Nghiên cứu, thiết kế công tơ mẫu sử dụng ade 7751 của hãng analog devices

Lê thị mai Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội -    - ®o l­êng & hệ thống điều khiển Luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu, thiết kế công tơ mẫu sử dụng ade 7751 cđa h·ng analog devices 2007 - 2009 Lª thị mai Hà nội 2009 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học NGHIÊN CứU, THIếT Kế CÔNG TƠ MÉU Sư DơNG Ade 7751 cđa h·ng analog devices Ngµnh : Đo lường hệ thống điều khiển MÃ số : Lê thị mai Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Lan Hương Hà Nội - 2009 Lun thạc sỹ khoa học -1- LỜI NÓI ĐẦU Điện phần thiếu sản xuất công nghiệp đời sống xã hội Những năm gần đây, với phát triển khoa học kỹ thuật phát triển lớn mạnh kinh tế đất nước, ngành Điện không ngừng phát triển, song chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện xã hội Một vấn đề đặt cho nhà quản lý điện là: Làm mà nâng cao độ xác phép đo điện năng, đại lượng có ý nghĩa to lớn kinh tế quốc dân, liên quan đến việc tiêu thụ điện năng, đến việc tổn thất điện Trong đối tượng sử dụng điện điện sử dụng sinh hoạt chiếm tỉ lệ tương đối cao, việc quản lý điện thông qua công tơ điện Một công tơ muốn đo xác cơng suất điện tiêu thụ thơng số cơng tơ địi hỏi phải có độ xác đáng tin cậy Một cơng tơ sản xuất tuân thao tiêu chuẩn nhà nước tiêu chuẩn nhà sản xuất hàng năm cần phải kiểm định lại để đảm bảo cho thông số ban đầu công tơ nhằm quản lý điện cho hiệu Thiết bị kiểm định công tơ sử dụng Chi cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng, đơn vị uỷ quyền nhà nước kiểm định công tơ điện Hầu hết thiết bị q cũ, lạc hậu khơng có khả ứng dụng công nghệ vào phục vụ công tác kiểm định Do vậy, với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật công nghệ mới, việc thay thiết bị cũ, lạc hậu nhu cầu tất yếu Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, với đời chip đo lượng, đặc biệt dòng ADE 775x hãng Analog Devices chế tạo, chip đo lượng pha pha có độ xác cao, làm việc điều kiện khác Xuất phát từ nhu cầu thực tế chọn đề tài: ”Nghiên cứu, thiết kế công tơ mẫu sử dụng ADE 7751 hãng Analog Devices” Nội dung luận văn bao gồm: Chương I: Tổng quan phương pháp đo công suất điện Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -2- Chương II: Bàn kiểm tra công tơ linh kiện sử dụng ADE 7751 thiết kế công tơ Chương III: Thiết kế bàn kiểm tra công tơ Chương IV: Đánh giá sai số thực nghiệm Chương V: Kết luận Do thời gian có hạn nhận thức vấn đề hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót cần phải hồn thiện thêm Tơi mong nhận nhiều góp ý thầy giáo, bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới cô giáo hướng dẫn: TS Nguyễn Lan Hương, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Nhân cho phép gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đặc biệt thầy cô giáo môn Kỹ thuật lường & Tin học công nghiệp tận tâm truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu đến học viên Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -3CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG Trong lĩnh vực đo lường điện hai đại lượng cơng suất điện đại lượng chiếm ưu phạm trù ứng dụng kỹ thuật sản xuất đời sống thực tiễn Hầu nơi có sử dụng điện, cho dù điện chiều hay điện xoay chiều ta đo trực tiếp gián tiếp hai đại lượng Điện nguồn từ nơi sản xuất, phải qua hệ thống phân phối đến nơi sử dụng tiêu thụ điện Trên giới có nhiều kiểu phân phối hệ thống điện: Hệ hai pha, ba dây, bốn dây năm dây, hay hệ ba pha ba dây bốn dây Cơ sơ lý thuyết để đo công suất điện mạch điện nhiều pha nguyên tắc tương tự mạch điện pha Nhưng đặc thù phức tạp phụ tải mạch nhiều pha nên việc sử dụng phương pháp phương tiện để đo lường xác cơng suất điện đa dạng phức tạp nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng điện phát sinh từ thực tiễn Để đo công suất người ta sử dụng phương tiện đo Watmet Số lượng Watmet số phân tử đo tùy thuộc vào số pha ngồi cịn quan tâm đến yếu tố hệ số công suất, phạm vi đo tần số Trong lĩnh vực đo đếm điện cơng tơ điện phương tiện đo sử dụng chủ yếu mạch điện pha có đơn vị đo kW.h, mạch điện nhiều pha điện cịn phụ thuộc vào thành phần chậm pha vượt pha dịng điện trường hợp cần thiết cịn đo qua cơng suất biểu kiến đo đơn vị kVA.h Hệ thống điện có nhiều pha xem tập hợp hệ pha làm việc chế độ đồng độ lệch pha với theo giá trị xác định Điện tổng đo hệ nhiều pha tập hợp điện công tơ pha đo pha Tuy nhiên, để tiện cho việc sử dụng, người ta thường sử dụng loại cơng tơ có nhiều phần tử đo Trong Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -4- hệ thống phân phối điện có nhiều pha, theo thơng lệ mạch điện sử dụng cho phụ tải đo lường thường dây cho pha có dây trở chung cho tất pha Ở nước ta công suất điện phân bố chủ yếu thông qua hệ thống phân phối điện ba pha, toàn hệ thống phân phối truyền tải cao trung chủ yếu ba pha ba dây, hệ thống điện hạ phổ cập điện hệ ba pha ba dây cho hệ mạch có phụ tải sử dụng cơng suất cịn hệ ba pha bốn dây có phụ tải sử dụng nguồn cơng suất nhu cầu phụ khác Trên thực tế sử dụng hệ thống điện ba pha có hai cách đấu tải theo kiểu hình đấu tải theo kiểu tam giác, đấu theo kiểu tam giác phổ cập hệ ba pha ba dây, kiểu đấu phổ biến hệ ba pha bốn dây 1.1 Các phương pháp đo công suất lượng lĩnh vực điện 1.1.1 Đo công suất, lượng Watmet Đối với mạch điện chiều, công suất xác định gián thị vonmet ampemet sau tính theo cơng thức là: P = U.I Đối với mạch điện xoay chiều pha cơng suất tác dụng tính T theo cơng thức: P = ∫ u (t ).i (t )dt = U.I cosϕ T Trong đó: u(t) i(t) giá trị tức thời điện áp dòng điện U, I giá trị điện áp dòng điện hiệu dụng T chu kỳ biến thiên ϕ góc lệch pha điện áp dịng điện Để đo công suất ta thường sử dụng loại oatmet sau : - Watmet kiểu điện động loại oatmet có độ xác cao, đo cơng suất dòng chiều xoay chiều, giải tần số đo đến 2000Hz Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học - -5- Watmet kiểu sắt điện động thường sử dụng nơi tĩnh tại, cấp xác thấp, đo cơng suất điện xoay chiều tần số công nghiệp, dùng loại oatmet để đo công suất điện chiều có sai số lớn tượng trễ từ - Watmet kiểu cảm ứng loại chủ sử dụng mạch điện xoay chiều, cấp xác thấp nên khơng cịn sử dụng Ngồi cịn có Watmet kiểu điện tử Watmet kiểu nhiệt điện thường sử dụng để đo công suất dải rộng tần số từ thấp đến cao Cách mắc Watmet mạch điện : Hình 1 Cách mắc Watmet mạch điện Cấu tạo Watmet điện động: Được thể hình vẽ bao gồm cuộn dây: cuộn dịng điện (cố định) có số vịng nhỏ, tiết diện lớn mắc nối tiếp với phụ tải RL, cuộn (cuộn di động) C2 có nhiều vịng hơn, tiết diện dây nhỏ nối song song với điện áp lưới qua điện trở phụ Rp Hình Cấu tạo Watmet điện động Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -6- Nguyên lý làm việc Watmet: Nguyên lý làm việc Watmet tượng tự nguyên lý làm việc cấu điện động Dựa nguyên tắc tác động tương hỗ lực điện từ cuộn dây tĩnh động Khi mắc dụng cụ vào mạch điện chiều: Khi có dịng điện chạy cuộn dây tĩnh lịng xuất từ trường B1 Từ trường tác động với dòng điện qua cuộn dây động tạo nên momen quay làm phần động quay góc α Có lượng tích lũy cuộn dây là: 2 Wd,t = L1 I12 + L2 I 2 + M 12i1i2 Với L1, L2 điện cảm cuộn dây tĩnh động i1, i2 dòng chiều chạy cuộn dây tĩnh động M12 hỗ cảm hai cuộn dây Do L1, L2 dịng I1, I2 khơng phụ thuộc vào vị trí tương đối hai cuộn dây nên biểu thức momen có dạng: Mα = dWd ,t dM 12 = i1.i2 dα dα Cân mômen với momen phản kháng: kp.α = i1i2 Phương trình cân bằng: α= dM 12 = i1i2f(α) dα f (α ) i1i2 kp với Kp: hệ số momen phản f(α) hàm góc quay α Khi mắc dụng cụ vào mạch điện xoay chiều, giả sử dòng tức thời qua cuộn tĩnh cuộn dịng lệch pha góc Ψ biểu thức mơmen quay tức thời có dạng: mq = dM 12 i1 (t )i2 (t ) = i1 (t )i2 (t ) f (α ) dα Giá trị trung bình mơmen quay chu kì là: T 1 Mqtb = ∫ mq dt = I I m sin ωt.I m2 sin(ωt + ψ ) f (α ) T0 T Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -7- Tích phân biểu thị Mqtb qua trị số hiệu dụng dòng điện ta có: Mqtb = f(α).I1 I2.cosΨ Từ biểu thức ta thấy góc lệch α tỷ lệ với tích hai dịng điện cosin góc chúng nên dùng để đo dòng điện, điện áp, đại lượng tỉ lệ với tích dịng áp (cơng suất) chiều xoay chiều đo góc lệch pha đại lượng liên quan đến góc lệch pha Khi sử dụng Watmet kiểu điện động để đo công suất tác dụng mạch điện xoay chiều, sai số đo điện tiêu thụ mạch dòng mạch áp phải kể tới sai số góc lệch pha điện áp U dịng điện qua cuộn áp IU ký hiệu ϕu Thành phần sai số góc biểu thụ cơng thức sau: δϕu = 0.0291.ϕu.tgϕ Điều cho thấy ta sử dụng Watmet để đo công suất mạch điện có hệ số cơng suất thấp phạm phải sai số lớn có khả tải mạch dòng điện, đo ta phải chọn loại Watmet có hệ số cơng suất danh định phù hợp với đối tượng đo Để loại trừ khả tải cuộn dòng cuộn áp đo nên sử dụng thêm ampemet vonmet để theo dõi dòng điện điện áp mạch Do đặc thù cấu tạo oatmet nên cặp cực dòng điện điện áp người ta đánh dấu * để phân biệt cực tính, cực có dấu thường cực phát, đấu dây thường đấu phía nguồn điện, ta đấu sai cực tính Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học -8- cuộn áp có tượng chênh lệch điện áp cuộn động cuộn tĩnh Watmet làm suất lực tĩnh điện gây sai số phép đo Ngoài sai số Watmet làm việc điều kiện không tiêu chuẩn, đại lượng ảnh hưởng nằm phạm vi giá trị tiêu chuẩn quy định, xuất thêm sai số đại lượng ảnh hưởng gây nên Đối với Watmet đại lượng gây ảnh hưởng nhiều nhiệt độ tần số nhiệt độ mơi trường thay đổi chi tiết linh kiện mạch áp cuộn động, cuộn dây điện trở cuộn cảm thay đổi giá trị điện trở làm thay đổi giá trị dòng điện mạch áp gây sai số phụ khác Còn tần số lưới điện thay đổi gây nên sai số chi tiết dụng cụ đo thường chế tạo kim loại, chúng lại nằm từ trường biến thiên cuộn tĩnh gây nên xuất dòng điện cảm ứng gây nên tổn thất điện Đối với dụng cụ đo dùng cho mạch điện xoay chiều, để loại trừ sai số phụ, người ta hạn chế tối đa việc sử dụng chi tiết vật liệu sắt từ loại ốc vít giữ cuộn dây thay đồng, chiều cuộn dây, cách đặt xếp cuộn dây theo hướng phải lưu ý cẩn thận Thơng thường loại Watmet chế tạo theo giới hạn đo tiêu chuẩn hóa dịng điện thường khoảng 10A, điện áp 600V Để đo cơng suất mạch điện xoay chiều có cường độ 10A điện áp 600V người ta thường sử dụng thêm thiết bị phụ máy biến dòng đo lường (TI) máy biến áp đo lường (TU) 1.1.2 Đo công suất lượng phương pháp đo điện áp dòng điện (một chiều) Để dùng phương pháp mạch điện mạch chiều đo công suất lượng tải trở Điện áp đo Vơnmet cịn dịng điện đo Ampemet, sau ta nhân hai đại lượng cơng suất Có hai cách đo mắc theo sơ đồ sau: Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học - 72 - #include sbit StartConvert = P3^7; extern unsigned char DataADE; extern unsigned short DsData; extern short Tiner0; // void Reload_T0(short rl); // void TIMER0_ISR(void)interrupt { static unsigned char k=0; TR0=0; TF0=0; if(StartConvert==1) StartConvert=0; else { DataADC=P1; StartConvert=1; k++; }; if(k>19) { DsData=(unsigned short)DataADE; k=0; }; Reload_T0(Tiner0); } // -unsigned short Cal_ADE7751(unsigned short val,unsigned char point) { unsigned short Temp=5; unsigned char i=0; while(i0)K_Cd ; F_DEC=P_DEC; digit=6; WriteLCD(K_Cd,1,2,8); if(P_PRO==0 & F_PRO==1) { ClrLCD(); Delay(40000); F_PRO=0; break; }; F_PRO=P_PRO; }; wrLCDstring("Meter constant",1,0); wrLCDstring("Pulse:",2,0); while(1) { Đo lường hệ thống điều khiển Luận văn thạc sỹ khoa học - 74 - if(P_INC==0 & F_INC==1) NumberPulse++; F_INC=P_INC; if(P_DEC==0 & F_DEC==1) if(K_Cd>0)NumberPulse ; F_DEC=P_DEC; digit=6; WriteLCD(NumberPulse,0,2,8); if(P_PRO==0 & F_PRO==1) { ClrLCD(); Delay(40000); F_PRO=0; break; }; F_PRO=P_PRO; }; //EA=1; } void Delay(unsigned short d) { while(d>0)d ; } **************** thiet lap va hien thi LCD ************************* #include #include // -sbit RS= 0x80; sbit RW= 0x81; sbit EN =0x82; sfr LCD =0x80; extern int digit; // -void LCD_Wait(void) { unsigned char i=255; while(i>0)i ; //for(i=0;i