Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các SCADA phục cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại phần 1 nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị cơ bản xây dựng hệ SCADA mạng điện

Nội dung của đề tài nhánh như sau: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các transducer đo các đại lượng sau: - Dòng và áp hiệu dụng - Công suất và năng lượng tác dụng - Công suất và năng lượng p

Hội liên hiệp KHKT Việt nam

Liên hiệp hội kHKT công trình

Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nước

Kc 03 Tự động hóa

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada

phục vụ cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại

M∙ số kc 03.11

Chủ nhiệm: PGS Nguyễn trọng quế

Phần 2 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị cơ bản xây dựng hệ scada mạng điện

6684-2

28/11/2007

Hà nội – 2003

MỤC LỤC

Chương I: Các khái niệm cơ bản, chọn phương án

I Các khái niệm cơ bản

1 Dòng hiệu dụng

2 Đo công suất và năng lượng

II Phương hướng của việc nghiên cứu transducer

III Vi hệ thống ADE 7753

IV Phân tích những vần đề kỹ thuật áp dụng vào ADE 7753

Chương II Thiết kế các transducer, đo các đại lượng trên cơ sở ADE 7753

I Phương hướng cơ bản

II Các cách truy cập vào ADE 7753

III Tổ chức hệ thống

Chương III Xây dựng thiết bị

I Sơ đồ lắp ráp

II Chương trình phần mềm

BÀI TÓM TẮT

Đây là nội dung của 5 đề tài nhánh 3,4,5,6,7 của đề tài Nhà nước KC –

03-11 ký kết ngày 6/03-11/2001 với chủ nhiệm chương trình khoa học và công nghệ trong diện Nhà nước KC – 03

Nội dung của đề tài nhánh như sau:

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các transducer đo các đại lượng sau:

- Dòng và áp hiệu dụng

- Công suất và năng lượng tác dụng

- Công suất và năng lượng phản kháng

- Công suất và năng lượng biểu kiến

- Chu kỳ lưới điện

- Hệ số công suất cosφ

Cấp chính xác của tất cả các thang đo 0,5% FS

Đầu ra thống nhất hoá 4-20mA và ra nối tiếp kiểu số theo chuẩn RS 485

Có thể đặt được giá trị báo động

Hợp đồng ký kết 11/2001/HD – DTCT – KC03

Đây là những bộ biến đổi của các đại lượng điện cơ bản mà trong quản lý điện (SCADA) cần phải thu thập, có thể kết nối với các hệ thống đo lường và điều khiển trong hệ thống điện Việt Nam Trong đề tài đã áp dụng những thành tựu mới nhất của vi hệ thống tức là các hệ thống ADE 775X của Analog devices ra đời năm 1999 và đến nay mới đi vào hoàn thiện

Tính năng của vi hệ thống này cao hơn hẳn các biển đổi lắp ghép bằng linh kiện rời từ trước nay vẫn dùng

Vi hệ thống này lại cho phép sử dụng rất linh hoạt, vì vậy đề tài đã bố trí nghiên cứu thiết kế các transducer có dùng một kết cầu phần cứng Phần mềm được thiết kế để đặt được các thông số đo các đại lượng như nói trên

Vì vậy, phần lập trình phải tổ chức theo kiểu menu Khi cần đo đại lượng gì

ta chỉ cần chọn menu bằng 4 phím trên mặt máy

Các sản phẩm được sản xuất ra ở dạng chế tạo thử và hoạt động tin cậy

Ở đây có một ý nghĩa lớn là đã nghiên cứu một vi hệ thống hiện đại là cơ sở của những biến đổi lớn trong kỹ thuật đo lường các đại lượng điện và không điện

Ra được bộ biến đổi này cho ta có sổ cho các bộ biến đổi khác phát triển các thiết bị đo ảo với giá thành rất rẻ

Các tác giả

CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

Transducer điện là một bộ biến đổi đo lường, biến của các đại lượng về điện trong lưới điện thành dòng điện một chiều thống nhất hoá 4-20mA hay biến thành đại lượng số được truyền đi bằng mã nối tiếp theo các chuẩn xác định (thông thường là RS 232 hay RS485)

Các đại lượng là:

Dòng và áp dụng hiệu dụng (Irms, Urms)

Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến (P,Q,S) Năng lượng tác dụng và phản kháng (Wa, Wr)

Chu kỳ lưới điện hay tần số, hệ số cosφ

1 Dòng điện và điện áp hiệu dụng Theo định nghĩa

I N

2

1

Ii: Dòng điện ở thời điểm thứ i

Đối với dòng điện hình sin ta có:

Irms= I Sinat dt

T

T m

- Quan hệ với I không tuyến tính

- Độ nhạy không cao, độ chính xác thấp

Tuy thế, một thời gian dài nó được dùng chủ yếu do dòng điện xoay chiều công nghiệp Cấp công suất tiêu thụ 1-2Watt chính xác 1,5 và 2,5

Để có độ chính xác cao hơn người ta dùng cơ cấu điện động

Trong cơ cấu điện động ta có momen quay:

(I = K1I; I2 = KvV)

Loại cơ cấu điện động này chủ yếu dùng đẻ đo công suất hoặc đo Uv khi cần

có độ chính xác cao

Cấp chính xác cao nhất của dụng cụ này là 0,2% FS

Công suất tiêu thụ 2-5Watt

Trong các vạn năng kế người ta đi dòng và áp mạch chỉnh lưu bán dẫn tức

là đo dòng trung bình, sau đó suy ra dòng hiệu dụng bằng cách nhân với hệ số 1,11 là hệ số quan hệ giữa dòng hiệu dụng và dòng trung bình trong tín hiệu hình sin

Cơ cấu này có những khuyết điểm sau:

- Các diot chỉnh lưu không phải là phân tử lý tưởng, quan hệ giữa U và I không tuyến tính

- Hệ số chỉnh lưu diot thay đỏi theo nhiệt độ vì thế dụng cụ chỉnh lưu bằng diot thay đổi theo nhiệt độ

- Hệ số 1, 11chỉ đúng khi tín hiệu đo là hình sin

Cấp chính xác cao nhất của các dụng cụ chỉnh lưu chỉ là cấp 1,5

Nhiều công trình từ năm 1970 đến nay đã cố gắng đo dòng xoay chiều chính xác cao

Luận án Tiến sỹ của NguyễnVăn Tách đã đưa trên 130 tài liệu nghiên cứu phương pháp đo dòng xoay chiều chính xác

Với sự ra đời của nhiều linh kiện điện tử, nhiều sơ đồ đã được đưa ra để đo chính xác dòng xoay chiều; các bộ transducer điện tử ra đời biến I, U hiệu dụng thành dùng 0 – 10 mA; 0 – 20mA

Sau khi ra đời các ADC chính xác cao, tốc độ lớn và sự phối hợp với vi điều khiển giải quyết việc tính toán xử lý số liệu người ta mới đi đến phương pháp rời rạc hoá xoay chiều, thu nhập và tính toán theo đúng công thức như đã định nghĩa ở trên

Liên tiếp các transducer vạn năng ra đời, vừa đo I, U, P, Q, S, Wa, Wt với độ chính xác 0,5

Sơ đồ chung của các transducer này là ADC tốc độ cao phối hợp với vi xử lý hoặc ADC phối hợp với DSP

2 Đo công suất và năng lượng

Năng lượng Wa = p dt p t

T

T

.1

0

=

∫P: Công suất tức thời và tích của u và i

i, u: Dòng điện và điện áp tức thời

Ui, Ii: Dòng điện và điện áp tức thời tại thời điểm i

P: Công suất trung bình

Ucos2

Mth = Kw=

2

2

m

m I

Mth = Kw =U.Icosφ = Kwφ Đối với đo năng lượng ta dùng cơ cấu cảm ứng

Momen quay: Mq = KΦuΦi sinφ

Ta phải chuyển Mq = K.U.Icosφ

Muốn vậy:

Φ0 = Ku.U Φ = Kl.I cosφ = sinφ

Công tơ phải có nhiều hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng

Momen quay Mq lớn nên có thể kéo bộ đếm cơ khí ghi số trên công tơ

Đĩa quay giữ chức năng là bộ tích phân nên:

Nx = K.Wx

Nx: Số vòng quay của điện công tơ

Wx: Năng lượng truyền qua công tơ

Cũng như đo U và I, có nhiều phương pháp ra đời dùng bộ phận nhân điện

và người ta chế ra transducer công suất, năng lượng

Các transducer vạn năng cho phép đo tất cả các đại lượng U, I, P, Q, S, Wa, Wr,

T, cosφ được ra đời cùng với kỹ thuật ADC và µC

Người ta đã có transducer vạn năng và tranducer riêng biệt chỉ đo một đại lượng xác định

Thông thường transducer vạn năng thuận lợi hơn nhưng độ chính xác thường kém hơn transducer chuyên dụng

Nếu đảm bảo được sai số yêu cầu và giá thành vẫn giữ nguyên thì đứng về phương diện công nghệ việc vạn năng hóa transducer, tăng số lượng sản xuất đạt thông số ở phần mền sẽ cho phép:

- Giảm giá thành lắp ráp chế tạo (phần cứng)

- Linh hoạt sử dụng (phần mềm)

Trong các transducer thông minh (Smart transmiter) người ta chế tạo phần cứng rất giống nhau và dùng một hand held unit một communicator để đặt lại thông số cho transmitter

Vì vậy transducer thiết kế và chế tạo các yêu cầu sau:

1 Giảm tối thiểu phần cứng tức là phần cứng tối thiểu nhất về linh kiện các

IC, điện trở dung các công tắc đổi nối các đầu cắm

2 Thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá để dễ lắp đặt, dễ sử dụng

3 Sử dụng tối đa khả năng phần mềm, linh hoạt hoá nhờ phần mềm

4 Giảm giá thành chế tạo đến mức tối thiểu

5 Đặc tính kỹ thuật nổi trội hơn các thiết bị từ trước đến nay

6 Sử dụng các linh kiện hiện đại nhất để tăng các tính năng kể trên

7 Vì như vậy: transducer U, I, P, Q, f, cosφ được chế tạo thống nhất phần cứng khi cần đo sẽ dùng communication để đặt thông số

Cũng vì như vậy mà ta chọn họ IC ADE 775X để thiết kế các transducer

Vì bên ngoài chùng hoàn toàn giống nhau về cấu tạo Khi cần biến đổi đại lượng với yêu cầu khác nhau, ta có thể tác động vào phần mềm của IC để đáp ứng các yêu cầu về đo lường

Cấu trúc của transducer như hình vẽ 1.1

SP1 RS485

SP1 4-20mA

Hình 1.1: Sơ đồ khối của transducer vạn năng

Transduer gồm vi mạch ADE 7753 của Analog devices là bộ biến đổi đa năng có thể tác động vào trong mạch xử lý của nó

V1 ADE V2 7753

V2 V2

MCU

8052

D/A

Đầu vào là V1, V2 (có nhiều cấp điện áp)

Thiết bị có khả năng:

- Lấy giá trị tức thời của V1,V2 với tốc độ 894 ks/s

- Tính được giá trị hiệu dụng của V1rms, U2rms.

- Có thể làm phép nhân tức thời giữa V1 và V2 đưa ra kết quả tức thời

- Có thể nhân, lấy tích phân để cho giá trị trung bình của tích ấy

p(t) = V1(t).V2(t) Tính P = ∑

=

N t i i

P N

Đứng về đặc tính kỹ thuật mà xét ADE 7753 cho phép biến đổi tích V1, V2với sai số tổng là 0,1% là một kết quả không một nhà chế tạo tự lắp ráp từ các IC rời có trong thị trường đạt kết quả đó

Kết quả được đưa ra với tốc độ cao (47 kHZ) với tốc độ phân giải 24 bit là một kết quả hết sức tốt cho việc sử lý các quá trình nhanh

III VI HỆ THỐNG ADE 7753

Họ ADE 775X thực chất là một vi hệ thống vì có phần biến đổi đặc biệt đầu vào, có bộ biến đổi tương tự số, có phần sử lý số liệu, có phần truyền tin nối tiếp SPI

ADE 7753 cơ bản vẫn là thuộc họ 775X nhưng có những đặc điểm sau:

Có đầy đủ tất cả các xử lý cần thiết để đảm bảo chất lượng kỹ thuật của bộ biến đổi, có thể tác dụng vào các khâu khác nhau trong vi hệ thống

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng của ADE7753

Có thể giải thích cách làm việc của ADE 7753 như sau:

Điện áp và 2 kênh V1và V2 Điện áp vào V1, V2 có thể vi sai, có thể so đất Điện áp V1 được truyền qua khuyếch đại vi sai PGA có thể thay đổi hệ số khuyếch, có thể thay đổi 1, 2, 4, 8, 16 Điện áp cao nhất 0,5V Thấp nhất 0,00781V, hệ số khuyếch đại có thể điều khiển được phần mềm

Sau khi khuyếch đại tín hiệu được đưa vào ADC kiểu ∑, ∆16 bit tần số lấy mẫu là 894kS/s Tín hiệu biến thành số được qua bộ lọc thông cao để loại trừ offset ở đầu ADC Sau đó qua bộ phân tích cũng là kiểu số Bộ tích phân cho phép

đo từ cảm ứng ở cuộn dây đầu vào Bộ tích phân này có thể xen vào có thể tách ra khi cần thiết

Tín hiệu sau tích phân chia làm 2 đường, đường thứ nhất đi vào bộ nhân với tín hiệu lấy từ V2 sang Tín hiệu V2 được điều chỉnh góc pha bù cho góc pha của một trong 2 tín hiệu bị lệch pha trong V1, hoặc V2

Sau khi nhân xong số liệu đầu ra tỷ lệ với tích V1, V2

Số liệu này qua bộ lọc thông thấp để loại trừ những giao động tần số cao

Sau đó chúng được công với nhau theo công thức tính toán ∑ 1 1

1

I U

N tức là

số liệu của P (công suất tác dụng) Số liệu công suất tác dụng được đưa vào bộ register về công suất tác dụng (24 bit) số liệu này có thể chuyển ra ngoài thêo cổng SPI

Ngoài ra Analog devices còn bố trí một biến đổi số thành tần số (DFC) để

có tần số lấy ra CF dùng cho việc khắc độ thiết bị

Đường thứ 2 được đưa đến bộ bình phương sau đó bộ lọc thông thấp Bộ cộng (lấy trung bình) và bộ căn để cho ra số liệu về điện áp hiệu dụng của U1 và

U2

Số liệu này cũng được lấy ra ngoài qua cổng SPI

Các giá trị hiệu dụng của cả 2 kênh được đưa vào nhân với nhau để cho ra

số liệu tỷ lệ với công suất biểu kiến

Các số liệu tức thời cũng có thể lấy ra ngoài theo cổng SPI

Ngoài ra trong ADE 7753 còn bố trí mạch phát hiện qua điểm zero, dùng để cho số liệu về chu kỳ hay tần số

Số liệu về cosφ được tính quan P và S cosφ =

S P

Tóm tắt đặc tính kỹ thuật của ADE 7753:

1 Đầu vào 2 điện áp xoay chiều có thang đo lớn nhất 500mV, thang bé nhất 7,81mV phân giải 24 bit

Chọn thang ADC Tín hiệu vào

0,0156V Gain = 16 Gain = 8

2 Tín hiệu xoay chiều này có thể lấy ra giá trị tức thời và tần số 14KHZ(CLK/256) và 28KHZ (CLK/128)

3 Chọn được giá trị hiệu dụng của V1rms,V2rms

4 Kênh V1 có một tích phân số, cjo phép đo được các đại lượng từ, các thông số động lực học của thiết bị

5 Chọn được tính tức thời của V1, V2 cho phép ghi lại tình trạng công suất khi có sự cố trong hệ thống điện (thay cho đầu rung công suất ở các máy kiểm tra khi có sự số hiện nay) phân giải 24 bit

6 Cho phép lấy trung bình của tích V1, V2 để có công suất tác dụng thông qua thiết bị

7 Cho phép nhân V1rms với V2rms để có công suất biểu kiến

8 Tích luỹ năng lượng trong khoảng thời gian 10 giây

9 Cho phép phát hiện kiểm tra zero của lưới điện để làm mốc khởi đầu cho các phép tích luỹ, cho phép đo tần số lưới điện với độ phân giải cao

10 Cho phép tính hệ số công suất cosφ

11 Sai số tổng bé hơn 0,1% là sai số rất thấp so với các thiết bị đã có Để đảm bảo sai số ấy cần rất nhiều phep gia công như trong sơ đồ chức năng

12 Cho phép tác động và các nơi cần thiết của ADE 7753 để hiệu chỉnh thay đổi thông số đảm bảo cho transducer rất chính xác yêu cầu đồng thời rất linh hoạt trong sử dụng

III PHÂN TÍCH NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG VÀO ADE

I Phân tích ở khía cạnh sai số và tổ chức xử lý

Các bộ biến đổi IC ADE 775X hầu hết có độ chính xác rất cao sai số tổng

số đến 0,1% trên giải thang đo 500: 1 hoặc 1000: 1

ADE 775X gồm 4 khâu:

1 Mạch khuếch đại vi sai đầu vào

2 ADC tốc độ nhanh, 16 bit

3 Xử lý lọc, nhân, tích phân, biến đổi tạo tần số từ số liệu số

G: hệ số khuếch đại của mạch dòngđiện; γGI: Sai số của mạch khuếch V1

KADC: Hệ số biến đổi của ADC; γ ADC: Sai số của ADC

K0: Hệ số phân áp của điện áp; γ 0: Sai số của phân áp

G0: Hệ số khuếch của mạch khuếch V2 γGU:Hệ số khuếch của mạch

khuếch V2

KФU: Hệ số lọc thông cao của mạch U; γФU: Sai số gây ra cho bộ lọc kênh

U

KФVA: Hệ số lọc thông thấp sau bộ nhân công suất trung bình

φ

γ

VA: Sai số gây nên do bộ lọc thông thấp VA

KDFC: Hệ số biến đổi của mạch biến đổi số tần số

φ

γ

DFC: Sai số của bộ biến đổi số - tần số

f0: Tần số chuẩn (Clock) của bộ IC

10

γ : Sai số tần số chuẩn

Như vậy: Các phép biến đổi từ U, I đến tần số ở đầu ra CF phải qua

nhiều khâu biến đổi nối tiếp và 1 phép nhân Nếu chia đều các sai số trong

trong chuỗi biến đổi ấy thì mỗi thành phần sẽ phải đảm bảo một sai số:

10

yc

γ

(γyc: sai số yêu cầu )

Tức If sai số thành phần là 0,01% để đảm bảo sai số tổng là 0.1%

Đây là một sai số rất nhỏ vượt qua những sai số hiện có lâu nay của các

thiết bị đo vì vậy phải có biện pháp thực hiện đã được Analog devices áp

dụng vào các IC ADE 775X một cách có hiệu quả

b Sai số của biến dòng:

Biến dòng ở đây không dùng ở chế độ hoàn toàn ngắn mạch mà có một

phụ tải

Đối với biến dòng thông thường, thứ cấp phải cung cấp cho cuộn dây

ampemet điện từ, tiêu thụ vào khoảng 1W, cuộn dây của Wattmet vá công tơ tiêu thụ cỡ 2W Vì thế sai số của các biến dòng công nghiệp không thể vượt

P =

000 400

5 , 0 5 ,

0 = 0.6.10− 6W Công suất tiêu thụ mạch V1, V2 không đáng kể

Hệ số biến đổi của biến dòng được tính như sau:

Khi biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch thứ cấp ta có:

Để chỉnh pha analog devices đã thực hiện 1 phép trễ ±34,7 µs thực hiện bằng một register điều khiển 6 bit [ ]0,5 tức là tương ứng 1, 12 µs một LSB tức là 1 LSB

bù góc pha tương ứng với 4 nhịp clock hay 00, 024

Để chỉnh pha ta gọi PHCA (Phase calibration) ở địa chỉ 10h trên Memory map

Khi lắp đặt, ta bố trí một fazo met điện tử để đo góc pha giữa I1 và I2 trong biến dòng Từ đây ta tính giá trị trễ phải đặt trong mạch bù góc pha

Nếu trong các phazomet có thang chỉ tφ

Ví dụ: tµ= + 12µs

Ta phải đặt:

12,1

Vì thế để kiểm tra một biến dòng

có thể hoạt động với ADE 7753

hay không ta phải bố trí đo góc pha

giữa I1 và I2 Nếu góc pha vượt

quá 0,60hay thời gian quá ±34,7 µs ta

phải có biện pháp giải quyết

Hình 2.4: Điều chỉnh góc lệch pha trong ADE7753

Nếu góc pha nằm trong sai số 0,60 hay ±34,7 µs thì có thể dùng hiệu

chỉnh bằng phần mềm

Khả năng hiệu chỉnh của phần mềm có thể giảm đến mức sai số đo góc

pha giảm xuống ± 1,12µs tức là với sai số 0,0056% ứng với tần số 50Hz

0 1 0 1 0 1

0,0056% < 0,01% đảm bảo sai số bù pha cho bộ liên đới ADE 775X

2

R R

R

+ Nếu R1, R2 cùng làm bằng 1 vật liệu ở điều kiện như sau thì có thể

1

R R

)1(

1

1 1

t R

t R

α

α+ -

)1(

2

2 2

t R

t R

α

α+ =

)1)(

1

2 1

t t

t t

αα

αα++

−

Tính gần đúng γt.R1/R2 (α1−α2)t

Nếu hai điện trở được chế tạo cùng vật liệu α1,α2chỉ sai khác có 1 vài phần triệu

(2ppm); nhiệt độ làm việc giao động độ 10-200C

Nằm trong phạm vi cho phép

Chú ý các điện trở phải có hệ số nhiệt độ như sau Nếu không đảm bảo điều này phải có công thức bù nhiệt độ ở phần mềm Vì thế Analog devicer có bố trí một cảm biến đo nhiệt độ trong mạch của IC

d Sai số của khuếch đại

Điện áp V1, V2 được đưa vào bộ khuếch đại mà hệ số khuếch đại biến thiên được với các giá trị 1, 2, 4, 8, 16

Bố trí mạch khuếch đại ADC và xử lý tín hiệu ADE 7753 cho ở hình 2.5

Hình 2.5: Mạch PGA, ADC, xử lý tín hiệu và các tín hiệu ở kênh 1

Mạch khuếch đại phải có hệ số khuếch 1, 2,4, 8, 16 sai số khuếch đại gây ra không quá 0,01% là một mạch rất khó thực hiện

Khi thiết kế mạch khuếch đại thuật toán ta có:

Tuỳ theo cách mắc của khuếch đại đảo đầu hay không đảo đầu:

R ( không đảo dấu hay bù điện áp)

Sai số khuếch đại gây nền gồm 2 thành phần sai số nhân tính và sai số công tính Sai số nhân tính do hệ số khuếch G thay đổi

K

G d

K

G K

dK

1

ββ

K: Hệ số biến đổi thuận của khuếch thuật toán (K rất lớn)

β : Hệ sô phản hồi: R

dR R

dR

ββ

- Sai số cộng tính chủ yếu là do nhiễu, do các nguyên nhân sau:

Nhiễu, trễ, trôi, lệch zero (drift, offset)

Trong tài liệu các khuyếch đại thuật toán đều có giá trị này và vì chúng độc lập với nhau

2 2

∆ : Sai số công tính tuyệt đối

∆n : Sai số do nhiễu chủ yếu nhiệt nhiễu thay đổi theo độ và tần số của nguồn nhiễu

∆drift: Trôi chủ yếu do nhiệt độ (trôi điểm công tác)

offset

∆ : Lệch điểm công tác hay lệch điểm zero ban đầu

n

a a

X : Giá trị định mức đầu vào khuyếch đại

Đối với ADE 7753 có 3 định mức vào 0,5V; 0,25V và 0,125V

Như vậy a phải : a =≤125mV

Khoảng làm việc là ±150C so với 200C vì vậy Nhiễu phải không quá 0,5µV/0C và trôi cũng không quá giá trị đó

Điều này phải được giải quyết bằng công nghệ và Analog device, với kinh nghiệm hơn 30 năm sản xuất mạch tương tự mới có thể thực hiện được

Về phần bù offset thì tuỳ theo thang đo của bộ biến đổi, offset có thể bù

±20mV hoặc ±50mV

Bù offset có thể điều khiển được bằng register 8 bit, trong ấy 6 bit [0−5] bit thứ; 6 không dùng, bit 7 dù để đóng mạch tích phân

Hình 2.6 Chỉ cách điều hệ số khuyếch đại PGA và bù offset

Hình 2.7 Chỉ cách bố trí điều khiển trong gain register của hệ số khuyếch đại kênh 1 và kênh 2

Bảng 1: Ghi cách bố trí các thang đo của ADE 7753

Với cách bù offset như trên không giải quyết được vấn đề dư

Offset người ta bố trí thân phần lọc số thông cao (HPF) để loại trừ ảnh hưởng của offset dư

VEV.PrC 01/20

đ, Sai số của ADC

ADC ở đây là ADC chính xác cao, tốc độ cao

Analog devices sử dụng ADC dựa trên nguyên lý ∑.∆cho hình vẽ 2.8

Tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc thông thấp tương tự trên cơ sở RC dùng để lọc các nhiễu cao tần do can nhiễu vào mạch biến dòng hay mạch phân áp

Tìm hiểu qua bộ 1 bộ cong (∑) Sau khi được cong 1 bit (hay 1 LSB) tín

hiệu được tích phân và vào bộ so sánh có lưu giữ, đầu ra bộ so sánh đi vào một DAC 1 bit Đầu ra tăng hay giảm 1LSB tuỳ theo dấu ra của comparator, việc so sánh này theo nhịp và cứ như thế sau 1 nhịp đầu ra của comparator có lưu số liệu tăng lên 1 bit Sau một số nhịp đầu ra của bộ ∑ lớn hơn đại lượng vào, bộ so sánh đổi dấu

DAC thay đổi 1 bit đổi dấu giảam xuống, để cho thấp hơn tín hiệu vào Đầu ra bộ biến đổi thay đổi theo từng bit được qua bộ lọc thông thấp đưa ra kết quả Bộ biến đổi tương tự số của Analog devices ở đây là bộ ADC ∑ - ∆ 24 bit tốc độ 894KHz (Clock/4)

ADC này được để thiết kế để làm việc ở tần số 40 Hz – 2kHz

Bây giờ ta tính toán xem các tính năng của ADC này như thế nào và

Làm thế nào thực hiện được

ADC trong mạch ADE 7753 có độ phân giải 24 bit tức là sai số lượng từ của ADC là 2 24

1

= 6.10-7 Phương trình biến đổi của ADC được viết dạng:

UX= NX LSB 1LSB = Kpa./Uref

Kpa: Hệ số phân áp của DAC

pa

pa x

U

K

dK N

Nx

1

: Sai số do lượng tử tính ra là rất nhỏ

pa

K

dK : Sai số do mạng lưới phân áp trong của ADC Sai số này do công

nghệ phân áp và đối nối quyết định Trong trường hợp dùng công nhgeej vi điện tử trên 1 điện tích nhỏ, sự biến động nhiệt độ rất nhỏ

γ : Sai số của áp chuẩn

Trong ADE 7753 người ta bố trí Uref có 3 giá trị: 2,42V, 1,21V và 0,6V Phân tích sai số của Uref có 2 vấn đề:

Thứ nhất là tính ổn định theo nhiệt độ giao động 200C tức là 0,04%

Trong khi đòi hỏi ADC phải có độ chính xác hay sai số bé hơn 0,01%, do đó phải

bố trí bù sai số nhiệt độ Phân bù nhiệt đó này đã được đặt trong phần mềm của DSP

Thứ hai là giá trị thực tế của Uref, Uref ở trong ADE 7753 giao động 8% tức

là mỗi ADC phải có một bộ phận chỉnh Uref Bộ phận chỉnh kết quả trược tiếp ra sau từng ADC không thực hiện mà chỉ chỉnh ở giá trị U

Hình ảnh và giá trị tức thời U và I lấy ra ở kênh 1 và kênh 2 cho ở Hình 2.9

Hình 2.9: Dạng sóng, giá trị của dòng và áp tức thời lấy ra ở các điểm khác

nhau trong kênh 1 và kênh 2

Như vậy có thể lấy mẫu tín hiệu ở 2 kênh ra thông qua một MCU với tốc độ 27,9 KSPS, 14 KSPS, 7KSPS và 3,5KSPS Dạng tín hiệu 24 bit được đưa ra ở cổng nối tiếp theo từng byte (MSB ra trước)

e Tính toán giá trị hiệu dụng của dòng và áp

Giá trị hiệu dụng được tính theo công thức:

=

n i

i V

2()1

Tổ chức tính Vrms như ở sơ đồ hình 3.8

Hình 2.10: Sơ đồ tính giá trị hiệu dụng của dòng và áp

Tín hiệu tức thời U(t) thu được ở sau ADC được đưa vào bộ lọc thông cao

để loại trừ offset đầu vào của ADC Sau đó số liệu lấy được tự nhân với chính nó (bình phương) Sau đó qua một bộ lọc thông thấp và bù offset cộng tính IRMS OS trong ô (∑) với 11 bit (LSB) cộng với dấu

1 LSB của RMS offset bằng 32768 LSB của bình phương trong regisfer RMS Tương ứng với sai số 0,05% thang đo

g Tính toán công suất tác dụng

Theo lý thuyết: u(t) = 2Usinωt

I(t) = 2Isin(ωt+ϕ)

Công suất tức thời:

P(t) = u(t), i(t) = UIcosϕ- UIcos(2ωt-ϕ)

Gồm 2 thành phần UI cosϕ cố định và thành phần giao dòng

Uicos(2ωt-ϕ)

Lấy tích phân trong 1 chu kỳ ta có công suất trung bình

P = T∫ =

N

UI dt t p

P được gọi là công suất tác dụng

Trong ADE 7753 dòng điện, điện áp được rời rạc hoá p cũng rời rạc hoá ta có:

i i

i u

0

Ui= điện áp tại thời điểm

Ii = dòng điện tại thời điểm thứ i

Cách tổ chức để tính công suất tác dụng được biểu diễn ở hình 2.11

Hình 2.11: Tính toán công suất tác dụng trong ADE 7753

Tín hiệu lượng tự hoá của kênh U và kênh I được đưa vào nhân với nhau sau đó qua bộ lọc thông thấp để loại trừ tần số cao (lấy giá trị trung bình về công suất qua bộ bù offset

Sau đó chỉnh hệ số của công suất để lấy ra tín hiệu công suất tức thời hoặc qua bộ tích luỹ (tính toán năng lượng) để có giá trị trung bình về công suất hay p Giá trị này có thể lưu giữ lại hay đưa ra ngoài qua cổng SPI theo nhịp như giá trị tức thời dòng hay áp

xt nT p o dt

t

0

n: lần lấy mẫu

T: Chu kỳ lấy mẫu

P(nT): Giá trị công suất tức thời (p=ut) tại điểm rời rạc hoá thứ n với chu kỳ rời rạc hoá T

Ở đây Analog devices lấy T = 1,12 µs (4 nhịp clock)

Sơ đồ giải thích phép gia công trong tính toán năng lượng tác dụng tiêu thụ biểu hiện ở hình 3.10

Tín hiệu dòng và áp đã lượng tử hoá và số hoá (số liệu ) được nhân với nhau thành con số tỷ lệ với công suất tức thời Con số này được được qua bộ lọc thoong thấp để loại trừ thành phần tần số cao (thực chất đây là một phép nhân với một toán tử lọc ) sau đó qua một bộ bù offset (thực chất là một bộ công hoặc trừ với một số được định bằng 16 bit APOS[15:0] Con số này tỷ lệ với công suất nhưng muốn có giá trị thật của công suất phải chia cho 1 hệ số k

Hình 2.12: Sơ đồ giải thích quá trình sử lý tính toán năng lượng

Hệ số ấy được đặt WDIV(o:7)(một phép chia số học) WDIV(0) tức là chia với 1 Con số 24 bit này được đưa đến bộ tích luỹ năng lượng (AENERGY register, 53 bit Như vậy mới nhịp lấy mẫu là 1,12 µs thời gian toàn bộ đếm lượng

sẽ là:

CCCCDh

FFFFh F

FFF FFFF

=6000s=100phút

F,FFFF,FFF,F,FFFFh: Dung lượng bộ đếm 52 bit(hexa)

C C C C D: Công suất định mức của bộ biến đổi

1,12µs: Chu kỳ lấy mẫu

Như vậy để đếm dây bộ ghim giữ năng lượng mất 100 phút Có một cách tích luỹ năng lương khác là tích luỹ năng lượng theo chu kỳ của lưới điện gây ra

Cách tích luỹ chu kỳ lưới điện mô tả ở hình 2.13

Hình 2.13: Sơ đồ tích luỹ năng lượng theo chu kỳ lưới điện

Số liệu về công suất được đưa vào bộ tích luỹ thông qua khoá điện tử điều khiển bằng bộ phận phát hiện qua điểm zero

Register LINCUYC (15:0) như vậy thời gian định tích luỹ tối đa là:

Như vậy với tần số lưới 50HZ, thời gian tích luỹ tối đa là:

65535 x 100

1

= 655 giây =10,9 phút

i Tính công suất và năng lượng phản kháng

Công suất phản kháng được tính như sau:

q(t) = Umsin(ωt + ϕ +

2

π =u(t) + i(t) q(t) = UImsinϕ+Uisin(2ωt +ϕ) Q = ∫q )(t dt

và Q = UI sinϕ

Sơ đồ hình 2.14 vẽ cách tổ chức sử lý đo công suất phản kháng và năng lượng phản kháng

Hình 2.14: Sơ đồ giải thích cách sử lý đo công suất và năng lượng phản kháng

Giá trị tức thời của dòng điện và điện áp, sau khi đã được lượng tử hoá (số liệu) được nhân với nhau Kênh U đi thẳng còn kênh I, trước khi nhân, phải chịu một phép trễ

2

π (tức quay đi 900) Phép nhân được thực hiện bình thường và bộ

tích luỹ cũng hoạt động bình thường như ở phép đo năng lượng và công suất tác dụng

k Tính toán công suất và năng lượng biểu kiến

Công suất biểu kiến được tính theo 2 cách:

Hình 2.15 Vẽ sơ đồ tổ chức tính toán công suất biểu kiến

Hình 2.15: Xử lý công suất tính toán biểu kiến

Analog devices đã phải vận dụng bao nhiêu kỹ thuật và công nghệ như đã thấy

để đảm bảo vấn đề này

Năm 1993 Kyzilov ở trường Đại học Bách khoa khác cấp có công bố 1 công tơ

số với tốc độ chính xác tổng là 0,1% nhưng đó là cả một thiết bị và sản xuất đơn chiếc có tính chất sản xuất mầu

Đảm bảo sai số 0,1% với một phép đo gián tiếp (UXI) trên một giải đo rộng 1000:

1 là kết quả khó đạt

- Để xử lý tính toán hiệu chỉnh Analog devices đã phải vận dụng các phép nhân, phép lọc (thực chất cũng là nhân) Các phép chia trên một nhịp 4 clock là một vấn đề khó khăn trong lĩnh vực DSP

Với công nghệ như vậy với các phép sử lý như vậy, ta có thể kết luận đây là một linh kiện hết sức quý mà ta phải quan tâm khai thác

2.Phân tích ở khía cạnh ứng dụng

Các IC ADE 775X được chế tạo ra để phục cho nhiều ứng dụng

Với công nghệ vi điện tử giá thành của mỗi IC này không vượt quá xa các vi mạch khác Tính năng của IC này vượt trội hơn hẳn các transducer về điện hiện có trên thị trường năm 1987 bộ biến đổi SIMEAS của Siemen cho phép biến đổi các thông số I, U, P, Q, Eu, Er với sai số cơ bản 0,25% - 0,3% có đầu ra SPI với giá thành trên 1000USD gấp gần 1000 IC này

Cũng vì vậy, không nên và không thể đặt vấn đề chế tạo IC này hoặc hy vọng chế tạo một thiết bị tương đương với con IC này mà giá thành không quá đắt so với IC này Vì vậy vấn đề chủ yếu hiện nay là:

- Tìm các khai thác và ứng dụng họ IC vào các mục đích khác nhau, tạo ra sản phẩm phù hợp nhất, giá thành hạ nhất để phổ biến rộng rãi công dụng của nó

- ADE 775X được chế tạo ra nhiều hoặc với tính năng khác nhau Mục đích của việc chế tạo ra các sản phẩm này để áp dụng nhiều lĩnh vực khác nhau của bộ biến đổi điện

Ví dụ: AD7750 AD7755 chủ yếu dùng cho các công tơ 1 pha, các bộ biến đổi dòng, áp hiệu dụng

AD7757 có thể dùng để chế tạo công tơ với giá thành rẻ nhất vì nguồn rất đơn giản và đã có mạch giao động ở trong, trốn được 1 thạch anh ở ngoài

AD 7752 Chủ yếu dùng lẫn công tơ, lẫn Wattmet 3 pha 3 phần tử và 2 phần

tử

ADE 7753, ADE 7756 và ADE 7759 là các bộ biến đổi có thể đọc kết quả

đo trực tiếp bằng số thông qua cổng SPI có thể tác động vào để làm các phép

bù, chỉnh trong thời gian khắc độ…

ADE 7753 cho phép lấy ra đầy đủ các thông số vì thế nên dùng để chế tạo các loại transducer khác nhau có thể bố trí phần cứng có cùng một cấu hình, nhưng phần mềm linh hoạt phục vụ cho các mục đích khác nhau:

1.Đo dòng và áp

a.Dòng và áp tức thời:

Có thể lấy mẫu với chu kỳ 894 mẫu / giây

- Độ chính xác cao: 0,1%

- Phân ly 16 bit hoặc có loại 24 bit

- Có thể nối với máy tính cá nhân để hiện thành máy hiện song số có phổ

ở tần số thấp

- Độ nhạy rất cao 7,8 mV trên giải 24 bit Tức là 1LSB 5 nanovolt vì thế

có thể đo nhiều đại lượng rất khác nhau

b Đo trực tiếp giá trị hiệu dụng đúng với định nghĩa của nó với độ chính xác cao

c Có thể đo dòng điện thông qua biến dòng không tiếp xúc, cải thiện các biến dòng thông dụng và cao áp

- Có thể cải thiện biến điện áp

2 Đo công suất tác dụng P, đo công suất phản kháng Đo năng lượng Đây

là ưu việt cơ bản của ADE 775X

Thực hiện bộ nhân chất lượng cao

Làm các Tranducer vạn năng, Micro RTU điện chính xác cao

3 Dùng vào việc đo dòng điện rò, trong mạch xoay chiều, các rơ le chống giật

4 Tiến hành vác phép đo đại lượng từ với tốc độ chính xác cao hơn rất nhiều só với phương pháp cũ

Do trong mạch của ADE 7753 và ADE 7759 có mạch tích phân số nên IC là làm việc rất ổn định và có thể làm việc ở tần số thấp

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CÁC TRANG TRANSDUCER ĐO ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN

TRÊN CƠ SỞ ADE 7753

I PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN

Ta đã phân tích ADE 7753, biết các tính năng và các cách tác động vào nó Như đã biết ADE 7753 có thể đo các đại lượng sau với độ chính xác rất cao:

- Dòng điện, điện áp hiệu dụng Irms, Urms

- Thu thập các số liệu về dạng tín hiệu U và I tức thời

- Chi phép đo công suất tức thời p, công suất p, công suất phân tác dụng

Q, công suất biểu kiến S

- Cho phép đo năng lượng tác dụng tích luỹ Wa trong khoảng thời gian 5 giây

- Cho phép đo chu kỳ T

- Cho phép số liệu để tính cosϕ=

S P

Tất cả các Tránducer dự kiến trong đề tài KC –03-11 đều có thể dử dụng các vi hệ thống ADE

Phương pháp cơ bản là xây dựng ADE 7753 trong mỗi Transducer, dùng một loại Microtoller điều khiển đọc số liệu cần thiết ra, hiển thị, biến thành đăng chuẩn 4-20mA và đưa ra đường dây truyền tin theo chuẩn RS – 485

Sơ đồ khối cơ bản của các Transducer đều giống nhau (hình 2-1)

Hình 2-2: Sơ đồ khối của Transducer

Các Transducer được chế tạo giống nhau về phần cứng, nó gồm có biên dòng TI để biến thành I và V1 Điện áp V1 nằm trong khoảng 500mV –7,8mV vhia làm 6 khoảng đo

Mạch điện áp được thông qua phân áp gồm 2 điện trở phân áp (có bàn) vào

HT

RS 485 MAX 485

TI

φA

V 1 ADE

Hình 2.2 Truy cập địa chỉ trong ADE 7753

Register truyền thông gồm 8bit Bit lớn nhất nói lên nội dung truyền phía sau là đọc hay viết

5 bit sau cùng chứa địa chỉ của register cần đến

Hình 2.3 và 2.4: Vẽ quá trình viết vào một nơi tác dụng trong ADE 7753

Hình 2.3: Giản đồ thời gian của quá trình viết

Hình 2.4 Viết 12 bít nối tiếp

Hình 2.5 Giới thiệu giản đồ thời gian quá trình đọc trên một register

Hình 2.5 Giản đồ thời gian đọc

Bảng 2-1 là danh sách các register