Nghiên cứu khả năng đo năng lượng điện bằng hệ thu thập dữ liệu 16 kênh DEWE5000

Công tơ kỹ thuật sốcông tơ điện tử bắt đầu xuất hiện từ những năm 1970 với rất nhiều tính năng ưu việt như: Có khả năng tạo ra sản phẩm nhỏ gọn, nhiều dải đo; nâng cao độ chính xác và ti

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -

ĐỖ THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐO NĂNG LƯỢNG ĐIỆN BẰNG

HỆ THU THẬP DỮ LIỆU 16 KÊNH DEWE – 5000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN- 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đỗ Thanh Tuấn

Học viên lớp cao học khóa K14 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa- Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề số 1- Bộ quốc phòng

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực.Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Người thực hiện

Đỗ Thanh Tuấn

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Quân Nhu– Trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót.Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Đỗ Thanh Tuấn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của nghiên cứu: 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

5 Nội dung thực hiện 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 3

1.1 Khái niệm chung về đo năng lượng điện 3

1.2 Đo năng lượng điện bằng công tơ cảm ứng một pha 3

1.3 Đo năng lượng điện bằng công tơ điện tử 7

CHƯƠNG 2HỆ THU THẬP DỮ LIỆU DEWE-5000 15

2.1 Giới thiệu sơ lược về hãng DEWETRON 15

2.2 Thiết bị DEWE – 5000 PC tại TT thí nghiệm- ĐHKT Công nghiệp TN 17

2.2.1 Khái quát chung 17

2.2.2 Các thông số kỹ thuật của hệ thống 19

2.2.4 Các cổng kết nối 20

2.2.5 Tổng quan về các loại module DAQ 21

2.2.6 Giao diện thông minh 28

2.2.7 Kết nối nguồn cung cấp 29

2.2.8 Phần mềm DEWE (DEWESoft) 36

2.2.9 Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-DE-x 36

2.2.10 Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-NI-x-U 38

2.3.Cách tạo hàm thời gian trên DEWE-5000 39

2.4 Xử lý tín hiệu 40

2.5 Các bước thực hiện: 41

2.6 Hướng dẫn an toàn 41

CHƯƠNG 3SỬ DỤNG HỆ THỐNG DEWE - 5000ĐO NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 45

3.1 Chức năng đo công suất một pha của DEWESoft 45

3.2 Cài đặt kênh đo 47

3.3 Phép đo công suất một số thiết bị điện 50

3.4 Cảm biến hiệu chỉnh 54

3.5 Đo năng lượng một pha và 3 pha 59

3.5.1 Đo năng lượng một pha 59

3.5.2 Đo năng lượng ba pha 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha 3

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ 4

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử analog 8

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử số 11

Hình1.5 Sơ đồ nguyên lý đo năng lượng tác dụng 12

Hình 1.6 Chu kỳ tích lũy năng lượng của ADE 7753 13

Hình 2.1 Các lĩnh vực ứng dụng của DEWETRON 15

Hình 2.2 Tính năng, tác dụng của thiết bị hãng DEWETRON 16

Hình 2.3 Các quá trình kiểm tra chất lượng 17

Hình 2.4 Mô hình DEWE-5000 PC 18

Hình 2.5 Kích thước của DEWE-5000 20

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối của DEWE-5000 20

Hình 2.7 K nguồn và công tắc nguồn cung cấp cho thiết bị 30

Hình 2.8 Chân nối đất và nguồn cung cấp DC 31

Hình 2.9 Nguồn kết nối 2 chân LEMO EGJ.2B.302 32

Hình 2.10 DEWE – 5000 với chức năng PS-BAT và nguồn ngoài 34

Hình 2.11: Bộ điều khiển pin thông minh 34

Hình 2.12 Bộ pin nguồn ngoài 35

Hình 2.13: một giao diện phần mềm DEWE Soft 36

Hình 2.14 Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-DE-x 37

Hình 2.15.Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-NI-x-U 38 Hình 2.16 Cách tạo hàm thời gian trên DEWE – 5000 39

Hình 2.17 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu 40

Hình 3.1 Giao diện đo công suất 45

Hình 3.2 Khả năng phân tích phổ tần và xác định biên độ của các sóng hài 46

Hình 3.3 Thực nghiệm đo công suất sử dụng DEWE - 5000 47

Hình 3.4 Cài đặt kênh dòng điện và điện áp 48

Hình 3.5 Đo công suất của DEWE – 5000 48

Hình 3.6 Cài đặt các thông số cho kênh dòng 49

Hình 3.7 Các đặt các thông số khác của đo công suất 50

Hình 3.8 Giao diện tổng quan khi sử dụng tải máy sấy tóc hoạt động với một nửa công suất 51

Hình 3.9 Giao diện tổng quan khi sử dụng tải máy sấy tóc hoạt động đủ CS 52

Hình 3.10 Giao diện tổng quan khi sử dụng tải bóng đèn 11W 53

Hình 3 11 Giao diện tổng quan khi sử dụng tải bóng đèn 40W 54

Hình 3.12 Lực chọn cảm biến và các thông số của cảm biến 55

Hình 3.13 Sự thay đổi về góc pha khi có cảm biến 56

Hình 3.14 Cài đặt các thông số của cảm biến 57

Hình 3.15 Hình ảnh tổng quan khi có cảm biến 58

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý đo năng lƣợng tác dụng bằng DEWE- 5000 59

Hình 3.17 Đo năng lƣợng một pha của DEWE - 5000 60

Hình 4.18 Cài đặt các kênh dòng, kênh áp 3 pha 61

Hình 3.19 Sơ đồ đo công suất 3 pha của DEWE – 5000 61

Hình 3.20 Đo năng lƣợng 3 pha của DEWE – 5000 62

Hình 3.21 Sơ đồ các khối khi năng lƣợng 3 pha 63

Hình 3.22 Hình ảnh sơ đồ đấu nối thiết bị đo năng lƣợng 3 pha tại TTTN 64

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DSP Digital Signal Processing CPU Central Processing Unit

ADE Analog Devices Energy PLC Power Line Communication GPS Global Positioning System ARINC Aeronautical Radio Incorporation SISO Single input Single output

PF Hệ số công suất Ccx Cấp chính xác

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các loại năng lượng mà con người biết đến và đang sử dụng chúng thì năng lượng điện là một trong những năng lượng được được sử dụng phổ biến và tiện lợi nhất Tất cả trong các lĩnh vực của đời sống con người hiện nay đều thấy sự góp mặt của điện năng Kết quả hiển thị trên công tơ đo năng lượng điện được dùng để thanh toán trong các hợp đồng mua bán điện.Việc sử dụng các công tơ có độ chính xác cao là yêu cấu thích đáng và cấp thiết cho cả bên có điện bán và bên mua điện

Tuỳ thuộc vào phạm vi, lĩnh vực sử dụng điện mà người ta sử dụng loại công

tơ cho phù hợp như công tơ một pha ba pha, trực tiếp, gián tiếp, vô công, hữu công, một biểu giá, nhiều biểu giá v.v

Công tơ kỹ thuật số(công tơ điện tử) bắt đầu xuất hiện từ những năm 1970 với rất nhiều tính năng ưu việt như: Có khả năng tạo ra sản phẩm nhỏ gọn, nhiều dải đo; nâng cao độ chính xác và tin cậy; đo được nhiều đại lượng khác nhau; có thể thu thập dữ liệu, lập trình cho công tơ từ xa; có thể đo được cả 4 góc ¼… nên ngày nay việc sử dụng công tơ kỹ thuật số đã và đang được ứng dụng để dần thay thế công tơ điện cơ

Qua quá trình nghiên cứu hệ thu thập dữ liệu 16 kênh tôi thấy khả năng đo năng lượng điện rất chính xác chính vì vậy, để đáp ứng thêm các yêu cầu về đo điện

năng chính các hơn nữa tôi quyết định nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng

đo năng lượng điện bằng hệ thu thập dữ liệu 16 kênh Dewe – 5000”, nhằm đưa

ra phương pháp đo năng lượng điện sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lường 16 kênh Dewe - 5000 do Áo chế tạo; đây là thiết bị hiện đại, có độ chính xác và khả năng lưu động cao và còn có thể phát triển hơn nữa trong việc kiểm định công tơ đo năng lượng điện

2 Mục tiêu của nghiên cứu:

Mục tiêu chung:

Đề tài này, đặt mục tiêu chính là nghiên cứu khả năng đo năng lượng điện bằng

hệ thu thập dữ liệu 16 kênh Dewe - 5000, từ đó áp dụng trên thiết bị thực tế tại Phòng

thí nghiệm Cơ khí – Vật liệu – Động lực – Xây dựng và Phòng thí nghiệm Điện – Điện

tử thuộc Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Các mục tiêu cụ thể là:

* Về mặt lý thuyết

- Nghiên cứu tổng quan về đo năng lượng điện

- Nghiên cứu về quy trình đo năng lượng

- Nghiên cứu các chức năng của hệ thu thập dữ liệu đo lường Dewe – 5000

* Về mặt thực tế

- Sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lường Dewe - 5000 tại Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học KTCN để đo năng lượng điện

3 Đối tượng nghiên cứu

- Đề tài sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lường Dewe - 5000 tại phòng thí nghiệm Cơ khí - Kỹ thuật vật liệu - Động lực- Xây dựng, mô hình bàn kiểm định công tơ một pha 6 vị trí KEND -XDB35S, và một số sensor, thiết bị biến đổi trung gian tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử thuộc Trung tâm thí nghiệm

- Nghiên cứu quá trình thu thập dữ liệu và điều khiển trên công tơ kỹ thuật số đang được sử dụng trên thị trường

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Việc đo năng lượng điện tuy có nhiều các thiết bị đã được sử dụng, tuy nhiên để

đo một các chính xác và mô phỏng được thì không phải thiết bị nào cũng thực hiện được, nên việc sử dụng hệ thu thập dự liệu 16 kênh để đo năng lượng có ý nghĩa thiết thực trong khoa học kỹ thuật điện, có thể áp dụng và thực tiễn

5 Nội dung thực hiện

Chương 1: Tổng quan về đo năng lượng điện

Chương 2: Nghiên cứu các chức năng của hệ thu thập dữ liệu đo lường Dewe – 5000 Chương 3: Thực nghiệm trên mô hình DEWE 5000 tại Trung tâm thí nghiệm – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp để đo năng lượng điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

1.1 Khái niệm chung về đo năng lượng điện

Năng lượng là một trong những đại lượng vật lý quan trọng trong bất cứ lĩnh vực khoa học nào, đặc biệt là trong kỹ thuật điện.Quá trình trao đổi năng lượng dẫn tới các nghiên cứu về lưới điện nhìn từ quan điểm vật lý và cho phép chúng ta hiểu biết hơn về thế giới năng lượng điện và điện từ.Năng lượng được định nghĩa về mặt toán học là tích phân hữu hạn của công suất trong một khoảng thời gian định trước nào đó Năng lượng điện trong một khoảng thời gian ΔT được định nghĩa như sau:

1.2 Đo năng lượng điện bằng công tơ cảm ứng một pha

Có rất nhiều cách đo năng lượng, song công tơ cảm ứng một pha được ứng dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật vì mô men quay lớn, độ làm việc tin cậy, sai số nằm trong phạm vi cho phép

1.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng, cụ thể như hình 1.1

+

Trong công tơ có:

- Nam châm điện A gọi là cuộn dòng, thường được quấn bằng dây có kích thước lớn, ít vòng và cho dòng phụ tải trực tiếp chạy qua (hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng điện)

- Nam châm điện B được gọi là cuộn áp, thường được quấn bằng dây có kích thước nhỏ, rất nhiều vòng, đặt trực tiếp lên điện áp lưới hoặc nối với thứ cấp của biến điện áp đo lường

- Đĩa nhôm L được kẹp cứng trên trục, nam châm vĩnh cửu M và cơ cấu đếm

1.2.2 Nguyên lý làm việc

Khi cuộn dòng có dòng điện chạy qua, xuất hiện từ thông i xuyên qua đĩa nhôm, khi đặt điện áp xoay chiều u lên cuộn áp sẽ tạo ra dòng điện iu chậm pha hơn

so với điện áp một góc 900 Dòng iu sinh ra từ thông u

Ta đã có mômen quay của cơ cấu cảm ứng là:

U là điện áp đặt lên cuộn áp

U k z

U

u

u u

I

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ

u L

L I

β

u '

u

L 2

k k

Vậy: Mq = kf i usin =kkik'uUIsin

sinKUI

Vậy ta có: Mq KUIsin KUIcos KP

Từ đó ta thấy mômen quay tỉ lệ với công suất tiêu thụ

Để có thể thực hiện được I /2 người ta điều chỉnh góc β , tức là điều chỉnh u bằng cách thay đổi vị trí sun từ của cuộn áp hoặc điều chỉnh góc I nghĩa

là thay đổi từ thông I bằng cách thêm hoặc bớt vòng ngắn mạch của cuộn dòng Mômen quay làm quay đĩa nhôm, khi đĩa nhôm quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, nó bị cản lại bởi mômen cản MC do từ trường của nam châm khi xuyên qua đĩa nhôm tạo nên

n k

KP 3 2M 0 3 2M

w

N

tiêu hao công suất là 1kW trong 1 giờ.Số chỉ này được thực hiện ở hộp số trên mặt công tơ

Cấp chính xác của công tơ thường là 0,5; 1; 1,5; 2

Cơ cấu đếm gồm hệ thống bánh vít, trục vít, các con lăn và các bánh răng chỉ thị số

- Độ chính xác không cao và phụ thuộc nhiều vào môi trường làm việc( nhiệt

độ , từ trường bên ngoài ) và kỹ thuật chỉnh định (khe từ, vòng ngắn mạch, vị trí nam châm vĩnh cửu, trở kháng mạch điện áp ) nên không đảm bảo độ tin cậy cao cho người sử dụng

- Đọc chỉ số phải đọc tại chỗ chỉ số tăng dần Do đó, cơ cấu chỉ thị của công

tơ cần số lượng con số ngày càng nhiều, nghiệp vụ ghi phức tạp, nhiều trục trặc

- Số đo ghi không thể thực hiện đồng loạt tại tất cả các điểm đo và do đó, không đáp ứng yêu cầu đánh giá chế độ làm việc, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của

hệ thống điện, một yêu cầu ngày càng trở nên quan trọng

- Người sử dụng dễ dàng đưa ra các giải pháp tác động đến chỉ số công tơ

có thể làm thay đổi chỉ số của công tơ, cả về điện và về cơ, thông qua rất nhiều cách thực hiện

- Nhược điểm thứ tư là chỉ đo duy nhất một giá trị, đó là đếm số điện năng đã

đi qua công tơ Do đó, không cho phép thực hiện thu thập dữ liệu đưa vào hệ SCADA để phân tích, đánh giá Công tơ điện-cơ cũng không cho phép áp dụng giá điện nhiều phương thức tính (cao - thấp điểm, công suất đỉnh, …)

 Nhận xét:

- Công tơ điện cơ đã có nhiều hạn chế trong quá trình hoạt động các hạn chế

về độ chính xác, tính ổn định và ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài Ảnh hưởng nay càng gây trở ngại trong thời kỳ phát triển công nghiệp, kỹ thuật như hiện nay không đáp ứng được yêu cầu

1.3 Đo năng lượng điện bằng công tơ điện tử

Sự phát triển của các mạch nhân điện tử cho phép chúng ta sử dụng chúng trong chế trạo công tơ điện tử Mạch nhân điện tử sử dụng các phần tử analog như các mạch khuếch đại thuật toán, điện trở và điện dụng …, trong khi một số các thiết

bị gần đây sử dụng các phần tử số và các phần tử lập trình được Các tín hiệu dòng điện và điện áp được xử lý để tạo thành một tín hiệu tỷ lệ với công suất thực, sau đó được tích phân trong một khoảng thời gian để tính ra năng lượng cần đo.Các công

tơ làm việc dựa trên nguyên lý trên được gọi là công tơ điện tử hay công tơ tĩnh (vì

nó không có phần quay, phần chuyển động) Do các thành phần điện tử có dải tần số

từ một chiều đến tần số cao, do vậy các công tơ tĩnh có thể áp dụng để đo năng lượng của nguồn một chiều, xoay chiều hoặc nguồn không sin

Có một số công tơ điện tử khác nhau, thứ nhất có thể kể đến là công tơ sử dụng mạch nhân analog, dạng công tơ này đáp ứng cho các phép đo năng lượng với độ chính xác cao, cấp chính xác có thể đạt được tới là 0,5 đến 0,2 Thứ hai là công tơ số cao cấp, công tơ này sử dụng các mạch xử lý số DSP, cá công cụ tính toán số đủ mạnh và các bộ chuyển đổi tương tụ số để tối ưu hóa quá trình tính toán năng lượng

1.3.1 Công tơ điện tử Analog

Cấu trúc của công tơ điện tử analog như hình 1.3

- SH là khâu lấy mẫu và giữ mẫu

Tất cả các tín hiệu dòng điện và điện áp sau một số khâu chuyển đổi cả hai được chuyển thành tín hiệu áp sau đó đưa tới khâu xử lý tín hiệu analog Biên độ cực đại của các tín hiệu này thường cho phép trong khoảng từ 5V đến 15V

Hình 1.3.Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử analog

Với cấu trúc này, công tơ có thể sử dụng được trong mạch một chiều và xoay chiều, tuy nhiên có những yêu cầu khác nhau cho mỗi trường hợp

+ Đối với mạch một chiều: Tín hiệu điện áp được lấy qua bộ chia điện áp, tín hiệu

dòng được lấy qua điện trở shunt, sau đó cho qua khâu xử lý tín hiệu A, thông thường là mạch khuếch đại, trước khi vào mạch nhân Khuếch đại trước khi đưa vào mạch nhân rất quan trọng vì:

- Mức điện áp rơi trên điện trở shunt rất nhỏ, toàn thang cỡ 1V

- Các tín hiệu dòng phải đảm bảo chịu được khả năng quá tải, do đó cần

sử dụng mạch khuếch đại có hệ số điều chỉnh được

- Có thể đóng vai trò là một bộ lọc tích cực cho tín hiệu trước khi đưa tới mạch nhân

+ Đối với mạch xoay chiều: Sử dụng biến dòng điện và biến điện áp để lấy

tín hiệu dòng và tín hiệu áp Các biến dòng và biến điện áp phải được chế tạo hợp lý sao cho các tín hiệu dòng điện và điện áp phía thứ cấp phản ánh trung thực nhất biên độ và góc pha của dòng điện và điện áp phía sơ cấp Sau quá trình chuyển đổi

đó các tín hiệu dòng áp được đưa tới khâu xử lý tín hiệu analog A, khâu xử lý tín hiệu này có thể đẩy toàn bộ tín hiệu dòng và áp xoay chiều về cùng dấu.Sau đó các tín hiệu này được đưa tới mạch nhân giống như trong trường hợp mạch một chiều

Tín hiệu đầu ra của mạch nhân analog sẽ tỷ lệ với công suất tác dụng tức thời của phụ tải Để tính toán năng lượng ta cần phải thực hiện quá trình cộng dồn theo thời gian (bản chất là quá trình tích phân) Quá trình này có thể thực hiện theo hai cách:

Cách 1: Tín hiệu đầu ra của mạch nhân tỷ lệ với công suất tức thời được đưa

tới bộ chuyển đổi từ điện áp sang tần số, qua đó thông tin về công suất thể hiện qua mức điện áp sẽ được chuyển thành chuỗi xung có số lượng xung tương ứng, và quá trình đếm số xung sẽ thực hiện quá trình tích phân của công suất theo thời gian, do

đó ta sẽ nhận được kết quả là năng lượng cần đo Để thực hiện kết quả này ta có thể dùng bộ đếm điện tử ( khóa đóng vào các vị trí I, III) sau đó hiển thị số hoặc sử dụng motor bước (khóa đóng vào các vị trí I, IV), lượng góc quay của rotor là cố

định cho một xung Vị trí của rotor được chỉ thị bởi một cơ cấu đếm bằng cơ khí (sử dụng bánh răng như công tơ cảm ứng) hiển thị tổng số vòng quay của rotor hay chính là năng lượng cần đo Cách này thường được sử dụng hơn cách hiển thị dùng

bộ đếm điện tử bởi vì nó cho phép ghi lại liên tục thông tin về năng lượng

Cách 2: Tín hiệu đầu ra liên tục của mạch nhân tỷ lệ với công suất tức thời

được đưa tới bộ lấy và giữ mẫu ( khóa đóng vào vị trí II), sau đó đưa tới bộ chuyển đổi tương tự-số Bộ chuyển đổi tương tự số thực hiện quá trình lấy mẫu đồng bộ dưới giả thiết thỏa mãn yêu cầu của định lý lấy mẫu shannon, tổng của các tín giá trị lấy mẫy tỷ lệ với tích phân công suất của tín hiệu, hay chính là năng lượng cần xác định Quá trình tính tổng được thực hiện bởi CPU và kết quả được gửi tới bộ nhớ để lưu trữ và hiển thị.Các kết quả đó cũng có thể được sử dụng để quản lý một số quá trình tự động dựa trên năng lượng Các kết quả luôn được truyền trên bus dữ liệu (nối tiếp hoặc song song) cho phép kết nối với hệ thống đo lường hoặc các thiết bị khác

1.3.2 Công tơ điện tử số

Giải pháp đo năng lượng cao cấp nhất hiện nay đó là sử dụng công tơ đo năng lượng hoàn toàn số, trong đó điểm khác nhau cơ bản so với công tơ điện tử analog là các tín hiệu dòng và áp được lấy mẫu và chuyển đổi sang tín hiệu số trước khi đưa tới mạch tính toán năng lượng Cấu trúc cơ bản của công tơ số như hình 1.4

Trên bus dữ liệu luôn có dữ liệu đồng bộ của các tín hiệu dòng và áp tại các thời điểm trích mẫu, do đó cho phép tính toán nhanh các đại lượng công suất tại các thời điểm trích mẫu cũng như cộng dồn để xác định năng lượng Tần số lấy mẫu của công tơ cần độ chính xác cao có thể lên tới 12,8ks/s đối với đo năng lượng tác dụng 6,4ks/s đối với đo năng lượng phản kháng

Theo thuật toán tính công suất và năng lượng khác nhau mà việc huy động khả năng của µP cũng như DSP khác nhau.DSP thường dùng trong các trường hợp cần tính toán các phép tính phức tạp thỏa mãn tính thời gian thực Ngoài ra trong công

tơ số còn tích hợp các thuật toán tự kiểm tra phần cứng và phần mềm, các thuật toán truyền thông kết quả tới thiết bị khác nhau trong hệ thống đo lường

Việc quản lý dữ liệu được thực hiện như sau: Dữ liệu về dòng điện và điện

áp tại các thời điểm trích mẫu được gửi trực tiếp cho µP hay DSP để thực hiện quá trình tính toán hoặc truy suất bộ nhớ một cách trực tiếp DMA, trước hết chuỗi dữ liệu cho một khoảng thời gian xác định được lưu trữ sau đó được sử dụng để tính toán năng lượng và các tham số khác Kết quả của quá trình tính toán được đưa lên bus dữ liệu để hiển thị và gửi các thiết bị khác có liên quan

1.3.3 Cách tạo hàm thời gian trong công tơ điện tử (Loại công tơ điện tử sử dụng chíp dòng ADE775x)

Năng lượng điện được định nghĩa

0 1

WE

t n

- WE là năng lượng,

- P là công suất

- N là số điểm lấy mẫu

- Ts=1,1µs(4/CLKIN) là chu kỳ lấy mẫu

ADE775x thực hiện tích phân công suất p theo thời gian và chứa kết quả vào

1 thanh ghi năng lượng 49 bit.Trong đó thanh ghi năng lượng tiêu thụ (AENERGY [23:0]) là 24 bit cao

Tuy nhiên do công suất tác dụng P sử dụng phương pháp lọc thông thấp nên tại đầu ra của LPF2 công suất tác dụng có dạng như sau

2

.

2 1

Và năng lượng tiêu thụ được tính theo công thức sau:

Hình1.5 Sơ đồ nguyên lý đo năng lượng tác dụng

f f

Ta thấy giá trị năng lƣợng tiêu thụ có thành phần dao động nhỏ do thành phần sin(2ω) Để loại bỏ thành phần điều hòa tần số 2ω chíp ADE775x có chế độ tích lũy năng lƣợng theo chu kỳ tín hiệu

Khi đó thành phần dao động E(t)=0

Với T là chu kỳ tín hiệu dòng điện và điện áp, n là số nguyên

Để tính năng lƣợng trong chế độ này, set bit 7(CYCMODE=1) trong thanh ghi MODE Chíp ADE775x tích lũy năng lƣợng và chứa kết quả trong thanh ghi LAENERGY trong n chu kỳ tín hiệu Số lƣợng nửa chu kỳ đƣợc đặt trong thanh ghi

16 bít LINECYC Khi kết thúc quá trình tích lũy cờ CYCEND của thanh ghi trạng thái ngắt bằng 1

Hình 1.6 Chu kỳ tích lũy năng lượng của ADE 7753

1.3.4 Đặc điểm

 Ưu điểm:

- Loại bỏ các nguyên nhân gây sai số (cơ cấu cảm ứng, hộp số và bộ chỉ số) nên độ chính xác nâng cao lên rất nhiều và không chịu ảnh hưởng nhiều của các yếu

tố môi trường, có thể đạt được độ chính xác của biến áp đo lường Kết cấu thuần túy

là mạch điện - điện tử, nên độ tin cậy cao hơn nhiều so với công tơ điện cơ Mặt

khác, kích thước và khối lượng được thu nhỏ, giảm thiểu

- Khả năng chống can thiệp cố ý vào số đo là rất cao Chỉ còn các tác động lên mạch điện là gây được ảnh hưởng đến chỉ số, và chỉ cho phép thực hiện cùng lúc với lắp đặt Khi đã vận hành, các tác động này có thể phát hiện bằng phần mềm cài bên trong thiết bị

- Khả năng truyền dữ liệu và khả năng đọc từ xa Công tơ kỹ thuật số áp dụng công nghệ điều khiển qua khoảng cách (remote) cũng như truyền dữ liệu qua các kênh viễn thông như PLC (Power Line Communication) trên đường dây phân phối trung hạ áp, vi ba, cáp quang … Nhờ vậy, công tơ điện tử cho phép giảm nhẹ công tác ghi chữ, thậm chí, có thể tiến tới loại bỏ công tác ghi chữ khi được áp dụng đại trà

- Công tơ kỹ thuật số cho phép đo đồng thời các giá trị ở tất cả các vị trí đặt Như vậy, công tơ kỹ thuật số đáp ứng đầy đủ các nhận dạng về hệ thống điện

 Nhược điểm :

- Nhược điểm cơ bản của công tơ điện tử là hiện nay giá thành còn cao và công tác hiệu chỉnh phức tạp, đòi hỏi thiết bị chuyên dùng, nhân viên thực hiện có kiến thức cần thiết về công nghệ máy tính - kỹ thuật số

 Nhận xét:

- Với nhiều ưu điểm công tơ kỹ thuật số đã và đang được mở rộng sản xuất

và sử dụng ở tất cả mọi nơi ,nó sẽ dần thay thế công tơ điện cơ Nước ta đã có nhiều

cơ sở lắp ráp công tơ kỹ thuật số trên cơ sở nhập các linh kiện vi xử lý Điều đó mở

ra khả năng ứng dụng thuận lợi công tơ kỹ thuật số vào hệ thống điện

CHƯƠNG 2

HỆ THU THẬP DỮ LIỆU DEWE-5000

2.1 Giới thiệu sơ lược về hãngDEWETRON

Được thành lập vào năm 1989, DEWETRON đã trở thành một nhà cung cấp hàng đầu về hệ thống kiểm tra và đo lường Với hơn 200 nhân viên của hãng đang làm việc tại trụ sở chính tại Graz, Áo và có cơ sở ở 25 quốc gia trên thế giới

DEWETRON phát triển, sản xuất, và phân phối hệ thống thiết bị có độ chính xác cao, với kết cấu chắc chắn để sử dụng di động và tại phòng thí nghiệm.Khả năng mở rộng, module và nền tảng công nghệ tiên tiến của phần cứng và phần mền cho phép các hệ thống được triển khai ở hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu.Hiện nay trên toàn thế giới đang có khoảng 250.000 thiết bị đo lường đo lường của hãng đang được sử dụng thường xuyên trong các lĩnh vực như; ô tô, năng lượng điện vũ trụ hàng không, quốc phòng, giao thông vận tải cũng như trong việc kiểm tra và đo lường hệ thống

Hình 2.1: các lĩnh vực ứng dụng của DEWETRON

Hệ thống DEWETRON giúp người sử dụng tạo ra dữ liệu kiểm tra và đo lường có chất lượng cao nhất trong thời gian ngắn nhất Cả hai, phần cứng và phần mềm của DEWETRON được tối ưu hóa để hỗ trợ mục tiêu này

Các phần cứng cung cấp tín hiệu đầu vào rất khác nhau như analog, kỹ thuật số, truy cập / mã hóa, video, GPS và hệ thống bus khác nhau như bus CAN

mà tất cả đều ghi lại hoàn toàn đồng bộ Vì vậy, phân tích dữ liệu có thể được thực hiện rất dễ dàng.Việc kết nối cảm biến cần phải phù hợp với nhu cầu thực tế

nên DEWETRON cung cấp tùy chọn kết nối khác nhau cho hầu hết các thông số đầu vào

Phần mềm dễ sử dụng và tính năng mạnh mẽ Việc cài đặt các chức năng của thiết bị là rất dễ dàng Các cảm biến có thể dược nhận dạng tự động bởi phần mềm

tự động nhận dạng TEDS hoặc chọn từ một cơ sở dữ liệu cảm biến

Thiết bị có thể lưu trữ biên dạng và sự diễn biến của các thông số bằng cách nhấn vào nút STORE Sau khi dữ liệu được lưu trữ, dùng phím ANALYZE và thì

có thể xem lại nó trên màn hình, với các điều khiển PLAY

Việc tìm kiếm báo cáo được thực hiện rất nhanh và có thể được in các báo cáo này

Hình 2.2: Tính năng, tác dụng của thiết bị hãng DEWETRON

Về chất lượng

DEWETRON cam kết quản lý chất lượng tốt dựa trên sự hiểu biết, kinh nghiệm của đội ngũ nhân viên Bao gồm:Sự phát triển sản xuất, kiểm soát chất lượng, giao hàng và kết thúc với sự hỗ trợ và dịch vụ của các hệ thống trong quá trình hoạt động

DEWETRON được chứng nhận tiêu chuẩn ISO 9001: 2008 và ISO 14001:

2009 Quản lý môi trường và chất lượng rất phù hợp là một phần thiết yếu trong hoạt động kinh doanh của hãng

DEWETRON có chất lượng tốt.Trước khi đưa ra thị trường thiết bị của hãng được thử nghiệm, kiểm tra kỹ càng qua nhiều công đoạn.Điều này giúp DEWETRON xác định và khắc phục các nhược điểm trước khi đưa ra thị trường.Mỗi phiên bản được thử nghiệm cho đến khi đáp ứng được tiêu chuẩn chuất lượng DEWETRON

Về công tác quản lý chất lƣợng

DEWETRON đã thiết lập một khuôn khổ hệ thống quản lý chất lƣợng, để các quy trình chế tạo đƣợc đảm bảo thông qua thiết bị tiên tiến và các chuyên gia có trình độ cao, công tác quản lý chất lƣợng đƣợcthực hiện trên tất cả các chi nhánh của hãng trên toàn cầu

Hình 2.3: Các quá trình kiểm tra chất lượng

2.2 Thiết bị DEWE – 5000 PC tại TT thí nghiệm- ĐHKT Công nghiệp TN

2.2.1 Khái quát chung

- Là một máy đo và thu thập dữ liệu tích hợp máy tính xách tay có chất lƣợng cao với các đầu ra mở rộng để phục vụ cho các chức năng khác nhau

- Có thể thực hiện các phép tính với các biến số là các thông số ngoài thu thập đƣợc và các tín hiệu do bộ phát tín hiệu trong máy tạo ra

- Là hệ thống thu thập dữ liệu di động Thu thập đồng thời nhiều thông số thông

số thông qua 16 kênh đầu vào qua 16 khe cắm nội bộ cho DEWE-DAQ/module

PAD, số lượng kênh đầu vào có thể lên đến 256 kênh nhờ phần mềm mở rộng khả năng đo và các bộ ghép nối trung gian

- Việc thu thập, xử lý tín hiệu được thực hiện theo thời gian thực

- Là thiết bị phát sóng với khả năng tạo tín hiệu hình sin, xung vuông, xung răng cưa

- Có chức năng như một máy hiện sóng đa kênh, đặc biệt thiết bị có thể phân tích phổ tần của tín hiệu

Ứng dụng của DEWE – 5000 để đo kiểm các thiết bị điện tử, các cấu trúc cơ khí, trục chuyển động, độ bền thành phần, theo dõi mạch điều khiển hoặc các quá trình sản xuất quan trọng, nó có sẵn các công cụ hoặc có thể tùy chỉnh một hệ thống

để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng

DEWE – 5000 là thiết bị đa năng, Chúng có thể được sử dụng trong phòng thí nghiệm, trong nhà máy hoặc trên các máy móc trong mọi lĩnh vực DEWE 5000 có thể kiểm tra tất cả mọi thứ từ đồ điện tử nhỏ để máy móc rất lớn; Ngay cả GPS, ARINC hoặc video có thể được lấy mẫu đồng bộ với tín hiệu hỗn hợp các hệ thống thu thập dữ liệu của nó Hơn nữa từ có các phép đo để lâu dài hoặc thậm chí giám sát thường xuyên thì cơ sở dữ liệu có thể luôn được lưu trữ tất cả mọi thứ

Thanh công cụ cung cấp tất cả các chức năng quan trọng và cần thiết trong khi tiến hành đo

Hình 2.4 Mô hình DEWE-5000 PC

2.2.2 Các thông số kỹ thuật của hệ thống

DEWE-5000

Nguồn cung cấp

option 5000-PS-BAT:

- 400 W AC cung cấp điện ATX MPM-842P

- 400 W AC cung cấp điện ATX BEA-640

- 300 W DC cung cấp điện ATX DX-300HEW

- 300 W DC cung cấp điện ATX APT-DY300H

- 320 W DC cung cấp điện ATX XP-04 với DC-123

Phương pháp kiểm tra hoạt động

Hình 2.6.Sơ đồ kết nối của DEWE-5000

a: mặt trước, b: mặt bên ,c: Combustion Analyzer option, d: mặt sau

1 Nguồn cung cấp kết nối với công tắc nguồn chung

2 Kết nối bàn phím PS/2

3 Kết nối chuột PS/2

4 Kết nối giao diện USB

5 Kết nối giao diện LPT

6 Kết nối giao diện 2x RS-232

12 Kết nối Combustion Analyzer ( với loại DEWE-5000-CA)

2.2.5 Tổng quan về các loại module DAQ

- Các phép đo phổ biến

Băng thông(BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

Đo độ biến dạng, cầu nối cảm biến

±0.1 tới ±1000 mV/V



BW:300kHz LP:10Hz tới

300 kHz

ISO:350 VDC OP: ±50 VDC

Cầu áp điện trở

±0.5 tới 10000 mV/mA

Điện áp ±500 μV tới

±10 V Điện trở 25 mΩ tới 100

kΩ Pt100, Pt200, -200° C tới

Pt500, Pt1000 ,Pt2000

850°C

IEPE® thông qua MSI-BR-ACC

±2.5tới

±10000 mV

Cặp nhiệt điện thông qua MSI-BR-TH-x

Khắp phạm vi của loại TC

CH-50

5000PC

Điện áp qua MSI-BR-200

Lên tới ±200V

Nhiệt điện trở

Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000

và Pt2000,

 BW: 3 kHz LP:3,10,30, 100,300, 1000

Hz

ISO: 1

kVRMS

Cặp nhiệt điện

Loại K, J, T,

R, S, N, E, B,

L, C, U Điện trở 1 Ohm tới 1

MOhm Cầu áp điện

trở

13 rải (±0.5 to

5000 mV/mA) Điện áp Phạm vi 10 từ

±5 mV tới ±5

V Dòng điện (mở rộng với Shunt)

Phụ thuộc vào điện trở shunt

- Đo dòng điện và điện áp

Băng thông (BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

±50 V

 BW: 300 kHz LP: 10 Hz đến

300 kHz

ISO: lên đến 1 kVRMS OP: 350 VDC

Dòng điện

mở rộng với Shunt

20 mA / 5 A

IEPE® qua MSI-V-ACC

±10 mV đến

10 V Pt100, Pt200, Pt500,

Pt1000, and Pt2000 và điện trở qua MSI-V-RTD

-200° C đến 1000° C

kOhm

Sạc pin qua MSI-V-CH-

±500 VDC

Dòng điện

mở rộng với shunt

- Đo điện áp cao và dòng điện

Băng thông (BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

Dòng điện Chú ý: Loại ứng dụng 20mA

- Cầu/biến dạng đo và bộ khuếch đại tần số sóng mang

Băng thông (BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

Cầu xoay chiều, đo biến dạng

Cầu: 0.1 đến

1000 mV/V

- BW: DC tới 2.3 kHz

LP: 10 Hz tới

1 kHz

OP: ±10 VDC

Cảm biến cảm ứng, LVDT

Cảm ứng: 5 tới 1000mV/V

dạng, Cảm biến cầu

±1 tới ±50 mV/V (@ 5 VDC)

OP: ±10 VDC

Cảm biến thế năng

200 Ω tới 10

kΩ

dạng, Cảm biến cầu

±0.1 đến ±100 mV/V (@ 5 VDC)

LP:10Hz tới

200 kHz

OP: ±10 VDC

Cảm biến thế năng

200 Ω tới 10

kΩ

- Sạc/ đo IEPE ®

Băng thông (BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

Cảm biến IEPE®

Hz và 5 Hz

-

Cảm biến sạc

Cảm biến IEPE®

Sạc từ 5 tới 50000pC

- BW: 0.1 Hz

tới 50 kHz

LP: 100 Hz tới 50 kHz

ISO:

350 VDC

- Module đo nhiệt độ, tần số, điện áp đầu ra

Băng thông (BW), Lọc thông thấp (LP), lọc thông cao (HP)

Cách ly (ISO), bảo vệ quá áp (OP)

Cặp nhiệt điện

Tần số 100 Hz tới 200

kHz

- BW: 400 Hz ISO:

240 VDC

Điện áp đầu

ra

1:1 module đầu ra cách ly Điện áp đầu vào: ±10V

Điện áp đầu ra:

±10V

- BW: 400 Hz ISO:

240 VDC

2.2.6 Giao diện thông minh

Giao diện thông minh cho các moduleDAQP / MDAQ, DEWE-43 và DEWE-101

SUB- STG-D

SUBBRIDGED

SUB-V- 200-D

MDAQ- STG-D

LV-D

Sạc giao diện đầu vào cho DAQP-STG và MDAQ-SUB-BRIDGE / -STG với đầu nối DB9 Phạm vi lên tới 50.000pC, nguồn xoay chiều với tần số 0,07Hz, kết nối tín hiệu BNC Max Băng thông 100kHz ( phụ thuộc vào băng thông tối đa của bộ khuếch đại) Tự động thích hợp bộ chuyển đổi

Cặp nhiệt điện loại K/J/T thích hợp cho module DAQP-BRIDGE-x and MDAQ-SUB-BRIDGE / -STG với kết nối DB9 Chỉ sử dụng với cảm biến cặp nhiệt điện (ngoại trừ kết hợp với DAQP-BRIDGE-A*) Độ chính xác cao Tự động thích hợp bộ chuyển đổi

SUB- STG-D

SUBBRIDGED

SUB-V- 200-D

MDAQ- STG-D

LV-D

bộ khuếch đại Tự động thích hợp bộ chuyển đổi

2.2.7 Kết nối nguồn cung cấp

- Công suất đầu ra

- Điện áp đầu ra

400W liên lục +3.3 V (max 28 A) +5 V (max 35 A) -5 V (max 0.5 A) +5 Vsb (max 2 A)

+12 V (max 30 A) -12 V (max 0.8 A)