ADE7753 là một IC đo các thông số của dòng điện xoay chiều chuyên dụng. Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới với độ chính xác và tính ổn định cao [3].
3.2.1 Giới thiệu chung
ADE7753 là một chip tích hợp có độ chính xác cao, được sử dụng để đo các thông số năng lượng điện trong mạch một pha với một giao diện nối tiếp và một xung đầu ra. Cấu trúc bên trong bao gồm hai bộ chuyển đổi tương tự - số, một mạch tích phân số, mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các bộ xử lý tín hiệu để đo các công suất như công suất hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến và tính toán thông số hiệu dụng của dòng điện và điện áp.
ADE7753 phù hợp đo các thông số điện này ở các cấu hình một pha khác nhau. IC này cũng cung cấp các hàm kiểm tra giảm sai số cho thông số hiệu dụng và công suất.
ADE7753 có thanh ghi mẫu dạng sóng (Waveform Sample Register) cho phép truy cập đầu ra của bộ chuyển đổi tương tự - số, có mạch nhận biết sự biến thiên điện áp trong một khoảng thời gian. Mức ngưỡng điện áp và khoảng thời gian quan sát này do người sử dụng lập trình.Nó cũng tích hợp một bộ tách tín hiệu qua điểm không. Các thông tin này có thể sử dụng để đo chu kì của điện áp đầu vào và pha trong mạch điện.
Dữ liệu được đọc từ ADE7753 thông qua giao tiếp SPI. Đầu ra chân yêu cầu ngắt có mức tích cực thấp sẽ được kích hoạt khi một hoặc nhiều sự kiện ngắt xuất hiện. Trạng thái của các ngắt này được nhận biết bởi thanh ghi trạng thái.
3.2.2 Sơ đồ khối
Cấu tạo của ADE7753 gồm các phần chính sau: - Hai kênh lối vào dòng và áp.
- Hai bộ ADC. - Bộ tích phân.
- Giao diện nối tiếp SPI.
ADE7753 được sử dụng trong đề tài được đóng gọi dạng SSOP, 20 chân, vị trí các chân được mô tả như hình 3-4.
Hình 3-5: Sơ đồ các khối chức năng của ADE7753
Bảng 3-1 mô tả chi tiết các chức năng của từng chân của ADE7753.
Bảng 3-1: Bảng mô tả chức năng các chân của ADE7753
Chân số Tên chân Chức năng
1 RESET Khi có một xung chuyển từ trạng thái xuống thấp ADE7753 sẽ được reset.
2 DVDD
Nguồn cấp dạng số. Chân này cung cấp điện áp nguồn cho mạch số trong ADE7753. Nguồn cấp phải được duy trì ở mức 5V±5% để hệ thống hoạt động ổn định. Chân này nên được cách ly khỏi chân DGND bởi một tụ gốm 100nF.
3 AVDD
Nguồn cấp analog. Chân này cung cấp điện áp nguồn cho mạch analog trong ADE7753. Nguồn cấp phải được duy trì ở mức 5V±5% để hệ thống hoạt động ổn định. Cần phải thực hiện mọi biện pháp để giảm thiểu nhiễu và gợn sóng của nguồn cấp bằng cách sử dụng bộ cách ly thích hợp.
4,5 V1P, V1N
Đầu vào tương tự của kênh dòng điện. Kênh này được sử dụng với bộ biến dòng và được đề cập đến trong tài liệu này như là kênh đo dòng điện. Đây là những đầu vào có điện áp hoàn toàn khác nhau với các mức tín hiệu đầu vào sai khác nhau tối đa là ±0,5 V, ±0,25 V, ±0,125 V, phụ thuộc vào chọn lựa hệ số khuếch đại của khối PGA bên trong.
6,7 V2P, V2N
Các đầu vào tương tự của kênh áp. Kênh này sử dụng biến áp. Các đầu vào này biên điện áp với mức tín hiệu lýn nhất là ±0.5V(chú ý nhiễu điện áp). Đầu vào áp lớn nhất
có thể lựa chọn ở các mức là ± 0,5 V, ± 0,25 V, ± 0,125 V phụ thuộc vào việc lựa chọn hệ số khuếch đại PGA. 8 AGND Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khổi biến đổi
tương tự
9 REFIN/OUT
Chân này cung cấp điện áp tham chiếu trên chip. Tham chiếu trên chip có giá trị danh định 2,4 V ± 200 mV. Ta cũng có thể nối nguồn tham chiếu bên ngoài vào chân này. Trong cả hai trương hợp trên, chân này phải được cách ly với AGND bởi một tụ gốm 1μF.
10 DGND Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khối biến đổi biến đổi số.
11 CF Đầu ra logic tần số, nó đưa ra thông tin về công suất hiệu dụng.
12 ZX Đầu ra phát hiện điểm không ở kênh vào 2 13 SAG
Đầu ra tích cực ở mức thấp khi không có điểm không nào được phát hiện, hoặc khi điện áp vào kênh 2 ở dưới mức đặt trước.
14 IRQ Đầu ra báo có ngắt, đầu ra này sẽ tích cực ở mức thấp khi có bit trong thanh ghi cho phép ngắt được chọn.
15 CLKIN
Xung nhịp chính cung cấp cho các ADC và khối xử lý số tín hiệu (DSP). Xung nhịp bên ngoài có thể được đưa vào chân này và thường ta chọn một tinh thể thạch anh kết nối giữa CLKIN và CLKOUT để cung cấp xung nhịp cho ADE. Tần số xung nhịp được chọn là 3,79545MHz. 16 CLKOUT
Chân CLKOUT có thể điều khiển một tải CMOS khi xung nhịp bên ngoài được cung cấp tại CLKIN hoặc thạch anh được sử dụng.
17 CS Chân chọn chip, tích cực mức thấp. 18 SCLK Đầu vào xung nhịp của giao diện nối tiếp.
19 DOUT
Đầu ra dữ liệu nối tiếp. Dữ liệu được dịch ra ở chân này tại sườn lên của xung SCLK. Đầu ra này thường ở trạng thái trở kháng cao trừ khi nó truyền dữ liệu trên đường truyền nối tiếp.
20 DIN Đầu vào dữ liệu nối tiếp. Dữ liệu được dịch vào ở chân này bởi sườn lên của xung clock.
3.2.3 Nguyên lý hoạt động
ADE7753 có bốn đầu vào tương tự được chia làm hai kênh: kênh dòng và kênh áp.
Kênh dòng bao gồm hai cặp đầu vào điện áp khác nhau hoàn toàn là: V1N và V1P. Các cặp điện áp này có mức chênh lệch tín hiệu lớn nhất là ± 0,5 V. Nhờ việc sử dụng hai bit 0, 1 của thanh ghi hệ số khuếch đại (Gain Register), điện áp đầu vào
lớn nhất của ADC có thể đặt là ± 0,5 V, ± 0,25 V, ± 0,125 V. Cả hai kênh đều có bộ khếch đại lập trình được PGA với hệ số khuếch đại được lựa là các giá trị 1, 2, 4, 8 hoặc 16.
Hệ số khuếch đại của bộ hai PGA được lựa chọn bởi các bít khác nhau của thanh ghi hệ số khuếch đại (gain register)
Hình 3-6: Thanh ghi hệ số khuếch đại của kênh dòng và kênh áp.
Bit 5, 6, 7 của thanh ghi cho phép thiết lập hệ số khuếch đại kênh dòng và bit 0, 1, 2 của thanh ghi cho phép đặt hệ số khuếch đại của kênh áp. Bên cạnh đó, bít 3, 4 quy định giá điện áp vào lớn nhất đối với hai kênh này, tùy từng ứng dụng cụ thể mà giá trị bit 3, 4 được chọn là khác nhau.
3.2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo dòng (kênh 1)
Kênh một của ADE7753 là lối vào của cảm biến đo dòng.
Hình 3-7: Dạng tín hiệu vào của kênh 1
Trong chế độ lấy mẫu sóng, đầu ra của ADC được chứa trong thanh ghi dữ liệu 24 bit, tốc độ tối đa là 27,9 ksps. Với đầu vào tín hiệu bằng ± 0,5 V thì đầu ra ADC như trên hình. Sơ đồ chỉ ra rằng khi đặt tín hiệu vào ở kích thước thực thì đầu ra ADC có dải 0xD7AE14 (-2.642.412) đến 0x2851EC (+2.642.412).
Các giá trị lấy mẫu ở kênh dòng có thể được chuyển tới thanh ghi dạng sóng bằng việc đặt giá trị hai bít trong thanh ghi MODE[14:13] = 1,0.
Cảm biến dòng nhận biết được sự thay đổi của từ trường gây ra bởi dòng điện xoay chiều. Cường độ từ trường gây ra bởi một dòng điện tỉ lệ thuận với từ thông của dòng điện đó. Sự thay đổi cường độ từ trường do mạch kín dẫn điện phát ra một suất điện động giữa hai đầu của vòng kín. Suất điện động là tín hiệu điện áp tương ứng với vi phân của dòng điện. Điện áp ra từ bộ vi phân dòng được xác định bởi độ tự cảm lẫn nhau giữa vật mang dòng và cảm biến vi phân dòng. Bộ tích phân sẽ đóng vai trò khôi phục lại tín hiệu dòng điện từ tín hiệu di/dt. Bộ tích phân số ở kênh một thì mặc định là không cho phép khi bật nguồn. Khi bộ tích phân này tắt, ADE có thể sử dụng trực tiếp với cảm biến dòng CT hoặc một điện trở shunt có giá trị thấp.
3.2.3.2. Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo điện áp (kênh 2)
Kênh 2 của ADE7753 dùng để đo điện áp
Hình 3-8: Bộ ADC và bộ xử lý tín hiệu kênh 2
Hình trên chỉ ra đường ADC và khối xử lý tín hiệu cho đầu vào của kênh áp. Để đo được năng lượng hiệu dụng hay phản kháng, đầu ra của bộ nhân được đưa trực tiếp tới ADC không qua bộ lọc. Giải pháp này giúp bộ nhân không phải nhân nhiều bit hơn và không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Thêm nữa, độ lệch ADC trong tính toán công suất cũng đã được bộ lọc thông cao của kênh dòng loại bỏ.
Mẫu dạng sóng của kênh áp cũng có thể được lưu trữ trong thanh ghi WAVEFORM. Tuy nhiên, trước khi đến thanh ghi này, đầu ra ADC phải qua một bộ lọc thông thấp đơn cực (LPF1) với tần số cắt là 140 Hz. LPF1 không làm ảnh hưởng đến việc tính toán năng lượng hiệu dụng và phản kháng bởi vì nó chỉ được sử dụng trong đường dẫn tín hiệu lấy mẫu dạng sóng. Tuy nhiên, mẫu sóng được sử dụng cho việc tính toán điện áp hiệu dụng VRMS.
ADE có mạch nhận biết điểm không cho kênh áp. Hình sau chỉ ra cách tạo ra tín hiệu qua điểm không từ đầu ra ADC kênh áp. Chân ZX sẽ xuống mức logic thấp khi tín hiệu từ sườn dương đi qua điểm không và ZX lên mức logic cao khi tín hiệu từ sườn âm đi qua điểm không.
Hình 3-9: Sơ đồ khối của bộ dò điểm không trong kênh đo điện áp
3.2.3.3 Đo giá trị hiệu dụng
Giá trị hiệu dụng là một thông số cơ bản của tín hiệu xoay chiều. Trong thực tế, giá trị hiệu dụng của tín hiệu xoay chiều là lượng thành phần một chiều cần thiết để sinh ra một công suất tương đương trên tải. Phương pháp để tính giá trị hiệu dụng trong ADE7753 là sử dụng bộ lọc thông thấp của tín hiệu đầu vào (LPF3) và khai căn bậc hai kết quả cuối cùng. Sơ đồ cách tính dòng hiệu dụng:
Hình 3-10: Xử lý tín hiệu tại kênh một để tính dòng hiệu dụng
Hình trên mô tả chi tiết chuỗi xử lý tín hiệu để tính dòng điện hiệu dụng của một pha trên kênh dòng. Giá trị hiệu dụng của kênh dòng được xử lý từ các mẫu trong chế độ lấy mẫu dòng của kênh dòng. Dòng hiệu dụng được lưu trữ trong thanh ghi 24 bit IRMS. Với đầu vào tương tự bằng 0.5V, ADC tạo ra mã đầu ra xấp xỉ ±2.642.412 . Giá trị hiệu dụng tương đương của tín hiệu Hình sin kích thước thực đầu vào tại tần số 60 Hz là 1.914.753 (0x1D3781) và là 1.921.472 (0x1D51C3) với tần số là 50 Hz.
Hình 3-11: Xử lý giá trị hiệu dụng tại kênh 2
Điện áp hiệu dụng được tính toán nhờ ADE sử dụng giá trị tuyệt đối. Giá trị hiệu dụng kênh áp được xử lý từ mẫu sóng sau bộ lọc thông thấp LPF1. Giá trị điện áp hiệu dụng được đặt trong thanh ghi 24 bit VRMS.
3.2.3.4 Tính toán công suất hiệu dụng
Công suất điện được định nghĩa là dải năng lượng chạy từ nguồn tới tải. Nó được sinh ra bởi dạng sóng của dòng điện và điện áp.
Hình 3-12: Tính toán công suất hiệu dụng
Sóng kết quả chính là tín hiệu công suất tức thời, nó bằng với năng lượng chạy tức thời trong mọi thời điểm. Công suất hiệu dụng được kí hiệu là P, đơn vị của công suất P là Watt hoặc Joules/s.
v(t)= 2 x Vrms x sin(wt) i(t)= 2 x Irms x sin(wt)
p(t)= v(t) x i(t) = Irms x Vrms – Irms x Vrms x cos(2wt) Trong đó: Irms, Vrms là dòng điện và điện áp hiệu dụng.
Công suất tức thời được là tổng của dòng và áp trên mỗi pha. Thành phần một chiều của công suất hiệu dụng được tách ra sau bộ lọc thông thấp LPF2 để thu được giá trị công suất hiệu dụng trung bình.
Do bộ lọc LPF2 không lý tưởng nên có gợn sóng đối với tín hiệu cộng suất hiệu dụng tức thời. Sóng này có hình sin và có tần số bằng hai lần tần số tuyến tính.
Formatted: French (France)
Field Code Changed
Formatted: French (France)
Field Code Changed
Nó sẽ bị loại bỏ khi ta lấy tích phân công suất hiệu dụng theo thời gian để được năng lượng tương ứng.
Hình 3-13: Đáp ứng tần số tín hiệu sau bộ lọc thông thấp LPF2
Kiểm tra hệ số khuếch đại công suất hiệu dụng.
Công suất hiệu dụng trung bình được lấy từ đầu ra của bộ lọc thông thấp LPF và được tính dựa vào thanh ghi Watt Gain Register. Thanh ghi này được dùng để tính toán công suất hiệu dụng (hoặc năng lượng) của mỗi pha trong ADE7753.
Phương trình sau mô tả hàm toán học của thanh ghi này:
Công suất trung bình = LPF2 x (1+Watt Gain Register/212)
Độ lệch của công suất hiệu dụng: ADE cũng kết hợp một thanh ghi độ lệch công suất Watt Offset Register (APOS). Thanh ghi này sử dụng 16 bit để loại bỏ sai số tính toán trong công suất.
Dấu của công suất hiệu dụng: Nếu độ lệch pha giữa dạng sóng của dòng điện và điện áp là lớn hơn 90o thì công suất trung bình mang dấu âm. Công suất âm chỉ ra rằng năng lượng được trả về lưới điện. Trong ADE có tích hợp mạch phân biệt dấu này. Bit PNEG hoặc PPOS (bit 14, 13) của thanh ghi trạng thái ngắt được thiết lập nếu công suất trung bình đổi dấu.
Ngưỡng không tải: ADE có mức ngưỡng không tải nội. Ngưỡng này hoạt động khi thiết lập bit NOLOAD (bit 7) của thanh ghi COMPMODE. Nếu công suất hiệu dụng nhỏ dưới 0,005% đầu vào, năng lượng sẽ không được tính đến pha đó, vì vậy không thể đo được. Chế độ không tải chỉ hoạt động trong thanh chứa năng lượng hiệu dụng, không có ở công suất phản kháng và biểu kiến.
Tính toán:
Công suất được định nghĩa là tỉ lệ của năng lượng chạy trên đường tải: Công suất=d(năng lượng)/dt
Ngược lại, năng lượng là hàm tích phân của công suất theo thời gian: Năng lượng=∫p(t) dt
Tính toán năng lượng hiệu dụng:
Hình 3-14: Tính toán năng lượng hiệu dụng
Hình 3-14 mô tả đường dẫn tín hiệu của thanh chứa năng lượng. Công suất hiệu dụng trung bình được cộng vào thanh ghi năng lượng một cách liên tục. Năng lượng âm bị trừ từ thanh ghi năng lượng. Công suất hiệu dụng trung bình được chia nhờ nội dung của thanh ghi Watt Divider Register trước khi nó được thêm vào thanh ghi tương ứng. Khi thanh ghi WDIV[7:0] có giá trị là 0 thì công suất được chứa là không chia. WDIV là một thanh ghi không dấu 8 bit sử dụng để tính khoảng thời gian trước khi thanh ghi bị tràn.
Tính khoảng thời gian xảy ra tràn:
+ Chu kỳ rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian là 1,1us (4/CLKIN)
+ Giá trị của từ trung bình lưu trữ được là 248-1 hay 0xFFF FFF FFFF từ trung bình sau LPF2 là 0xCCCCD.
+Vậy với WDIV = 0 thì:
Time = (0xFFF FFF FFFF/0xCCCCD)x1,12us = 375,8 (s) + WDIV ≠ 0 ta tính bằng công thức:
Time = Time (WDIV=0) xWDIV[7:0]
3.2.3.5. Tính toán công suất phản kháng
Trong tải thường bao gồm các thành phần tụ điện và cuộn cảm, các thành phần phản kháng này gây ra sự khác pha giữa điện áp xoay chiều đầu vào và dòng điện kết quả. Công suất kết hợp giữa các thành phần phản kháng này được gọi là công suất phản kháng (được kí hiệu là Q) và có đơn vị đo là VAR. Q được định nghĩa như sự sản sinh của dòng và áp khi một trong các tín hiệu này được dịch pha 900.
Công suất phản kháng tức thời trong mạch xoay chiều khi kênh dòng được dịch pha 900:
v(t)= 2V sin (ωt – φ) i(t)= 2I sin (ωt) i’(t)= 2I sin(ωt+π/2)
q(t)=v(t) x i’(t) Công suất phản kháng trung bình trên n chu kỳ:
Q = V x I x sin (φ)
Các thành phần một chiều (dc) của tín hiệu công suất phản kháng tức thời được loại bỏ nhờ bộ lọc thông thấp (LPF) để đạt được giá trị công suất phản kháng trung bình.
Hình 3-15: Sự tích lũy công suất phản kháng
Công suất phản kháng được chứa trong thanh ghi LVARENERGY.