Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý vă giâm sât điện năng

6. Tởng quan tình hình nghiín cứu của đề tăi

1.4.3. Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý vă giâm sât điện năng

- Đânh giâ được chất lượng nguồn điện lưới cung cấp cho vận hănh hệ thống điện trong nhă mây, từ đĩ lăm cơ sở để xâc định những ảnh hưởng của nguồn điện lưới lín quâ trình vận hănh của câc thiết bị trong nhă mây.

- Đânh giâ được những ảnh hưởng của phụ tải tiíu thụ lín chất lượng hệ thống điện trong nhă mây cũng như tâc động lín nguồn điện lưới quốc gia.

- Nhận dạng được nguyín nhđn lăm ảnh hưởng đến quâ trình sản xuất, quâ trình vận hănh của thiết bị vă câc sự cố đê xảy ra trong quâ khứ.

- Thực hiện câc giải phâp phù hợp để khắc phục kịp thời, nđng cao CLĐN, khơng những lăm tăng tuởi thọ, tăng độ tin cậy cho quâ trình vận hănh của thiết bị, dđy chuyền sản xuất mă cịn mang lại những lợi ích kinh tế rõ rệt sau khi thực hiện giải phâp nđng cao CLĐN.

1.5.Kết luđ̣n chương 1

Chương 1 đê giới thiệu tởng quan về hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng. Câc định nghĩa vă khâi niệm cơ bản liín quan đến CLĐN đê được trình băy trong phần đầu của chương như lă nền tảng cơ sở lý thuyết để nghiín cứu thiết kế hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng trong câc chương tiếp theo. Một số tiíu chuẩn về CLĐN, tầm quan trọng của nĩ cũng như mức độ ảnh hưởng của nĩ đến khâch hăng sử dụng điện đê được trình băy trong chương năy.

Việc đo lường câc đại lượng điện lă bước quan trọng đầu tiín để cĩ thể quản lý vă giâm sât điện năng, do đĩ trong nội dung Chương 1 lă cơ sở lý

thuyết của việc đo lường câc đại lượng điện đê được tởng hợp những nội dung quan trọng để phục vụ cho việc nghiín cứu thiết kế hệ thống.

Quản lý nhu cầu của phụ tải (DSM) lă một vấn đề cũng đang được quan tđm hiện nay. Nĩ lă tập hợp câc giải phâp kỹ thuật - cơng nghệ - kinh tế - xê hội nhằm quản lý thời điểm, thời gian sử dụng, hoặc sản lượng tiíu thụ điện từ phía khâch hăng. Câc kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) được tâc giả tởng hợp phđn tích để lựa chọn giải phâp đưa văo trong hệ thống thực nghiệm.

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ PHĐ̀N CỨNG CỦA HỆ THỐNG 2.1.Mở đầu

Ngăy nay, sự phât triển của câc thiết bị đo năng lượng điện tử đê đem lại những hiệu quả cao hơn rõ rệt trong đo lường so với câc thiết bị đo trước đđy. Câc thiết bị đo năng lượng điện tử nhìn chung cĩ hai ưu điểm chính nởi bật so với câc thiết bị đo kết cấu cơ điện truyền thống đĩ lă: cải thiện độ chính xâc vă mở rộng câc chức năng. Hiện tại, cơng nghệ vi điều khiển cho phĩp ta xđy dựng được câc thiết bị đo vừa cĩ giâ cả cạnh tranh so với câc thiết bị đo truyền thống vừa đạt được độ chính xâc cao (thiết bị cĩ thể đạt cấp chính xâc 1, sai số ±1% hoặc thấp hơn). Bín cạnh đĩ, vi điều khiển cĩ thể cho phĩp câc nhă thiết kế bở sung thím câc chức năng khâc văo thiết bị đo như truyền phât dữ liệu khơng dđy, cảnh bâo mất nguồn điện lưới, lưu trữ dữ liệu…

Nội dung cơ bản của chương năy lă thiết kế vă lựa chọn câc phần tử phần cứng của mơ hình sau đĩ đưa ra sơ đồ kết nối chúng lại với nhau để tạo thănh một hệ thống nhằm thực hiện câc chức năng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng đê được đề ra. Theo như phạm vi nghiín cứu của đề tăi, hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng cho mạng điện một pha 220 VAC sẽ được thiết kế. Arduino lă một nền tảng mê nguồn mở được sử dụng để xđy dựng câc ứng dụng điện tử tương tâc với nhau hoặc với mơi trường được thuận lợi hơn. Arduino giống như một mây tính nhỏ để người dùng cĩ thể lập trình vă thực hiện câc dự ân điện tử mă khơng cần phải cĩ câc cơng cụ chuyín biệt để phục vụ việc nạp code. Bín cạnh đĩ câc mơđun của bo mạch Arduino, mơđun cảm biến điện âp xoay chiều, mơđun cảm biến dịng điện xoay chiều, mơđun rơle đĩng cắt mạch điện, mơđun wifi của Arduino, mơđun hiển thị LCD,… sẽ được nghiín cứu lựa chọn để thiết kế trong chương năy. Cấu trúc

phần cứng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh mă đề tăi nghiín cứu hướng tới xđy dựng cĩ sơ đồ khối được thể hiện như Hình 2.1 dưới đđy. Trong đĩ, bo mạch Arduino Wemos đại diện cho khối vi điều khiển lă cốt lõi của hệ thống. Nĩ thu thập dữ liệu âp vă dịng từ câc kính âp vă dịng của khối cảm biến để xử lý tính tôn câc đại lượng cần thiết. Sau đĩ gửi tín hiệu điều khiển đến câc khối rơle, gửi tín hiệu lín khối hiển thị LCD, đồng thời gửi tín hiệu đến smartphone hoặc PC thơng qua mạng truyền thơng internet wifi. Ngoăi ra, nĩ cịn cĩ thể nhận lệnh điều khiển ngược lại từ smartphone hoặc PC từ xa.

Khoẫi nguoăn câp

Các keđnh áp Các keđnh dòng Khôi hieơn thị LCD Các khôirơle Khôi vi đieău khieơn

Khôi cạm biên Smartphone/Máy tính PC

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng.

2.2.Câc phần tử của mạch lực

2.2.1. Sơ đồ mạch lực

Trong phạm vi của luận văn, tâc giả tập trung đi văo thiết kế hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh cho đối tượng lă mạng điện một pha 220VAC. Phần mạch lực được thể hiện như Hình 2.2, trong đĩ cĩ một mạch nguồn vă hai mạch tải (tải 1 vă tải 2). Câc tín hiệu điện âp tại thanh câi, dịng điện trín câc nhânh được thu thập thơng qua cảm biến điện âp (ZMPT101B) vă câc cảm biến dịng điện (ACS712) vă đưa về bộ xử lý trung

tđm (Arduino Wemos) của hệ thống. Sau khi xử lý tính tôn câc thơng số đầu ra, bộ xử lý trung tđm sẽ đưa tín hiệu để điều khiển câc rơle đĩng/cắt câc mạch trín sơ đồ mạch lực.

Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực.

Câc phần tử chính trín sơ đồ mạch lực được lựa chọn vă cĩ câc thơng số cơ bản như trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Câc phần tử cơ bản trín mạch lực.

Stt Phần tử Số lượng

1 Cảm biến điện âp ZMPT101B 01

2 Cảm biến dịng điện ACS712 20A 03

4 Relay 20A 03

2.2.2. Nguồn

Để tạo nguồn điện âp thay đởi được nhằm khảo sât sự lăm việc của hệ thống khi thơng số nguồn thay đởi, đề tăi sử dụng một ởn âp Lioa (Variable transformer) cĩ câc thơng số kỹ thuật như sau:

+ Cơng suất định mức: 10.000 VA + Điện âp văo: 220 VAC

+ Điện âp ra: 0 ÷ 250 VAC

Tải 1 Tải 2

Hệ thống quản lý, điều khiển vă giâm sât

điện năng thơng minh

Nguồn 220VAC

2.2.3. Tải

Tải được lựa chọn để thiết lập câc kịch bản thực nghiệm đối với hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng trong đề tăi năy lă câc tải một pha, điện âp 220 VAC, cĩ dịng điện định mức lín đến 20 A. Do đĩ, để đânh giâ khả năng lăm việc của hệ thống, câc dạng tải đại diện cho tải trở, tải cảm vă tải phi tuyến sẽ được sử dụng để thiết kế mơ hình thực nghiệm.

2.2.3.1. Tải thuần trở

Tải được lựa chọn cho mơ hình thực nghiệm trong đề tăi năy lă câc tải một pha, trong đĩ bĩng đỉn sợi đốt 60 W, 220 VAC được giả định lă tải thuần trở cố định được gắn trín mơ hình thực nghiệm. Ngoăi ra để đâp ứng việc mở rộng kết nối với câc dạng tải khâc thì câc tải bín ngoăi cĩ thể được thử nghiệm bằng câch kết nối với ở cắm trín mặt trước của mơ hình. Việc kết nối thím với câc tải khâc bín ngoăi nhằm giả lập câc chế độ khâc nhau của mơ hình thực nghiệm.

2.2.3.2. Tải động cơ khơng đồng bộ

Câc thiết bị điện dđn dụng sẽ được sử dụng để lăm thực nghiệm trong trường hợp năy chẳng hạn như câc mây quạt, mây sấy tĩc,…

2.2.3.3. Tải phi tuyến

Tải phi tuyến được giả định trong đề tăi năy lă câc thiết bị điện tử cơng suất sử dụng câc bộ chỉnh lưu AC/DC hoặc câc thiết bị văn phịng như mây tính PC, mây in, mây photocopy,…

2.3.Câc phần tử của mạch đo lường vă điều khiển

2.3.1. Cảm biến dịng điện

Để đo lường dịng điện xoay chiều của mạch lực đồng thời cĩ thể gửi tín hiệu dịng điện đo được đến bo mạch vi xử lý Arduino Wemos để từ đĩ đo được cơng suất, hệ số cơng suất, điện năng tiíu thụ,… Do đĩ dịng điện chạy trong mạch điện sẽ được thu thập thơng qua cảm biến dịng điện xoay chiều

ACS712 [5]. Cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 được thể hiện như Hình 2.3.

(a) (b)

Hình 2.3. (a) Cảm biến dịng điện ACS712; (b) Sơ đồ kết nối với Arduino.

Giâ trị cường độ dịng điện được đo vă tính tôn sử dụng IC ACS712 của hêng Allegro. Với IC năy, giâ trị dịng tối đa mă thiết bị cĩ thể đo được lă 30A. ACS712 lă cảm biến dịng tuyến tính, hoạt động dựa trín hiệu ứng Hall, rất phở biến trín thị trường do hêng Allegro sản xuất. ACS712 sử dụng nguồn cấp từ 4.5 - 5.5 VDC, cấp chính xâc 1.5% ở 25oC [4]. Cảm biến Hall ACS712 được hêng sản xuất đưa ra thị trường ba phiín bản với giới hạn dịng đo được khâc nhau lă 5A, 20A vă 30A. Để cĩ mở rộng thang đo tối đa, phiín bản cảm biến ACS712ELCTR-30A-T cĩ dải đo lớn nhất từ 0 - 30A được lựa chọn trong thiết kế mạch đo dịng của thiết bị. Sơ đồ nguyín lý mạch đo dịng được biểu diễn như trong Hình 2.4(a). Dựa theo hiệu ứng Hall [4], mỗi giâ trị dịng điện chạy qua IC ACS712 đều tạo ra một giâ trị điện âp tương ứng theo quan hệ tuyến tính. Giâ trị điện âp đĩ sẽ được xuất ra chđn Vout của ACS712 vă đi văo bộ ADC của vi điều khiển. Quan hệ tuyến tính giữa độ nhạy của ACS712 vă giâ trị điện âp tham chiếu Vcc được thể hiện như trong Hình 2.4(b). Ngoăi ra, câc thuộc tính chính của chip cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 được thể hiện như trong Bảng 2.2.

(a) (b)

Hình 2.4. (a) Sơ đồ mạch của ACS712; (b) Đặc tuyến văo ra. Bảng 2.2. Câc thơng số chính của cảm biến dịng điện ACS712.

Thơng số Giâ trị

Điện âp nguồn cấp 5 VDC

Điện âp câch điện tối thiểu (đầu văo & đầu ra) 2,1 kVrms

Độ nhạy (±5, ±20 vă ±30) A (66, 100, 185) mV/A Nhiệt độ lăm việc bình thường Từ -40 oC đến +85 oC

Dịng điện tiíu thụ 10 mA

Tín hiệu điện âp được ACS712 tạo ra tương ứng với giâ trị dịng điện đầu văo cũng được tự động nđng lín mức điện âp Uoffset= UVcc/2 để tín hiệu đo dao động hoăn toăn trong dải điện âp 0 ÷ Vcc phù hợp với nhiều loại vi điều khiển cĩ bộ ADC chỉ hoạt động trong dải điện âp từ 0 ÷ Vcc, vă theo tăi liệu kỹ thuật của ACS712 thì giâ trị điện âp Vcc chỉ được cho phĩp trong khoảng từ 4.5 ÷ 5.5V [4]. Dạng tín hiệu đầu ra của cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 lă sĩng điện âp cĩ dạng hình sin nằm trong phạm vi từ 0 ÷ 5 V để đưa văo đầu văo ADC của Arduino. Do đĩ, dạng sĩng điện âp đầu ra của nĩ cĩ dạng như đường mău xanh trong Hình 2.5. Từ tín hiệu điện âp đầu ra năy, câc giải thuật được nạp văo bo mạch Arduino để tính tôn điện âp trị hiệu dụng của nĩ vă từ đĩ sẽ xâc định được giâ trị dịng điện thực tế trong phần mạch lực tùy theo độ phđn giải của cảm biến ACS712.

Hình 2.5. Tín hiệu đầu ra của cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712.

2.3.2. Cảm biến điện âp

Điện âp xoay chiều ở phía nguồn được chuyển đởi sang tín hiệu điện âp thấp để đưa văo bo mạch Arduino bằng câch sử dụng cảm biến điện âp ZMPT101B (Hình 2.6). Trong Hình 2.6, điện âp phía nguồn được đưa văo cặp cực 5 vă 6, cịn lại câc chđn 1 lă điện âp nguồn nuơi cấp cho cảm biến ZMPT101B hoạt động, chđn 3 vă 4 lă chđn GND, cịn lại chđn 2 lă tín hiệu điện âp ra được đưa văo đầu văo tương tự của Arduino Wemos [5]. Mạch cảm biến điện âp của ZMPT101B như trong Hình 2.6(b) được thiết kế để đo lường điện âp xoay chiều lín đến 250 VAC. Sĩng điện âp đầu ra (5 VAC) của mạch năy bao gồm thănh phần điện âp DC được xem như lă thănh phần điện âp offset (khoảng 2,5 V) vă biín độ của nĩ cĩ thể được điều chỉnh bằng biến trở nhưng khơng được lớn hơn 5 V. Đầu ra của mạch sẽ được kết nối trực tiếp đến chđn ADC của bo mạch vi xử lý Arduino.

(a) (b)

Câc thuộc tính chính của cảm biến điện âp ZMPT101B được thể hiện như trong Bảng 2.3 vă câc đặc tuyến văo ra của nĩ cũng được thể hiện như trong Hình 2.7. Hai đặc tuyến trong Hình 2.7 phụ thuộc văo điện trở đầu văo của ZMPT101B, Hình(a) thể mối quan hệ giữa dịng điện đầu văo RMS vă điện âp đầu ra RMS vă Hình 2.7(b) thể hiện mối quan hệ giữa dịng điện đầu văo vă sai số gĩc pha của tín hiệu đầu ra (điện trở đầu văo R1 được mắc nối tiếp với mây biến âp).

(a)

(b)

Hình 2.7. Đặc tuyến đầu ra của ZMPT101B [9].

Bảng 2.3. Câc thơng số chính của cảm biến điện âp ZMPT101B.

Thơng số Giâ trị

Tỉ số biến 1000:1000

Dịng điện sơ cấp vă thứ cấp 2 mA vă 2 mA

Mức câch điện 3000 VAC/min

Dải tần số 50~60 Hz

Sai số gĩc pha ≤ 20o (50 Hz)

2.3.3. Bo mạch Arduino Wemos D1 R32

Arduino Wemos D1 R32 cĩ thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR lă ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ nêo năy cĩ thể xử lí những tâc vụ đơn giản như điều khiển đỉn LED nhấp nhây, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, lăm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm vă hiển thị lín măn hình LCD,…[4, 12, 13]. Bo mạch Arduino Wemos D1 R32 đê tích hợp mơđun wifi, do đĩ nĩ cĩ thể truyền vă nhận dữ liệu thơng qua mạng internet wifi. Sơ đồ câc chđn văo/ra của bo mạch Arduino Wemos D1 R32 được thể hiện như trong Hình 2.8. Câc thơng số chính của một bo mạch Arduino Wemos D1 R32 được thể hiện như trong Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Câc thơng số cơ bản của bo mạch Arduino Wemos D1 R32.

Thơng số Giâ trị

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện âp hoạt động 5 VDC (chỉ được cấp qua cởng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dịng tiíu thụ khoảng 30mA

Điện âp văo khuyín dùng 7-12 VDC Điện âp văo giới hạn 6-20 VDC

Số chđn Digital I/O 14 (6 chđn hardware PWM) Số chđn Analog 6 (độ phđn giải 10bit)

Dịng tối đa trín mỗi chđn I/O

30 mA Dịng ra tối đa (5V) 500 mA Dịng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Arduino Wemos D1 R32 cĩ thể được cấp nguồn thơng qua cởng USB kết nối với mây tính, tuy nhiín để rơle cĩ thể lăm việc độc lập khi khơng cĩ kết nối với mây tính thì apdapter 9 to 12 VDC, 250 mA (Hình 2.9) được sử dụng để lăm bộ nguồn cấp cho bo mạch Arduino Wemos D1 R32 hoạt động.

Hình 2.9. Adapter cấp nguồn cho Arduino Wemos D1 R32.

Trong đề tăi năy, Arduino Wemos R3 được sử dụng như lă bộ xử lý trung tđm, tín hiệu điện âp, dịng điện từ đầu ra của câc cảm biến điện âp ZMPT101B vă cảm biến dịng ACS712 sẽ được đưa văo câc chđn đầu văo tương tự của Arduino Wemos D1 R32. Sau đĩ bộ vi xử lý của nĩ xử tính tôn câc đại lượng đầu ra mong muốn như điện âp trị hiệu dụng Urms, dịng điện trị hiệu dụng Irms, cơng suất tâc dụng P, hệ số cơng suất cosφ, trạng thâi đĩng/cắt của mạch,…theo giải thuật đê được lập trình vă nạp văo bo mạch Arduino Wemos D1 R32. Ngoăi ra, câc thơng số đầu ra đĩ sẽ được hiển thị lín LCD để giúp ta dễ dăng giâm sât trạng thâi của mạch điện.

2.3.4. Mơđun rơle

Để đĩng/cắt mạch điện, đề tăi sử dụng Relay 5V, 10A, 5 chđn SRD-