cao hơn so với đồng hồ dạng số. Đồng hồ dạng tương tự không có tính tích hợp cao (cốt lõi của việc giảm chi phí). GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 3 ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN N ĂNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI Đồng hồ số làm việc dựa trên nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC : Analog to Digital Converter). ADC lấy mẫu tại mỗi thời điểm tín hiệu tương tự đưa vào và sau đó chuyển chúng về dạng số. Một khi đã ở dạng tín hiệu số, các mạch xử lý tín hiệu số hoặc vi xử lý có thể dễ dàng xử lý các tín hiệu này . Chính vì cốt lõi của đồng hồ này là việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số nên đòi hỏi ADC cần phải phù hợp với một số yêu cầu sau: ü Độ phân giải cao, từ 16bit trở lên. Chính vì tầm hoạt đôïng rộng (4%lb đến 400%lb) và yêu cầu độ chính xác cao (0.5%) nên độ phân giải của ADC phải cao. Một trong những cách để đạt được điều này là sử dụng kỹ thuật Oversampling và DSP. ü Tốc độ lấy mẫu ít nhất phải từ 2 đến 4 kSPS (kilo Sample per Second). Theo đònh luật Nyquist tần số lấy mâãu phải gấp hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu đo. ü Chi phí thấp. Ngoài chi phí cho ADC còn phải lưu ý đến chi phí của các linh kiện đi kèm với ADC. GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 4 ü Công suất tiêu thụ thấp. Một trong những thử thách của việc thiết kế đồng hồ la ø việc thiết kế bộ nguồn cung cấp (PSU : Power Supply Unit). Bộ nguồn phải có chi phí thấp và độ tin cậy cao (khả năng hoạt động từ 15 đếùn 20 năm). KỸ THUẬT OVERSAMPLING Một trong những cách đáp ứng được yêu cầu đạt được độ phân giải cao cho ADC là sử dụng lý thuyết lượng tử hoá tăng độ phân giải ADC trong băng thông mong muốn. Điều này có thể thực hiện được bằng kỹ thuật Oversampling, ví dụ như việc lấy mẫu tại tần số cao hơn tần số Nyquist. Giả sử ta sử dụng một IC ADC 12bit và lấy mẫu với tốc đôï 100kSPS tín hiệu có tần số tối đa 2kHz thì độ phân giải đạt được có thể được tính theo công thức.       ++= kHz kHz logdB.bitsx.SNR 4 100 1076112026 10 SNR = 87.98dB = 14.3bits Với kỹ thuật trên, độ phân giải của ADC đã tăng lên 14.3bit so với 12 bit. Tóm lại độ phân giải sẽ tăng ½ LSB khi tăng gấp đôi tốc độ lấy mẫu. CẤU TRÚC ADC ADC hiện nay dựa trên 5 công nghệ chuyển đổi chính: ü SAR (Successive Approximation) ü Flash (Parallel) và Half Flash ü Integrating (Dual Slope) ü V/F (Voltage to Frequency) ü Σ-∆ (Sigma – Delta) SAR (SUCCESSIVE APPROXIMATION) ADC ADC dựa trên kỹ thuật xấp xỉ liên tiếp được sử dụng rất phổ biến. Kỹ thuật này dựa trên việc so sánh liên tục tín hiệu lấy mẫu, sau đó chuyển điêïn áp này thành giá trò nhò phân thích hợp. Ưu điểm ü Tốc đôï cao, có thể đạt được tốc độ 1 triệu mẫu/1 giây. ü Tiêu thụ năng lượng khá thấp so với các loại ADC khác. GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 5 ü Chi phí tương đối thấp đối với ADC có độ phân giải thấp (nhỏ hơn 12bit). Nhược điểm ü Chi phí cao khi độ phân giải đòi hỏi cao (lớn hơn 14bit). ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên. FLASH (PARALLEL) VÀ HALF FLASH ADC Kỹ thuật Flash chuyển tín hiệu lấy mẫu thành giá trò nhò phân theo một bước hoặc hai bước (đối với loại Half Flash). Vì vậy thời gian chuyển đổi rất ngắn. Cấu trúc này thường được dùng cho ADC có độ phân giải thấp (8bit đến 10bit) nhưng lại có tốc độ lấy mẫu cao (từ 20 đến 50 MSPS). Ưu điểm ü Tốc độ chuyển đổi rất cao. Nhược điểm ü Độ phân giải thấp. ü Tiêu thụ công suất lớn. ü Chi phí tương đối cao. ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên. INTEGRATING (DUAL SCOPE) ADC Công nghệ này thường được sử dụng trong việc đo lường có tốc độ chậm nhưng đòi hỏi độ chính xác cao như trong các đồng hồ số đa năng. Nó có thể đạt được độ phân giải tối đa 22bit và có khả năng nén, hạn chế nhiễu cao. Ưu điểm ü Độ chính xác cao. ü Công suất tiêu thụ khá thấp. ü Chi phí tương đối thấp. Nhược điểm ü Tốc đôï chuyển đổi bò hạn chế. Độ chính xác giảm đi khi tốc độ lấy mẫu tăng. V/F (VOLTAGE TO FREQUENCY) ADC GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 6 Công nghệ V/F chuyển đổi tín hiệu lấy mẫu thành giá trò nhò phân tương ứng theo hai bước : thứ nhất chuyển tín hiệu vào sang tần số rồi sử dụng một bộ đếm để chuyển tần số này sang giá trò nhò phân. Vì vậy, theo lý thuyết thì độ phân giải đạt được có thể tăng lên đáng kể. Ưu điểm ü Độ chính xác cao. ü Công suất tiêu thụ thấp. ü Chi phí tương đối thấp. Nhược điểm ü Giống như loại Integrating ADC, loại này bò giới hạn bởi tốc độ lấy mẫu. Độ chính xác của nó tỉ lệ nghòch với tốc độ lấy mẫu. ü Cần một bộ đếm ngoài (vi xử lý hoặc IC số) để chuyển đổi giá trò. Σ-∆ (SIGMA – DELTA) ADC Trong những năm gần đây, công nghệ Sigma – Delta đã trở nên phổ biến trong việc chế tạo ADC. Một trong những ưu điểm lớn nhất của loại này là có thể tích hợp chúng với DSP (Digital Signal Processing) hoặc VLSI (Very Large Scale Integration). Về cơ bản thì Sigma – Delta có thể chuyển đổi một tín hiệu tương tự với độ phân giải cực thấp (1bit) với tốc độ cực kỳ cao. Bằng cách sử dụng kỹ thuật Oversampling và loại nhiễu, nó có thể đạt đựơc độ phân giải cao. Ưu điểm ü Độ phân giải cao, có thể đạt được 22bit. ü Tốc độ chuyển đổi tương đối cao so với hai loại Integrating ADC và V/F ADC. ü Có thể tích hợp với IC khác tạo nên một IC đơn có nhiều tính năng với chi phí thấp. ü Chính vì sử dụng kỹ thuật Oversampling nên không đòi hỏi việc xử lý tín hiệu đầu vào. Nhược điểm ü Cần có bộ điều chế cao hơn một khi đòi hỏi tốc độ chuyển đổi cao. ü Công suất tiêu thụ tương đối cao co với loại SAR và Integrating ADC. GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 7 XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ĐÃ ĐƯC CHUYỂN ĐỔI Một khi đã được chuyển đổi sang giá trò số, các giá trò điện áp và dòng điện sẽ được nhân với nhau, lọc và xử lý để đưa ra các dữ liệu yêu cầu. Các bộ biến đổi dòng và áp (voltage and current transducers) có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện lưới thành tín hiệu có biên độ nhỏ hơn phù hợp với ADC. Sau khi được lấy mẫu và chuyển đổi, các tín hiệu này được xử lý bằng các mạch số để đưa ra các dữ liệu cần thiết như: công suất thực, công suất phản kháng, công suất biểu kiến… Ngoài ra đồng hồ còn có các tính năng khác như bộ nhớ để lưu các giá trò hoặc các thông số chuẩn hoá, bộ nguồn cung cấp và thiết bò hiển thò (LED hoặc LCD) để hiển thò giá trò đã đo được. Thêm vào đó các tính năng như AMR (Automatic Meter Reading) có thể mở rộng việc giao tiếp và quản lý của đồng hồ. Dựa vào sơ đồ khối trên, người ta có thể phân loại đồng hồ đo điện năng thành hai loại Đồng hồ dựa trên một DSP chuyên dụng GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 8 Đồng hồ dựa trên ADC và một DSP thông thường ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ Trong những năm qua những đồng hồ cơ đo điêïn năng đang sử dụng rất đựơc người sử dụng tin cậy mặc dù độ chính xác của chúng chỉ đạt được 2% và tuổi thọ không thể vượt quá 30 năm. Chính vì thế, để đồng hồ theo công nghệ mới có thể thay thế được thế hệ đồng hồ cũ thì chúng phải đạt được độ tin cậy qua các cuộc kiểm tra. SAI SÓT TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT Hư hỏng loại này có thể chia làm hai loại: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài. Hư hỏng bên trong như hư hỏng linh kiện, sai sót do quá trình sản xuất. Hư hỏng bên ngoài phần lớn do quá trình vân chuyển vầ đóng gói gây nên. Để hạn chế hai loại hư hỏng này người ta thường tiến hành hai cuộc kiểm tra. KIỂM TRA THIẾT BỊ Ở NHIỆT ĐỘ CAO Những cuộc kiểm tra dạng này được gọi là kiểm tra độ bền của thiết bò. Chính trong những điều kiện khắc nghiệt của cuộc kiểm tra mới đánh giá đựơc mức độ hoàn hảo của thiết bò. Tỉ lệ hư hỏng bên trong có thể nhận biết được qua các phản ứng hoá học theo công thức Arrhenius: GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 9       − = kT Ea exp.Ar Qua công thức trên, các nhà sản xuất có thể tính được tỉ lệ hư hỏng trong một thời gian xác đònh. KIỂM TRA TÍNH CHỊU ĐỰNG CỦA THIẾT BỊ ĐỐI VỚI CÁC TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI Chủ yếu trong cuộc kiểm tra này, nhà sản xuất sẽ kiểm tra độ tin cậy của thiết bò khi chòu các tác động về cơ khí như bò rớt, va chạm mạnh… Điều này rất quan trọng ví như thiết bò có thể hư sau vài giờ ở nhiệt độ cao nhưng có thể sẽ bò hư hỏng ngay lập tức khi bò va chạm mạnh. HƯ HỎNG DO SHOCK ĐIỆN Hư hỏng do shock điện phần lớn do sử dụng thiết bò ở phạm vi quá tầm hoạt động tối đa được đề cập trong tài liệu đính kèm. Để hạn chế sai sót này, nhà sản xuất thường tích hợp các mạch bảo vệ chống tónh điện trong IC như tăng khả năng chòu ESD (Eletrostatic Discharge) . Việc kiểm tra này bảo đảm rằng các IC vẫn hoạt động tốt sau khi bò shock điện trong một thời gian ngắn. KẾT LUẬN Qua các điều đã trình bày ở trên cho thấy các công nghệ mới đã làm giảm chi phí một cách đáng kể trong việc đo lường và quản lý điện năng. Các IC tích hợp chuyên dụng được sản xuất ngày càng nhiều làm giảm thời gian thiết kế và tăng tính linh hoạt cho các thiết bò đo. Chính điều này đã thúc đẩy các nhà sản xuất IC không ngừng mở rộng và phát triển ngành công nghiệp đo lường. GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 10 [...]... tính năng mới so với AT89C51 : ü Thêm 4Kbyte ROM nội (tổng cộng 8Kbyte) ü Thêm một Timer 2 ü Thêm 128byte RAM nội (tổng cộng 256byte) Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 29 GVHD: Ts Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo SƠ ĐỒ KHỐI Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 30 GVHD: Ts Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo SƠ ĐỒCHÂN Chân Chức năng Port 0 là một port có hai chức năng trên... diễn ra trong thời gian được minh hoạ như hình dướ i Thời gian giữa các lần chuyển đổi từ thấp lên cao bằng với chu kỳ của điện áp chính Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 27 GVHD: Ts Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo PHẦN II : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CÁC LINH KIỆN Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 28 GVHD: Ts Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo CHƯƠNG 1 : IC VI XỬ LÝ AT89C52... dụng bộ biến dòng hoặc điện trở shunt ü Phát hiện công suất tiêu thụ âm và giảm áp lưới ü Chi phí thấp AT73C540 là một IC đơn đo điện năng tiêu thụ một pha của hãng Atmel có khả năng đo công suất tiêu thụ giống như một điện năng kế một pha (công tơ mét) AT73C540 bao gồm hai bộ ADC theo công nghệ Sigma – Delta và khối xử lý tín hiệu SƠ ĐỒ KHỐI Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 11 GVHD:... như ngõ vào dòng điện, tín hiệu điện áp sau khi qua bộ biến áp có thể được nối trực tiếp đến hai ngõ vào này nếu điện áp cực đậi không vượt quá ±500 mV SƠ ĐỒ KẾT NỐI TIÊU BIỂU Hình dưới đây cho thấy sơ đồ kết nối tín hiệu dòng điện sau khi đã qua bộ biến dòng với AD7755 Sử dụng bộ biến dòng và biến trở Rb cho phép đạt được điện áp tối đa ±500 mV Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 19 GVHD:... ổn đònh Vì vậy sai số đo có thể thay đổi từ 1/5570 đến 1/21,76 tuỳ thuộc vào tần số ngõ ra CF Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 21 GVHD: Ts Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo CHƯƠNG 4 : GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG SA2002H (HÃNG SAMES) GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT : ü Bảo vệ chống tónh điện ESD ü Công suất tiêu thụ thấp