Nghiên cứu hệ đo vạn năng cao áp không biến dòng và biến điện áp cao áp

Nghiên cứu hệ đo vạn năng cao áp không biến dòng và biến điện áp cao áp Nghiên cứu hệ đo vạn năng cao áp không biến dòng và biến điện áp cao áp Nghiên cứu hệ đo vạn năng cao áp không biến dòng và biến điện áp cao áp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỦY VĂN NGHIÊN CỨU HỆ ĐO VẠN NĂNG CAO ÁP KHƠNG BIẾN DỊNG VÀ BIẾN ĐIỆN ÁP CAO ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hà Nội, 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỦY VĂN NGHIÊN CỨU HỆ ĐO VẠN NĂNG CAO ÁP KHƠNG BIẾN DỊNG VÀ BIẾN ĐIỆN ÁP CAO ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS.NGUYỄN TRNG QU H Ni, 2006 - Lời mở đầu Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ công nghiệp, công nghệ chế tạo ứng dụng số hoá sống sản xuất công nghiệp nói chung ngành đo lường nói riêng việc ứng dụng thay thiết bị đo lạc hậu, cồng kềnh thiết bị đo số thông minh, nhanh nhạy, gọn nhẹ đà xu hướng chung xà hội, thời đại Cụ thể công nghệ chế tạo vi hệ thống đo lường (IC) đà mở khả to lớn lĩnh vực đo lường chế tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm, xây dựng hệ đo giám sát với khả đáp ứng nhanh, xác, Víi nhu cÇu cÇn thiÕt øng dơng thùc tÕ, đà chọn đề tài làm luận văn thạc sĩ khoa học Mục đích đề tài đưa mẫu hệ đo vạn cao áp không biến dòng biến áp cao áp Nội dung luận văn trình bày chương với vấn đề cần giải dùng vi hƯ thèng ADE7753 biÕn P, Q, U, I thµnh số; dùng vi xử lý để đo giá trị số; dùng vi hệ thống Bluetooth truyền tin không dây máy tính trung tâm Với ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài ứng dụng vi hệ thống biến đổi đại lượng điện vạn kết hợp với vi hệ thống truyền tin không dây để tránh dùng biến dòng biến áp đo lường cao áp Trong luận văn điều kiện thời gian điều kiện nghiên cứu hạn chế nên thiếu sót Rất mong giúp đỡ, bảo thầy cô ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp, đồng môn đề đề tài sau phát triển Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy giáo PGS Nguyễn Trọng Quế, người quan tâm hết lòng bảo hướng dẫn trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo môn Đo lường & Tin học công nghiệp bạn đồng nghiệp, đồng môn đà giúp đỡ trình thực đề tài! mục lục Lời mở đầu Trang chương - phương hướng đề tài 1.1 - Vai trò kỹ thuật đo điện 1.2 - Sơ đồ hệ đo lường lộ cao áp 1.3 - Một số phương pháp đo không tiếp xúc đà dùng 1.4 - Phương hướng đề tài Chương - Giíi thiƯu c¸c vi hƯ thèng 2.1 - Giíi thiệu vi hệ thống ADE7753 2.1.1 - Mô tả chung 2.1.2 - Sơ đồ cấu trúc ADE7753 10 2.1.2.1 - Sơ đồ khối chức 10 2.1.2.2 - Sơ đồ chân ý nghĩa chân ADE7753 12 2.1.3 - Các đầu vào tương tự biến đổi ADC 14 2.1.3.1 - Lấy mẫu kênh 15 2.1.3.2 - LÊy mÉu kªnh 16 2.1.4 - Các ghi chế độ hoạt động ADE7753 17 2.1.5 - Bộ biến đổi lượng sang tần số (DFC) 21 2.1.6 - Phát điện áp lưới bị sụt giá trị đỉnh 22 2.1.7 - Phát qua điểm không (zero crossing) 22 2.1.8 - Một số ghi đặc biệt 23 2.1.8.1 - Thanh ghi chế độ hoạt động (MODE, 0x09) 23 2.1.8.2 - Thanh ghi trạng thái 24 2.1.8.3 - Thanh ghi CH1OS (0x0D) 25 2.1.8.4 - Thanh ghi trun th«ng 26 2.2 - Giíi thiƯu vi hƯ thèng trun tin Bluetooth 26 2.3 - Giíi thiƯu vi ®iỊu khiĨn PIC18F2320 27 2.4 - Kết hợp ADE7753 - PIC18F2320 - Bluetooth 28 Chương - Các thuật toán đo đại lượng điện 31 ADE7753 3.1 - Một số phương pháp xử lý tín hiệu trước 31 3.2 - Đo giá trị hiệu dụng dòng điện I RMS 33 3.3 - Đo giá trị hiệu dụng điện áp U RMS 34 3.4 - Đo công suất tác dụng P 35 3.5 - Đo công suất phản kháng Q 36 3.6 - Đo công suất biểu kiến S (công suất toàn phần) 39 3.7 - Đo lượng 40 3.8 - Các đại lượng cần hiệu chỉnh ADE7753 41 R R 3.8.1 - Hiệu chỉnh hệ số lượng Wh 42 3.8.2 - HiƯu chØnh offset c«ng st 43 3.8.3 - HiƯu chØnh pha 44 3.8.4 - HiƯu chØnh gi¸ trÞ hiƯu dơng VRMS, IRMS 44 3.8.5 - HiƯu chØnh hệ số đo lượng toàn phần VAh 45 3.8.6 - Hiệu chỉnh lượng phản kháng 46 3.8.7 - Một số lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh 46 Chương - tính toán ghép nối phần cứng 50 4.1 - Ghép nối ADE7753 với mạch đo cao áp 50 4.1.1 - Mạch đo dòng điện vào kênh 50 4.1.2 - Mạch đo điện áp vào kênh 52 4.3 - GhÐp nèi ADE7753 víi PIC18F2320 54 4.4 - Ghép nối PIC18F2320 với mạch điều khiển 54 4.4.1 - PIC18F2320 điều khiển mạch phân áp bên 54 4.4.2 - PIC18F2320 điều khiển mạch truyền tin Bluetooth 54 4.5 - M¹ch nguån cung cÊp 55 4.6 - Sơ đồ mạch nguyên lý nối dây 55 Chương - tổ chức chương trình phần mềm 58 5.1 - NhiƯm vơ chung 58 0B 1B 2B 3B 5.1.1 - Xác định mhiệm vụ chung 58 5.1.2 - Tổ chức chương trình biểu 59 5.2 - Nhiệm vụ phối hợp vi điều khiẻn PIC18F2320 4B 5B 6B 7B 8B 60 5.2.1 - Đo dòng điện hiệu dụng Irms , I= 62 5.2.2 - Đo điện áp hiệu dụng Urms, U= 66 5.2.3 - Đo công suất tác dụng P 73 5.2.4 - Tính số lượng Wh 75 5.2.5 - Đo hệ số công suất 10B 5.2.6 - Đo tần số (f) chu kỳ (T) 5.2.7 - Ngắt truyền tin ADE Bluetooth 9B 78 11B 79 81 5.3 - Phần mềm máy tÝnh giao tiÕp víi Bluetooth qua cỉng USB 82 Ch­¬ng - thực nghiệm 84 6.1 - Xác định mục ®Ých vµ néi dung thùc nghiƯm 84 6.1.1 - Mơc ®Ých thùc nghiÖm 84 6.1.2 - Néi dung thùc nghiÖm 84 6.2 - Tỉ chøc phÇn cøng 84 6.3 - Tổ chức phần mềm 86 6.4 - Kết 91 6.5 - KÕt luËn 91 Ch­¬ng - kÕt luËn chung hướng phát triển 92 7.1 - Kết luận chung 92 7.2 - Phương hướng phát triển 92 tài liệu tham khảo - Chương - phương hướng đề tài 1.1 - Vai trò kỹ thuật đo điện Nước ta trình thực công nghiệp hoá đại hóa ngành sản xuất kinh tế quốc dân Do ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng tiến trình Trong ngành đo lường ngành đứng vị trí quan träng Tr¶i qua nhiỊu thËp kû, cïng víi sù phát triển khoa học kỹ thuật, ngành đo lường điều khiển đà đạt thành tựu đáng kể, việc đổi trình công nghệ sản xuất công nghiệp lĩnh vực khác liên quan đến phát triển kỹ thuật đo Kỹ thuật đo lĩnh vực khoa học thực nghiệm với hai hướng nghiên cứu phương pháp đo thiết bị đo Phương pháp đo thiết bị đo hai mặt có liên hệ mật thiết bỉ xung cho cđa kü tht ®o Mét thiÕt bị đo xây dựng phương pháp đo xác định Nhưng ngược lại phát triển công nghệ chế tạo dụng cụ đo lại thúc đẩy việc tìm phương pháp đo Cho tới nay, ngành kỹ thuật đo điện đà trải qua giai đoạn sau: ã Giai đoạn dụng cụ thị tự ghi điện: - Với dụng cụ thị điện: Chỉ đánh giá định lượng đại lượng Con người phải thực nhiệm vụ đọc kết đo, ghi kết đo, xử lý kết đưa lệnh điều khiển đối tượng theo yêu cầu Các dụng cụ đo thường lớn kích thước, dải đo hẹp, thời gian đo chậm - Với dụng cụ tự ghi điện: Con người giảm nhẹ việc đọc, giá trị đo ghi theo thời gian ã Giai đoạn dụng cụ đo điện tử tương tự điện tử số đơn giản: giai đoạn này, chủ yếu cải thiện đặc tính dụng cụ đo cải thiện phần việc tự động hoá trình đo lường - điều khiển - Nhìn chung thiết bị đo số có độ xác cao thiết bị đo tương tự, dải đo rộng, thời gian đo nhanh hơn, kết đo truyền xa, mà chịu tác ®éng cđa nhiƠu, cã thĨ sư dơng c¸c algorithm ®o khác để xây dựng mạch đo trình xử lý kết Các dụng cụ đo lắp từ mạch rời nên kích thước lớn, độ xác thường đạt 0,5%; 1%, ã Giai đoạn đời vi xử lý (àP) vi điều khiển (àC): Mở giai đoạn kỹ thuật đo, giúp tạo thiết bị đo giảm đáng kể kích thước, trọng lượng chức tăng lên gấp bội Tuy nhiên với phát triển vượt bậc công nghệ chế tạo đời họ vi xử lý chuyên dụng sử dụng lĩnh vực đo lường đà đem lại cho ngành kỹ thuật đo nói chung kỹ thuật đo lường điện nói riêng phát triển mạnh mẽ Sự phát triển đem lại ­u ®iĨm sau: - Thêi gian ®o nhanh, ®é chÝnh xác độ nhạy cao - Dễ dàng thực tự động hoá trình đo - Các thiết bị đo điện chế tạo nhỏ gọn, đơn giản - Giá thành sản phẩm thấp - Có thể tích hợp đo nhiều đại lượng thiết bị - Các phương pháp đo điện dùng thuận tiện để đo đại lượng không điện (như nhiệt độ, trọng lượng, áp suất, lưu lượng, di chuyển ) Bằng cách dùng chuyển đổi sơ cấp, ta biến đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện, từ thực phép đo đại lượng điện Và đo đại lượng điện cao áp, trung áp hay hạ áp - 1.2 - Sơ đồ hệ đo lường lộ cao áp - Đối với hệ đo cao áp này, đo đại lượng sau: U A , U B , U C , R R R R R R I A , I B , I C , P, Q, S, E a , E r , f, cos Nhưng hệ cần phải có nhiều dông cô, R R R R R R R R R R thiết bị riêng rẽ, biến áp biến dòng phải cách điện dày nên kích thướng kồng kềnh tốn Sai số thiết bị lớn: sai sè (V) lµ 1,5%; (A) lµ 1,5%; (W) lµ 2,5%; (E) 2% 1.3 - Một số phương pháp đo không tiếp xúc đà dùng Từ năm 1976, người ta đà đưa thực nghiệm hai phương pháp đo không tiếp xúc hiệu ứng Kerr-Pokense hiệu ứng Faraday: Hiệu ứng dùng để đo dòng điện dựa vào việc đo góc lệch pha chùm tia lazer chiếu từ trường dòng điện cần đo t¹o ra: θ = C B B.l R R Trong ®ã: C B lµ h»ng sè R R B lµ cảm ứng từ l chiều dài vùng từ trường tác dụng Hai phương pháp dừng lại nghiên cứu, độ xác phương pháp đo không cao 1.4 - Phương hướng đề tài - Dùng phương pháp không tiếp xúc - Các thông số lưới điện đo cao áp truyền tin trung tâm phương tiện không dây - Sử dụng vi hệ thống vi điều khiển: + Vi hệ thống biến đổi 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 cao áp đo bằng: Chuyển đổi dòng thông qua biến dòng thông thường (TI), dùng ®iƯn trë Sun chun ®ỉi vỊ ®iƯn ¸p; Chun ®ỉi điện áp thông qua biến áp thông thường (TU) Sau đưa vào hai kênh vào tương tự vi hệ thống biến đổi (ADE7753) Tổ chức đo lường lập trình vi điều khiển (MCU); truyền tin không dây thông qua phần tử Bluetooth cao áp xuống hạ áp; thu thập hiển thị vào máy tính hay thiết bị đầu cuối Điện áp vào kênh (kênh đo I ~ = I ): V R V = I R S R R R R R R R víi: R R R I /I = W /W R §iƯn áp vào kênh (kênh đo U ~ ): V R V = U = U W’ /W’ R R R R R R R R R R R R R R R R R R - - IC = U~   RL2 +  ωL +  ωC   ; U = I C RL2 + (L ) ADE7753 biến đại lượng điện i, u, I RMS , U RMS , p, P, Q, S, E a , E r , f, R R R R R R R R cosϕ thµnh tÝn hiƯu số lưu lại ghi liệu MCU lÊy sè liƯu tõ ADE qua giao tiÕp trun tin nối tiếp (SPI) truyền không dây trung tâm thông qua vi hệ thống truyền tin Bluetooth Như vậy, kết cần đo đường dây cao áp truyền đầy đủ theo yêu cầu người sử dụng - Chương - Giới thiệu vi hƯ thèng 2.1 - Giíi thiƯu vi hƯ thèng ADE7753 2.1.1 - Mô tả chung Họ vi hệ thống ADE77xx (Analog Devices Energy) hÃng Analog Devices đời năm 1999 họ vi hệ thống chuyên dụng, đa năng, có tính vượt trội đo lường Đến họ vi hệ thống đo đại lượng điện Analog Devices đà có nhiều loại: ADE7750, ADE7751, ADE7753, ADE7754, ADE7755, ADE7756, ADE7757, ADE7758, ADE7761, ADE7763, Cïng víi đời họ ADE77xx, bước đột phá lớn lĩnh vực đo lường, cho phép thực nhiều phép đo hệ thống với độ xác cao, phạm vi rộng, đặc biệt đại lượng điện pha đo giá trị hiệu dụng (RMS) dòng điện (I RMS ), điện áp (V RMS ), c«ng suÊt tøc thêi R R R R (p(t)), công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), biểu kiến (S), lượng tác dụng (E a ), lượng phản kháng (E r ), tần số (f), chu kú (T), hÖ sè R R R R công suất (cos) đo đại lượng điện chiều (I = , U = ) Ngoài cã R R R R thĨ thùc hiƯn c¸c Algorithm đo đại lượng điện trở R (điện trở trung bình, điện trở cách điện, điện trở nối đất, ®iƯn trë mèi nèi, ), ®iƯn c¶m L, ®iƯn dung C, đồng thời thực đo đại lượng không điện (như nhiệt độ, trọng lượng, độ rung, ) sở đo đại lượng điện Vi hệ thống tích hợp ADC có độ xác cao, tốc độ lớn Analog Devices, với hàm xử lý số tín hiệu (DSP) đại cđa Texas Instrument, cho phÐp thùc hiƯn c¸c phÐp biÕn đổi tương tự số, lọc số thông thấp, thông cao, phép nhân, tích phân số đảm bảo cho hệ thống đạt xác 0,1% dải thang đo 1:1000 Đó điều mà không hệ thống đo lắp mạch rời đạt Với độ xác mà vi hệ thống đạt được, ngang với độ xác dụng cụ đo mẫu trước - ADE7753 vi mạch hÃng Analog Devices Vi hệ thống tích hợp hàm xử lý tín hiệu nhanh, tính toán với độ xác cao Do dùng rộng rÃi đo lường đặc biệt tiện ích việc đo đại lượng điện mạch điện pha Họ vi hệ thống ADE77xx dựa định nghĩa đo giá trị hiệu dụng: T U rms = u (t )dt T ∫0 → U rms = n ∑ ui n i =1 (2.1) Trong đó: u(t) giá trị tức thời Và công st t¸c dơng P: T P = ∫ p (t )dt T → P= n ∑ pi n i =1 (2.2) Với giá trị tức thời công suất: p(t) = u.i Để đảm bảo tính xác, chất lượng cao, Analog Devices đà sử dụng biện pháp sau: - Điện áp vào khuyếch đại phần mềm, sau vào ADC xác cao, tốc độ nhanh (24 bit, 900kS/s) - Để đảm bảo sai số 0,1% toàn hệ thống, độ xác ADC phải đạt 0,01% tức tối thiểu 100ppm, điện áp mẫu U ref R R ADC phải đạt 0,003% tức 30ppm - Giá trị mẫu có tính ổn định cao (30ppm) nhờ có bù nhiệt độ cho U ref R R bù phần mềm - Analog Devices đà bố trí đo nhiệt độ nhiệt điện trở đặt vi mạch bù nhiệt độ phần mềm - ADE7753 bï offset cđa ADC b»ng bé läc th«ng cao bù ảnh hưởng góc lệch pha gây nên biến điện áp, biến dòng, bù hệ số biến đổi, lọc thông thấp Tất thực phần mềm nhờ DSP chất lượng cao chuyển giao từ Texas Instruments - 10 ADE7753 cho phép hoạt động ổn định trọng thời gian dài Việc hiệu chỉnh hệ số thực phần mềm nhờ có vi xử lý máy tính Các thông số đặc trưng: - Độ xác cao 0,1% dải thang ®o 1:1000 - Cã thĨ ghÐp nèi trùc tiÕp víi sensơ linh hoạt như: biến dòng, điện trở sun, đặc biệt sensơ dòng có đầu dạng di/dt chíp tích hợp tích phân số - Khả tính toán đo đại lượng: công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S, lượng, giá trị dòng điện, điện áp hiệu dụng, tần số f, chu kú T , hƯ sè c«ng st cđa lưới điện, lấy mẫu giá trị tức thời dòng điện, điện áp Ngoài sử dụng để tạo thiết bị đo đại lượng điện chiều, thông số mạch điện điện trở R, ®iƯn c¶m L, ®iƯn dung C, ®iƯn trë nèi ®Êt, ®iƯn trë c¸ch ®iƯn, ®iƯn trë tiÕp ®iĨm cđa c¸c thiết bị đóng cắt, - Bộ đặt ngưỡng điện áp chíp lập trình giám sát sụt áp áp lưới điện - Cho phép hiệu chỉnh offset giá trị công suất, pha, tín hiệu vào - Phù hợp với giao diƯn nèi tiÕp SPI - Cã bé biÕn ®ỉi lượng tiêu thụ tần số CF - Có ghi, chân yêu cầu ngắt IRQ - Nguồn cung cấp 5V - Công suất tiêu thụ thấp (25mW) 2.1.2 - Sơ đồ cấu trúc ADE7753 2.1.2.1 - Sơ đồ khối chức Hình 2.1 sơ đồ khối chức ADE7753 Vi hệ thống ADE7753 vi hệ thống on-chip biến đổi đại lượng điện pha Gồm kênh tín hiệu vào tương tự V1P - V1N V2P - V2N Mỗi kênh vào có PGA (Programmable Gain Amplifier) dùng để khuyếch đại tín - 11 hiệu lập trình ®­ỵc Vi hƯ thèng ®­ỵc tÝch hỵp bé biÕn ®ỉi t­¬ng tù sè ADC Σ-∆ 24 bit LPF (Low Pass Filter): Bé läc th«ng thÊp HPF (High Pass Filter): Bé läc th«ng cao DFC (Digital-to-Frequency Converter): Thùc hiƯn biÕn đổi lượng sang tần số, đưa tần số chân CF Có sẵn khối tạo điện áp chuẩn bên ADE Thực thuật toán tính toán phần cứng thông qua khâu sau: PGA, ADC, LPF2, khối tích phân số, khối dịch pha sử dụng để tính công suất phản kháng Q, khối bình phương tín hiệu (x2 ), khối lấy bậc 2, khối nhân, tổng P P Ngoài bên ADE7753 có ghi dùng để hiệu chỉnh, bù sai số, có sensơ nhiệt độ - 12 2.1.2.2 - Sơ đồ chân ý nghĩa chân ADE7753 ADE7753 gồm 20 chân, sơ đồ chân mô tả hình 2.2 bảng 2.1 Bảng 2.1 - Mô tả chức chân ADE7753 Chân Ký hiệu RESET 0B Chức Chân Reset ADE7753 Tích cực mức thấp, khởi động lại toàn vi mạch ADE7753 Chân cung cấp điện áp cho mạch số bên DVDD AVDD 4,5 V1P,V1N Đầu vào tương tự kênh 6,7 V2P,V2N Đầu vào tương tự kênh ADE7753 Nguồn cung cấp có giá trị 5V5% Chân cung cấp điện áp cho mạch tương tự bên ADE7753 Nguồn cung cấp có giá trị 5V5% GND nguồn cung cấp cho mạch tương tự AGND ADE7753 ADC, mạch tạo điện áp chuẩn Cũng sử dụng cho biến dòng, biến áp, Lấy điện áp chuẩn chip Điện áp chuẩn chip REF IN/OUT R có giá trị 2,4V8% Nguồn điện áp chuẩn bên nối với chân - 13 Chân GND nguồn cung cấp cho mạch số cđa 10 DGND ADE7753 nh­ bé nh©n, läc sè, bé biến đổi lượng - tần số Công suất tác dụng biến đổi thành tần số đưa chân CF Đầu CF dùng cho nhiều mục đích 11 CF hiệu chỉnh hoạt động Tỷ lệ thang đo tần số đầu điều chỉnh thông qua hai ghi CFDEN CFNUM Đầu qua điểm không điện áp kênh Chân 12 ZX ZX lật trạng thái từ mức logic cao vỊ møc logic thÊp tÝn hiƯu kªnh chun tõ nưa chu kú d­¬ng sang nưa chu kú âm qua điểm không (zero crossing) Kích hoạt mức thấp Khi qua điểm không 13 SAG 14 IRQ phát ngưỡng điện áp thấp qua Đầu yêu cầu ngắt Xung nhịp cho ADC vµ bé xư lý tÝn hiƯu sè, xung nhịp bên cung cấp thông qua 15 CLKIN chân CLKIN Tần số xung nhịp 3,579545 MHz Mạch dao động nối qua chân CLKIN chân CLKOUT Mạch dao động nối qua chân CLKIN chân 16 CLKOUT 17 CS 18 SCLK Đầu vào xung nèi tiÕp, dïng ®Ĩ trun ®ång bé SPI 19 DOUT Đầu số SPI 20 DIN Đầu vào số SPI CLKOUT KÝch ho¹t ë møc thÊp, cho phÐp ADE7753 kÕt nối với thiết bị ngoại vi - 14 2.1.3 - Các đầu vào tương tự biến đổi ADC Điện áp vào lớn kênh V1P/V1N kênh V2P/V2N 0,5V Các tín hiệu vào đưa qua khuyếch đại lập trình (PGA) với hệ số tỷ lệ 1, 2, 4, 8, 16 ViƯc lùa chän c¸c hƯ sè khuyếch đại dùng phần mềm cách viết vào ghi GAIN[7:0] Bit 0, 1, dïng cho PGA kªnh Bit 5, 6, dïng cho PGA kªnh Ngoài PGA, kênh chọn dải tỷ lệ đầu vào cho ADC thông qua bit 3, ghi GAIN Đầu vào tương tự ADC có dải 0,5V; 0,25V; 0,125V Để thay đổi mức tín hiệu vào ADC kênh 1, điều chỉnh điện áp Uref ADC tương ứng 2,42V; 1,21V; 0,6V Kênh thường dùng cho chuyển đổi dòng điện cuộn dây Rogowski (đầu dạng di/dt) sensơ dòng điện trở sun, biến dòng (CT) Kênh thường dùng cho chuyển đổi điện áp Mức tín hiệu đầu vào 0,5V Cả hai đầu vào có mạch bảo vệ phóng điện (ESD) Tuy nhiên điện áp chịu đựng 6V Bảng 2.2 - Thang đo kênh Thang đo kênh Lựa chọn dải đầu vào cho ADC 0,5V 0,25V 0,125V 0,5V Gain = - - 0,25V Gain = Gain = - 0,125V Gain = Gain = Gain = 62,5mV Gain = Gain = Gain = 31,3mV Gain = 16 Gain = Gain = 15,6mV - Gain = 16 Gain = 7,8mV - - Gain = 16 - 15 Bảng 2.3 - Thang đo kênh Thang đo kênh Đầu vào ADC: 0,5V 0,5V Gain = 0,25V Gain = 0,125V Gain = 62,5mV Gain = 31,3mV Gain = 16 Các hệ số khuyếch đại lựa chọn Uref điều khiển thông qua ghi GAIN , địa 0x0F Trong chÕ ®é lÊy mÉu tÝn hiƯu tøc thêi kênh, có tốc độ chọn thông qua bit 11 12 ghi chế độ MODE là: 27,9kSPS; 14kSPS; 7kSPS 3,5kSPS 2.1.3.1 - LÊy mÉu kªnh Nh­ vËy kªnh cã thang đo: 7,81mV đến 500mV (bảng 2.2) Đối với kênh1, đầu ADC số bù hai 24 bit ë tèc ®é lÊy mÉu 900kSPS (CLKIN/4), víi thang ®o 0,5V (hoặc 0,25V; 0,125V) ADC có giá trị đầu - 16 từ 0x2851EC (+2.642.412) đến 0xD7AE14 (-2.642.412) Giá trị lấy mẫu lưu giữ ghi lấy mẫu (MODE[14,13=1,0]) Trong chế độ lấy mẫu giá trị tức thêi, bit WSMP (bit 3) ghi cho phÐp ngắt phải dựng Quá trình tính giá trị lượng, công suất biểu kiến, tác dụng liên tục suốt trình lấy mẫu Giá trị lấy mẫu tức thời truyền từ ADE7753 có độ dài byte, byte cã träng sè lín nhÊt trun trước Quá trình xử lý số liệu kênh mô tả hình 2.3 2.1.3.2 - Lấy mẫu kênh Kênh có thang đo: từ 31,3mV đến 500mV (bảng 2.3) Trong chế độ lấy mẫu kênh (MODE[14:13] =1,1 WSMP=1) Đầu ADC kênh không giống kênh Đầu từ 16 bit mở rộng dấu 24 bit chế độ hoạt động bình thường, điện áp V2P V2N không vượt - 17 0,5V Tuy nhiên trước đưa vào ghi giá trị tức thời, giá trị đầu ADC đưa qua lọc thông thấp tần số cắt 140Hz Trong việc đo lượng, đầu ADC đưa thẳng tới nhân Quá trính xử lý số liệu kênh mô tả hình 2.4 2.1.4 - Các ghi chế độ hoạt động ADE7753 Các ghi ADE7753 liệt kê bảng 2.4 Bảng 2.4 - Các ghi ADE7753 Địa Ký hiƯu chØ Sè Tªn ghi bit 0x01 WAVEFORM 24 Thanh ghi giá trị tức thời 0x02 AENERGY 24 Thanh ghi lượng tiêu thụ 0x03 RAENERGY 24 Thanh ghi lượng tiêu thụ (reset đọc) 0x04 LAENERGY 24 Thanh ghi lượng tiêu thụ tích luỹ 0x05 VAENERGY 24 Thanh ghi lượng toàn phần - 18 0x06 RVAENERGY 24 Thanh ghi lượng toàn phần (reset đọc) 0x07 LVAENERGY 24 Thanh ghi lượng toàn phần tích luỹ 0x08 LVARENERGY 24 0x09 MODE 16 Thanh ghi chÕ ®é 0x0A IRQEN 16 Thanh ghi cho phÐp ng¾t 0x0B STATUS 16 Thanh ghi trạng thái ngắt 0x0C RSTSTATUS 16 Thanh ghi trạng thái ngắt Thanh ghi lượng phản kháng tích luỹ (reset đọc) 0x0D CH1OS Thanh ghi chØnh offset kªnh 0x0E CH2OS Thanh ghi chØnh offset kªnh 0x0F GAIN Thanh ghi đặt hệ số khuyếch đại PGA 0x10 PHCAL Thanh ghi hiÖu chØnh pha 0x11 APOS 16 Thanh ghi hiÖu chỉnh offset công suất tác dụng 0x12 WGAIN 12 Thanh ghi hiệu chỉnh hệ số khuyếch đại công suất 0x13 WDIV Thanh ghi chia lượng tiêu thụ 0x14 CFNUM 12 Thanh ghi tư sè chia tÇn sè CF 0x15 CFDEN 12 Thanh ghi mÉu sè chia tÇn sè CF 0x16 IRMS 24 Thanh ghi giá trị hiệu dụng RMS kênh (dòng điện) 0x17 VRMS 24 Thanh ghi giá trị hiệu dụng RMS kênh (điện áp) 0x18 IRMSOS 12 Thanh ghi hiệu chỉnh offset giá trị hiệu - 19 dơng kªnh 0x19 VRMSOS 12 Thanh ghi hiệu chỉnh offset giá trị hiệu dụng kênh 0x1A VAGAIN 12 Thanh ghi hệ số khuyếch đại công suất toàn phần 0x1B VADIV Thanh ghi chia lượng toàn phần 0x1C LINECYC 16 Thanh ghi chu kỳ chế độ tích luỹ lượng 0x1D ZXTOUT 12 Thanh ghi ZXTOUT 0x1E SAGCYC Thanh ghi sè chu kú ®iƯn áp sụt 0x1F SAGLVL Thanh ghi đặt mức điện ¸p sơt 0x20 IPKLVL Thanh ghi ng­ìng møc ®Ønh kênh 0x21 VPKLVL Thanh ghi ngưỡng mức đỉnh kênh 0x22 IPEAK 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 0x23 RSTIPEAK 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh (reset sau đọc) 0x24 VPEAK 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 0x25 RSTVPEAK 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh (reset sau ®äc) 0x26 TEMP Thanh ghi nhiƯt ®é 0x27 PERIOD 16 Thanh ghi chu kú 0x3D TMODE Thanh ghi chÕ ®é kiĨm tra 0x3E CHKSUM Thanh ghi Checksum - 20 B¶ng 2.5 - Néi dung cña ghi sau reset Thanh ghi R/W Néi dung Sè bit WAVEFORM R 0x0 24 AENERGY R 0x0 24 RAENERGY R 0x0 24 LAENERGY R 0x0 24 VAENERGY R 0x0 24 RVAENERGY R 0x0 24 LVAENERGY R 0x0 24 LVARENERGY R 0x0 24 MODE R/W 0x000C 16 IRQEN R/W 0x40 16 STATUS R 0x0 16 RSTSTATUS R 0x0 16 CH1OS R/W 0x0 CH2OS R/W 0x0 GAIN R/W 0x0 PHCAL R/W 0x0D APOS R/W 0x0 16 WGAIN R/W 0x0 12 WDIV R/W 0x0 CFNUM R/W 0x3F 12 CFDEN R/W 0x3F 12 IRMS R 0x0 24 - 21 VRMS R 0x0 24 IRMSOS R/W 0x0 12 VRMSOS R/W 0x0 12 VAGAIN R/W 0x0 12 VADIV R/W 0x0 LINECYC R/W 0xFFFF 16 ZXTOUT R/W 0xFFF 12 SAGCYC R/W 0xFF SAGLVL R/W 0x0 IPKLVL R/W 0xFF VPKLVL R/W 0xFF IPEAK R 0x0 24 RSTIPEAK R 0x0 24 VPEAK R 0x0 24 RSTVPEAK R 0x0 24 TEMP R 0x0 PERIOD R 0x0 16 TMODE R/W - CHKSUM R 0x0 2.1.5 - Bộ biến đổi lượng sang tần số (DFC) Vi mạch ADE7753 có biến đổi lượng - tần số điều kiện tải ổn định lượng tiêu thụ công suất tác dụng tỷ lệ với tần số đầu - 22 Tần số đầu lớn tín hiệu vào đầy thang đo CFNUM = 0x00, CFDEN = 0x00 xÊp xØ 23kHz ADE7753 dùng hai ghi không dấu 12 bit CFNUM CFDEN để điều chỉnh tần số đầu CF 2.1.6 - Phát điện áp lưới bị sụt giá trị đỉnh ADE7753 lập trình để ph¸t hiƯn sù sơt ¸p cđa l­íi so víi gi¸ trị điện áp đỉnh số chu kỳ lưới điện Khi điện áp lưới sụt xuống ngưỡng đặt số chu kỳ đặt trước, chân SAG tÝch cùc ë møc thÊp, ®ã cê SAG ghi trạng thái ngắt 1, chân IRQ tích cùc ë møc thÊp Ch©n SAG chØ trë vỊ møc logic cao điện áp lưới vượt qua giá trị đặt ghi SAGLVL ADE7753 lập trình để phát giá trị dòng điện, điện áp đỉnh chúng vượt qua giá trị đặt ghi VPKLVL, IPKLVL Khi ®ã cê PKV, PKI ghi trạng thái ngắt dựng, đồng thời chân IRQ tích cực mức thấp Cả hai kênh giám sát thời điểm 2.1.7 - Phát qua điểm không (zero crossing) ADE7753 có mạch phát qua điểm không kênh Chân ZX chuyển tõ møc logic thÊp lªn møc logic cao tÝn hiệu chuyển từ âm qua dương (qua điểm không) Tín hiệu ZX dùng chế độ hiệu chỉnh, đọc số liệu, khởi đầu cho bù nhiệt độ ADE - 23 2.1.8 - Một số ghi đặc biệt 2.1.8.1 - Thanh ghi chế độ hoạt động (MODE, 0x09) Thanh ghi MODE xác định chế độ hoạt động cho ADE7753, nội dung mô tả chi tiết b¶ng 2.6 B¶ng 2.6 - Thanh ghi MODE Bit Ký hiệu Mặc Mô tả định DISHPF HPF kênh không kích hoạt DISHPF = 1 DISLPF2 LPF sau nhân (LPF2) không kích hoạt DISLPF2 =1 DISCF Đầu tần số CF không kích hoạt DISCF=1 DISSAG Không phát sụt điện áp DISSAG = ASUSPEND ASUSPEND = hai A/D ADE7753 không hoạt động TEMPEL Bộ biến đổi nhiệt độ bắt đầu TEMPEL = Bít tự động reset trình kết thúc SWRST Reset ADE7753 CYCMODE CYCMODE = ChÕ ®é tÝch luỹ lượng DISCH1 Các đầu vào kênh bị ngắn mạch bên DISCH2 Các đầu vào kênh bị ngắn mạch bên 10 SWAP SWAP=1: V2P,V2N nèi víi ADC1; V1P, V1N nèi víi ADC2 12,11 DTRT 1, 00 Lùa chän tèc ®é lÊy mÉu tøc thêi DPRT1 DPTR0 Tèc ®é 0 27,9kSPS (CLKIN/128) 14kSPS (CLKIN/256) - 24 - 14,13 WAVSEL1, 00 kSPS (CLKIN/512) 1 3,5 kSPS (CLKIN/1024) Chọn nguồn tín hiệu lấy mÉu cho ghi tøc thêi WAVEFORM WAVSEL1 WAVSEL0 15 POAM Nguồn 0 Công suất tác dụng Dự trữ 24 bít kênh 1 24 bít kênh POAM =1 Chỉ tính công suất dương 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 sử dụng vi điều khiển để xác định nguồn yêu cầu ngắt ( IRQ ) Khi kiện ngắt xảy ADE7753, cờ tương ứng ghi trạng thái ngắt dựng lên (mức logic cao) Nếu bit cho phép ngắt cờ dựng lên ghi cho phép ngắt, đầu IRQ kích hoạt mức thấp Khi vi điều khiển phục vụ ngắt, thực đọc từ ghi trạng thái ngắt để xác định nguồn gây ngắt Bảng 2.7 - Thanh ghi STATUS, RSTSTATUS, IRQEN Bit Cờ ngắt AEHF 1B Mô tả Một ngắt x¶y bit cã träng sè lín nhÊt cđa ghi lượng tác dụng chuyển từ lên 1 SAG Ngắt SAG điện áp lưới CYCEND Kết thúc tích luỹ lượng WSMP Dữ liƯu míi ghi tøc thêi ZX Ph¶n ánh trạng thái đầu ZX - 25 TEMP Chỉ kết biến đổi nhiệt độ có ghi nhiệt độ RESET Kết thúc reset Tương ứng với bít cho phép vai trò ghi cho phép ngắt AEOF Thanh ghi lượng tác dụng bị tràn PKV Lấy mẫu tức thời từ kênh vượt giá trị VPKLVL PKI Lấy mẫu tức thời từ kênh vượt giá trị IPKLVL 10 VAEHF Một ngắt xảy bit có trọng số lớn ghi lượng toàn phần chuyển từ lên 11 VAEOF Thanh ghi lượng toàn phần tràn 12 ZXTO Ngắt trôi điểm không (zero) điện áp lưới 13 PPOS Công suất từ âm sang dương 14 PNEG Công suất từ dương sang âm 15 RESERVED Dự trữ 2.1.8.3 - Thanh ghi CH1OS (0x0D) Bit cã träng sè lín ghi dùng để kích hoạt tích phân số kênh ADE7753 Bit đến bit giá trị hiệu chỉnh offset kênh Bảng 2.8 - Thanh ghi CH1OS Bít Ký hiệu Mô tả đến OFFSET Đặt giá trị hiệu chỉnh offset dc kênh Bit 5 bit dấu từ bit đến bít xác định độ lớn giá trị offset Không sử dụng INTEGRATOR Kích hoạt tích phân số kênh INTEGRATOR =1: kích hoạt - 26 INTEGRATOR =0: không kích hoạt 2.1.8.4 - Thanh ghi truyền thông Thanh ghi truyền thông ghi bit, điều khiển việc truyền liệu nối tiếp ADE7753 vi điều khiển, hoạt động truyền liệu phải bắt đầu với việc viết tới ghi truyền thông Dữ liệu viết tới ghi truyền thông xác định hoạt động đọc viết xác định ghi truy nhập DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 W/R A5 A4 A3 A2 A1 A0 B¶ng 2.9 - Thanh ghi truyền thông Bit Ký hiệu Nội dung đến A0 đến A5 Xác định ghi cho hoạt động truyền liệu, địa ghi xác định theo bảng 2.4 Dự trữ - W/R bÝt = 1: Thùc hiƯn viÕt (W) tíi ADE7753 BÝt = 0: Thùc hiƯn ®äc (R) tõ ADE7753 Giản đồ thời gian đọc, ghi liệu từ ADE7753 hình 2.6 Có thể nói biến đổi lắp IC rời đạt chất lượng cao IC vi hệ thống hÃng Analog Devices 2.2 - Giíi thiƯu vi hƯ thèng trun tin Bluetooth - Bluetooth sư dơng rÊt th«ng dơng hiƯn nay, dùng để kết nối truyền tin liệu nhanh đồng không dây thiết bị, máy tính, điện thoại, PDA, Laptop, máy in, máy scan, - 27 - Bluetooth vi hệ thống tạo nên sù kÕt nèi vËt lý gi÷a hay nhiỊu thiÕt bị đầu cuối với hình thành mạng không dây để chia sẻ nguồn thông tin, liêu - Giao thức làm việc Bluetooth theo nguyên tắc chủ/tớ (masters/slaves), theo kiĨu ®iĨm - nhiỊu ®iĨm (function of the type point to multiple point) - Bluetooth sư dơng sãng radio để kết nối truyền tin vùng không gian với khoảng cách bán kính 10 m, đến 100 m - Tèc ®é trun tin tõ Mbps ®Õn 10 Mbps - Cã chÕ ®é qu¶n lý: Active Mode, Sniff Mode, Hold Mode, Park Mode - Cã hai kiểu kết nối là: đồng (SCO) không ®ång bé (ACL) - Bluetooth cã thĨ ghÐp nèi phÇn cứng với thiết bị thông qua đường bus RS232, RS485 USB 2.3 - Giới thiệu vi điều khiển PIC18F2320 - Hä PIC cđa h·ng Microchip cã kiÕn tróc kiểu Harvard (RISC) sử dụng thông dụng nay, giá thành rẻ PIC18F2320 dòng vi điều khiĨn thc hä PIC - PIC kh«ng cã « nhí riêng dành cho Stack Stack PIC18F2320 có 31 mức (level) x 21 bit khối riêng trỏ stack bit Stack hoạt động giống đệm vòng, coi stack ghi truy cập nhanh - Có ghi định địa cổng tương ứng với cổng A, B ,C TRISA, TRISB, TRISC Bit tương ứng trở kháng cao port; bit đặt nội dung chốt đầu tương ứng - Có chÕ ®é ®äc - sưa - ghi (read - modify - write) Đọc port tương ứng đọc chân, ghi port tương ứng đọc latch - Có Timer: timer0, timer2: bit; timer1, timer3: 16 bit - Khi reset cổng định nghĩa đầu vào xoá tất đếm chia - 28 - Cã 16 d·y (bank) bé nhí d÷ liƯu: tõ 000h đến FFFh - Có đếm chương trình 21 bit: từ 000000h đến 1FFFFFh Véctơ reset địa 000000h Véctơ ngắt cao địa 000008h Véctơ ngắt thấp địa 000018h - Watchdog timer (WDT) với dao động RC on - chip để đảm bảo tin cậy chế độ SLEEP - Có nhiều nguồn ngắt ngoài, có 10 ghi điều khiển hoạt ®éng ng¾t - Divece PIC18F2320: Program memory: 8192 bytes Flash; 4096 #Single Word Instructions Data memory: 512 bytes SRAM; 256 bytes EEPROM Pins: 25 I/O, power 10 bit A/D: 10 ch CCP/ECCP: 2/0 PWM USART; MSSP: SPI TM , Master I2 C TM P P P P P Comparators: Timers 8/16 bit: 2/3 2.4 - Kết hợp ADE7753 - PIC18F2320 - Bluetooth Sử dụng tính vượt trội ADE đồng thời kết hợp với vi ®iỊu khiĨn (MCU) b»ng c¸ch nèi c¸c ADE víi MCU th«ng qua giao diƯn cỉng nèi tiÕp (SPI) cho phÐp xây dựng hệ thống đo điện vạn bảng thử nghiệm đa nhỏ gọn kích thước, trọng lượng tính chất chức hệ tăng lên gấp bội Thiết bị đo ADE - MCU - Bluetooth có ưu điểm lớn sau: ã Cho phép thực đo nhiều đại lượng điện khác nhau, dễ dàng thực algorithm đo phức tạp vi hệ thống ADE - 29 ã Độ xác độ nhậy cao, vượt qua yêu cầu độ xác công nghiệp: theo chuẩn IEC61036 cấp xác 1, chuẩn ANSI cấp xác 0,2, nhiên sử dụng ADE độ xác đạt 0,1% ã Thời gian đo nhanh, bên ADE cã ghi tøc thêi (WAVEFORM) ®ã cã thể khôi phục đường đặc tính tín hiệu ã Cho phép ghép nối linh hoạt với chuyển đổi sơ cấp (sensơ) đầu vào sun, biến dòng (CT), sensơ Rogowski (tín hiệu dạng di/dt) ã Có khả chống nhiễu cao, hiệu chỉnh sai số hÖ thèng (nh­ tù chØnh Zero, pha, hÖ sè khuyÕch đại, bù kết đo ảnh hưởng yếu tố bên nhiệt độ ) phần mỊm th«ng qua giao diƯn cỉng nèi tiÕp, gióp cho hệ thống tạo hệ đo linh hoạt, xác hệ đo có hoạt động ổn định thời gian dài ã Có khả tự động lựa chọn thang đo thích hợp với dải tín hiệu đầu vào ã Ngoài nhiệm vụ hiển thị kết đo, liệu lưu trữ nhờ nhớ truyền xa qua đường truyền RS232, RS485, USB đường truyền không dây Bluetooth trung tâm ã Giám sát chất lượng điện năng, ADE ghi nhận mức điện áp, dòng điện đỉnh, sụt áp lưới điện Và có khả bảo vệ tốt cho lưới điện - 31 Chương - thuật toán đo đại lượng điện ADE7753 3.1 - Một số phương pháp xử lý tín hiệu trước Trước đây, kỹ thuật đo lường để tạo thiết bị đo chØ thÞ sè hay mét thiÕt bÞ cã sư dơng vi điều khiển việc ta cần phải biến đổi tín hiệu đo f(x) thành đại lượng tỷ lệ Và thông thường ba đại lượng dễ dàng thực việc số hoá là: tần số, chu kỳ, điện áp chiều - Phương pháp đo tần sè: BiÕn tÝn hiƯu cã tÇn sè f x cÇn đo thành dÃy xung R R có tần số, råi dïng bé ®Õm, ®Õm sè xung ®ã mét khoảng thời gian T đo xác định trước: R R N x = (T ®o /T x ) = T ®o f x R R R R R R R R R (3.1) R - Phương pháp số đo khoảng thời gian: Lấp đầy khoảng thời gian T x cần R R ®o bëi d·y xung cã chu kú T Đếm số xung lấp đầy, ta được: R R N x = (T x /T ) = f T x R R R R R R R R R R (3.2) - Phương pháp số đo điện áp chiều: Có nhiều phương pháp, nguyên lý chung gộp thành nhóm sau: Điện áp chiều so sánh với điện áp chuẩn, biến điện áp thành khoảng thời gian, biến điện áp sang tần số độ rộng xung Để đo đại lượng xoay chiều dòng điện hiệu dụng, điện áp hiệu dụng với phương pháp số cũ ta phải biến đổi đại lượng kể Thường dùng mạch điện tử để biến điện áp xoay chiều thành chiều đo dòng xoay chiều ta dựa đo điện áp rơi điện trở chuẩn (sun), dùng cấp biến dòng đo lường, sau dùng mạch chuyển đổi dòng áp Đo góc lệch pha phương pháp số (Fazômét thị số): Dựa nguyên tắc biến đổi góc lệch pha hai tín hiệu thành khoảng thời gian Sau lấp đầy khoảng thời gian đo xung với tần số chuẩn Thực đếm tần số ta xác định góc lệch pha - 32 Đo công suất tác dụng P, phản kháng Q, toàn phần S phương pháp số: Thường dùng đổi điện tử analog để biến đổi công suất cần đo sang điện áp chiều tỷ lệ với công suất Phương pháp số đo thông số mạch điện R, L, C thường dùa trªn nguyªn lý chđ u sau: - Nguyªn lý cầu cân - Biến đổi thông số R, L, C cần đo thành điện áp chiều tỷ lệ - Biến đổi R, L, C thành khoảng thời gian tần số Tóm lại: Một số phương pháp số thông thường đà trình bày sơ lược trên, đà khắc phục phần độ xác, thời gian đo so với phương pháp đo sử dụng cấu điện Tuy nhiên, lắp đặt từ linh kiện rời nên đòi hỏi người thiết kế khối lượng công việc nặng nề thiết kế phần cứng, độ xác thiết bị phụ thuộc vào nhiều khâu, bị ảnh hưởng yếu tố bên nhiệt độ, độ ẩm, Việc hiệu chỉnh không linh hoạt phải hiệu chỉnh phần cứng Để tạo thiết bị đo vạn đảm bảo độ xác kích thước lớn Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ sản xuất vi hệ thống, vi điều khiển năm trở lại cho phép kỹ sư đo lường có tay công cụ mạnh để thu thập xử lý số liệu Nhiều thuật toán tính toán, xử lý số liệu tích hợp IC, cho phép xây dựng thiết bị đo vạn đảm bảo độ xác cao tạo hệ đo vừa hiển thị, lưu giữ kết quả, giám sát, điều khiển, quản lý hệ thống hoạt động ổn định thời gian dài Như để đo đại lượng điện có nhiều phương pháp đo khác nhau, nhiên việc ®êi vi hä vi hƯ thèng ADE77xx lµ mét b­íc ngoặt lớn việc tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm, hệ đo vạn Giải pháp hÃng Analog Devices sử dụng phương pháp lọc thông thấp để đo đại lượng điện xoay chiều dựa sở phân tích xử lý tín hiệu phần cứng kết hợp với phần mềm hiƯu chØnh - 33 ADE7753 cßn cã thĨ thiÕt kÕ để đo đại lượng chiều U, I, P đồng thời sở xác định thông số mạch điện R, đo điện trở cách điện, điện trở nối đất, cách không sử dơng bé läc th«ng cao cÊu tróc cđa ADE7753 Khi sử dụng vi điều khiển viết giá trị vào bit DISHPD ghi MODE địa 0x09 3.2 - Đo giá trị hiệu dụng dòng điện I RMS R Đối với tín hiệu xoay chiều thông số đo yêu cầu giá trị hiệu dụng I RMS R R Từ định nghĩa giá trị hiệu dụng ta có: Giá trị hiệu dụng dòng ®iƯn xoay chiỊu i(t): T I RMS = i (t )dt T (3.3) Hoặc ta tính gần ®óng theo c«ng thøc sau: I RMS = N N ∑i k =1 (3.4) (k TS ) Trong ®ã: T S lµ chu kú lÊy mÉu R R N số lần lấy mẫu chu kỳ tín hiệu T (ở thời điểm 1, 2, ) i(kT S ) giá trị dòng điện thời ®iĨm kT S R R R Tuy nhiªn ®Ĩ ®o dòng điện thường biến dạng điện áp tỷ lệ Ví dụ dựa đo điện áp rơi điện trở chuẩn (điện trở sun) dùng biến dòng đo lường sau dùng mạch chuyển đổi dòng điện sang điện áp ADE7753 sử dụng phương pháp lọc thông thấp: Đầu vào tín hiệu tức thời lấy bình phương Giả sử tín hiệu dòng điện: i(t) = I RMS sin(ωt) R R Khi ®ã: 2 cos( 2ωt ) i (t ) = I RMS sin(ωt ).I RMS sin(ωt ) = I RMS I RMS (3.5) Sau lấy bình phương, tín hiệu đưa qua khâu lọc số thông thấp LPF (low-pass filter), đầu LPF giá trị hiệu dụng bình phương (thành phần chiều) Để đảm bảo độ xác đầu LPF, giá trị - 34 hiệu dụng bình phương hiệu chỉnh thông qua ghi IRMSOS, sau lấy bậc hai ta giá trị hiệu dụng cần tìm 3.3 - Đo giá trị hiệu dụng điện áp U RMS R Giá trị hiệu dụng tính theo tín hiệu liên tục u(t) định nghĩa: T VRMS = U RMS = u (t )dt T ∫0 (3.6) V× tÝn hiƯu lÊy mÉu theo thêi gian, ®ã: VRMS = U RMS = N ∑ u (kTS ) N k =1 (3.7) Tuy nhiªn ADE7753 sử dụng phương pháp lọc thông thấp: Đầu vào tín hiệu tức thời lấy bình phương: 2 U RMS u (t ) = U RMS sin(ωt ).U RMS sin(ωt ) = U RMS cos( 2t ) (3.8) Sau lấy bình phương, tín hiệu đưa qua khâu lọc số thông thấp LPF (low-pass filter), đầu LPF giá trị hiệu dụng bình phương lấy bậc hai, đầu ta có giá trị hiệu dụng cần tìm Để loại bỏ nhiễu đảm bảo độ xác, giá trị hiệu dụng hiệu chỉnh ghi VRMSOS Hình 3.2 mô tả sơ đồ đo điện áp xoay chiều kênh ADE7753 Giá trị lớn ghi VRMS tín hiệu vào lớn - 35 0x17D338 Kết giá trị hiệu dụng lưu ghi không dấu 24 bít (VRMS) Tốc độ cập nhật trình đo giá trị hiệu dụng CLKIN/4 Để chuyển đổi giá trị ghi VRMS Volt, dùng vi điều khiển bên ghép nối với ADE7753 3.4 - Đo công suất tác dụng P Công suất tác dụng tức thời định nghĩa p(t): p(t) = u(t).i(t) (3.9) Trong chu kỳ T công suất tác dụng trung b×nh: T P= T 1 p (t )dt = ∫ u (t ).i (t )dt ∫ T0 T0 (3.10) Từ công thức ta thấy đồng thời lấy mẫu giá trị dòng điện điện áp N lần chu kỳ T (ở thời ®iĨm 1, 2, 3, ) Ta cã thĨ dïng ph­¬ng pháp tích phân số giống dòng điện điện áp để tính công suất tiêu thụ P sau: P= N ∑ u (kTS ).i(kTS ) N k =1 (3.11) Đối với tín hiệu xoay chiều hình sin: Giả sử giá trị dòng, áp tức thời có biểu thøc nh­ sau: - 36 u(t) = U RMS sin(ωt) (V) (3.12) i(t) = I RMS sin(ωt + ϕ) (A) (3.13) R R R R Trong ®ã: u(t) giá trị điện áp tức thời; i(t) giá trị dòng điện tức thời U RMS , I RMS giá trị hiệu dụng điện áp dòng điện tương ứng R R R R Khi công suất tác dụng tức thời định nghĩa: p(t) = u(t).i(t) = U RMS sin(ωt) I RMS sin(ωt + ) R R R R (3.14) Công suất tác dụng trung b×nh mét chu kú T: T P= T 1 p (t )dt = ∫ u (t ).i (t )dt = U RMS I RMS cosϕ ∫ T0 T0 R R R R (3.15) Trong đó: T chu kỳ tín hiệu Mặt khác: p(t) = U RMS I RMS cosϕ - U RMS I RMS cos(2ωt + ϕ) R R R R R R R R (3.16) Từ công thức (3.15) (3.16) ta nhận xét thấy: giá trị công suất tác dụng thành phần chiều công suất tác dụng tức thời Trên sở ADE7753 thực tính P theo phương pháp lọc thông thấp, sử dụng LPF để tách lấy thành phần chiều P Sơ đồ thực trình tính P hình 3.3: Khi đặt MODE[14:13] = [0:0] đặt bit WSMP (bit 3) ghi IRQEN, công suất tác dụng P đọc từ ghi WAVEFORM 3.5 - Đo công suất phản kháng Q Ta có công suất phản kháng định nghĩa theo c«ng thøc: Q = U RMS I RMS sinϕ R R R R (3.17) - 37 Trong đó: góc lệch pha dòng điện điện áp Giả sử biểu thức giá trị tức thời điện áp dòng điện tương ứng u(t) = U m sin(t) = U RMS sin(ωt) (V) (3.18) i(t) = I m sin(ωt + ϕ) = I RMS sin(ωt + ϕ) (A) (3.19) R R R R R R R R Ta cã: T Tω u (t ).i (t + ) dt = ∫ U m sin(ωt ).I m sin(ωt + + ϕ )dt = ∫ T0 T0 T T UmIm U I 2π sin(ωt ) sin(ωt + ϕ + )dt = m m ∫ sin(ωt ) cos(ωt + ϕ )dt = ∫ T T T = T 2.U RMS I RMS T = ∫0 sin(ωt ).[cos (ωt ) cos(ϕ ) + sin(ωt ) sin(ϕ )]dt = T = 2.U RMS I RMS T = + 2.U RMS I RMS T sin( 2ωt ) cos( ) + d t ϕ ω ∫0 ∫0 sin (ωt ) sin(ϕ ) dt = T T T 2.U RMS I RMS − cos( 2ωt ) sin(ϕ ).∫ dt T = + U RMS I RMS sin(ϕ ) = Q Nh­ vậy, với số liệu lấy mẫu đồng thời dòng điện điện áp để tính giá trị hiệu dơng, c«ng st P, ta cịng cã thĨ sư dơng để tính công suất phản kháng Q theo phương pháp tích phân số, nhiên tích (u.i) phải lấy ứng với hai giá trị lấy mẫu hai thời điểm khác nhau1/4 chu kỳ T (nghĩa T/4) Khi ®ã: Q= N ∑ u (kTS ).i(kTS + T / 4) N k =1 (3.20) Ngoài phương pháp số trên, Analog Device đưa giải pháp phần cøng cho vi m¹ch ADE7753 thùc hiƯn tÝnh Q theo phương pháp sau: Công suất phản kháng tức thời q(t) định nghĩa tích giá trị điện áp dòng điện tức thời hai tín hiƯu dÞch pha mét gãc b»ng 90 P P Giả sử ta có giá trị dòng áp tức thêi: u(t) = U RMS sin(ωt + ϕ) (V) R R (3.21) - 38 i(t) = I RMS sin(ωt ) (A) R (3.22) R => i’(t) = ωI RMS sin(ωt +90 ) R R P (3.23) P Trong đó: u(t), i(t): giá trị điện áp, dòng điện tức thời : góc lệch pha i(t) u(t) Khi công suất phản kháng tức thời ®Þnh nghÜa: q(t) = u(t).i’(t)/ ω = U RMS I RMS sin(ϕ) - U RMS I RMS sin(2ωt + ϕ) R R R R R R R R (3.24) C«ng suất phản kháng trung bình chu kỳ T: T T 1 Q = ∫ q(t )dt = ∫ u (t ).i ' (t )dt = U RMS I RMS sin(ϕ ) T T (3.25) Hay giá trị công suất phản kháng Q n chu kú tÝn hiÖu: Q= nT nT ∫ q(t )dt = nT nT ∫ u(t ).i (t )dt =U ' RMS I RMS sin(ϕ ) (3.26) Trong đó: T chu kỳ tín hiệu, n số nguyên, Q công suất phản kháng Từ công thức (3.24) (3.25), ta nhận xét thấy: Giá trị công suất phản kháng thành phần chiều công suất phản kháng tức thời Trên sở ADE7753 thực việc tính Q theo phương pháp lọc số thông thấp LPF, kênh dịch pha mét gãc 90 (π/2) nhê khèi dÞch pha π/2 Sơ đồ P P tính công suất phản kháng Q mô tả hình 3.4 - 39 Giá trị công suất phản kháng Q chứa ghi LVARENERGY 3.6 - Đo công suất biểu kiến S (công suất toàn phần) Công suất biểu kiến S định nghÜa: S = U RMS I RMS = P + Q (VA) R R R R (3.27) Tuy nhiên vi mạch ADE7753 thực tính S theo công thøc: S = U RMS I RMS R R R (3.28) R Trong đó: U RMS : giá trị hiệu dụng điện áp R R I RMS : giá trị hiệu dụng dòng điện R R Hệ số khuyếch đại công suất toàn phần điều chỉnh nhân ghi VAGAIN Hệ số viết vào ghi VAGAIN[11:0] dạng số bù Khi ®ã ®Çu ra:  VAGAIN  VAGAIN = S.1 +  212   (3.29) VÝ dô: Khi VAGAIN = 0x77F = 2047d Thì Đầu công suất tăng 50% v× 2047/2 12 = 0,5 P P - 40 3.7 - Đo lượng Năng lượng định nghĩa:  E = ∫ pdt = Lim ∑ p(nTS ) xTS  TS →0  n =1  (3.30) Trong đó: E: lượng p công suất n: sè ®iĨm lÊy mÉu T S : chu kú lÊy mÉu, T S = 1,1µs (4/CLKIN) R R R R ADE7753 thực tính tích phân công suất p theo thời gian chứa kết vào ghi lượng 49 bit Trong ghi lượng tiêu thụ (AENERGY[23:0]) 24 bit cao Tuy nhiên công suất tác dụng P sử dụng phương pháp lọc thông thấp đầu LPF2 công suất tác dụng có dạng sau: p(t ) = U RMS I RMS    U RMS I RMS −   fL   +  8,9         x cos( 4πf L t )    (3.31) Trong đó: f L tần số tín hiệu R R Năng lượng tiêu thụ tính theo công thức (3.32):       U RMS I RMS E (t ) = U RMS I RMS t −   x sin( 4πf L t ) f   L   4πf L +  8,9       (3.32) Từ công thức (3.32) nhận thấy giá trị lượng tiêu thụ có thành phần dao động nhỏ thành phần sin(2) Để loại bỏ thành phần điều hoà tần số 2, ADE7753 có chế độ tích luỹ lượng theo chu kỳ tín hiệu Khi thành phần dao ®éng cđa E(t) b»ng kh«ng do: - 41 nT E (t ) = ∫ p(t )dt = U RMS I RMS nT − U RMS I RMS nT cos( 4πf L t )dt ∫ f   1+  L   8,9  = U RMS I RMS nT + = U RMS I RMS nT (3.33) Trong đó: T chù kỳ tín hiệu, n: số nguyên Để tính lượng chế độ này, đặt bit (CYCMODE = 1) ghi MODE ADE tích luỹ lượng chứa kết qu¶ ghi LAENERGY n chu kú tÝn hiệu Số lượng nửa chu kỳ đặt ghi 16 bit LINECYC Khi kết thúc trình tích luỹ cờ CYCEND ghi trạng thái ngắt 3.8 - Các đại lượng cần hiệu chỉnh ADE7753 Để đạt độ xác, vi hệ thống ADE7753 việc tích hợp ADC xác cao, sử dụng điện áp mẫu U ref tự động bù nhiệt độ R R phần mềm, ADE7753 thực hiệu chỉnh hệ số tỷ lệ, pha, giá trị offset đại lượng đo thông qua ghi hiÖu chØnh: APOS, WGAIN, PHCAL, IRMSOS, VRMSOS, VAGAIN, CFNUM, CFDEN, VADIV, WDIV - 42 Nhằm loại bỏ nhiễu đến mức tối thiểu trình xử lý số liệu, đưa kết đảm bảo độ xác yêu cầu Sơ đồ hiệu chỉnh giá trị hiệu dụng, lượng tác dụng, lượng toàn phần hình 3.7: 3.8.1 - Hiệu chỉnh hệ số lượng Wh Hằng số dụng cụ đo xác định thông qua CF Ví dơ: 3200xung/kWh hc 3,2xung/kWh CF = ( xung / Wh) S cos( ) 3600 (3.34) Trong đó: cos() hệ sè c«ng st HiƯu chØnh hƯ sè CF: CF = CF0 x CFNUM +  WGAIN  x 1 +  CFDEN +  212  (3.35) HiÖu chØnh hƯ sè cđa ghi AENERGY/LAENERGY: AENERGY = AENERGY0 x WGAIN   x 1 +  WDIV  212  (3.36) Trong ®ã: CF , AENERGY giá trị chưa hiệu chỉnh R R R R CF, ANERGY giá trị sau hiệu chỉnh Mối quan hệ CF LAENERGY: CF ( Hz ) = LAENERGY CFNUM + WGAIN   x x WDIV x 1 +  t ac CFDEN + 212   (3.37) Víi t ac lµ thêi gian tÝch l (accumulation time), sè nưa chu kỳ cố R R định ghi LINECYC: - 43 t ac = LINECYC x T (3.38) Trong đó: T chu kỳ tín hiệu, xác định theo công thức (3.39): T = PERIOD x CLKIN (3.39) Để chuyển đổi giá trị ghi ANERGY sang Wh, ta nhân với hệ số chuyển đổi theo c«ng thøc (3.40): Wh = AENERGY x (Wh/LSB) (3.40) Trong hệ số chuyển đổi xác định theo (3.41): Wh / LSB = W t acc 3600 LAENERGY (3.41) Khi hiƯu chØnh víi mét ®ång hå mẫu, WGAIN điều chỉnh CF phù hợp với tần số đầu dụng cụ mẫu Giá trị ghi CFDEN tính theo công thức (3.42):  CF  CFDEN =INT   −  CF  (3.42) 3.8.2 - HiÖu chØnh offset c«ng st HiƯu chØnh offset cho phÐp thùc hiƯn dảI rộng (1000:1) Khi đầu vào tín hiệu không, nội dung ghi công suất tác dụng khác không, cần phảI hiệu chỉnh offset Hiệu chỉnh offset thực cách xác định tỷ lệ sai lệch lượng tác dụng, giá trị ghi vào ghi APOS để hiệu chỉnh offset ®­ỵc tÝnh nh­ sau: APOS = − tû lƯ sai lƯch AENERGY x 35 CLKIN (3.43) Trong ®ã: ∆CF = CF0 IMin − CFIMin = (% ERRORCF ( IMin ) ) xPIMin ∆CF = CF0 IMin − CFIMin = (% ERRORCF ( IMin ) ) xPIMin x tû lÖ sai lÖch ANERGY = ∆CF x CFDEN + CFNUM + ( xung / Wh) 3600 (3.44) (3.45) - 44 3.8.3 - HiƯu chØnh pha §Ĩ hiƯu chØnh sai lƯch pha, ADE sư dơng ghi PHCAL nh»m mơc ®Ých lo¹i bá sai sè pha nhá Hai phÐp ®o cần có: R R (LAENERGY) R Tại giá trị dòng điện làm sở, hệ số công suất PF = 1:W Tại giá trị dòng điện làm sở, hƯ sè c«ng st PF = 0,5:W R (LAENERGY) Sai lÖch = W2 - W1 W1 (3.46) Nếu hiệu chỉnh hệ số Wh offset trước sai lƯch CF øng víi PF = lµ b»ng Khi ®ã: Sai lƯch = %ERROR CF,PF =0,5 /100 (3.47)  Sai lÖch  Sai lÖch pha ( ) = − Arc sin    (3.48) R VËy: R HiƯu chØnh pha thùc chÊt lµ trƠ mét thêi gian: t tre = PHCAL / CLKIN HiƯu chØnh pha ( ) = t trƠ 360 x T (3.49) HiÖu chØnh pha( ) = - Sai lÖch pha  Sai lÖch  PERIOD ⇒ PHCAL = Ar sin   x 360 (3.50) 3.8.4 - Hiệu chỉnh giá trị hiệu dụng VRMS, IRMS Việc bù giá trị điện áp hiệu dụng thực sau khâu bậc 2: VRMS = VRMS + VRMSOS R R (3.51) Trong đó: VRMS giá trị RMS chưa hiệu chỉnh offset; VRMS tun tÝnh tõ U R R ®Õn U/20, víi U thang đo cực đại R R - 45 Để hiệu chỉnh offset cho VRMS, ta đo hai giá trị điện áp khác (ví dụ U U/10) Khi giá trị ghi VRMSOS xác định theo công thức: VRMS = U x VRMS − U x VRMS1 U −U1 (3.52) Trong đó: VRMS , VRMS giá trị ghi RMS ch­a hiƯu chØnh t­¬ng R R R R øng víi hai tÝn hiƯu vµo U , U R R R Nhiễu loại bỏ tới mức nhỏ cách đọc đồng với trạng thái zero crossing điện áp đầu vào, lấy trung bình giá trị đọc Nếu VRMSOS tràn, sử dụng thêm ghi CH2OS Việc bù giá trị dòng điện hiệu dụng thực theo công thức sau: IRMS2 = IRMS2 + 32768.IRMSOS P P P PR R (3.53) Trong đó: IRMS giá trị hiệu dơng ch­a bï, IRMS tun tÝnh d¶i tõ I R R R R ®Õn I /100, víi I thang đo cực đại R R Khi nội dung ghi IRMSOS xác định thông qua công thøc: I 12 IRMS 22 − I 22 IRMS12 IRMSOS = x 32768 I 22 − I 12 (3.54) Trong đó: IRMS , IRMS néi dung ghi RMS ch­a bï t­¬ng øng R R R R với đầu vào I , I R R R 3.8.5 - HiÖu chØnh hÖ số đo lượng toàn phần Vah Hiệu chỉnh nội dung ghi theo công thức sau: VAENERGY = VAENERGY0 x VAGAIN   x 1 +  VADIV 212 (3.55) Giá trị Vah xác ®Þnh nh­ sau: Vah = VAENERGY Vah/LSB (3.56) Trong ®ã: VAh / LSB = Víi: S = U rms I rms (VA) R R R R S t ac 3600.LVAENERGY (3.57) - 46 3.8.6 - Hiệu chỉnh lượng phản kháng Để xác định lượng phản kháng, sử dụng chế độ tích luỹ theo chu kỳ tín hiệu Giá trị lượng phản kháng cất ghi LVARENERGY, n nöa chu kú chøa ghi LINECYC Khi lượng phản kháng đọc trực tiếp từ ghi LVARENERGY, chuyển ®ỉi th«ng qua c«ng thøc: VAR = LVARENERGY VAR / LSB PERIOD.2,23.10 −6 3.8.7 - Mét sè l­u ®å thuËt toán hiệu chỉnh (3.58) - 50 Chương - tính toán ghép nối phần cứng 4.1 - Ghép nối ADE7753 với mạch đo cao áp Đầu vào ADE7753 gồm hai kênh, tín hiệu vào từ kênh kênh dạng tín hiệu xoay chiều chiều Giá trị điện áp đầu vào hai kênh cho bảng 2.2 bảng 2.3 Bao gồm thang đo sau: - Điện áp kênh gồm thang đo: từ 7,81mV đến 500mV (bảng 2.2) - Điện áp kênh gồm thang đo: từ 31,3mV đến 500mV (bảng 2.3) Để thay đổi thang đo tương ứng với việc thay đổi hệ số khuyếch đại khối PGA điện áp U ref bên ADE7753 Như việc thay đổi R R thang đo điều chỉnh phần mềm, cách viÕt néi dung vµo ghi hiƯu chØnh GAIN Ngoµi ra, bên ADE7753 chứa ghi, ghi đưa kết quả: dạng sóng u 1~ , u 2~ , U 1rms , U 2rms , U 1= , U 2= , P, R R R R R R R R R R R R Q, S, E a , E r , c«ng suÊt tøc thêi p(t), tÇn sè f, chu kú T, hƯ sè c«ng suÊt cosϕ R R R R ADE7753 cã nhiều thang đo chưa đủ để đo giá trị đại lượng điện có thực tế, sở thang đo, hệ số khuyếch đại bên ta phải mở rộng thang đo cho U, I, P, Q, mạch chuyển đổi, mở rộng thang đo bên Theo bảng 2.2 2.3 ta thấy cấp điện áp cách lần thang đo điện áp dòng điện cách lần Khi bố trí cấp phân áp bên thang đo tăng lên lần, cấp phân áp lên 14 lần đối P P P P với kênh Và kênh cấp phân áp lên lần, cấp P P phân áp lên 10 lần Như để phù hợp với yêu cầu thực tế ta cã P P thĨ øng dơng ADE7753 ®o mét sè đại lượng mở rộng thang đo 4.1.1 - Mạch đo dòng điện vào kênh Đầu vào kênh sử dụng để đo giá trị dòng điện, đầu vào ghép nối trực tiếp với biến dòng (CT), sensơ di/dt, điện trở sun Tuy nhiên, sau sử dụng biến dòng đo lường ta chuyển dòng điện sang dạng điện áp tỷ lệ Đối với kênh tín hiệu điện áp vào lớn 500mV, ứng với - 51 cấp phân dòng bên ta có thang đo điện áp tương ứng với thang đo dòng điện Trở kháng vào kênh nhỏ 390 k Khi dòng ®iƯn vµo: 7,81.10 −3 IV = = 2.10 −8 A = 0,02 ( àA) 390000 Trên sở ta thiết kế thang đo dòng điện sau: - Dải thang đo 1: 3,9à; 7,8à; 15,6à; 31,3à; 62,5à; 125à; 250à - Dải thang đo 2: 500à; 1mA; mA; mA; mA; 16 mA; 32 mA - D¶i thang ®ã 3: 64 mA; 128mA; 256mA; 512mA; 1024mA; 2,048A; 4,096A Nh­ vËy sau sư dơng cÊp ph©n dòng bên kết hợp với hệ số khuyếch đại bên ADE, ta có tổng cộng 21 thang đo dòng điện, thang đo cách lần - 52 Thiết kế mạch đo dòng điện sử dụng điện trở sun bên bố trí hình 4.1: Tính toán giá trị điện trở Sun cho dải đo sau: R4 = 0,5 = 2000 (Ω) 250.10 −6 R5 = 0,5 = 15,6 (Ω) 32.10 −3 R6 = 0,5 = 0,12 (Ω) 4,096 4.1.2 - Mạch đo điện áp vào kênh Điện áp đường dây cao áp 500kV, dùng tụ cao áp cách ly có giá trị pF mắc nối tiếp với biến áp thường Thiết kế điện áp tụ C khoảng 450kV, điện áp cuộn sơ cấp biến áp 500V, sơ cấp có nhiều mức điện áp Để đo điện áp hiệu dụng ta sử dụng kênh Vì tín hiệu vào kênh lớn 500mV để đo giá trị điện áp thực tế (cụ thể mạch điện pha), ta sử dụng mạch biến đổi điện áp bên ngoài, cách sử dụng điện trở phụ phân áp có độ xác cao Với dải thiết kế sau: - Thang ®o (mV): 31,3mV; 62,5mV; 125mV; 250mV; 500mV - 53 - Thang ®o (V) : 1V; 2V; 4V; 8V; 16V - Thang ®o (V): 32V; 64V; 128V; 256V; 512V Nh­ vËy sau sư dơng cấp phân áp bên kết hợp với hệ số khuyếch đại bên ADE, ta có tổng cộng 15 thang đo điện áp với giá trị điện áp đo theo thiết kế từ 31,3mV đến 512V Mạch phân áp thiết kế hình 4.2 Tính toán điện trở phân áp: Dòng điện vào mạch phân áp: Trở kháng đầu vào nhỏ 390k Khi ®ã: UV 31,3.10 −3 = = = 8.10 −8 ( A) 390000 39.10 IV Dòng điện phân áp qua R : víi γ yc = 0,1% R I R1 > γ yc R R1 ⇒ R1 < γ c Rv = 390 (Ω) Rv > Chän: R = 100 Ω, ®ã: R R R I V = 8.10 −5 A Hay γ yc R R = (2 n -1)R R R P P R - 54 => R = (2 - 1).100 = 3100 Ω R R P P R + R = (2 n+n - 1)R = (2 10 - 1).100 = 102,3 kΩ R R R R P P R R P P 4.3 - GhÐp nèi ADE7753 víi PIC18F2320 §Ĩ thùc hiƯn viƯc trao đổi nội dung thông tin (đọc/ghi) ADE7753 PIC18F2320 ta sư dơng giao tiÕp trun tin nèi tiÕp (SPI): - Chân liệu DOUT ADE7753 nối với chân RC4/SDI cổng C PIC18F2320 - Chân liệu vào DIN ADE7753 nối với chân RC5/SDO - Để thực truyền đồng chân SCLKIN ADE7753 nối với chân RC3/SCK - Chân ngắt IRQ ADE7753 nối với chân ngắt RB0/INT cổng B PIC18F2320 4.4 - Ghép nối PIC18F2320 với mạch điều khiển 4.4.1 - PIC18F2320 điều khiển mạch phân áp bên - Chân RA0 cổng A PIC18F2320 dùng điều khiển khoá K1 cho thang đo 0,5V - Chân RA1 dùng điều khiển khoá K2 cho thang đo 16V - Chân RA2 dùng điều khiển khoá K3 cho thang đo 512V - Chân RA3 dùng điều khiển khoá K4 cho thang đo 250àA - Chân RA4 dùng điều khiển khoá K5 cho thang đo 32mA - Chân RA5 dùng ®iỊu khiĨn kho¸ K6 cho thang ®o 4096mA 4.4.2 - PIC18F2320 điều khiển mạch truyền tin Bluetooth Vi điều khiển PIC18F2320 ghÐp nèi víi vi hƯ thèng Bluetooth th«ng qua giao tiÕp theo kiĨu RS232 (dïng vi m¹ch 4N35 cã cách ly) truyền tin máy tính trung tâm - 55 - Ch©n RC7/RX cđa PIC nèi víi ch©n sè cđa 4N35A, ch©n cđa 4N25 nèi víi ch©n TxD card Bluetooth (chân số chân truyền cđa cỉng DB9 - COM, trun tin nèi tiÕp RS232) - Ch©n RC6/TX cđa PIC nèi víi ch©n sè cđa 4N35B, ch©n cđa 4N25 nèi víi ch©n RxD card Bluetooth (chân số chân nhận cỉng DB9-COM, trun tin nèi tiÕp RS232) - Ch©n sè card Bluetooth chân DTR nối với chân 4N35B - Chân số DB9 chân GNDC đất truyền riêng card Bluetooth 4.5 - Mạch nguồn cung cấp Nguồn nuôi tạo từ nguồn cao áp, có hai cách tạo nguồn nuôi: - Tạo từ tụ cao áp (C cỡ pF) mắc nối tiếp với sơ cấp biến áp đo lường thông thường (500VAC / 20VAC) - Tạo từ biến dòng đo lường thông thường, cuộn sơ cấp đường dây cao áp, thứ cấp có nhiều nấc thay đổi số vòng dây tương ứng với thay đổi dòng sơ cấp dây cao áp (do thay đổi tải) 4.6 - Sơ đồ mạch nguyên lý nối dây Sơ đồ mạch nguyên lý hình 4.3, hình 4.4 +12V C? Loc role1 BRIDGE 500V / 20V T? 4007 D? U? J? + D? ~ C? Loc Supply Input + C? 1000u/35V ~ R? +12V IN OUT VCC Q? rl1 C1383 ECB NPN 10k C? 104 LM7805C/TO220 + C? 1000u/16V +12V D? role2 GND 4007 R? C? tu CAO AP co pF +12V role5 role4 trung tinh +12V role3 R? 4 4007 Q? rl3 K? K? K? Thang Thang Thang C1383 ECB NPN 10k 3 2 D? role6 to Analog Input J? 500A / 1A C1383 ECB NPN 10k +12V +12V Q? rl2 J? +12V D? 1 R? R? 4007 Q? R? R? Rsun Rsun rl4 Rsun C1383 ECB NPN 500V / 500V T? +12V J? D? role5 4007 2 2 10k U~ Input K? Q? R? rl5 R? C1383 ECB NPN 10k Rphu +12V +12V Thang 1 C? tu CAO AP co pF role1 K? Rphu trung tinh Thang CH6 CH5 CH4 CH3 CH2 CH1 rl6 rl5 rl4 rl3 rl2 rl1 role2 C1383 ECB NPN 10k J? +12V GND Thang Title Supply Output role3 Q? Rphu R? rl6 f rom Control Role R? K? +12V role6 4007 1 2 +12V D? J? R? day cao ap pha A role4 I~ Input Size A4 Date: Supply and Input Document Number Wednesday , Nov ember 15, 2006 Sheet Rev 01 of PW1 U? C? 100n R? TxD R? 470k VIN R? 470k R? 4,7k C? 2200uF/16V BRIDGE + C? 100n C? 2200uF/35V VOUT R? 330 PW2 4N35 DTR RxD R? 4,7k Tx U? VCC PW3 GNDC + VCC - + Sy pply 4N35 Rx 330 GND 7805 GND J? U? VCC +5V D? GNDC GND J? J? R? 1k Ip In Up Un VCC C? 33n INPUT R? CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 RC0 RB1 SAG ZX CFp CFn C? 10u VDD + RESETA C? 100n C? 10u C? 100n + 1k 10 11 12 U? RESETA VCC C? 33n R? 1k GND Ref C? 33n 220VAC R? 1k + C? 10u C? 100n 10 RESET DIN DVDD DOUT AVDD SCLK V1P CS V1N CLKOUT V2P CLKIN V2N IRQ AGND SAG REF ZX DGND CF Din Dout CLKD CSA 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 DB9 - Bluetooth Y? 3.58M R? VCC D? LED_Power GND R? 1k C? 22p C? 22p Y? 4M RC0 RESETA CSA CLKD MCLR/VPP/THV RB7/PGD RA0/AN0 RB6/PGC RA1/AN1 RB5 RA2/AN2/VREFRB4 RA3/AN3/VREF+ RB3/PGM RA4/T0CKI RB2 RA5/SS/AN4 RB1 GND1 RB0/INT OSC1/CLKIN VDD OSC2/CLKOUT GND2 RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK RC2/CCP1 RC5/SDO RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA C? 22p CFp J? GND VCC GND RB3 GND RB2 RB7 RB6 RB5 RB4 D? RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 INT VCC GND Rx Tx Din Dout CFn PS2501-1 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 22p 1k U? 10 11 12 13 14 C? U? Res CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 GND CON12 INT SAG ZX ADE7753 C? 33n J? RxD TxD DTR GNDC VCC R? 47k J? Res RB7 RB6 VCC GND 10 LCD PIC_Load Title PIC_ADE Size A Document Number PIC16F876/Pic18F2320 Date: Wednesday , Nov ember 15, 2006 Rev Sheet of - 58 Ch­¬ng - tổ chức chương trình phần mềm 5.1 - Nhiệm vụ chung 5.1.1 - Xác định mhiệm vụ chung Hệ thiết bị vạn cao áp có nguồn điện cung cấp làm việc theo chế độ phụ thuộc vào điều khiển máy tính trung tâm gửi mà lệnh yêu cầu lên Bao gồm chế độ sau (5 mode): - Mode1: Thu thập theo chu kỳ, tự động hoàn toàn: 10 phút MCU lấy tât số liệu lần từ ADE7753 sau lưu trữ, tổ chức tin, truyền tin qua đường truyền RS232 qua Bluetooth máy tính trung tâm Các số liệu U RMS , I RMS , P, Q, S, E a , E r , f, cosϕ R R R R R R R R - Mode2: Tù ®éng lÊy mét số số liệu xác định (như mode sè liƯu h¬n) - Mode3: LÊy sè liƯu theo lƯnh gọi từ trung tâm (khi có lệnh yêu cầu từ trung tâm gửi lên lấy số liệu gửi xuống) - Mode4: Lấy giá trị tức thời: u, i, p (lÊy sè liƯu tøc thêi vµ gưi tù ®éng xng trung t©m) - Mode5: Tỉ chøc tù ®éng báo động, báo hiệu, bảo vệ chương trình MCU, m¸y tÝnh cã sù cè nh­ qu¸ ¸p, thÊp áp, - 59 5.1.2 - Tổ chức chương trình biểu Máy tính trung tâm gửi lệnh qua bluetooth tới MCU để yêu cầu hệ thiết bị vạn hoạt động chế độ tương ứng Máy tính gửi mà lệnh tương ứng qua cổng cổng USB (thiÕt lËp nh­ cỉng COM ¶o cđa RS232), qua bluetooth máy tính lên bluetooth cao áp, qua cổng RS232 vào MCU Khi MCU nhận mà lệnh, so sánh mà lệnh với chế độ hoạt động tương ứng gửi thông báo ngược lại máy tính theo đường truyền MCU tạo chu kỳ ngắt Timer 1, giây lấy toàn số liệu cần đo từ ADE qua giao tiếp SPI, sau hiệu chỉnh, tính giá trị trung bình lưu trữ số liệu vào nhớ nhớ Khi có yêu cầu trao đổi thông tin máy tính hệ đo, có ngắt truyền tin tạo (máy tính-USB-Bluetooth-Bluetooth-RS232-MCU) MCU sÏ kiĨm tra m· lƯnh: - NÕu m· lªnh M1 MCU hoạt động mode 1: Sau 10 phút MCU lấy tất giá trị số liệu đà lưu gửi máy tính trung tâm qua đường truyền Bluetooth - Nếu mà lênh M2 MCU hoạt động ¬ mode 2: Còng nh­ mode nh­ng Ýt sè liệu - Nếu mà lênh M3 MCU hoạt động mode 3: lấy số liệu có lệnh gọi tương ứng từ trung tâm - Nếu mà lênh M4 MCU hoạt động mode 4: lấy mẫu gửi giá trị tức thời trung tâm - Nếu mà lênh M5 MCU hoạt động mode 5: Kiểm tra giá trị thấp áp, áp, tổ chức báo động, báo hiệu, bảovệ Các chế độ giữ mÃi ®óng ho¹t ®éng cho tíi cã lƯnh thay ®ỉi chế độ hoạt động khác - 60 5.2 - Nhiệm vụ phối hợp vi điều khiẻn PIC18F2320 Chương trình phần mềm viết theo kiểu kết cấu chương trình Sau thực xong INIT, vi xử lý chờ ngắt xuất Trong chương trình Init bao gồm subroutine sau: - Khởi tạo chế độ cho vi xử lý - Khởi tạo chế độ cho ADE7753 - Reset bit nhớ bit cờ - Khởi tạo chế độ hoạt động mặc định Các đại lượng đo thay đổi theo thời gian, nên cần phải liên tục cập nhật số liệu đo cách tạo chu kỳ để cập nhật hay gọi chu kỳ lấy mÉu Nh­ vËy dïng Timer (T1) cđa PIC lµm viƯc ë chÕ ®é 16 bit auto reload víi chu kỳ reload 10ms Đếm số lần ngắt 10ms 100 lần, tức giây cập nhật số liệu đo lần - 62 - Chế độ khởi tạo ADE xác định: Cho phép tính giá trị hiệu dụng I RMS , U RMS , P, E, giá trị công suất P đọc qua ghi WAVEFORM, R R R R tèc ®é cËp nhật ghi tức thời: 27,9kSPS (CLKIN/128) Đặt thời gian tÝch lòy ghi LINECYC = 2000 (2000 nửa chu kỳ tín hiệu) Cho phép ngắt qua điểm không, ngắt kết thúc thời gian tích luỹ, ngắt sẵn sàng cho đọc P 5.2.1 - Đo dòng điện hiƯu dơng I rms , I = R R R Mạch đo dòng điện hiệu dụng thiết kế gồm 21 thang đo tương ứng với dải thang đo lựa chọn nhờ công tắc chuyển mạch bên ADE7753 kết hợp với khối PGA1 (thanh ghi GAIN ADE7753): - Dải thang đo thứ 1: có thang đo đo lớn 250à - 63 - Dải thang ®o thø 2: thang ®o lín nhÊt 32mA - D¶i thang đo thứ 3: thang đo lớn 4096mA Bảng 5.1 - Hệ số khuyếch đại nội dung ghi GAIN 0B ST 1B Thang ®o HƯ T số Nội dung Đầu 2B vào Vị GAIN1 ghi ADCmax 3,9µΑ 16 xxx10100 0,125V 7,8µΑ 16 xxx01100 0,25V 15,6µΑ 16 xxx00100 31,3µΑ xxx00011 62,5µΑ xxx00010 125µΑ xxx00001 250µΑ xxx00000 500µΑ 16 xxx10100 0,125V 1mA 16 xxx01100 0,25V 10 mA 16 xxx00100 11 mA xxx00011 12 mA xxx00010 13 16 mA xxx00001 14 32 mA xxx00000 15 64 mA 16 xxx10100 0,125V 16 128 mA 16 xxx01100 0,25V 17 256 mA 16 xxx00100 18 512 mA xxx00011 19 1024 mA xxx00010 20 2048 mA xxx00001 21 4096 mA xxx00000 khoá K K 0,5V đóng cho R5 K 0,5V ®ãng cho R4 K 0,5V trÝ ®ãng cho R6 - 64 ã Tính hệ số chuyển đổi giá trị dòng điện hiệu dụng: Phương án thiết kế sau: Dải thang đo hiển thị giá trị tương ứng với đơn vị à, dải thang đo 2, hiển thị giá trị tương ứng đơn vị mA Các hệ số để tính kết xác định sau: Dòng điện I RMS (mA) R R §Çu PGA Néi dung ghi IRMS > 0V > 000000H 4096 > 0,5V > 1C82B3H X > U > Nx R VËy ta cã: 4096 1C 82 B3H 1868467 = = X Nx Nx ⇔X= 4096 N x = k 4096 N x 1868467 Trong ®ã: hƯ sè chun ®ỉi k 4096 = 4096/1868467 = 2,19.10 -3 (mA/LSB) R R P I RMS = k i N x R R I RMS = R R R P (5.1) R Nx k i' (5.2) Trong ®ã: k i (A/LSB), k i' (LSB/A): hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo i R R Bảng 5.2 - Các hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo dòng điện I RMS R Hệ số k i' (LSB/mA) Địa 479094 74F76H 1100H 4,18 .10 -6 (à/LSB) 239547 3A7BBH 1104H 15,6µΑ 8,36.10 -6 (µΑ/LSB) 119773 1D3DDH 1108H 31,3µΑ 1,67.10 -5 (µΑ/LSB) 59695 E92FH 110CH 62,5µΑ 3,34.10 -5 (µΑ/LSB) 29895 74C7H 1110H 125µΑ 6,69.10 -5 (µΑ/LSB) 14947 3A63H 1114H Stt Thang ®o HƯ sè k i 3,9µΑ 2,09.10 -6 (µΑ/LSB) 7,8µΑ R P P P P P P P P P P P P - 65 250µΑ 1,34.10 -4 (µΑ/LSB) 7474 1D31H 1118H 500µΑ 2,67 10 -7 (mA/LSB) 3736934 390566H 111CH 1mA 5,35 10 -7 (mA/LSB) 1868467 1C82B3H 1120H 10 mA 1,07 10 -6 (mA/LSB) 934223 E4159H 1124H 11 mA 2,14.10 -6 (mA/LSB) 467116 720ACH 1128H 12 mA 4,28.10 -6 (mA/LSB) 233558 39056H 12CH 13 16 mA 8,56.10 -6 (mA/LSB) 116779 1C82BH 1130H 14 32 mA 1,71.10 -5 (mA/LSB) 37369 91F9H 1134H 15 64 mA 3,43.10 -5 (mA/LSB) 29194 720AH 1138H 16 128 mA 6,85.10 -5 (mA/LSB) 14596 3904H 113CH 17 256 mA 1,37.10 -4 (mA/LSB) 7298 1C82H 1140H 18 512 mA 2,74.10 -4 (mA/LSB) 3648 E40H 1144H 19 1024 mA 5,48.10 -4 (mA/LSB) 1824 720H 1148H 20 2048 mA 1,10.10 -3 (mA/LSB) 912 390H 114CH 21 4096 mA 2,19.10 -3 (mA/LSB) 456 1C8H 1140H P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P VËy ®o dòng điện hiệu dụng cần đo cách đọc giá trÞ N x R R ghi IMRS, sau tính theo công thức (5.1) (5.2) ã Lưu đồ thuật toán đo dòng điện: Đọc thông số ®o: Sư dơng vi ®iỊu khiĨn ®äc c¸c ghi bên ADE7753 thông qua giao diện cổng nối tiếp SPI, lệnh đọc, ghi liệu hiệu chỉnh MCU gửi xuống ADE7753 qua chân DIN Các đại lượng đo, đọc từ ghi ADE7753 lưu giữ - 66 - 5.2.2 - Đo điện ¸p hiƯu dơng U rms , U = R R R Mạch đo điện áp hiệu dụng thiết kế gồm 15 thang đo tương ứng với dải thang ®o ®­ỵc lùa chän nhê ®ãng më tù ®éng nhê vi ®iỊu khiĨn ghÐp nèi víi vi hƯ thèng viÕt nội dung hệ số khuyếch đại vào thành ghi GAIN đóng mở khoá K mạch phân áp bên - Dải thang đo mV: có thang đo đo lớn 500mV - Dải thang đo V thứ nhất: thang đo lớn 16V - Dải thang đo V thø hai : thang ®o lín nhÊt 512V - 67 - Bảng 5.3 - Hệ số khuyếch đại nội dung cđa ghi GAIN STT 3B Thang ®o HƯ số GAIN2 Nội dung ghi Vị trí khoá K 4B 31,3 mV 16 100xxxxx 62,5 mV 011xxxxx 125 mV 010xxxxx 250 mV 001xxxxx 500 mV 000xxxxx 1V 16 100xxxxx 2V 011xxxxx 4V 010xxxxx 8V 001xxxxx 10 16 V 000xxxxx 11 32 V 16 100xxxxx 12 64 V 011xxxxx 13 128 V 010xxxxx 14 256 V 001xxxxx 15 512 V 000xxxxx K ®ãng cho R1 K ®ãng cho R2 K đóng cho R3 ã Tính hệ số chuyển đổi giá trị điện áp hiệu dụng: Phương án hiển thị thiết kế sau: Thang đo mV hiển thị giá trị tương ứng với đơn vị mV, thang đo V hiển thị giá trị tương ứng đơn vị V Điện áp U RMS (V) R R Đầu PGA Néi dung ghi VRMS > 0V > 000000H 512 > 0,5V > 17D338H X > VËy ta cã: U > Nx R - 68 512 17 D338 H 1561400 = = X Nx Nx ⇔X= 512 N x = k 512 N x 1561400 Trong ®ã: hƯ sè chun ®ỉi k 512 = 512/1561400 = 3,2791.10 -4 (V/LSB) R R P U RMS = k u N x R R U RMS = R R R P (5.3) R Nx k u' (5.4) Trong ®ã: k u (V/LSB), k u' (LSB/V) hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo u R R Bảng 5.4 - Các hệ số chuyển đổi tương ứng với thang ®o ®iƯn ¸p U RMS R STT Thang ®o HƯ sè k u (V/LSB) R R HÖ sè k u' (LSB/V) Địa 31,3mV 2,0014.10 -4 (mV/LSB) 49960 C328H 1000H 62,5 mV 4,0028.10 -4 (mV/LSB) 24980 6194H 1004H 125 mV 8,0056.10 -5 (mV/LSB) 12490 30CAH 1008H 250 mV 1,6011.10 -4 (mV/LSB) 6245 1865H 100CH 500 mV 3,2022.10 -4 (mV/LSB) 3122 C32H 1010H 1V 6,4045.10 -7 (V/LSB) 1561400 17D338H 1014H 2V 1,2809 10 -6 (V/LSB) 780700 BE99CH 1018H 4V 2,5618 10 -6 (V/LSB) 390350 5F4CEH 101CH 8V 5,1236 10 -6 (V/LSB) 195175 2FA67H 1020H 10 16V 1,0247 10 -5 (V/LSB) 97587 17D33H 1024H 11 32V 2,0494.10 -5 (V/LSB) 48794 BE99H 1028H 12 64V 4,0989 10 -5 (V/LSB) 24396 5F4CH 102CH 13 128V 8,1978 10 -5 (V/LSB) 12198 2FA6H 1030H 14 256V 1,6395 10 -4 (V/LSB) 6099 17D3H 1034H 15 512V 3,2791 10 -4 (V/LSB) 3049 BE9H 1038H P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P - 69 VËy ®o ®iƯn áp hiệu dụng cần đo cách đọc giá trị N x tõ ghi R R VRMS, sau ®ã tính theo công thức (5.3) (5.4) ã Lưu đồ thuật toán đo điện áp: ã Lưu đồ thuật toán lựa chọn thang đo U, I: Chọn vị trí khoá ban đầu thang đo lớn Nếu X x < X m /2 t­¬ng øng R R R R víi N X < N m /2 chun sang thang đo Trên sở phân tích ta có R R R R lưu đồ thuật toán tù ®éng lùa chän thang ®o: - 73 5.2.3 - Đo công suất tác dụng P Giá trị thang đo công suất P cực đại xác định theo công thøc sau: P = U RMS I RMS R R R Để thuận tiện tính toán, xử lý số liệu phù hợp với giá trị thực tế, ta chọn dải thang đo dòng điện điện áp dải 2, Khi thang đo công suất lớn tương ứng với giá trị dòng điện, điện áp hiệu dụng đo (cụ thể giá trị công suất tính theo bảng 5.5): - Thang ®o mW: 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 32; 64; 128; 256; 512;1024 - Thang ®o W: 2,05 ; 4,1; 8,2; 16,4; 32,8; 65,5; 131; 262; 524; 1048; 2096 • Tính hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo công suất tác dụng: Giá trị công suất tác dụng trung bình chứa ghi 24 bit WAVEFORM, địa 0x01 Giá trị ghi lớn phụ thuộc vào việc đặt nội dung WGAIN Khi WGAIN = 0x7FFH công suất tác dụng có giá trị lớn 133333H (1258291) Như kênh kênh đầy thang ta có nội dung ghi công suất tác dụng 133333H Công suất tác dụng hiển thị có đơn vị [W] Các hệ số để tính kết xác định theo bảng 5.7: Bảng 5.5 - Các hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo công suất P STT Thang đo HÖ sè k P (W/LSB) HÖ sè k P' (LSB/W) §Þa chØ 0,5mW 3,97.10 -10 95FFFE70H 1200H mW 7,95.10 -10 4AFFFF38H 1204H mW 1,59.10 -9 257FFF9CH 1208H 4 mW 3,18.10 -9 12BFFFCEH 120CH mW 6,36 .10 -9 95FFFE7H 1210H 16 mW 1,27.10 -8 4AFFFF3H 1214H 32 mW 2,54.10 -8 257FFF9H 1218H 64 mW 5,09.10 -8 12BFFFCH 121CH R R P P P P P P P P - 74 128 mW 1,02.10 -7 95FFFEH 1220H 10 256 mW 2,04.10 -7 4AFFFFH 1224H 11 512 mW 4,07.10 -7 257FFFH 1228H 12 1024mW 8,13.10 -7 12BFFFH 122CH 13 2,05W 1,63.10 -6 95FFFH 1220H 14 4,1W 3,25.10 -6 4AFFFH 1224H 15 8,2W 6,51.10 -6 257FFH 1228H 16 16,4W 1,301.10 -5 12BFFH 122CH 17 32,8W 2,603.10 -5 95FFH 1230H 18 65,5W 5,205.10 -5 4AFFH 1234H 19 131W 1,0411.10 -4 257FH 1238H 20 262W 2,0822.10 -4 12BFH 123CH 21 524W 4,1644.10 -4 95FH 1240H 22 1048W 8,3288.10 -4 4AFH 1244H 23 2096W 1,6657.10 -3 257H 1248H P P P P P P P P P P P P P P P VËy ®o công suất cần đo hiển thị cách đọc giá trị N x R R ghi WAVEFORM, sau tính theo công thức (5.5) (5.6): P = k p N x R P= Nx k 'p R R R (5.5) (5.6) Trong ®ã: k p (W/LSB), k 'p (LSB/W): hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo p R R - 75 ã Lưu đồ thuật toán đo công suất: 5.2.4 - Tính số lượng Wh Để chuyển đổi giá trị ghi ANERGY sang Wh, ta nhân với hệ số chuyển đổi theo c«ng thøc (3.40): Wh = AENERGY x (Wh/LSB) Trong hệ số chuyển đổi xác định theo (3.41) Wh / LSB = P t acc 3600 LAENERGY Như giá trị lượng đưa chân CF ADE7753, thông qua biến đổi lượng - tần số dùng vi điều khiển ®äc néi dung c¸c ghi sau: LAENERGY, AENERGY, RAENERGY nhân với hệ số chuyển đổi theo (3.40) - 76 ã Xác định hệ số: Các hệ số hiệu chỉnh cách so sánh với tần số CF thiết kế Thiết kế đầu CF 3200 xung/kWh hay 3,2xung/Wh Tần số lưới điện f = 50Hz, nội dung ghi PERIOD = 8960 Đặt nội dung ghi LINECYC = 2000 Khi ®ã: thêi gian tÝch luỹ với số chu kỳ đặt trước tính theo (3.38) t acc = LINECYC.T = 20 ( s ) Néi dung cđa ghi LAENERGY: 28363 víi LINECYC = 2000 Đối với thang đo: I R RMS R = 4,096A, U RMS = 512V R R Theo c«ng thức (3.41) xác định hệ số chuyển đổi: Wh / LSB = U I t acc 4,096.512.20 = = 4,11.10 − Wh / LSB 3600 LAENERGY 3600.28363 Tính tương tự ta có hệ số lượng tác dụng tương ứng với thang đo công suất: Bảng 5.6 - Các hệ số chuyển đổi tương ứng với thang đo công suất P STT Thang đo HÖ sè k E (Wh/LSB) 0,5mW 9,79.10 -11 mW 1,96.10 -10 mW 3,92.10 -10 4 mW 7,84.10 -10 mW 1,57.10 -9 16 mW 3,14.10 -9 32 mW 6,28.10 -9 64 mW 1,25.10 -8 128 mW 2,50.10 -8 10 256 mW 5,0.10 -8 R R P P P P P P P P P P - 77 11 512 mW 1,0.10 -7 12 1024mW 2,0.10 -7 13 2,05W 4,0.10 -7 14 4,1W 8,0.10 -7 15 8,2W 1,6.10 -6 16 16,4W 3,2.10 -6 17 32,8W 6,8.10 -6 18 65,5W 1,24.10 -5 19 131W 2,57.10 -5 20 262W 5,13.10 -5 21 524W 1,03.10 -4 22 1048W 2,05.10 -4 23 2096W 4,11.10 -4 P P P P P P P P P P P P P Vậy lượng cần đo hiển thị cách đọc giá trị N x R R ghi ANERGY RANERGY, LAENERGY, sau tính theo công thức (5.7): E = kE.Nx (5.7) ã Xác định tính chất tải tiêu thụ: Thanh ghi LVARENERGY (0X08) ghi công suất phản kháng có dấu, ta xác định tải mang tính điện dung hay điện cảm Khi công suất phản kháng mang giá trị âm tải có tính chất điện dung, công suất phản kháng mang giá trị dương tải có tính chất điện cảm - 78 ã Lưu đồ thuật toán đo lượng: 5.2.5 - Đo hệ số công suất Hệ số c«ng suÊt: cos ϕ = P U rms I rms cos = P S (5.8) Trong đó: U RMS ,I RMS giá trị hiệu dụng điện áp dòng điện R R R R P công suất tác dụng, S công suất toàn phần Như với việc sử dụng vi điều khiển đọc xử lý giá trị ghi ADE7753 ta xác định hệ số công suất cos Dựa vào hệ số công suất, tính chất tải từ ta kết nối với hệ thống bù hệ số công suất, nâng cao chất lượng điện Bảng 5.7: Thang đo công st P lín nhÊt øng víi thang ®o I rms vµ U rms PP I rms U rms V V V V 16 V 32 V 64 V 128 V 256 V 512 V R R 0,5mΑ 1mA 2mΑ 4mΑ mΑ 16 mΑ 32 mΑ 64 mΑ 0,5 mW mW mW mW mW 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW mW mW mW mW 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW mW mW mW 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W mW mW 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W mW 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 16 mW 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 32 mW 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 64 mW 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W R R R 128 256 512 1024 2048 4096 mΑ mΑ mΑ mΑ mΑ mΑ 128 mW 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 256 mW 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 131 W 512 mW 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 131 W 262 W 1,024 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 131 W 262 W 524 W 2,05 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 131 W 262 W 524 W 1048 W 4,09 W 8,2 W 16,4 W 32,8 W 65,5 W 131 W 262 W 524 W 1048 W 2096 W - 79 • Lưu đồ thuật toán đo hệ số công suất: 5.2.6 - Đo tần số (f) chu kỳ (T) Chu kỳ tín hiệu xác định thông qua ghi PERIOD (địa 0x27) ADE7753 Khi chu kỳ tính: T = PERIOD Như tần số lưới điện tương ứng: f= CLKIN T Trong ®ã: CLKIN = 3,5796MHz Thanh ghi PERIOD lµ mét ghi không dấu 16 bit, nhiên bit MSB 0, tần số nhỏ đo với CLKIN 13,9Hz MCU đọc nội dung ghi PERIOD, xử lý kết hiển thị tần số, chu kỳ tín hiệu đo - 80 ã Lưu đồ tổng quát đo chu kỳ, tần số: - 81 5.2.7 - Ngắt truyền tin ADE Bluetooth - 82 5.3 - Phần mềm máy tính giao tiếp với Bluetooth qua cổng USB Để máy tính trung tâm giao tiếp với hệ đo vạn cần phải xây dựng cài đặt số phần mềm sau: - Máy tính có cài đặt Windows XP - Cài đặt Driver để nhận thiết bị ngoại vi Bluetooth cổng USB (BlueSoleil Software) - Cài đặt phần mềm Visual basic 6.0 windows - Dùng phần mềm VB6.0 để xây dựng quản lý thông tin liệu thông số cao áp: máy tính gửi mà lệnh lên nhận cac số liệu vỊ - 84 Ch­¬ng - thùc nghiƯm 6.1 - Xác định mục đích nội dung thực nghiệm 6.1.1 - Mục đích thực nghiệm Xây dựng đưa bảng mạch thực nghiệm để đo thông số cao áp điều khiển từ máy tính trung tâm, để chứng minh cho tính đắn giải pháp mà luận văn nghiên cứu Trên sở lý luận khoa học định hướng phát triển tiếp đề tài luận văn tương lai 6.1.2 - Néi dung thùc nghiƯm - X©y dùng bảng mạch dùng vi điều khiển PIC28F2320 để lấy số liệu dòng diện hiệu dụng từ đường dây cao áp (500kV, 500A) thông qua vi hệ thống ADE7753 kênh đo thang đo cố định - Máy tính trung tâm kết nối với vi điều khiển thông qua đường truyền không dây dùng vi hệ thống Bluetooth, máy tính điều khiển gửi lệnh đo thay đổi thang đo lên MCU quản lý phần mềm VB6.0 Windows XP - MCU gửi số liệu dòng điện xuống hiển thị máy tính trung tâm 6.2 - Tổ chức phần cứng Đầu vào kênh sử dụng để đo giá trị dòng điện, ghép nối biến dòng (CT), điện trở sun ADE7753 cung cấp nguồn dao động từ thạch anh có tần số dao ®éng 3,58 MHz PIC18F2320 ®­ỵc cung cÊp ngn dao ®éng từ thạch anh có tần số dao động MHz - 85 Thiết kế mạch đo dòng điện sử dụng điện trở sun bên bố trí hình 6.1: ã Ghép nối ADE7753 với PIC18F2320 Để thực việc trao đổi nội dung thông tin (đọc/ghi) ADE7753 vµ PIC18F2320 ta sư dơng giao tiÕp trun tin nối tiếp (SPI): - Chân liệu DOUT ADE7753 nèi víi ch©n RC4/SDI ë cỉng C cđa PIC18F2320 - Chân liệu vào DIN ADE7753 nối với chân RC5/SDO - Để thực truyền đồng chân SCLKIN ADE7753 nối với chân RC3/SCK - Chân ngắt IRQ ADE7753 nối với chân ngắt RB0/INT cổng B PIC18F2320 ã PIC18F2320 điều khiển mạch truyền tin Bluetooth Vi ®iỊu khiĨn PIC18F2320 ghÐp nèi víi vi hƯ thèng Bluetooth th«ng qua giao tiÕp theo kiĨu RS232 (dùng vi mạch 4N35 có cách ly) truyền tin máy tính trung tâm - 86 - Chân RC7/RX PIC nèi víi ch©n sè cđa 4N35A, ch©n cđa 4N25 nèi víi ch©n TxD cđa card Bluetooth (ch©n số chân truyền cổng DB9 - COM, trun tin nèi tiÕp RS232) - Ch©n RC6/TX cđa PIC nèi víi ch©n sè cđa 4N35B, ch©n cđa 4N25 nèi víi ch©n RxD cđa card Bluetooth (ch©n sè chân nhận cổng DB9-COM, truyền tin nối tiếp RS232) - Chân số card Bluetooth ch©n DTR nèi víi ch©n cđa 4N35B - Ch©n số DB9 chân GNDC đất truyền riêng card Bluetooth ã Mạch nguồn cung cấp Nguồn nuôi tạo từ nguồn cao áp Tạo từ biến áp thông thường (500VAC / 20VAC) có cuộn sơ cấp mắc nối tiếp với tụ cao áp cách ly (C cì chơc pF) 6.3 - Tỉ chøc phÇn mỊm Hệ thiết bị vạn cao áp làm việc theo chế độ chế độ lấy sè liƯu theo lƯnh gäi tõ trung t©m (mode 3) Máy tính trung tâm gửi lênh qua bluetooth tới MCU để yêu cầu MCU lấy số liệu giá trị dòng điện hiệu dụng cần đo từ ADE qua giao tiếp SPI, sau hiệu chỉnh, lưu trữ số liệu vào nhớ MCU gửi máy tính trung tâm - Nếu mà lênh từ trung tâm gửi lên I MCU hoạt động lấy số liệu dòng điện hiệu dụng giá trị hệ số khuếch đại GAIN gửi trung tâm - Nếu mà lênh từ trung tâm gửi lên T MCU hoạt động tăng gấp đôi hệ số khuếch đại GAIN - Nếu mà lênh từ trung tâm gửi lên G MCU hoạt động giảm nửa hệ số khuếch đại GAIN - 91 6.4 - Kết Kết đà xây dựng bảng mạch thử nghiệm hoạt động nhiệm vụ yêu cầu đặt 6.5 - Kết luận Trên sở xây dựng thực nghiệm, ta hoàn toàn xây dựng hệ thiết bị đo vạn hoàn chỉnh để đo thông số cao áp phương pháp không tiếp xúc, không dùng biến dòng biến điện áp cap áp - 92 Chương - kết luận chung hướng phát triển 7.1 - Kết luận chung Bản luận văn đà sâu tìm hiểu phân tích vi hệ thống ADE7753, khả ứng dụng mạnh vi hệ thống việc chế tạo thiết bị đo đại lượng điện Sau phân tích tìm hiểu nghiên cứu ADE7753, luận văn trình bày số ứng dụng đo đại lượng điện, xây dựng số thang đo dòng, áp, công suất Trên sở phân tích tính toán lý thuyết, thiết kế nguyên lý mạch đo, đưa lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh, đo, hiển thị, truyền tin lưu giữ Tuy nhiên thời gian bị hạn chế nên phần xây dựng thiết bị đo hoàn chỉnh thực nghiệm chưa thực cho tất đại lượng, mà đo dòng điện thang đo định 7.2 - Phương hướng phát triển Hy väng r»ng víi viƯc nghiªn cøu vi hƯ thèng ADE7753, qua việc thực luận văn giúp đỡ nhiều việc triển khai lắp đặt, chế tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm hoàn chỉnh để phục vụ cho công tác đo lường, giám sát, thử nghiệm trường Đó xây dựng hệ đo vạn đo nhiều thang đo, nhiều số liệu cao áp không dùng biến dòng biến điện áp cao áp tài liệu tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Trọng Quế (1996), Phương pháp đo đại lượng điện không điện, Giáo trình Trường ĐHBKHN, Hà Nội Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thị Vấn (1997), Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, tập tập 2, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Ngô Diên Tập (1999), Vi xử lý đo lường điều khiển, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Văn Thế Minh (1997), Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Tống Văn On, Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất Lao động - Xà hội, Hà Nội Nguyễn Thị Cúc (1997), Nghiên cứu khả ứng dụng microcontroller MC 68HC-11 để đo đại lượng điện, Luận văn thạc sĩ khoa học Đo lường Điều khiển, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hµ Néi English Analog Devices (2004), Single-phase Multifunction Metering IC with di/dt Sensor Interface, U.S.A Analog Devices (2004), Evaluation Board Documentation ADE7753 Energy Meterting IC, U.S.A Etienne Moulin (2002), Measuring reactive power in energy meters, Metering International Magazine, issue 1-2002 10 INTEL Coperation (1994), MCS 51 Microcontroller Familly User’s Manual, 1-800-879-4683  ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỦY VĂN NGHIÊN CỨU HỆ ĐO VẠN NĂNG CAO ÁP KHƠNG BIẾN DỊNG VÀ BIẾN ĐIỆN ÁP CAO ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU... điện thành đại lượng điện, từ thực phép đo đại lượng điện Và đo đại lượng điện cao áp, trung áp hay hạ áp - 1.2 - Sơ đồ hệ đo lường lộ cao áp - Đối với hệ đo cao áp này, đo đại lượng sau: U A... i(kT S ) giá trị dòng điện thời điểm kT S R R R Tuy nhiên để đo dòng điện thường biến dạng điện áp tỷ lệ Ví dụ dựa đo điện áp rơi điện trở chuẩn (điện trở sun) dùng biến dòng đo lường sau dùng