BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA


BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

Cơ quan chủ trì: VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

2.1.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài. 14
2.1.2 Các đặc
điểm cơ bản của bộ HTC-PFC12. 16
2.1.2.1 Các thông số kĩ thuật 16
2.1.2.2 Các tính năng cơ bản 17
2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ HTC-PFC12 18
2.2.1 Module đo lường và điều khiển đầu ra Relay 18
2.2.1.1 Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự: 18
2.2.1.1.1 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi điện áp 18
2.2.1.1.2 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi dòng điện 21
2.2.1.2 Thiết kế bộ lọc anti-aliasing cho các đầu vào dòng điện và điện áp 23
2.2.1.2.1 Tại sao cần bộ lọc anti-aliasing? 23
2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào? 24
2.2.1.2.3 Thiết kế bộ lọc 26
2.2.1.3 Bộ biến đổi tương tự sang số 26
2.2.1.5 Bộ xử lí trung tâm 27
2.2.1.5 Bộ điều khiển đầu ra Relay 29
2.2.2 Module HMI 29
2.2.2.1 Màn hình hiển thị 29
2.2.2.2 Các LED hiển thị 31
2.2.2.3 Bàn phím 31
2.2.2.4 Khối truyền thông 31
2.2.3 Nguồn cấp 31
Phần 3: Thiế
t kế phần mềm 33
3.1 Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng 33
3.2.1 Giao tiếp bàn phím và GLCD 35
3.2.2 Truyền thông nội bộ PFC 36
3.2.3 Truyền thông PFC với máy tính và thiết bị khác 36
3.3 Chương trình phần mềm xử lí tính toán 37

Hình 1.6: Model PFR serial của Mikro 12
Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12 15
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P 19
Hình 2.3: Sơ đồ đấu nối LV 20-P 20
Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714 21
Hình 2.5: Đặc tính vào ra của ACS714 22
Hình 2.6: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng 23
Hình 2.7: Bộ lọc thông th
ấp bậc 2 thụ động và tích cực 24
Hình 2.8: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc 25
Hình 2.9: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau 25
Hình 2.10: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ 26
Hình 2.11: Sơ đồ chân LTC1865 27
Hình 2.12: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A 28
Hình 2.13: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108. 29
Hình 2.14: Khối truyền thông của PFC 31
Hình 3.1: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC 34
Hình 3.2: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC 35
Hình 3.3: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu 36
Hình 3.4: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi 36
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán quá trình xử lý tín hiệu tương tự 38
Hình 3.7: Thuật toán điều khiển đóng cắt tụ bù 42
Hình 3.8: Minh họa việc chọn lựa tổ hợp tụ 43
Hình 3.9: Minh họa ảnh hưởng của việc cài đặt hệ số C/k 44
Hình 3.11 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính 46
Hình3.12 : Tab ” thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính 47
Hình3.13 : Cửa sổ truy vấn số liệu đo 48
Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều. 50
Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm đo lường thực tế tại trạm trộn Asphalt 54
Hình 4.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm điều khiển thực tế tại trạm trộn Asphalt 57

này sử dụng hai loại công suất để làm việc:
- Công suất tác dụng (kW) – Công suất tiêu thụ thật (để sinh công) – Active Power.
- Công suất phản kháng (kVAR) – Dùng để duy trì điệ
n từ trường – Reactive Power
Tổng của hai loại công suất trên là công suất biểu kiến (kVA) – Apparent Power.
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

5

Hình 1.1: Các loại công suất tải tiêu thụ
Trong trường hợp là sóng sine thuần túy, tỉ lệ giữa công suất tác dụng và công suất
biểu kiến được gọi là hệ số công suất (power factor – PF) và nó chính là cosine của góc
lệch pha giữa dòng điện và điện áp sóng sine. Chính vì thế mà một số tài liệu người ta gọi
luôn hệ số công suất là
osc
ϕ
. Hệ số công suất không có đơn vị riêng, giá trị của nó được
thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả như một tỉ lệ phần trăm như
50%PF = . Công
thức tính:
(sin) (sin)
cos
*
RMS RMS
PP
PF
SV I
ϕ
===
(1 - 1)

11
;
nn
nn
VI
THDV THDI
VI
∞∞
==
==
∑
∑
(1 - 3)
Với V
1
và I
1
là hài cơ bản của điện áp và dòng điện.
U
n
và I
n
là hài bậc n của của điện áp và dòng điện.
Trong trường hợp dòng điện là sóng sine thuần túy, dòng điện không chứa các hài
bậc cao tức U
n
= 0
n
I = và do đó osPF c
ϕ

tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có 1kVA công suất biểu kiến được truyền đi.
Nhưng trong điều kiện hệ số công suất thấp, ví dụ như 0.5, thì cần phải có 2kVA công
suất biểu kiến được truyề
n đi.
Tại sao phải quan tâm tới việc này? Mặc dù công suất phản kháng thật sự không
sinh ra công nhưng khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn. Vì phải cung cấp cả
công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công” nên nguồn điện (máy phát điện,
máy biến thế,…) cũng như hệ thống dây truyền tải tới phụ tải phải được thiết kế với kích
thước dây lớn hơn để có th
ể chịu được.
Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá
điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

8
cá nhân, nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ số công suất cao hơn. Nhà phân phối
điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản
kháng bằng các thiết bị đo chuyên dùng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm
gia tăng hệ số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp
hơn tiêu chuẩn.
1.3
Làm thế nào để nâng cao hệ số công suất?
Một trong những phương pháp đơn giản nhất là sử dụng tụ bù. Như chỉ ra ở hình
1.4, các tụ làm việc như một máy phát công suất phản kháng. Thay vì phải sử dụng công
suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng công suất phản kháng lấy từ
tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ
giảm.

Hình 1.4: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF.
1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng:

được đo và sử dụng rộng rãi để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay
mức độ tiêu thụ n
ăng lượng điện của tải với giả thiết điện áp và dòng điện có dạng hình
sine. Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng
dòng hoặc áp không sine), chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng đặc biệt là
trong công nghiệp. Chúng ta có thể thấy các thiết bị này rất quen thuộc như các bộ biến
tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, Chúng là các nguồn phát các nhiễ
u hài bậc cao vào
trong hệ thống điện. Như vậy, với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

10
công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng
nguồn điện cung cấp. Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không
còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao. Quan niệm truyền
thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc này không còn phù
hợp để đánh giá, đặc biệt trong các ứng dụng phát triển các hệ thống bù công suất, thiết bị
lọc giảm thiểu nhiễu hài. Vì vậy việc chế tạo bộ tự động điều chỉnh hệ số công suất trên
cơ sở phân tích các hài dòng điện và hài điện áp (để từ đó có thể tính toán được hệ số
công suất chính xác hơn cho quá trình điều chỉnh hệ số công suất) trở nên cấ
p thiết.
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ở nước ngoài
Nắm bắt được xu thế đã nêu ở trên, nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã nghiên cứu
chế tạo các bộ điều chỉnh hệ số công suất có tính đến ảnh hưởng của các hài bậc cao. Với
sự phát triển mạnh mẽ của công cụ xử lí số tín hiệu, cùng sự hỗ trợ của các chip DSP đ
ã
giúp cho các nhà sản xuất thực hiện được điều đó. Một số hãng có thể kể đến như Ducati
của Italy, Mikro của Malaysia, Shizuki của Nhật… Nhìn chung các sản phẩm của các
hãng có tính năng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đo hệ số công suất từ
đó làm có sở cho việc điều khiển đóng ngắt các tụ điện để đạt được hệ số

ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Về vấn đề đo phân tích các thông số
về điện, năm 2010 Viện Nghiên cứu
Điện tử Tin học và Tự động hóa đã thực hiện xong
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

13
đề tài cấp bộ: ”Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phân tích điện năng trong hệ thống
điện”, với một số kết quả làm cơ sở cho việc kế thừa và phát triển của đề tài 2011.
Trong lĩnh vực ứng dụng, một phần do yêu cầu của nhà cung cấp điện, một phần
nhằm tiết kiệm điện năng, giả
m chi phí sản xuất nên các doanh nghiệp trong nước sử
dụng các bộ bù công suất tự động ngày càng nhiều. Tuy nhiên, chưa có sản phẩm nào có
tính năng tương tự như sản phẩm đề tài đã đăng kí được thương mại hóa. Các sản phẩm
ứng dụng trong nước được nhập ngoại. Một số hãng như: Ducati và Enerlux của Italia,
Shizuki của Nhật Bản, Selec của Ấn độ, Mikro của Malaysia, Nhìn chung sản phẩm của
các hãng có tính n
ăng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đóng cắt các tụ
điện để đạt được hệ số công suất mong muốn.
Trên cơ sở kế thừa và bổ sung thêm các tính năng còn thiếu của các sản phẩm đang có
trên thị trường, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài:” Nghiên cứu thiết kế chế tạo
bộ điều chỉnh tự
động hệ số công suất trong công nghiệp”. Ngoài các tính năng tương
đồng với các sản phẩm có sẵn trên thị trường, sản phẩm của đề tài hướng tới các tính
năng nổi bật:
- Khả năng đo và hiển thị hệ số công suất có tính đến các hài bậc cao.
- Khả năng đo và hiển thị thành phần điện áp cơ bản và hài bậc cao.
- Khả nă
ng đo và hiển thị thành phần dòng điện cơ bản và hài bậc cao.
- Khả năng đo và hiển thị công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất
biểu kiến.

người dùng hơn. Trên cơ sở kế thừa các sản phẩm có sẵn của các hãng trên thế giới đồng
thời mở rộng thêm các tính năng mới, nhóm thực hiện đề tài thiết kế bộ PFC có sơ đồ
khối thiết bị được thể hi
ện trên hình 2.1. Sản phẩm của đề tài bao gồm bộ PFC (với tên
HTC-PFC12) và một phần mềm giám sát trên máy tính (với tên PFC-Monitor). Bộ HTC-
PFC12 bao gồm hai Module cơ bản sau:
Module xử lí tín hiệu và điều khiển bao gồm các thành phần:
- Khối xử lí đầu vào: Bao gồm bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự và bộ lọc
tương tự chống chồng phổ.
o Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự
: Làm nhiệm vụ cách li phần
điện áp cao với mạch điện tử, đồng thời định mức điện áp phù hợp cho
các khối xử lí phía sau như bộ lọc chống trùng phổ và bộ biến đổi ADC.
o Bộ lọc tương tự chống chồng phổ: Các bộ lọc thông thấp được sử dụng
để tránh sai số lấy mẫu do trùng phổ.
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

15
- Bộ biến đổi tương tự sang số: Tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu tương tự
để đưa vào bộ xử lí trung tâm.
- Bộ xử lí trung tâm: Xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để thực hiện các
thuật toán phân tích và xử lí tín hiệu số.
- Bộ điều khiển đóng cắt các tụ bù.

Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

16
Module HMI bao gồm các thành phần:
- Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các hài dòng

- Hiển thị: Màn hình LCD 128x64
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

17
- Bàn phím: 4 phím
- Đầu ra relay:
o 12 đầu ra lập trình
o 1 đầu ra alarm
o 1 đầu ra fan
Mỗi đầu ra có dải làm việc:
o Dòng làm việc liên tục lớn nhất: 7A
o Điện áp lớn nhất: 250VAC
2.1.2.2 Các tính năng cơ bản
- Khả năng đo và hiển thị:
o Công suất tác dụng (kW)
o Công suất phản kháng (kVAR)
o Công suất biểu kiến (kVA)
o
Điện áp (V): Từ hài cơ bản đến hài 20
o Dòng điện (A): Từ hài cơ bản đến hài 20
o Tổng méo hài điện áp: THD V(%)
o Tổng méo hài dòng điện: THD I(%)
o Tần số (Hz)
o Hệ số công suất
o Tổng điện năng tiêu thụ
- Khả năng giám sát và điều khiển:
o Số bước bù từ
012
÷
bước

Nhưng việc sử dụng máy biến áp cũng có hạn chế như: cồng kềnh và có hệ số chuyển đổi
không đồng nhất theo tần số nên gây méo với các hài bậc cao vì vậy giải pháp này không
phù hợp với bộ PFC. Để đảm bả
o dạng điện áp lưới không đổi khi vào đến mạch đo,
chúng tôi lựa chọn bộ chuyển đổi điện áp LV 20-P của LEM. Đây là bộ chuyển đổi sử
dụng hiệu ứng Hall cho việc đo điện áp AC/DC với cách li điện áp sơ cấp và thứ cấp là
2.5kV, hệ số chuyển đổi dòng là 2500:1000. Hình 2.3 minh họa cho sơ đồ kết nối của LV
20P.
Các thông số của LV - 20P:
-
Dòng danh định sơ cấp: 10
PN
I
mA
=

Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

19
- Dải đo dòng sơ cấp: 014
P
I
mA=÷±
- Dòng danh định thứ cấp:
25mA
S
I
=

- Điện trở đo: Với nguồn cung cấp

- Độ chính xác:
1.1%
G
X =±
- Nhiệt độ làm việc
0
070
A
TC=÷

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P
Sơ đồ đấu nối mạch đo sử dụng LV20-P được thể hiện trên hình 2.3. Dòng thứ cấp
Is được tạo ra tỉ lệ với dòng đầu vào Ip. Bỏ qua điện áp giữa 2 lối vào của mạch LV20-P
ta có công thức tính điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:
1
*****
M
out M S M N P N P
R
VRIRKIKV
R
== =
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

20
Để đảm bảo dòng đầu vào nằm trong dải cho phép: 014
P
I
mA
=

200 200
Pm
out
V
VV== =

Điện áp đầu ra nhỏ nhất:
min
min
380* 2
2.687
200 200
P
out
V
VV
−
== =−

Như vậy điện áp đầu ra là xoay chiều có thành phần âm nên không phù hợp với
đầu vào của ADC. Để đảm bảo tín hiệu vào ADC nằm trong dải
05V÷ thì tín hiệu sau
LV 20-P cần đưa qua một mạch khuếch đại và mạch cộng áp (có sơ đồ trong phụ lục thiết
kế).
R1
RM
L1
L2
HT+
1

đầu vào của IC này.

Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714

Các thông số kĩ thuật và tính năng của ACS714:
- Nguồn cung cấp:
5
cc
VV=
- Điện áp đầu ra tỉ lệ với dòng đầu vào với độ nhạy: 185mV/A
- Điện áp ra với dòng đầu vào
0
P
I
=
là *0.5
cc
V
- Dải dòng điện vào:
55
A
A−÷
- Khử nhiễu tốt
- Đầu ra cực kì ổn định với điện áp offset
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

22
- Thời gian đáp ứng với sự thay đổi dòng đầu vào: 5
r
tS

+=
Điện áp nhỏ nhất:
min
2.5 0.185*5 1.575
IOUT
VV
=
−=
Để điện áp đưa vào ADC nằm trong dải
05V
÷
, tín hiệu điện áp này cần khuếch đại lên
1.3 lần theo sơ đồ hình 2.6:
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

23
10k
R7
30k
R5
AVSS
AVCC
1
4
5
2
3
6
7
8

max
thì
tín hiệu được lấy mẫu với tần số F
s
>=2F
max
có thể khôi phục chính xác với các mẫu rời
rạc x(nT). Với tần số lấy mẫu F
s
<=2F
max
thì sẽ xảy ra sai số lấy mẫu do trùng phổ
(aliasing). Hay nói một cách khác với tần số lấy mẫu cố định là F
s
thì tần số cao nhất của
tín hiệu lấy mẫu là F
max
= F
s
/2. Để hiểu rõ hơn ta xét một ví dụ:
Cho hai tín hiệu liên tục hình sin có tần số là 50Hz và 10Hz.
1
( ) os2 (10)
x
tc t
π
= và
2
( ) os2 (50)
x

⎛⎞
===+=
⎜⎟
⎝⎠

Rõ ràng ta thấy
12
() ()
x
nxn= và hai tín hiệu rời rạc này không phân biệt được với
nhau.
Để khắc phục hiện tượng trùng phổ, trước khi lấy mẫu tín hiệu ta cho nó đi qua bộ
lọc lọc bỏ các tần số lớn hơn F
s
/2. Bộ lọc này được gọi là bộ lọc chống chồng phổ (anti-
aliasing).
2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào?
Theo định nghĩa, bộ lọc là một thiết bị cho phép tín hiệu điện ở tần số nhất định
hoặc dải tần số qua nó trong khi ngăn những tần số khác [1]. Bộ lọc được sử dụng rộng
rãi trong các ứng dụng. Trong truyền thông, lọc dải thông đượ
c dùng cho xử lí tiếng nói
với dải tần sóng âm (0 – 20kHz). Hệ thống thu thập dữ liệu đòi hỏi có bộ lọc anti-aliasing
low-pass trong giai đoạn tiền xử lí tín hiệu,…
Ở tần số cao (>1MHz), gần như tất cả các bộ lọc đều sử dụng các phần tử thụ động
như cuộn cảm (L), điện trở (R) và tụ điện (C) và do đó người ta gọi là bộ lọ
c LRC. Tuy
nhiên ở dải tần thấp hơn (1Hz – 1MHz), giá trị của các cuộn cảm trở nên rất lớn và khá
cồng kềnh thì các mạch lọc tích cực lại trở lên thông dụng. Các mạch này sử dụng phần
tử tích cực (các phần tử khuếch đại thuật toán) kết hợp với một vài điện trở và tụ điện để
tạo mạch lọc gần giống bộ l