GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 1
PHẦN I :
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG NĂNG
LƯNG TRONG CÔNG NGHIỆP
Chương 1 : Khái quát các phương pháp đo điện năng
Chương 2 : Giới thiệu IC đo điện năng AT73C540 (hãng Atmel)
Chương 3 : Giới thiệu IC đo điện năng AD7755 (hãng Analog Devices)
Chương 4 : Giới thiệu IC đo điện năng SA2002H (hãng Sames)
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 2
CHƯƠNG 1 :
KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN NĂNG LỜI GIỚI THIỆU
Những thay đổi quan trọng đã và đang xảy ra trong ngành công nghiệp đo
lường năng lượng. Việc bãi bỏ tính độc quyền cung cấp đã tạo ra một môi trường
cạnh tranh gay gắt hơn đối với những nhà cung cấp điện năng. Vì vậy nhu cầu
quản lý và đo lường điện năng đòi hỏi một mức độ cao hơn trước đây. Các nhà
cung cấp điện năng sẽ phải cung cấp những dòch vụ tiện ích cho người sử dụng
với chi phí thấp nhất có thể được. Và một trong những dòch vụ đó là lắp đặt đồng
hồ đo điện năng theo công nghệ mới hiện nay (công nghệ solid state).
Ngoài những lợi ích trước mắt như độ chính xác cao, gọn nhẹ đồng hồ này
còn cho phép khả năng linh hoạt hơn trong lắp đặt và sửa chữa, quản lý và cập
nhật thông tin nhanh và chính xác hơn thông qua mạng.
CẤU TẠO MỘT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG
Một đồng hồ đo điện năng chủ yếu dựa trên một trong hai công nghệ chính
là xử lý tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Xử lý tín hiệu ở đây liên quan đến việc
nhân và lọc để tạo ra thông tin cần thiết (ví dụ như kWh…). Đồng hồ cơ đo điện
thuật Oversampling và DSP.
ü Tốc độ lấy mẫu ít nhất phải từ 2 đến 4 kSPS (kilo Sample per
Second). Theo đònh luật Nyquist tần số lấy mâãu phải gấp hai lần tần số lớn
nhất của tín hiệu đo.
ü Chi phí thấp. Ngoài chi phí cho ADC còn phải lưu ý đến chi phí của
các linh kiện đi kèm với ADC.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 4
ü Công suất tiêu thụ thấp. Một trong những thử thách của việc thiết kế
đồng hồ la ø việc thiết kế bộ nguồn cung cấp (PSU : Power Supply Unit). Bộ
nguồn phải có chi phí thấp và độ tin cậy cao (khả năng hoạt động từ 15 đếùn
20 năm).
KỸ THUẬT OVERSAMPLING
Một trong những cách đáp ứng được yêu cầu đạt được độ phân giải cao cho
ADC là sử dụng lý thuyết lượng tử hoá tăng độ phân giải ADC trong băng thông
mong muốn. Điều này có thể thực hiện được bằng kỹ thuật Oversampling, ví dụ
như việc lấy mẫu tại tần số cao hơn tần số Nyquist. Giả sử ta sử dụng một IC
ADC 12bit và lấy mẫu với tốc đôï 100kSPS tín hiệu có tần số tối đa 2kHz thì độ
phân giải đạt được có thể được tính theo công thức.
++=
kHz
kHz
logdB.bitsx.SNR
ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được
xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên.
FLASH (PARALLEL) VÀ HALF FLASH ADC
Kỹ thuật Flash chuyển tín hiệu lấy mẫu thành giá trò nhò phân theo một
bước hoặc hai bước (đối với loại Half Flash). Vì vậy thời gian chuyển đổi rất
ngắn. Cấu trúc này thường được dùng cho ADC có độ phân giải thấp (8bit đến
10bit) nhưng lại có tốc độ lấy mẫu cao (từ 20 đến 50 MSPS).
Ưu điểm
ü Tốc độ chuyển đổi rất cao.
Nhược điểm
ü Độ phân giải thấp.
ü Tiêu thụ công suất lớn.
ü Chi phí tương đối cao.
ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được
xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên.
INTEGRATING (DUAL SCOPE) ADC
Công nghệ này thường được sử dụng trong việc đo lường có tốc độ chậm
nhưng đòi hỏi độ chính xác cao như trong các đồng hồ số đa năng. Nó có thể đạt
được độ phân giải tối đa 22bit và có khả năng nén, hạn chế nhiễu cao.
Ưu điểm
ü Độ chính xác cao.
ü Công suất tiêu thụ khá thấp.
ü Chi phí tương đối thấp.
Nhược điểm
ü Tốc đôï chuyển đổi bò hạn chế. Độ chính xác giảm đi khi tốc độ lấy
mẫu tăng.
V/F (VOLTAGE TO FREQUENCY) ADC
lý tín hiệu đầu vào.
Nhược điểm
ü Cần có bộ điều chế cao hơn một khi đòi hỏi tốc độ chuyển đổi cao.
ü Công suất tiêu thụ tương đối cao co với loại SAR và Integrating
ADC.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 7
XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ĐÃ ĐƯC CHUYỂN ĐỔI
Một khi đã được chuyển đổi sang giá trò số, các giá trò điện áp và dòng
điện sẽ được nhân với nhau, lọc và xử lý để đưa ra các dữ liệu yêu cầu. Các bộ
biến đổi dòng và áp (voltage and current transducers) có nhiệm vụ chuyển tín
hiệu điện lưới thành tín hiệu có biên độ nhỏ hơn phù hợp với ADC. Sau khi được
lấy mẫu và chuyển đổi, các tín hiệu này được xử lý bằng các mạch số để đưa ra
các dữ liệu cần thiết như: công suất thực, công suất phản kháng, công suất biểu
kiến… Ngoài ra đồng hồ còn có các tính năng khác như bộ nhớ để lưu các giá trò
hoặc các thông số chuẩn hoá, bộ nguồn cung cấp và thiết bò hiển thò (LED hoặc
LCD) để hiển thò giá trò đã đo được. Thêm vào đó các tính năng như AMR
(Automatic Meter Reading) có thể mở rộng việc giao tiếp và quản lý của đồng
hồ.
Dựa vào sơ đồ khối trên, người ta có thể phân loại đồng hồ đo điện năng
thành hai loại
Đồng hồ dựa trên một DSP chuyên dụng
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 8
Đồng hồ dựa trên ADC và một DSP thông thường
Ea
exp.Ar
Qua công thức trên, các nhà sản xuất có thể tính được tỉ lệ hư hỏng trong
một thời gian xác đònh.
KIỂM TRA TÍNH CHỊU ĐỰNG CỦA THIẾT BỊ ĐỐI VỚI CÁC TÁC
ĐỘNG BÊN NGOÀI
Chủ yếu trong cuộc kiểm tra này, nhà sản xuất sẽ kiểm tra độ tin cậy của
thiết bò khi chòu các tác động về cơ khí như bò rớt, va chạm mạnh… Điều này rất
quan trọng ví như thiết bò có thể hư sau vài giờ ở nhiệt độ cao nhưng có thể sẽ bò
hư hỏng ngay lập tức khi bò va chạm mạnh.
HƯ HỎNG DO SHOCK ĐIỆN
Hư hỏng do shock điện phần lớn do sử dụng thiết bò ở phạm vi quá tầm
hoạt động tối đa được đề cập trong tài liệu đính kèm. Để hạn chế sai sót này, nhà
sản xuất thường tích hợp các mạch bảo vệ chống tónh điện trong IC như tăng khả
năng chòu ESD (Eletrostatic Discharge)... Việc kiểm tra này bảo đảm rằng các IC
vẫn hoạt động tốt sau khi bò shock điện trong một thời gian ngắn.
KẾT LUẬN
Qua các điều đã trình bày ở trên cho thấy các công nghệ mới đã làm giảm
chi phí một cách đáng kể trong việc đo lường và quản lý điện năng. Các IC tích
hợp chuyên dụng được sản xuất ngày càng nhiều làm giảm thời gian thiết kế và
tăng tính linh hoạt cho các thiết bò đo. Chính điều này đã thúc đẩy các nhà sản
xuất IC không ngừng mở rộng và phát triển ngành công nghiệp đo lường.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 10
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
VDA, VSA Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu tương tự trong IC. VDA nối
với nguồn ổn đònh +3V và VSA nối với mass.
VDD, VSS Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu số trong IC. VDD nối vơi
nguồn +3V và VSS nối mass.
XI, XO
Ngõ vào và ra dao động. Giá trò thạch anh mặc đònh là
7.3728MHz. Trong trường hợp dùng nguồn dao động ngoài,
chân XO được bỏ trống và dao động được đưa vào chân XI.
XRES Chân reset của IC (tích cực mức thấp).
VIN Ngõ vào điện áp, tầm đo có thể thay đổi từ –1V đến +1V so
với điện áp chân VREF.
IINN, IINP Ngõ vào dòng điện. Điện áp tối đa sau bộ biến dòng là 1V
giữa hai ngõ vào.
VREF Ngõ vào điện áp so sánh.
EP Ngõ ra xung đếm điện năng. Mối liên hệ giữa công suất tiêu
thụ và tần số xung có thể thay đổi được.
NEG Ngõ ra phát hiện công suất tiêu thụ âm (tích cực mức cao).
VOL Ngõ ra phát hiện sụt điện áp lưới quá ngưỡng cho phép.
ZC Tích cực mức cao ít nhất 0.25mS khi áp lưới qua zero.
GC Ngõ vào điều khiển độ lợi dòng điện (tích cực mức thấp). GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 13
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Ngõ ra xung EP cho phép tính toán được điện năng tiêu thụ theo công thức:
( )
Trong đó, P là công suất thực (kW), MC là hằng số đo (số xung/kWh).
HẰNG SỐ ĐO
Tần số xung trên ngõ ra EP tỉ lệ với công suất tiêu thụ qua hằng số đo.
Hằng số đo càng lớn, số xung/kWh càng lớn.
Hằng số đo MC phụ thuộc vào tần số xung clock, điện áp đo cực đại, dòng
đo cực đại, và hệ số tỷ lệ nội theo công thức :
MAXMAX
CLK
xIxU55
xEPRATExf2
MC =
với EPRATE là hệ số tỷ lệ nội được mô tả trong phần dưới
THAY ĐỔI HỆ SỐ TỶ LỆ NỘI
Trong thời gian khởi động IC , các ngõ ra NEG, ZC và VOL được xem như
ngõ vào. Nếu một chân nối với điện trở kéo lên, chân đó xem như ở trạng thái
tích cực (logic 1). Một chân bò bỏ trống (NC : not connected) hoặc nối với tải
(LED …), sẽ được coi là đang ở trạng thái thấp (logic 0). Trạng thái này quyết
đònh giá trò hệ số tỷ lệ nội được đề cập ở công thức trên. GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 14
Bằng cách kết hợp các tần số xung clock và trạng thái ba chân NEG, VOL
và ZC, người sử dụng có thể chọn lựa tần số xung phát, độ chính xác cũng như
cấu hình phù hợp với nguồn tải tiêu thu.ï
TRẠNG THÁI CÔNG SUẤT
Ngõ ra NEG cho người sử dụng biết trạng thái của công suất. Nếu ngõ ra
GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG AD7755
(HÃNG ANALOG DEVICES) GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT
ü Độ chính xác cao, hỗ trợ tần số 50 / 60 Hz.
ü Sai số < 0,3%.
ü Điều khiển trực tiếp bộ đếm cơ và mô tơ bước hai pha trên một số
ngõ ra (F1 và F2).
ü Ngõ vào dòng điện có bộ khuếch đại độ lợi lập trình được (PGA :
Programmable Gain Amplifier) cho phép sử dụng điện trở Shunt có giá trò
nhỏ.
ü Nguồn cung cấp đơn 5 V, công suất thấp (15mW).
AD7755 là một IC đo điện năng có độ chính xác cao. AD7755 chỉ xử lý tín
hiệu tương tự trong bộ ADC và mạch so sánh điện áp, tất cả các quá trình xử lý
tín hiệu khác (nhân, lọc tín hiệu …) đều được thực hiện bằng tín hiệu số. Chính
điều này đã tạo tính ổn đònh và độ chính xác cao trong những điều kiện môi
trường khắc nghiệt và trong cả thời gian dài.
SƠ ĐỒ KHỐI
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 17
SƠ ĐỒCHÂN
Chân Chức năng chân
DVDD
Chân cấp nguồn cho phần mạch số trong AD7755. Điện áp
nhiễu nên nối chân này với chân DGND.
SCF Ngõ vào cho phép chọn lựa tần số chuẩn hoá.
S1, S0 Cùng với SCF, 2 ngõ vào này cho phép người sử lựa chọn tần
số chuẩn hoá.
G1, G0 Ngõ vào chọn độ khuếch đại tín hiệu của ngõ vào dòng điện.
Độ khuếch đại là 1, 2, 8 và 16.
CLKIN Ngõ vào xung clock cho IC. Tần số của thạch anh là 3.58 MHz
CLKOUT Ngõ ra xung clock của IC. Ngõ ra này có thể cấp xung clock
cho 1 IC CMOS khác khi có xung clock vào tại CLKIN.
REVP
Ngõ ra này tích cực mức cao khi phát hiện thấy công suất tiêu
thụ là âm (ví dụ khi điện áp và dòng điện lệch pha nhau 180
o
).
Tín hiệu này không được chốt và sẽ được reset khi công suất
tiêu thụ dương trở lại.
DGND Chân mass của phần mạch số trong AD7755. Để hạn chế
nhiễu, chân này nên được nối với AGND.
CF Ngõ ra tần số chuẩn hoá. Ngõ ra này còn cung cấp thông tin
về công suất thực tức thời, ngoài ra nó còn có mục đích chuẩn
hoá.
F2, F1
Ngõ ra tần số cung cấp thông tin về công suất trung bình tức
thời. Hai ngõ ra này có thể trực tiếp điều khiển bộ đếm cơ
hoặc mô tơ bước hai pha. THÔNG SỐ KỸ THUẬT
CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI
AD7755 tính toán công suất thực dựa trên hai tín hiệu điện áp ở các ngõ
vào dòng điện và điện áp. Sau đó giá trò công suất này được chuyển đổi thành tần
số. F1 và F2 là hai ngõõ ra cho phép tính được công suất thực trung bình dựa trên
tần số và số xung mà hai ngõ ra này cung cấp. Tần số được tính theo công thức :
2
REF
4121
V
xGAINxFxVxV06.8
Freq
−
=CHUẨN HOÁ TẦN SỐ
Ngõ ra xung CF được sử dụng vào mục đích chuẩn hoá. Tín hiệu xung tại
ngõ ra này có thể gấp 128 lần tần số tại hai ngõ ra F1 và F2. Tần số này cho phép
tính được công suất thực tức thời. Đó là trường hợp hai tín hiệu tại F1 và F2 vừa
được nhân với nhau xong. Tuy nhiên vì tần số này khá cao nên giá trò công suất
này chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 21
Phương pháp dễ dàng nhất để tính được giá trò công suất tiêu thụ do
AD7755 xử lý được là sử dụng ngõ ra CF nối với ngõ vào bộ đếm của vi điều
khiển.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 23
SƠ ĐỒCHÂN
Chức năng Mô tả
GND Chân mass cho tín hiệu tương tự. Điện áp cho chân này nên
nằm trong khoảng giữa V
DD
và V
SSV
DD
Chân cấp nguồn dương cho IC. Điện áp cung cấp cho chân
này có giá trò điển hình là +2.5V, nếu sử dụng điện trở shunt
để biến dòng thì có thể cung cấp điện áp lên đến +5V.
V
SS
Chân cấp nguồn âm cho IC. Giá trò điển hình là –2.5V. Nếu
có sử dụng điện trở shunt thì có thể sử dụng nối mass chân
này.
IVP Ngõ vào điện ápï.
IIN,IIP Ngõ vào dòng điện.
VREF Cung cấp điêïn áp so sánh. Trạng thái tối ưu có thể đạt được
bằng cách nối chân này với VSS qua một điện trở 25KΩ.
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 25
CẤU HÌNH CHO TÍN HIỆU VÀO TƯƠNG TỰ
Các mạch ngõ vào điện áp và dòng điện được trình bày như hình dưới.
Những ngõ vào này được bảo vệ chống tónh điện ESD bằng các các diode kẹp.
Nhánh hồi tiếp từ ngõ ra của 2 tầng khuếch đại A
I
và A
V
tạo ra các xung ngắn
trên các tín hiệu đầu vào. Vì vậy giá trò nhân đôi chính xác của tín hiệu dòng điện
ngõ vào được đưa vào mạch xử lý tín hiệu tương tự.
Copyright: Tài liệu đại học ©